KR102219341B1

KR102219341B1 - Fm 신호 기반의 수동형 코히어런트 위치 추정(pcl) 시스템에서 기준채널 내의 다중경로에 의한 간섭원을 제거하는 간섭원 제거장치 및 방법

Info

Publication number: KR102219341B1
Application number: KR1020200048861A
Authority: KR
Inventors: 안준일; 송규하; 곽현규; 김산해; 정인환; 이종환; 이병남
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2021-02-23

Abstract

본 발명은 FM 신호 기반의 수동형 코히어런트 위치 추정(PCL) 시스템에서 기준채널 내의 다중경로에 의한 간섭원을 제거하는 간섭원 제거장치 및 방법에 관한 것으로서, FM 송신기로부터 송신된 기준신호 및 다중 경로 간섭원에 의한 간섭신호를 수신하는 안테나부와, 상기 간섭원 제거장치가 배치된 위치에 기초하여 사전 예측된 제1 간섭원의 수신 이득을 감쇄하기 위한 고정 가중치 행렬을 생성하는 고정 가중치 생성부와, 상기 FM 신호의 포락선 크기에 기초하여 사전 예측되지 않은 제2 간섭원을 제거하기 위한 가변 가중치 벡터를 생성하는 가변 가중치 생성부와, 상기 고정 가중치 행렬 및 상기 가변 가중치 벡터에 기초하여 최종 가중치 벡터를 생성하는 최종 가중치 생성부 및 상기 최종 가중치 벡터에 기초하여 상기 제1 간섭원 및 상기 제2 간섭원이 제거된 기준채널 I/Q(In-phase and Quadrature) 신호를 출력하는 가중치 적용부를 포함한다.

Description

FM 신호 기반의 수동형 코히어런트 위치 추정(PCL) 시스템에서 기준채널 내의 다중경로에 의한 간섭원을 제거하는 간섭원 제거장치 및 방법{APPATUS AND METHOD FOR MULTIPATH INTERFERENCE CANCELLATIONS IN REFERENCE CHANNEL OF PASSIVE COHERENT LOCATION SYTEMS BASED ON FM SIGNALS}

본 발명은 FM 신호 기반의 수동형 코히어런트 위치 추정(PCL) 시스템에서 기준채널 내의 다중경로에 의한 간섭원을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 FM 신호 기반의 PCL 시스템에서, 기준신호에 포함된 간섭원을 제거하여 고품질의 기준신호를 획득할 수 있는 간섭원 제거장치 및 간섭원 제거방법에 관한 것이다.

수동형 코히어런트 위치 추정(Passive Coherent Location: PCL) 시스템은 제3의 송신기에서 방사되는 신호를 이용하여 표적의 위치를 추정하는 기술로써, 시스템 자체에서 임의로 가공한 신호를 방사하지 않기 때문에 수동형 표적 탐지 기술에 해당한다.

한편, 제3의 송신기로 사용될 수 있는 신호들 중에서, FM(Frequency Modulation) 라디오 방송은 넓은 영역에 걸쳐 방송 서비스를 제공하기 위해 다수의 송신기들이 설치 및 운용되며, 다른 상용 방송 신호에 비해 고출력으로 신호를 송신한다는 이점이 있다. 이러한 이유로 넓은 영역에 걸쳐 원거리의 표적을 탐지하기 위한 용도로써, FM 라디오 방송 신호가 PCL 시스템에 활용될 수 있다.

FM(Frequency Modulation) 라디오 기반의 PCL 시스템은 송신기로부터 LOS(Line Of Sight) 경로로 수신되는 직접경로신호와 표적에 반사되어 수신되는 표적반사신호를 이용하여 표적을 탐지한다.

따라서, FM 라디오 기반의 PCL 시스템은 직접경로신호와 표적반사신호를 구분하기 위하여, 직접경로신호를 수신하는 기준채널과 표적반사신호를 수신하는 감시채널을 분리하여 생성하며, 기준채널로 수신되는 직접경로신호를 기준신호로 이용한다. 하지만, PCL 시스템이 설치 및 운용되는 장소에 따라 다중경로에 의한 간섭원이 기준채널에 포함됨으로써 기준신호가 왜곡될 수 있다.

이러한, 기준신호의 왜곡을 방지하기 위한 방법으로써, 종래의 CMA(Constant Magnitude Algorithm) 등의 블라인드 등화 (Equalization) 방식을 적용할 수 있으나, CMA 기반 블라인드 등화 방식은 Step Size와 같은 설정 파라미터에 따라, 간섭원 제거 성능이 매우 민감하게 가변하고, 때때로 출력 결과가 발산하는 경우도 생길 수 있어 PCL 시스템의 안정적인 운용에는 제한사항이 있다는 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 FM 신호 기반의 수동형 코히어런트 위치 추정 시스템에서 기준채널 내의 다중경로에 의한 간섭원을 제거함으로써, 고품질의 기준신호 생성이 가능한 간섭원 제거장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 간섭원 제거장치는 FM 송신기로부터 송신된 기준신호 및 다중 경로 간섭원에 의한 간섭 신호를 수신하는 안테나부와, 상기 간섭원 제거장치가 배치된 위치에 기초하여 사전 예측된 제1 간섭원의 수신 이득을 감쇄하기 위한 고정 가중치 행렬을 생성하는 고정 가중치 생성부와, 상기 FM 신호의 포락선 크기에 기초하여 사전 예측되지 않은 제2 간섭원을 제거하기 위한 가변 가중치 벡터를 생성하는 가변 가중치 생성부와, 상기 고정 가중치 행렬 및 상기 가변 가중치 벡터에 기초하여 최종 가중치 벡터를 생성하는 최종 가중치 생성부 및 상기 최종 가중치 벡터에 기초하여 상기 제1 간섭원 및 상기 제2 간섭원이 제거된 기준채널 I/Q(In-phase and Quadrature) 신호를 출력하는 가중치 적용부를 포함한다.

