KR102551653B1 - 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치 및 방법은, 하나의 드웰(dwell)이 서로 독립적인 송신 신호가 할당되는 복수개의 버스트(burst)를 포함함으로써, 능동 위상 배열 레이다의 측정 정확도를 개선할 수 있다.

Description

능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치 및 방법{Apparatus and method for processing signal of active phased array radar}
본 발명은 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 능동 위상 배열 레이다의 측정 정확도를 개선하는, 장치 및 방법에 관한 것이다.
능동 위상 배열 레이다는 빠른 빔 조향 능력(beam agility)을 이용하여 다수의 기능을 효과적으로 수행하는 레이다로, 각 기능별로 요구하는 성능에 따라 적절한 레이다 파형을 운용함으로써, 동시에 다수의 기능을 최적으로 수행한다.
도 1은 종래의 능동 위상 배열 레이다의 능동빔 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 능동 위상 배열 레이다는 탐지, 다수 표적에 대한 추적 중 탐색(track while scan, TWS), 다수 교전 대상 표적에 대한 능동 추적, 시스템 보정 등을 동시에 수행하며, 각 기능 별로 드웰(dwell)의 자원이 할당된다. 여기서, 드웰은 레이다가 공간상의 하나의 지점에 머무르는 시간을 의미하며, 능동 위상 배열 레이다에서는 기능이 수행되는 최소 시간 단위로 표현될 수 있다.
기능 수행의 단위인 하나의 드웰 내에는 여러 개의 상세 기능이 수행될 수 있는 버스트(burst)가 존재하며, 버스트의 조합을 통해 레이다는 하나의 기능을 수행한다. 또한, 버스트 내에는 상세 기능 수행을 위해 여러 개의 펄스열이 존재 할 수 있으며, 이를 펄스 반복 주기(pulse repetition interval, PRI)라 한다.
예컨대, 탐지 기능을 수행하기 위해 레이다는 탐지 기능 드웰을 형성하고, 탐지를 통해 모호성 없는 표적 정보를 얻기 위해서는 도 1에 도시된 바와 같이 여러개의 버스트를 사용할 수 있으며, 각 버스트에는 표적 신호 추출을 위한 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 얻어내기 위해 다수개의 송신 펄스가 사용될 수 있다. 이는 기능에 따라 하나의 드웰 내에 하나의 버스트가 존재할 수도 있고 다수개의 버스트가 존재할 수도 있으며, 하나의 버스트에는 하나의 펄스 또는 다수개의 펄스가 존재할 수 있다.
능동 위상 배열 레이다의 능동 추적 과정은 수신된 표적 신호를 분석한 뒤, 새로운 능동 추적빔을 생성하며, 탐색빔은 탐지된 표적을 추적으로 연결하기 위해 새로운 능동빔을 할당한다. 측정 정확도를 향상시키기 위해서는 실시간으로 능동빔 결과를 다음에 운용될 능동빔 생성에 반영시켜야 한다.
능동빔의 신호 처리 및 데이터 처리 시간 지연으로 인해 실시간 빔 운용 흐름이 깨지면, 이전의 능동빔 결과가 여러 드웰 뒤의 능동빔 명령에 반영되게 되어, 표적의 정확도는 열화되고, 심지어 지속적인 데이터 지연으로 인해 표적을 소실하거나 레이다 신호 처리가 동작을 멈추는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 실시간성 문제를 해결하기 위해서는 신호 처리 지연 시간을 고려해 능동빔 시간을 크게 할당해야 하는데, 이는 자원의 낭비 문제를 발생시킨다.
다른 해결 방안으로는 신호 처리 시간 지연을 최소화하기 위해 고성능 처리 하드웨어를 사용하는 것인데, 이는 상대적으로 큰 비용이 소요되는 문제가 있다.
이러한 실시간 신호 처리 과정은 표적이 근거리로 접근할 때 크게 발생할 수 있는데, 이는 근거리로 접근할 수록 표적의 신호 대 잡음비(SNR) 성능이 상승하여, 짧은 드웰 시간을 요구하게 되고, 짧은 드웰 시간에 대해서는 실시간 운용이 안되기에 프로세싱 시간 지연을 고려해 자원 낭비를 감수할 수 밖에 없는 기술적 한계(프로세싱 시간 지연을 고려해 마진이 필요함)가 발생한다.
