KR102143169B1 - 입사하는 신호의 도래방향을 결정하기 위한 방법 및 센서 - Google Patents

입사하는 신호의 도래방향을 결정하기 위한 방법 및 센서 Download PDF

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Abstract

센서 상에 입사하는 신호의 도래방향을 결정하기 위한 센서가 개시되며, 여기서 센서는 안테나들을 구비하며, 안테나들은 사각형과는 다른 특정 구성방식으로 배치되며, 이에 따라 사각형 그리드의 모서리들에 배치되는 안테나들의 2개의 쌍들 간의 정보가 획득될 수 있게 되며, "그리드" 안테나들 중 하나와 결합되어 안테나들의 제 3 쌍을 형성하는 추가적인 안테나로부터 추가적인 정보가 획득될 수 있게 된다. 추가적인 안테나는 사각형/그리드의 모서리들 및 다른 미리-정의된 라인들로부터 떨어져 배치된다. 이러한 방식으로, 도래방향의 불명료한 각도들을 제거하기 위해 단지 사각형의 모서리에만 배치되는 안테나들과 비교하여 각도 결정의 정확도를 훼손함이 없이 예를 들어, 안테나들의 쌍들 간의 위상 차이들로부터, 더 많은 정보가 획득될 수 있다.

Description

입사하는 신호의 도래방향을 결정하기 위한 방법 및 센서{A METHOD AND A SENSOR FOR DETERMINING A DIRECTION-OF-ARRIVAL OF IMPINGENT SIGNAL}
본 발명은 입사하는 신호(impingent signal)의 도래방향(direction-of-arrival)을 결정하기 위한 방법 및 센서에 관한 것으로, 특히 위상-비교 모노펄스 레이더(phase-comparison monopulse radars)에서의 불명료한 방향 결정을 피하는 것에 관한 것이다.
위상-비교 모노펄스 원리는 목표물(target)의 각변위(angular displacement)를 결정하기 위한 협대역 추적 레이더(narrow band tracking radars) 그리고 다른 각도/도래방향 결정 시스템 용으로 가장 광범위하게 사용되는 방법들 중 하나이다. 위상-비교 모노펄스 기법은 예를 들어, 펄스 레이더(pulse radars), 펄스 도플러 레이더(pulse Doppler radars), CW 도플러 레이더(CW Doppler radars), 및 FMCW 도플러 레이더(FMCW Doppler radars)에서 사용되고 있지만, 이것은 또한 텔레메트릭 수신기(telemetric receivers)에 의해 사용되고 있다. 위상-비교 모노펄스 기법의 핵심 개념은, 하나의 수신 안테나로부터 또 하나의 다른 물리적으로 분리되어 있는 수신 안테나까지 준-정상 주파수(quasi-stationary frequency)를 갖는 들어오는 웨이브 프런트(incoming wave front)의 지연(delay)을 측정하는 것이다. 추적될 목표물로부터의 반사된 신호 혹은 방출된 신호의 파장 λ를 갖는 주파수의 준-정상 성질로 인해 가능한, 두 개의 수신기들 간의 수신된 웨이브의 위상 차이를 측정함으로써 전형적으로 매우 짧은 시간 지연이 측정된다.
수신 안테나들 간의 이격거리 D를 증가시키는 것이 레이더의 각도 감도(angular sensitivity)를 직접적으로 증가시킴은 잘 알려져 있다. 따라서, 정확도를 최대화시키기 위해, 수신 안테나들 간의 이격거리 D를 최대화시키는 것이 바람직하다. 그러나, 두 개의 신호들 간의 위상 차이는 ±π 라디안(radians) 내에서만 명료하게 측정될 수 있기 때문에, 수신기 이격거리가 수신된 신호의 파장 λ의 반(half)보다 작은 경우에만 물체에 대한 각도가 명료하게 결정될 수 있다. 이격거리 D가 λ/2보다 더 커지게 되는 순간, 위상 차이의 각도로의 변환은 불명료하게 된다.
과거에는, 다양한 방식으로 앞서의 제한사항을 피하여 동작이 이루어졌다. 대부분의 위상-비교 모노펄스 결정 시스템에 있어서, 이러한 불명료 문제는 어떠한 불명료함도 존재하지 않는 제한된 시계(field of view)로부터 입력되는 에너지만을 수신하는 폭이 좁은 빔 안테나를 사용함으로써 해결된다.
본 발명은 예를 들어, 추가적인 수신 안테나를 다른 수신 안테나들에 대해 물리적으로 특정 위치관계로 배치시켜 추가함으로써 앞서-언급된 문제를 해결한다. 추가적인 수신 안테나는 바람직하게는, 이러한 추가적인 수신 안테나와 본래의 수신 안테나들 중 적어도 하나의 수신 안테나 간의 위상 비교가 본래의 수신기들과 비교해 다양한 각도에서 불명료 시프트(ambiguity shift)를 생성하도록 배치된다. 이것은 단 하나의 수신된 레이더 펄스에 근거하여 목표물에 대한 각도가 명료하게 결정될 수 있음을 의미한다.
본 발명은 위상-비교 모노펄스 원리를 사용하여 소정의 시점에서의 수신 안테나들의 커버리지(coverage)와 각도 측정의 정확도(accuracy) 간에 지금까지 행해졌던 타협(compromise)을 제거한다. 순간 시계 커버리지와 획득가능한 정확도 간의 설계 제약을 분리시키는 것은, 레이더 시스템들 및 다른 도래방향 결정 시스템들의 다양한 새로운 설계를 가능하게 하며, 이에 따라 높은 상업적 가치를 갖는다.
제 1 실시형태에서, 본 발명은 센서(sensor) 상에 입사하는 신호(signal)의 도래방향(direction-of-arrival)을 결정하기 위한 센서에 관한 것으로, 이러한 센서는,
- 6개 이하의 수신 안테나들과; 그리고
- 프로세서를 포함하고,
수신 안테나들 각각은 신호를 감지하여 대응하는 신호를 출력하도록 구성되어 있고,
Figure 112014066558672-pct00001
수신 안테나들 중 적어도 3개의 수신 안테나들은 2개의 제 1 평행 변(parallel side)들 및 2개의 제 2 평행 변들을 갖는 평행사변형(parallelogram)의 모서리(corner)들을 정의하는 제 1 수신 안테나들이고,
Figure 112014066558672-pct00002
수신 안테나들 중 하나 이상의 수신 안테나는 제 2 수신 안테나(들)이며, 각각의 제 2 안테나는 6개 이하의 수신 안테나들 중 다른 안테나와 안테나들의 쌍(pair)을 형성하고, 각각의 쌍의 안테나들은, 평행사변형의 4개의 모서리들 각각과 평행사변형의 4개의 변들 각각의 중심점(centre point)의 임의의 쌍을 통해 연장되는 모든 축(axis)들로부터 2개의 제 1 수신 안테나들 간의 최소 거리의 1%보다 큰 거리만큼 제 1 수신 안테나들 중 하나에 대해 떨어져 배치되는 안테나와 동일한 위치관계로 서로에 대해 배치되고,
프로세서는 출력된 신호들을 수신하여 안테나들의 쌍들 중 적어도 하나의 쌍의 안테나들 간의 대응하는 신호들에서의 위상 차이(phase difference)들로부터 도래방향을 획득하도록 구성된다.
이러한 실시형태에서, "도래방향(direction-of-arrival)"은 신호가 센서 상에 입사하는 방향이다. "입사"한다는 것은 신호가 센서로부터 떨어진 임의의 위치로부터 센서를 향해 나아가는 것을 의미한다. 전형적으로, 이것은 신호의 소스(예를 들어, 신호가 반사 혹은 방출되는 목표물 요소)를 향하는 방향일 것이다.
현재, 바람직한 타입의 신호는 마이크로웨이브 신호(microwave signal)인데, 왜냐하면 본 발명은 예를 들어, 비행 물체 등을 추적하기 위한 레이더 애플리케이션에 매우 적합하기 때문이다. 이러한 타입의 환경에서, 마이크로웨이브 신호는 여러 가지 이점을 갖는다. 그러나, x-선에서 라디오 웨이브(radio waves) 혹은 훨씬 더 긴 파장을 갖는 웨이브까지 모든 타입의 신호 및 모든 주파수에 대해 동일한 문제들이 나타날 것임에 유의해야 한다.