또한, 상기 안테나부는 등간격 원형 어레이(Uniform Circular Array: UCA) 형태로 배치되는 복수의 안테나 소자를 포함하고, 상기 복수의 안테나 소자는 상기 안테나부에 입사되는 하나의 입사신호에 대하여 서로 특정 위상차를 가지는 복수의 수신신호들을 출력한다.

또한, 간섭원 제거장치는 상기 안테나부로부터 서로 특정 위상차를 가지는 복수의 수신신호들을 수신하고, 상기 복수의 수신신호들 각각을 디지털화하는 디지털 수신부를 더 포함한다.

또한, 상기 고정 가중치 생성부는 상기 간섭원 제거장치가 배치된 위치에 기초하여 상기 제1 간섭원의 입사 방향을 사전 예측하고, 상기 사전 예측된 입사 방향에 기초하여, 상기 고정 가중치 행렬을 생성한다.

또한, 상기 고정 가중치 생성부는

에 의하여 상기 고정 가중치 행렬을 생성하되, 이때,

는 상기 고정 가중치 행렬이고,

은 단위 행렬이고,

는 상기 제1 간섭원의 입사 방향에 대한 조향 벡터로 구성된 행렬인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가변 가중치 생성부는 디지털화된 복수의 수신신호들을 기 설정된 블록 단위로 분할하고, 상기 블록 내의 통계적 특성에 기초하여 상기 가변 가중치 벡터를 계산한다.

또한, 상기 가변 가중치 생성부는

의 비용함수를 최소로 하는 가중치 벡터를 해당 블록의 가변 가중치 벡터로써 생성하되, 이때,

는 l번째 블록의 가변 가중치 벡터이고,

는 l번째 블록의 비용함수이고,

는 l번째 블록 중 k번째 시간의 가변 가중치 벡터를 적용한 출력 값인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 최종 가중치 생성부는

에 의하여 상기 최종 가중치 벡터를 계산하되, 이때,

는 상기 최종 가중치 벡터이고,

는 상기 고정 가중치 행렬이고,

는 l번째 블록의 가변 가중치 벡터인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가중치 적용부는 상기 안테나부로부터 서로 특정 위상차를 가지는 복수의 수신신호들을 획득하고, 상기 복수의 수신신호들의 위상과 크기에 상기 최종 가중치를 적용함으로써, 다중 경로에 의한 상기 제1 간섭원 및 상기 제2 간섭원을 제거한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 간섭원 제거방법은 FM 송신기로부터 송신된 기준신호 및 다중 경로 간섭원에 의한 간섭 신호를 수신하는 단계와, 간섭원 제거장치가 배치된 위치에 기초하여 사전 예측된 제1 간섭원의 수신 이득을 감쇄하기 위한 고정 가중치 행렬을 생성하는 단계와, 상기 FM 신호의 포락선 크기에 기초하여 사전 예측되지 않은 제2 간섭원을 제거하기 위한 가변 가중치 벡터를 생성하는 단계와, 상기 고정 가중치 행렬 및 상기 가변 가중치 벡터에 기초하여 최종 가중치 벡터를 생성하는 단계 및 상기 최종 가중치 벡터에 기초하여 상기 제1 간섭원 및 상기 제2 간섭원이 제거된 기준채널 I/Q(In-phase and Quadrature) 신호를 출력하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 기준신호 및 상기 간섭 신호를 수신하는 단계는 안테나부에 입사되는 하나의 입사신호에 대하여, 서로 특정 위상차를 가지는 복수의 수신신호들을 출력하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 간섭원 제거방법은 상기 기준신호 및 상기 간섭 신호를 수신하는 단계 이후에 안테나부로부터 서로 특정 위상차를 가지는 복수의 수신신호들을 수신하고, 상기 복수의 수신신호들 각각을 디지털화하는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 고정 가중치 행렬을 생성하는 단계는 상기 간섭원 제거장치가 배치된 위치에 기초하여 상기 제1 간섭원의 입사 방향을 사전 예측하는 단계 및 상기 사전 예측된 입사 방향에 기초하여, 상기 고정 가중치 행렬을 생성하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 고정 가중치 행렬을 생성하는 단계는

에 의하여 상기 고정 가중치 행렬을 생성하되, 이때,

는 상기 고정 가중치 행렬이고,

은 단위 행렬이고,

또한, 상기 가변 가중치 벡터를 생성하는 단계는 디지털화된 복수의 수신신호들을 기 설정된 블록 단위로 분할하는 단계 및 상기 블록 내의 통계적 특성에 기초하여 상기 가변 가중치 벡터를 계산하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 가변 가중치 벡터를 계산하는 단계는

