KR102301816B1

KR102301816B1 - 모노펄스 레이더 장치 및 표적 추적방법

Info

Publication number: KR102301816B1
Application number: KR1020210054922A
Authority: KR
Inventors: 배준우; 전주환
Original assignee: 한화시스템 주식회사; 한국과학기술원
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2021-09-14

Abstract

본 발명은 위협으로 발사된 다수의 표적인 발사체들의 중심각을 추정할 수 있는 모노펄스 레이더 장치로서, 송신신호를 발생시키기 위한 송신신호 발생부; 미리 설정된 시간 간격으로 상기 송신신호의 주파수를 변경하기 위한 주파수 변경부; 상기 주파수 변경부에서 전달되는 서로 다른 주파수의 송신신호를 상기 발사체들로 송신하기 위한 송신부; 상기 발사체들에서 반사되는 수신신호를 수신하기 위한 모노펄스 수신부; 및 수신신호의 주파수 별로 상기 발사체들의 제1 중심각을 산출하고, 상기 제1 중심각을 이용하여 상기 발사체들의 제2 중심각을 산출하기 위한 중심각 산출부;를 포함하고, 다수 표적의 중심각을 용이하게 추정할 수 있다.

Description

모노펄스 레이더 장치 및 표적 추적방법{MONOPULSE RADAR APPARATUS AND TARGET TRACKING METHOD}

본 발명은 모노펄스 레이더 장치 및 표적 추적방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수 표적의 중심각을 용이하게 추정할 수 있는 모노펄스 레이더 장치 및 표적 추적방법에 관한 것이다.

일반적으로, 모노펄스 레이더는 단일 펄스의 송신 신호를 방사하고, 표적에 반사되는 수신 신호를 복수개의 안테나 채널로 수신한다. 표적이 방사된 송신 신호의 중심에 위치하는 경우, 복수개의 수신 안테나 채널 각각으로 입사되는 수신 신호의 세기 및 위상이 동일하지만, 표적이 방사된 송신 신호의 중심에서 벗어나게 되면, 복수개의 수신 안테나 채널 각각으로 입사되는 수신 신호의 세기 및 위상이 서로 상이하게 나타난다. 모노펄스 레이더는 이러한 수신 안테나 채널별 수신 신호의 변화를 이용하여 표적을 추적할 수 있도록 구성된다.

이때, 모노펄스 레이더는 한 번의 신호 송수신에 의해 표적에 대한 중심각(방위각 또는 고각), 및 거리 정보를 모두 탐지하여 표시할 수 있는 장점이 있다. 그러나 종래의 모노펄스 레이더는 단일 표적의 중심각을 추정할 수 있을 뿐, 다수 표적의 중심각을 추정하지 못하는 문제가 있다.

예를 들어, 위협으로 다수의 포탄을 발사하는 경우, 모노펄스 레이더로 포탄들의 중심각을 추정하지 못할 수 있다. 따라서, 포탄들과 위협의 중심각 차이를 산출하지 못하기 때문에, 포탄들의 발사 방향을 위협에 맞추기 어려질 수 있다. 이에, 위협에 대한 포탄들의 명중률이 저하될 수 있다.

KR

10-1800283

B

본 발명은 다수 표적의 중심각을 용이하게 추정할 수 있는 모노펄스 레이더 장치 및 표적 추적방법을 제공한다.

본 발명은 위협에 대한 다수 발사체의 명중률을 향상시킬 수 있는 모노펄스 레이더 장치 및 표적 추적방법을 제공한다.

본 발명은 위협으로 발사된 다수의 표적인 발사체들의 중심각을 추정할 수 있는 모노펄스 레이더 장치로서, 송신신호를 발생시키기 위한 송신신호 발생부; 미리 설정된 시간 간격으로 상기 송신신호의 주파수를 변경하기 위한 주파수 변경부; 상기 주파수 변경부에서 전달되는 서로 다른 주파수의 송신신호를 상기 발사체들로 송신하기 위한 송신부; 상기 발사체들에서 반사되는 수신신호를 수신하기 위한 모노펄스 수신부; 및 수신신호의 주파수 별로 상기 발사체들의 제1 중심각을 산출하고, 상기 제1 중심각을 이용하여 상기 발사체들의 제2 중심각을 산출하기 위한 중심각 산출부;를 포함한다.

상기 모노펄스 수신부는, 서로 이격되는 복수개의 안테나; 및 상기 안테나들로 수신되는 수신신호를 조합하여, 합 채널 신호와 차 채널 신호로 출력하기 위한 신호 조합기;를 포함한다.

상기 중심각 산출부는, 상기 합 채널 신호와 상기 차 채널 신호를 이용하여 수신신호의 주파수 별로 제1 중심각을 산출하기 위한 제1 중심각 산출기; 및 수신신호의 주파수 별로 산출된 제1 중심각을 합한 값을, 서로 다른 주파수의 송신신호가 송신된 횟수로 나누어, 상기 제2 중심각을 산출하기 위한 제2 중심각 산출기;를 포함한다.

상기 제2 중심각 산출기에서 산출된 제2 중심각의 정확성을 검증하기 위한 검증부를 더 포함한다.

