KR102665794B1

KR102665794B1 - 레이다 신호 파형을 이용한 다중 표적 탐지 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR102665794B1
Application number: KR1020210085670A
Authority: KR
Inventors: 김형일; 오선진; 전주환
Original assignee: 국방과학연구소; 한국과학기술원
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2024-05-14
Also published as: KR20230003967A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 표적 탐지 방법은 계단 주파수 파형을 이용하여 주기 파형 신호를 생성하여 추적하고자 하는 이동하는 다중 표적에 송신하는 단계; 상기 안테나 어레이의 상기 다중 표적으로부터 수신한 수신 신호를 이용하여 복수의 출력 신호를 획득하는 단계; 상기 복수의 출력 신호를 이용하여 상기 안테나 어레이가 포함하는 복수의 수신기 각각의 RD 평면 또는 상기 RD 평면을 기초로 획득된 데이터 큐브를 포함하는 소스 데이터를 획득하는 단계; 및 상기 소스 데이터에 대하여 역고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transformation; IFFT)를 수행하여 상기 다중 표적을 추적하는 단계를 포함한다.

Description

레이다 신호 파형을 이용한 다중 표적 탐지 방법 및 시스템 {Multi-Target Detection Method and System Using Radar Signal Waveform}

본 발명은 레이다 신호 파형을 이용한 다중 표적 탐지 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 계단 주파수 파형 기반의 레이다 신호 파형을 이용한 다중 표적 탐지 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 레이다(RAdio Detection And Ranging; RADAR)는, 송신기 구성과 수신기 구성을 포함하고, 고주파를 방사하여 반사되어 오는 신호로 대상 물체의 거리 및 방향 등을 탐지할 수 있게 하는 장치를 말하며, 수신된 신호를 기반으로 피탐지체의 거리 및 속도 등을 측정하는 것은 각각 전파의 전파 속도와 전파 소요 시간 및 반사 혹은 산란된 전파가 포함하고 있는 도플러 효과에 의한 주파수 편이에 바탕을 둔다.

계단 주파수 레이다 파형은 일반적인 펄스-도플러 파형과는 달리 여러 주파수를 순차적으로 방사하여 레이다 수신 장치의 구현을 용이하게 하며 동시에 높은 거리해상도(high range resolution: HRR)를 얻게 하는 기법이다. 그리고, 다기능 레이다의 자원 관리는 다수의 표적을 탐색, 추적함에 있어서 빔 즉 시간 자원을 효율적으로 배분하는 기법이다. 또한 레이다의 각도 해상도를 높이려면 많은 수의 수신 안테나가 필요하여 구현이 어렵고 가격이 높아지게 된다. 그러므로 레이다에서는 자원관리 및 고해상도의 거리, 속력, 각도를 얻는 방법이 매우 중요하다.

선형적으로 증가하는 계단 주파수(stepped frequency) 파형은 이동하는 표적을 탐지할 때 이동 속도를 구할 수 없을 뿐만 아니라 표적의 위치가 이동되어 나타나는 문제점이 있다. 상기 계단 주파수가 가지는 단일 펄스 내에서 주파수가 연속적으로 변화하는 계단 처프 주파수(stepped chirp frequency) 파형 또한 상술한 계단 주파수와 동일한 문제점이 있다.

그리고, 펄스들의 위치를 무작위로 배열한 무작위 계단 주파수(randomized stepped frequency) 파형을 이용하는 경우 이동 표적의 거리, 속도, SNR을 정확하게 구할 수 있으나 계산량이 많아서 실용적이고 표적의 각도는 구할 수 없는 문제점이 있다. 상기 무작위 계단 주파수에 대하여 처프 신호를 적용한 무작위 계단 처프 주파수(randomized stepped chirp frequency) 파형 또한 무작위 계단 주파수 파형과 동일한 문제점이 있다.

