KR102119487B1 - 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이더로부터 수신되는 신호를 측정하여 레이더의 성능을 확인하기 위한 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법은, 복수의 배열 소자로부터 디지털 빔 신호를 수신하는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법으로서, 각 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호에 손실 가중치를 부여하여 디지털 빔 신호의 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 계산한다.

Description

완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법{METHOD FOR TESTING PERFORMANCE OF FULLY DIGITAL ACTIVE ARRAY RADAR APPARATUS}
본 발명은 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이더로부터 수신되는 신호를 측정하여 레이더의 성능을 확인하기 위한 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법에 관한 것이다.
레이더(radar) 장치는 높은 지향성을 가지는 안테나를 이용하여 표적에 전자파를 방사한 후, 표적으로부터 반사되는 반사파를 수신하여 표적까지의 거리, 방향 및 표적의 형태 등과 같은 표적 정보를 획득할 수 있는 장치이다.
레이더 기술의 발전에 따라, 레이더에 사용하는 안테나도 수동형으로부터 능동형으로 발전하였다. 또한, 이와 같은 능동형의 안테나를 사용하는 레이더 장치 역시 기존의 아날로그 방식으로 빔을 형성하는 형태에서 개별 소자 단위 또는 부배열 단위에서 디지털 방식으로 빔을 합성하는 디지털 능동 배열 레이더로 발전하고 있다.
최근, 국내에서 개발되고 있는 능동 배열 레이더 장치의 경우, 높은 지향성과 낮은 부엽 레벨, 신속한 빔 주사 및 저전력 특성을 위하여, 개별 소자 단위에서 수신 신호를 I/Q(In phase/Quadrature phase) 디지털 신호로 변환하여 빔을 합성하는 완전 디지털 방식을 사용하고 있다.
한편, 레이더는 최초 설치 후 시간의 흐름에 따라 그 수신 성능이 조금씩 저하되는 경향이 있다. 따라서, 정기적으로 레이더의 수신 성능에 문제가 없는지를 확인해야 할 필요가 있다. 일반적으로, 레이더의 성능은 일반적으로 안테나 이득(Gain)과 시스템 잡음 온도(Noise Temperature)에 따라서 표현되는 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)에 의해 결정된다. 그러나, 이는 아날로그 방식에 최적화된 성능 측정 방법으로서, 아직 완전 디지털 방식에 적합한 수신 성능을 측정하는 방법에 관한 연구는 아직 미비한 실정이다.
KR 10-2010-0079715 A
본 발명은 완전 디지털 방식에 적합한 구조로 수신 성능을 확인할 수 있는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법은 복수의 배열 소자로부터 디지털 빔 신호를 수신하는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법으로서, 각 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호에 손실 가중치를 부여하여 디지털 빔 신호의 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 계산한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법은 복수의 배열 소자로부터 디지털 빔 신호를 수신하는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법으로서, 각 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호에 손실 가중치를 부여하여, 상기 복수의 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 세기 및 상기 복수의 배열 소자로부터 발생하는 잡음의 크기를 계산하는 과정; 및 상기 계산된 디지털 빔 신호의 세기와 잡음의 크기로부터 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 계산하는 과정;을 포함한다.
상기 디지털 빔 신호의 세기를 계산하는 과정은, 각 배열 소자로부터 수신되는 제1 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정; 및 상기 산출된 제1 디지털 빔 신호의 세기를 합산하여 상기 복수의 배열 소자로부터 수신되는 제2 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 제2 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정은, 상기 산출된 제1 디지털 빔 신호의 세기를 상관 누적(coherent integration)하여 합산할 수 있다.
상기 제2 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정은, 하기의 수학식 1에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020009578599-pat00001
(여기서, Ssum은 제2 디지털 빔 신호의 세기, N은 배열 소자의 개수, Sc,n은 제1 디지털 빔 신호의 세기, Pin은 배열 소자의 전력 밀도, Ae는 배열 소자의 유효 개구면 크기, gT는 디지털 빔 신호의 변환 이득, Lf는 배열 소자의 전단 손실, Lw,n은 제1 디지털 빔 신호의 손실 가중치, Sin은 입력 신호의 세기를 의미한다.)
