KR102460506B1 - 고해상도 레이더 영상 제공을 위한 펄스 적분 방법 및 이를 이용한 해안 감시 레이더 - Google Patents

고해상도 레이더 영상 제공을 위한 펄스 적분 방법 및 이를 이용한 해안 감시 레이더 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2차원 해안 감시 레이더에서 레이더 펄스모드에 관계없이 고해상도 레이더 영상을 제공할 수 있는 펄스 적분 방법과 이를 이용한 해안 감시 레이더에 관한 것으로, 안테나(100); 상기 안테나(100)를 통해 펄스를 송신하거나 물체에 반사되어 안테나(100)에서 감지된 레이더 원시 영상 신호를 수신하는 송수신기(200) 및 상기 수신된 신호를 사용자 화면에 표시하는 디스플레이(300)로 구성되어, 상기 디스플레이(300)가 상기 수신된 레이더 원시 영상 신호를 상기 안테나(100)의 회전에 따른 방위각 정보와 매칭하여 일정한 거리 분해능으로 설정된 탐지 거리 간격으로 이산화하는 A/D 변환 모듈(310), 상기 이산화된 레이더 원시 영상 데이터를 잡음 감쇄 및 클러터 감쇄 필터링한 후 표적 탐지 정보로 추출하는 신호 처리 모듈(320), 상기 표적 탐지 정보를 기 추적중인 표적과 연계하거나 신규 표적으로 추가하는 표적 추적 모듈(330) 및 상기 신호 처리 모듈(320)에서 출력된 레이더 영상과 표적 추적 모듈(330)에서 출력된 표적 정보를 사용자 화면에 표시하는 디스플레이 모듈(340)로 구성되고, 상기 신호 처리 모듈(320)이 레이더 추출 영상 행렬의 행번호에 해당하는 추출 방위각을 중심으로 소정 범위의 방위각 범위에 레이더 원시 영상 신호이 있는지 여부에 따라 펄스 적분 수행 여부를 결정하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

고해상도 레이더 영상 제공을 위한 펄스 적분 방법 및 이를 이용한 해안 감시 레이더{PULSE INTEGRATION METHOD FOR PROVIDING HIGH RESOLUTION RADAR IMAGE AND SEA SURVEILLANCE RADAR SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 레이더를 이용한 시스템에서 고해상도 레이더 영상을 제공하기 위한 펄스 적분 방법과 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2차원 해안 감시 레이더에서 레이더 펄스모드에 관계없이 고해상도 레이더 영상을 제공할 수 있는 펄스 적분 방법과 이를 이용한 해안 감시 레이더에 관한 것이다.
항공 또는 해안 감시 시스템은 항공기 또는 선박의 안전한 운항을 위한 경로 감시, 미확인 항공기 또는 선박의 침입 감시를 위하여 레이더를 비롯한 다양한 센서를 이용하여 항공기/선박의 위치정보 및 상태정보를 수집하고, 이로부터 항공기 또는 선박의 항적 감시 및 안전한 항로 유도 등 다양한 서비스를 제공하고 있다.
레이더를 이용한 항공 또는 해안 감시 시스템은 레이더 영상과 탐지된 표적(Target)을 추적하여 항공기 또는 선박의 정확한 위치 및 속도 정보를 수집하는데, 이중 해안 감시 시스템에서 사용하는 해안 감시 레이더는 일정한 주기로 회전하면서 신호를 송신하고, 선박과 같은 표적, 육지 및 건물과 같은 지형, 파도와 같은 바다에 의해 반사되는 신호를 수신한다.
그리고 수신된 레이더 반사 신호는 잡음 및 클러터(Clutter)를 감쇄하기 위하여 여러 단계의 신호처리 과정을 거쳐 레이더 영상을 생성한 후, 디스플레이의 화면에 표시된다.
해안 감시 레이더는 탐지 거리에 따라 다수의 펄스모드, 예를 들면 VSP(Very Short Pulse), SP(Short Pulse), MP(Medium Pulse), LP(Long Pulse), VLP(Very Long Pulse) 등으로 운용된다. 펄스모드에 따라 펄스반복주파수(PRF, Pulse Repetition Frequency)가 달라지므로 신호처리부로 입력되는 레이더 원시 영상 데이터의 해상도가 달라지게 된다.