한편, 다기능 레이다의 자원관리 방법 중 펄스-도플러 레이다의 경우 인터리빙 펄스를 사용하여 탐지 시간을 감소시키는 방안이 있으나 운용하기에 복잡하고 계단 주파수 파형 기반의 방안이 아닌 문제점이 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 계단 주파수 기반의 주기 파형 신호를 이용하여 다중 표적에 대한 공평한 자원관리 능력 및 높은 각도 해상도를 얻을 수 있는 다중 표적 탐지 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.

상기 주기 파형 신호는, 동일한 개수의 단일 펄스들이 제1 주기로 배열된 복수의 펄스 그룹을 포함하고, 상기 복수의 펄스 그룹 각각을 스위프(sweep)라 할 때, 복수의 스위프들은 상기 제1 주기보다 큰 제2 주기로 배열되고, 하나의 스위프 내의 복수의 단일 펄스 각각은 해당하는 단일 펄스 내에서는 동일한 주파수를 가지고, 하나의 스위프 내의 복수의 단일 펄스들은 시간이 커질수록 소정의 간격만큼 불연속적으로 주파수가 증가할 수 있다.

상기 주기 파형 신호는, 상기 하나의 스위프 내에서 상기 복수의 단일 펄스가 제1 채널 및 제2 채널을 포함하는 적어도 두 개 이상의 채널에 할당되어 인터리빙 신호를 형성하고, 상기 주기 파형 신호를 송신하는 단계는, 상기 서로 다른 채널에 할당된 펄스 그룹을 상기 안테나 어레이의 종류에 따라 서로 다른 빔을 통해 송신하거나, 상기 안테나 어레이가 포함하는 서로 다른 송신 안테나를 통해 송신할 수 있다.

상기 복수의 출력 신호를 획득하는 단계는, 상기 안테나 어레이가 송수신 모듈을 포함하는 복수의 단일 안테나가 선형적으로 배열된 선형 배열 안테나, 상기 복수의 단일 안테나가 m×n 행렬 형태로 배열된 평면 배열 안테나인 경우, 상기 안테나 어레이를 적어도 두 개 이상의 서브 어레이로 분할하여 상기 서브 어레이 별 출력 신호를 획득하는 단계; 및 상기 다중 표적의 각도를 산출하기 위해 상기 서브 어레이 별 출력 신호 간의 합 신호 및 차 신호를 획득하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 소스 데이터를 획득하는 단계는, 서로 다른 채널이 할당되는 빔마다 상기 데이터 큐브를 획득하되, 상기 데이터 큐브는 해당하는 빔에 대하여 상기 서브 어레이 별 RD 평면을 포함하고, 상기 RD 평면은 그 일 축이 상기 주기 파형 신호의 스위프 인덱스이고 타 축이 상기 주기 파형 신호의 펄스 인덱스인 매트릭스 형태를 가지며, 상기 RD 평면의 각 단위 셀은 신호 수신 여부에 따른 값을 가질 수 있다.

상기 복수의 출력 신호를 획득하는 단계는, 상기 안테나 어레이가 송신 안테나 및 수신 안테나를 기초로 가상 안테나를 형성하는 다중입력 다중출력(MIMO) 레이다인 경우, 상기 가상 안테나 별 출력 신호를 획득할 수 있다.

