KR102391935B1 - 레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 장치 및 방법 - Google Patents

레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른, 레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 장치 및 방법은, 빔들 별로 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들에 펄스 압축 및 도플러 처리를 수행하여 상기 도플러 처리된 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들을 각각 생성하는 제1 및 제2도플러 처리부들; 상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들을 이용하여 모노펄스 기울기를 각각 계산하는 제1 및 제2모노펄스 기울기 추정부들; 상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 합 채널 신호들의 도메인 신호들에 상기 모노펄스 기울기를 반영하여 클러터 신호가 억제된 합 채널 신호들의 도메인 신호들을 각각 생성하는 제1 및 제2클러터 신호 억제부들; 상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 차 채널 신호들의 도메인 신호들과 상기 클러터 신호가 억제된 합 채널 신호들의 상기 도메인 신호들 간의 차이에 CFAR 알고리즘을 반영하여 제1표적 신호 또는 제2표적 신호를 각각 검출하는 제1 및 제2CFAR부들; 및 상기 제1표적 신호와 상기 제2표적 신호를 이용하여 표적 위치를 검출하고, 상기 검출된 표적 위치를 기반으로 표적 각도를 추정하는 각도 추정부를 포함한다.

Description

레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 장치 및 방법{Apparatus and method for estimating angle of the low velocity target in the radar}
본 발명은 레이더에 관한 것으로, 특히, 레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 레이더는 전파를 발사한 다음, 그 전파가 목표물(이하, 표적이라 한다)에 부딪쳐서 반사하는 것을 포착하여 표적의 존재와 그 위치를 탐지하는 무선 감시 장치를 말한다. 이때, 표적의 위치를 정확하게 탐지하기 위해서는 레이더와 표적 간의 각도를 추정해야 한다.
이러한 표적의 각도를 추정하는 방식으로는 주로 모노-펄스 방식(Mono-pulse method)이 사용된다. 여기서, 모노-펄스 방식은 합 채널과 차 채널 간의 입력되는 신호 비와 안테나 특성에 따라 형성되는 빔 패턴 및 모노 펄스 기울기를 이용하여 표적의 각도를 추정하는 방식이다.
그러나 모노-펄스 방식은 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, 이하 'SNR'이라 한다)가 확보된 환경에서는 표적의 각도를 추정하는 정확도를 보장하지만, 표적의 신호가 낮거나 주변 신호가 높은 레벨의 노이즈 또는 클러터로 분포되어 있는 환경에서는 표적의 각도를 정확하게 추정하는 것이 어렵다.
한편, 도 1은 일반적인 레이더에서 탐지하는 클러터 영역을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 지상에서 고속으로 이동하는 표적(이하 '고속 표적'이라 한다)의 신호는 레이더(101)의 신호처리 과정에서 엑소 클러터 영역(Exo Clutter Region)(105)에 존재한다. 여기서, 엑소 클러터 영역(105)은 클러터 신호 레벨이 낮은 클러터 프리(Clutter Free) 영역을 의미한다. 이와 달리, 지상에서 저속으로 이동하는 표적(이하, '저속 표적'이라 한다)의 신호는 엔도 클러터 영역(Endo Clutter Region)(103)에 존재한다. 여기서, 엔도 클러터 영역(103)은 클러터 신호 레벨이 높은 메인 빔(main beam) 클러터 신호들이 존재하는 영역을 의미한다.
레이더(101)는 엑소 클러터 영역(105)에 위치하는 고속 표적을 정확하게 탐지할 수 있다. 하지만 저속 표적의 신호가 노이즈 및 클러터 신호에 의해 오염될뿐만 아니라 SNR이 낮아지기 때문에 레이더(101)가 엔도 클러터 영역(103)에 위치하는 저속 표적을 정확하게 탐지할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안의 필요성이 대두하였다.
본 발명의 일 실시 예는 레이더에서 엔도 클러터 영역에 위치하는 저속 표적의 각도를 정확하게 추정하는 장치 및 방법을 제안한다.
