KR102422396B1 - 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법 및 보간 장치 - Google Patents

선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법 및 보간 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법은 복수 개의 송신 안테나 소자 및 수신 안테나 소자를 포함하는 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법에 관한 것으로써, 상기 복수 개의 수신 안테나 소자가 타겟으로부터 반사되는 반사파를 수신하는 제 1단계; 각도 추정 알고리즘을 이용하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 추정하는 제 2단계; 상기 복수 개의 수신 안테나 소자 중 불량 안테나 소자를 선정하는 제 3단계; 및 상기 불량 안테나 소자의 수신 신호를 보정하고, 상기 복수 개의 수신 안테나 소자에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 각도 추정 알고리즘을 이용하여 다시 추정하는 제 4단계;를 포함한다.

Description

선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법 및 보간 장치{METHOD OF SPATIAL INTERPOLATION FOR LINEAR PHASED ARRAY ANTENNA AND APPRATUS THEREOF}
본 발명은 안테나의 공간 보간 방법 및 보간 장치에 관한 것으로써, 구체적으로는 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법에 관한 것이다.
지난 수십 년 동안 레이더 시스템으로 타겟을 검출하는 것에 관한 많은 연구를 행하였다. 타겟의 정확한 위치를 결정하기 위해서는, 타겟의 거리와 속도 및 각도 정보를 아는 것이 필수적이다. 타겟으로부터의 반사 신호의 도달방향(direction Of Arrival, 이하 DOA)을 찾기 위해, 종래에는 안테나를 기계적으로 회전시키는 방법을 사용해왔다. 그러나 위상 어레이 안테나에서는 어레이 안테나의 빔을 전기적으로 조정함으로써 입사 신호의 DOA를 추정할 수 있다.
이러한 위상 어레이 안테나의 경우, 복수 개의 입사 신호들의 DOA를 동시에 추정하기 위하여 많은 어레이 신호 처리 개념 및 기술을 제안해왔다. 구체적으로 고해상도 각도 추정 알고리즘을 이용하여 균일한 선형 어레이 안테나에서 정확한 DOA를 찾고자 하였으나, 현재까지 제안된 고해상도 각도 추정 알고리즘의 경우 수신 신호의 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio, 이하 SNR)에 매우 민감하기 때문에 정확한 DOA의 추정을 위해서는 수신 신호의 캘리브레이션이 필요하게 된다.
대한민국 공개특허공보 10-2011-0080218
본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법 및 보간 장치는 전술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
선형 위상 어레이 안테나에서의 정확한 DOA의 추정을 담보함으로써, 타겟의 정확한 위치를 결정할 수 있는 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법 및 공간 보간 장치를 제안하는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법은 복수 개의 송신 안테나 소자 및 수신 안테나 소자를 포함하는 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법에 관한 것으로써, 상기 복수 개의 수신 안테나 소자가 타겟으로부터 반사되는 반사파를 수신하는 제 1단계; 각도 추정 알고리즘을 이용하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 추정하는 제 2단계; 상기 복수 개의 수신 안테나 소자 중 불량 안테나 소자를 선정하는 제 3단계; 및 상기 불량 안테나 소자의 수신 신호를 보정하고, 상기 복수 개의 수신 안테나 소자에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 각도 추정 알고리즘을 이용하여 다시 추정하는 제 4단계;를 포함한다.
상기 제 3단계는, 상기 복수 개의 수신 안테나 소자가 각각 수신한 반사파의 수신 전력을 산출하는 제 3-1단계; 상기 복수 개의 수신 안테나 소자가 각각 수신한 반사파의 수신 전력과 임계치를 비교하는 제 3-2단계; 및 상기 제 3-2단계에서의 비교 결과에 기초하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자 중 불량 안테나 소자를 선정하는 제 3-3단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제 4단계는, 상기 불량 안테나 소자의 수신 신호를 다른 수신 안테나 소자의 수신 신호에 기초하여 보정하는 제 4-1단계; 보정된 상기 불량 안테나 소자의 수신 신호를 반영하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 각도 추정 알고리즘을 이용하여 다시 추정하는 제 4-2단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 각도 추정 알고리즘은 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC Algorithm) 또는 회전 불변 기술을 통한 파라미터 추정 기법(estimation of parameters via rotational invariance technique: ESPRIT)인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 장치는 타겟으로부터 반사되는 반사파를 수신하는 복수 개의 수신 안테나 소자; 상기 수신 안테나 소자에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 추정하는 입사 각도 추정부; 상기 반사파의 입사 각도에 기초하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자 중 불량 안테나 소자를 선정하는 검출부; 상기 검출부의 판단 결과에 기초하여 상기 불량 안테나 소자의 수신 신호를 보정하는 보정부;를 포함하고, 상기 입사 각도 추정부는 상기 보정부에서 보정된 상기 불량 안테나 소자의 수신 신호에 기초하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 다시 추정한다.