상기 소스 데이터를 획득하는 단계는, 복수의 상기 가상 안테나 별 출력 신호를 이용하여 가상 안테나 별 RD 평면을 획득하는 단계; 및 상기 RD 평면을 3차원으로 배열하여 상기 데이터 큐브를 획득하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 다중 표적을 추적하는 단계는, 상기 RD 평면에서 각 축에 대하여 역고속 푸리에 변환(IFFT)을 수행하여 변환 RD 평면을 획득하고, 상기 변환 RD 평면으로부터 상기 다중 표적의 거리 및 속도를 산출하는 단계; 및 상기 변환 RD 평면에서 상기 안테나 어레이의 축에 대하여 모노펄스 계산 또는 IFFT를 수행하여 상기 다중 표적의 각도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 표적 탐지 시스템은 복수의 송수신 안테나를 포함하는 안테나 어레이; 및 상기 안테나 어레이의 수신 신호를 이용하여 이동하는 다중 표적을 추적하는 탐지 장치;를 포함하고, 상기 탐지 장치는, 계단 주파수 파형을 이용하여 주기 파형 신호를 생성하여 상기 다중 표적에 송신하는 신호 생성부; 상기 안테나 어레이의 상기 다중 표적으로부터 수신한 수신 신호를 이용하여 복수의 출력 신호를 획득하는 출력신호 획득부; 상기 복수의 출력 신호를 이용하여 상기 안테나 어레이가 포함하는 복수의 수신기 각각의 RD 평면 또는 이를 기초로 획득된 데이터 큐브를 포함하는 소스 데이터를 획득하는 소스 획득부; 및 상기 소스 데이터에 대하여 역고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transformation; IFFT)를 수행하여 상기 다중 표적을 추적하는 추적부;를 포함한다.

상기 신호 생성부는, 상기 주기 파형 신호를, 동일한 개수의 단일 펄스들이 제1 주기로 배열된 복수의 펄스 그룹을 포함하고, 상기 복수의 펄스 그룹 각각을 스위프(sweep)라 할 때, 복수의 스위프들은 상기 제1 주기보다 큰 제2 주기로 배열되고, 하나의 스위프 내의 복수의 단일 펄스 각각은 해당하는 단일 펄스 내에서는 동일한 주파수를 가지고, 하나의 스위프 내의 복수의 단일 펄스들은 시간이 커질수록 소정의 간격만큼 불연속적으로 주파수가 증가하도록 생성할 수 있다.

상기 신호 생성부는, 상기 하나의 스위프 내에서 상기 복수의 단일 펄스를 적어도 두 개 이상의 채널에 할당하여 인터리빙 신호를 형성하고, 상기 서로 다른 채널에 할당된 펄스 그룹을 상기 안테나 어레이의 종류에 따라 서로 다른 빔을 통해 송신하거나, 상기 안테나 어레이가 포함하는 서로 다른 송신 안테나를 통해 송신할 수 있다.

상기 출력신호 획득부는, 상기 안테나 어레이가 송수신 모듈을 포함하는 복수의 단일 안테나가 선형적으로 배열된 선형 배열 안테나, 상기 복수의 단일 안테나가 m×n 행렬 형태로 배열된 평면 배열 안테나인 경우, 상기 안테나 어레이를 적어도 두 개 이상의 서브 어레이로 분할하여 상기 서브 어레이 별 출력 신호를 획득하고, 상기 다중 표적의 각도를 산출하기 위해 상기 서브 어레이 별 출력 신호 간의 합 신호 및 차 신호를 획득할 수 있다.

상기 소스 획득부는, 서로 다른 채널이 할당되는 빔마다 상기 데이터 큐브를 획득하되, 상기 데이터 큐브는 해당하는 빔에 대하여 상기 서브 어레이 별 RD 평면을 포함하고, 상기 RD 평면은 그 일 축이 상기 주기 파형 신호의 스위프 인덱스이고 타 축이 상기 주기 파형 신호의 펄스 인덱스인 매트릭스 형태를 가지며, 상기 RD 평면의 각 단위 셀은 신호 수신 여부에 따른 값을 가질 수 있다.

상기 출력신호 획득부는, 상기 안테나 어레이가 송신 안테나 및 수신 안테나를 기초로 가상 안테나를 형성하는 다중입력 다중출력(MIMO) 레이다인 경우, 상기 가상 안테나 별 출력 신호를 획득할 수 있다.

상기 소스 획득부는, 복수의 상기 가상 안테나 별 출력 신호를 이용하여 가상 안테나 별 RD 평면을 획득하고, 상기 RD 평면을 3차원으로 배열하여 상기 데이터 큐브를 획득할 수 있다.