상기 검증부는, 수신신호의 모노펄스 비의 실수부를 산출하고, 상기 모노펄스 비의 실수부를 미리 설정된 비교 설정값과 비교하기 위한 비교기; 상기 모노펄스 비의 실수부가 상기 비교 설정값보다 크면 산출된 제2 중심각이 부정확하다고 판단하기 위한 판단기; 및 상기 판단기가 산출된 제2 중심각이 부정확하다고 판단하면, 시간대를 변경하여 상기 중심각 산출부가 제2 중심각을 다시 산출하도록 제어하기 위한 제어기;를 포함한다.

본 발명은 위협으로 발사된 복수개의 표적인 발사체들의 중심각을 추정할 수 있는 표적 추적방법으로서, 송신신호를 발생시키고, 미리 설정된 시간 간격으로 상기 송신신호의 주파수를 변경하는 과정; 주파수가 변경되는 송신신호를 상기 발사체들로 송신하는 과정; 상기 발사체들에서 반사되는 수신신호를 수신하는 과정; 수신신호의 주파수 별로 상기 발사체들의 제1 중심각들을 산출하는 과정; 및 상기 제1 중심각들을 이용하여 상기 발사체들의 제2 중심각을 산출하는 과정;을 포함한다.

상기 수신신호를 수신하는 과정은, 서로 이격되는 복수개의 안테나로 수신되는 수신신호를 조합하여, 합 채널 신호와 차 채널 신호로 출력하는 과정을 포함한다.

상기 주파수 별로 제1 중심각을 산출하는 과정은, 수신신호의 주파수 별로 상기 합 채널 신호와 상기 차 채널 신호를 이용하여 제1 중심각을 산출하는 과정을 포함한다.

상기 합 채널 신호와 상기 차 채널 신호를 이용하여 제1 중심각을 산출하는 과정은, 하기의 식(1)을 이용하여 수행한다.

식(1):

(여기서, θ는 제1 중심각이고, d는 안테나에서 발사체들까지의 평균거리이고, λ는 파장이고, Im은 허수부의 값을 추출하는 함수이고, Δ은 차 채널 신호의 크기값이고, Σ은 합 채널 신호의 크기값임)

상기 발사체들의 제2 중심각을 산출하는 과정은, 수신신호의 주파수 별로 산출된 상기 발사체들의 제1 중심각을 합한 값을, 송신신호의 주파수가 변경된 횟수로 나누어, 상기 제2 중심각을 산출하는 과정을 포함한다.

상기 제1 중심각을 이용하여 상기 발사체들의 제2 중심각을 산출한 후, 산출된 제2 중심각의 정확성을 검증하는 과정을 더 포함한다.

상기 제2 중심각의 정확성을 검증하는 과정은, 수신신호의 모노펄스 비의 실수부를 산출하는 과정; 상기 모노펄스 비의 실수부를 미리 설정된 비교 설정값과 비교하는 과정; 상기 모노펄스 비의 실수부가 상기 비교 설정값보다 크면 산출된 제2 중심각이 부정확하다고 판단하는 과정; 및 산출된 제2 중심각이 부정확하고 판단되면, 다른 시간대에 수신되는 수신신호를 이용하여 제2 중심각을 다시 산출하는 과정;을 포함한다.

상기 수신신호의 모노펄스 비의 실수부를 산출하는 과정은, 하기의 식(2)를 이용하여 수행한다.

식(2):

,

(여기서, Δ은 차 채널 신호의 크기값이고, Σ은 합 채널 크기신호의 값이고, j는

이고, k는 파수이고, θ은 제1 중심각의 값임)

본 발명의 실시 예들에 따르면, 다수 표적의 중심각의 중심각을 용이하게 추정할 수 있다. 예를 들어, 위협에 다수의 발사체를 발사하는 경우, 발사체들을 추적하여 발사체들의 중심각을 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 발사체들과 위협의 중심각 차이를 산출하고, 중심각 차이가 감소하도록 발사체들의 발사를 제어할 수 있기 때문에, 발사체들의 명중률을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 모노펄스 레이더 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 표적 추적방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 발사체들과 위협의 중심각 차이가 발생하는 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 계단 주파수 파형을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 모노펄스 비의 실수부의 값 변화 및 제2 중심각의 오차 변화를 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제1 중심각들, 제2 중심각, 및 실제 중심각을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 표적들이 서로 다른 속도로 이동할 때, 계단 주파수 파형과 고정 주파수 파형을 사용하여 산출한 제2 중심각의 오차를 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 표적들이 동일한 속도로 이동할 때, 계단 주파수 파형과 고정 주파수 파형을 사용하여 산출한 제2 중심각의 오차를 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 표적들이 서로 다른 속도로 이동할 때, 계단 주파수 파형과 고정 주파수 파형을 사용하여 산출한 제2 중심각의 오차, 및 신호잡음비의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 표적들이 동일한 속도로 이동할 때, 계단 주파수 파형과 고정 주파수 파형을 사용하여 산출한 제2 중심각의 오차, 및 신호잡음비의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 표적들이 서로 다른 속도로 이동할 때, 계단 주파수 파형과 고정 주파수 파형을 사용하여 산출한 제2 중심각의 오차, 및 펄스 개수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 표적들이 동일한 속도로 이동할 때, 계단 주파수 파형과 고정 주파수 파형을 사용하여 산출한 제2 중심각의 오차, 및 펄스 개수의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장될 수 있고, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 모노펄스 레이더 장치의 구조를 나타내는 도면이다. 하기에서는 본 발명의 실시 예에 따른 모노펄스 레이더 장치에 대해 설명하기로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 모노펄스 레이더 장치는, 다수 표적의 중심각을 추정할 수 있는 모노펄스 레이더 장치이다. 도 1을 참조하면 모노펄스 레이더 장치(100)는, 송신신호를 발생시키기 위한 송신신호 발생부(110), 미리 설정된 시간 간격으로 송신신호의 주파수를 변경하기 위한 주파수 변경부(120), 주파수 변경부에서 전달되는 서로 다른 주파수의 송신신호를 표적들로 송신하기 위한 송신부(130), 표적들에서 반사되는 수신신호를 수신하기 위한 모노펄스 수신부(140), 및 수신신호의 주파수 별로 발사체들의 제1 중심각을 산출하고, 제1 중심각을 이용하여 표적들의 제2 중심각을 산출하기 위한 중심각 산출부(150)를 포함한다.