상기 잡음의 크기를 계산하는 과정은, 각 배열 소자로부터 발생하는 제1 잡음의 크기를 산출하는 과정; 및 상기 산출된 제1 잡음의 크기를 합산하여 상기 복수의 배열 소자로부터 발생하는 제2 잡음의 크기를 산출하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 제2 잡음의 크기를 산출하는 과정은, 상기 산출된 제1 잡음의 크기를 비상관 누적(non-coherent integration)하여 합산할 수 있다.
상기 제2 잡음의 크기를 산출하는 과정은, 하기의 수학식 2에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020009578599-pat00002
(여기서, nsum은 제2 잡음의 크기, K는 볼츠만 상수, B는 제1 잡음의 대역 폭, gT는 디지털 빔 신호의 변환 이득, N은 배열 소자의 개수, Ti,n은 제1 잡음의 크기, Lw,n은 제1 디지털 빔 신호의 손실 가중치, T0는 기준 절대 온도, Lf는 배열 소자의 전단 손실, fT는 배열 소자의 잡음 지수를 의미한다.)
상기 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 계산하는 과정은, 하기의 수학식 3에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020009578599-pat00003
(여기서, Ssum은 복수의 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 세기, K는 볼츠만 상수, B는 각 배열 소자로부터 발생되는 잡음의 대역 폭, Pin은 배열 소자의 전력 밀도, λ는 디지털 빔 신호의 파장, Sin은 입력 신호의 세기, gT는 디지털 빔 신호의 변환 이득, N은 배열 소자의 개수, Lf는 배열 소자의 전단 손실, Lw,n은 각 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 손실 가중치, Ti,n은 각 배열 소자로부터 발생하는 잡음의 크기, T0는 기준 절대 온도, fT는 배열 소자의 잡음 지수를 의미한다.)
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체는 전술한 어느 하나에 기재된 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법을 수행한다.
본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법에 의하면, 완전 디지털 능동 배열 레이더에서 아날로그 수신 신호로부터 변환된 디지털 수신 신호를 이용하여 완전 디지털 능동 배열 레이더의 수신 성능을 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 기존의 아날로그 방식에서 레이더의 성능을 측정하기 위한 지표인 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 디지털 방식에 최적화된 파라미터를 적용하여 변환함으로써 완전 디지털 능동 배열 레이더에 최적화된 이득 대 잡음 비를 측정할 수 있다.
도 1은 일반적인 디지털 능동 배열 레이더의 구조를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 구조를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법을 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장되어 도시될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 일반적인 디지털 능동 배열 레이더의 구조를 나타내는 도면이다.
능동 배열 레이더는 여러 개의 소자를 배열하고 서로 다른 위상을 갖는 전파를 송수신하여 전파의 방향을 집중시켜 표적의 정보를 획득한다. 완전 디지털 능동 배열 레이더는 완전 디지털 빔 형성 방식을 이용하여 기존의 아날로그 방식의 변위기를 이용한 아날로그 빔 형성 방식, 디지털 변위기를 이용하고 부배열 개념을 적용한 디지털 빔 형성 방식보다 많은 장점을 가지고 있다. 즉, 완전 디지털 능동 배열 레이더는 부배열 개념의 능동 배열 레이더보다 감도가 크게 개선된다. 또한, 소자 단위로 다중 빔을 형성할 수 있으므로 다중 빔 성능의 열화 없이 다수의 다중 빔을 만들 수 있다.
일반적인 완전 디지털 능동 배열 레이더의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 배열 소자(10), 복수의 증폭기(20), 복수의 변환기(아날로그-디지털 변환기)(30), 복수의 디지털 송수신 블록(40) 및 안테나 제어부(50)를 포함할 수 있으며, 소자 배열 단위로 수신된 디지털 신호를 이용하여 디지털 다중 빔을 형성할 수 있다. 즉, 복수의 배열 소자(10)를 통해 각각 수신된 복수의 신호가 증폭기(120), 변환기(30) 및 디지털 송수신 블록(40)을 각각 거쳐 디지털 신호로 변환되고, 안테나 제어부(500)가 복수의 디지털 신호를 수신하여 디지털 다중 빔을 형성할 수 있다.