는 l번째 블록의 가변 가중치 벡터이고,

는 l번째 블록의 비용함수이고,

또한, 상기 최종 가중치 벡터를 생성하는 단계는

에 의하여 상기 최종 가중치 벡터를 계산하되, 이때,

는 상기 최종 가중치 벡터이고,

는 상기 고정 가중치 행렬이고,

는 l번째 블록의 가변 가중치 벡터인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 간섭원 및 상기 제2 간섭원이 제거된 기준채널 I/Q(In-phase and Quadrature) 신호를 출력하는 단계는 안테나부로터 서로 특정 위상차를 가지는 복수의 수신신호들을 획득하는 단계 및 상기 복수의 수신신호들의 위상과 크기에 상기 최종 가중치를 적용함으로써, 다중 경로 간섭원에 의한 상기 제1 간섭원 및 상기 제2 간섭원을 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명의 기술적 과제는 상술한 바에 한정되지 않으며 이하의 예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 간섭원 제거장치 및 제거방법은 사전 예측된 제1 간섭원 뿐만 아니라, 사전 예측되지 않은 제2 간섭원까지 적응적으로 제거하므로, 간섭원에 왜곡되지 않은 고품질의 기준신호를 획득할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 간섭원 제거장치 및 제거방법은 고품질의 기준신호를 제공함으로써, PCL 시스템에서 감시채널에 적용되는 클러터 제거 필터의 성능을 현저하게 상승시킬 수 있다는 이점이 있다.

또한, 간섭원 제거장치는 고품질의 기준신호를 제공함으로써, 허위 표적 탐지로 인한 오경보를 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PCL 시스템의 일 예이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 간섭원 제거장치의 내부 블록도이다.
도 3은 도 2의 안테나부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 간섭원 제거방법을 설명하기 위한 순서도이다.

실시예들에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PCL 시스템의 일 예이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 PCL 시스템(1)은 PCL 장치(10) 및 FM 송신기(20)를 포함할 수 있다.

PCL 장치(10)는 수동형 코히어런트 위치 추정(Passive Coherent Location: PCL) 방식을 이용하여 표적을 검출할 수 있다.

구체적으로, PCL 장치(10)는 FM 송신기(20)으로부터 LOS(Line Of Sight) 경로로 수신되는 직접경로신호(Sd)와 표적에 반사되어 수신되는 표적반사신호를 이용하여 표적을 검출할 수 있다.

PCL 장치(10)는 직접경로신호(Sd)를 기준신호로써 수신하기 위하여 FM 송신기(20) 방향으로 기준채널을 지향하여 생성할 수 있다. PCL 장치(10)는 표적 탐지를 위한 내부 신호처리 과정에서 직접경로신호(Sd)를 표적을 검출하기 위한 기준신호로 이용할 수 있다.

일 실시예에서, PCL 장치(10)는 기준신호를 클러터의 간섭원을 제거하기 위한 클러터 제거 필터링에 사용할 수 있다. 또한, PCL 장치(10)는 기준신호를 표적반사신호와의 거리-도플러 주파수 상호 상관 함수 (range-Doppler frequency cross-correlation function) 계산에 이용할 수 있다. 또한, PCL 장치(10)는 거리-도플러 주파수 상호 상관 함수 결과의 거리 및 주파수 축 상에서 표적 성분의 위치로부터 기준신호와 표적반사신호 간의 TDOA(Time Difference Of Arrival)와 FDOA(Frequency Difference Of Arrival)를 추출하며, TDOA 및 FDOA를 이용하여 표적의 위치를 추정할 수 있다.

PCL 장치(10)는 직접경로신호(Sd)와 표적반사신호를 분리하여 수신하기 위해 복수의 안테나 소자(도 2의 Ant #1, Ant #2,...,Ant #M)로 구성된 배열 안테나(array antenna)를 이용할 수 있다.

PCL 장치(10)는 배열 안테나를 기반으로 한 전자적 수신 빔 (Beam) 생성 및 조향각 조정을 통하여 직접경로신호(Sd)를 수신하는 기준채널(40)과 감시영역의 표적반사신호를 수신하는 감시채널을 분리하여 생성할 수 있다.

한편, PCL 시스템이 설치 및 운용되는 장소에 따라, PCL 장치(10)의 기준채널(40)에는 다중경로에 의한 간섭원이 포함되어 수신될 수도 있다. 예를 들어, PCL 장치(10)가 설치 및 운용되는 장소 근처에 위치한 산, 건물 등의 지형 및 장애물에 따라, 직접경로신호(Sd) 이외의 신호들(Sip_a, Sip_b, Sin_a, Sin_b)이 기준채널(40)에 포함되어 수신될 수 있다.

도 1은 PCL 장치(10)의 설치 및 운용 장소에 따른 기준채널(40) 내의 수신신호들을 도시한다.

도 1에서와 같이, PCL 장치(10)는 직접경로신호(Sd)를 기준신호로 수신하기 위하여 FM 송신기(20) 방향으로 기준채널을 지향하여 생성하나, PCL 장치(10) 주변에 존재하는 산, 건물 등의 장애물(31a, 31b, 32a, 32b)에 기인한 반사로 인하여 다중경로 간섭원(Sip_a, Sip_b, Sin_a, Sin_b)이 기준채널(40)에 수신될 수 있다.

이러한, 다중경로 간섭원(Sip_a, Sip_b, Sin_a, Sin_b)은 직접경로신호(Sd)와 다른 입사방향에서 수신되는 시간지연 성분으로써 기준신호를 왜곡시킬 수 있다. 또한, 기준신호의 품질 저하는 감시채널에 적용되는 클러터 제거 필터링 성능을 열화시켜 표적 탐지 성능을 저하시키고, 기준신호와 표적반사신호와의 거리-도플러 주파수 상호 상관 함수 결과에서 표적 외의 간섭원에 의한 극댓값을 발생시켜 허위 표적 탐지로 인한 오경보 발생의 우려가 있다.

