KR102163699B1 - 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 수신 기법 - Google Patents

근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 수신 기법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 도플러 추정 방법은, 표적에서 반사되어 수신된 수신 신호에 대하여 그룹 상관기 기반 도플러 추정을 수행하는 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계; 및 상기 그룹 상관기의 출력에 대하여 지연 및 합 기반 거리 추정에 의해 상기 표적까지의 거리를 추정하는 지연 및 합 기반 거리 추정 단계를 포함하고, 상기 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계에서, 상기 그룹 상관기는 주파수 도약 주기와 연관된 값에 기반하여 출력을 연산하여, 반사신호의 지연시간보다 짧은 주기로 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보를 실시간으로 갱신할 수 있다.

Description

근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 수신 기법{Improved reception method for hopping-frequency coding based transmission signal}
본 발명은 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 수신 기법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 도플러 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.
소나 시스템(sonar system)은 수중에서 음파를 송신하고 반사된 신호에서 표적을 탐지하고 정보를 추정하는 장비를 의미한다.
소나 시스템은 표적이 방사하는 음향신호만을 수신하여 표적을 탐지하고 정보를 추출하는 수동 소나 시스템과 음향신호를 송신하고 표적에서 반사되는 반사신호를 수신하여 표적을 탐지하고 정보를 추정하는 능동 소나 시스템으로 구분되는데, 본 발명은 능동 소나 시스템 중에서 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보 추정에 관련된 것이다.
근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 거리 및 도플러 정보를 추정하기 위한 종래의 대표적인 기술에는 frequency modulated continuous wave (FMCW) 레이더가 있으며, 근접 신관, 레벨 측정 시스템, 충돌 방지 시스템 등과 같이 근거리 상황에서 정밀한 거리 측정이 요구되는 분야에서 널리 활용되고 있다.
FMCW 레이더에서 송·수신 신호의 주파수에서 표적의 정보를 추정하는 방법은 다음과 같다. 송·수신 신호를 믹싱(mixing)하여 도 1의 (a)와 같이 2개의 주파수
Figure 112018120364683-pat00001
와
Figure 112018120364683-pat00002
로 구성된 비트 신호(beat signal)를 획득하고 (
Figure 112018120364683-pat00003
와
Figure 112018120364683-pat00004
는 송·수신 신호의 주파수 차이에 해당한다), 2개의 주파수 중에서 다운 비트 주파수
Figure 112018120364683-pat00005
를 추정하여 수학식 1과 같이 지연시간을 획득한다.
[수학식 1]
Figure 112018120364683-pat00006
,
여기서,
Figure 112018120364683-pat00007
는 FM 신호의 시간-주파수 기울기이다.
한편, FMCW 레이더에서는 도 1의 (a)와 같이 비트 신호에서
Figure 112018120364683-pat00008
의 신호가 차지하는 길이의 비율을 높이기 위해서 FM 신호의 송신주기
Figure 112018120364683-pat00009
를 지연시간
Figure 112018120364683-pat00010
보다 매우 길게 사용한다. 비트 신호에서
Figure 112018120364683-pat00011
의 신호 길이가 길수록 높은 신호 대 잡음 비 (SNR : signal to noise power ratio)와 거리 분해능을 확보할 수 있다.
레이더의 전자파보다 매우 느린 속력의 음파를 사용하는 소나에 FMCW를 적용할 경우, 근거리 표적에 대해서도 매우 긴
Figure 112018120364683-pat00012
가 필수적이다. 이러한 상황에서 사용 가능한 대역폭이 제한되고 신호 길이가 길어지면, 거리 분해능이 감소하고 추정치의 갱신 주기가 늘어나는 문제점이 발생한다.