이때, 복수개의 표적은 위협으로 발사되는 발사체(예를 들어, 포탄)들을 포함한다. 따라서, 발사체들을 위협으로 발사한 후, 모노펄스 레이더 장치를 이용하여, 발사체들이 위협과 중심각이 맞추어졌는지 확인할 수 있다.

송신신호 발생부(110)는 송신신호를 발생시킬 수 있다. 송신신호 발생부(110)를 이용하여 생성하는 송신신호의 펄스를 조절할 수 있다.

주파수 변경부(120)는 송신신호 발생부(110)로부터 송신신호를 전달받을 수 있다. 주파수 변경부(120)는 미리 설정된 시간 간격으로 송신신호의 주파수를 변경할 수 있다.

예를 들어, 주파수 변경부(120)는 계단 주파수 처리기일 수 있다. 따라서, 주파수 변경부(120)는 송신신호 발생부(110)로부터 송신신호를 전달받아 미리 설정된 시간 간격으로 송신신호의 주파수를 순차적으로 상승시킬 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 송신신호의 주파수를 순차적으로 감소시킬 수도 있고, 송신신호의 주파수를 상승과 감소를 교차하면서 수행할 수도 있다.

송신부(130)는 송신 안테나일 수 있고, 주파수 변경부(120)로부터 송신신호를 전달받을 수 있다. 주파수 변경부(120)는 일정시간마다 주파수가 다른 송신신호를 전달해주기 때문에, 송신부(130)는 일정시간마다 서로 다른 주파수의 송신신호를 표적들로 송신할 수 있다.

모노펄스 수신부(140)는 표적들에서 반사되는 수신신호를 수신할 수 있다. 송신부(130)가 일정시간마다 서로 다른 주파수의 송신신호를 표적들에 송신하기 때문에, 모노펄스 수신부(140)에도 일정시간마다 서로 다른 주파수의 수신신호들이 수신될 수 있다. 모노펄스 수신부(140)는 복수개의 안테나(141), 및 신호 조합기(142)를 포함한다.

안테나(141)들은 서로 이격되어 배치된다. 안테나(141)들이 서로 이격되기 때문에, 표적이 송신된 송신신호의 중심에 위치하는 경우 안테나(141)들 각각으로 입사되는 수신 신호의 세기가 동일하지만, 표적이 송신된 송신신호의 중심에서 벗어나는 경우 안테나(141)들 각각으로 입사되는 수신 신호의 세기가 서로 상이할 수 있다.

신호 조합기(142)는 안테나(141)들로부터 신호를 전달받을 수 있게 연결된다. 이에, 신호 조합기(142)는 안테나(141)들로 수신되는 수신신호를 조합하여, 합 채널 신호와 차 채널 신호로 출력할 수 있다. 즉, 신호 조합기(142)는 각 안테나(141)들로 수신되는 수신신호들 합하여 합 채널 신호를 생성하고, 각 안테나(141)들로 수신되는 수신신호들 빼서 차 채널 신호를 생성할 수 있다.

이때, 안테나(141)가 배열 안테나인 경우, 배열 안테나를 좌우 두 개의 부배열 어레이(Subarray)로 나눌 수 있다. 따라서, 신호 조합기(142)에서 부배열 어레이의 출력을 더하고 빼서 합 채널 신호와 차 채널 신호를 얻을 수 있고, 이를 이용하여 표적의 중심각(방위각 또는, 고각)을 구할 수 있다. 이러한 방식은 선형 배열 안테나에도 동일하게 적용될 수 있다.

또한, 평면(Planar) 모노펄스 레이더는, 수신신호가 4개의 출력이 있는데 이들로 형성한 3개의 신호로 표적의 방위각과 고각을 얻을 수 있다. 이에, 방위각과 고각을 독립적으로 고려하면 평면 배열 안테나를 구비하는 경우도 본 발명의 실시 예를 적용할 수 있다.

한편, 표적들의 속도가 다름을 이용하여 다수 표적들을 거리/속도에 따라 구분하는 RD 평면 (Range-Doppler Plane)을 사용하는 레이더는, RD 평면의 피크(Peak) 점에서 모노펄스 비를 구할 수 있다. 이에, RD 평면을 사용하는 레이더에도 본 발명의 실시 예를 적용할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시 예가 적용될 수 있는 레이더의 종류는 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다.