도 2는 종래의 능동 위상 배열 레이다의 능동빔 운용 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 하나의 능동빔(하나의 드웰) 내에는 일반적으로 하나의 버스트를 사용하여 탐지 플롯을 추출하거나, 모호성 제거의 용도로써만 여러 버스트를 사용한 후 최종 하나의 플롯을 얻어내는 형태로 운용한다.
탐색 능동빔 운용 시에는 상대적으로 정확도 에러가 큰 표적 정보를 기반으로 자원 관리부에 추적 전환 빔을 요청함으로써, 추적 전환 능력이 떨어진다.
추적 능동빔 운용 시에는 여러 개의 능동빔(여러 개의 능동빔용 드웰) 결과를 추적 필터에 연속적으로 주입시켜 표적의 위치 정확도를 개선하는 방식으로 운영되고 있다.
정리하면, 종래의 능동 위상 배열 레이다의 정확도 성능 향상을 위해서는 추적의 재방문 주기를 가능한 빠르게 하여, 추적 오차를 최소화 시켜야하는데, 추적의 재방문 주기는 시스템 내부에서 소요되는 신호 및 데이터 처리 지연 시간의 영향으로 추적빔 재방문 주기의 최소화에 대한 한계가 존재한다. 이를 극복하기 위해 종래의 레이다들은 고성능의 신호 처리 하드웨어를 사용하거나, 송신빔 출력을 올리는 것을 통해, 정확도 성능을 개선하고 있다.
즉, 정확도 성능을 향상시키기 위해서는 표적 반사 신호의 품질을 좋게 하거나, 추적 주기 재방문 시간을 단축시켜, 짧은 시간동안 변화되는 표적 신호의 특성을 가능한 많이 추적 필터 입력으로 넣어줌으로써, 필터 출력의 품질을 향상시켜야 한다.
종래의 레이다에서 표적 반사 신호의 품질을 좋게하기 위해서는 신호 대 잡음비(SNR)를 개선시켜야 했고, 신호 대 잡음비(SNR) 개선을 위한 송신 출력의 증대는 상대적으로 고출력 증폭용 반도체 트랜지스터의 사용과 이에 대한 소모 전류의 증대와 발열에 따른 큰 방열 시스템을 필요로 한다. 또한, 신호 대 잡음비(SNR) 개선을 위해 안테나 이득을 개선시키려면 상대적으로 큰 크기의 안테나를 필요로 한다.
표적의 추적 재방문 주기를 최소화시켜 추적 정확도를 개선하기 위해서는 신호 처리 지연 시간 단축을 위한 고성능의 신호 처리 하드웨어를 사용하여야 하고, 이는 상대적으로 많은 비용이 소요되는 문제가 발생하였다.
이에 따라, 무장을 운용하는 사격 통제 레이다는 무장에서 요구하는 정확도를 제공하여, 표적에 대응할수 있도록 지원해야 하며, 이런 용도의 레이다 시스템은 주어진 자원을 이용해 대상 표적에 대한 정확도를 향상시키는 기술의 개발이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 목적은, 하나의 드웰(dwell)이 서로 독립적인 송신 신호가 할당되는 복수개의 버스트(burst)를 포함함으로써, 능동 위상 배열 레이다의 측정 정확도를 개선하는, 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치는, 제어 신호에 따라 능동빔을 송신하는 레이다 송신부; 상기 레이다 송신부를 통해 송신된 상기 능동빔이 표적에서 반사되는 표적 반사 신호를 수신하는 레이다 수신부; 상기 레이다 수신부를 통해 수신된 상기 표적 반사 신호를 기반으로 표적 탐지 정보를 드웰(dwell) 단위로 획득하는 신호 처리부; 상기 신호 처리부를 통해 획득된 상기 표적 탐지 정보를 기반으로 표적 추적 정보를 상기 드웰 단위로 획득하는 추적부; 상기 추적부를 통해 획득된 상기 표적 추적 정보를 기반으로 능동빔 자원을 할당하고 제어 명령을 획득하는 자원 관리부; 및 상기 자원 관리부를 통해 획득된 상기 제어 명령을 기반으로 상기 드웰 단위로 상기 제어 신호를 획득하고, 획득한 상기 제어 신호를 상기 레이다 송신부에 제공하는 레이다 제어부;를 포함하며, 하나의 상기 드웰은, 서로 독립적인 송신 신호가 할당되는 복수개의 버스트(burst)를 포함하고, 상기 신호 처리부는, 복수개의 상기 버스트 각각에 대해 서브 표적 탐지 정보를 획득하고, 획득한 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 기반으로 상기 표적 탐지 정보를 상기 드웰 단위로 획득한다.