일반적인 능동 배열 레이더의 각 배열 소자로 들어오는 신호는 하기의 수학식 1로 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020009578599-pat00004
여기서, m은 전체 거리 셀 샘플 수이며, s(m)은 m번째 거리 샘플에서 조향한 각도로부터 수신되는 신호의 복소 포락(complex envelope) 값이다. n(m)은 각 수신 채널의 복소 백색 잡음이며, a(u,v)은 조향 각도로 산출되는 빔 조향 벡터(steering Vector)이다.
그러나, 이러한 능동 배열 레이더와는 다르게 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더는 바와 같이 하나의 디지털 송수신 블록에서 k개의 다중 빔 개수에 따른 빔조향 매트릭스 연산을 통해, 각 블록마다 다중 빔을 형성할 수 있다. 이하에서, 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 구조에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더 장치는 신호를 수신하기 위한 복수 개의 배열 소자(100), 상기 복수 개의 배열 소자(100)로부터 입력되는 수신 신호를 디지털 수신 신호로 변환하기 위한 복수 개의 변환부(300), 상기 복수 개의 변환부(300)로부터 입력되는 디지털 수신 신호로부터 제1 디지털 빔 신호를 생성하기 위한 합성부(400), 상기 합성부(400)로부터 입력되는 제1 디지털 빔 신호로부터 제2 디지털 빔 신호를 생성하기 위한 빔 제어부(500) 및 상기 빔 제어부(500)로부터 입력되는 제2 디지털 빔 신호를 처리하여 표적 정보를 추출하기 위한 신호 처리부(600)를 포함한다.
변환부(300)는 복수 개의 배열 소자(100)로부터 입력되는 수신 신호를 디지털 수신 신호로 변환한다. 복수 개의 배열 소자(100)로부터 입력되는 신호, 보다 상세하게는 복수 개의 배열 소자(100)로부터 입력되어 증폭부(200)를 거쳐 변환부(300)로 입력되는 신호는 아날로그 방식의 수신 신호이다. 변환부(300)는 이와 같은 아날로그 방식의 수신 신호를 디지털 방식의 디지털 수신 신호로 변환한다. 이와 같은 변환부(300)는 복수 개의 배열 소자(100)와 동일한 개수로 구비되어 각 변환부(300)가 각 배열 소자(100) 또는 각 배열 소자(100)에 연결된 각 증폭부(200)에 연결되는 구조를 가질 수 있다.
여기서, 변환부(300)는 입력되는 수신 신호를 소정 시간 간격으로 샘플링하여 디지털 수신 신호를 생성할 수 있다. 이때, 디지털 수신 신호는 수신되는 고주파(RF) 신호가 적어도 1회 주파수 하향 변환된 중간 주파수(IF) 신호일 수 있으며, 경우에 따라서 고주파(RF) 신호일 수도 있다. 즉, 배열 소자(100)로부터 입력되는 수신 신호는 아날로그 수신 신호이며, 샘플링 결과 생성되는 샘플들은 시간 영역에서의 이산 신호로서 매 샘플링 시간마다 양자화되고 소정 비트의 디지털 부호로 변환된 디지털 수신 신호이다.