그리고 본 발명의 일 실시 예는 레이더에서 엔도 클러터 영역에 위치하는 저속 표적의 각도를 정확하게 추정함으로써 저속 표적을 정확하게 탐지하는 장치 및 방법을 제안한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른, 레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 장치는, 빔들 별로 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들에 펄스 압축 및 도플러 처리를 수행하여 상기 도플러 처리된 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들을 각각 생성하는 제1 및 제2도플러 처리부들; 상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들을 이용하여 모노펄스 기울기를 각각 계산하는 제1 및 제2모노펄스 기울기 추정부들; 상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 합 채널 신호들의 도메인 신호들에 상기 모노펄스 기울기를 반영하여 클러터 신호가 억제된 합 채널 신호들의 도메인 신호들을 각각 생성하는 제1 및 제2클러터 신호 억제부들; 상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 차 채널 신호들의 도메인 신호들과 상기 클러터 신호가 억제된 합 채널 신호들의 상기 도메인 신호들 간의 차이에 CFAR 알고리즘을 반영하여 제1표적 신호 또는 제2표적 신호를 각각 검출하는 제1 및 제2CFAR부들; 및 상기 제1표적 신호와 상기 제2표적 신호를 이용하여 표적 위치를 검출하고, 상기 검출된 표적 위치를 기반으로 표적 각도를 추정하는 각도 추정부를 포함하고, 상기 빔들은 제1빔 및 제2빔을 포함하며, 상기 제1빔에 대한 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들은 한 표적에 첫 번째 빔 조향을 수행하여 수신된 신호들을 나타내며, 상기 제2빔에 대한 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들은 상기 표적에 두 번째 빔 조향을 수행하여 수신된 신호들을 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른, 레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 방법은, 제1 및 제2도플러 처리부들 각각이, 빔들 별로 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들에 펄스 압축 및 도플러 처리를 수행하여 상기 도플러 처리된 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들을 생성하는 과정, 제1 및 제2모노펄스 기울기 추정부들 각각이, 상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들을 이용하여 모노펄스 기울기를 계산하는 과정, 제1 및 제2클러터 신호 억제부들 각각이, 상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 합 채널 신호들의 도메인 신호들에 상기 모노펄스 기울기를 반영하여 클러터 신호가 억제된 합 채널 신호들의 도메인 신호들을 생성하는 과정, 제1 및 제2CFAR부들 각각이, 상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 차 채널 신호들의 도메인 신호들과 상기 클러터 신호가 억제된 합 채널 신호들의 상기 도메인 신호들 간의 차이에 CFAR 알고리즘을 반영하여 제1표적 신호 또는 제2표적 신호를 검출하는 과정, 및 각도 추정부가, 상기 제1표적 신호와 상기 제2표적 신호를 이용하여 표적 위치를 검출하고, 상기 검출된 표적 위치를 기반으로 표적 각도를 추정하는 과정을 포함하며, 상기 빔들은 제1빔 및 제2빔을 포함하며, 상기 제1빔에 대한 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들은 한 표적에 첫 번째 빔 조향을 수행하여 수신된 신호들을 나타내며, 상기 제2빔에 대한 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들은 상기 표적에 두 번째 빔 조향을 수행하여 수신된 신호들을 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예는 레이더에서 엔도 클러터 영역에 위치하는 저속 표적의 각도를 정확하게 추정함으로써 저속 표적을 탐지하는 정확도를 높일 수 있다.
그리고 본 발명의 일 실시 예는 레이더에서 엔도 클러터 영역에 위치하는 저속 표적의 각도를 정확하게 추정하여 저속 표적을 탐지하는 성공률을 높일 수 있다.
그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
도 1은 일반적인 레이더에서 탐지하는 클러터 영역을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이더의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1도플러 처리부에서 수행하는 동작을 나타내는 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1모노펄스 기울기 추정부에서 수행하는 동작을 나타내는 도면이다.
도 6 및 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1클러터 신호 억제부에서 수행하는 동작을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 흐름도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 실시 예에서 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 해당하는 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.
본 발명의 실시 예들은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 특정한 실시 형태에 대해 범위를 한정하려는 것이 아니며, 발명된 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 실시 예들을 설명함에서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 실시 예에서 '모듈' 혹은 '부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하며, 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 복수의 '모듈' 혹은 복수의 '부'는 특정한 하드웨어로 구현될 필요가 있는 '모듈' 혹은 '부'를 제외하고는 적어도 하나의 모듈로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서(미도시)로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이더(101)의 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 레이더(101)는 제1 및 제2도플러 처리부(201, 203)와 제1 및 제2모노펄스 기울기 추정부(205, 207)와 제1 및 제2클러터 신호 억제부(209, 211)와 제1 및 제2CFAR부(213, 215)와 각도 추정부(217)를 포함한다.
각 구성요소를 살펴보면, 제1 및 제2도플러 처리부들(201, 203) 각각은 빔 별로 합 및 차 채널들의 도메인 신호들에 펄스 압축(Pulse Compression) 및 도플러 처리(Doppler Processing)를 순차적으로 수행한다.