여기서, 상기 버스트는, 독립적인 코드 변조를 송신 파형에 사용하는 방법, 안테나의 독립적인 편파 특성을 사용하는 방법, 독립적인 주파수 신호를 이용하는 방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여, 독립적인 송신 신호가 할당될 수 있다.
여기서, 상기 신호 처리부는, 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 평균하여 상기 표적 탐지 정보를 상기 드웰 단위로 획득할 수 있다.
여기서, 상기 신호 처리부는, 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 기준으로, 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 가중합하여 상기 표적 탐지 정보를 상기 드웰 단위로 획득할 수 있다.
여기서, 상기 신호 처리부는, 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 신호 대 잡음비(SNR)를 기준으로 정렬하고, 정렬된 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 미리 설정된 기준에 따라 가중합하여 상기 표적 탐지 정보를 획득할 수 있다.
여기서, 상기 표적 탐지 정보는, 표적에 대한 거리, 속도, 방위각 및 고각을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 레이다 수신부는, 수신한 상기 표적 반사 신호를 중간 주파수(intermediate frequency, IF)로 변환하고, 상기 중간 주파수를 디지털 신호로 변환하며, 변환한 상기 디지털 신호를 상기 신호 처리부에 제공할 수 있다.
여기서, 상기 신호 처리부는, 상기 디지털 신호를 미리 설정된 알고리즘에 따라 상기 버스트 단위로 처리하여 상기 서브 표적 탐지 정보를 획득하고, 상기 버스트별로 획득한 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 기반으로 상기 드웰 단위의 상기 표적 탐지 정보를 획득할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 방법은, 제어 신호에 따라 능동빔을 송신하는 단계; 상기 능동빔이 표적에서 반사되는 표적 반사 신호를 수신하는 단게; 상기 표적 반사 신호를 기반으로 표적 탐지 정보를 드웰(dwell) 단위로 획득하는 단계; 상기 표적 탐지 정보를 기반으로 표적 추적 정보를 상기 드웰 단위로 획득하는 단계; 상기 표적 추적 정보를 기반으로 능동빔 자원을 할당하고 제어 명령을 획득하는 단계; 및 상기 제어 명령을 기반으로 상기 드웰 단위로 상기 제어 신호를 획득하는 단계;를 포함하며, 하나의 상기 드웰은, 서로 독립적인 송신 신호가 할당되는 복수개의 버스트(burst)를 포함하고, 상기 표적 탐지 정보 획득 단계는, 복수개의 상기 버스트 각각에 대해 서브 표적 탐지 정보를 획득하고, 획득한 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 기반으로 상기 표적 탐지 정보를 상기 드웰 단위로 획득하는 것으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 버스트는, 독립적인 코드 변조를 송신 파형에 사용하는 방법, 안테나의 독립적인 편파 특성을 사용하는 방법, 독립적인 주파수 신호를 이용하는 방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여, 독립적인 송신 신호가 할당될 수 있다.
여기서, 상기 표적 탐지 정보 획득 단계는, 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 평균하여 상기 표적 탐지 정보를 상기 드웰 단위로 획득하는 것으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 표적 탐지 정보 획득 단계는, 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 기준으로, 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 가중합하여 상기 표적 탐지 정보를 상기 드웰 단위로 획득하는 것으로 이루어질 수 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장되어 상기한 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 방법 중 어느 하나를 컴퓨터에서 실행시킨다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치 및 방법에 의하면, 하나의 드웰(dwell)이 서로 독립적인 송신 신호가 할당되는 복수개의 버스트(burst)를 포함함으로써, 능동 위상 배열 레이다의 측정 정확도를 개선할 수 있다.