본 개시는 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, FM 신호를 이용하는 PCL 시스템에서 고품질의 직접경로신호(Sd)를 기준신호로 제공하기 위해 기준채널(40) 내에 유입되는 다중경로에 의한 간섭원(Sip_a, Sip_b, Sin_a, Sin_b)을 제거할 수 있는 간섭원 제거장치(도 2의 100) 및 제거방법을 제안한다.

구체적으로, 간섭원 제거장치(100)는 PCL 장치(10)의 내부 또는 외부에 설치되어, 기준채널(40) 내에 유입되는 다중경로에 의한 간섭원(Sip_a, Sip_b, Sin_a, Sin_b)을 제거할 수 있다. 간섭원 제거장치(100)가 PCL 장치(10)의 내부에 배치되는 경우, 간섭원 제거장치(100)는 PCL 장치(10)의 일부 구성으로써 동작할 수 있다.

한편, 다중경로에 의한 간섭원(Sip_a, Sip_b, Sin_a, Sin_b)은 시스템 운용 전의 전파환경 해석을 통해 기준채널(40)로의 입사방향이 사전 예측되며 상대적으로 큰 전력 신호를 가지는 제1 간섭원(Sip_a, Sip_b)과 입사방향이 사전 예측되지 않거나 시변하는 제2 간섭원(Sin_a, Sin_b)으로 구분될 수 있다. 이하에서, 제1 간섭원(Sip_a, Sip_b) 및 제2 간섭원(Sin_a, Sin_b)은 기준신호와 구분하기 위하여 간섭신호로 명명할 수 있다.

본 개시의 간섭원 제거장치(100)는 입사각(방위각 및 고각을 포함한다)의 사전 정보가 있는 제1 간섭원(Sip_a, Sip_b) 및 입사방향이 사전 예측되지 않거나 시변하는 제2 간섭원(Sin_a, Sin_b) 포함한 모든 다중 경로 간섭원을 기준채널 내에서 제거함으로써 고품질의 기준신호를 제공할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 간섭원 제거장치의 내부 블록도이고, 도 3은 도 2의 안테나부를 설명하기 위한 도면이다.

도면을 참조하면, 도 2에서, 본 발명의 실시예에 따른 간섭원 제거장치(100)는 안테나부(110), 디지털 수신부(120), 가변 가중치 생성부(130), 고정 가중치 생성부(140), 최종 가중치 생성부(150) 및 가중치 적용부(160)를 포함할 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 간섭원 제거장치(100)는 본 실시예와 관련된 구성요소들이 도시되어 있다. 따라서, 도 2에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 간섭원 제거장치(100)에 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 예를 들어, 간섭원 제거장치(100)는 사전 예측 정보(pre_inf)를 저장하는 메모리(미도시)를 더 포함할 수 있다.

안테나부(110)는 FM 송신기(20)로부터 송신된 기준신호 및 다중 경로 간섭원에 의한 간섭 신호를 수신할 수 있다.

안테나부(110)는 복수의 안테나 소자들(Ant #1, Ant #2, ..., Ant #M)을 포함할 수 있다.

도 3에서와 같이, 복수의 안테나 소자들(Ant #1, Ant #2, ..., Ant #M)은 등간격 원형 어레이(Uniform Circular Array: UCA) 형태로 배치될 수 있다. 동심원 위에 배치되는 인접한 안테나 소자 간의 거리는 모두 동일하게 설정될 수 있다. 도 3에서는 안테나 소자가 8개인 것을 도시하나, 실시예에 따라 안테나 소자의 개수는 증가 또는 감소할 수 있다.

한편, 복수의 안테나 소자들(Ant #1, Ant #2, ..., Ant #M)이 등간격으로 배치되므로, 각각의 안테나 소자가 수신한 수신신호(RF #1, RF #2, ..., RF #M)는 각각의 안테나 소자 간의 이격 거리에 의하여 서로 특정한 위상차를 가질 수 있다. 다시 말해, 복수의 안테나 소자들(Ant #1, Ant #2, ..., Ant #M)은 동일한 입사신호에 대해 서로 특정 위상차를 가지는 다수의 수신신호들(RF #1, RF #2, ..., RF #M)을 출력할 수 있다.

한편, 후술하는 가중치 적용부(160)는 각각의 수신신호(RF #1, RF #2, ..., RF #M)의 위상과 크기를 조정한 후 합하는 가중치 적용을 통하여 특정 방향에 대한 수신 이득 특성을 조정할 수 있다.

다시 도 2에서, 안테나부(110)는 수신신호들(RF #1, RF #2, ..., RF #M)을 디지털 수신부(120)로 출력할 수 있다.

디지털 수신부(120)는 FM 송신기(20)에서 송출되는 FM 신호의 주파수 대역에 기초하여 각각의 수신신호(RF #1, RF #2, ..., RF #M)를 필터링할 수 있다. 또한, 디지털 수신부(120)는 필터링된 수신신호(RF #1, RF #2, ..., RF #M)를 증폭하고, 각각의 수신신호(RF #1, RF #2, ..., RF #M)를 디지털화하며, 디지털화된 수신신호(RF #1, RF #2, ..., RF #M)의 기저대역 I/Q 신호(I/Q #1, I/Q #2, ..., I/Q #M)를 생성할 수 있다. 이를 위하여, 디지털 수신부(120)는 대역 통과 필터, 증폭기, ADC(Analog-Digital Converter) 및 DDC(Digital Down Converter)를 포함할 수 있다. 이하에서, 기저대역 I/Q 신호(I/Q #1, I/Q #2, ..., I/Q #M)는 디지털화된 수신신호들(I/Q #1, I/Q #2, ..., I/Q #M)이라고 명명할 수 있다.