예를 들면, 제1도플러 처리부(201)는 제1빔에 대한 합 및 차 채널들의 도메인 신호들이 입력되며, 제2도플러 처리부(203)는 제2빔에 대한 합 및 차 채널들의 도메인 신호들이 입력될 수 있다. 예를 들면, 제1빔과 제2빔에 대한 합 및 차 채널들의 도메인 신호들은 두 번의 빔을 같은 지점에 연속 방사하여 수신된 합 및 차 채널의 도메인 신호 신호들을 나타낼 수 있다.
좀 더 자세히 설명하면, 제1도플러 처리부(201)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1빔에 대한 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호에 레인지 방향으로 펄스 압축(301)을 수행하여 n×m 합 채널의 도메인 신호와 n×m 차 채널의 도메인 신호(303)를 생성한다. 여기서, n은 펄스들의 개수를 나타내며, m은 레인지 빈(Range Bin)들의 개수를 나타낸다. 이때, 제1도플러 처리부(201)는 제1빔에 대한 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호에 레인지 방향으로 정합 필터링(matched filtering)을 진행하여 펄스 압축을 수행한다.
그리고 제1도플러 처리부(201)는 n×m 합 채널의 도메인 신호와 n×m 차 채널의 도메인 신호에 펄스 방향에서의 도플러 처리를 수행하여 i×m 합 채널의 도메인 신호와 i×m 차 채널의 도메인 신호(305)를 생성한다. 여기서, i는 도플러 빈(Doppler Bin)들의 개수를 나타내며, m은 레인지 빈들의 개수를 나타낸다. 이때, 제1도플러 처리부(201)는 레인지 별로 n×m 합 채널의 도메인 신호와 n×m 차 채널의 도메인 신호의 펄스 신호들에 FFT(Fast Fourier Transform)를 진행하여 도플러 처리를 수행한다.
제2도플러 처리부(203)도 제1도플러 처리부(201)와 동일한 동작을 진행하여 제2빔에 대한 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호를 펄스 압축 및 도플러 처리를 수행한다.
한편, 제1 및 제2도플러 처리부들(201, 203)에서 출력되는, 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호는 도 4의 401 그래프와 같다.
401 그래프를 살펴보면, 도메인 신호에는 엔도 클러터 영역 내에 존재하는 클러터 신호와 표적 신호를 포함하는데, 표적 신호가 주변에 존재하는 클러터 신호에 의해 쉽게 구분되지 않는다. 따라서, 엔드 클러터 영역 내에서는 표적 신호의 SNR이 CFAR 임계치를 만족하지 않으면, 표적 신호를 검출할 수 없다.
이에 따라, 레이더(101)는 제1 및 제2모노펄스 기울기 추정부(205, 207)와 제1 및 제2클러터 신호 억제부(209, 211)를 통해 클러터 신호를 억제한 합 및 차 채널 신호를 생성하는 동작을 설명하고자 한다.
제1 및 제2모노펄스 기울기 추정부들(205, 207) 각각은 빔 별로 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 및 차 채널들의 도메인 신호들을 이용하여 모노펄스의 기울기를 계산한다.
좀 더 자세히 설명하면, 제1모노펄스 기울기 추정부(205)는 제1도플러 처리부(201)로부터 제1빔에 대한 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호(예를 들면, 도 5의 501 그래프)를 입력받는다.
그리고 제1모노펄스 기울기 추정부(205)는 입력된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호를 평균화하여 합 및 차 채널들의 평균 도메인 신호들(예를 들면, 도 5의 503 그래프)을 생성한다. 그리고 제1모노펄스 기울기 추정부(205)는 생성된 합 및 차 채널들의 평균 도메인 신호들을 이용하여 제1빔에 대한 모노펄스의 기울기(예를 들면, 도 5의 505 그래프)를 계산한다.
예를 들면, 제1모노펄스 기울기 추정부(205)는 다음과 같은 수학식 1을 이용하여 제1빔에 대한 모노펄스의 기울기를 계산할 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00001
예를 들면, UΔmi는 도플러 인덱스(Doppler Index)에 따른 레인지 샘플(Range Sample) 방향으로의 차 채널의 도메인 신호를 나타낼 수 있다. UΣmi 는 도플러 인덱스에 따른 도메인 샘플 방향으로의 합 채널의 도메인 신호를 나타낼 수 있다. i는 도플러 인덱스를 나타내며, m은 레인지 인덱스를 나타낼 수 있다. M은 레인지 샘플의 개수를 나타낼 수 잇다. Ki는 모노펄스 기울기를 나타낼 수 있다.