일반적으로 일정한 레이더 영상 해상도를 제공하기 위하여 가장 작은 펄스반복주파수를 갖는 펄스모드에서 획득 가능한 레이더 원시 영상 데이터의 크기를 기준으로 신호처리부의 출력 영상 해상도를 설정하거나, 펄스모드에 따라 가변 해상도를 갖도록 신호처리부의 출력 영상 해상도를 설정할 수 있다. 따라서, 낮은 펄스반복주파수를 갖는 펄스모드에서 신호처리부의 출력 영상 해상도의 저하를 피할 수 없다는 문제점이 있다.
KR 10-2007-0025093 A (2007. 3. 8.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 해안 감시 레이더의 펄스모드에 관계없이 설정된 출력 영상 해상도의 영상을 제공할 수 있는 펄스 적분 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 해안 감시 레이더는 안테나; 상기 안테나를 통해 펄스를 송신하거나 물체에 반사되어 안테나에서 감지된 레이더 원시 영상 신호를 수신하는 송수신기 및 상기 수신된 신호를 사용자 화면에 표시하는 디스플레이로 구성되는 해안 감시 레이더로서, 상기 디스플레이가 상기 수신된 레이더 원시 영상 신호를 상기 안테나의 회전에 따른 방위각 정보와 매칭하여 일정한 거리 분해능으로 설정된 탐지 거리 간격으로 이산화하는 A/D 변환 모듈, 상기 이산화된 레이더 원시 영상 데이터를 잡음 감쇄 및 클러터 감쇄 필터링한 후 표적 탐지 정보로 추출하는 신호 처리 모듈, 상기 표적 탐지 정보를 기 추적중인 표적과 연계하거나 신규 표적으로 추가하는 표적 추적 모듈 및 상기 신호 처리 모듈에서 출력된 레이더 영상과 표적 추적 모듈에서 출력된 표적 정보를 사용자 화면에 표시하는 디스플레이 모듈로 구성되고, 상기 신호 처리 모듈이 레이더 추출 영상 행렬의 행번호에 해당하는 추출 방위각을 중심으로 소정 범위의 방위각 범위에 레이더 원시 영상 신호이 있는지 여부에 따라 펄스 적분 수행 여부를 결정하는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 해안 감시 레이더에서 고해상도 레이더 영상 제공을 위한 펄스 적분 방법은 레이더 원시 영상 데이터에 대해 추출할 방위각(
Figure 112021024654109-pat00001
)을 설정하고 추출 방위각(
Figure 112021024654109-pat00002
)의 양(+)과 음(-) 방향으로 소정 각도(△θ) 내에 있는 방위각 영역에 있는 레이더 원시 영상 데이터의 방위각(ACPi)에 대해 원시 영상 데이터를 추출하는 원시 데이터 추출 단계; 상기 원시 데이터 추출 단계에서 추출된 원시 데이터 개수가 0인지 여부를 판단하여, 원시 데이터 개수가 0이라면 추출 방위각(
Figure 112021024654109-pat00003
)에 있는 데이터 소거(S25)하는 펄스 적분 여부 판단 단계 및 상기 원시 데이터 추출 단계(S10)에서 추출된 원시 영상 데이터의 최솟값(ACPmin)과 최댓값(ACPmax)과 추출 방위각(
Figure 112021024654109-pat00004
)의 관계가 아래 [수학식 2]를 만족하면 보간법 처리를 수행하고, 아래 [수학식 4]를 만족하면 외삽법 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 펄스 적분 단계(S30)를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
[수학식 2]
Figure 112021024654109-pat00005
[수학식 4]
Figure 112021024654109-pat00006