디지털 수신부(120)는 디지털화된 수신신호들(I/Q #1, I/Q #2, ..., I/Q #M)을 가중치 적용부(160)에 전송할 수 있다.

한편, 후술하는 바와 같이, 디지털화된 수신신호들(I/Q #1, I/Q #2, ..., I/Q #M)의 적어도 일부는 가변 가중치 생성부(130)에 제공되어 제2 간섭원을 제거하기 위한 가변 가중치 벡터 연산에 사용될 수 있다.

고정 가중치 생성부(140)는 PCL 시스템 운용 전의 전파환경 해석 등으로 사전에 파악되는 주요 다중경로 간섭원(제1 간섭원)을 제거할 수 있다. 고정 가중치 생성부(140)는 제1 간섭원의 예측 입사방향(입사각을 포함한다)으로의 수신 이득을 감쇄하는 널(Null)을 생성하는데 이용되는 고정 가중치 행렬을 계산할 수 있다.

구체적으로, 고정 가중치 생성부(140)는 사전 예측 정보(pre_inf)를 제공 받을 수 있다. 사전 예측 정보(pre_inf)에는 사전 예측 가능한 제1 간섭원의 입사방향에 대한 정보가 포함될 수 있다. 제1 간섭원의 입사방향은 간섭원 제거장치(100)가 배치된 주변 지형 정보를 이용하여 광선 추적(ray tracing) 기반의 전파환경 해석을 통해 도출될 수 있다. 일 실시예에서, 간섭원 제거장치(100)는 광선 추적 기반의 전파환경 해석 시, 기 설정된 전력 이상을 가지는 제1 간섭신호의 입사방향을 예측할 수 있다. 예측된 제1 간섭신호의 입사방향은 사전 예측 정보(pre_inf)로서, 고정 가중치 생성부(140)에 제공될 수 있다.

고정 가중치 생성부(140)에 제공되는 사전 예측 정보(pre_inf)는 사전 방향정보의 집합으로 표현될 수 있다. 일 실시예에서, 사전 방향 정보 집합은 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

이때,

는 사전 방향 정보 집합을 의미하고,

의 원소

는 i번째 다중경로 간섭원(제1 간섭원)의 입사방향에 대한 방위각(

)과 고각(

)을 의미하고, N은 제1 간섭원의 개수를 의미할 수 있다.

한편, 안테나 소자의 개수가 M개일 때, 고정 가중치 행렬

는

행렬로 표현되며, 고정 가중치 생성부(140)는 주어진 사전 방향 정보 집합

의 모든 방위각 및 고각의 쌍에 대하여 다음의 수학식 2 조건을 만족하도록 고정 가중치 행렬(

)을 계산할 수 있다.

수학식 2에서 b는 모든 구성 성분이

인

벡터로 설정되며,

는 사전 파악된 제1 간섭원의 입사방향(

) 에 대한 안테나부(110)의

조향벡터를 의미할 수 있다.

한편, 조향벡터

의 m 번째 성분

은 다음의 수학식 3에 의하여 계산될 수 있다.

수학식 3에서,

은 등간격 원형 배열의 반지름을 의미하고,

는 입사신호의 파장을 의미할 수 있다.

한편, 수학식 2의 조건을 충족하는 고정 가중치 행렬

는 다음의 수학식 4를 통해 도출될 수 있다.

이때,

은

단위 행렬이고,

는 수학식 2의 조건을 정의하는

행렬로써, 다음의 수학식 5를 통해 도출될 수 있다.

수학식 5에서,

의 열을 구성하는

는 i번째 제1 간섭원의 입사방향에 대한 조향벡터를 의미할 수 있다.

고정 가중치 생성부(140)는 수학식 4를 이용하여 사전 예측된 제1 간섭원을 제거하기 위한 고정 가중치 행렬(

)을 생성할 수 있다.

고정 가중치 생성부(140)는 생성된 고정 가중치 행렬(

)을 최종 가중치 생성부(150)에 제공할 수 있다.

한편, 상술한 전파환경의 분석에도 불구하고, 일부의 간섭원(제2 간섭원)은 전파환경 해석의 복잡도 및 작은 전력 등의 이유로 사전 방향 정보를 얻기 어렵다. 또한, 사전 전파해석으로는 PCL 장치(10)의 실제 운용 시 주변 환경에 따라 시변하는 다중경로 간섭원(제2 간섭원)을 예측하는데 제한사항이 따른다.

따라서, 본 개시의 가변 가중치 생성부(130)는 FM 신호의 포락선 특성을 이용하여 사전 예측되지 않은 제2 간섭원을 제거할 수 있다. 가변 가중치 생성부(130)는 직접경로신호(Sd)는 지향하여 수신하면서도 PCL 시스템 운용 전에 예측되지 않은 제2 간섭원을 제거하기 위한 널(Null) 생성용 가변 가중치 벡터를 생성할 수 있다.

가변 가중치 생성부(130)는 제2 간섭원에 의해 왜곡되지 않은 FM 신호는 일정한 크기의 포락선을 가진다는 특징을 이용하여 가변 가중치를 유도할 수 있다. 다시 말해, 기준채널(40)로 수신된 FM 신호의 크기 포락선을 일정하게 만드는 가중치는 수신된 FM 신호의 SINR (Signal-to-interference-plus-noise ratio)을 개선시키는 효과가 있으며, 이는 기준채널(40) 내 여러 수신신호들 중에서 전력이 큰 직접경로신호(Sd)는 지향 수신 하면서도 다중경로 간섭원의 수신 이득은 감쇄시키는 널로 수신하는 효과를 가져 온다. 가변 가중치 생성부(130)는 이러한 FM 신호의 특징을 기반으로, 디지털화된 수신신호들(I/Q #1, I/Q #2, ..., I/Q #M)의 통계적 특성을 이용하여 표적 검출 장치(100)의 실제 운용 시 발생하는 다중 경로 특성에 적응적으로 가변되는 널(Null) 생성 가중치 벡터를 계산할 수 있다.