그리고 제1모노펄스 기울기 추정부(205)는 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호 및 계산된 모노펄스 기울기를 제1클러터 신호 억제부(209)로 출력한다.
제2모노펄스 기울기 추정부(207)도 제1모노펄스 기울기 추정부(205)와 동일한 동작을 수행하여, 제2빔에 대한 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호를 이용하여 모노펄스 기울기를 계산한다. 그리고 제2모노펄스 기울기 추중부(207)는 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호 및 계산된 모노펄스 기울기를 제2클러터 신호 억제부(211)로 출력한다.
제1 및 제2클러터 신호 억제부들(209, 211) 각각은 빔별로 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 계산된 모노펄스 기울기를 이용하여 합 채널의 클러터 신호를 억제한다.
좀 더 자세히 설명하면, 제1클러터 신호 억제부(209)는 제1모노펄스 기울기 추정부(205)로부터 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호 및 계산된 모노펄스 기울기를 입력받는다.
그리고 제1클러터 신호 억제부(209)는 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호(예를 들면, 도 6의 603 그래프)에 계산된 모노펄스 기울기(예를 들면, 도 6의 601 그래프)를 반영하여 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호(예를 들면, 도 6의 605 그래프)를 생성한다. 예를 들면, 제1클러터 신호 억제부(209)는 다음과 같은 수학식 2를 이용하여 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호를 생성할 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00002
예를 들면, K(fi)는 계산된 모노펄스 기울기를 나타낼 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00003
는 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호를 나타낼 수 있다.
그리고 제1클러터 신호 억제부(209)는 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호와 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호를 제1CFAR부(213)으로 출력한다.
제2클러터 신호 억제부(211)도 제1클러터 신호 억제부(209)와 동일한 동작을 수행하여, 제2빔에 대한 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 계산된 모노펄스 기울기를 이용하여 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호를 생성한다. 그리고 제2클러터 신호 억제부(211)는 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호와 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호를 제2CFAR부(215)로 출력한다.
제1 및 제2CFAR부(213, 215)는 빔 별로 펄스 압축 및 도플러러 처리된 차 채널의 도메인 신호와 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호 간의 차이에 CFAR을 수행하여 표적 신호를 검출한다.
좀 더 자세히 설명하면, 제1CFAR부(213)는 제1클러터 신호 억제부(209)로부터 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호와 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호를 입력받는다.
그리고 제1CFAR부(213)는 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호(예를 들면, 도 7의 701 그래프)에 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호(예를 들면, 도 7의 703 그래프)를 반영하여 CFAR 입력 신호(예를 들면, 도 7의 705 그래프)를 생성한다. 예를 들면, CFAR 입력 신호는 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호와 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호 간의 차이를 나타내는 신호일 수 있다.
예를 들면, 제1CFAR부(213)는 다음과 같은 수학식 3을 이용하여 CFAR 입력 신호를 생성할 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00004
예를 들면,
Figure 112021131354419-pat00005
는 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호를 나타낼 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00006
는 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호를 나타낼 수 있다.
그리고 제1CFAR부(213)는 CFAR 알고리즘을 이용하여 CFAR 입력 신호에서 제1빔에 대한 제1표적 신호를 검출한다. 예를 들면, CFAR 알고리즘은 임계값을 이용하여 표적 신호를 검출하는 알고리즘일 수 있다. 그리고 제1CFAR부(213)는 검출된 제1표적 신호를 각도 추정부(217)로 출력한다.
제2CFAR부(215)도 제1CFAR부(213)와 동일한 동작을 수행하여, 제2빔에 대한 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호와 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호 간의 차이에 CFAR 알고리즘을 적용하여 제2빔에 대한 제2표적 신호를 검출한다. 그리고 제2CFAR부(215)는 검출된 제2표적 신호를 각도 추정부(217)로 출력한다.
각도 추정부(217)는 제1 및 제2빔들에 대한 제1 및 제2표적 신호들을 이용하여 레이더(101)와 표적 간의 각도를 추정한다.