본 실시형태에서, 센서는 6개 이하의 안테나들을 갖는다. 이러한 실시형태에서, 안테나는 신호를 감지하여 대응하는 신호를 출력하도록 구성된 요소이다. 일반적으로, 이러한 대응하는 신호는 수신된 신호의 진폭/강도와 관련된 임의의 파라미터(예를 들어, 전류, 전압, 주파수, 혹은 수치적 콘텐츠(numerical content))를 갖는다. 전형적으로, 신호는 주기적 콘텐츠(periodic content)(예를 들어, 주파수)를 갖고, 이에 따라 출력 신호는 이에 대응하여 변하게 된다. 이러한 실시형태에서, 비록 안테나가 복수의 감지 요소들을 포함할 수 있지만, 안테나는 단일 신호를 출력하는 단일 요소이다.
특정 환경에서, 출력 신호는 수신된 신호에 근거하여 발생될 뿐만 아니라 예를 들어, 내부 신호와 같은 내부 기준을 사용하여 발생된다. 표준 레이더에서, 목표물을 향해 신호를 전송하기 위해 또한 사용되는 내부 기준 신호는 수신 안테나들의 신호 출력과 결합되고 이에 따라 (신호 파장으로부터 기저대역 신호로 다운 변환(down convert)된) 주기적 신호(periodic signal)가 발생되게 되는바, 이는 레이더로부터 목표물을 통해 레이더로 이어지는 경로에서의 신호가 보게 되는 변형, 즉 일반적으로 레이더와 관련되어 목표물의 이동에 의해 유발되는 주파수 변조에 관한 것이다. 기준 신호와의 이러한 결합은 본 안테나들에서 수행될 수 있고, 이에 따라 출력 신호는 이미 그 결과적 신호, 예컨대 다운 변환된 신호이다.
수신 안테나들 중 3개 혹은 4개가 가상의 평행사변형의 모서리에 배치되는 경우, 적어도 두 개의 수신 안테나들은 평행사변형의 제 1 변을 따라 제공되고, 적어도 두 개는 제 1 변에 대해 임의의 각도를 갖는 (평행사변형의) 또 하나의 다른 변을 따라 제공된다. 따라서, 수신 안테나들은 신호 방출 요소의 3차원 도래방향 결정을 위해 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 평행사변형은 직사각형이지만, 원리적으로, 변들 간의 임의의 각도가 사용될 수 있다. 이러한 특정 실시예에서 다수의 축(axis)들이 존재할 것임에 유의해야 한다.
평행사변형의 모서리에 3개 혹은 4개의 제 1 수신 안테나들이 사용되는지는, 현재 2x2 안테나들이 각각의 방향에 배치된다는 점에서(이는 단지 2개의 안테나들이 사용되는 경우보다 더 큰 감도를 제공함), 더 큰 측정 능력을 획득하는 방식이 아닌 감도의 문제이다.
수신된 마이크로웨이브 신호의 파장의 적어도 0.6배 거리만큼 안테나들이 상호간 분리되어 있을 때, 불명료함을 갖는 문제점이 특히 관측된다.
제 2 수신 안테나를 다른 수신 안테나들 중 하나의 수신 안테나(예를 들어, 제 1 수신 안테나들 중 하나의 수신 안테나)와 특정 위치관계로 배치하는 경우, 그 다른 수신 안테나와 제 2 수신 안테나의 쌍은 위상 차이를 제공할 것이고, 이러한 위상 차이는 추가적인 정보를 제공하는바, 이러한 추가적인 정보는 평행사변형의 변들의 모서리에 배치된 제 1 수신 안테나들 간의 위상 차이들에 의해 일어나는 불명료함을 제거하기 위해 사용될 수 있다.
제 2 수신 안테나는 안테나들의 쌍 중 다른 안테나가 될 수 있는 제 1 수신 안테나들 중 임의의 수신 안테나와 함께 이러한 정보를 제공할 수 있음에 유의해야 한다(즉, 제 2 수신 안테나가 제 1 수신 안테나들에 대해 임의의 위치에 배치될 때 만약 이격되는 다른 안테나가 제 2 수신 안테나에 대해, 원하는 위치 관계(구하고자 하는 위상 차이 정보를 발생시키는 위치 관계)가 획득되도록, 올바르게 배치된다면).
안테나들은 일반적으로 물리적 크기를 갖고 있으며, 이에 따라 안테나들의 위치는 전형적으로 그 중심이 됨에 유의해야 한다. 따라서, 안테나의 부분(part)들은 임의의 축으로부터 거리의 1%보다 더 가깝게 배치될 수 있지만 그 중심은 아니다.
바람직한 실시예들에서, 제 2 안테나(들)는 거리의 2%보다 더 가깝게 배치되지 않는바, 거리의 5%보다 더 가깝지 않고, 예컨대 거리의 10%보다 더 가깝지 않다.
이 경우, 프로세서는 출력 신호들을 수신하기 위해 사용될 수 있고, 안테나들의 쌍들 중 적어도 하나의 쌍의 안테나들 간의 대응하는 신호에서의 위상 차이들로부터 도래방향을 획득할 수 있다. 일반적으로, 도래방향은 또한, 제 1 수신 안테나들의 쌍들의 위상 차이들로부터 획득되는바, 여기서 제 1 수신 안테나들의 각각의 쌍의 수신 안테나들은 평행사변형의 동일 변의 모서리들에 배치된다.
당연한 것으로, 프로세서는 ASIC, FPGA, DSP, 신호 프로세서, 단일 프로세서 또는 분산형 프로세싱 네트워크일 수 있다. 프로세서는 프로그래밍가능한 소프트웨어일 수 있거나 하드웨어일 수 있으며, 또는 이들의 결합일 수 있다.
도래방향은 평행사변형의 단일 변 상에 제공되는 제 1 수신 안테나들만의 위상 차이들을 사용하여 1차원으로 결정될 수 있다(만약 사용된 제 2 수신 안테나(들)가 평행사변형의 이러한 변과 일치하는 직선(line) 상에 제공된다면).
대안적으로, 도래방향은 2차원으로 결정될 수 있는바, 이 경우 제 1 수신 안테나들 중 적어도 3개가 사용되고, 이때 제 2 수신 안테나(들)의 위치는 더욱 독립적으로 선택될 수 있다.
위상 차이의 결정은 당업자에게 간단하다. 그러나, 위상 차이가 직접적으로 결정되지는 않지만 등가 데이터, 예를 들어, 개개의 안테나들에 도달하기 위해 신호가 취한 경로 차이를 설명하는 시간 차이, 혹은 경로 차이 자체의 측정치가 동등하게 또한 사용될 수 있는 그러한 다른 방법들도 존재함은 명확하다. 위상 차이들은 주기적 신호 혹은 준 주기적 신호(quasi periodical signals)에 대해 전형적으로 사용되는바, 이러한 주기적 신호 혹은 준 주기적 신호는 또한 본 발명에 따른 바람직한 타입의 신호이다.
위상 차이들에 근거하여 도래방향을 결정하는 방식 및 불명료함을 제거하거나 감소시키는 방식이 아래에서 더 설명된다.
본 발명의 또 하나의 다른 실시형태는 센서 상에 입사하는 신호의 도래방향을 결정하는 방법에 관한 것이고, 여기서 센서는 6개 이하의 수신 안테나들을 포함하고, 수신 안테나들 각각은 신호를 감지하여 대응하는 신호를 출력하도록 구성되며,
Figure 112014066558672-pct00003
안테나들 중 적어도 3개의 안테나는 2개의 제 1 평행 변들 및 2개의 제 2 평행 변들을 갖는 평행사변형의 모서리들을 정의하는 제 1 수신 안테나들이고,
Figure 112014066558672-pct00004
수신 안테나들 중 하나 이상의 수신 안테나는 제 2 수신 안테나(들)이며, 각각의 제 2 안테나는 6개 이하의 수신 안테나들 중 다른 안테나와 안테나들의 쌍을 형성하고, 각각의 쌍의 안테나들은, 평행사변형의 4개의 모서리들 각각과 평행사변형의 4개의 변들 각각의 중심점의 임의의 쌍을 통해 연장되는 모든 축들로부터 2개의 제 1 수신 안테나들 간의 최소 거리의 1%보다 큰 거리만큼 제 1 수신 안테나들 중 하나에 대해 떨어져 배치되는 안테나와 동일한 위치관계로 서로에 대해 배치되고,
본 방법은 안테나들의 이러한 쌍들 중 적어도 하나의 쌍의 안테나들 간의 대응하는 신호들에서의 위상 차이들로부터 도래방향을 획득하는 것을 포함한다.