중심각 산출부(150)는 모노펄스 수신부(140)로부터 신호를 전달받을 수 있게 연결된다. 이에, 중심각 산출부(150)는 모노펄스 수신부(140)로 수신된 수신신호를 이용하여 수신신호의 주파수 별로 제1 중심각(또는, 개별 중심각)을 산출하고, 제1 중심각을 이용하여 표적들의 제2 중심각(또는, 평균 중심각)을 산출할 수 있다. 중심각 산출부(150)는 제1 중심각 산출기(151), 및 제2 중심각 산출기(152)를 포함한다.

제1 중심각 산출기(151)는 신호 조합기(142)로부터 합 채널 신호와 차 채널 신호를 전달받을 수 있다. 제1 중심각 산출기(151)는 합 채널 신호와 차 채널 신호를 이용하여 수신신호의 주파수 별로 제1 중심각을 산출할 수 있다. 모노펄스 수신부(140)가 일정시간마다 서로 다른 주파수의 수신신호들이 수신하기 때문에, 제1 중심각 산출기(151)도 일정시간마다 전달되는 합 채널 신호와 차 채널 신호를 이용하여 제1 중심각을 산출할 수 있다. 따라서, 주파수 별로 산출되는 제1 중심각의 값들이 시간이 경과하면서 누적될 수 있다.

제2 중심각 산출기(152)는 제1 중심각 산출기(151)에서 산출되는 제1 중심각 값들을 전달받을 수 있다. 제2 중심각 산출기(152)는 수신신호의 주파수 별로 산출된 제1 중심각을 합한 값을, 서로 다른 주파수의 송신신호들이 송신된 횟수로 나누어, 제2 중심각을 산출할 수 있다.

또한, 제2 중심각을 표적들의 중심각으로 추정할 수 있다. 다양한 주파수의 송신신호를 표적들에 송신하여 제2 중심각을 산출하기 때문에, 하나의 주파수를 사용할 때보다 표적들을 정밀하게 탐지할 수 있다. 이에, 하나의 주파수를 이용하여 표적들의 중심각을 산출할 때보다 제2 중심각을 사용하면 실제 중심각과의 오차를 감소시킬 수 있다.

이처럼, 다수 표적 또는 다수의 산란점을 가지는 단일 표적의 제2 중심각을 산출하여 표적들의 중심각으로 추정할 수 있다. 예를 들어, 위협에 다수의 발사체를 발사하는 경우, 발사체들을 추적하여 발사체들의 제2 중심각을 발사체들의 중심각으로 추정할 수 있다. 따라서, 발사체들과 위협의 중심각 차이를 정확하게 산출하고, 중심각 차이가 감소하도록 발사체들의 발사를 제어할 수 있기 때문에, 발사체들의 명중률을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 모노펄스 레이더 장치(100)는, 검증부(160)를 더 포함할 수도 있다. 검증부(160)는 제2 중심각 산출기(152)에서 산출된 제2 중심각의 정확성을 검증할 수 있다. 검증부(160)는 비교기(161), 판단기(162), 및 제어기(163)를 포함한다.

비교기(161)는 제2 중심각 산출기(152)가 제2 중심각을 산출하기 위해 이용한 수신신호의 모노펄스 비의 실수부를 산출하고, 산출된 모노펄스 비의 실수부를 미리 설정된 비교 설정값과 비교할 수 있다. 비교 설정값은 운용자에 의해 결정될 수 있다.

판단기(162)는 비교기(161)의 비교결과를 전달받을 수 있다. 이에, 판단기(162)는 모노펄스 비의 실수부가 비교 설정값보다 크면 산출된 제2 중심각이 부정확하다고 판단하고, 모노펄스 비의 실수부가 비교 설정값 이하이면 정확하다고 판단할 수 있다. 산출된 제2 중심각이 신뢰할 수 있는 결과인지 판단할 수 있다.

제어기(163)는 판단기(162)의 판단결과를 전달받을 수 있다. 이에, 판단기(162)가 부정확하다고 판단하면, 제어기(163)는 시간대를 변경하여 중심각 산출부(150)가 제2 중심각을 다시 산출하도록 제어할 수 있다. 따라서, 산출되는 제2 중심각의 신뢰도를 높일 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 표적 추적방법을 나타내는 플로우 차트이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 발사체들과 위협의 중심각 차이가 발생하는 것을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 계단 주파수 파형을 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 모노펄스 비의 실수부의 값 변화 및 제2 중심각의 오차 변화를 비교한 그래프이다. 하기에서는 본 발명의 실시 예에 따른 표적 추적방법에 대해 설명하기로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 표적 추적방법은, 위협으로 발사된 복수개의 표적의 중심각을 추정할 수 있는 표적 추적방법이다. 도 2를 참조하면 표적 추적방법은, 송신신호를 발생시키고, 미리 설정된 시간 간격으로 상기 송신신호의 주파수를 변경하는 과정(S110), 서로 다른 주파수의 송신신호를 표적들로 송신하는 과정(S120), 표적들에서 반사되는 수신신호를 수신하는 과정(S130), 수신신호의 주파수 별로 발사체들의 제1 중심각을 산출하는 과정(S140), 및 제1 중심각을 이용하여 표적들의 제2 중심각을 산출하는 과정(S150)을 포함한다.