상기 추적부는, 상기 RD 평면에서 각 축에 대하여 역고속 푸리에 변환(IFFT)을 수행하여 변환 RD 평면을 획득하고, 상기 변환 RD 평면으로부터 상기 다중 표적의 거리 및 속도를 산출하며, 상기 변환 RD 평면에서 상기 안테나 어레이의 축에 대하여 모노펄스 계산 또는 IFFT를 수행하여 상기 다중 표적의 각도를 산출할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 다중 표적 탐지 방법 및 시스템에 따르면, 계단 주파수 기반의 주기 파형 신호를 이용하여 다중 표적에 대한 공평한 자원관리 능력 및 높은 각도 해상도를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 표적 탐지 시스템(10)의 개략적인 구성을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 표적 탐지 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 계단 주파수 기반의 주기 파형 신호를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주기 파형 신호를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주기 파형 신호를 활용하는 선형 배열 안테나의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 주기 파형 신호를 활용하는 평면 배열 안테나의 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 RD 평면 기반의 데이터 큐브를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 주기 파형 신호를 활용하는 선형 MIMO 레이다의 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 주기 파형 신호를 활용하는 2D-MIMO 레이다의 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 MIMO 레이다의 가상 안테나의 수신 신호를 이용하여 획득한 RD 평면을 설명하기 위한 개념도이다.
도 11은 도 10에 따른 RD 평면을 기초로 생성된 한 개의 데이터 큐브를 설명하기 위한 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 레이다의 가상 안테나의 수신 신호를 기초로 획득된 RD 평면의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 13은 도 12에 따른 RD 평면에 대하여 역고속 푸리에 변환(IFFT)을 수행하여 다중 표적의 거리와 속도를 추적한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 IFFT가 수행된 RD 평면의 한 개의 표적에 대한 신호의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 15는 도 14에 따른 신호도에 대하여 IFFT를 수행하여 표적의 각도를 추적한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 형태는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.

이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈 등이 연결되었다고 할 때, 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 영역, 구성요소, 부, 블록, 모듈들 중간에 다른 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 표적 탐지 시스템(10)의 개략적인 구성을 도시한 구성도이다.

본 발명의 다중 표적 탐지 시스템(10)은 안테나 어레이(100) 및 상기 안테나 어레이(100)의 다중 표적으로부터의 수신 신호를 이용하여 이동하는 다중 표적을 추적하는 다중 표적 탐지 장치(200)를 포함할 수 있다.

본 발명의 안테나 어레이(100)는 복수의 송수신 안테나를 포함하는 선형 안테나 어레이, 평면 안테나 어레이 및 다중입력 다중출력(Multiple-Input Multiple-Output; MIMO) 레이다 중에서 선택된 어느 하나일 수 있고, MIMO 레이다는 선형 MIMO 레이다 및 2D(평면) MIMO 레이다를 포함할 수 있다. 그러나, 안테나 어레이(100)는 복수의 단일 안테나가 소정의 기준으로 배열된 것이면 족하고, 안테나 어레이(100)의 종류는 본 발명을 한정하지 않는다. 본 발명의 안테나 어레이(100)에 관하여는 후술하는 관련 도면에서 더 상세히 설명한다.

본 발명의 다중 표적 탐지 장치(200)(이하에서 '탐지 장치(200)'로 간략히 지칭하여 설명할 수 있다.)는 신호 생성부(210), 출력신호 획득부(220) 및 소스 획득부(230) 및 추적부(240)를 포함할 수 있다.

본 도면에서는 탐지 장치(200)의 각 구성 요소들을 별개의 구성 요소로 도시하였으나, 실시예에 따라서 각 구성 요소는 필요에 따라 하나의 모듈로 통합하여 구현될 수도 있고, 별개의 모듈로 구현될 수 있음은 물론이다. 또한 탐지 장치(200)의 구성 요소는 본 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 안테나 어레이(100)와 같은 탐지 장치(200) 외부의 장치나 서버들과 통신하기 위한 통신 모듈, 탐지 장치(200)를 포함한 탐지 시스템(10)에서 처리되는 모든 종류의 데이터를 저장, 관리, 처리하는 메모리 등을 더 포함할 수 있음은 물론이다.