본 발명의 제 3 실시형태는 센서 상에 입사하는 신호의 도래방향을 결정하는 방법에 관한 것으로, 여기서 센서는 복수의 수신 안테나들을 포함하고, 수신 안테나들 각각은 신호를 감지하여 대응하는 신호를 출력하도록 구성되며, 본 방법은,
- 수신 안테나들 중 3개 이상의 제 1 수신 안테나들이 제 1 방향을 따라 서로 다른 위치들에 배치되도록 수신 안테나들을 배치하는 단계와, 여기서
- 제 1 안테나들 중 2개의 제 1 안테나들은 이들 간에 거리 D를 갖도록 배치되며, 제 1 안테나들 중 1개의 제 1 안테나는 2개의 제 1 안테나들 간의 일직선 상에 있는 임의의 위치로부터 D*1%보다 큰 거리만큼 떨어진 위치에서 2개의 제 1 안테나들 사이에 배치되고; 그리고
- 도래방향을 적어도,
Figure 112014066558672-pct00005
2개의 제 1 안테나들 간의 위상 차이, 그리고
Figure 112014066558672-pct00006
2개의 제 1 안테나들 중 하나와 1개의 안테나 간의 위상 차이로부터 결정하는 단계를 포함한다.
결과적으로, 단일의 직선 상에 제공되는 단지 3개의 수신 안테나들만을 요구하며 이들 간의 거리는 서로 다른 그러한 보다 간단한 구성방식이 제공된다. 각도 및 신호 파장이 일정하게 유지되는 상태에서 수신 안테나들 간의 하나의 거리는 일 세트의 가능한 각도 후보들을 제공하고, 다른 차이의 적절한 선택은 또 다른 세트의 각도 후보들을 제공함은 명확하다. 이러한 후보들을 결합 혹은 비교하는 것은 일어날 수 있는 불명료한 각도들을 제거하거나 감소시킨다.
본 발명의 제 4 실시형태는 센서 상에 입사하는 신호의 도래방향을 결정하는 방법에 관한 것이며, 여기서 센서는 복수의 수신 안테나들을 포함하고, 수신 안테나들 각각은 신호를 감지하여 대응하는 신호를 출력하도록 구성되며, 본 방법은,
- 수신 안테나들을,
Figure 112014066558672-pct00007
수신 안테나들 중 적어도 3개가 2개의 제 1 평행 변들 및 2개의 제 2 평행 변들을 갖는 평행사변형의 모서리들을 정의하는 제 1 수신 안테나들이 되도록 배치함과 아울러,
Figure 112014066558672-pct00008
수신 안테나들 중 하나 이상의 수신 안테나가 제 2 수신 안테나(들)가 되도록 배치하는 단계와, 여기서 각각의 제 2 수신 안테나는 복수의 수신 안테나들 중 다른 안테나와 안테나들의 쌍을 형성하고, 각각의 쌍의 안테나들은, 평행사변형의 4개의 모서리들 각각과 평행사변형의 4개의 변들 각각의 중심점의 임의의 쌍을 통해 연장되는 모든 축들로부터 2개의 제 1 수신 안테나들 간의 최소 거리의 1%보다 큰 거리만큼 제 1 수신 안테나들 중 하나에 대해 떨어져 배치되는 안테나와 동일한 위치관계로 서로에 대해 배치되고; 그리고
- 도래방향을 적어도,
Figure 112014066558672-pct00009
제 1 평행 변들 중 하나의 변 상에 배치되는 제 1 쌍의 제 1 수신 안테나들 간의 위상 차이,
Figure 112014066558672-pct00010
제 2 평행 변들 중 하나의 변 상에 배치되는 제 2 쌍의 제 1 수신 안테나들 간의 위상 차이, 그리고
Figure 112014066558672-pct00011
안테나들의 쌍들 중 적어도 하나의 쌍, 즉 제 2 수신 안테나와 안테나들 중 관련된 다른 안테나 간의 위상 차이로부터 결정하는 단계를 포함한다.
제 3 실시형태와 비교하여, 본 실시형태는 2-차원 결정에 관한 것으로, 여기서 수신 안테나들은 동일하지 않은 두 개의 방향에 대해 배치되고 그럼으로써 이들 간에 존재하는 각도는 제로(0)가 아니다. 바람직하게는, 이러한 두 개의 방향은 서로 직교하고, 이에 따라 평행사변형은 직사각형이지만, 임의의 0이 아닌 각도가 사용될 수 있다.
제 3 실시형태와 달리, 각각의 차원 즉 각각의 방향에 대한 수신 안테나들은 해당 방향을 따르는 직선 상에 제공될 필요가 없다. 수신 안테나들은 이로부터 임의의 거리에서 제공될 수 있다. 이것은 1차원에 대해 사용된 안테나(들)가 다른 방향에 대해서도 또한 다시-사용(re-use)될 수 있다는 점에서 많은 이점을 갖는다.
일반적으로, 3개 이상의 제 1 수신 안테나들이 사용되는바, 이러한 3개 이상의 제 1 수신 안테나들은 가상의 평행사변형의 모서리를 정의하거나, 혹은 2개의 비평행 방향들을 정의할 뿐만 아니라 이러한 방향들을 따르는 제 1 수신 안테나들 간의 거리를 정의한다. 당연한 것으로, 제 1 수신 안테나들 중 하나 이상의 안테나는 양쪽 방향에 모두 제공될 수 있고, 평행사변형의 두 개의 변들의 모서리에 배치된다.
도래방향을 획득하는 특정 방식은, 평행사변형의 비-평행 변들의 두 개의 방향 혹은 세트들을 따라 배치되도록 선택된 제 1 수신 안테나들의 쌍들로부터, 뿐만 아니라 제 2 수신 안테나를 포함하는 수신 안테나들의 특정적으로 선택된 세트/쌍(여기서, 제 2 수신 안테나와 다른 안테나(예를 들어, 제 1 수신 안테나) 간에는 특정 위치 관계가 존재함)으로부터 획득된 적어도 세 개의 위상 차이들을 사용하는 것과 관련된다. 제 2 안테나를 포함하는 안테나들의 쌍(들)의 위치 관계는 도래방향의 결정을 위한 추가적인 정보를 보장한다.
이러한 점에서, 제 2 수신 안테나와 그 관련된 다른 안테나의 수 개의 쌍들이 존재할 수 있다. 당연한 것으로, 이러한 경우에, 이러한 쌍(들)의 위상 차이는 그 관련된 제 2 수신 안테나와 다른 안테나 간의 위상 차이다.
앞에서 추가적으로 언급된 바와 같이, 이러한 위상 차이는, 동일한 현상(신호가 임의의 방향으로부터 수신 안테나들에 도달하고 이에 따라 서로 다른 거리를 진행함에 따라 상이한 시점에서 수신 안테나들에 도달할 수 있다는 사실)을 설명하는 또 다른 방식인 시간 차이 혹은 경로 차이와 같은 또 다른 측정치로 대체될 수 있다.
앞에서의 실시형태들 중 어느 하나의 실시형태의 바람직한 실시예에서, 신호는 적어도 실질적으로 주기적이며, 예를 들어, 시간에 있어 주기성을 갖는바, 예컨대 사인(sine) 곡선과 같은 형상을 갖는다. 이것은 신호가 진폭 변조 혹은 주파수 변조되고 그 자체와 결합(비트(beat) 혹은 가산(sum)/승산(multiply))되는 상황일 수 있다. 이것은 대부분의 경우에 있어서, 예컨대 레이더 기술에 있어서 전형적인 상황일 것이다.