즉, 본 발명은 하나의 드웰 신호 처리에서 여러 버스트의 할당으로 드웰 신호 처리 시간을 크게 확보함으로써 신호 처리의 실시간성을 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 N개의 각 버스트에 독립적인 송신 신호를 운용하고, 버스트별로 측정된 탐지 플롯들로부터 드웰 신호 처리를 수행함으로써 정확도를 개선시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 능동 위상 배열 레이다의 능동빔 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 능동 위상 배열 레이다의 능동빔 운용 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신호 처리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동빔 운용 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 종래의 능동 위상 배열 레이다의 능동빔 정확도를 설명하기 위한 도면으로, 도 6의 (a)는 거리에 따른 측정 에러를 나타내고, 도 6의 (b)는 거리에 따른 측정 정확도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동빔 정확도를 설명하기 위한 도면으로, 도 7의 (a)는 거리에 따른 측정 에러를 나타내고, 도 7의 (b)는 거리에 따른 측정 정확도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 명세서에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다" 또는 "포함할 수 있다"등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에 기재된 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터 구조들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치(이하 '신호 처리 장치'라 한다)(100)는 하나의 드웰(dwell)이 서로 독립적인 송신 신호가 할당되는 복수개의 버스트(burst)를 포함함으로써, 능동 위상 배열 레이다의 측정 정확도를 개선한다.
여기서 버스트는 독립적인 코드 변조를 송신 파형에 사용하는 방법, 안테나의 독립적인 편파 특성을 사용하는 방법, 독립적인 주파수 신호를 이용하는 방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여, 독립적인 송신 신호가 할당될 수 있다.
이를 위해, 신호 처리 장치(100)는 레이다 수신부(110), 신호 처리부(120), 추적부(130), 자원 관리부(140), 레이다 제어부(150) 및 레이다 송신부(160)를 포함할 수 있다.
레이다 수신부(110)는 레이다 송신부(160)를 통해 송신된 능동빔이 표적에서 반사되는 표적 반사 신호를 수신한다.
이때, 레이다 수신부(110)는 수신한 표적 반사 신호를 중간 주파수(intermediate frequency, IF)로 변환하고, 중간 주파수를 디지털 신호로 변환하며, 변환한 디지털 신호를 신호 처리부(120)에 제공할 수 있다.
신호 처리부(120)는 레이다 수신부(110)를 통해 수신된 표적 반사 신호를 기반으로 표적 탐지 정보를 드웰 단위로 획득한다.
여기서, 표적 탐지 정보는 표적에 대한 거리, 속도, 방위각 및 고각을 포함할 수 있다.
즉, 신호 처리부(120)는 복수개의 버스트 각각에 대해 서브 표적 탐지 정보를 획득하고, 획득한 복수개의 서브 표적 탐지 정보를 기반으로 표적 탐지 정보를 드웰 단위로 획득할 수 있다. 여기서, 서브 표적 탐지 정보는 하나의 버스트에 대한 정보로부터 획득되는 것으로, 표적에 대한 거리, 속도, 방위각 및 고각을 포함할 수 있다.
이때, 신호 처리부(120)는 레이다 수신부(110)를 통해 제공받은 디지털 신호를 미리 설정된 알고리즘에 따라 버스트 단위로 처리하여 서브 표적 탐지 정보를 획득하고, 버스트별로 획득한 복수개의 서브 표적 탐지 정보를 기반으로 드웰 단위의 표적 탐지 정보를 획득할 수 있다.
예컨대, 신호 처리부(120)는 복수개의 서브 표적 탐지 정보를 평균하여 표적 탐지 정보를 드웰 단위로 획득할 수 있다.
또한, 신호 처리부(120)는 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 기준으로, 복수개의 서브 표적 탐지 정보를 가중합하여 표적 탐지 정보를 드웰 단위로 획득할 수 있다. 즉, 신호 처리부(120)는 복수개의 서브 표적 탐지 정보를 신호 대 잡음비(SNR)를 기준으로 정렬하고, 정렬된 복수개의 서브 표적 탐지 정보를 미리 설정된 기준에 따라 가중합하여 표적 탐지 정보를 획득할 수 있다.
추적부(130)는 신호 처리부(120)를 통해 획득된 표적 탐지 정보를 기반으로 표적 추적 정보를 드웰 단위로 획득한다.
자원 관리부(140)는 추적부(130)를 통해 획득된 표적 추적 정보를 기반으로 능동빔 자원을 할당하고 제어 명령을 획득한다.
자원 관리부(140)는 입력받은 추적부(130)의 결과를 반영하여 능동빔 자원을 할당한다.
자원 관리부(140)는 능동빔(드웰)이 운용되도록 능동빔 자원을 할당하여 자원 관리를 수행한다.