좀 더 자세히 설명하면, 표적 각도의 추정은 두 번의 빔을 같은 지점에 연속으로 방사하여 수신된 합/차 채널 신호를 이용하는데, 이때, 두 번의 짧은 방사 시간 동안에 표적의 수신 신호 파워는 거의 변화 없다고 가정한다. 합 채널의 클러터 신호를 억제할 때 사용한 수식을 이용하여, 각 빔을 조향할 때의 처리 결과는 수학식 4와 같이 나타날 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00007
예를 들면,
Figure 112021131354419-pat00008
는 제1빔을 조향할 때의 처리 결과를 나타내며,
Figure 112021131354419-pat00009
는 제2빔을 조향할 때의 처리 결과를 나타낼 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00010
는 제1빔의 i번째 도플러 셀 위치에서의 차 채널 신호를 나타내며,
Figure 112021131354419-pat00011
는 제2빔의 i번째 도플러 셀 위치에서의 차 채널 신호를 나타낼 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00012
는 제1빔의 i번째 도플러 셀 위치에서의 클러터 신호가 억제된 합 채널 신호를 나타내며,
Figure 112021131354419-pat00013
는 제2빔의 i번째 도플러 셀 위치에서의 클러터 신호가 억제된 합 채널 신호를 나타낼 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00014
는 i번째 도플러 셀 위치에서의 차 채널 신호의 안테나 이득을 나타내며,
Figure 112021131354419-pat00015
는 i번째 도플러 셀 위치에서의 합 채널 신호의 안테나 이득을 나타낼 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00016
는 제1빔의 i번째 도플러 셀 위치에서의 합 채널 신호를 나타내며,
Figure 112021131354419-pat00017
는 제2빔의 i번째 도플러 셀 위치에서의 합 채널 신호를 나타낼 수 있다.
여기서, 제1빔의 i번째 도플러 셀 위치에서의 차 채널 신호 및 합 채널 신호와 제2빔의 i번째 도플러 셀 위치에서의 차 채널 신호 및 합 채널 신호는 다음과 같은 수학식 5로 나타날 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00018
예를 들면, 1: 제1빔을 조향한 후에 레이더(101)에서 수신된 차 채널 및 합 채널 신호를 나타내며, 2: 제2빔을 조향한 후에 레이더(101)에서 수신된 차 채널 및 합 채널 신호를 나타낼 수 있다. A는 지표면으로부터 반사된 신호의 크기를 나타내며, T는 표적으로부터 반사된 신호의 크기를 나타낼 수 있다. Gi는 i번째 도플러 셀 위치에서의 안테나 이득을 나타내며, Gx는 표적의 셀 위치에서의 안테나 이득을 나타낼 수 있다.
수학식 4와 수학식 5를 치환하면, 다음과 같은 수학식 6으로 정리될 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00019
예를 들면,
Figure 112021131354419-pat00020
는 1번 빔 조향 시, i 번째 도플러 셀 위치에서의 클러터 억제 신호를 나타내며,
Figure 112021131354419-pat00021
는 2번 빔 조향 시, i 번째 도플러 셀 위치에서의 클러터 억제 신호 나타낼 수 있다.
앞서 언급한, 연속적인 두 빔으로부터 수신된 표적 신호들의 파워들이 동일하다는 가정에 따르면,
Figure 112021131354419-pat00022
와 같이 나타날 수 있다. 결국에는 표적의 각도 추정은 두 번의 빔 조향 시에 수신된 신호들에 CFAR 처리를 수행한 후에 표적으로 선정된 신호(예를 들면, 표적 신호)들 간의 차이가 최소가 되는 표적의 위치
Figure 112021131354419-pat00023
(도플러 방향의 셀)를 검출하는 문제로 귀결된다. 예를 들면, 표적의 위치는 다음과 같은 수학식 7로 나타날 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00024
예를 들면,
Figure 112021131354419-pat00025
는 표적 신호들 간의 차이가 최소가 되는 표적의 위치를 나타낼 수 있다.
Figure 112021131354419-pat00026
는
Figure 112021131354419-pat00027
의 켤레복소수를 나타내며,
Figure 112021131354419-pat00028
은
Figure 112021131354419-pat00029
의 켤레복소수를 나타낼 수 있다.
즉, 각도 추정부(217)는 수학식 7을 이용하여 표적의 위치
Figure 112021131354419-pat00030
를 검출하고, 검출된 표적의 위치
Figure 112021131354419-pat00031
를 기반으로 표적 각도를 추정한다.
이와 같이, 본 발명과 같이, 동일한 표적에 2번의 빔을 조향하여 수신된 채널 신호들을 이용하여 표적 각도를 측정하는 방식을 이중 측정(Double measurement) 방식이라고 부른다.
한편, 표적의 레이더 단면적(Radar Cross Section, 이하 'RCS'라 한다) 변화에 따른 각도 추정 시뮬레이션 결과는 다음의 표 1과 같다. 각도 추정 시뮬레이션은 속도가 2m/s인 저속 표적이 RCS를 20~4 m2 로 변화하면서 방위각 오차를 계산한 결과이다. 예를 들면, 저속 표적은 2m/s 이하로 이동하는 표적을 나타낼 수 있다.