본 발명의 다중 표적 탐지 시스템(10)은 본 도면에 도시된 이외의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있고, 탐지 시스템(10)의 일부 구성 요소들은 복수의 장치로 분리될 수도 있고, 하나의 장치에 병합될 수도 있다. 가령, 실시예에 따라서 탐지 장치(200)는 안테나 어레이(100) 내부의 프로세서로 구비되어 동작할 수도 있다.

상기 탐지 장치(200)가 포함하는 구성 요소들 각각의 동작에 관하여는 후술하는 도 2를 통해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 표적 탐지 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 이하, 도 1을 함께 참조하여 설명한다.

먼저, 신호 생성부(210)는 계단 주파수 파형을 이용하여 주기 파형 신호를 생성하여 추적하고자 하는 이동하는 다중 표적에 송신한다(S100). 본 발명의 계단 주파수 기반의 주기 파형 신호에 관하여는 후술하는 도 3 및 도 4에서 상세히 설명한다.

이후, 출력신호 획득부(220)는 상기 다중 표적으로부터 수신한 수신 신호를 이용하여 상기 안테나 어레이가 포함하는 복수의 서브 어레이 별로 또는 가상 안테나 별로 복수의 출력신호를 획득한다(S200).

이후, 소스 획득부(230)는 상기 복수의 출력 신호를 이용하여 상기 안테나 어레이(100)가 포함하는 수신기 각각의 RD 평면 또는 상기 RD 평면을 기초로 한 데이터 큐브를 포함하는 소스 데이터를 획득한다(S300). 상기 S200 및 S300 단계에 관하여는 후술하는 도 5 내지 도 11을 통해 상세히 설명한다.

이후, 상기 소스 데이터에 대하여 역고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transformation; IFFT)을 수행하여 이동하는 다중 표적을 추적한다(S400). S400 단계에 관하여는 후술하는 도 12 내지 도 15를 통해 상세히 설명한다.

이하 본 명세서에서 '계단 주파수(Stepped Frequency) 파형'은 연속적인 파형 특성을 보이는 일반적인 펄스-도플러 파형과는 달리 여러 주파수를 순차적으로 방사하여 레이다 수신 장치의 구현을 용이하게 하며, 동시에 높은 거리 해상도(High Range Resolution; HRR)를 얻게 하는 통신 기법에 활용되는 파형이다. 계단 주파수 파형은 선형적으로 소정의 간격(예컨대 △f) 만큼씩 증가하는 N 개의 펄스를 송신하는 파형으로서, 펄스 폭에 따른 코어스 레인지 빈(coarse range bin)(도 3의 Tr에 대응할 수 있음)과 각 펄스마다 소정의 기준에 의한 주파수 변화에 따른 파인 레인지 빈(fine range bin)에 따른 성질을 이용하여 높은 해상도를 얻을 수 있는 이점이 있다. 그러나, 이러한 계단 주파수는 이동하는 표적의 속도를 구할 수 없을 뿐만 아니라 표적의 위치가 이동되어 나타나는 문제점이 있다. 한편, 단일 펄스 내에서 주파수가 연속적으로 선형적으로 변화시킴으로써 코어스 레인지 빈의 사이즈를 감소시킨 계단 첩 주파수(stepped chirp frequency) 파형은 상술한 계단 주파수와 동일한 문제점이 있다.

한편, 상기 복수의 단일 펄스를 주파수 크기에 상관 없이 무작위로 배열한 무작위 계단 주파수(randomized stepped frequency) 파형은 이동하는 표적의 추적은 가능하나, 계산량이 많아서 실용성이 떨어지고 표적의 각도를 산출할 수 없는 문제점이 있다. 계단 첩 주파수 파형에 대하여 무작위 배열을 적용한 무작위 계단 첩 주파수(randomized stepped chirp frequency) 파형도 무작위 계단 주파수와 동일한 문제점이 있다.