자원 관리부(140)는 하나의 능동빔(능동 추적용 드웰) 내에 다수개의 버스트를 포함시키고, 각 버스트 마다 독립적 송신 신호를 할당시켜 운용되도록 자원 관리를 수행한다. 다시 말해, 자원 관리부(140)는 하나의 드웰 신호 처리에서 여러 버스트를 할당함으로써 드웰 신호 처리 시간을 크게 확보할 수 있도록 자원 관리를 수행한다.
레이다 제어부(150)는 자원 관리부(140)를 통해 획득된 제어 명령을 기반으로 드웰 단위로 제어 신호를 획득하고, 획득한 제어 신호를 레이다 송신부(160)에 제공한다.
레이다 송신부(160)는 레이다 제어부(150)를 통해 제공받은 제어 신호에 따라 능동빔을 송신한다.
그러면, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 과정에 대하여 보다 자세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신호 처리 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동빔 운용 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 레이다 송신부(160)는 제어 신호를 수신한 뒤 수신된 제어 신호에 맞게 전력을 증폭시켜 송신빔을 펄스 반복 주기(pulse repetition interval, PRI)에 따라 송신한다.
레이다 수신부(110)는 능동 위상 배열 안테나 장치를 통해 송신된 송신빔이 표적을 맞고 반사되는 표적 반사 신호를 수신하고, 수신한 표적 반사 신호를 중간 주파수(IF)로 변환하며, AD(analog to digital) 컨버터를 통해 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호를 신호 처리부(120)로 전달한다.
신호 처리부(120)는 버스트 단위로 계획된 신호 처리 알고리즘(펄스 압축, FFT, CFAR, 표적 연관 등)을 거친 뒤, 하나의 드웰 내의 버스트 결과들(서브 표적 탐지 정보들)을 모아 신호 처리하여 모호성이 해결된 최종의 표적 탐지 정보를 드웰 단위로 추적부(130)에 제공한다.
추적부(130)는 추적 대상 표적에 대한 표적 탐지 정보를 가공하여 표적의 추정 위치 추적 에러를 출력하며, 결과를 드웰 단위로 자원 관리부(140)에 제공한다.
자원 관리부(140)는 능동 위상 배열 레이다의 최상위 제어부로, 입력받은 추적부(130)의 결과를 반영하여 능동빔 자원을 할당하고 제어 명령을 생성한다.
레이다 제어부(150)는 자원 관리를 통해 할당받은 제어 명령을 기반으로 운용되는 능동빔(드웰)별로 구분하여 제어 신호를 생성하며, 레이다 송신부(160)에 제어 신호를 순차적으로 전송한다.
레이다 송신부(150)는 제어 신호를 입력받아 제어 신호에 맞는 빔 조향 방향으로 추적 빔을 송신한다.
도 5를 참조하면, 능동 위상 배열 레이다의 정확도 향상을 위해 본 발명에서는 하나의 능동빔(능동 추적용 드웰) 내에 다수개의 버스트를 포함시키고, 각 버스트 마다 독립적 송신 신호를 할당시켜 운용한 뒤, 드웰 신호 처리단에서 다수개의 버스트를 통해 탐지된 플롯 정보를 적절히 조합해 한번 더 신호 처리함으로써 하나의 정확도 높은 탐지 신호를 얻어내도록 하는 방식이다.
본 발명의 특징 중 실시간성을 개선시키는 부분은 하나의 드웰 신호 처리에서 여러 버스트를 할당함으로써 드웰 신호 처리 시간을 크게 확보할 수 있는 장점을 갖는다. 이는 N 개의 버스트를 사용할 때 종래 대비 N배의 신호 처리 시간을 확보할 수 있음을 나타낸다. 도 4에 도시한 신호 처리 과정의 각 단계는 순차적으로 수행되며, 각 단계마다 신호 처리 후 통신을 통해 데이터를 전송한다. 따라서, 통신 시간과 순차 신호 처리 과정에서의 시간이 발생하며, 도 5에 도시된 바와 같이 드웰 신호 처리 시간을 개선시키면, 각 버스트의 신호 처리가 병렬로 처리될 수 있고 신호 처리 과정에서의 통신 시간도 N배에 근사하여 개선된다.
본 발명의 특징 중 정확도를 개선시키는 부분은 N개의 버스트 각각에 독립성을 갖는 송신 신호를 할당하여 운용함으로써, 표적에 독립적인 RCS(radar cross section) 특성을 갖도록 하고, 독립적 특성의 탐지 표적 N개를 조합하여 드웰 신호처리 함으로써 개선된 측정 정확도를 갖는 하나의 플롯을 얻는 방식이다.