Target RCS(㎡) 각도 오차(도)
Mono-pulse 방식 Double measurement 방식
20 0 0.04
10 0 0
8 0.08 0
6 0.04 0
5 0.12 0
4 0.2 0.04
표 1을 살펴보면, 표적 각도를 추정할 때 일반적으로 사용되는 Mono-pulse 방식은 표적의 RCS 및 주변 클러터 환경에 따라 추정 결과가 좌우된다. 시뮬레이션 결과를 살펴보면, 표적의 RCS값이 점점 줄어들면 각도 오차도 점점 증가한다.
반면에, 본 발명에서 제안하는 Double measurement 방식은 RCS 변화에 각도 오차 변화가 미미하다. 즉, Double measurement 방식을 사용하는 경우, 레이더(101)가 주파수 별 빔 패턴에 따른 mono-pulse slope을 계산하는 부가적인 일을 수행하지 않고서도 비교적 정확한 표적 각도를 추정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예는 레이더(101)에서 엔도 클러터 영역에 위치하는 저속 표적의 각도를 정확하게 추정함으로써 저속 표적을 탐지하는 정확도를 높일 수 있다. 그리고 본 발명의 일 실시 예는 레이더(101)에서 엔도 클러터 영역에 위치하는 저속 표적의 각도를 정확하게 추정하여 저속 표적을 탐지하는 성공률을 높일 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이더(101)에서 저속 표적의 각도를 추정하는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 레이더(101)의 제1 및 제2도플러 처리부들(201, 203) 각각은, 801 단계에서, 빔 별로 합 및 차 채널들의 도메인 신호들에 펄스 압축 및 도플러 처리를 순차적으로 수행한다.
좀 더 자세히 설명하면, 제1도플러 처리부(201)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1빔에 대한 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호에 레인지 방향으로 펄스 압축(301)을 수행하여 n×m 합 채널의 도메인 신호와 n×m 차 채널의 도메인 신호(303)를 생성한다. 여기서, n은 펄스들의 개수를 나타내며, m은 레인지 빈(Range Bin)들의 개수를 나타낸다. 이때, 제1도플러 처리부(201)는 제1빔에 대한 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호에 레인지 방향으로 정합 필터링(matched filtering)을 진행하여 펄스 압축을 수행한다.
그리고 제1도플러 처리부(201)는 n×m 합 채널의 도메인 신호와 n×m 차 채널의 도메인 신호에 펄스 방향에서의 도플러 처리(Doppler Processing)를 수행하여 i×m 합 채널의 도메인 신호와 i×m 차 채널의 도메인 신호(305)를 생성한다. 여기서, i는 도플러 빈(Doppler Bin)들의 개수를 나타내며, m은 레인지 빈들의 개수를 나타낸다. 이때, 제1도플러 처리부(201)는 레인지 별로 n×m 합 채널의 도메인 신호와 n×m 차 채널의 도메인 신호의 펄스 신호들에 FFT(Fast Fourier Transform)를 진행하여 도플러 처리를 수행한다.
제2도플러 처리부(203)도 제1도플러 처리부(201)와 동일한 동작을 진행하여 제2빔에 대한 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호를 펄스 압축 및 도플러 처리를 수행한다.
803 단계에서, 레이더(101)의 제1 및 제2모노펄스 기울기 추정부들(205, 207) 각각은 빔 별로 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 및 차 채널들의 도메인 신호들을 이용하여 모노펄스의 기울기를 계산한다.
좀 더 자세히 설명하면, 제1모노펄스 기울기 추정부(205)는 제1도플러 처리부(201)로부터 제1빔에 대한 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호(예를 들면, 도 5의 501 그래프)를 입력받는다.
그리고 제1모노펄스 기울기 추정부(205)는 입력된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호를 평균화하여 합 및 차 채널들의 평균 도메인 신호들(예를 들면, 도 5의 503 그래프)을 생성한다. 그리고 제1모노펄스 기울기 추정부(205)는 생성된 합 및 차 채널들의 평균 도메인 신호들을 이용하여 제1빔에 대한 모노펄스의 기울기(예를 들면, 도 5의 505 그래프)를 계산한다. 예를 들면, 제1모노펄스 기울기 추정부(205)는 수학식 1을 이용하여 제1빔에 대한 모노펄스의 기울기를 계산할 수 있다.
그리고 제1모노펄스 기울기 추정부(205)는 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호 및 계산된 모노펄스 기울기를 제1클러터 신호 억제부(209)로 출력한다.
