KR102481961B1 - 방향탐지 장치 및 방법 - Google Patents

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윤창열
최대규
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Abstract

방향탐지 장치는 복수의 안테나로부터 수신되는 수신신호의 위상을 동시에 측정하고, 상기 수신신호의 주파수와 안테나 간 위상차 정보를 생성하는 방위각 신호 수신부, 사전에 측정된 주파수별 방위각 방사보정 데이터에서 측정된 제1 위상차가 포함되는 영역과 인접 영역을 보정 데이터로 선별하고, 상기 보정 데이터를 이용하여 개략방위를 추정하는 방위각 연산부, 및 상기 개략방위에서 정밀방위각을 추정하는 정밀방위각 연산부를 포함한다.

Description

방향탐지 장치 및 방법{DIRECTION FINDING DEVICE AND METHOD}
본 발명은 방향탐지 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방향탐지 시간을 줄일 수 있는 방향탐지 장치 및 방법에 관한 것이다.
인터페로메터(interferometer) 방식의 신호방향탐지 장비는 배열 안테나를 이용하여, 각 안테나로부터 수신되는 신호의 위상을 동시에 측정하고, 측정된 배열 안테나들 간의 위상차 정보들을 이용하여 방위각을 산출하는 방식을 사용한다.
도 1은 인터페로메터 방식의 위상차를 측정하는 개념도이다. 안테나들(A1, A2, A3, A4) 간에 거리(d1, d2, d3)가 이격되어 있으므로, 신호원의 방위각(θ)에 따라 안테나별 수신신호의 위상이 달라진다. 이때, 주파수와 안테나 간 거리(d1, d2, d3)에 따라 각 안테나에 수신되는 신호의 위상차(φ1, φ2, φ3)가 결정되므로 각 안테나 간 위상차(φ1, φ2, φ3) 정보로 방위각(θ)을 추론할 수 있다.
이상적인 경우에는 안테나 간 거리에 따라 측정되는 위상차 값이 결정되나, 시스템에서는 주파수, 안테나, 레이돔, 수신기 특성 등에 따라 위상차 값이 달라진다. 이를 보완하기 위해 사전에 방위각 별로 각 안테나에서 수신한 신호들 간의 위상차를 측정하고, 이 측정 데이터를 기반으로 신호원의 방위각을 결정한다. 도 2는 측정된 안테나 간 위상차(보정 데이터)를 3차원으로 도시한 그래프이다. 도 2의 각 축은 도 1의 A1-A2(φ1), A3-A4(φ2), A1-A3(φ3) 안테나 간의 위상차를 측정한 보정 데이터이다. 도 3과 같이 방위각 별로 사전 측정된 보정 데이터와 수신된 신호의 데이터(안테나 간 수신 위상차)를 모두 비교하여 가장 근접 위치의 보정 데이터가 방위각으로 결정된다.
시스템의 요구사항에 따라 주파수와 방위각의 분해능이 결정된다. 이 분해능에 따라 모든 주파수와 방위각에 따라 안테나별 위상차가 사전 측정되어야 하나, 이는 많은 시간이 소요된다. 따라서 일반적으로 개략 추정 각도를 결정한 후, 개략방위 데이터 기반으로 정밀방위를 보간법을 이용하여 생성한다. 개략방위의 분해능 수준으로 사전 측정이 실시된다. 도 4와 같이 측정된 개략방위(θ)와 인접 각도(인접 방위각)(θ-1, θ+1)를 일정 간격으로 균등하게 나누어 보간 데이터를 생성하고, 도 5와 같이 보간 데이터들과 측정 위상차들(φ1, φ2, φ3)을 비교하여 가장 인접한 최종 방위각(angle of arrival, AOA)을 결정한다.
전자전 장비의 특성상 방향탐지 장치가 탑재되는 플랫폼의 보호를 위해 위협신호원의 위치를 제한된 시간 내에 처리해야 하므로, 이를 위해 위상차 비교를 위한 방위각 연산 로직이 FPGA(Field Programmable Gate Array)에 구현된다. 방향탐지를 해야 하는 신호원의 주파수가 다양하고 고속처리가 요구되어 수신기는 넓은 대역을 서브채널로 분리하여 병렬적으로 동시에 신호를 측정한다. 수십 개의 서브채널에서 측정된 위상차 데이터를 빠른 시간 내에 처리해야 하나, FPGA 용량 제한으로 하나의 방위각 연산 로직이 구현되어, 동시 신호 발생 시 병목현상이 발생하게 되고, 이로 인해 위협신호의 방향탐지 시간이 지연될 수 있다.