본 발명에 따른 해안 감시 레이더에서 고해상도 레이더 영상 제공을 위한 펄스 적분 방법은 레이더 원시 영상의 해상도가 신호처리부의 출력 영상 해상도보다 낮은 경우 외삽법을 이용하고, 높은 경우 보간법을 이용하여 펄스 적분을 수행함으로써 일정한 고해상도 레이더 영상을 제공할 수 있다. 이에 따라 소형 선박에 대한 탐지 및 추적이 가능하도록 하여 해안경계시스템의 성능을 크게 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 해안 감시 레이더에서 고해상도 레이더 영상 제공을 위한 펄스 적분 방법이 적용되는 해안 감시 레이더 운용 환경의 예시도
도 2는 레이더 디스플레이의 사용자 화면에 표시되는 레이더 영상의 예시도
도 3은 해안 감시 레이더의 구성도
도 4는 레이더 펄스모드에 따른 펄스반복주파수와 분당회전수에 따라 획득되는 레이더 원시 영상 데이터의 예시도
도 5는 디스플레이의 구성도
도 6은 디스플레이의 A/D변환부에서 획득되는 레이더 원시 데이터(A-Scope) 구조의 예시도
도 7은 디스플레이의 신호처리부에 입력되는 레이더 원시 영상(B-Scope) 데이터 구조의 예시도
도 8은 신호처리부의 구성도
도 9는 본 발명에 따른 해안 감시 레이더에서 고해상도 레이더 영상 제공을 위한 펄스 적분 방법에서 신호처리부의 펄스적분기에서 보간법 및 외삽법을 이용하여 펄스 적분하는 과정을 나타낸 순서도
이하에서는 본 발명에 따른 해안 감시 레이더에서 고해상도 레이더 영상 제공을 위한 펄스 적분 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 해안 감시 레이더에서 고해상도 레이더 영상 제공을 위한 펄스 적분 방법이 적용되는 해안 감시 레이더 운용 환경의 예시도로서, 해안 감시 레이더(R)는 일정한 주기로 회전하면서 신호를 송신하고, 선박과 같은 표적(T), 파도와 같은 바다(S), 육지 및 건물과 같은 지형(L)에 의해 반사되는 신호를 수신한다. 수신된 레이더 신호는 잡음 및 클러터(Clutter)에 대한 신호처리 과정을 거쳐 레이더 영상을 생성한 후 사용자 화면에 도시된다.
도 2는 레이더 디스플레이의 사용자 화면에 디스플레이 되는 레이더 영상의 예시도이다. 레이더 영상(200)에는 선박과 같은 표적에 의한 영상(T), 바다의 파도에 의한 영상(S), 지형에 의한 영상(L) 등이 나타날 수 있다. 파도에 의한 영상(S)은 불특정한 지점에 일시적으로 나타날 수 있는데 통상 해상 클러터(Sea Clutter)라 한다.
도 3은 해안 감시 레이더의 구성도로서, 해안 감시 레이더(R)는 일정한 주기로 회전하는 안테나(100), 안테나(100)를 통해 펄스를 송신하거나 선박, 지형, 바다와 같은 운용 환경에서 반사되어 안테나(100)에서 감지된 신호를 수신하는 송수신기(200) 및 수신된 신호를 사용자 화면에 표시하는 디스플레이(300)로 구성된다.
도 4는 레이더 펄스모드에 따른 펄스반복주파수와 분당회전수에 따라 획득되는 레이더 원시 영상 데이터의 예시도로서, 레이더 원시 영상의 크기는 해안 감시 레이더 안테나가 1회전 하면서 각각의 방위각 방향에서 수신한 펄스의 개수 및 수신 펄스별 거리 방향에 대해 이산화(Discretization)된 데이터(RangeBin)로 나타낼 수 있다. 레이더 원시 영상에서 방위각 방향에 대한 데이터 개수는 펄스반복주파수(402)와 안테나의 회전주기(60/RPM)의 곱으로 나타낼 수 있다.
도 5는 디스플레이의 구성도로서, 디스플레이(300)는 수신된 아날로그 레이더 신호를 안테나 회전에 따른 방위각 정보와 매칭하여 일정한 거리 분해능으로 설정된 탐지 거리 간격으로 이산화하는 A/D 변환 모듈(310), 이산화된 레이더 원시 영상 데이터를 잡음 감쇄 및 클러터 감쇄 필터링한 후 표적 탐지 정보로 추출하는 신호 처리 모듈(320), 표적 탐지 정보를 기 추적중인 표적과 연계하거나 신규 표적으로 추가하는 표적 추적 모듈(330) 및 신호 처리 모듈(320)에서 출력된 레이더 영상과 표적 추적 모듈(330)에서 출력된 표적 정보를 사용자 화면에 표시하는 디스플레이 모듈(340)로 구성된다.