합성부(400)는 복수 개의 변환부(300)로부터 입력되는 디지털 수신 신호로부터 제1 디지털 빔 신호를 생성한다. 완전 디지털 능동 배열 레이더는 변환부(300)로부터 디지털 수신 신호가 입력되면 그 신호에 대하여 공간적인 처리를 수행한다. 즉, 완전 디지털 능동 배열 레이더는 먼저 복수 개의 배열 소자(100)로부터 수신 신호를 샘플링한 후 각각의 배열 소자(100)로부터 수신된 수신 신호들을 변환부(300)에 의하여 디지털 형태의 디지털 수신 신호로 변환한다. 이 과정에서의 결과 값은 공간상에서 서로 다른 방향을 가지는 수신 신호들의 집합이 된다. 이때, 합성부(400)는 복수 개의 변환부(300)보다 적은 개수로 구비될 수 있다. 즉, 합성부(400)는 복수 개의 변환부(300) 중 일부의 변환부(300)로부터 입력되는 디지털 수신 신호로부터 제1 디지털 빔 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 배열 소자(100), 복수 개의 증폭부(200) 및 복수 개의 변환부(300)가 M×N개로 마련되는 경우, 합성부(400)는 N개로 마련되어 M개의 변환부(300)로부터 입력되는 디지털 수신 신호로부터 제1 디지털 빔 신호를 생성할 수 있다. 이때, 합성부(400)는 서로 다른 방향을 가지는 수신 신호들의 집합에서 특정 방향을 가지는 수신 신호를 추출하여 제1 디지털 빔 신호를 생성한다. 예를 들어, 합성부(400)는 각각 10°, 20°, ..., 360°의 방향을 가지는 수신 신호를 추출하여 제1 디지털 빔 신호를 생성할 수 있다.
빔 제어부(500)는 합성부(400)로부터 입력되는 제1 디지털 빔 신호로부터 제2 디지털 빔 신호를 생성한다. 전술한 바와 같이, 합성부(400)는 복수 개로 마련될 수 있으며, 빔 제어부(500)는 복수 개의 합성부(400)로부터 입력되는 제1 디지털 빔 신호를 병합하여 제2 디지털 빔 신호를 생성할 수 있다. 즉, 복수 개의 배열 소자(100)로부터 입력되는 수신 신호는 복수 개의 합성부(400)로 분배되어 입력된다. 여기서, 배열 소자(100)가 M×N개로 마련되는 경우, 합성부(400)는 N개로 마련될 수 있으며, 각 합성부(400)에는 M개의 배열 소자(100)와 변환부(300)를 거쳐 M개의 디지털 수신 신호가 입력될 수 있다. 이때, 합성부(400)는 M개의 디지털 수신 신호를 L개의 방향을 가지는 디지털 수신 신호로 분류하여 제1 디지털 빔 신호를 생성할 수 있다. 이와 같이 각 합성부(400)에 의하여 L개의 방향을 가지는 제1 디지털 빔 신호가 생성되면, 빔 제어부(500)는 동일한 방향을 가지는 제1 디지털 빔 신호를 병합하여 L개의 제2 디지털 빔 신호를 생성한다. 즉, 제1 디지털 빔 신호는 M개의 배열 소자(100)로부터 입력되는 디지털 수신 신호를 방향에 따라 분류한 빔 신호를 의미하며, 제2 디지털 빔 신호는 각 합성부(400)로부터 입력되는 제1 디지털 빔 신호를 병합하여 M×N개의 배열 소자(100)로부터 입력되는 디지털 수신 신호를 방향에 따라 분류한 빔 신호를 의미한다.
이하에서, 상기와 같은 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법은 복수의 배열 소자(100)로부터 디지털 빔 신호를 수신하는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법으로서, 각 배열 소자(100)로부터 수신되는 디지털 빔 신호에 손실 가중치를 부여하여 디지털 빔 신호의 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 계산한다.
보다 상세하게는, 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법은 복수의 배열 소자(100)로부터 디지털 빔 신호를 수신하는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법으로서, 각 배열 소자(100)로부터 수신되는 디지털 빔 신호에 손실 가중치를 부여하여, 상기 복수의 배열 소자(100)로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 세기 및 상기 복수의 배열 소자로부터 발생하는 잡음의 크기를 계산하는 과정(S100, S200) 및 상기 계산된 디지털 빔 신호의 세기와 잡음의 크기로부터 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 계산하는 과정(S300)을 포함한다.
일반적으로, 레이더의 성능은 일반적으로 배열 소자(100)에 의하여 형성되는 안테나 이득(Gain)과 시스템 잡음 온도(Noise Temperature)에 따라서 표현되는 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)에 의해 결정된다. 그러나, 이는 아날로그 방식에 최적화되어 완전 디지털 방식에 적용하기가 어려운 문제가 있었다.