상기 검출부는 상기 복수 개의 수신 안테나 소자가 각각 수신한 반사파의 수신 전력에 기초하여 불량 안테나 소자를 선정하는 것이 바람직하다.
상기 검출부는, 상기 복수 개의 수신 안테나 소자가 각각 수신한 반사파의 수신 전력을 산출하는 전력 산출부; 상기 산출된 수신 전력과 임계치를 비교하는 비교부; 및 상기 비교부의 비교 결과에 기초하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자 중 불량 안테나 소자를 결정하는 결정부;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 보정부는 상기 불량 안테나 소자의 수신 신호를 다른 수신 안테나 소자의 수신 신호에 기초하여 보정하는 것이 바람직하다.
상기 입사 각도 추정부는 각도 추정 알고리즘을 이용하여 상기 수신 안테나 소자에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 추정 및 재추정하는 것이 바람직하다.
상기 각도 추정 알고리즘은 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC Algorithm) 또는 회전 불변 기술을 통한 파라미터 추정 기법(estimation of parameters via rotational invariance technique: ESPRIT)인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법 및 보간 장치는 각도 추정 알고리즘을 이용하여 반사파의 입사 각도를 추정하고, 이 때의 불량 상태에 있는 안테나 소자를 선택한 후, 선택된 안테나 소자의 수신 신호를 보간하여 다시 반사파의 입사 각도를 추정하도록 함으로써 DOA 추정 알고리즘의 해상 성능을 개선할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법을 시계열적으로 도시한 플로우차트이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 일부 단계를 좀 더 세분화하여 구체화한 플로우차트이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 장치를 간략하게 도시한 블록도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법에 대하여 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법을 시계열적으로 도시한 플로우차트이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 일부 단계를 좀 더 세분화하여 구체화한 플로우차트이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법은 복수 개의 송신 안테나 소자(110) 및 수신 안테나 소자(120)를 포함하는 선형 위상 어레이 안테나(100)의 공간 보간 방법에 관한 것으로써, 도 1에 도시된 바와 같이 수신 안테나 소자(120)가 반사파를 수신하는 제 1단계(S100), 수신된 반사파의 입사 각도를 추정하는 제 2단계(S200), 불량 안테나 소자를 선정하는 제 3단계(S300) 및 반사파의 입사 각도를 재추정하는 제 4단계(S400)를 포함한다.
제 1단계(S100)를 구체적으로 설명하면, 복수 개의 송신 안테나 소자(110)가 타겟으로 신호를 송신하게 되면, 송신신호는 타겟(10)에 반사되게 되고, 수신 안테나 소자(120)는 타겟(10)으로부터 반사되는 반사파를 수신하게 된다. 한편, 제 1단계 내지 제 4단계들에 대한 구체적인 설명을 위하여, 우선 위상 어레이 안테나의 수신 신호 모델에 대하여 이하 설명하도록 한다.
L개 방향 θ1,θ2,...,θL로부터 L개의 평면파가, 알려진 반송 주파수 fc로 동일한 간격 d 만큼 선형 이격된 N개의 수신 안테나 소자(120)들에 입사된다고 상정한다. θi(i=1,2,...,L)은 어레이 안테나가 바라보는 정면 축으로부터 정의된다. 또한, 동일한 전력을 공급받는 협대역 원거리 소스들이 있다고 상정한다. 이어서, 시간 k에서의 어레이 안테나의 수신 신호 벡터를 하기 수학식 1과 같이 표현한다.