뿐만 아니라, 수중 소나에서 발생하는 도플러 효과는 레이더에서 발생하는 도플러 효과보다 매우 크기 때문에 신호의 길이와 대역폭에서 무시할 수 없는 변화량이 발생한다. 수중 소나에서 발생되는 큰 도플러 효과 때문에 FMCW 소나에서는 도 1의 (b)와 같이 송·수신 FMCW의 주파수 기울기와 대역폭이 달라져 일정한 주파수의 비트 신호가 발생하지 않는다. 이로 인해서 FMCW 소나에는 FMCW 레이더와 동일한 방법으로 표적의 정보를 추정할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 수신 기법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한. 본 발명의 목적은 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 도플러 추정 방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 거리 추정의 정확도를 조절하기 위해서 수신기에서 정합필터의 길이를 유동적으로 변경할 수 있는 수신 신호 처리 기법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 도플러 추정 방법은, 표적에서 반사되어 수신된 수신 신호에 대하여 그룹 상관기 기반 도플러 추정을 수행하는 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계; 및 상기 그룹 상관기의 출력에 대하여 지연 및 합 기반 거리 추정에 의해 상기 표적까지의 거리를 추정하는 지연 및 합 기반 거리 추정 단계를 포함하고, 상기 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계에서, 상기 그룹 상관기는 주파수 도약 주기와 연관된 값에 기반하여 출력을 연산하여, 반사신호의 지연시간보다 짧은 주기로 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보를 실시간으로 갱신할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계에서, 송신신호의 3개의 주파수
Figure 112018120364683-pat00013
,
Figure 112018120364683-pat00014
,
Figure 112018120364683-pat00015
에 대해서 주파수 도약 주기의 길이를 갖는 3개의 도플러 상관기
Figure 112018120364683-pat00016
,
Figure 112018120364683-pat00017
,
Figure 112018120364683-pat00018
를 그룹 상관기로 구성하고, 상기 그룹 상관기 출력으로
Figure 112018120364683-pat00019
,
Figure 112018120364683-pat00020
,
Figure 112018120364683-pat00021
를 계산할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계에서, 상기 그룹 상관기 출력으로부터
Figure 112018120364683-pat00022
Figure 112018120364683-pat00023
와 같이 도플러 비율을 추정할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 지연 및 합 기반 거리 추정 단계에서, (a) 상기 추정된 도플러 비율에 대해서, 수학식 14와 같이, 상기 그룹 상관기의 출력
Figure 112018120364683-pat00024
를 지연된 그룹 상관기의 출력과 상태 가중치 벡터의 곱에 대한 합으로 계산할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 지연 및 합 기반 거리 추정 단계에서, (b) 상기 상태 가중치 벡터
Figure 112018120364683-pat00025
를 상태열
Figure 112018120364683-pat00026
에 따라서 0 또는 1로 설정하고, (c) 상기 그룹 상관기 출력의 최대값이 발생한 시점
Figure 112018120364683-pat00027
에서
Figure 112018120364683-pat00028
와 같이 지연시간
Figure 112018120364683-pat00029
를 추정하고 상기 거리를
Figure 112018120364683-pat00030
로 계산할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 도플러 추정 단계에서, 송신신호에서
Figure 112018120364683-pat00031
에 대한 마지막 코드
Figure 112018120364683-pat00032
에 대한 주파수 도약 시점
Figure 112018120364683-pat00033
가 수신신호에서 발생하는 주파수 도약 시점
Figure 112018120364683-pat00034
을 탐지할 수 있다. 또한, 상기 지연 및 합 기반 거리 추정 단계에서, 상기 그룹 상관기 출력의 최대값이 발생한 시점
Figure 112018120364683-pat00035
과 상기 주파수 도약 시점
Figure 112018120364683-pat00036
에 기반하여, 상기 거리를 추정할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 도플러 추정 단계에서, 상기 그룹 상관기의 길이 M을 동적으로 결정하여, 상기 표적에 대한 정확한 속도 추정과 높은 추정성능이 요구되는 경우 M을 증가시키고, 인접 거리에서 상기 표적에 대한 빠른 추정이 요구되는 경우 M을 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 반사신호의 지연시간보다 짧은 주기로 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보를 실시간으로 갱신할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 수신기에서 최종 상관기의 길이를 변경하여 도플러 및 거리 추정 성능을 조절할 수 있다는 장점이 있다.
도 1의 (a)는 FMCW 레이더의 비트 신호를 도시한 것이며, (b)는 도플러 효과가 큰 FMCW 소나에서의 비트 신호를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 도약-주파수 코딩 기반 송신신호와 상태열에 의해 표현된 신호의 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른코드워드 길이가 3인 경우에 대한 코드와 상태 변환도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른코드워드 길이가 5인 경우에 대한 코드와 상태 변환도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 거리 및 도플러 주파수를 얻기 위한 수신 신호처리 블록도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 수신신호의 각 주파수 도약 시점을 탐지하기 위해서 필요한 상관기 신호와 출력의 최대값 시점을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 그룹 상관기 기반의 도플러 추정과 지연&합 기반의 거리 추정 과정을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 최종 도플러 상관기 출력을 만들기 위해서 필요한 상태 가중치 벡터의 예를 도시한 것이다.