아날로그 방식에서 이득 대 잡음 비의 측정은 하기의 수학식 2에 의하여 이루어진다.
[수학식 2]
Figure 112020009578599-pat00005
여기서, K는 볼츠만 상수, Ti,n은 각 배열 소자로부터 발생하는 잡음의 크기, B는 각 배열 소자로부터 발생되는 잡음의 대역 폭, Lf는 배열 소자의 전단 손실, Ld는 배열 소자의 후단 손실, Lk는 수신 신호의 경로 손실, gT는 수신 신호의 변환 이득, T0는 기준 절대 온도를 의미한다.
아날로그 방식에서는 배열 소자(100)의 전단으로부터 아날로그 신호가 입력되고, 입력된 아날로그 신호는 배열 소자(100)의 후단에서도 아날로그 신호로 유지된다. 따라서, 아날로그 방식에서 이득 대 잡음 비의 측정은 배열 소자(100)의 전단 손실(Lf)과 배열 소자의 후단 손실(Ld)을 모두 고려하여야 하면, 이에 의하여 아날로그 방식에서 이득 대 잡음 비의 측정은 상기 수학식 2와 같이 산출되었다.
그러나, 완전 디지털 방식에서는 배열 소자(100)의 전단으로 아날로그 신호가 입력되고, 입력된 아날로그 신호는 배열 소자(100)의 후단에서 디지털 수신 신호로 변환되며, 변환된 디지털 수신 신호는 디지털 빔 신호를 형성하게 된다. 즉, 완전 디지털 방식에서는 배열 소자(100)의 후단에서 모두 디지털 방식의 신호로 변환되는 바, 배열 소자의 후단 손실(Ld)을 고려할 필요성이 없다.
또한, 아날로그 방식에서는 입력된 아날로그 신호로부터 아날로그 빔 신호를 형성할 뿐, 배열 소자(100) 별로 디지털 빔 신호를 형성하지 않는다. 완전 디지털 방식에서는 배열 소자(100)로부터 수신되는 디지털 빔 신호에 가중치를 부여하여 다중 빔을 합성하게 되는데, 이와 같이 각 배열 소자(100)로부터 수신되는 디지털 빔 신호에 부여된 가중치는 이득 대 잡음 비의 측정시 각 배열 소자(100)의 손실에 대하여도 손실 가중치로 적용될 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법은 복수의 배열 소자(100)로부터 디지털 빔 신호를 수신하는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법으로서, 각 배열 소자(100)로부터 수신되는 디지털 빔 신호에 손실 가중치를 부여하여 디지털 빔 신호의 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 계산한다.
여기서, 디지털 빔 신호의 세기를 계산하는 과정(S100)은 각 배열 소자(100)로부터 수신되는 제1 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정(S110) 및 상기 산출된 제1 디지털 빔 신호의 세기를 합산하여 상기 복수의 배열 소자(100)로부터 수신되는 제2 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정(S120)을 포함할 수 있다.
이때, 각 배열 소자(100)로부터 수신되는 제1 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정(S110)은 제1 디지털 빔 신호에 손실 가중치를 고려하여 제1 디지털 빔 신호의 세기를 산출한다. 여기서, 제1 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정(S110)은 하기의 수학식 3에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020009578599-pat00006
여기서, Sc,1은 각 배열 소자로부터 수신되는 제1 디지털 빔 신호의 세기, Pin은 배열 소자의 전력 밀도, Ae는 배열 소자의 유효 개구면 크기, gT는 디지털 빔 신호의 변환 이득, Lf는 배열 소자의 전단 손실, Lw,1은 각 배열 소자로부터 수신되는 제1 디지털 빔 신호의 손실 가중치를 의미한다.