Figure 112015085044236-pat00001
상기 수학식 1에서 (·)T는 전치 연산자(transpose operator)이고, A=[a(θ1),a(θ2),...a(θL)]는 하기 수학식 2와 같은 조정 벡터(steering vector) a(θi)(i=1,2,...,L)로 이루어진 조정 매트릭스(steering matrix)이다.
Figure 112015085044236-pat00002
λ는 반송 주파수 fc에 대응하는 파장이다. 한편, s(k)=[s1(k),s2(k),...,sN(k)]T는 입사 신호 벡터(incident signal vector)이고, 여기서 si(K)(i=1,2,...,L)은 시간 k에 대한 i번째 소스로부터 입사 신호의 복소 진폭(complex amplitude of the incident signal)이다. 이러한 진폭들은 제로 평균 복소 가우스(zero-mean complex Gaussian)이고, 각 진폭 샘플마다 독립적이라고 가정한다. n(k)는 [n1(k),n2(k),...,nN(k)]T로 이루어진 잡음 벡터(noise vector)이고, 잡음 벡터 또한 제로 평균 복소 가우스이며, 각 샘플마다 독립적이라고 가정한다, 상관 매트릭스(correlation matrix)는
Figure 112015085044236-pat00003
로 제공되고, 여기에서 IN은 N*N 아이덴티티 매트릭스(identity matrix)이다. 또한, 입사 신호 벡터와 잡음 벡터로부터의 샘플들은 서로 독립적이라고 상정한다.
상기 제 1단계(S100) 이후, 복수 개의 수신 반사파의 입사 각도를 추정하는 제 2단계(S200)가 수행되는데, 이러한 입사 각도의 추정은 각도 추정 알고리즘을 이용한다. 각도 추정 알고리즘으로는 다중 신호 분류 기법(Multiple Signal Classification; 이하 MUSIC), 회전 불변 기술을 통한 파라미터 추정 기법(estimation of parameters via rotational invariance technique; ESPRIT) 등이 있으며, 이하에서는 MUSIC 알고리즘을 이용하여 반사파의 입사 각도를 추정하는 실시예를 중심으로 설명하도록 한다.
MUSIC 알고리즘을 이용하기 위하여, 먼저 상기 수학식 1에서의 수신 신호 벡터의 상관 매트릭스를 연산해야 한다. 상관 매트릭스는 하기 수학식 3으로 정의된다.
Figure 112015085044236-pat00004
수학식 3에서의
Figure 112015085044236-pat00005
는 랜덤 프로세스의 앙상블 평균(ensemble average of a random process)이고,
Figure 112015085044236-pat00006
는 복소 켤레 전치 연산자(complex conjugate transpose operator)이다.
RXX의 랭크는 ARSSAH의 랭크를 따르며,그 랭크는 L이다. RXX의 고유값(eigenvalue)은 아래의 수학식 4와 같이 표현된 내림차순으로 배치될 수 있다.
Figure 112015085044236-pat00007
첫번째 L개의 고유값들은 신호 부분공간(subspace)에 관련되며, 나머지 고유값들은 잡음 부분공간에 관련된 것이다. 각 고유값의 정규화된 고유벡터가
Figure 112015085044236-pat00008
로서 주어지면, MUSIC 알고리즘의 의사 스펙트럼(pseudospectrum of the MUSIC algorithm) P(θ)는 하기 수학식 5와 같이 정의된다.
Figure 112015085044236-pat00009
여기서, 분모의
Figure 112015085044236-pat00010
는 잡음 부분공간을 구성하는 것이며, 입사 신호에 직교한다. 입사 신호의 추정된 DOA는, P(θ)의 분모를 제로에 가깝게 하는 θ 값에 의해 결정된다. 그러나 실제 상황에서는, 신호와 잡음에 대한 정확한 통계치를 아는 것이 불가능하며, 따라서, 수학식 3에서의 앙상블 평균을 연산하기 어렵다. 이 경우, 프로세스가 ergodic 방식이라고 상정하면, 시간 평균화된 상관 매트릭스는, 잡음이 있는 상황에서 유한한 K개의 측정에 의해 산출되며, 아래와 같이 정의된다.