본 발명은 탐색 능동빔 운용 시에 상대적으로 우수한 정확도 표적 정보를 제공해주고, 이를 기반으로 자원 관리부(140)에 추적 전환 빔을 요청함으로써, 상대적으로 우수한 추적 전환 능력을 제공할 수 있다. 추적빔 운용시에는 추적부(130)에 상대적으로 우수한 정확도의 표적 정보를 입력시켜 최종적으로 개선된 추적 정확도를 제공할 수 있다.
능동빔 추적 정확도를 향상시키기 위해서는 추적 재방문 주기를 최소화시켜서 추적부(130)의 입력으로 넣어야 하고, 추적 재방문 주기의 최소화를 통해 추적부(130) 출력의 정확도를 향상시켜야 한다. 하지만, 신호 처리 및 데이터 처리 지연에 의해 성능 제한이 발생하는 단점이 있다. 그러나, 본 발명은 추적부(130)의 입력으로 들어가는 표적 측정값의 측정 정확도를 크게 향상시켜 입력시킴으로써 추적부(130)의 출력 성능에 대한 정확도를 개선시키는 효과를 갖는다.
그러면, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 과정의 성능에 대하여 설명한다.
도 6은 종래의 능동 위상 배열 레이다의 능동빔 정확도를 설명하기 위한 도면으로, 도 6의 (a)는 거리에 따른 측정 에러를 나타내고, 도 6의 (b)는 거리에 따른 측정 정확도를 나타내며, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동빔 정확도를 설명하기 위한 도면으로, 도 7의 (a)는 거리에 따른 측정 에러를 나타내고, 도 7의 (b)는 거리에 따른 측정 정확도를 나타낸다.
본 발명에 따른 N개의 버스트 별 독립적인 신호 운용은 버스트별 독립적 표적 특성을 제공하여, 드웰 신호 처리 시 정확도 개선 효과를 발생시킨다. 독립적이지 않은 신호들로 운용하면, N개의 표적 특성이 유사하게 형성되어 정확도 개선효과가 없다.
따라서, 본 발명은 신호 대 잡음비(SNR)가 작은 원거리 표적부터 근거리 표적까지 폭넓게 정확도를 개선시킬 수 있다.
도 6은 도 2에 도시한 종래의 능동빔 운용 과정에 따른 추적부 입력단에서의 정확도를 모델링 및 시뮬레이션한 것이고, 도 7은 도 5에 도시한 본 발명의 능동빔 운용 과정에 따른 추적부 입력단에서의 정확도를 모델링 및 시뮬레이션한 것이다. 이때, 레이다 시스템의 하드웨어 사양에 따라 측정 에러 및 측정 정확도는 차이날 수 있으며, 도 6 및 도 7에 도시된 측정 에러와 측정 정확도는 특정 레이다 시스템의 하드웨어적 사용을 가정하고, 종래의 능동빔 운용 과정(도 2 참조)과 본 발명의 능동빔 운용 과정(도 5 참조) 사이의 에러 개선량에 의미를 두고 분석하였다.
도 6의 (a) 및 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 원거리로 갈수록 표적 반사 신호의 신호 대 잡음비(SNR)가 열화되어, 신호 대 잡음비(SNR)의 함수인 정확도는 에러량을 키우게 된다. 또한, 근거리에서는 Glint 료과로 인해 정확도 에러량이 증대된다.
도 6의 (a) 및 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 측정 에러는 4개의 버스트를 사용함으로써 약 2배가 개선됨을 확인할 수 있다. 즉, 측정 에러는 버스트 N개 사용에 대해
Figure 112021021909659-pat00001
배로 개선되게 된다.
도 6의 (b) 및 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 추적부 출력단의 정확도 개선량은 추적 필터의 설계와 최적화 정도에 따라 다르지만, 일반적으로 추적부 입력단의 정확도 대비 ½ 배정도 개선됨을 확인할 수 있다.
그러면, 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 방법에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 신호 처리 장치(100)는 제어 신호에 따라 능동빔을 송신한다(S110).
이후, 능동빔이 표적에서 반사되는 표적 반사 신호를 수신하면(S120), 신호 처리 장치(100)는 표적 반사 신호를 기반으로 표적 탐지 정보를 드웰 단위로 획득한다(S130).