술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도와 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도를 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 모듈, 블록 및 부는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도를 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 수신 기법, 보다 상세하게는, 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 도플러 추정 방법 및 장치에 대해 설명한다.
한편, 도 1의 (a)는 FMCW 레이더의 비트 신호를 도시한 것이며, (b)는 도플러 효과가 큰 FMCW 소나에서의 비트 신호를 도시한 것이다.
반면에, 도 2는 본 발명에 따른 도약-주파수 코딩 기반 송신신호와 상태열에 의해 표현된 신호의 예를 도시한 것이다.
구체적으로, 도약-주파수 기반 송·수신 방법은 FMCW 소나의 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로 세부적으로 송신기에서는 반사신호의 지연시간보다 짧은 주기로 3개의 주파수 대역을 도약하는 도약-주파수 코딩 기반 연속파 신호를 송신한다. 송신신호에 주파수 도약과 이에 대응하는 코딩을 적용한 목적은 연속파에서 정보를 추정할 수 있는 시점을 생성하고 다수의 주파수 도약 시점에 대응되는 각각의 송신 시점을 알기 위함이다. 수신기에서는 다수의 도플러 상관기로부터 수신신호의 주파수, 도약 시점, 그리고 도약-주파수를 획득한다. 표적의 거리 정보는 탐지된 도약 시점과 송신신호의 도약 시점으로부터 추정되고 도플러 정보는 추정된 수신신호의 주파수와 도약-주파수를 이에 대응하는 송신신호의 주파수와 도약-주파수를 비교하여 추정된다.
본 발명과 관련하여, 도약-주파수 기반 송신 및 수신 방법은 짧은 주기로 표적의 거리 정보를 갱신할 수 있지만, 거리 추정의 성능이 동일한 대역폭의 펄스 신호에 대한 거리 추정의 성능보다 좋지 않다. 또한, 코드와 도플러에 대한 많은 상관기를 활용하기에 많은 연산량이 필요하다. 따라서, 본 발명에서는 거리 추정의 정확도를 조절하기 위해서 수신기에서 정합필터의 길이를 유동적으로 변경할 수 있어야 하며, 이로 인한 연산량의 증가가 작은 수신 신호처리 기법이 요구된다.
따라서, 본 발명은 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보를 짧은 주기로 갱신하기 위한 신호의 송신 방법(송신기 측면)과 이에 대응하는 수신 신호처리(수신기 측면)에 관련된 것이다. 세부적으로 송신기에서는 반사신호의 지연시간보다 짧은 주기로 3개의 주파수 대역을 도약하는 도약-주파수 코딩 기반 연속파 신호를 송신한다. 송신신호에 주파수 도약과 이에 대응하는 코딩을 적용한 목적은 연속파에서 정보를 추정할 수 있는 시점을 생성하고 다수의 주파수 도약 시점에 대응되는 각각의 송신 시점을 알기 위함이다. 수신기에서는 3개의 주파수 대역에 대한 다수의 도플러 상관기로부터 우선적으로 도플러 주파수를 추정한다. 이후에 추정된 도플러 주파수에 대응하는 상관기 출력에 대해서 지연&합으로 최종 정합필터의 출력을 계산하고 거리를 추정한다.
본 발명은 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 거리 및 도플러 정보를 짧은 주기로 추정하고 갱신하기 위한 송신 및 수신 방법에 관한 것이다.
이를 위해서 송신기 측면에서는 3개의 주파수 대역을 일정 주기로 도약하는 신호와 도약-주파수에 코딩을 할당하는 것을 활용하였으며, 수신기 측면에서는 수신신호의 도플러를 추정하기 위한 그룹 상관기와 거리를 추정하기 위한 지연&합 추정기를 사용한다. 한편, 표 1은 본 발명의 도약-주파수 코딩 기반 송신신호와 관련된 파라미터를 나타낸다.