기존 시스템에서는 도 3과 같이 모든 방위각의 보정 데이터와 측정 위상차를 비교하여 FPGA 자원이 많이 소요되었다. 제한된 처리시간을 충족하기 위해 모든 보정 데이터와의 상관도를 동시에(병렬적으로) 계산하였고, 그에 따른 최근접 위치를 찾기 위한 자원도 많이 소요되었다. 또한, 개략방위로 결정된 방위각의 앞/뒤 인접 방위각을 균등하게 분할하여 정밀방위 추정을 위한 보간 데이터를 생성하고, 생성된 위상차 정보와 측정 위상차 정보를 모두 비교하여 최대 상관도를 갖는 위치를 찾아 정밀방위를 결정한다. 제한된 시간 내에 처리해야 하므로 FPGA로 구현되었으나 자원이 많이 소요되었다. FPGA 자원의 제한으로 방위각 결정 로직이 하나로 구현되었고 다수의 채널에서 동시에 수신되는 방향탐지 요청이 지연되는 결과를 초래하였다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 FPGA에 탑재되는 방향탐지 로직의 소요 자원을 최소화하여, 방향탐지 처리시간을 최소화하고, 병렬화를 통해 병목현상을 줄여 시스템 수준에서 위협신호의 방향탐지 시간을 줄일 수 있는 방향탐지 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방향탐지 장치는 복수의 안테나로부터 수신되는 수신신호의 위상을 동시에 측정하고, 상기 수신신호의 주파수와 안테나 간 위상차 정보를 생성하는 방위각 신호 수신부, 사전에 측정된 주파수별 방위각 방사보정 데이터에서 측정된 제1 위상차가 포함되는 영역과 인접 영역을 보정 데이터로 선별하고, 상기 보정 데이터를 이용하여 개략방위를 추정하는 방위각 연산부, 및 상기 개략방위에서 정밀방위각을 추정하는 정밀방위각 연산부를 포함한다.
상기 방위각 신호 수신부는 상기 수신신호를 복수의 서브채널로 분리하여 채널별로 안테나 간 위상차를 측정할 수 있다.
상기 방위각 연산부는, 상기 복수의 서브채널 각각에서 출력되는 채널별 주파수 및 채널별 안테나 간 위상차를 하나의 데이터 쌍으로 저장 및 병합하는 데이터 병합부, 및 상기 데이터 쌍의 주파수와 위상차를 상기 개략방위를 추정하는 방위각 추정부를 포함할 수 있다.
상기 방위각 추정부는, 주파수별로 사전에 측정된 방위각에 따른 위상차를 포함하는 상기 방위각 방사보정 데이터를 저장하고 있는 방위각 방사보정 데이터부, 상기 방위각 방사보정 데이터를 주파수에 따라 일정 영역으로 구분하고, 각 영역의 시작과 종료 범위의 위상차 테이블을 포함하고 있는 영역구분 테이블부, 상기 위상차 테이블을 이용하여 상기 방위각 방사보정 데이터에서 3개의 영역을 상기 제1 위상차를 기준으로 선별하고, 선별된 방위각 방사보정 데이터에서 제2 위상차 및 제3 위상차 기준으로 상기 보정 데이터를 선택하는 데이터 선택부, 상기 제1 위상차, 상기 제2 위상차, 상기 제3 위상차 및 상기 선별된 방위각 방사보정 데이터를 이용하여 상관도 계산을 수행하여 벡터거리를 계산하는 벡터거리 계산부, 및 상기 벡터거리에서 최소거리를 찾고 기준 각도 단위의 상기 개략방위를 출력하는 최소거리 선택부를 포함할 수 있다.
상기 방위각 방사보정 데이터는 방위각과 상기 복수의 안테나에서 임의의 두 안테나 간의 이격 거리에 의해 설정되는 값인 제1 위상차, 제2 위상차 및 제3 위상차로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 방향탐지 장치의 방향탐지 방법은, 복수의 안테나 각각으로부터 수신되는 수신신호의 주파수와 상기 복수의 안테나에서 임의의 두 안테나 간의 이격 거리에 의해 설정되는 값인 제1 위상차, 제2 위상차 및 제3 위상차를 데이터 쌍으로 생성하는 단계, 상기 데이터 쌍의 주파수와 상기 제1 위상차를 기반으로 방위각 방사보정 데이터를 선택하는 단계, 상기 방위각 방사보정 데이터에서 상기 제1 위상차가 포함되는 영역과 인접 영역을 보정 데이터로 선별하는 단계, 상기 보정 데이터를 이용하여 계산된 벡터거리에서 최소거리를 갖는 데이터를 개략방위로 추정하는 단계, 및 상기 개략방위에서 정밀방위각을 추정하는 단계를 포함한다.
상기 방위각 방사보정 데이터는 방위각과 상기 복수의 안테나에서 임의의 두 안테나 간의 이격 거리에 의해 설정되는 값인 제1 위상차, 제2 위상차 및 제3 위상차로 구성될 수 있다.