이때 신호처리 모듈(320)은 A/D 변환 모듈(310)로부터 레이더 원시 영상 데이터를 수신하고, 설정된 출력 영상 해상도와 비교하여, 그 결과에 따라 보간법 또는 외삽법이 적용된 펄스 적분 방법을 채택하게 된다.
도 6은 디스플레이의 A/D변환부에서 획득되는 레이더 원시 데이터(A-Scope) 구조의 예시도로서, 레이더 원시 데이터(A-Scope)는 방위각 데이터(DA,RAW) 및 거리에 대해 이산화된 거리에 따른 반사 신호 데이터(DT,RAW)로 구성된다.
도 7은 디스플레이의 신호처리부에 입력되는 레이더 원시 영상(B-Scope) 데이터 구조의 예시도로서, 레이더 원시 영상(B-Scope)은 레이더 원시 데이터(A-Scope)가 방위각 데이터가 증가 또는 감소하는 순서로 누적된 형태로 구성된다. 즉, 레이더 원시 영상(B-Scope)은 누적된 방위각 데이터(DA,RAW)와 누적된 반사 신호 데이터(DT,RAW)의 행렬 형태로 구성된다.
도 8은 디스플레이의 신호처리부에서 출력되는 레이더 추출 영상 데이터 구조(또는 데이터 행렬)의 예시도로서, 레이더 원시 영상(B-Scope)의 연속되는 2 이상의 행(row)을 적분하여 레이더 추출 영상 데이터로 변환한다. 예를 들어, SP 펄스 모드의 경우 레이더 원시 영상(B-Scope)이 9600개의 행을 가지는 데이터{레이더가 1회전할 때 이루어지는 9600번의 레이더 신호 송출 및 수신이 9600개의 행의 레이더 원시 영상(B-Scope)을 생성한다}이고, 레이더 추출 영상은 4960개의 행을 가지는 데이터로 변환하고자 할 때(N = 9600, Q = 4960), 4960개의 행에 대응되는 방위각 범위에 속하는 레이더 원시 영상(B-Scope) 데이터를 적분하여 4960개의 행을 가지는 레이더 추출 영상 데이터를 만드는 것이다.
도 9는 신호 처리 모듈의 구성도로서, 신호 처리 모듈(320)은 보간법 또는 외삽법 중 어느 하나를 채택하여 레이더 원시 영상을 펄스 적분하는 펄스 적분기(321), 펄스 적분된 영상 신호를 잡음 감쇄 및 클러스터 감쇄 필터링하는 잡음/클러터 처리기(323), 잡음/클러터 처리기(323)의 출력 영상의 신호 크기가 설정된 임계값 이상인지를 판단하고 임계값 이상인 경우 표적으로 인식하는 표적 탐지기(325) 및 표적으로 인식된 영상에 대해 방위각 및 거리를 추출하는 표적 정보 추출기(327)로 구성된다.
도 10은 본 발명에 따른 해안 감시 레이더에서 고해상도 레이더 영상 제공을 위한 펄스 적분 방법에서 신호 처리 모듈의 펄스적분기에서 보간법 또는 외삽법을 이용하여 펄스 적분하는 과정을 나타낸 순서도이다. 본 발명에서 펄스 적분은 다음과 같이 수행된다.
① 원시 데이터 추출 단계(S10): 추출할 방위각(
Figure 112021024654109-pat00007
, 이하 ‘추출 방위각’이라 한다)을 설정하고 추출 방위각(
Figure 112021024654109-pat00008
)의 양(+)과 음(-) 방향으로 소정 각도(△θ) 내에 있는 방위각 영역에 있는 레이더 원시 영상 데이터의 방위각(ACPi)에 대해 원시 영상 데이터를 추출한다(i는 복수 개일 수 있다).