표기 정의
Figure 112018120364683-pat00037
 i th 코드워드에서 j th 코드
Figure 112018120364683-pat00038
 i th 코드워드 (길이 L)
Figure 112018120364683-pat00039
Figure 112018120364683-pat00040
에 대응하는 상태
Figure 112018120364683-pat00041
 상태열 (초기상태 :
Figure 112018120364683-pat00042
, 길이 M )
Figure 112018120364683-pat00043
 상태열
Figure 112018120364683-pat00044
에 의해 생성된 신호
Figure 112018120364683-pat00045
 주파수 도약 주기
Figure 112018120364683-pat00046
Figure 112018120364683-pat00047
에 대응하는 도약 주파수
Figure 112018120364683-pat00048
Figure 112018120364683-pat00049
에 대응하는 주파수 도약 시점
Figure 112018120364683-pat00050
Figure 112018120364683-pat00051
에 대응하는 시간 지연
도약-주파수 코딩 기반 송신 방법과 관련하여, 송신기 측면에서는 1) 코드워드와 심볼의 설정 단계, 2)송신 파라미터의 설정 단계, 그리고 3)송신신호의 생성 단계를 포함한다.
<코드워드와 심볼의 설정 단계>
이와 관련하여, 도 3은 본 발명에 따른 코드워드 길이가 3인 경우에 대한 코드와 상태 변환도를 도시한 것이다. 반면에, 도 4는 본 발명에 따른 코드워드 길이가 5인 경우에 대한 코드와 상태 변환도를 도시한 것이다.
코드워드 설정 단계는 도약-주파수와 코드(수학식 2)와 코드워드(수학식 3)을 설정하는 단계, 주파수와 상태(수학식 5)와 심볼(수학식 6)을 설정하는 단계를 포함한다. 도약-주파수 코딩 기반 송신신호와 관련된 파라미터는 표 1에 요약한다.
도약-주파수 코딩 기반 송신 방법은 도 2와 같이
Figure 112018120364683-pat00052
,
Figure 112018120364683-pat00053
,
Figure 112018120364683-pat00054
3개의 주파수 대역을
Figure 112018120364683-pat00055
간격으로 주파수를 도약하는 신호를 생성한다. 이 방법을 정확히 설명하기 위해서는 도약-주파수에 대응하는 코드
Figure 112018120364683-pat00056
, 신호의 주파수에 대응하는 상태
Figure 112018120364683-pat00057
, L 개의 연속된 코드 집합을 나타내는 코드워드
Figure 112018120364683-pat00058
, M 개의 연속된 상태의 집합을 나타내는 상태열
Figure 112018120364683-pat00059
, 그리고 송신신호에서 주파수 도약이 발생한 시점
Figure 112018120364683-pat00060
를 정의한다. 여기서
Figure 112018120364683-pat00061
는
Figure 112018120364683-pat00062
번째 코드워드를 나타내며,
Figure 112018120364683-pat00063
는
Figure 112018120364683-pat00064
번째 코드에 대응하는 상태, 도약-주파수, 시점 등을 나타내기 위해서 사용된다.
도약-주파수
Figure 112018120364683-pat00065
는 코드
Figure 112018120364683-pat00066
에 직접적으로 대응하는 변수로 수학식 2와 같이 정의되며, 수신신호에서 발생한 주파수 도약 시점에 대응하는 송신시점을 획득하기 위한 목적으로 적용된다.
[수학식 2]
Figure 112018120364683-pat00067
.
여기서
Figure 112018120364683-pat00068
은 코드워드의 길이다. 코드워드
Figure 112018120364683-pat00069
는 L 개의 코드
Figure 112018120364683-pat00070
의 집합이며, 수학식 3으로 정의된다.
[수학식 3]
Figure 112018120364683-pat00071
.
송신신호에서 각 코드
Figure 112018120364683-pat00072
에 대응하는 주파수 도약이 발생한 시점
Figure 112018120364683-pat00073
는 수학식 4와 같이 하나의 벡터로 구성될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018120364683-pat00074
.
주파수 도약 시점
Figure 112018120364683-pat00075
이전의 주파수를 수학식 5와 같이 상태
Figure 112018120364683-pat00076
로 정의하고 첫 상태
Figure 112018120364683-pat00077
로부터 연속된 M 개의 상태들로 구성된 집합을 수학식 6과 같이 하나의 벡터인 상태열
Figure 112018120364683-pat00078
로 구성하며, 상태
Figure 112018120364683-pat00079
와 코드
Figure 112018120364683-pat00080
의 관계는 수학식 7과 같다.