Figure 112015085044236-pat00011
MUSIC 알고리즘을 적용할 때의 다른 중요한 이슈는 입사 신호의 개수를 어떻게 결정하는지이다. 입사 평면파들의 개수가 알려져 있지 않다면, 이를 찾는 기존의 연구가 있다. 본 발명의 경우 MUSIC 알고리즘의 분해능에 집중하므로, 입사 신호들의 개수가 알려져 있으며 두 개로만, 즉, L=2로 상정한다. 이러한 유형의 방안은, MUSIC 알고리즘의 분해 성능을 분석하는 경우에 흔히 사용된다.
제 2단계(S200)에서는 상기 수학식 6 상술한 전제 사항을 적용하여 복수 개의 수신 안테나 소자(120)에 입사되는 초기 수신 신호들에 MUSIC 알고리즘을 적용한다.
한편, 상술한 바와 같이 종래의 MUSIC 알고리즘의 성능은 어레이의 수신 신호의 SNR에 민감하다. MUSIC 알고리즘은, 모든 소자들의 수신 신호의 SNR이 높고 거의 동일한 경우 적절히 동작할 수 있다. 수신 신호의 SNR이 불균일하면, MUSIC 알고리즘의 분해 성능이 열화되는 문제점이 있다. 따라서 해상도를 향상시키기 위해서는 공간 보간이 필요하게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법에서는 상기 제 2단계(S200) 이후에 복수 개의 수신 안테나 소자(120) 중 불량 안테나 소자를 선정하는 제 3단계(S300) 및 불량 안테나 소자의 수신 신호를 보정하고, 다시 각도 추정 알고리즘을 이용하여 반사파의 입사 각도를 다시 추정하는 제 4단계(S400)가 수행되는데, 이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 제 3단계(S300) 및 제 4단계(S400)에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
제 3단계(S300)는 도 2에 도시된 바와 같이 반사파의 수신 전력을 산출하는 제 3-1단계(S310), 반사파의 수신 전력과 임계치를 비교하는 제 3-2단계(S320) 및 불량 안테나 소자를 선정하는 제 3-3단계(S330)를 포함한다.
제 2단계(S200) 이후에 먼저 반사파인 수신 신호의 SNR을 측정하는데, 수신 신호로부터 원하는 신호와 잡음을 분리하는 것은 용이하지 않다는 점을 고려하여 제 3-1단계(S310)에서는 SNR값을 수신 신호 전력으로 대체한다.
입사 신호들이, 동일한 전력을 공급받는 비상관(uncorrelated) 소스들로부터 온 것이라고 상정하였으므로, 수신 신호 전력은 주로 잡음 전력 레벨에 의해 영향을 받는다. 이에 따라, 그 경우, SNR값은 수신 신호 전력에 반비례한다. 예를 들어, 소정의 안테나 소자가 높은 잡음 플로어를 갖는 경우, 수신 신호 전력은 높게 측정되는 반면, SNR은 작게 된다. 이러한 이유로, 수신 신호 전력을 SNR 값을 대신하는 대체 파라미터로서 사용한다. K개의 시간 샘플들에 대하여 i번째(i = 1,2,...,N) 안테나 소자의 평균화된 수신 신호 전력을 Pi로 표현하면, 수신 전력 벡터는 아래와 수학식 7과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112015085044236-pat00012
Pi들에 있어서 차가 거의 없으면, 알고리즘은 인접하는 두 개의 입사 신호에 대하여 두 개의 개별적인 DOA, 즉,
Figure 112015085044236-pat00013
와
Figure 112015085044236-pat00014
를 추정할 수 있다. 그렇지 않은 경우에는, 두 개의 신호가 하나의 신호로 통합되고, 알고리즘은 하나의 DOA인
Figure 112015085044236-pat00015
만을 추정한다.
상기 제 3-1단계(S310) 이후, 추정된 단 하나의 DOA에 대하여 복수 개의 안테나 소자(120)가 각각 수신한 반사파의 수신 전력과 임계치를 비교하는 제 3-2단계(S320) 및 제 3-2단계(S320)에서의 비교 결과에 기초하여 복수 개의 수신 안테나 소자(120) 중 불량 안테나 소자를 선정하는 제 3-3단계(S330)가 진행된다.
제 3-2단계(S320)에서의 임계치는 미리 정해진 값으로 할 수도 있으며, 또는 최대치와의 비율로 결정될 수도 있다. 이하에서는 제 3-2단계(S320) 및 제 3-3단계(S330)를 복수 개의 안테나 소자(120)가 각각 수신한 반사파의 수신 전력의 평균을 이용하여 수행되는 예를 설명하도록 하겠다.