이때, 복수개의 표적은 위협으로 발사되는 발사체들을 포함한다. 따라서, 도 3과 같이 발사체들을 위협으로 발사한 후 발사체들이 위협과 중심각의 차이를 확인하여 발사체들이 위협의 중심각과 맞추어졌는지 확인할 수 있다. 이에, 발사체들의 중심각을 정확하게 추정할수록, 발사체들의 중심각을 보정하여 위협을 향해 정확하게 발사할 수 있다.

또한, 표적 추적방법은 본 발명의 실시 예에 따른 모노펄스 레이더 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 다양한 모노펄스를 이용하는 다양한 레이더 장치들에 의해 본 발명의 실시 예에 따른 표적방법이 수행될 수 있다.

우선, 모노펄스 파형의 송신신호를 발생시키고, 미리 설정된 시간 간격으로 송신신호의 주파수를 변경한다(S110). 송신신호는 송신신호 발생부(110)에서 생성될 수 있다. 송신신호 발생부(110)의 설정에 따라 생성되는 송신신호의 펄스를 조절할 수 있다.

또한, 미리 설정된 시간 간격으로 생성된 송신신호의 주파수를 변경할 수 있다. 예를 들어, 도 4와 같이 미리 설정된 시간마다 송신신호의 주파수를 순차적으로 상승시킬 수 있다. 즉, 계단식으로 송신신호의 주파수를 가변할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 송신신호의 주파수를 순차적으로 감소시킬 수도 있고, 송신신호의 주파수를 상승과 감소를 교차하면서 수행할 수도 있다.

그 다음, 서로 다른 주파수의 송신신호를 표적들로 송신한다(S120). 즉, 미리 설정된 시간 간격으로 송신신호의 주파수가 변경되기 때문에, 일정 시간 간격으로 주파수가 다른 송신신호가 표적들로 송신될 수 있다. 이때, 송신신호들이 송신되는 시간 간격은, 송신신호들의 주파수가 변경되는 시간 간격과 동일할 수 있다.

그 다음, 표적들에서 반사되는 수신신호를 수신한다(S130). 즉, 표적들로 송신된 송신신호들이 반사되어 생성되는 수신신호를 서로 이격되는 안테나(141)들로 수신할 수 있다. 송신신호들이 일정 시간 간격으로 송신되기 때문에, 수신신호들도 일정 시간 간격으로 수신될 수 있다.

이때, 서로 이격되는 복수개의 안테나로 수신되는 수신신호를 조합하여, 합 채널 신호와 차 채널 신호로 출력한다. 즉, 신호 조합기(142)는 각 안테나(141)들로 수신되는 수신신호를 합하여 합 채널 신호를 생성하고, 각 안테나(141)들로 수신되는 수신신호를 빼서 차 채널 신호를 생성할 수 있다. 합 채널 신호와 차 채널 신호는 각 주파수 별로 출력될 수 있다.

그 다음, 수신신호를 이용하여 주파수 별로 제1 중심각을 산출한다(S140). 즉, 수신신호를 이용하여 출력한 합 채널 신호와 차 채널 신호를 이용하여 제1 중심각을 산출할 수 있다. 예를 들어, 제1 중심각을 산출하기 위해 하기의 식(1)을 이용할 수 있다.

식(1):

여기서, θ는 제1 중심각이고, d는 안테나에서 발사체들까지의 평균거리이고, λ는 파장이고, Im은 허수부의 값을 추출하는 함수이고, Δ은 차 채널 신호의 크기값이고, Σ은 합 채널 신호의 크기값이다. 따라서, 주파수가 서로 다른 수신신호들 각각에서 합 채널 신호와 차 채널 신호를 출력하고, 식(1)을 이용하여 제1 중심각을 산출하기 때문에, 주파수 별로 제1 중심각이 산출될 수 있다.

이때, 산출된 제1 중심각 중 어느 하나를 선택하여 표적들 중심각으로 사용하는 경우, 산출된 표적들의 중심각과 실제 중심각에 오차가 크게 발생할 수 있다. 즉, 표적이 다수이기 때문에, 제1 중심각 중 일부는 실제 중심각과 유사할 수 있으나, 다른 제1 중심각은 실제 중심각과 차이가 클 수 있다. 그러나 어느 제1 중심각이 실제 중심각과 유사한지 모르기 때문에, 오차가 큰 제1 중심각을 표적들의 중심각으로 선택하게 될 수 있다. 따라서, 제1 중심각을 표적들의 중심각으로 사용하지 않는다.

그 다음, 제1 중심각을 이용하여 표적들의 제2 중심각을 산출한다(S150). 즉, 수신신호의 주파수 별로 산출된 발사체들의 제1 중심각을 합한 값을, 송신신호의 주파수가 변경된 횟수로 나누어, 제2 중심각을 산출할 수 있다. 산출된 제2 중심각을 표적들의 중심각으로 추정하여 사용할 수 있다.

이때, 제1 중심각 중 어느 제1 중심각이 실제 중심각과 유사한지 모르지만, 제2 중심각을 산출하면 오차가 큰 제1 중심각보다 실제 중심각과 유사한 값을 선택할 수 있다. 따라서, 제1 중심각을 표적들의 중심각으로 추정할 때보다, 제2 중심각을 표적들의 중심각으로 추정할 때, 실제 중심각과의 오차가 적은 값을 표적들의 중심각으로 사용할 가능성이 증가한다.