[수학식 5]
Figure 112018120364683-pat00081
,
[수학식 6]
Figure 112018120364683-pat00082
,
Figure 112018120364683-pat00083
,
Figure 112018120364683-pat00084
Figure 112018120364683-pat00085
[수학식 7]
Figure 112018120364683-pat00086
.
송신 방법에서 +1 또는 -1의 코드
Figure 112018120364683-pat00087
는 코드워드 내에서 상태
Figure 112018120364683-pat00088
가 변하는 경우에 할당되는 코드이며, +2 또는 -2는 코드워드에서 마지막 코드에 할당되는 코드이다.
Figure 112018120364683-pat00089
번째 코드워드에 대응하는 시작 상태
Figure 112018120364683-pat00090
과 마지막 상태
Figure 112018120364683-pat00091
은 도 3과 도 4와 같이 항상 +1 또는 -1이며, 현재 심볼의 마지막 상태와 다음 심볼의 시작 상태는 항상 반대의 부호를 가진다. 도약-주파수 코딩 기반 신호는 주파수 도약이 발생하더라도 3개의 주파수
Figure 112018120364683-pat00092
,
Figure 112018120364683-pat00093
,
Figure 112018120364683-pat00094
만 가지기 때문에, 도 3과 도 4와 같이 짝수 번째 상태는 항상 0이고 홀수 번째 상태는 +1 또는 -1이다.
<개선된 성능의 수신 기법>
본 발명에서 제안하는 수신 기법은 기존의 도약 주파수 코딩 기반 송수신 방법 및 장치에 포함된 수신기법보다 뛰어난 추정 성능을 확보하고 필요에 따라서 도플러 상관기의 길이를 조절하여 추정 정확도와 연산량을 조절하기 위한 목적으로 설계되었다.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 거리 및 도플러 주파수를 얻기 위한 수신 신호처리 블록도를 도시한 것이다. 도약-주파수 코딩 기반 신호에 대한 개선된 수신 기법은 도 5의 블록도와 같이 요약할 수 있다.
도 5와 같이 수신 기법은 그룹 상관기를 이용한 수신신호의 주파수 추정 단계(S100), 지연&합 기반의 거리 추정 단계(S200)로 구분된다. 도약-주파수 코딩 기반 신호에 대한 도플러 및 거리 추정은 정합 필터링 과정을 두 가지 단계로 구분하여 구현한 것이다. 이러한 두 과정을 설명하기 이전에 수신기에서 활용하는 상태열 기반의 정합 필터링 과정을 먼저 설명한다.
<상태열 기반의 정합 필터링 과정>
수신기에서는 상태열
Figure 112018120364683-pat00095
에 대한 도플러 상관기를 활용하여, 송신신호에서
Figure 112018120364683-pat00096
에 대한 마지막 코드
Figure 112018120364683-pat00097
에 대한 주파수 도약 시점
Figure 112018120364683-pat00098
가 수신신호에서 발생하는 주파수 도약 시점
Figure 112018120364683-pat00099
을 탐지하여 도플러 및 거리를 추정한다. 상태열의 길이 M 은 상관기의 길이를 결정하며, M 이 커질수록 높은 추정성능을 확보할 수 있다. 도 1에서는 상태열
Figure 112018120364683-pat00100
과
Figure 112018120364683-pat00101
에 대해서 생성된 신호인
Figure 112018120364683-pat00102
과
Figure 112018120364683-pat00103
를 나타내고 있다.
도플러 및 거리를 추정하기 위한 상태열
Figure 112018120364683-pat00104
와 도플러 비율
Figure 112018120364683-pat00105
에 대한 도플러 상관기
Figure 112018120364683-pat00106
는 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112018120364683-pat00107
,
Figure 112018120364683-pat00108
,
Figure 112018120364683-pat00109
,
Figure 112018120364683-pat00110
,
Figure 112018120364683-pat00111
,
Figure 112018120364683-pat00112
,
Figure 112018120364683-pat00113
.