본 발명의 모든 실시형태들과 또한 관련되는 앞서의 실시예 혹은 또 다른 실시예에서, 본 방법은 또한, 목표물을 향해 신호가 나아가도록 하는 단계를 더 포함하고, 여기서 목표물은 목표물을 향해 나아가는 신호의 적어도 일부를 반사함으로써, 입사하는 신호를 후속적으로 발생시킨다. 이것은 또한, 레이더 장비 내에서 전형적인 것으로, 이 경우 레이더 장비는 또한 신호를 제공하기 위한 송신기(transmitter)를 갖고 있으며, 이러한 신호 혹은 이것을 나타내는 신호는 주기적 시그니처(periodic signature)를 갖는 출력 신호에 도달하기 위해 앞서의 결합에서 사용될 수 있다.
일반적으로, 신호가 모든 안테나들 상에 입사하는 것, 그리고 안테나들이 공통 기판(예를 들어, 선택에 따라 필요한 경우 이동가능 혹은 회전가능한 평판 패널(flat panel)) 상에 제공되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 앞서의 결정하는 단계는, 수신 안테나들의 각각의 쌍에 대해 하나 이상의 후보 각도(candidate angle)들을 추정하고 후속적으로 수신 안테나들의 각각의 쌍으로부터의 하나의 후보 각도를 포함하는 후보 각도들의 세트에 근거하여 도래방향을 결정하는 것을 포함한다. 세트의 후보 각도들이 임의의 방향에 대해 차이 각도(difference angle)들의 가장 낮은 합산값(sum)을 갖는 경우 도래방향은 해당 세트의 그 방향으로서 선택될 수 있다.
앞서의 불명료함의 속성은 다수의 각도들이 동일한 위상 차이를 제공하고 이에 따라 단지 두 개의 수신 안테나들만을 사용하여 서로 분리될 수 없다는 것이다. 따라서, 각각의 위상 차이에 대해, 두 개의 수신 안테나들을 사용하여, 다수의 후보 각도들이 획득될 수 있다. 안테나 쌍들 간의 거리를 서로 다르게 선택함으로써, 혹은 일반적으로 안테나 쌍의 안테나들의 위치를 적절하게 선택함으로써, 또 다른 거리 혹은 상대적 위치에 대한 후보 각도들은 서로 다를 것이다. 따라서, 예를 들어, 각각의 차원에 대해서, 후보 각도들을 비교하는 것은 하나의 안테나 쌍의 후보 각도들을 제공할 것이고, 이는 다른 안테나 쌍(들)의 임의의 후보 각도들과 일치하지 않는바, 하지만 하나의 쌍으로부터의 적어도 하나의 각도는 적어도 측정 에러 내에서 다른 쌍(들)으로부터의 각도와 일치할 것이다.
따라서, 후보 각도들의 두 개 이상의 세트들(각각의 안테나 쌍에 대해 하나씩)을 발생시킴으로써, 각각의 세트에 대한 방향이 결정될 수 있고, 여기서 세트의 방향은 세트의 후보 각도들에 대한 차이 각도들의 가장 낮은 합산값을 갖는 방향이다. 이 경우 도래방향은 차이 각도들의 가장 낮은 합산값을 갖는 세트의 방향으로서 결정될 수 있다. 이것은 간단한 최소화 동작일 수 있다.
본 발명의 모든 실시형태들의 특정 이점은, 센서가 수신 안테나들 간의 모노펄스 거리 D에 대해 커다란 시계를 갖는 경우에도, 불명료함은 처리될 수 있다는 것이다. 따라서, 바람직하게는 본 발명의 센서는 대응하는 차원에서, 수신 안테나들 중 적어도 하나의 안테나의 폭의 1.2배보다 더 큰, 수신 안테나들의 이격거리를 갖는다.
본 발명의 제 5 실시형태는 비행(flight) 중인 목표물의 궤적(trajectory)을 추적하는 방법에 관한 것이며, 여기서 비행 중인 목표물은 신호를 반사 혹은 방출하는 발사체(projectile)이고, 본 방법은,
- 본 발명의 제 2 실시형태와 제 4 실시형태 중 어느 하나의 실시형태에 기재된 방법을 사용하여 목표물에 의해 반사 혹은 방출된 신호의 도래방향을 적어도 한번 결정하는 단계,
- 레이더를 사용하여 궤적을 추적하는 단계, 그리고
- 결정된 도래방향을 사용하여 궤적을 정정하는 단계를 포함한다.
이러한 실시형태에서, 목표물은 임의 타입의 비행 중인 물체(예를 들어, 쏘아 올려진 발사체, 운동용 공, 등)일 수 있다. 목표물은 신호를 방출할 수 있거나 혹은 목표물을 향해 나아가는 신호를 반사할 수 있다.
목표물의 궤적을 추적하는 것은 레이더를 사용하여 수행되며, 여기서 레이더는 목표물로부터의 신호를 수신하고 이것을 궤적을 정의하는 정보로 변환시킨다. 당연한 것으로, 레이더는 또한, 만약 본 발명에 따른 수신 안테나 구조 및 그 프로세서 상에서 실행되는 올바른 소프트웨어가 적절하게 구비되어 있다면, 도래방향의 결정을 수행할 수 있다.
궤적을 정정하는 것은 한 개 혹은 몇 개의 결정된 도래방향에 근거하여 수행될 수 있는바, 예를 들어, 레이더가 불명료 문제를 갖는 측정에 근거하여 보통의 궤적 결정을 수행하는 경우, 도래방향 결정이 수행될 수 있고 그 다음에, 이미 결정된 궤적 혹은 결정될 궤적이 정정된다.
대안적으로, 전체 궤적 혹은 해당 궤적의 중요 부분은 도래방향 결정에서 또한 사용되는 데이터에 근거하여 결정될 수 있고, 이에 따라 이러한 결정은 그 대부분의 시간에서 수행되게 된다. 따라서, 궤적은 초기에 올바른 방식으로 발생된다.
본 발명의 제 6 실시형태는 센서 상에 입사하는 신호의 도래방향을 결정하기 위한 센서에 관한 것이며, 여기서 센서는 복수의 수신 안테나들을 포함하고, 수신 안테나들 각각은 신호를 감지하여 대응하는 신호를 출력하도록 구성되며,
- 수신 안테나들 중 3개 이상의 제 1 수신 안테나들은 제 1 방향을 따라 서로 다른 위치들에 배치되고, 제 1 안테나들 중 2개의 제 1 안테나들은 거리 D를 갖도록 배치되며, 제 1 안테나들 중 1개의 제 1 안테나는 2개의 제 1 안테나들 간의 일직선 상에 있는 임의의 위치로부터 D*1%보다 큰 거리만큼 떨어진 위치에서 2개의 제 1 안테나들 사이에 배치되고
본 센서는,
- 제 1 수신 안테나들로부터의 출력된 신호들을 수신하여 적어도,
Figure 112014066558672-pct00012
2개의 제 1 수신 안테나들 간의 위상 차이, 그리고
Figure 112014066558672-pct00013
2개의 안테나들 중 하나와 1개의 안테나 간의 위상 차이로부터 방향을 결정하도록 구성된 결정 요소(determining element)를 포함한다.
이것은 제 3 실시형태와 유사하고, 앞서의 실시형태들의 설명은 이러한 제 6 실시형태에 대해서도 동등하게 유효하다.