이에, 본 발명에서는 후술하는 도 3 및 도 4와 같은 계단 주파수 파형 기반의 주기 파형 신호를 제공한다.

이하, '다기능 레이다의 자원관리'라 함은 다수의 표적을 탐색, 추적함에 있어서 빔(beam) 즉 시간 자원을 효율적으로 배분하는 기법을 의미한다. 레이다의 각도 해상도(HRR)를 높이려면 많은 수의 수신 안테나가 필요하여 탐지 시스템의 구현이 어렵고 비용 또한 높아지는 문제점이 있다. 따라서 레이다 시스템에서는 자원관리 및 고해상도의 거리, 속력, 각도를 획득하여 다중 표적을 탐지하는 기술이 매우 중요하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 계단 주파수 기반의 주기 파형 신호를 도시한 도면이다. 탐지 장치(200)의 신호 생성부(210)(도 1 참고)는 후술하는 계단 주파수 기반의 주기 파형 신호를 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 주기 파형 신호는, 동일한 개수(N개)의 단일 펄스들이 제1 주기(Tr)로 배열된 복수의 펄스 그룹을 포함할 수 있다. 상기 복수의 펄스 그룹 각각을 스위프(sweep)라 할 때, 복수의 스위프들은 상기 제1 주기보다 큰 제2 주기(Tp)로 배열될 수 있다.

하나의 스위프 내의 복수의 단일 펄스 각각은 해당하는 단일 펄스 내에서는 동일한 주파수를 가지고, 하나의 스위프 내의 복수의 단일 펄스들은 시간이 커질수록 소정의 간격만큼 불연속적, 선형적으로 주파수가 증가한다. 상기 소정의 간격은 일 예로, 본 도면에 도시된 주파수 스텝(△f)일 수 있다. 즉, 이와 같이 복수의 펄스들을 무작위로 배열하지 않고 선형적인 증가를 스위프 배열을 통해 반복함으로써 IFFT를 사용하여 다중 표적의 거리와 속도를 추적할 수 있다.

하나의 스위프가 포함하는 단일 펄스의 개수를 N개, 스위프의 개수를 P개라 가정한다. 도 3의 주기 파형 신호는 총 4개의 스위프(P=4)를 포함하고, 하나의 스위프는 6개의 단일 펄스를 포함하며, 예를 들어 도면 부호 11로 표시된 펄스는 두 번째 스위프의 네 번째 펄스이다.

가령, 도 3을 참조하면 신호 생성부(210)는 단일 펄스를 제1 주기(Tr)로 송신하고, 제1 주기(Tr)로 주파수 크기에 따라 순차적으로 배열된 N=6개의 단일 펄스들이 한 개의 스위프를 형성하며, 스위프의 주기는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

Tp=N×Tr

즉, 스위프의 제2 주기(Tp)는 하나의 스위프가 포함하는 단일 펄스의 개수(N)와 단일 펄스의 송신 주기인 제1 주기(Tr)의 곱으로 산출될 수 있다.

이상에서는 단일 펄스 내에서는 주파수 크기가 동일한 것을 예시로 들어 설명하였으나, 실시예에 따라서 단일 펄스 내에서도 연속적으로 주파수가 증가하는 계단 첩 주파수에 대해서도 전술한 도 3의 주기 파형 신호의 원리 및 효과가 적용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주기 파형 신호를 도시한 도면이다. 도 4의 주기 파형 신호는 인터리빙(interleaved) 계단 주파수 파형 신호로 지칭될 수 있다. 본 도면에서는 전술한 도 3에서 추가되는 특징을 위주로 설명한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 주기 파형 신호에서는, 전술한 도 3의 주기 파형 신호의 복수의 스위프 각각 내에서 복수의 단일 펄스가 적어도 두 개 이상의 채널에 할당되어 인터리빙 신호를 형성할 수 있다. 이때 복수의 단일 펄스들의 서로 다른 채널로의 할당은 임의적(random)이어야 한다. 즉, 신호 생성부(210)는 인터리빙 신호 생성 시 단일 펄스들을 서로 다른 채널로 할당할 때 랜덤으로 할당할 수 있다. 만약, 할당이 규칙적/주기적일 경우, 예컨대 펄스들을 순서대로 'channel 0, channel 1, channel 0, channel 1, …', 또는 'channel 0, channel 0, channel 1, channel 1, …'의 반복적인 순서로 할당하는 경우, 신호 왜곡 현상(aliasing)이 발생하여 본 발명의 탐지 방법 또는 시스템이 정상적으로 동작하지 않을 수 있다.