여기서
Figure 112018120364683-pat00114
는 상태 가중치 벡터이고
Figure 112018120364683-pat00115
는 샘플링 주파수이다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 수신신호의 각 주파수 도약 시점을 탐지하기 위해서 필요한 상관기 신호와 출력의 최대값 시점을 도시한 것이다. 도플러 상관기
Figure 112018120364683-pat00116
는 도 6과 같이 3개의 주파수에 대한 상태 주파수에 대한 도플러 상관기인
Figure 112018120364683-pat00117
의 지연&합으로 구현될 수 있다. 또한, 도플러가 정합되는 상관기에 대한 출력의 최댓값은 상관기의 끝나는 지점에서 발생하게 된다. 도플러가 정합되는 상관기의 최대값 지점
Figure 112018120364683-pat00118
는 수학식 12를 만족하는 범위 내에서 탐지된다.
[수학식 12]
Figure 112018120364683-pat00119
.
송신신호 내에 포함된 신호
Figure 112018120364683-pat00120
의 끝나는 지점
Figure 112018120364683-pat00121
에 대한 지연시간은 수학식 13과 같이 계산된다.
[수학식 13]
Figure 112018120364683-pat00122
.
도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 포함된
Figure 112018120364683-pat00123
는
Figure 112018120364683-pat00124
,
Figure 112018120364683-pat00125
,
Figure 112018120364683-pat00126
에 따라서 계속해서 변하며, 이에 대응하는 다수의 도플러 상관기를 구성하게 되면 매우 많은 연산이 발생한다. 다수의 도플러 상관기에 대한 출력을 연산 측면에서 효과적으로 계산하기 위해서 선형 시스템에 대한 분배 법칙을 활용한 수신 신호처리 기법을 사용한다. 상태 가중치 벡터
Figure 112018120364683-pat00127
와
Figure 112018120364683-pat00128
의 출력
Figure 112018120364683-pat00129
에 대한 지연&합으로 수학식 14와 같이 최종 도플러 상관기의 출력을 계산할 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112018120364683-pat00130
여기서 * 는 convolution 연산이다.
< 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계>
도 7은 본 발명에 따른 그룹 상관기 기반의 도플러 추정과 지연&합 기반의 거리 추정 과정을 도시한 것이다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계(S100)에서, 표적에서 반사되어 수신된 수신 신호에 대하여 그룹 상관기 기반 도플러 추정을 수행한다. 한편, 지연 및 합 기반 거리 추정 단계(S200)에서, 상기 그룹 상관기의 출력에 대하여 지연 및 합 기반 거리 추정에 의해 상기 표적까지의 거리를 추정한다. 이때, 상기 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계(S100)에서, 상기 그룹 상관기는 주파수 도약 주기와 연관된 값에 기반하여 출력을 연산할 수 있다.
한편, 상기 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계(S100)에서, 송신신호의 3개의 주파수
Figure 112018120364683-pat00131
,
Figure 112018120364683-pat00132
,
Figure 112018120364683-pat00133
에 대해서 주파수 도약 주기의 길이를 갖는 3개의 도플러 상관기
Figure 112018120364683-pat00134
,
Figure 112018120364683-pat00135
,
Figure 112018120364683-pat00136
를 그룹 상관기로 구성할 수 있다. 또한, 상기 그룹 상관기 출력으로
Figure 112018120364683-pat00137
,
Figure 112018120364683-pat00138
,
Figure 112018120364683-pat00139
를 계산할 수 있다.
한편, 상기 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계(S100)에서, 상기 그룹 상관기 출력으로부터 아래의 수학식 15와 같이 도플러 비율을 추정할 수 있다.
보다 상세하게, 도 7을 참조하면,
Figure 112018120364683-pat00140
를 계산한 이후에 각 도약 시점마다 거리 및 도플러를 함께 추정하는 것이 아니라, 각 상태에 대한
Figure 112018120364683-pat00141
로부터 우선적으로 도플러 비율인
Figure 112018120364683-pat00142
를 추정하며, 선택된
Figure 112018120364683-pat00143
에 대해서
Figure 112018120364683-pat00144
를 계산하여 거리를 추정한다.
그룹 상관기는
Figure 112018120364683-pat00145
,
Figure 112018120364683-pat00146
,
Figure 112018120364683-pat00147
로 구성되며, 도플러 비율은 그룹 상관기의 출력의 합을 최대화하는 것으로 수학식 15와 같이 추정된다.