Figure 112021024654109-pat00009
② 펄스 적분 여부 판단 단계(S20): 원시 데이터 추출 단계(S10)에서 추출된 원시 데이터 개수가 0인지(가령 N < Q인 경우 또는 Δθ가 매우 작은 경우 [수학식 1]의 구간에 원시 데이터가 없을 수도 있다), 즉 원시 데이터가 없어서 펄스 적분이 필요한지 아닌지 여부를 판단하여, 원시 데이터 개수가 0이라면 펄스 적분을 건너뛰고 추출 방위각(
Figure 112021024654109-pat00010
)에 있는 데이터를 소거(S25)한다(데이터를 소거하지 않으면 이전 데이터가 누적되어 자취를 남기게 된다). 만약 원시 데이터가 1개 이상이라면 펄스 적분을 수행하도록 한다.
③ 펄스 적분 단계(S30): 펄스 적분 여부 판단 단계(S20)에서 펄스 적분을 해야 하는 경우로 판단되었다면 펄스 적분을 수행한다. 이때, 원시 데이터 추출 단계(S10)에서 추출된 원시 영상 데이터의 최솟값(ACPmin)과 최댓값(ACPmax)과 추출 방위각(
Figure 112021024654109-pat00011
)의 관계에 따라 보간 또는 외삽의 방법으로 펄스 적분을 수행한다.
구체적으로, 아래 [수학식 2]를 만족하면 보간법 처리(S31)를 수행하는데, 위 [수학식 1]을 만족하는 ACPi, ACPj(i≠j) 조합 전체에 대해 레이더 추출 영상 행렬의 원소는 아래 [수학식 3]으로 정의할 수 있다{N(i, j)는 ACPi, ACPj 조합의 개수, k = 1, 2, 3, … Q}.
Figure 112021024654109-pat00012
Figure 112021024654109-pat00013
다음으로, 아래 [수학식 4]를 만족하면 외삽법 처리(S33)를 수행한다. 외삽법도 보간법과 유사하게 위 [수학식 1]을 만족하는 ACPi, ACPj(i≠j) 조합 전체에 대해 계산되어, 레이더 추출 영상 행렬의 원소는 아래 [수학식 4]로 정의된다.
Figure 112021024654109-pat00014
Figure 112021024654109-pat00015
위와 같은 단계를 거쳐 레이더 영상을 처리함으로써 고해상도 레이더 원시 영상 데이터로부터 저해상도 레이더 화면을 구현하거나, 저해상도 레이더 원시 영상 데이터로부터 고해상도 레이더 화면을 구현할 수 있다.
100 안테나 200 송수신기
300 디스플레이 310 A/D 변환 모듈
320 신호 처리 모듈 321 펄스 적분기
323 잡음/클러터 처리기 325 표적 탐지기
327 표적 정보 추출기 330 표적 추적 모듈
340 디스플레이 모듈
S10 원시 데이터 추출 단계 S20 펄스 적분 여부 판단 단계
S25 데이터 소거 단계 S30 펄스 적분 단계
S31 보간법 처리 단계 S33 외삽법 처리 단계

Claims (2)

  1. 삭제
  2. 레이더 원시 영상 데이터에 대해 추출할 방위각(
    Figure 112022071208196-pat00016
    )을 설정하고 추출 방위각(
    Figure 112022071208196-pat00017
    )의 양(+)과 음(-) 방향으로 소정 각도(△θ) 내에 있는 방위각 영역에 있는 레이더 원시 영상 데이터의 방위각(ACPi)에 대해 원시 영상 데이터를 추출하는 원시 데이터 추출 단계(S10);
    상기 원시 데이터 추출 단계(S10)에서 추출된 원시 데이터 개수가 0인지 여부를 판단하여, 원시 데이터 개수가 0이라면 추출 방위각(
    Figure 112022071208196-pat00018
    )에 있는 데이터 소거(S25)하는 펄스 적분 여부 판단 단계(S20) 및
    상기 원시 데이터 추출 단계(S10)의 추출된 원시 영상 데이터의 최솟값(ACPmin)과 최댓값(ACPmax)과 추출 방위각(
    Figure 112022071208196-pat00019
    )의 관계가 아래 [수학식 2]를 만족하면 보간법 처리(S31)를 수행하고, 아래 [수학식 4]를 만족하면 외삽법 처리(S33)를 수행하는 것을 특징으로 하는 펄스 적분 단계(S30)를 포함하는 고해상도 레이더 영상 제공을 위한 펄스 적분 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112022071208196-pat00020

    [수학식 4]
    Figure 112022071208196-pat00021


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