한편, 제1 중심각을 이용하여 표적들의 제2 중심각을 산출한 후, 산출된 제2 중심각의 정확성을 검증하는 과정이 더 수행될 수도 있다. 따라서, 산출된 제2 중심각이 실제 중심각과 오차가 큰지 작은지 확인할 수 있다.

이때, 아래의 표 1과 같이 실제 중심각을 알고 있는 4개의 정지 표적에 대하여 안테나(141)들 사이의 간격이 반파장 혹은 한 파장의 32배일 때, 4개의 정지 표적의 각도와 위상값을 변화시키면서, 모노펄스 비의 실수부와 실제 중심각 및 추정 중심각을 비교하였다.

표적의 각도	위상값	파장	모노펄스 비의 실수부	실제 중심각	추정 중심각
5.0, 5.0, 7.0, 9.0	10, -3, 5	λ/2(반파장)	0.0016	6.5	6.4960
5.0, 5.0, 7.0, 9.0	180, -3, 5	λ/2(반파장)	0.0028	6.5	8.0000
-0.3, 0.0, 0.3, 0.4	180, -3, 5	32λ(32배 파장)	0.5544	0.1	0.3508

표 1과 같이 모노펄스 비의 실수부의 값이 커질수록 실제 중심각과 추정 중심각의 오차가 증가하고, 모노펄스 비의 실수부의 값이 작아질수록 실제 중심각과 추정 중심각의 오차가 감소하는 것을 볼 수 있다. 도 5는 4개의 정지표적의 측정잡음이 없는 경우, 송신신호의 주파수에 따른 추정 중심각과 실제 중심각의 오차를 나타내는 그래프이다. 그래프에서도 모노펄스 비의 실수부의 절대값이 크면, 추정 중심각과 실제 중심각의 오차도 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서, 모노펄스 비의 실수부의 절대값을 기준으로 추정 중심각의 정확성을 검증할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 이에, 모노펄스 비의 실수부를 기준으로 추정 중심각의 정확성을 검증하기 위해 수신신호의 모노펄스 비의 실수부를 산출할 수 있다. 예를 들어, 수신신호의 모노펄스 비의 실수부를 산출하기 위해, 하기의 식(2)를 이용할 수 있다.

식(2):

,

여기서, Δ은 차 채널 신호의 크기값이고, Σ은 합 채널 크기신호의 값이고, j는

이고, k는 파수이고, θ은 제1 중심각의 값이다. 파수(Wave number)는

일 수 있다. 모노펄스 비의 실수부는 표적들의 각도와 위상에 영향을 받는 값이다. 따라서, 모노펄스 비의 실수부가 클수록 실제 중심각과 산출된 제2 중심각의 오차가 클 수 있다.

모노펄스 비의 실수부가 산출되면 미리 설정된 비교 설정값과 비교할 수 있다. 모노펄스 비의 실수부가 비교 설정값 이하이면 산출된 제2 중심각이 정확하다고 판단할 수 있다. 따라서, 산출된 제2 중심각을 표적들의 중심각으로 추정하여 사용할 수 있다.

또한, 모노펄스 비의 실수부가 비교 설정값보다 크면 산출된 제2 중심각이 부정확하다고 판단할 수 있다. 산출된 제2 중심각이 부정확하다고 판단되면, 다른 시간대에 수신되는 수신신호를 이용하여 제2 중심각을 다시 산출할 수 있다. 예를 들어, 처음 제2 중심각을 산출하기 위해 이용한 수신신호가 수신된 다음에 수신되는 수신신호를 이용할 수 있다. 또는, 송신신호를 다시 송신하여 수신한 수신신호를 사용할 수도 있다. 따라서, 산출되는 제2 중심각의 신뢰도를 높여 표적들의 중심각으로 추정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제1 중심각들, 제2 중심각, 및 실제 중심각을 비교한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 표적들이 서로 다른 속도로 이동할 때, 계단 주파수 파형과 고정 주파수 파형을 사용하여 산출한 제2 중심각의 오차를 비교한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 표적들이 동일한 속도로 이동할 때, 계단 주파수 파형과 고정 주파수 파형을 사용하여 산출한 제2 중심각의 오차를 비교한 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 표적들이 서로 다른 속도로 이동할 때, 계단 주파수 파형과 고정 주파수 파형을 사용하여 산출한 제2 중심각의 오차, 및 신호잡음비의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 표적들이 동일한 속도로 이동할 때, 계단 주파수 파형과 고정 주파수 파형을 사용하여 산출한 제2 중심각의 오차, 및 신호잡음비의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 표적들이 서로 다른 속도로 이동할 때, 계단 주파수 파형과 고정 주파수 파형을 사용하여 산출한 제2 중심각의 오차, 및 펄스 개수의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 표적들이 동일한 속도로 이동할 때, 계단 주파수 파형과 고정 주파수 파형을 사용하여 산출한 제2 중심각의 오차, 및 펄스 개수의 관계를 나타내는 그래프이다. 하기에서는 본 발명의 실시 예에 따른 표적 추적방법을 이용한 실험에 대해 설명하기로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 표적 추적방법으로 이동하는 4개 표적의 주파수 별로 산출한 제1 중심각들과, 제1 중심각들을 이용하여 산출한 제2 중심각, 및 실제 중심각을 비교하는 실험을 수행하였다. 신호잡음비(SNR:Signal-to-Noise Ratio)은 20dB, 시작 주파수는 10GHz, 파장은 8λ, 송신신호는 16개로 설정하고, 송신신호를 일정시간마다 10MHz 씩 계단식으로 증가시켰고, 안테나에서 각 표적들까지의 거리는 [0, 10, -5, -7]m이고, 각 표적들의 속도는 [1100, 1105, 1090, 1110]m/sec였다. 이때, 표적들까지의 거리는 상대거리만 의미가 있으므로 첫 번째 표적까지의 거리는 0m로 두었고, 표적들의 속도는 약 1100m/sec에서 차이가 조금 있다고 가정하였다.