[수학식 15]
Figure 112018120364683-pat00148
Figure 112018120364683-pat00149
.
<지연&합 기반의 거리 추정 단계>
지연 및 합 기반 거리 추정 단계(S200)에서, (a) 상기 추정된 도플러 비율에 대해서, 수학식 14와 같이, 상기 그룹 상관기의 출력
Figure 112018120364683-pat00150
를 지연된 그룹 상관기의 출력과 상태 가중치 벡터의 곱에 대한 합으로 계산할 수 있다.
한편, 지연 및 합 기반 거리 추정 단계(S200)에서, (b) 상기 상태 가중치 벡터
Figure 112018120364683-pat00151
를 상태열
Figure 112018120364683-pat00152
에 따라서 0 또는 1로 설정할 수 있다. 또한, (c) 상기 그룹 상관기 출력의 최대값이 발생한 시점
Figure 112018120364683-pat00153
에서
Figure 112018120364683-pat00154
와 같이 지연시간
Figure 112018120364683-pat00155
를 추정하고 상기 거리를
Figure 112018120364683-pat00156
로 계산할 수 있다.
보다 상세하게, 도약-주파수 코딩 기반의 송신신호에 포함된
Figure 112018120364683-pat00157
의 상태 가중치 벡터
Figure 112018120364683-pat00158
와 출력
Figure 112018120364683-pat00159
에 대한 지연&합으로 수학식 14의 최종 도플러 상관기의 출력을 계산하여 거리를 추정한다.
도 8은 본 발명에 따른 최종 도플러 상관기 출력을 만들기 위해서 필요한 상태 가중치 벡터의 예를 도시한 것이다. 한편,
Figure 112018120364683-pat00160
를 계산하기 위해 필요한
Figure 112018120364683-pat00161
는 수학식 11과 같이 설정되며, 이렇게 설정된
Figure 112018120364683-pat00162
의 예를 도 8에 나타나 있다.
Figure 112018120364683-pat00163
의 끝나는 시점
Figure 112018120364683-pat00164
에서는 코드
Figure 112018120364683-pat00165
에 주파수 도약이 발생하며, 최종 도플러 상관기의 출력의 최댓값은 수학식 12의 범위 내에서 도 6과 같이
Figure 112018120364683-pat00166
에 나타난다.
Figure 112018120364683-pat00167
의 끝나는 시점
Figure 112018120364683-pat00168
에서 발생한 주파수 도약에 대한 지연시간
Figure 112018120364683-pat00169
를 수학식 13과 같이 추정하고 거리를 수학식 16과 같이 계산한다.
[수학식 16]
Figure 112018120364683-pat00170
.
한편, 본 발명에 따른 지연 및 합 기반 거리 추정 단계(S200)에서의 거리 추정은 도플러 추정 단계(S100)에서, 송신신호에서
Figure 112018120364683-pat00171
에 대한 마지막 코드
Figure 112018120364683-pat00172
에 대한 주파수 도약 시점
Figure 112018120364683-pat00173
가 수신신호에서 발생하는 주파수 도약 시점
Figure 112018120364683-pat00174
을 탐지하여 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 지연 및 합 기반 거리 추정 단계(S200)에서, 상기 그룹 상관기 출력의 최대값이 발생한 시점
Figure 112018120364683-pat00175
과 상기 주파수 도약 시점
Figure 112018120364683-pat00176
에 기반하여, 상기 거리를 추정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 도플러 추정 단계(S100)에서, 상기 그룹 상관기의 길이 M을 동적으로 결정할 수 있다. 이를 위해, 표적에 대한 정확한 속도 추정과 높은 추정성능이 요구되는 경우 M을 증가시키고, 인접 거리에서 상기 표적에 대한 빠른 추정이 요구되는 경우 M을 감소시켜, 그룹 상관기의 길이 M을 동적으로 결정할 수 있다.
이상에서는, 본 발명에 따른 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 수신 기법, 보다 상세하게는, 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 도플러 추정 방법 및 장치에 대해 설명하였다. 본 발명에 따른 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 도플러 추정 방법은 다음과 같은 기술적 효과를 갖는다.
따라서, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 반사신호의 지연시간보다 짧은 주기로 근거리에서 고속으로 기동하는 표적의 정보를 실시간으로 갱신할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 수신기에서 최종 상관기의 길이를 변경하여 도플러 및 거리 추정 성능을 조절할 수 있다는 장점이 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능뿐만 아니라 각각의 구성 요소들에 대한 설계 및 파라미터 최적화는 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.