본 발명의 제 7 실시형태는 센서 상에 입사하는 신호의 도래방향을 결정하기 위한 센서에 관한 것이며, 여기서 센서는 복수의 수신 안테나들을 포함하고, 수신 안테나들 각각은 신호를 감지하여 대응하는 신호를 출력하도록 구성되며, 안테나들은,
Figure 112014066558672-pct00014
수신 안테나들 중 적어도 3개가 2개의 제 1 평행 변들 및 2개의 제 2 평행 변들을 갖는 평행사변형의 모서리들을 정의하는 제 1 수신 안테나들이 되도록 배치됨과 아울러,
Figure 112014066558672-pct00015
수신 안테나들 중 하나 이상의 수신 안테나가 제 2 수신 안테나(들)가 되도록 배치되며,
각각의 제 2 수신 안테나는 6개 이하의 수신 안테나들 중 다른 안테나와 안테나들의 쌍을 형성하고, 각각의 쌍의 안테나들은, 평행사변형의 4개의 모서리들 각각과 평행사변형의 4개의 변들 각각의 중심점의 임의의 쌍을 통해 연장되는 모든 축들로부터 2개의 제 1 수신 안테나들 간의 최소 거리의 1%보다 큰 거리만큼 제 1 수신 안테나들 중 하나에 대해 떨어져 배치되는 안테나와 동일한 위치관계로 서로에 대해 배치되고,
본 센서는 또한,
제 1 수신 안테나들, 그리고 안테나들의 쌍들 중 적어도 하나의 쌍의 안테나들로부터의 출력된 신호들을 수신하여 적어도,
Figure 112014066558672-pct00016
제 1 평행 변들 중 하나의 변 상에 배치되는 제 1 쌍의 제 1 수신 안테나들 간의 위상 차이,
Figure 112014066558672-pct00017
제 2 평행 변들 중 하나의 변 상에 배치되는 제 2 쌍의 제 1 수신 안테나들 간의 위상 차이, 그리고
Figure 112014066558672-pct00018
제 2 안테나를 포함하는 안테나들의 쌍들 중 적어도 하나의 쌍의 안테나들 간의 위상 차이로부터 도래방향을 결정하도록 구성된 결정 요소를 포함한다.
이것은 제 4 실시형태에 대응하며, 본 발명의 앞서의 실시형태들 중 어느 하나와 관련되어 행해진 모든 설명들은 본 실시형태와 동등하게 관련된다.
바람직한 실시예에서, 입사하는 신호는 앞에서 추가적으로 설명된 바와 같이, 적어도 실질적으로 주기적이며, 예를 들어, 시간에 있어 주기성을 갖는다.
바람직한 센서는 또한, 목표물을 향해 신호가 나아가도록 하기 위한 송신기를 포함하고, 여기서 목표물은 목표물을 향해 나아가는 신호의 적어도 일부를 반사함으로써 그 입사하는 신호를 후속적으로 발생시킬 수 있다.
바람직하게는, 결정 요소는, 수신 안테나들의 각각의 쌍에 대해 하나 이상의 후보 각도들을 추정하고 후속적으로 수신 안테나들의 각각의 쌍으로부터의 하나의 후보 각도를 포함하는 후보 각도들의 세트에 근거하여 도래방향을 결정하도록 구성되며, 세트의 후보 각도들이 임의의 방향에 대해 차이 각도들의 가장 낮은 합산값을 갖는 경우 도래방향은 해당 세트의 그 방향으로서 선택된다.
당연한 것으로, 다른 최소화 동작들, 즉 후보 각도들과 가장 잘 맞는 도래방향을 찾기 위한 그러한 다른 기법들이 사용될 수 있다.
본 발명의 마지막 실시형태는 비행 중인 목표물의 궤적을 추적하기 위한 센서에 관한 것이며, 여기서 목표물은 신호를 반사 혹은 방출하고, 본 센서는 본 발명의 제 1 실시형태와 제 3 실시형태 중 어느 하나에 기재된 센서를 포함하며, 여기서 결정 요소는,
- 수신 안테나들의 적어도 일부로부터의 출력된 신호들로부터 목표물의 궤적을 획득하고, 그리고
- 결정된 도래방향을 사용하여 궤적을 정정하도록 구성된다.
제 5 실시형태와 관련하여 언급된 바와 같이, 정정은 궤적이 결정되는 동안 혹은 궤적이 결정된 이후에 수행될 수 있고, 궤적은 불명료 문제를 갖는 보통의 레이더를 사용하여 발생될 수 있거나, 혹은 도래방향을 또한 결정할 수 있는 레이더를 사용하여 발생될 수 있는바, 이에 따라 궤적은 처음부터 사실상 올바르게 된다.
이하에서는, 바람직한 실시예들이 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 종래의 모노펄스 수신 레이더를 나타낸다.
도 2는 도 1의 레이더에서의 불명료성을 나타낸다.
도 3은 본 발명을 따르는 제 1 실시예에 따른 레이더를 나타낸다.
도 4는 본 발명을 따르는 제 2 실시예에 따른 레이더를 나타낸다.
도 5는 평행사변형 실시예에서의 가능한 해법들을 나타낸다.
위상-비교 모노펄스 원리( Phase - comparison monopulse principle )
표준 레이더 수신기가 도 1에서의 두 개의 서로 떨어진 수신 안테나 1(RX1)과 수신 안테나 2(RX2)를 갖는 경우를 고려하면, 수신 안테나들(RX1 및 RX2)은 거리(D12)(3)만큼 서로 떨어져 있다. 목표물로부터 반사되어 들어오는 웨이브 프런트(wave front)(5)가 직선(4)에 대해 각도(E)(6)에서 도래하고 있는바, 여기서 직선(4)은 두 개의 수신 안테나들(수신 안테나 1 및 수신 안테나 2)을 통해 지나가는 직선(3)에 대해 90도이다. 각도(E)(6)로 인해, 수신 안테나(1)에 의해 수신되는 신호는 D12·sin(E)와 동일한 추가적인 거리(7)를 진행한다.
결과적으로, 수신 안테나(RX1)로부터의 수신된 신호(8), 그리고 수신 안테나(RX2)로부터의 신호(9)를 비교하면, 이들 신호 간의 위상 차이(θ12)(단위: 라디안(radians))는 거리(7)를 파장(λ)으로 나누고 여기에 2π를 곱하여 획득된 양과 동일한 양만큼 위상 시프트(phase shift)된다(아래의 방정식 [1] 참조).
[방정식 [1]]
Figure 112014066558672-pct00019
방정식 [1]은 두 개의 물리적으로 떨어진 안테나들(RX1 및 RX2) 간의 측정된 위상 차이(θ12)로부터 목표물에 대한 물리적 각도를 결정하기 위해 모든 위상-비교 모노펄스 추적 레이더들에 의해 사용되는 것이다.
두 개의 주기적인 신호들 간의 위상 차이가 ±π 라디안 내에서만 명료하게 측정될 수 있기 때문에, 위상 차이(θ12)는 본질적으로 2π의 N12배를 포함하며, 여기서 불명료 인덱스(ambiguity index)(N12)는 -2, -1, 0, 1, 2 등과 같은 정수이다. 결과적으로, 방정식 [1]은 아래의 방정식 [2]로 다시 표현될 수 있는바, 방정식 [2]에서 θ12 amb는 항상 ±π 라디안 내에 있는 직접 측정된 위상 차이이다.
[방정식 [2]]
Figure 112014066558672-pct00020
N12=0인 특별한 경우에, θ12 amb는 방정식 [1]에서의 θ12와 동일하다. sin(E)가 언제나 1보다 절대적으로 작기 때문에, 방정식 [2]에서 사용될 수 있는 불명료 인덱스(N12)에 관한 상위 절대 한계치(upper absolute limitation)가 존재한다(아래의 방정식 [3] 참조).
[방정식 [3]]
Figure 112014066558672-pct00021
아래의 표 1에서는, 사용가능한 N12의 수(number)가 수신 안테나들(RX1 및 RX2) 간의 상이한 거리들(D12)과 결합되어 나열된다.
[표 1] : 불명료 인덱스( ambiguity index )( N 12 ) 대 수신기 이격거리( receiver separation )( D 12 )
Figure 112014066558672-pct00022
도 2에서 목표물의 위치가 수신 안테나 1 및 수신 안테나 2에 대해 위치(10)에 있는 경우에 있어, 이것이 의미하는 바는 직접 측정된 위상 차이(θ12 amb)만으로는 도 2에서 목표물의 위치가 위치(10)에 있는지 아니면 위치들(11) 중 하나의 위치에 있는지를 구분할 방법이 없다는 것이다. 도 2에서 "유령 위치(ghost position)들"(11)은 올바른 불명료 인덱스(본 경우에 있어서는 N12=0)가 아닌 불명료 인덱스 N12 = -2, -1, 1, 2에 대응한다.