상기 제1 위상차가 포함되는 영역과 상기 인접 영역 내의 각 보정 데이터의 제2 위상차 및 제3 위상차를 측정된 제2 위상차 및 제3 위상차와 비교하여 일정 영역 내에 근접한 데이터만을 상기 벡터거리 계산을 위한 상기 보정 데이터로 선별할 수 있다.
상기 제1 위상차, 상기 제1 위상차 기준으로 최근접 상관 위상차 위치 및 방위각 측면에서 연속된 위상차 위치가 이루는 위상차 공간상의 두 개의 삼각형을 이용하여 상기 정밀방위각을 추정할 수 있다.
상기 최근접 상관 위상차 위치와 상기 연속된 위상차 위치 사이의 거리와 상기 두 개의 삼각형의 수선의 길이 중 작은 수선의 길이의 비로 상기 정밀방위각을 추정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방향탐지 장치 및 방법에 의하면 보정 데이터 중에서 측정된 위상차 정보 기반으로 인접 보정 데이터만을 방위연산에 고려하고 삼각형 기반의 보간법을 사용하여 FPGA에 탑재되는 방위각 연산부에 소요되는 자원을 줄이고 처리시간을 최소화할 수 있고, 적은 자원을 사용하는 방위각 연산부의 병렬화를 통해 병목현상을 줄여 위협신호의 방향탐지 시간을 줄여 신속한 방향탐지가 가능하다.
도 1은 멀티 베이스라인을 갖는 인터페로메터 방식의 방향탐지 개념도이다.
도 2는 사전 측정된 방위각별 위상차 정보(보정 데이터-위상차1, 위상차2, 위상차3)를 시현하는 개념도이다.
도 3은 보정 데이터와 측정된 위상차(위상차1, 위상차2, 위상차3)의 거리 측정 개념도이다.
도 4는 정밀방위값을 결정하기 위해 측정된 최근접 보정 데이터와 인접 보정 데이터와 거리를 선형적으로 일정 단계로 나누어 정밀 보정 데이터를 생성하는 개념도이다.
도 5는 생성된 정밀 보정 데이터와 측정된 위상차 간 거리를 측정하여 최근접 위치를 식별하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 위상차 중심으로 일정 영역만을 선정하여 전체 보정 데이터 중에서 일부만으로 위상차 거리를 연산하는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방향탐지 장치를 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 방위각 연산부를 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 방위각 추정부를 나타내는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 선택부가 제2 위상차 및 제3 위상차 기준으로 보정 데이터(유효 데이터)를 식별하기 위한 회로도를 예시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 최소거리 선택부에서 최근접 위치의 보정 데이터를 찾고 개략방위를 결정하는 개념도이다.
도 12 내지 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀방위각 연산부가 정밀방위각을 추정하는 과정을 나타내는 개념도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 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 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 방향탐지 장치 및 방법에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 위상차 중심으로 일정 영역만을 선정하여 전체 보정 데이터 중에서 일부만으로 위상차 거리를 연산하는 개념도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방향탐지 장치 및 방법은 보정 데이터 중 측정된 위상차 정보 기반으로 인접 보정 데이터만을 방위연산에 적용하여 삼각형 기반의 보간법을 사용한다. 이에 따라, FPGA에 탑재되는 방위연산에 소요되는 시간을 최소화하고, 방위연산의 병렬화를 통해 병목현상을 줄여 위협신호의 방향탐지 시간을 줄여 신속한 방향탐지가 가능하게 된다. 측정 위상차 정보의 인접 보정 데이터들만을 비교할 수 있는 FPGA 구조를 활용하여, 처리시간 단축 및 FPGA 소요 자원을 최소화하여 병렬처리가 가능하게 된다. FPGA로 구현되어야 하므로, 소프트웨어와는 다르게 모든 경우의 수를 처리할 수 있는 고정된(Fixed) FPGA 구조가 고려될 필요가 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방향탐지 장치를 나타내는 블록도이다.
도 7을 참조하면, 방향탐지 장치(100)는 방위각 신호 수신부(110), 방위각 연산부(120) 및 정밀방위각 연산부(130)를 포함한다.
방위각 신호 수신부(110)는 복수의 안테나(10-1, 10-2, ..., 10-n)를 포함하는 배열 안테나부(10)를 통해 수신되는 수신신호의 주파수와 위상을 동시에 측정하고, 수신신호의 주파수와 각 안테나(10-1, 10-2, ..., 10-n) 간 위상차 정보를 생성할 수 있다. 방위각 신호 수신부(110)는 복수의 안테나(10-1, 10-2, ..., 10-n)로부터 수신되는 수신신호를 복수의 서브채널로 분리하여 채널별로 안테나 간 위상차를 측정할 수 있다. 방위각 신호 수신부(110)는 채널별 주파수 및 채널별 안테나 간 위상차를 출력할 수 있다.