먼저 추정된 하나의 DOA인
Figure 112015085044236-pat00016
에 대하여, 아래의 수학식 8에 의해, 모든 소자들에 대한 Pi들을 평균화한다.
Figure 112015085044236-pat00017
이후, 복수 개의 수신 안테나 소자(120) 중 불량 안테나 소자를 선정하는데, 아래 수학식 9에서의 조건을 충족하는 소자를 선택함으로써 불량 안테나 소자를 선정할 수 있다.
Figure 112015085044236-pat00018
상기 수학식 9에서 i*는 불량 안테나 소자로 정의되고, Pthr은 설정해야 하는 임계 전력값을 의미한다. 한편 Pthr은 임의로 설정한 수치 또는 비율일 수 있으며, 나아가 최대 전력값 대비 비율로 설정할 수도 있다.
한편, 앞에서는 수학식 8 및 수학식 9를 이용하여 불량 안테나 소자를 선정하는 실시예에 대하여 설명하였으나, median, mean max 등의 여러 통계적인 방법을 이용하여 불량 안테나 소자를 선정하는 것도 가능할 것이다.
불량 안테나 소자가 선정되면, 반사파의 입사각도를 재추정하는 제 4단계(S400)가 진행되는데, 제 4단계(S400)는 도 3에 도시된 바와 같이 불량 안테나 소자의 수신 신호를 보정하는 제 4-1단계(S410) 및 보정된 불량 안테나 소자의 수신 신호에 기초하여 반사파의 입사 각도를 재추정하는 제 4-2단계(S420)로 구분될 수 있다.
제 4-1단계(S410)는 구체적으로 불량 안테나 소자의 수신 신호를 다른 수신 안테나 소자의 수신 신호에 기초하여 보정하는데, 이하에서는 불량 안테나 소자와 인접하는 두 개의 안테나 소자의 수신 신호에 기초하여 보정하는 예를 설명하도록 한다.
i*번째 소자로부터의 K개의 시간-샘플링된 수신 신호는 아래와 같이 표현된다.
Figure 112015085044236-pat00019
여기서,
Figure 112015085044236-pat00020
는, 수학식 1에서 설명한 바와 같이, 시간 k에서의 i*번째 소자로부터의 수신 신호이다. 신호 벡터
Figure 112015085044236-pat00021
는 나머지 신호 벡터들의 SNR보다 낮은 SNR을 갖는다. 따라서,
Figure 112015085044236-pat00022
를 수정함으로써, MUSIC 알고리즘의 해상 성능이 양호해진다. (i*-1)번째 소자와 (i*+1)번째 소자로부터의 수신 신호 벡터를 사용함으로써, 아래 수학식 11과 같이
Figure 112015085044236-pat00023
이
Figure 112015085044236-pat00024
로서 수정될 수 있다.
Figure 112015085044236-pat00025
여기서,
Figure 112015085044236-pat00026
는 제 2단계(S200)에서의 추정된 DOA이다. 두 개의 신호 s1(k)와 s2(k)가 방향 θ1과 θ2로부터 어레이에 입사하면,
Figure 112015085044236-pat00027
및
Figure 112015085044236-pat00028
는 아래 수학식 12와 같이 표현된다.
Figure 112015085044236-pat00029
따라서, 두 개의 신호 소스가 상당히 인접해 있으면, 아래 수학식 13에 따르는 관계가 확립된다.
Figure 112015085044236-pat00030
수학식 13에 의해, 수학식 11는 수신 신호 보간에 적합하며, 따라서,
Figure 112015085044236-pat00031
가
Figure 112015085044236-pat00032
로 변환되게 된다.
상술한 바와 같이 불량 안테나 소자의 수신 신호를 보정한 이후, 도 3에 도시된 바와 같이 보정된 불량 안테나 소자의 수신 신호를 반영하여 복수 개의 수신 안테나 소자(120)에 입사되는 반사파의 입사 각도를 각도 추정 알고리즘을 이용하여 다시 추정하는 제 4-2단계(S420)가 진행된다. 이하에서는, 제 4-2단계(S420) 진행시, 제 2단계(S200)와 마찬가지로 MUSIC 알고리즘을 적용하여 반사파의 입사 각도를 재추정하는 예를 설명하도록 한다.