제2 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정(S120)은 상기의 수학식 3에 의하여 산출된 제1 디지털 빔 신호의 세기를 합산하여 복수의 배열 소자(100)로부터 수신되는 제2 디지털 빔 신호의 세기를 산출한다. 여기서, 제2 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정(S120)은 상기 산출된 제1 디지털 빔 신호의 세기를 상관 누적(coherent integration)하여 합산할 수 있다. 여기서, 상관 누적이라 함은 제1 빔 신호의 세기를 합산하는 과정에서 각 배열 소자로부터 수신된 제1 디지털 빔 신호의 세기에 제곱근을 취하고, 이를 모두 더하여 제곱한 후 배열 소자의 개수로 나눠주는 방식을 의미한다. 이와 같이 산출된 제1 디지털 빔 신호의 세기를 상관 누적하여 제2 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정(S120)은 하기의 수학식 4에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020009578599-pat00007
여기서, Ssum은 제2 디지털 빔 신호의 세기, N은 배열 소자의 개수, Sc,n은 제1 디지털 빔 신호의 세기, Pin은 배열 소자의 전력 밀도, Ae는 배열 소자의 유효 개구면 크기, gT는 디지털 빔 신호의 변환 이득, Lf는 배열 소자의 전단 손실, Lw,n은 제1 디지털 빔 신호의 손실 가중치, Sin은 입력 신호의 세기를 의미한다.
이와 같은 수학식 4는 배열 소자(100)로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 전력 밀도와 배열 소자(100)의 유효 개구면 크기의 곱이 하나의 배열 소자(100)에 전달되는 신호의 세기와 같음을 이용하여 유도될 수 있다.
한편, 잡음의 크기를 계산하는 과정(S200)은 각 배열 소자(100)로부터 발생하는 제1 잡음의 크기를 산출하는 과정(S210) 및 상기 산출된 제1 잡음의 크기를 합산하여 상기 복수의 배열 소자(100)로부터 발생하는 제2 잡음의 크기를 산출하는 과정(S220)을 포함할 수 있다.
이때, 각 배열 소자(100)로부터 발생하는 제1 잡음의 크기를 산출하는 과정(S210)은 제1 디지털 빔 신호에 손실 가중치를 고려하여 제1 잡음의 크기를 산출한다. 여기서, 제1 잡음의 크기를 산출하는 과정(S210)은 하기의 수학식 5에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020009578599-pat00008
여기서, nc,1은 각 배열 소자로부터 발생하는 제1 잡음의 크기, K는 볼츠만 상수, Ti,1은 제1 잡음의 크기, B는 제1 잡음의 대역 폭, gT는 디지털 빔 신호의 변환 이득, Lf는 배열 소자의 전단 손실, Lw,1은 각 배열 소자로부터 수신되는 제1 디지털 빔 신호의 손실 가중치를 의미한다.
이와 같은 수학식 5는 전술한 수학식 2와 비교하였을 때, 배열 소자의 후단 손실(Ld)이 모두 제거된 것을 알 수 있다. 즉, 완전 디지털 방식에서는 배열 소자(100)의 전단으로 아날로그 신호가 입력되고, 입력된 아날로그 신호는 배열 소자(100)의 후단에서 디지털 수신 신호로 변환되며, 변환된 디지털 수신 신호는 디지털 빔 신호를 형성하게 되므로, 배열 소자의 후단 손실(Ld)은 고려되지 않는다.
제2 잡음의 크기를 산출하는 과정(S220)은 상기의 수학식 5에 의하여 산출된 제1 잡음의 크기를 합산하여 복수의 배열 소자(100)로부터 발생하는 제2 잡음의 크기를 산출한다. 여기서, 제2 잡음의 크기를 산출하는 과정(S220)은 상기 산출된 제1 잡음의 크기를 비상관 누적(non-coherent integration)하여 합산할 수 있다. 여기서, 비상관 누적이라 함은 제2 잡음의 크기를 합산하는 과정에서 각 배열 소자로부터 발생한 제1 잡음의 크기를 모두 더한 후 배열 소자의 개수로 나눠주는 방식을 의미한다. 이와 같이 산출된 제1 잡음의 크기를 비상관 누적하여 제2 잡음의 크기를 산출하는 과정(S220)은 하기의 수학식 6에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020009578599-pat00009
여기서, nsum은 제2 잡음의 크기, K는 볼츠만 상수, B는 제1 잡음의 대역 폭, gT는 디지털 빔 신호의 변환 이득, N은 배열 소자의 개수, Ti,n은 제1 잡음의 크기, Lw,n은 제1 디지털 빔 신호의 손실 가중치, T0는 기준 절대 온도, Lf는 배열 소자의 전단 손실, fT는 배열 소자의 잡음 지수를 의미한다.