방위각 연산부(120)는 안테나 간 위상차 정보로부터 개략방위를 추정할 수 있다. 사전에 측정된 주파수별 방위각 방사보정 데이터는 방위각 연산부(120)에 저장되어 있다. 방위각 방사보정 데이터는 제1 위상차(φ1)로 정렬되어 저장될 수 있다. 이때, FPGA 처리 용량 및 위상차 측정 오차를 고려하여 영역(block)의 수가 결정될 수 있다. 영역구분 테이블은 각 영역의 시작과 종료 주소를 포함할 수 있고, 영역의 크기를 균일하게 할당하여 FPGA 구현이 용이하게 구성될 수 있다. 방위각 연산부(120)는 영역구분 테이블에서, 측정된 제1 위상차(φ1')가 포함되는 영역과 그 인접 영역을 선택할 수 있다. 방위각 연산부(120)는 선택된 영역의 보정 데이터(제2 위상차(φ2)와 제3 위상차(φ3))와 측정된 위상차(제2 위상차(φ2'), 제3 위상차(φ3'))의 상위 3비트를 비교하여 인접 영역에 위치하는 보정 데이터를 선별할 수 있다. 제1 위상차, 제2 위상차 및 제3 위상차는 복수의 안테나(10-1, 10-2, ..., 10-n)에서 임의의 두 안테나 간의 이격 거리에 의해 설정되는 값을 의미한다. 방위각 방사보정 데이터가 안테나 이격비와 방위각에 따라 변화량이 결정되므로, 선별된 보정 데이터는 항상 일정 개수 이하로 식별되며, 이에 따라 위상차 공간의 거리를 계산하기 위한 벡터거리 연산자 수가 특정 개수로 결정될 수 있다. 이는 FPGA 구조 결정을 위해 반드시 결정되어야 하는 매우 중요한 요소이다.
정밀방위각 연산부(130)는 방위각 연산부(120)에서 추정된 개략방위에서 정밀방위각을 추정한다. 정밀방위각 연산부(130)가 정밀방위각을 추정하는 과정에 대해서는 도 12 내지 16을 참조하여 후술한다.
이하, 도 8을 참조하여 방위각 연산부(120)에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 방위각 연산부를 나타내는 블록도이다.
도 8을 참조하면, 방위각 연산부(120)는 데이터 병합부(121) 및 방위각 추정부(122)를 포함할 수 있다. 데이터 병합부(121)는 제1 디먹스(1211), 제2 디먹스(1212), 채널부(1213) 및 데이터 버퍼(1214)를 포함할 수 있다. 채널부(1213)는 복수의 채널부(1213-1, 1213-2, ..., 1213-n)를 포함할 수 있다.
제1 디먹스(1211)는 복수의 서브채널(제1 내지 제n 서브채널)의 채널별 주파수를 대응하는 채널부(1213-1, 1213-2, ..., 1213-n)에 입력한다. 제2 디먹스(1212)는 복수의 서브채널(제1 내지 제n 서브채널)의 채널별 위상차를 대응하는 채널부(1213-1, 1213-2, ..., 1213-n)에 입력한다. 채널부(1213)는 채널별 주파수 및 채널별 위상차를 하나의 데이터 쌍으로 형성하여 데이터 버퍼(1214)에 전달한다. 데이터 버퍼(1214)는 복수의 채널부(1213-1, 1213-2, ..., 1213-n) 각각에서 출력되는 주파수, 제1 위상차(φ1), 제2 위상차(φ2) 및 제3 위상차(φ3)를 동기화하여 저장할 수 있다. 이때, 채널 간 버스구조를 통해 유효한 데이터가 있는 채널 데이터가 데이터 버퍼(1214)에 저장될 수 있다. 제1 위상차(φ1), 제2 위상차(φ2) 및 제3 위상차(φ3)는 복수의 안테나(10-1, 10-2, ..., 10-n)에서 임의의 두 안테나 간의 이격 거리에 의해 설정되는 값을 의미한다.
다시 말해, 데이터 병합부(121)는 복수의 서브채널 각각에서 출력되는 채널별 주파수 및 채널별 안테나 간 위상차를 하나의 데이터 쌍으로 저장 및 병합할 수 있다.
방위각 추정부(122)는 데이터 쌍의 주파수와 위상차를 기반으로 개략방위를 추정한다. 이하, 도 9를 참조하여 방위각 추정부(122)에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 방위각 추정부를 나타내는 블록도이다.
도 9를 참조하면, 방위각 추정부(122)는 방위각 방사보정 데이터부(1221), 영역구분 테이블부(1222), 데이터 선택부(1223), 벡터거리 계산부(1224), 거리저장 메모리(1225) 및 최소거리 선택부(1226)를 포함할 수 있다.
방위각 방사보정 데이터부(1221)는 주파수별로 사전에 측정된 방위각에 따른 위상차를 포함하는 방위각 방사보정 데이터를 저장하고 있다. 방위각 방사보정 데이터는 방위각, 제1 위상차, 제2 위상차 및 제3 위상차로 구성될 수 있다. 방위각 방사보정 데이터는 제1 위상차를 기준으로 정렬되어 저장될 수 있다.