먼저 제 4-1단계(S410)에서 새롭게 생성된 신호 벡터
Figure 112015085044236-pat00033
를 사용하여, 아래 수학식 14와 같이 표현되는 새로운 상관 매트릭스
Figure 112015085044236-pat00034
를 생성한다.
Figure 112015085044236-pat00035
MUSIC 알고리즘을 적용하는데 있어서, 상기 새롭게 생성된 상관 매트릭스인
Figure 112015085044236-pat00036
를 사용함으로써 고유값 분해가 처리된다. 이어서, 수학식 5의 의사 스펙트럼을 이용하여, 새로운 DOA들을 추정한다. 한편, 선택된 i*번째 소자가 어레이의 처음 또는 마지막에 위치하는 경우에는, 이웃하는 하나의 수신 신호 벡터를 사용하는 것이 바람직하다.
이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 장치에 대하여 설명하되, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법에서 설명한 내용과 중복되는 내용은 그 자세한 설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 장치는 도 4에 도시된 바와 같이 수신 안테나 소자(120), 입사 각도 추정부(200), 검출부(300) 및 보정부(400)를 포함하도록 구성된다.
복수 개의 수신 안테나 소자(120)는 선형 위상 어레이 안테나(100) 내에 송신 안테나 소자(110)와 함께 구비되어 있는 구성으로써, 송신 안테나 소자(110)가 송신한 송신 신호가 타겟(10)에 의해 반사되는 반사파를 수신하는 기능을 수행한다.
입사 각도 추정부(200)는 수신 안테나 소자(120)에 입사되는 반사파의 입사 각도를 추정하는 구성으로써, 각도 추정 알고리즘을 이용하여 수신 안테나 소자(120)에 입사되는 반사파의 입사 각도를 추정하는 기능을 수행하며, 각도 추정 알고리즘으로는 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC Algorithm)을 이용할 수도 있을 것이다.
검출부(300)는 입사 각도 추정부(200)에서 추정된 반사파의 입사 각도에 기초하여 복수 개의 수신 안테나 소자(120) 중 불량 안테나 소자를 선정하는 기능을 수행하는 구성이다. 검출부(300)는 구체적으로 복수 개의 수신 안테나 소자(120)가 각각 수신한 반사파의 수신 전력에 기초하여 불량 안테나 소자를 선정할 수 있는데, 이러한 기능의 수행을 위하여 전력 산출부(310), 비교부(320) 및 결정부(330)로 구성하는 것도 가능하다. 전력 산출부(310)는 복수 개의 수신 안테나 소자(120)가 각각 수신한 반사파의 수신 전력을 산출하고, 비교부(320)는 산출된 수신 전력과 임계치를 비교하고, 마지막으로 결정부(330)는 비교부(320)의 비교 결과에 기초하여 복수 개의 수신 안테나 소자(120) 중 불량 안테나 소자를 결정하게 된다.
보정부(400)는 검출부(300)에서 선정된 불량 안테나 소자의 수신 신호를 보정하게 되고, 이에 대한 자세한 내용은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법에서 이미 설명하였으므로 그 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 장치는 입사 각도 추정부(200)가 보정부(400)에서 보정된 불량 안테나 소자의 수신 신호를 반영하여 수신 안테나 소자(120)에 입사되는 반사파의 입사 각도를 다시 추정한다. 상술한 바와 같이, 반사파의 입사 각도의 추정은 다중 신호 분류 알고리즘 등의 고해상도 각도 추정 알고리즘을 적용할 수 있다.