즉, 신호 처리 장치(100)는 복수개의 버스트 각각에 대해 서브 표적 탐지 정보를 획득하고, 획득한 복수개의 서브 표적 탐지 정보를 기반으로 표적 탐지 정보를 드웰 단위로 획득할 수 있다. 이때, 신호 처리 장치(100)는 수신한 표적 반사 신호를 중간 주파수(IF)로 변환하고, 중간 주파수를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 그리고, 신호 처리 장치(100)는 디지털 신호를 미리 설정된 알고리즘에 따라 버스트 단위로 처리하여 서브 표적 탐지 정보를 획득하고, 버스트별로 획득한 복수개의 서브 표적 탐지 정보를 기반으로 드웰 단위의 표적 탐지 정보를 획득할 수 있다.
예컨대, 신호 처리 장치(100)는 복수개의 서브 표적 탐지 정보를 평균하여 표적 탐지 정보를 드웰 단위로 획득할 수 있다. 또한, 신호 처리 장치(100)는 신호 대 잡음비(SNR)를 기준으로, 복수개의 서브 표적 탐지 정보를 가중합하여 표적 탐지 정보를 드웰 단위로 획득할 수 있다. 즉, 신호 처리 장치(100)는 복수개의 서브 표적 탐지 정보를 신호 대 잡음비(SNR)를 기준으로 정렬하고, 정렬된 복수개의 서브 표적 탐지 정보를 미리 설정된 기준에 따라 가중합하여 표적 탐지 정보를 획득할 수 있다.
그런 다음, 신호 처리 장치(100)는 표적 탐지 정보를 기반으로 표적 추적 정보를 드웰 단위로 획득한다(S140).
그리고, 신호 처리 장치(100)는 표적 추적 정보를 기반으로 능동빔 자원을 할당하고 제어 명령을 획득한다(S150).
그런 다음, 신호 처리 장치(100)는 제어 명령을 기반으로 드웰 단위로 제어 신호를 획득한다(S160).
위와 같이, 본 발명은 능동 위상 배열 레이다의 정확도 향상을 위해 하나의 능동 추적빔(능동 추적용 드웰) 내에 다수개의 버스트를 포함시키고, 각 버스트 마다 독립적인 특성의 송신 신호를 할당하여 운용한 뒤, 드웰 신호 처리단에서 다수개의 버스트를 통해 탐지된 플롯 정보를 적절히 조합해 한번 더 신호 처리함으로써 하나의 높은 정확도의 탐지 신호를 얻어내는 방식이다.
이에 따라, 본 발명은 하나의 드웰 신호 처리에서 여러 버스트의 할당으로 드웰 신호 처리 시간을 크게 확보함으로써 신호 처리의 실시간성을 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 N개의 각 버스트에 독립적인 송신 신호를 운용하고, 버스트별로 측정된 탐지 플롯들로부터 드웰 신호 처리를 수행함으로써 정확도를 개선시킬 수 있다.
정확도 성능을 향상시키기 위해서는 표적 반사 신호의 품질을 좋게 하거나, 추적 주기 재방문 시간을 단축시켜, 짧은 시간동안 변화되는 표적 신호의 특성을 가능한 많이 추적부 입력으로 넣어줌으로써, 추적부 출력의 품질을 향상시켜야 한다. 본 발명은 하드웨어적 부담증가 없이, 효율적으로 정확도를 개선시키는 효과를 제공한다. 아울러, 본 발명은 다양한 분야(사격 통제 레이다, 차량용 레이다, 근거리 추적 레이다 등)에 적용되어 탐지한 표적의 정확도 및 표적 정보의 정확도를 개선하는데 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록 매체로서는 자기기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 신호 처리 장치,
110 : 레이다 수신부,
120 : 신호 처리부,
130 : 추적부,
140 : 자원 관리부,
150 : 레이다 제어부,
160 : 레이다 송신부

Claims (13)

  1. 제어 신호에 따라 능동빔을 송신하는 레이다 송신부;
    상기 레이다 송신부를 통해 송신된 상기 능동빔이 표적에서 반사되는 표적 반사 신호를 수신하는 레이다 수신부;
    상기 레이다 수신부를 통해 수신된 상기 표적 반사 신호를 기반으로 표적 탐지 정보를 드웰(dwell) 단위로 획득하는 신호 처리부;
    상기 신호 처리부를 통해 획득된 상기 표적 탐지 정보를 기반으로 표적 추적 정보를 상기 드웰 단위로 획득하는 추적부;
    상기 추적부를 통해 획득된 상기 표적 추적 정보를 기반으로 상기 드웰 단위에 복수의 버스트(burst)를 할당하고 제어 명령을 획득하는 자원 관리부; 및
    상기 자원 관리부를 통해 획득된 상기 제어 명령을 기반으로 상기 드웰 단위로 상기 제어 신호를 획득하고, 획득한 상기 제어 신호를 상기 레이다 송신부에 제공하는 레이다 제어부;를 포함하며,
    하나의 상기 드웰은, 서로 독립적인 송신 신호가 할당되는 복수개의 버스트(burst)를 포함하고,
    상기 신호 처리부는, 복수개의 상기 버스트 각각에 대해 서브 표적 탐지 정보를 획득하고, 획득한 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 기반으로 상기 표적 탐지 정보를 상기 드웰 단위로 획득하되,