도 6을 참조하면 제1 중심각이 실제 중심각과 차이가 큰 것을 확인할 수 있다. 그러나 제1 중심각들을 이용하여 산출한 제2 중심각은 실제 중심각과 가까운 것을 확인할 수 있다. 따라서, 제2 중심각을 표적들의 중심각으로 사용하면, 제1 중심각 중 어느 하나를 사용할 때보다 정확성이 향상될 수 있다.

도 7은 위와 같은 조건으로 1000번의 시행에 거쳐 16개의 계단형 주파수 파형을 사용했을 때와, 16개의 고정 주파수 파형을 사용했을 때의 제2 중심각 정확성을 비교한 그래프이다. 도 7과 같이 계단형 주파수 파형을 사용하여 제2 중심각을 산출하면, 고정 주파수 파형을 사용할 때보다 실제 중심각과의 오차가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

도 8은 표적들의 속도를 모두 1100m/sec로 하고 1000번의 시행에 거쳐 16개의 계단형 주파수 파형을 사용했을 때와, 16개의 고정 주파수 파형을 사용했을 때의 제2 중심각 정확성을 비교한 그래프이다. 도 8과 같이 계단형 주파수 파형을 사용하여 제2 중심각을 산출하면, 고정 주파수 파형을 사용할 때보다 실제 중심각과의 오차가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 도 7과 비교하면, 도 7은 표적들의 속도가 달라 표적의 분포가 시간에 따라 바뀌기 때문에, 도 8의 조건으로 산출한 제2 중심각의 정확성이 더 높다.

도 9는 표적들간의 거리가 [-10, 10]m 사이에 균등분포된 확률변수이고, 표적들의 속도가 [1090, 1110]m/sec 사이에 균등분포된 확률변수인 조건으로 1000번의 시행에 거쳐 16개의 계단형 주파수 파형을 사용했을 때와, 16개의 고정 주파수 파형을 사용했을 때의 제2 중심각의 평균 제곱근 오차(RMSE: Root Mean Squared Error) 값을 신호잡음비(SNR:Signal-to-Noise Ratio)에 대하여 나타낸 그래프이다. 도 9와 같이 고정 주파수를 사용하면 신호잡음비는 좋아져도 제2 중심각의 오차는 커지는 경향이 있다.

도 10은 표적들의 속도를 모두 1100m/sec로 고정하고 1000번의 시행에 거쳐 16개의 계단형 주파수 파형을 사용했을 때와, 16개의 고정 주파수 파형을 사용했을 때의 제2 중심각의 평균 제곱근 오차(RMSE: Root Mean Squared Error) 값을 신호잡음비(SNR:Signal-to-Noise Ratio)에 대하여 나타낸 그래프이다. 도 10을 참조하면, 도 9와 같이 계단 주파수 파형을 사용하면 제2 중심각 오차의 변화가 거의 없지만, 고정 주파수 파형을 사용하면 제2 중심각의 오차가 커지는 것을 확인할 수 있다.

도 11은 평균잡음비를 20dB로 하고 1000번의 시행에 거쳐 16개의 계단형 주파수 파형을 사용했을 때와, 16개의 고정 주파수 파형을 사용했을 때의 제2 중심각의 평균 제곱근 오차(RMSE: Root Mean Squared Error) 값을 펄스 개수에 따라 1000번의 몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션으로 나타낸 그래프이다. 펄스 개수가 많아지면 두 경우 모두 제2 중심각의 오차가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

도 12는 평균잡음비를 20dB로 하고 표적들의 속도를 모두 1100m/sec로 하고 1000번의 시행에 거쳐 16개의 계단형 주파수 파형을 사용했을 때와, 16개의 고정 주파수 파형을 사용했을 때의 제2 중심각의 평균 제곱근 오차(RMSE: Root Mean Squared Error) 값을 펄스 개수에 따라 1000번의 몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션으로 나타낸 그래프이다. 펄스 개수가 많아지면 계단형 주파수 파형의 경우 제2 중심각의 오차가 감소하지만, 고정 주파수의 경우 오차에 변화가 없는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하며, 실시 예들 간에 다양한 조합도 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 아래에 기재될 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 모노펄스 레이더 장치 110: 송신신호 발생부
120: 주파수 변경부 130: 송신부
140: 모노펄스 수신부 150: 중심각 산출부
160: 검증부