앞서 설명된 불명료 문제는 수신기 배향에 대해 목표물들에 대한 각도를 결정하기 위해서 위상-비교 모노펄스 수신기 시스템들에 대해 해결해야할 도전과제로 언제나 존재하는 것이다. 이것은 (1) 초기 불명료 인덱스를 가정함으로써 극복되거나, 혹은 (2) 시간 경과에 따라 목표물의 각 운동(angular movement)을 관측하여 이것을 목표물의 미리결정된 "가능한(likely)" 운동과 상관시킴으로써 극복되게 된다. 대부분의 위상-비교 모노펄스 레이더 해법에서는 (1)이 사용된다. 불명료 인덱스(N12)가 0인 것이 유효하다고 가정하는 경우, 수신기 빔 폭(receiver beam width)은 불명료 인덱스(N12)가 0이 아닐 가능성을 제거하기 위해 충분히 좁아야 할 필요가 있다. 수신 안테나들(RX1 및 RX2) 간의 방향에 평행한 방향으로 물리적 폭이 W인 수신 안테나에 있어서, 이러한 차원에서 가능한 가장 좁은 3 dB 빔 폭은 아래의 방정식 [4]에 의해 주어진다.
[방정식 [4]]
Figure 112014066558672-pct00023
불명료 인덱스(N12)가 0인 것에 대응하는 각도 범위는 아래의 방정식 [5]에 의해 주어진다.
[방정식 [5]]
Figure 112014066558672-pct00024
이것이 의미하는 바는, 만약 1차원에서의 안테나 차원(W)이 위상-비교 모노펄스에 대해 사용되는 동일 차원에서의 수신기 안테나들 간의 거리(D12)의 1.13배 더 큰 경우, 그 들어오는 웨이브의 도래방향 결정에서 불명료함이 존재한다는 것이다. 이는 만약 본 발명이 사용되지 않는다면 혹은 추가적인 정보가 제공되지 않는다면, 도래방향 결정은 불명료하게 됨을 나타낸다.
위상 불명료의 모노펄스 해결( Monopulse resolving of the phase ambiguity )
앞서의 불명료 문제를 해결하기 위해, 추가적인 수신 안테나(RX4)(12)가 제공될 수 있다.
다수의 안테나 센서들은 예를 들어, 위상 배열 수신기(Phased array receiver)들로 알려져 있는바, 전형적으로 이것은 선형으로 이격된 격자(grid)에 정렬되는 다수의 수신기들로 이루어진다. 이러한 시스템들은 목표물로부터의 반사/방출되는 웨이브의 도래방향을 결정할 수 있지만, 오로지 이러한 수신기들의 행(row)들 혹은 열(column)들 중 적어도 하나의 간격이 λ/2보다 작은 경우에만 가능하다. 본 발명의 실시예는 수신 안테나(RX1) 또는 수신 안테나(RX2)로부터 D12와는 다른 거리에 배치되는 하나의 추가적인 수신 안테나(RX4)를 단지 추가하는 것에 기반을 두고 있다.
도 3에서는, 1차원, 즉 수신 안테나들(RX1 및 RX2) 간의 직선과 관련된 차원에서 도래방향을 결정하는 것에 초점이 맞추어진 1-차원 구성방식이 설명된다. 이러한 실시예에서, 수신 안테나(RX4)(12)는 수신 안테나들(RX1 및 RX2)을 통해 지나가는 동일 직선 상에 배치됨과 아울러 수신 안테나(RX2)로부터 거리(D24 _1)(15)에 배치된다. 이러한 방식으로, 그 결정되는 위상 시프트는 도면 평면에서 빔의 도래방향 혹은 각도를 결정하는데 사용될 수 있다.
따라서, sin(E)는 수신 안테나(RX2)로부터의 수신된 신호와 수신 안테나(RX4)로부터의 신호를 비교하여, 이들 신호 간의 위상 차이(θ24 amb)(단위: 라디안)로부터 결정될 수 있다(아래의 방정식 [6] 참조).
[방정식 [6]]
Figure 112014066558672-pct00025
위상 차이(θ12 amb)와 위상 차이(θ24 amb)가 시간적으로 동일한 경우에 결정될 때, 방정식 [2]와 방정식 [6]이 모두 충족될 필요가 있다. 도식적으로 예시된 도 3에서는, N12 및 N24가 모두 0인 것에 대응하는 올바른 목표물 위치(10)가 제시되어 있으며, 뿐만 아니라 불명료 인덱스 N24가 -1 및 1인 것에 대응하는 유령 위치들(14), 그리고 불명료 인덱스 N12가 -2, -1, 1 및 2인 것에 대응하는 유령 위치들(11)이 되시되어 있다. 도 3으로부터 용이하게 알 수 있는 것은 유령 위치들(11 및 14) 중 어느 것도 서로 일치되지 않기 때문에 올바른 위치(10)만이 위상 차이(θ12 amb)와 위상 차이(θ24 amb)를 모두 만족시킨다는 것이다. 결과적으로, 불명료함이 해결되고, 대응하는 인덱스 N12 및 N24가 시간적으로 하나의 주어진 경우에 결정되게 된다. 방정식 [2]와 방정식 [6]을 모두 만족시키는 N12와 N24의 쌍이 어떤 쌍인지를 수학적으로 결정하기 위한 수 가지 방법이 존재한다. 이러한 것을 하기 위한 한 가지 방법은 방정식 [3]을 만족시키는 N12에 대한 값들만을 사용하여 아래의 방정식 [7]에서의 항(term)인 "err"를 최소화시키는 것이다. N24는 방정식 [7]에서 임의의 정수 값일 수 있다.
[방정식 [7]]
Figure 112014066558672-pct00026
또 다른 방법은 임의의 측정된 위상 차이(θ12 amb)와 위상 차이(θ24 amb)가 주어지는 경우 방정식 [2]와 방정식 [6]을 모두 만족시키는 N12와 N24의 쌍을 식별하는 것, 그리고 입력으로서 θ12 amb와 θ24 amb를 취하여 2-차원 참조표(look-up table)를 간단히 작성하는 것이다.
방정식 [7]로부터 명백해지는 것은 거리(D24 _1)가 거리(D12)와 다른 경우에만 N12와 N24에 대한 유일해(unique solution)를 결정하는 것이 가능하다는 것이다.
위상 불명료의 총 3 차원 모노펄스 해결( Full 3 dimensional monopulse resolving of the phase ambiguity )
불명료 문제가 단지 1차원에서만 존재할 수 있는 실제 상황들이 존재할 수 있지만, 그럼에도 불구하고 바람직한 실시예에서 도래방향 혹은 위치 결정은 2차원 혹은 3차원으로 수행되는바, 앞서 설명된 불명료 해결 기법은 수직과 수평 모두에서 동시에 사용되고, 이에 따라 목표물에 대한 3차원 각도가 목표물로부터 반사된 단일의 수신된 펄스에 근거하여 명료하게 획득되게 된다.
당연한 것으로, 도 3의 구성방식은 2차원에 대해 반복될 수 있고, 하지만 수신기 안테나 구성은 바람직하게는 안테나 패널(antenna panel)의 전면도(frontal view)를 나타내는 도 4의 구성으로 만들어진다. 도 4에서, 수신 안테나(RX1)(15)와 수신 안테나(RX2)(16)의 위치는 거리(D12)(19)만큼 떨어져 있음과 아울러 안테나 패널의 수직 방향(Y)(24)을 정의하고, 수신 안테나(RX2)(16)와 수신 안테나(RX3)(17)의 위치는 거리(D23)(20)만큼 떨어져 있음과 아울러 안테나 패널의 수평 방향(X)(24)을 정의한다. 수신 안테나(RX4)(18)의 위치는 수신 안테나(RX2)로부터 수직으로 거리(D24 _1)(21)만큼 떨어져 있고, 수평으로 거리(D24 _3)(22)만큼 떨어져 있다. 수신 안테나(RX4)는 RX2로부터 거리(D24)만큼 떨어져 있는바, 여기서 거리(D24)는 아래와 같이 계산된다.
Figure 112014066558672-pct00027
도 5에서 수신 안테나(RX1)(15)와 수신 안테나(RX2)(16)와, 그리고 수신 안테나(RX3)(17)의 위치는 평행사변형을 정의한다. 수신 안테나(RX4)(18)는 평행사변형의 4개의 모서리들(15, 16, 17 및 26) 각각과 평행사변형의 4개의 변들 각각의 중심점(27)의 임의의 쌍을 통해 연장되는 축들로부터 떨어져 배치될 필요가 있다.