구체적으로 가변 가중치 생성부(130)는 디지털화된 수신신호들(I/Q #1, I/Q #2, ..., I/Q #M)을 기 설정된 블록 단위로 분할하여 분석할 수 있다. 예를 들어, 디지털화된 수신신호들(I/Q #1, I/Q #2, ..., I/Q #M)의 샘플링율이 200ksps인 경우, 한 블록을 구성하는 샘플 수는 1만개로 구성(50ms)되도록 설정될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 간섭원 제거장치(100)의 설치 위치 등에 따른 전파 환경에 따라 블록의 크기는 증가 또는 감소시켜 조정될 수 있다.

한편, l 번째 블록의 가변 가중치 벡터

는 다음의 수학식 6에 의하여

벡터로 표현되며, 수학식 7의 비용함수

를 최소함으로써 도출될 수 있다.

수학식 7에서

로 표현될 수 있다. 다시 말해, 수학식 7은 다음의 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.

수학식 8에서,

는 l번째 블록 처리 중 k 번째 시간의 가변 가중치 벡터를 적용한 출력으로써, 다음의 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.

수학식 9에서,

는 입력신호 벡터로서, 다음의 수학식 10과 같이 표현될 수 있으며,

의 각각의 엘리먼트는 디지털화된 수신신호들(I/Q #1, I/Q #2, ..., I/Q #M)의 크기를 의미할 수 있다.

즉, 수학식 7의 비용함수를 최적화하는 문제는 출력 신호 크기

가 일정한 값을 가지도록 하는 가변 가중치 벡터(

)를 구하는 과정이 될 수 있다.

가변 가중치 생성부(130)는 다음의 수학식 11을 이용하여 수학식 7의 비용 함수를 최소화하는 가변 가중치 벡터(

)를 계산할 수 있다.

수학식 11에서,

로 K개의 입력신호 벡터로 구성되는 l번째 입력신호 벡터 블록을 의미할 수 있다. 또한, 수학식 11에서 L은 전체 블록의 개수를 의미하고,

로 정의하며, l번째 출력 벡터 블록을 의미할 수 있다.

의 각각의 엘리먼트는 정규화된 가변 가중치 벡터 적용 출력신호로 이루어져 있으며, 수학식 7의 비용 함수에 따라 출력신호의 크기는 1로 조정되면서도 위상 정보는 유지될 수 있다.

실시예에 따라, 간섭원 제거장치(100)는 수학식 11을 이용하여 가변 가중치 벡터를 갱신할 때, 초기 가변 가중치 벡터(

)의 각 구성 성분을

로 설정할 수 있다.

가변 가중치 생성부(130)는 생성된 가변 가중치 벡터(

)를 최종 가중치 생성부(150)에 제공할 수 있다.

최종 가중치 생성부(150)는 고정 가중치 행렬(

) 및 가변 가중치 벡터(

)에 기초하여 최종 가중치 벡터(

)를 생성할 수 있다.

최종 가중치 생성부(150)는 고정 가중치 생성부(140) 및 가변 가중치 생성부(130)로부터 고정 가중치 행렬(

) 및 가변 가중치 벡터(

)를 각각 입력 받은 후, 제1 간섭원 및 제2 간섭원의 입사방향에 널 형성 효과가 동시에 적용되면서도 직접경로신호(Sd)는 지향하여 수신될 수 있도록 최종 가중치 벡터(

)를 생성할 수 있다.

구체적으로 최종 가중치 생성부(150)는 다음의 수학식 12에 의하여 최종 가중치 벡터(

)를 생성할 수 있다.

가중치 적용부(160)는 입력신호 벡터

의 구성성분에 대하여 위상과 크기를 조정한 후 합하는 과정을 통하여 최종 가중치 벡터(

)를 적용할 수 있다. 이를 통해, 가중치 적용부(160)는 기준채널 내의 다중경로 간섭원의 영향이 제거된 기준채널 I/Q 신호(s(k))를 생성할 수 있다.

구체적으로, 가중치 적용부(160)는 다음의 수학식 13에 의하여 기준채널 I/Q 신호(s(k))를 생성할 수 있다.

가중치 적용부(160)에서 출력된 다중경로 간섭원의 영향이 제거된 기준채널 I/Q 신호(s(k))는 표적반사신호가 포함된 감시채널 수신신호 내의 클러터 제거 필터링을 위하여 사용될 수 있다. 또한, 기준채널 I/Q 신호(s(k))는 표적반사신호의 TDOA 및 FDOA 추정을 위한 거리-도플러 주파수 상호 상관 함수 계산 등의 PCL 시스템 내부 신호처리 단계에 전달되어 활용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 간섭원 제거방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도면을 참조하면, S410 단계에서, 안테나부(110)는 FM 송신기(20)로부터 송신된 기준신호 및 다중 경로 간섭원에 의한 간섭신호를 수신할 수 있다.

한편, 복수의 안테나 소자들(Ant #1, Ant #2, ..., Ant #M)은 등간격 원형 어레이(Uniform Circular Array: UCA) 형태로 배치되므로, 복수의 안테나 소자들(Ant #1, Ant #2, ..., Ant #M)은 동일한 입사신호에 대해 서로 특정 위상차를 가지는 다수의 수신신호들(RF #1, RF #2, ..., RF #M)을 출력할 수 있다.