하나의 스위프가 N개의 단일 펄스를 포함하고, 서로 다른 C개의 채널로 할당하는 경우, 각 채널 당 N_S=N/C 개의 펄스가 할당될 수 있다. 본 도면의 경우 N_S=N/C=6/2=3 이므로, 각 채널 당 3개의 펄스가 할당되는 것을 알 수 있다.

가령, 도 4를 참조하여 펄스들을 두 개의 채널(channel 0, channel 1)(서로 다른 해칭으로 도시함)로 할당하는 실시예를 가정하면, 주기 파형 신호가 포함하는 복수의 단일 펄스들을 무작위로 두 그룹(channel 0, channel 1)으로 나누어 각 채널에 할당할 수 있다. 이후, 안테나 어레이의 종류에 따라 같은 채널에 할당된 펄스들끼리 서로 다른 빔을 통해 송신되거나, 안테나 어레이가 포함하는 서로 다른 송수신 모듈(예컨대, MIMO 레이다의 송신 안테나, 도 6 및 도 7 참고)로 송신될 수 있다. 이하, channel 0을 제1 채널, channel 1을 제2 채널로 지칭할 수 있다.

이상에서는 단일 펄스 내에서는 주파수 크기가 동일한 것을 예시로 들어 설명하였으나, 실시예에 따라서 단일 펄스 내에서도 연속적으로 주파수가 증가하는 계단 첩 주파수에 대해서도 전술한 도 4의 주기 파형 신호의 원리 및 효과가 적용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주기 파형 신호를 활용하는 선형 배열 안테나(110)의 예시도이다. 선형 배열 안테나(linear antenna array) (110)는 본 발명의 안테나 어레이(100)(도 1 참고)의 일 예시이다.

선형 배열 안테나(110)는 선형적으로 배열된 복수의 단일 안테나(송수신 안테나)(51)를 포함하고, 상기 단일 안테나(51) 각각은 하나의 송수신 모듈(Transmit Receive Module; TRM)을 포함할 수 있다. 본 도면에는 6개의 단일 안테나(51)를 포함하는 선형 배열 안테나(110)를 예시로 도시하였다.

현재 통상적으로 운용되는 일반적인 군사용 레이다는 한 개의 빔을 여러 방향으로 순차적으로 이동시키면서 송신함으로써 다수의 표적들을 탐지, 추적한다. 이때 만약 서로 다른 두 방향에 존재하는 표적들을 동시에 탐지해야 하는 경우 두 개의 빔(가령 beam 0, beam 1)을 동시에 송신해야 한다. 이 경우 단일 안테나 각각에 빔 개수인 두 개씩의 송수신 모듈(TRM)이 필요하므로 비용도 비싸질 뿐더러 탐지 시스템이 복잡해지는 문제점이 있다.