도 4에서, 수신 안테나(15)와 수신 안테나(16)는 대응하는 위상 차이(θ12amb)로부터 목표물에 대한 수직 각도(E)를 결정하는데 사용되고(방정식 [2] 참조), 수신 안테나(16)와 수신 안테나(17)는 대응하는 위상 차이(θ23 amb)로부터 목표물에 대한 수평 각도(A)를 결정하는데 사용된다(아래의 방정식 [8] 참조). 수신 안테나(16)와 수신 안테나(18)는 대응하는 위상 차이(θ24 amb)로부터 목표물에 대한 각도(P)를 결정하는데 사용된다(아래의 방정식 [9] 참조).
[방정식 [8]]
Figure 112014066558672-pct00028
[방정식 [9]]
Figure 112014066558672-pct00029
위상 차이(θ12 amb)로부터, 방정식 [2]에서의 적용가능한 N12를 사용하여 다수의 후보 각도들(Ei)이 아래의 방정식 [10]을 통해 결정되고, 추가적으로, 위상 차이(θ23 amb)로부터, 방정식 [8]에서의 적용가능한 N23을 사용하여 다수의 후보 각도들(Ai)이 방정식 [10]을 통해 결정된다. 마지막으로, 위상 차이(θ24 amb)로부터, 방정식 [9]에서의 적용가능한 N24를 사용하여 다수의 후보 각도들(Pi)이 방정식 [10]을 통해 결정된다. 후보 각도들(Ei, Ai, Pi)의 세트들로부터, 이러한 후보 각도들(Ei, Ai, Pi)의 세트와 도래방향 간의 차이 각도들의 합산값을 최소화시킴으로써 도래방향이 결정된다. 도래방향은 대응하는 불명료 인덱스들(N12 및 N23)과 함께 수직 각도(E)와 수평 각도(A)로 표현된다.
[방정식 [10]]
Figure 112014066558672-pct00030
후보 각도들(Ei, Ai, Pi)의 세 개의 세트들의 최소화는, 방정식 [10]을 만족시키는 불명료 인덱스(N12 ,N23 및 N24)에 대한 값들만을 사용하여 방정식 [11]에서의 항인 "err"를 최소화시킴으로써 행해질 수 있다.
[방정식 [11]]
Figure 112014066558672-pct00031
이러한 예에서, 안테나(RX1)와 안테나(RX2)를 통해 지나가는 방향은 안테나(RX2)와 안테나(RX3)를 통해 지나가는 방향에 수직이다. 반드시 이렇게 구성될 필요는 없음에 유의해야 한다.
앞서 서술된 불명료의 해결은 임의의 이전 시점(들)에서의 목표물 위치에 관한 정보를 사용함이 없이 모든 개개의 측정 포인트(measurement point)에 대해 수행될 수 있다. 보다 견고한 해법을 위해서, 불명료 해결은 물체를 추적하여 그 궤적을 발생시키는 것에 초점이 맞춰진 추적 알고리즘과 결합될 수 있고, 이에 따라 목표물에 대한 궤적 상의 다음 측정 포인트는 이전 측정 포인트 중 하나 이상의 측정 포인트 가까이에서 일어나도록 제약을 받게 되는바, 이것은 전형적으로 불명료 해결 필요성을 제거한다. 바람직한 해법에서, 불명료 해결은 목표물 추적의 획득 단계 동안 동일 목표물에 속하는 모든 데이터 포인트들에 관해 독립적으로 수행된다. 모든 해결된 불명료들 그리고 획득 단계 동안 목표물의 상대적 움직임에 근거하여, 시작된 불명료의 최종 평가가 결정된다. 만약 어떤 시간에 대한 추적 동안 목표물을 잃어버렸다면(이것은 각도 불명료에서의 시프트가 일어나게 할 수 있음), 불명료 인덱스들을 다시-획득하는 것이 추천된다.
따라서, 본 도래방향은 (본 발명을 사용하지 않는 경우 불명료를 가질 수 있는 보통의 레이더에 의해 추적될 수 있는) 비행 중인 발사체(예를 들어, 골프공 혹은 야구공)의 올바를 항적(track)을 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 레이더에 추가되어 사용될 수 있거나, 또는 레이더는 본 발명을 포괄하도록 변경될 수 있으며, 이에 따라 본 도래방향 데이터는 궤적을 결정할 때 사용될 수 있게 된다. 일 예에서, 전체 궤적을 결정하기 위해 보통의 추적이 사용될 수 있고, 도래방향은 단지 한 번만 수행되거나 단지 몇 번만 수행되어 불명료 해결에 관한 레이더에서의 어떠한 잘못된 선택도 일어나지 않도록 보장하게 된다. 만약 결정된 궤적이 도래방향과 일치하지 않는다면, 궤적은 변경될 수 있다. 대안적으로, 궤적의 결정된 포인트들 모두 혹은 대부분은 결정된 도래방향에 근거하여 또한 결정될 수 있다.

Claims (22)

  1. 센서(sensor) 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향(3-dimensional direction-of-arrival)을 결정하는 방법으로서,
    상기 센서는 복수의 수신 안테나들을 포함하고, 상기 복수의 수신 안테나들 각각은 상기 입사하는 신호를 감지하여 대응하는 신호를 출력하도록 되어 있으며, 상기 방법은,
    - 상기 안테나들을,
    Figure 112020502152089-pct00055
    상기 안테나들 중 적어도 3개가 2개의 제 1 평행 변(parallel side)들 및 2개의 제 2 평행 변들을 갖는 평행사변형(parallelogram)의 모서리(corner)들을 정의하는 제 1 수신 안테나들이 되도록 배치함과 아울러,
    Figure 112020502152089-pct00056
    상기 수신 안테나들 중 하나 이상이 제 2 수신 안테나(들)가 되도록 배치하는 단계와,
    여기서, 각각의 제 2 안테나는 제 1 안테나와 안테나들의 쌍(pair)을 형성하고,
    각각의 쌍의 상기 제 2 안테나는,
    상기 평행사변형의 4개의 모서리들 중 임의의 두 개의 모서리들을 통과해 연장되는 축(axis)들과,
    상기 평행사변형의 임의의 모서리와 상기 평행사변형의 4개의 변들 중 임의의 변의 중심점(centre point)을 통과해 연장되는 축들과, 그리고
    상기 평행사변형의 변들 중 임의의 변의 중심점과 상기 평행사변형의 임의의 다른 변의 중심점을 통과해 연장되는 축들
    모두로부터 떨어져 배치되되, 2개의 제 1 수신 안테나들 간의 최소 거리의 2%보다 큰 거리만큼, 상기 제 2 안테나가 쌍을 이루고 있는 상기 제 1 안테나에 대해 떨어져 배치되고; 그리고
    - 상기 3차원 도래방향을 적어도,
    Figure 112020502152089-pct00057
    상기 제 1 평행 변들 중 하나의 변 상에 배치되는 제 1 쌍의 상기 제 1 수신 안테나들에 의해 수신되는 신호들 간의 제 1 위상 차이(phase difference), 및 상기 제 1 쌍의 안테나들의 안테나들 간의 거리,
    Figure 112020502152089-pct00058
    상기 제 2 평행 변들 중 하나의 변 상에 배치되는 제 2 쌍의 상기 제 1 수신 안테나들에 의해 수신되는 신호들 간의 제 2 위상 차이, 및 상기 제 2 쌍의 안테나들의 안테나들 간의 거리, 그리고
    Figure 112020502152089-pct00059
    제 2 수신 안테나와 제 1 안테나를 포함하는 안테나들의 쌍인 제 3 쌍의 안테나들에 의해 수신되는 신호들 간의 제 3 위상 차이, 및 상기 제 3 쌍의 안테나들의 안테나들 간의 거리로부터
    결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입사하는 신호는 적어도 실질적으로 주기적(periodic)인 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    목표물(target)을 향해 신호가 나아가도록 하는 단계를 더 포함하고,
    상기 목표물은 상기 목표물을 향해 나아가는 신호의 적어도 일부를 반사함으로써 상기 입사하는 신호를 후속적으로 발생시키는 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    - 수신 안테나들의 각각의 쌍에 대해 하나 이상의 후보 각도(candidate angle)를 추정하는 것, 그리고 후속적으로,
    - 후보 각도들의 세트를 발생시키는 것, 여기서 후보 각도들의 각각의 세트는 수신 안테나들의 각각의 쌍으로부터의 임의의 후보 각도를 포함하고,
    - 후보 각도들의 각각의 세트에 대해, 임의의 방향 그리고 상기 방향과 상기 세트의 각각의 후보 각도 간의 차이 각도(difference angle)를 결정하는 것,
    - 후보 각도들의 각각의 세트에 대해, 상기 방향과 상기 세트의 각각의 후보 각도 간의 상기 차이 각도들의 합산값(sum)을 결정하는 것,
    - 가장 낮은 합산값을 갖는 후보 각도들의 제 1 세트를 결정하는 것, 그리고
    - 상기 도래방향을 상기 제 1 세트의 후보 각도들의 방향으로서 선택하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하는 방법.