Claims

위협물체로 발사된 다수의 표적인 발사체들의 중심각을 추정할 수 있는 모노펄스 레이더 장치로서,
송신신호를 발생시키기 위한 송신신호 발생부;
미리 설정된 시간 간격으로 상기 송신신호의 주파수를 변경하기 위한 주파수 변경부;
상기 주파수 변경부에서 전달되는 서로 다른 주파수의 송신신호를 상기 발사체들로 송신하기 위한 송신부;
상기 발사체들에서 반사되는 수신신호를 수신하기 위한 모노펄스 수신부;
수신신호의 주파수 별로 상기 발사체들의 제1 중심각을 산출하고, 상기 제1 중심각을 이용하여 상기 발사체들의 제2 중심각을 산출하기 위한 중심각 산출부; 및
상기 중심각 산출부에서 산출된 제2 중심각의 정확성을 검증하기 위한 검증부;를 포함하고,
상기 검증부는,
수신신호의 모노펄스 비의 실수부를 산출하고, 상기 모노펄스 비의 실수부를 미리 설정된 비교 설정값과 비교하기 위한 비교기,
상기 모노펄스 비의 실수부가 상기 비교 설정값보다 크면 산출된 제2 중심각이 부정확하다고 판단하기 위한 판단기, 및
상기 판단기가 산출된 제2 중심각이 부정확하다고 판단하면, 시간대를 변경하여 상기 중심각 산출부가 제2 중심각을 다시 산출하도록 제어하기 위한 제어기를 포함하는 모노펄스 레이더 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 모노펄스 수신부는,
서로 이격되는 복수개의 안테나; 및
상기 안테나들로 수신되는 수신신호를 조합하여, 합 채널 신호와 차 채널 신호로 출력하기 위한 신호 조합기;를 포함하는 모노펄스 레이더 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 중심각 산출부는,
상기 합 채널 신호와 상기 차 채널 신호를 이용하여 수신신호의 주파수 별로 제1 중심각을 산출하기 위한 제1 중심각 산출기; 및
수신신호의 주파수 별로 산출된 제1 중심각을 합한 값을, 서로 다른 주파수의 송신신호가 송신된 횟수로 나누어, 상기 제2 중심각을 산출하기 위한 제2 중심각 산출기;를 포함하는 모노펄스 레이더 장치.
삭제
삭제
위협물체로 발사된 복수개의 표적인 발사체들의 중심각을 추정할 수 있는 표적 추적방법으로서,
송신신호를 발생시키고, 미리 설정된 시간 간격으로 상기 송신신호의 주파수를 변경하는 과정;
주파수가 변경되는 송신신호를 상기 발사체들로 송신하는 과정;
상기 발사체들에서 반사되는 수신신호를 수신하는 과정;
수신신호의 주파수 별로 상기 발사체들의 제1 중심각들을 산출하는 과정;
상기 제1 중심각들을 이용하여 상기 발사체들의 제2 중심각을 산출하는 과정; 및
산출된 제2 중심각의 정확성을 검증하는 과정;을 포함하고,
상기 제2 중심각의 정확성을 검증하는 과정은,
수신신호의 모노펄스 비의 실수부를 산출하는 과정,
상기 모노펄스 비의 실수부를 미리 설정된 비교 설정값과 비교하는 과정,
상기 모노펄스 비의 실수부가 상기 비교 설정값보다 크면 산출된 제2 중심각이 부정확하다고 판단하는 과정, 및
산출된 제2 중심각이 부정확하고 판단되면, 다른 시간대에 수신되는 수신신호를 이용하여 제2 중심각을 다시 산출하는 과정을 포함하는 표적 추적방법.
청구항 6에 있어서,
상기 수신신호를 수신하는 과정은,
서로 이격되는 복수개의 안테나로 수신되는 수신신호를 조합하여, 합 채널 신호와 차 채널 신호로 출력하는 과정을 포함하는 표적 추적방법.
청구항 7에 있어서,
상기 주파수 별로 제1 중심각을 산출하는 과정은,
수신신호의 주파수 별로 상기 합 채널 신호와 상기 차 채널 신호를 이용하여 제1 중심각을 산출하는 과정을 포함하는 표적 추적방법.
청구항 8에 있어서,
상기 합 채널 신호와 상기 차 채널 신호를 이용하여 제1 중심각을 산출하는 과정은, 하기의 식(1)을 이용하여 수행하는 표적 추적방법.
식(1):

(여기서, θ는 제1 중심각이고, d는 안테나에서 발사체들까지의 평균거리이고, λ는 파장이고, Im은 허수부의 값을 추출하는 함수이고, Δ은 차 채널 신호의 크기값이고, Σ은 합 채널 신호의 크기값임)
청구항 6에 있어서,
상기 발사체들의 제2 중심각을 산출하는 과정은,
수신신호의 주파수 별로 산출된 상기 발사체들의 제1 중심각을 합한 값을, 송신신호의 주파수가 변경된 횟수로 나누어, 상기 제2 중심각을 산출하는 과정을 포함하는 표적 추적방법.
삭제
삭제
청구항 7에 있어서,
상기 수신신호의 모노펄스 비의 실수부를 산출하는 과정은, 하기의 식(2)를 이용하여 수행하는 표적 추적방법.
식(2):
,

(여기서, Δ은 차 채널 신호의 크기값이고, Σ은 합 채널 크기신호의 값이고, j는
이고, k는 파수이고, θ은 제1 중심각의 값임)