이와 같은 과정에 의하여 복수의 배열 소자(100)로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 세기 및 복수의 배열 소자(100)로부터 발생하는 잡음의 크기가 모두 계산되면, 계산된 디지털 빔 신호의 세기와 잡음의 크기로부터 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 계산할 수 있다.
여기서, 이득 대 잡음 비를 계산하는 과정(S300)은 하기의 수학식 7 및 수학식 8과 같이 디지털 빔 신호의 세기와 잡음의 크기 간의 상관 관계를 정의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112020009578599-pat00010
[수학식 8]
Figure 112020009578599-pat00011
이때, 상기의 수학식 8을 이득(G)과 잡음(T)의 비로 재정리하면, 이득 대 잡음 비를 계산하는 과정(S300)은 하기의 수학식 9에 의하여 이루어질 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112020009578599-pat00012
여기서, Ssum은 복수의 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 세기, K는 볼츠만 상수, B는 각 배열 소자로부터 발생되는 잡음의 대역 폭, Pin은 배열 소자의 전력 밀도, λ는 디지털 빔 신호의 파장, Sin은 입력 신호의 세기, gT는 디지털 빔 신호의 변환 이득, N은 배열 소자의 개수, Lf는 배열 소자의 전단 손실, Lw,n은 각 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 손실 가중치, Ti,n은 각 배열 소자로부터 발생하는 잡음의 크기, T0는 기준 절대 온도, fT는 배열 소자의 잡음 지수를 의미한다.
상기와 같은 과정에 의하여 완전 디지털 방식의 능동 배열 레이더에서 이득 대 잡음 비는 계산될 수 있다. 여기서, 레이더의 수신 성능을 실제 측정하기 위하여 사용되는 전체 잡음의 크기(Ttot)로 상기의 수학식 9를 재정리하면 이득 대 잡음 비는 수학식 10과 같이 나타낼 수도 있다.
[수학식 10]
Figure 112020009578599-pat00013
한편, 본 발명의 실시 예에 따른완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법은 상기의 방법을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체에도 적용될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그래밍 언어 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 플래시 메모리, 솔리드 스테이트 디스크(SSD) 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터 간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법에 의하면, 완전 디지털 능동 배열 레이더에서 아날로그 수신 신호로부터 변환된 디지털 수신 신호를 이용하여 완전 디지털 능동 배열 레이더의 수신 성능을 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 기존의 아날로그 방식에서 레이더의 성능을 측정하기 위한 지표인 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 디지털 방식에 최적화된 파라미터를 적용하여 변환함으로써 완전 디지털 능동 배열 레이더에 최적화된 이득 대 잡음 비를 측정할 수 있다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
100: 배열 소자 200: 증폭부
300: 변환부 400: 합성부
500: 빔 제어부 600: 신호 처리부

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 복수의 배열 소자로부터 디지털 빔 신호를 수신하는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법으로서,
    각 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호에 손실 가중치를 부여하여, 상기 복수의 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 세기 및 상기 복수의 배열 소자로부터 발생하는 잡음의 크기를 계산하는 과정; 및
    상기 계산된 디지털 빔 신호의 세기와 잡음의 크기로부터 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 계산하는 과정;을 포함하고,
    상기 디지털 빔 신호의 세기를 계산하는 과정은,
    각 배열 소자로부터 수신되는 제1 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정; 및
    상기 산출된 제1 디지털 빔 신호의 세기를 합산하여 상기 복수의 배열 소자로부터 수신되는 제2 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정;을 포함하며,
    상기 제2 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정은, 상기 산출된 제1 디지털 빔 신호의 세기를 상관 누적(coherent integration)하여 합산하는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 디지털 빔 신호의 세기를 산출하는 과정은, 하기의 수학식 1에 의하여 이루어지는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112020051669597-pat00014

    (여기서, Ssum은 제2 디지털 빔 신호의 세기, N은 배열 소자의 개수, Sc,n은 제1 디지털 빔 신호의 세기, Pin은 배열 소자의 전력 밀도, Ae는 배열 소자의 유효 개구면 크기, gT는 디지털 빔 신호의 변환 이득, Lf는 배열 소자의 전단 손실, Lw,n은 제1 디지털 빔 신호의 손실 가중치, Sin은 입력 신호의 세기를 의미한다.)