S420 단계에서, 고정 가중치 생성부(140)는 간섭원 제거장치(100)가 배치된 위치에 기초하여 사전 예측된 제1 간섭원의 수신 이득을 감쇄하기 위한 고정 가중치 행렬(

)을 생성할 수 있다.

고정 가중치 생성부(140)는 제1 간섭원의 예측 입사방향(입사각을 포함한다)으로의 수신 이득을 감쇄하는 널(Null)을 생성하는데 이용되는 고정 가중치 행렬(

)을 계산할 수 있다.

고정 가중치 생성부(140)는 내부 또는 외부로부터 사전 방향 정보를 제공 받고, 사전 방향 정보에 기초하여, 수학식 4를 이용하여 고정 가중치 행렬(

)을 생성할 수 있다.

S430 단계에서, 가변 가중치 생성부(130)는 FM 신호의 포락선 크기에 기초하여 사전 예측되지 않은 제2 간섭원을 제거하기 위한 가변 가중치 벡터(

) 를 생성할 수 있다.

가변 가중치 생성부(130)는 직접경로신호(Sd)는 지향하여 수신하면서도 PCL 시스템 운용 전에 예측되지 않은 제2 간섭원을 제거하기 위한 널(Null) 생성용 가변 가중치 벡터(

)를 생성할 수 있다.

가변 가중치 생성부(130)는 제2 간섭원에 의해 왜곡되지 않은 FM 신호는 일정한 크기의 포락선을 가진다는 특징을 이용하여 가변 가중치 벡터(

)를 유도할 수 있다.

이를 위하여 가변 가중치 생성부(130)는 수학식 11을 이용하여 가변 가중치 벡터(

)를 유도할 수 있다.

S440 단계에서, 최종 가중치 생성부(150)는 고정 가중치 행렬(

) 및 가변 가중치 벡터(

)에 기초하여 최종 가중치 벡터(

)를 생성할 수 있다.

최종 가중치 생성부(150)는 고정 가중치 행렬(

) 및 가변 가중치 벡터(

)의 곱 연산을 이용하여 최종 가중치 벡터(

)를 생성할 수 있다. 다시 말해, 최종 가중치 생성부(150)는 수학식 12에 의하여 최종 가중치 벡터(

)를 생성할 수 있다.

S450 단계에서, 가중치 적용부(160)는 최종 가중치 벡터(

)에 기초하여 제1 간섭원 및 제2 간섭원이 제거된 기준채널 I/Q 신호를 출력할 수 있다.

가중치 적용부(160)는 입력신호 벡터

)를 적용할 수 있다. 가중치 적용부(160)는 수학식 13에 의하여 기준채널 I/Q 신호(s(k))를 생성할 수 있다.

이상 설명된 본 발명에 따른 실시 예는 컴퓨터상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은, 프로그램 명령어를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.

한편, 상기 컴퓨터 프로그램은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.

본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: PCL 시스템
10: PCL 장치
20: FM 송신기
100: 간섭원 제거장치
110: 안테나부
120: 디지털 수신부
130: 가변 가중치 생성부
140: 고정 가중치 생성부
150: 최종 가중치 생성부
160: 가중치 적용부

Claims

FM 신호 기반의 수동형 코히어런트 위치 추정(PCL) 시스템에서 기준채널 내의 다중경로에 의한 간섭원을 제거하는 간섭원 제거장치에 있어서,
FM 송신기로부터 송신된 기준신호 및 다중 경로 간섭원에 의한 간섭신호를 수신하는 안테나부;
상기 간섭원 제거장치가 배치된 위치에 기초하여 사전 예측된 제1 간섭원의 수신 이득을 감쇄하기 위한 고정 가중치 행렬을 생성하는 고정 가중치 생성부;
상기 FM 신호의 포락선 크기에 기초하여 사전 예측되지 않은 제2 간섭원을 제거하기 위한 가변 가중치 벡터를 생성하는 가변 가중치 생성부;
상기 고정 가중치 행렬 및 상기 가변 가중치 벡터에 기초하여 최종 가중치 벡터를 생성하는 최종 가중치 생성부; 및
상기 최종 가중치 벡터에 기초하여 상기 제1 간섭원 및 상기 제2 간섭원이 제거된 기준채널 I/Q(In-phase and Quadrature) 신호를 출력하는 가중치 적용부;를 포함하는 간섭원 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 안테나부는
등간격 원형 어레이(Uniform Circular Array: UCA) 형태로 배치되는 복수의 안테나 소자들을 포함하고,
상기 복수의 안테나 소자들은
상기 안테나부에 입사되는 하나의 입사신호에 대하여 서로 특정 위상차를 가지는 복수의 수신신호들을 출력하는 간섭원 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 안테나부로부터 서로 특정 위상차를 가지는 복수의 수신신호들을 수신하고, 상기 복수의 수신신호들 각각을 디지털화하는 디지털 수신부;를 더 포함하는 간섭원 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 고정 가중치 생성부는
상기 간섭원 제거장치가 배치된 위치에 기초하여 상기 제1 간섭원의 입사 방향을 사전 예측하고, 상기 사전 예측된 입사 방향에 기초하여, 상기 고정 가중치 행렬을 생성하는 간섭원 제거장치.
제4항에 있어서,
상기 고정 가중치 생성부는