  6. 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하기 위한 센서로서,
    상기 센서는 6개보다 많지 않은 수신 안테나들을 갖고, 상기 수신 안테나들 각각은 상기 입사하는 신호를 감지하여 대응하는 신호를 출력하도록 되어 있으며, 상기 안테나들은,
    Figure 112020502152089-pct00065
    상기 안테나들 중 3개가 2개의 제 1 평행 변들 및 2개의 제 2 평행 변들을 갖는 평행사변형의 모서리들을 정의하는 제 1 수신 안테나들이 되도록 배치됨과 아울러,
    Figure 112020502152089-pct00066
    상기 수신 안테나들 중 하나 이상이 제 2 수신 안테나(들)가 되도록 배치되며,
    여기서, 각각의 제 2 안테나는 상기 복수의 수신 안테나들 중 또 하나의 다른 안테나와 안테나들의 쌍을 형성하고,
    각각의 쌍의 안테나들은,
    상기 평행사변형의 4개의 모서리들 중 임의의 두 개의 모서리들을 통과해 연장되는 축들과,
    상기 평행사변형의 모서리들 중 임의의 모서리와 상기 평행사변형의 4개의 변들 중 임의의 변의 중심점을 통과해 연장되는 축들과, 그리고
    상기 평행사변형의 변들 중 임의의 변의 중심점과 상기 평행사변형의 임의의 다른 변의 중심점을 통과해 연장되는 축들
    모두로부터 떨어져 배치되되, 2개의 제 1 수신 안테나들 간의 최소 거리의 2%보다 큰 거리만큼, 제 1 수신 안테나들 중 하나에 대해 떨어져 안테나가 배치되는 관계와 동일한 관계로 서로 떨어져 배치되고,
    상기 센서는 또한,
    상기 제 1 수신 안테나들 및 상기 제 2 수신 안테나(들)로부터의 상기 출력된 신호들을 수신하여 적어도,
    Figure 112020502152089-pct00067
    상기 제 1 평행 변들 중 하나의 변 상에 배치되는 제 1 쌍의 상기 제 1 수신 안테나들에 의해 수신되는 신호들 간의 제 1 위상 차이, 및 상기 제 1 쌍의 안테나들의 안테나들 간의 거리,
    Figure 112020502152089-pct00068
    상기 제 2 평행 변들 중 하나의 변 상에 배치되는 제 2 쌍의 상기 제 1 수신 안테나들에 의해 수신되는 신호들 간의 제 2 위상 차이, 및 상기 제 2 쌍의 안테나들의 안테나들 간의 거리, 그리고
    Figure 112020502152089-pct00069
    제 2 수신 안테나를 포함하는 안테나들의 쌍인 제 3 쌍의 안테나들에 의해 수신되는 신호들 간의 제 3 위상 차이, 및 상기 제 3 쌍의 안테나들의 안테나들 간의 거리로부터
    상기 3차원 도래방향을 결정하도록 되어 있는 결정 요소(determining element)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하기 위한 센서.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 입사하는 신호는 적어도 실질적으로 주기적인 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하기 위한 센서.
  9. 제6항에 있어서,
    목표물을 향해 신호가 나아가도록 하기 위한 송신기(transmitter)를 더 포함하고,
    상기 목표물은 상기 목표물을 향해 나아가는 신호의 적어도 일부를 반사함으로써 상기 입사하는 신호를 후속적으로 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하기 위한 센서.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 결정 요소는,
    - 수신 안테나들의 각각의 쌍에 대해 하나 이상의 후보 각도를 추정하고 후속적으로,
    - 후보 각도들의 복수의 세트들을 발생시키고, 여기서 후보 각도들의 각각의 세트는 수신 안테나들의 각각의 쌍으로부터의 임의의 후보 각도를 포함하며,
    - 후보 각도들의 각각의 세트에 대해, 임의의 방향 그리고 상기 방향과 상기 세트의 각각의 후보 각도 간의 차이 각도를 결정하고,
    - 후보 각도들의 각각의 세트에 대해, 상기 방향과 상기 세트의 각각의 후보 각도 간의 상기 차이 각도들의 합산값을 결정하고,
    - 가장 낮은 합산값을 갖는 후보 각도들의 제 1 세트를 결정하고, 그리고
    - 상기 도래방향을 상기 제 1 세트의 후보 각도들의 방향으로서 선택하도록 되어 있는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하기 위한 센서.
  11. 비행(flight) 중인 목표물(target)의 궤적(trajectory)을 추적하기 위한 센서로서, 상기 목표물은 신호를 반사 혹은 방출하고, 상기 센서는 청구항 제6항에 기재된 센서를 포함하고, 상기 결정 요소는,
    - 상기 안테나들의 적어도 일부로부터의 상기 출력된 신호들로부터 상기 목표물의 궤적을 획득하고, 그리고
    - 상기 결정된 도래방향을 사용하여 상기 획득된 궤적을 정정하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 비행 중인 목표물의 궤적을 추적하기 위한 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 배치하는 단계는 상기 제 1 안테나들의 상호간 거리가 상기 입사하는 신호의 파장(wavelength)의 적어도 0.6배가 되도록 상기 제 1 안테나들을 배치하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하는 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 수신 안테나들은 상기 제 1 수신 안테나들의 상호간 거리가 상기 입사하는 신호의 파장의 적어도 0.6배가 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하기 위한 센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는 상기 제 1 수신 안테나들과 상기 제 2 수신 안테나로부터 동시에 출력되는 신호들에 근거하여 수행되는 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하는 방법.
  15. 제6항에 있어서,
    상기 결정 요소는 상기 제 1 수신 안테나들과 상기 제 2 수신 안테나에 의해 동시에 출력되는 신호들에 근거하여 결정을 수행하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하기 위한 센서.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 정확히 5개의 수신 안테나들을 가지며, 상기 5개의 수신 안테나들 중 3개는 제 1 수신 안테나들인 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하는 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 정확히 4개의 수신 안테나들을 가지며, 상기 4개의 수신 안테나들 중 3개는 제 1 수신 안테나들인 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하는 방법.
  18. 비행 중인 목표물의 궤적을 추적하는 방법으로서, 상기 목표물은 신호를 반사 혹은 방출하고, 상기 방법은,
    청구항 제1항에 기재된 방법을 사용하여 상기 목표물로부터 반사 혹은 방출된 신호의 도래방향을 적어도 한번 결정하는 단계와;
    레이더를 사용하여 상기 궤적을 추적하는 단계와; 그리고
    상기 결정된 도래방향을 사용하여 상기 궤적을 정정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행 중인 목표물의 궤적을 추적하는 방법.
  19. 제6항에 있어서,
    상기 센서는 정확히 5개의 수신 안테나들을 가지며, 상기 5개의 수신 안테나들 중 3개는 제 1 수신 안테나들인 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하기 위한 센서.
  20. 제6항에 있어서,
    상기 센서는 정확히 4개의 수신 안테나들을 가지며, 상기 4개의 수신 안테나들 중 3개는 제 1 수신 안테나들인 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하기 위한 센서.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 수신 안테나는 상기 평행사변형 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하는 방법.
  22. 제6항에 있어서,
    안테나들의 각각의 쌍은 제 1 수신 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 상에 입사하는 신호의 3차원 도래방향을 결정하기 위한 센서.
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