    상기 신호 처리부는, 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 신호 대 잡음비(SNR)를 기준으로 정렬하고, 정렬된 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 미리 설정된 기준에 따라 가중합하여 상기 표적 탐지 정보를 상기 드웰 단위로 획득하는, 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 버스트는,
    독립적인 코드 변조를 송신 파형에 사용하는 방법, 안테나의 독립적인 편파 특성을 사용하는 방법, 독립적인 주파수 신호를 이용하는 방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여, 독립적인 송신 신호가 할당되는,
    능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 신호 처리부는,
    복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 평균하여 상기 표적 탐지 정보를 상기 드웰 단위로 획득하는,
    능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 표적 탐지 정보는,
    표적에 대한 거리, 속도, 방위각 및 고각을 포함하는,
    능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 레이다 수신부는,
    수신한 상기 표적 반사 신호를 중간 주파수(intermediate frequency, IF)로 변환하고, 상기 중간 주파수를 디지털 신호로 변환하며, 변환한 상기 디지털 신호를 상기 신호 처리부에 제공하는,
    능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 디지털 신호를 미리 설정된 알고리즘에 따라 상기 버스트 단위로 처리하여 상기 서브 표적 탐지 정보를 획득하고, 상기 버스트별로 획득한 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 기반으로 상기 드웰 단위의 상기 표적 탐지 정보를 획득하는,
    능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 장치.
  9. 제어 신호에 따라 능동빔을 송신하는 단계;
    상기 능동빔이 표적에서 반사되는 표적 반사 신호를 수신하는 단게;
    상기 표적 반사 신호를 기반으로 표적 탐지 정보를 드웰(dwell) 단위로 획득하는 단계;
    상기 표적 탐지 정보를 기반으로 표적 추적 정보를 상기 드웰 단위로 획득하는 단계;
    상기 표적 추적 정보를 기반으로 상기 드웰 단위에 복수의 버스트(burst)를 할당하고 제어 명령을 획득하는 단계; 및
    상기 제어 명령을 기반으로 상기 드웰 단위로 상기 제어 신호를 획득하는 단계;를 포함하며,
    하나의 상기 드웰은, 서로 독립적인 송신 신호가 할당되는 복수개의 버스트(burst)를 포함하고,
    상기 표적 탐지 정보 획득 단계는, 복수개의 상기 버스트 각각에 대해 서브 표적 탐지 정보를 획득하고, 획득한 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 기반으로 상기 표적 탐지 정보를 상기 드웰 단위로 획득하되,
    상기 표적 탐지 정보 획득 단계는, 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 신호 대 잡음비(SNR)를 기준으로 정렬하고, 정렬된 복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 미리 설정된 기준에 따라 가중합하여 상기 표적 탐지 정보를 상기 드웰 단위로 획득하는, 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 버스트는,
    독립적인 코드 변조를 송신 파형에 사용하는 방법, 안테나의 독립적인 편파 특성을 사용하는 방법, 독립적인 주파수 신호를 이용하는 방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여, 독립적인 송신 신호가 할당되는,
    능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 방법.
  11. 제9항에서,
    상기 표적 탐지 정보 획득 단계는,
    복수개의 상기 서브 표적 탐지 정보를 평균하여 상기 표적 탐지 정보를 상기 드웰 단위로 획득하는 것으로 이루어지는,
    능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 방법.
  12. 삭제
  13. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 능동 위상 배열 레이다의 신호 처리 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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