제2모노펄스 기울기 추정부(207)도 제1모노펄스 기울기 추정부(205)와 동일한 동작을 수행하여, 제2빔에 대한 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호를 이용하여 모노펄스 기울기를 계산한다. 그리고 제2모노펄스 기울기 추중부(207)는 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호 및 계산된 모노펄스 기울기를 제2클러터 신호 억제부(211)로 출력한다.
805 단계에서, 레이더(101)의 제1 및 제2클러터 신호 억제부들(209, 211) 각각은 빔별로 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 계산된 모노펄스 기울기를 이용하여 합 채널의 클러터 신호를 억제한다.
좀 더 자세히 설명하면, 제1클러터 신호 억제부(209)는 제1모노펄스 기울기 추정부(205)로부터 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 차 채널의 도메인 신호 및 계산된 모노펄스 기울기를 입력받는다.
그리고 제1클러터 신호 억제부(209)는 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호(예를 들면, 도 6의 603 그래프)에 계산된 모노펄스 기울기(예를 들면, 도 6의 601 그래프)를 반영하여 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호(예를 들면, 도 6의 605 그래프)를 생성한다. 예를 들면, 제1클러터 신호 억제부(209)는 수학식 2를 이용하여 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호를 생성할 수 있다.
그리고 제1클러터 신호 억제부(209)는 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호와 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호를 제1CFAR부(213)으로 출력한다.
제2클러터 신호 억제부(211)도 제1클러터 신호 억제부(209)와 동일한 동작을 수행하여, 제2빔에 대한 펄스 압축 및 도플러 처리된 합 채널의 도메인 신호와 계산된 모노펄스 기울기를 이용하여 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호를 생성한다. 그리고 제2클러터 신호 억제부(211)는 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호와 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호를 제2CFAR부(215)로 출력한다.
807 단계에서, 레이더(101)의 제1 및 제2CFAR부(213, 215)는 빔 별로 펄스 압축 및 도플러러 처리된 차 채널의 도메인 신호와 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호 간의 차이에 CFAR을 수행하여 표적 신호를 검출한다.
좀 더 자세히 설명하면, 제1CFAR부(213)는 제1클러터 신호 억제부(209)로부터 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호와 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호를 입력받는다.
그리고 제1CFAR부(213)는 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호(예를 들면, 도 7의 701 그래프)에 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호(예를 들면, 도 7의 703 그래프)를 반영하여 CFAR 입력 신호(예를 들면, 도 7의 705 그래프)를 생성한다. 예를 들면, CFAR 입력 신호는 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호와 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호 간의 차이를 나타내는 신호일 수 있다. 예를 들면, 제1CFAR부(213)는 수학식 3을 이용하여 CFAR 입력 신호를 생성할 수 있다.
그리고 제1CFAR부(213)는 CFAR 알고리즘을 이용하여 CFAR 입력 신호에서 제1빔에 대한 제1표적 신호를 검출한다. 예를 들면, CFAR 알고리즘은 임계값을 이용하여 표적 신호를 검출하는 알고리즘일 수 있다. 그리고 제1CFAR부(213)는 검출된 제1표적 신호를 각도 추정부(217)로 출력한다.
제2CFAR부(215)도 제1CFAR부(213)와 동일한 동작을 수행하여, 제2빔에 대한 펄스 압축 및 도플러 처리된 차 채널의 도메인 신호와 클러터 신호가 억제된 합 채널의 도메인 신호 간의 차이에 CFAR 알고리즘을 적용하여 제2빔에 대한 제2표적 신호를 검출한다. 그리고 제2CFAR부(215)는 검출된 제2표적 신호를 각도 추정부(217)로 출력한다.
809 단계에서, 레이더(101)의 각도 추정부(217)는 제1 및 제2빔들에 대한 제1 및 제2표적 신호들을 이용하여 레이더(101)와 표적 간의 각도를 추정한다. 예를 들면, 각도 추정부(217)는 수학식 7을 이용하여 표적의 위치를 검출하고, 검출된 표적의 위치를 기반으로 표적 각도를 추정할 수 있다.