결국, 입사 각도 추정부(200)가 반사파의 입사 각도를 1차적으로 추정하고, 검출부(300)가 추정된 입사 각도를 이용하여 불량 안테나 소자를 선정한 후, 보정부(400)가 불량 안테나 소자의 수신 신호를 보정하게 되고, 보정된 불량 안테나 소자의 수신 신호를 반영하여 입사 각도 추정부(200)가 반사파의 입사 각도를 2차적으로 추정함으로써, 정교하고 높은 해상도로 입사 신호들의 입사 각도를 산출할 수 있게 된다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 타켓 100: 선형 위상 어레이 안테나
110: 송신 안테나 소자 120: 수신 안테나 소자
200: 입사 각도 추정부 300: 검출부
310: 전력 산출부 320: 비교부
330: 결정부 400: 보정부

Claims (10)

  1. 복수 개의 송신 안테나 소자(110) 및 수신 안테나 소자(120)를 포함하는 선형 위상 어레이 안테나(100)의 공간 보간 방법에 있어서,
    상기 복수 개의 수신 안테나 소자(120)가 타겟(10)으로부터 반사되는 반사파를 수신하는 단계(S100);
    각도 추정 알고리즘을 이용하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자(120)에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 추정하는 단계(S200);
    상기 복수 개의 수신 안테나 소자(120) 중 소정의 기준보다 높은 잡음 플로어를 가지는 불량 안테나 소자를 선정하는 단계(S300); 및
    상기 불량 안테나 소자의 수신 신호를 보정하고, 상기 복수 개의 수신 안테나 소자(120)에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 각도 추정 알고리즘을 이용하여 다시 추정하는 단계(S400);
    를 포함하는 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 불량 안테나 소자를 선정하는 단계(S300)는,
    상기 복수 개의 수신 안테나 소자(120)가 각각 수신한 반사파의 수신 전력을 산출하는 단계(S310);
    상기 복수 개의 수신 안테나 소자(120)가 각각 수신한 반사파의 수신 전력과 임계치를 비교하는 단계(S320); 및
    상기 비교 결과에 기초하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자(120) 중 불량 안테나 소자를 선정하는 단계(S330);
    를 포함하는 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 각도 추정 알고리즘을 이용하여 다시 추정하는 단계(S400)는,
    상기 불량 안테나 소자의 수신 신호를 다른 수신 안테나 소자의 수신 신호에 기초하여 보정하는 단계(S410);
    보정된 상기 불량 안테나 소자의 수신 신호를 반영하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 각도 추정 알고리즘을 이용하여 다시 추정하는 단계(S420);
    를 포함하는 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 각도 추정 알고리즘은 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC Algorithm) 또는 회전 불변 기술을 통한 파라미터 추정 기법(estimation of parameters via invariance technique: ESPRIT)인 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 방법.
  5. 타겟(10)으로부터 반사되는 반사파를 수신하는 복수 개의 수신 안테나 소자(120);
    상기 수신 안테나 소자(120)에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 추정하는 입사 각도 추정부(200);
    상기 반사파의 입사 각도에 기초하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자(120) 중 소정의 기준보다 높은 잡음 플로어를 가지는 불량 안테나 소자를 선정하는 검출부(300);
    선정된 상기 불량 안테나 소자의 수신 신호를 보정하는 보정부(400);
    를 포함하고,
    상기 입사 각도 추정부(200)는 상기 보정부(400)에서 보정된 상기 불량 안테나 소자의 수신 신호에 기초하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자(120)에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 다시 추정하는 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 검출부(300)는 상기 복수 개의 수신 안테나 소자(120)가 각각 수신한 반사파의 수신 전력에 기초하여 상기 불량 안테나 소자를 선정하는 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 검출부(300)는,
    상기 복수 개의 수신 안테나 소자(120)가 각각 수신한 반사파의 수신 전력을 산출하는 전력 산출부(310);
    상기 산출된 수신 전력과 임계치를 비교하는 비교부(320); 및
    상기 비교부(320)의 비교 결과에 기초하여 상기 복수 개의 수신 안테나 소자(120) 중 불량 안테나 소자를 결정하는 결정부(330);
    를 포함하는 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 장치.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 보정부(400)는 상기 불량 안테나 소자의 수신 신호를 다른 수신 안테나 소자의 수신 신호에 기초하여 보정하는 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 장치.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 입사 각도 추정부(200)는 각도 추정 알고리즘을 이용하여 상기 수신 안테나 소자(120)에 입사되는 상기 반사파의 입사 각도를 추정 또는 재추정하는 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 각도 추정 알고리즘은 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC Algorithm) Ehsms 회전 불변 기술을 통한 파라미터 추정 기법(estimation of parameters via rotational invariance technique:ESPRIT)인 선형 위상 어레이 안테나의 공간 보간 장치.
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