에 의하여 상기 고정 가중치 행렬을 생성하되,
이때,
는 상기 고정 가중치 행렬이고,
은 단위 행렬이고,
는 상기 제1 간섭원의 입사 방향에 대한 조향 벡터로 구성된 행렬인 간섭원 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 가변 가중치 생성부는
디지털화된 복수의 수신신호들을 기 설정된 블록 단위로 분할하고, 상기 블록 내의 통계적 특성에 기초하여 상기 가변 가중치 벡터를 계산하는 간섭원 제거장치.
제6항에 있어서,
상기 가변 가중치 생성부는

의 비용함수를 최소로 하는 가중치 벡터를 해당 블록의 가변 가중치 벡터로써 생성하되,
이때,
는 l번째 블록의 가변 가중치 벡터이고,
는 l번째 블록의 비용함수이고,
는 l번째 블록 중 k번째 시간의 가변 가중치 벡터를 적용한 출력 값인 간섭원 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 최종 가중치 생성부는

에 의하여 상기 최종 가중치 벡터를 계산하되,
이때,
는 상기 최종 가중치 벡터이고,
는 상기 고정 가중치 행렬이고,
는 l번째 블록의 가변 가중치 벡터인 간섭원 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 가중치 적용부는
상기 안테나부로부터 서로 특정 위상차를 가지는 복수의 수신신호들을 획득하고,
상기 복수의 수신신호들의 위상과 크기에 상기 최종 가중치를 적용함으로써, 다중 경로에 의한 상기 제1 간섭원 및 상기 제2 간섭원을 제거하는 간섭원 제거장치.
FM 신호 기반의 수동형 코히어런트 위치 추정(PCL) 시스템에서 기준채널 내의 다중경로에 의한 간섭원을 제거하는 간섭원 제거방법에 있어서,
FM 송신기로부터 송신된 기준신호 및 다중 경로 간섭원에 의한 간섭신호를 수신하는 단계;
간섭원 제거장치가 배치된 위치에 기초하여 사전 예측된 제1 간섭원의 수신 이득을 감쇄하기 위한 고정 가중치 행렬을 생성하는 단계;
상기 FM 신호의 포락선 크기에 기초하여 사전 예측되지 않은 제2 간섭원을 제거하기 위한 가변 가중치 벡터를 생성하는 단계;
상기 고정 가중치 행렬 및 상기 가변 가중치 벡터에 기초하여 최종 가중치 벡터를 생성하는 단계; 및
상기 최종 가중치 벡터에 기초하여 상기 제1 간섭원 및 상기 제2 간섭원이 제거된 기준채널 I/Q(In-phase and Quadrature) 신호를 출력하는 단계;를 포함하는 간섭원 제거방법.
제10항에 있어서,
상기 기준신호 및 상기 간섭신호를 수신하는 단계는
안테나부에 입사되는 하나의 입사신호에 대하여, 서로 특정 위상차를 가지는 복수의 수신신호들을 출력하는 단계를 포함하는 간섭원 제거방법.
제10항에 있어서,
상기 기준신호 및 상기 간섭신호를 수신하는 단계 이후에
안테나부로부터 서로 특정 위상차를 가지는 복수의 수신신호들을 수신하고, 상기 복수의 수신신호들 각각을 디지털화하는 단계;를 더 포함하는 간섭원 제거방법.
제10항에 있어서,
상기 고정 가중치 행렬을 생성하는 단계는
상기 간섭원 제거장치가 배치된 위치에 기초하여 상기 제1 간섭원의 입사 방향을 사전 예측하는 단계; 및
상기 사전 예측된 입사 방향에 기초하여, 상기 고정 가중치 행렬을 생성하는 단계;를 포함하는 간섭원 제거방법.
제13항에 있어서,
상기 고정 가중치 행렬을 생성하는 단계는

에 의하여 상기 고정 가중치 행렬을 생성하되,
이때,
는 상기 고정 가중치 행렬이고,
은 단위 행렬이고,
는 상기 제1 간섭원의 입사 방향에 대한 조향 벡터로 구성된 행렬인 간섭원 제거방법.
제10항에 있어서,
상기 가변 가중치 벡터를 생성하는 단계는
디지털화된 복수의 수신신호들을 기 설정된 블록 단위로 분할하는 단계; 및
상기 블록 내의 통계적 특성에 기초하여 상기 가변 가중치 벡터를 계산하는 단계;를 포함하는 간섭원 제거방법.
제15항에 있어서,
상기 가변 가중치 벡터를 계산하는 단계는

의 비용함수를 최소로 하는 가중치 벡터를 해당 블록의 가변 가중치 벡터로써 생성하되,
이때,
는 l번째 블록의 가변 가중치 벡터이고,
는 l번째 블록의 비용함수이고,
는 l번째 블록 중 k번째 시간의 가변 가중치 벡터를 적용한 출력 값인 간섭원 제거방법.
제10항에 있어서,
상기 최종 가중치 벡터를 생성하는 단계는

에 의하여 상기 최종 가중치 벡터를 계산하되,
이때,
는 상기 최종 가중치 벡터이고,
는 상기 고정 가중치 행렬이고,
는 l번째 블록의 가변 가중치 벡터인 간섭원 제거방법.
제10항에 있어서,
상기 제1 간섭원 및 상기 제2 간섭원이 제거된 기준채널 I/Q(In-phase and Quadrature) 신호를 출력하는 단계는
안테나부로터 서로 특정 위상차를 가지는 복수의 수신신호들을 획득하는 단계; 및
상기 복수의 수신신호들의 위상과 크기에 상기 최종 가중치를 적용함으로써, 다중 경로에 의한 상기 제1 간섭원 및 상기 제2 간섭원을 제거하는 단계;를 포함하는 간섭원 제거방법.