이러한 과정을 통해, 본 발명의 일 실시 예는 레이더에서 엔도 클러터 영역에 위치하는 저속 표적의 각도를 정확하게 추정함으로써 저속 표적을 탐지하는 정확도를 높일 수 있다. 그리고 본 발명의 일 실시 예는 레이더에서 엔도 클러터 영역에 위치하는 저속 표적의 각도를 정확하게 추정하여 저속 표적을 탐지하는 성공률을 높일 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
101: 레이더
103: 엔도 클러터 영역
105: 엑소 클러터 영역
201, 203: 제1 및 제2도플러 처리부들
205, 207: 제1 및 제2모노펄스 기울기 추정부
209, 211: 제1 및 제2클러터 신호 억제부
213, 215: 제1 및 제2CFAR부
217: 각도 추정부

Claims (6)

  1. 빔들 별로 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들에 펄스 압축 및 도플러 처리를 수행하여 상기 도플러 처리된 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들을 각각 생성하는 제1 및 제2도플러 처리부들;
    상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들을 이용하여 모노펄스 기울기를 각각 계산하는 제1 및 제2모노펄스 기울기 추정부들;
    상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 합 채널 신호들의 도메인 신호들에 상기 모노펄스 기울기를 반영하여 클러터 신호가 억제된 합 채널 신호들의 도메인 신호들을 각각 생성하는 제1 및 제2클러터 신호 억제부들;
    상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 차 채널 신호들의 도메인 신호들과 상기 클러터 신호가 억제된 합 채널 신호들의 상기 도메인 신호들 간의 차이에 CFAR 알고리즘을 반영하여 제1표적 신호 또는 제2표적 신호를 각각 검출하는 제1 및 제2CFAR부들; 및
    상기 제1표적 신호와 상기 제2표적 신호를 이용하여 표적 위치를 검출하고, 상기 검출된 표적 위치를 기반으로 표적 각도를 추정하는 각도 추정부를 포함하고,
    상기 빔들은 제1빔 및 제2빔을 포함하며,
    상기 제1빔에 대한 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들은 한 표적에 첫 번째 빔 조향을 수행하여 수신된 신호들을 나타내며,
    상기 제2빔에 대한 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들은 상기 표적에 두 번째 빔 조향을 수행하여 수신된 신호들을 나타내는 것을 특징으로 하는 레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표적은, 엔도 클러터 영역의 지상에서 초 당 2미터 이하로 이동하는 것을 특징으로 하는 레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각도 추정부는, 상기 제1표적 신호와 상기 제2표적 신호 간의 크기 차이가 최소가 되는 위치를 표적 위치로 검출하고, 도플러 축 상의 상기 검출된 표적 위치를 기반으로 상기 표적 각도를 추정하는 것을 특징으로 하는 레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 장치.
  4. 제1 및 제2도플러 처리부들 각각이, 빔들 별로 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들에 펄스 압축 및 도플러 처리를 수행하여 상기 도플러 처리된 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들을 생성하는 과정,
    제1 및 제2모노펄스 기울기 추정부들 각각이, 상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들을 이용하여 모노펄스 기울기를 계산하는 과정,
    제1 및 제2클러터 신호 억제부들 각각이, 상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 합 채널 신호들의 도메인 신호들에 상기 모노펄스 기울기를 반영하여 클러터 신호가 억제된 합 채널 신호들의 도메인 신호들을 생성하는 과정,
    제1 및 제2CFAR부들 각각이, 상기 빔들 별로 상기 도플러 처리된 차 채널 신호들의 도메인 신호들과 상기 클러터 신호가 억제된 합 채널 신호들의 상기 도메인 신호들 간의 차이에 CFAR 알고리즘을 반영하여 제1표적 신호 또는 제2표적 신호를 검출하는 과정, 및
    각도 추정부가, 상기 제1표적 신호와 상기 제2표적 신호를 이용하여 표적 위치를 검출하고, 상기 검출된 표적 위치를 기반으로 표적 각도를 추정하는 과정을 포함하며,
    상기 빔들은 제1빔 및 제2빔을 포함하며,
    상기 제1빔에 대한 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들은 한 표적에 첫 번째 빔 조향을 수행하여 수신된 신호들을 나타내며,
    상기 제2빔에 대한 합 및 차 채널 신호들의 도메인 신호들은 상기 표적에 두 번째 빔 조향을 수행하여 수신된 신호들을 나타내는 것을 특징으로 하는 레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 표적은, 엔도 클러터 영역의 지상에서 초 당 2미터 이하로 이동하는 것을 특징으로 하는 레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 표적 각도를 추정하는 과정은,
    상기 제1표적 신호와 상기 제2표적 신호 간의 크기 차이가 최소가 되는 위치를 표적 위치로 검출하는 과정, 및
    도플러 축 상의 상기 검출된 표적 위치를 기반으로 상기 표적 각도를 추정하는 과정을 포함하는 레이더에서 저속 표적의 각도를 추정하는 방법.
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