표 1은 일 실시예에 따른 방위각 방사보정 데이터의 구조를 나타낸다. 표 1에 예시한 바와 같이, 방위각 방사보정 데이터로의 접근 주소는 주파수와 순번 데이터로 구성될 수 있고, 데이터는 해당 방위각 방사보정 데이터의 방위각, 제1 위상차(φ(k,i,1)), 제2 위상차(φ(k,i,2)) 및 제3 위상차(φ(k,i,3))로 구성되고, 제1 위상차를 기준으로 정렬되어 저장될 수 있다.
Figure 112022016447134-pat00001
영역구분 테이블부(1222)는 방위각 방사보정 데이터를 주파수에 따라 일정 영역(block)으로 구분하고, 각 영역의 시작과 종료 범위의 위상차 테이블을 포함할 수 있다.
표 2는 일 실시예에 따른 영역구분 테이블부(1222)에 의해 선택된 방위각 방사보정 데이터 중 유효한 데이터를 식별하기 위한 범위를 표현한 것이다. 표 2에 예시한 바와 같이, 위상차가 8비트로 표시되고 3개의 영역이 선택되는 경우 상위 3비트로 인접 데이터가 선별될 수 있다. 상위 3비트가 "011"인 경우에는 "011", "010", "100"의 데이터들이 유효한 데이터로 선별될 수 있다.
Figure 112022016447134-pat00002
데이터 선택부(1223)는 영역구분 테이블부(1222)의 위상차 테이블을 이용하여 방위각 방사보정 데이터에서 3개의 영역을 제1 위상차를 기준으로 선별할 수 있고, 이로써 측정된 위상차와의 최근접 보정 데이터와 그 앞뒤의 보정 데이터가 반드시 포함될 수 있다. 최근접 보정 데이터와 그 앞뒤의 보정 데이터는 정밀방위각 연산시에 필요한 데이터이다.
데이터 선택부(1223)는 선별된 방위각 방사보정 데이터에서 제2 위상차 및 제3 위상차 기준으로 보정 데이터를 선택할 수 있다. 다시 말해, 데이터 선택부(1223)는 제2 위상차 및 제3 위상차에 의해 선택영역을 결정할 수 있는 영역테이블을 보유하고 있으며, 제1 위상차를 기준으로 선택된 방위각 방사보정 데이터와 영역테이블을 기준으로 선택된 제2 위상차 및 제3 위상차의 상위 비트를 비교하여 보정 데이터를 선택할 수 있다. 데이터 선택부(1223)는 도 10에 예시한 바와 같이, 제2 위상차(φ(0,0,0,2)) 및 제3 위상차(φ(0,0,0,3)) 기준으로 보정 데이터(유효 데이터)를 선별하기 위한 회로도를 포함할 수 있다.
벡터거리 계산부(1224)는 제1 위상차, 제2 위상차, 제3 위상차 및 선별된 방위각 방사보정 데이터를 이용하여 상관도 계산을 수행한다. 즉, 벡터거리 계산부(1224)는 데이터 선택부(1223)에서 선택된 제1 위상차, 제2 위상차, 제3 위상차의 보정 데이터와 제1 위상차, 제2 위상차, 제3 위상차의 3차원 공간상의 벡터거리를 계산하고, 최소거리를 갖는 위상차 쌍을 찾는다.
거리저장 메모리(1225)는 방위각 값을 메모리 접근 주소로 하여 제1 위상차, 제2 위상차, 제3 위상차와 벡터거리 계산부(1224)에서 계산된 벡터거리를 저장한다. 즉, 거리저장 메모리(1225)는 벡터거리 계산부(1224)에서 계산된 벡터거리를 방위각별로 저장할 수 있다.
표 3은 일 실시예에 따른 거리저장 메모리(1225)에 방위각을 접근 주소로 하여 제1 위상차, 제2 위상차, 제3 위상차와 벡터거리가 저장된 일 예를 나타낸다.
Figure 112022016447134-pat00003
최소거리 선택부(1226)는 계산된 벡터거리에서 최소거리를 찾고, 기준 각도 단위의 방위각(개략방위)을 출력할 수 있다. 예를 들어, 기준 각도 단위는 1도 단위일 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 최소거리 선택부에서 최근접 위치의 보정 데이터를 찾고 개략방위를 결정하는 개념도이다.