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 잡음의 크기를 계산하는 과정은,
    각 배열 소자로부터 발생하는 제1 잡음의 크기를 산출하는 과정; 및
    상기 산출된 제1 잡음의 크기를 합산하여 상기 복수의 배열 소자로부터 발생하는 제2 잡음의 크기를 산출하는 과정;을 포함하는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법.
  7. 복수의 배열 소자로부터 디지털 빔 신호를 수신하는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법으로서,
    각 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호에 손실 가중치를 부여하여, 상기 복수의 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 세기 및 상기 복수의 배열 소자로부터 발생하는 잡음의 크기를 계산하는 과정; 및
    상기 계산된 디지털 빔 신호의 세기와 잡음의 크기로부터 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 계산하는 과정;을 포함하고,
    상기 잡음의 크기를 계산하는 과정은,
    각 배열 소자로부터 발생하는 제1 잡음의 크기를 산출하는 과정; 및
    상기 산출된 제1 잡음의 크기를 합산하여 상기 복수의 배열 소자로부터 발생하는 제2 잡음의 크기를 산출하는 과정;을 포함하며,
    상기 제2 잡음의 크기를 산출하는 과정은, 상기 산출된 제1 잡음의 크기를 비상관 누적(non-coherent integration)하여 합산하는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 잡음의 크기를 산출하는 과정은, 하기의 수학식 2에 의하여 이루어지는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112020009578599-pat00015

    (여기서, nsum은 제2 잡음의 크기, K는 볼츠만 상수, B는 제1 잡음의 대역 폭, gT는 디지털 빔 신호의 변환 이득, N은 배열 소자의 개수, Ti,n은 제1 잡음의 크기, Lw,n은 제1 디지털 빔 신호의 손실 가중치, T0는 기준 절대 온도, Lf는 배열 소자의 전단 손실, fT는 배열 소자의 잡음 지수를 의미한다.)
  9. 복수의 배열 소자로부터 디지털 빔 신호를 수신하는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법으로서,
    각 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호에 손실 가중치를 부여하여, 상기 복수의 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 세기 및 상기 복수의 배열 소자로부터 발생하는 잡음의 크기를 계산하는 과정; 및
    상기 계산된 디지털 빔 신호의 세기와 잡음의 크기로부터 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 계산하는 과정;을 포함하고,
    상기 이득 대 잡음 비(G/T; Gain over Temperature)를 계산하는 과정은, 하기의 수학식 3에 의하여 이루어지는 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법.
    [수학식 3]
    Figure 112020051669597-pat00016

    (여기서, Ssum은 복수의 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 세기, K는 볼츠만 상수, B는 각 배열 소자로부터 발생되는 잡음의 대역 폭, Pin은 배열 소자의 전력 밀도, λ는 디지털 빔 신호의 파장, Sin은 입력 신호의 세기, gT는 디지털 빔 신호의 변환 이득, N은 배열 소자의 개수, Lf는 배열 소자의 전단 손실, Lw,n은 각 배열 소자로부터 수신되는 디지털 빔 신호의 손실 가중치, Ti,n은 각 배열 소자로부터 발생하는 잡음의 크기, T0는 기준 절대 온도, fT는 배열 소자의 잡음 지수를 의미한다.)
  10. 청구항 2 및 청구항 5 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 완전 디지털 능동 배열 레이더의 성능 확인 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체.
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