Claims (7)

  1. 표적의 정보 추정을 위한 도약-주파수 코딩 기반 송신신호에 대한 개선된 도플러 추정 방법에 있어서, 상기 도플러 추정 방법은,
    표적에서 반사되어 수신된 수신 신호에 대하여 그룹 상관기 기반 도플러 추정을 수행하는 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계; 및
    상기 그룹 상관기의 출력에 대하여 지연 및 합 기반 거리 추정에 의해 상기 표적의 거리를 추정하는 지연 및 합 기반 거리 추정 단계를 포함하고,
    상기 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계에서, 상기 그룹 상관기는 주파수 도약 주기와 연관된 값에 기반하여 출력을 연산하는, 도플러 추정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계에서,
    송신신호의 3개의 주파수
    Figure 112020017855619-pat00177
    ,
    Figure 112020017855619-pat00178
    ,
    Figure 112020017855619-pat00179
    에 대해서 주파수 도약 주기의 길이를 갖는 3개의 도플러 상관기
    Figure 112020017855619-pat00180
    ,
    Figure 112020017855619-pat00181
    ,
    Figure 112020017855619-pat00182
    를 그룹 상관기로 구성하고,
    상기 그룹 상관기의 출력으로
    Figure 112020017855619-pat00183
    ,
    Figure 112020017855619-pat00184
    ,
    Figure 112020017855619-pat00185
    를 계산하는 것을 특징으로 하는, 도플러 추정 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 그룹 상관기 기반 도플러 추정 단계에서,
    상기 그룹 상관기의 출력으로부터
    Figure 112020017855619-pat00186
    Figure 112020017855619-pat00187
    와 같이 도플러 비율을 추정하는 것을 특징으로 하는, 도플러 추정 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 지연 및 합 기반 거리 추정 단계에서,
    (a) 상기 추정된 도플러 비율에 대해서,
    Figure 112018120364683-pat00188
    와 같이,
    상기 그룹 상관기의 출력
    Figure 112018120364683-pat00189
    를 지연된 그룹 상관기의 출력과 상태 가중치 벡터의 곱에 대한 합으로 계산하는 것을 특징으로 하는, 도플러 추정 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 지연 및 합 기반 거리 추정 단계에서,
    (b) 상기 상태 가중치 벡터인
    Figure 112020017855619-pat00190
    를 상태열
    Figure 112020017855619-pat00191
    에 따라서 0 또는 1로 설정하고,
    (c) 상기 그룹 상관기의 출력의 최대값이 발생한 시점
    Figure 112020017855619-pat00192
    에서
    Figure 112020017855619-pat00193
    와 같이 지연시간
    Figure 112020017855619-pat00194
    를 추정하고 상기 거리를
    Figure 112020017855619-pat00195
    로 계산하는 것을 특징으로 하는, 도플러 추정 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 도플러 추정 단계에서,
    송신신호에서
    Figure 112020017855619-pat00196
    에 대한 마지막 코드
    Figure 112020017855619-pat00197
    에 대한 주파수 도약 시점
    Figure 112020017855619-pat00198
    가 수신신호에서 발생하는 주파수 도약 시점
    Figure 112020017855619-pat00199
    을 탐지하고,
    상기 지연 및 합 기반 거리 추정 단계에서,
    상기 그룹 상관기의 출력의 최대값이 발생한 시점
    Figure 112020017855619-pat00200
    과 상기 주파수 도약 시점
    Figure 112020017855619-pat00201
    에 기반하여, 상기 거리를 추정하는 것을 특징으로 하는, 도플러 추정 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 도플러 추정 단계에서,
    상기 그룹 상관기의 길이 M을 동적으로 결정하여,
    상기 표적에 대한 정확한 속도 추정과 높은 추정성능이 요구되는 경우 M을 증가시키고, 인접 거리에서 상기 표적에 대한 빠른 추정이 요구되는 경우 M을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 도플러 추정 방법.
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서영광 外 3인. 고속 수중운동체의 정보 추정을 위한 주파수 차이 코딩 기반 신호 송신 방법. 한국통신학회 학술대회논문집, 2017년 6월 1부.*

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