도 11을 참조하면, 데이터 선택부(1223)에서 보정 데이터가 선별(선택)되어 벡터거리 계산부(1224)에 전달되고, 벡터거리 계산부(1224)는 제1 위상차(φ1), 제2 위상차(φ2), 제3 위상차(φ3) 및 방위각 방사보정 데이터를 이용한 상관도 계산을 수행하여 3차원 공간상의 벡터거리를 계산할 수 있다. 이때, 벡터거리 연산 로직의 수는 안테나 이격비, 위상차 오차 등에 의해 결정될 수 있다. 최소거리 선택부(1226)는 계산된 벡터거리에서 최소거리를 찾고, 최소 상관위치의 기준 각도 단위의 방위각(개략방위)을 출력할 수 있다.
이하, 도 12 내지 16을 참조하여 정밀방위각 연산부(130)가 정밀방위각을 추정하는 과정에 대하여 설명한다.
도 12 내지 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀방위각 연산부가 정밀방위각을 추정하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 12 내지 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방향탐지 장치(100)는 다음과 같이 방향탐지 방법을 수행할 수 있다.
방향탐지 장치(100)는 복수의 안테나(10-1, 10-2, ..., 10-n)를 포함하는 배열 안테나부(10)를 이용하여, 복수의 안테나(10-1, 10-2, ..., 10-n) 각각으로부터 수신되는 수신신호의 주파수와 위상을 동시에 측정할 수 있다. 방향탐지 장치(100)는 복수의 안테나(10-1, 10-2, ..., 10-n) 간 위상차 정보를 생성할 수 있다. 방향탐지 장치(100)는 수신신호의 주파수와 제1 위상차, 제2 위상차 및 제3 위상차 정보를 데이터 쌍(패킷)으로 생성할 수 있다. 제1 위상차, 제2 위상차 및 제3 위상차는 복수의 안테나(10-1, 10-2, ..., 10-n)에서 임의의 두 안테나 간의 이격 거리에 의해 설정되는 값을 의미한다.
방향탐지 장치(100)는 데이터 쌍의 주파수와 제1 위상차 정보를 기반으로 방위각 방사보정 데이터를 선택할 수 있다. 방위각 방사보정 데이터는 제1 위상차로 정렬되어 있고, 방향탐지 장치(100)는 영역구분 테이블을 이용하여 방위각 방사보정 데이터에서 제1 위상차가 포함되는 영역으로 직접 접근이 가능하다. 영역구분 테이블은 각 영역의 시작과 종료 주소를 포함할 수 있고, 영역의 크기를 균일하게 할당할 수 있다. 방향탐지 장치(100)는 방위각 방사보정 데이터에서 제1 위상차가 포함되는 영역과 그 앞뒤 영역(인접 영역)을 선택할 수 있다. 방향탐지 장치(100)는 선별된 영역 내의 각 보정 데이터의 제2 위상차 및 제3 위상차를 측정된 제2 위상차 및 제3 위상차와 비교하여 일정 영역 내에 근접한 데이터만을 벡터거리 계산을 위한 보정 데이터로 선별할 수 있다.
방향탐지 장치(100)는 선별된 보정 데이터를 이용하여 제1 위상차, 제2 위상차 및 제3 위상차의 3차원 공간상의 벡터거리를 계산할 수 있다. 계산된 벡터거리는 방위각 값을 메모리 접근 주소로 하여 거리저장 메모리(1225)에 저장될 수 있다.
방향탐지 장치(100)는 계산된 벡터거리에서 최소거리를 갖는 데이터(위상차 쌍)를 개략방위로 추정할 수 있다.
도 12 및 13에 예시한 바와 같이, 방향탐지 장치(100)의 정밀방위각 연산부(130)는 측정된 위상차(φ)(제1 위상차) 기준으로 최근접 상관 위상차 위치(θ)와 방위각 측면에서 연속된 위상차 위치(θ-1, θ+1), 그리고 측정된 위상차(φ)가 이루는 위상차 공간상의 두 개의 삼각형(T1, T2)을 이용하여 정밀방위각을 추정할 수 있다.
더욱 상세하게, 정밀방위각 연산부(130)는 측정된 위상차(φ)의 위치에서 밑면에 이르는 수선(h1, h2)이 밑변과 만나는 점과 최근접 상관 위상차 위치(최근접 개략방위)(θ)와의 거리(d)와 삼각형(T1, T2)의 밑변의 길이(c)의 비 d/c를 이용하여, 수선(h)의 길이가 짧은 쪽의 비 d/c를 정밀방위각으로 추정할 수 있다.
삼각형(T1, T2)의 밑변의 길이(c)를 찾기 위해, 측정된 위상차(φ)와 연속된 위상차 위치(θ-1, θ+1) 사이의 거리(a), 그리고 측정된 위상차(φ)와 최근접 상관 위상차 위치(최근접 개략방위)(θ)와의 거리(b)는 개략방위 추정 중에 계산되어 거리저장 메모리(1225)에 저장될 수 있다. 정밀방위각 연산부(130)는 거리저장 메모리(1225)에서 측정된 위상차(φ)와 연속된 위상차 위치(θ-1, θ+1) 사이의 거리(a), 그리고 측정된 위상차(φ)와 최근접 상관 위상차 위치(θ)와의 거리(b)를 찾을 수 있다. 정밀방위각 연산부(130)는 최근접 상관 위상차 위치(θ)와 연속된 위상차 위치(θ-1, θ+1) 사이의 거리(c)를 계산하고, 각 삼각형(T1, T2)의 (c2-a2+b2)/2c2을 계산하고, 이에 c를 곱하여 d 값을 구할 수 있다. 정밀방위각 연산부(130)는 두 수선(h1, h2)의 길이 중 작은 쪽의 d/c 값을 정밀방위각으로 추정할 수 있다.
도 14 내지 16은 보정 데이터가 직선상에 위치하지 않은 경우를 설명하기 위한 것이다. 도 14에서, 두 삼각형(T1, T2)의 d 값이 양수일 때 제1 삼각형(T1)의 수선 h(T1)이 제2 삼각형(T2)의 수선 h(T2)보다 큰 경우 제2 삼각형(T2)의 d/c 값이 정밀방위각으로 추정된다. 도 15에서 두 삼각형(T1, T2)의 d 값이 음수일 때 정밀방위각은 최근접 상관 위상차 위치(θ)가 될 수 있다. 도 16에서 제1 삼각형(T1)의 d 값이 양수이고 제2 삼각형(T2)의 d 값이 음수인 경우 제1 삼각형(T1)의 d/c 값이 정밀방위각으로 추정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방향탐지 장치(100) 및 방법에 의하면 보정 데이터 중 측정된 위상차 정보 기반으로 인접 보정 데이터만을 방위연산에 고려하고 삼각형 기반의 보간법을 사용하여 FPGA에 탑재되는 방위각 연산부(120)에 소요되는 자원을 줄이고 처리시간을 최소화할 수 있고, 적은 자원을 사용하는 방위각 연산부(120)의 병렬화를 통해 병목현상을 줄여 위협신호의 방향탐지 시간을 줄여 신속한 방향탐지가 가능하다.
데이터 병합부(121)에서는 방위각 연산부(120)의 병렬화를 통해 전체 서브채널의 데이터 병합에서 일부 채널의 데이터만을 병합하면 되므로, 데이터 병합에 소요되는 시간을 줄일 수 있고, 데이터 병합을 위한 중간 버퍼를 없앰으로써 전체 소요자원을 대략 40% 감소시킬 수 있다.
방위각 추정부(122)는 방위각 방사보정 데이터를 제1 위상차로 사전 정렬하여 저장함으로써, 해당 데이터 쌍을 추출하는데 필요한 자원을 현저하게 줄일 수 있고, 데이터 선택부(1223)에서도 제2 위상차와 제3 위상차 기준으로 실시간 필터링할 수 있는 구조를 통해 데이터 선별에 필요한 시간을 현저히 줄일 수 있다. 전체 보정 데이터의 영역을 8개로 구분하는 경우, 제1 위상차로 영역 선택을 통해 데이터 수를 3/8으로 줄일 수 있으며, 제2 위상차는 3/8, 제3 위상차는 5/8로 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방향탐지 방법을 통해 줄일 수 있는 데이터의 양은 전체 데이터의 (3/8×3/8×5/8)로 대략 5%의 보정 데이터만이 벡터거리 계산부(1224)에서 계산된다. 이 과정에서 많은 FPGA 자원을 줄일 수 있다.
정밀방위각 연산부(130)는 보간 처리를 위해 위상 데이터를 추가 생성하는 대신, 삼각형 방법을 사용하여 처리시간 및 요구되는 자원량을 현저하게 줄일 수 있다.
사전 분석된 결과로 전체 보정 데이터를 비교하는 종래의 방법과 본 발명의 실시예에 따른 방향탐지 방법을 적용하여 방위각 연산부(120)를 7개 병렬처리한 경우를 비교하면, FPGA의 자원소요는 전체 데이터 비교 방법 대비 블록 RAM은 60%, 덧셈기는 84%, 뺄셈기는 96%, 곱셈기는 86%가 소요되어 7개 병렬처리를 하였음에도 불구하고 소요 FPGA 자원이 줄었다. 다만, 일부 나눗셈을 위한 로직이 추가되었으나 전체 자원대비 적은 양이다.
병렬처리를 통해 데이터 병합, 방위각 연산, 정밀방위각 연산에 필요한 처리시간을 줄일 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 배열 안테나부 100: 방향탐지 장치
110: 방위각 신호 수신부 120: 방위각 연산부
121: 데이터 병합부 122: 방위각 추정부
130: 정밀방위각 연산부 1211: 제1 디먹스
1212: 제2 디먹스 1213: 채널부
1214: 데이터 버퍼 1221: 방위각 방사보정 데이터부
1222: 영역구분 테이블부 1223: 데이터 선택부
1224: 벡터거리 계산부 1225: 거리저장 메모리
1226: 최소거리 선택부

Claims (10)

  1. 복수의 안테나로부터 수신되는 수신신호의 위상을 동시에 측정하고, 상기 수신신호의 주파수와 안테나 간 위상차 정보를 생성하는 방위각 신호 수신부;
    사전에 측정된 주파수별 방위각 방사보정 데이터에서 측정된 제1 위상차가 포함되는 영역과 인접 영역을 보정 데이터로 선별하고, 상기 보정 데이터를 이용하여 개략방위를 추정하는 방위각 연산부; 및
    상기 개략방위에서 정밀방위각을 추정하는 정밀방위각 연산부를 포함하고,
    상기 방위각 연산부는,
    상기 복수의 서브채널 각각에서 출력되는 채널별 주파수 및 채널별 안테나 간 위상차를 하나의 데이터 쌍으로 저장 및 병합하는 데이터 병합부; 및
    상기 데이터 쌍의 주파수와 위상차를 기반으로 상기 개략방위를 추정하는 방위각 추정부를 포함하고,
    상기 방위각 추정부는,
    위상차 테이블을 이용하여 상기 방위각 방사보정 데이터에서 3개의 영역을 상기 제1 위상차를 기준으로 선별하고, 선별된 방위각 방사보정 데이터에서 제2 위상차 및 제3 위상차 기준으로 상기 보정 데이터를 선택하는 데이터 선택부;
    상기 제1 위상차, 상기 제2 위상차, 상기 제3 위상차 및 상기 선별된 방위각 방사보정 데이터를 이용하여 상관도 계산을 수행하여 벡터거리를 계산하는 벡터거리 계산부; 및
    상기 벡터거리에서 최소거리를 찾고 기준 각도 단위의 상기 개략방위를 출력하는 최소거리 선택부를 포함하는 방향탐지 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 방위각 신호 수신부는 상기 수신신호를 복수의 서브채널로 분리하여 채널별로 안테나 간 위상차를 측정하는 방향탐지 장치.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 방위각 추정부는,
    주파수별로 사전에 측정된 방위각에 따른 위상차를 포함하는 상기 방위각 방사보정 데이터를 저장하고 있는 방위각 방사보정 데이터부; 및
    상기 방위각 방사보정 데이터를 주파수에 따라 일정 영역으로 구분하고, 각 영역의 시작과 종료 범위의 상기 위상차 테이블을 포함하고 있는 영역구분 테이블부를 더 포함하는 방향탐지 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 방위각 방사보정 데이터는 방위각과 상기 복수의 안테나에서 임의의 두 안테나 간의 이격 거리에 의해 설정되는 값인 제1 위상차, 제2 위상차 및 제3 위상차로 구성되는 방향탐지 장치.
  6. 방향탐지 장치의 방향탐지 방법에 있어서,
    복수의 안테나 각각으로부터 수신되는 수신신호의 주파수와 상기 복수의 안테나에서 임의의 두 안테나 간의 이격 거리에 의해 설정되는 값인 제1 위상차, 제2 위상차 및 제3 위상차를 데이터 쌍으로 생성하는 단계;
    상기 데이터 쌍의 주파수와 상기 제1 위상차를 기반으로 방위각 방사보정 데이터를 선택하는 단계;
    상기 방위각 방사보정 데이터에서 상기 제1 위상차가 포함되는 영역과 인접 영역을 보정 데이터로 선별하는 단계;
    상기 보정 데이터를 이용하여 계산된 벡터거리에서 최소거리를 갖는 데이터를 개략방위로 추정하는 단계; 및
    상기 개략방위에서 정밀방위각을 추정하는 단계를 포함하는 방향탐지 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 방위각 방사보정 데이터는 방위각과 상기 복수의 안테나에서 임의의 두 안테나 간의 이격 거리에 의해 설정되는 값인 제1 위상차, 제2 위상차 및 제3 위상차로 구성되는 방향탐지 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 위상차가 포함되는 영역과 상기 인접 영역 내의 각 보정 데이터의 제2 위상차 및 제3 위상차를 측정된 제2 위상차 및 제3 위상차와 비교하여 일정 영역 내에 근접한 데이터만을 상기 벡터거리 계산을 위한 상기 보정 데이터로 선별하는 방향탐지 방법.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 위상차, 상기 제1 위상차 기준으로 최근접 상관 위상차 위치 및 방위각 측면에서 연속된 위상차 위치가 이루는 위상차 공간상의 두 개의 삼각형을 이용하여 상기 정밀방위각을 추정하는 방향탐지 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 최근접 상관 위상차 위치와 상기 연속된 위상차 위치 사이의 거리와 상기 두 개의 삼각형의 수선의 길이 중 작은 수선의 길이의 비로 상기 정밀방위각을 추정하는 방향탐지 방법.
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