여기서 전술한 도 4의 주기 파형 신호를 함께 참조하여 설명한다. 도 4를 참조하면, 복수의 단일 펄스들이 두 개의 채널(channel 0, channel 1)로 할당되어 같은 채널에 할당된 펄스들끼리 두 개의 펄스 그룹으로 나뉜다. 채널 0으로 할당된 펄스 그룹을 제1 펄스 그룹, 채널 1로 할당된 펄스 그룹을 제2 펄스 그룹이라 할 때, 상기 제1 및 제2 펄스 그룹 각각은 도 5의 서로 다른 빔(beam 0, beam 1)을 통해 선형 배열 안테나(110)로 송신될 수 있다. 가령, 제1 펄스 그룹은 beam 0을 통해, 제2 펄스 그룹은 beam 1를 통해 송신될 수 있다. 이와 같이, 서로 다른 펄스 그룹을 각각 다른 빔에 할당함으로써 단일 안테나(51)가 한 개의 송수신 모듈(TRM)만을 포함하더라도 송수신 모듈이 인접한 단일 펄스 사이의 제1 주기(Tr)의 시간차를 가지고 동작하므로 동시에 두 개의 송수신 모듈을 활용하는 효과를 얻을 수 있다.

이하, 전술한 도 1 및 도 2를 함께 사용하여 선형 배열 안테나(110)의 다중 표적을 추적하기 위한 출력신호 획득 단계(S200)에 관하여 설명한다.

탐지 장치(200)(가령, 출력신호 획득부(220))는 안테나 어레이(100)를 적어도 두 개 이상의 복수의 서브 어레이(subarray)로 나누어 각 서브 어레이들의 출력 신호를 획득할 수 있다. 상기 복수의 출력 신호들 간의 합 신호 및 차 신호를 이용하여 이동하는 다중 표적의 각도, 예컨대 방위각 또는 고각을 산출할 수 있다.

선형 배열 안테나(110)의 경우 단일 안테나(51)들의 선형 배열에 대하여 일 기준으로 적어도 두 개 이상의 복수의 서브 어레이로 나뉠 수 있다. 예컨대, 모노펄스 각도추정 방식에서 선형 배열 안테나(110)를 선형 배열의 중앙을 기준으로 일 측(좌측) 및 타 측(우측)의 두 개의 서브 어레이(SA1, SA2)로 나눌 수 있다. 즉, 각 빔(beam 0, beam 1)마다 서브 어레이(SA1, SA2) 별로 두 개씩의 서브 출력 신호가 획득된다. 이후, 서브 어레이(SA1, SA2) 각각의 출력 신호를 더하고 빼서 합 신호 및 차 신호를 획득한 후 이 신호들로부터 다중 표적의 방위각을 산출할 수 있다.

이상에서는 빔의 개수가 2개인 것을 예로 들어 설명하였으나, 3개 이상의 빔을 형성하는 경우에도 전술한 원리가 그대로 적용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 주기 파형 신호를 활용하는 평면 배열 안테나(120)의 예시도이다. 평면 배열 안테나(120)는 본 발명의 안테나 어레이(100)(도 1 참고)의 일 예시이다. 전술한 도 5와 중복되는 내용은 설명을 생략하거나 간단히 할 수 있다.

평면 배열 안테나(120)는 m×n 행렬 형태(m, n은 서로 같거나 다른 자연수)로 배열된 복수의 단일 안테나(61)를 포함하고, 상기 단일 안테나(61) 각각은 하나의 송수신 모듈(TRM)을 포함할 수 있다.

여기서 전술한 도 4의 주기 파형 신호를 함께 참조하여 설명한다. 도 4의 서로 다른 채널로 할당된 펄스 그룹 각각은 본 도면의 서로 다른 빔(beam 0, beam 1)으로 할당되어 송신될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 평면 배열 안테나(120)의 경우 4개의 서브 어레이(SA1, SA2, SA3, SA4)로 나누고 상기 서브 어레이(SA1~SA4) 각각의 서브 출력 신호를 획득하고 이들 출력 신호 간의 합 신호 및 차 신호를 획득할 수 있다. 가령, 4개의 서브 출력 신호들을 더하고 빼서 한 개의 합 신호 및 두 개의 차 신호, 총 3개의 신호를 획득하고 이 신호들로부터 다중 표적의 방위각 및 고각을 산출할 수 있다. 구체적으로, 한 개의 합 신호는 4개의 서브 출력 신호들을 모두 합하여 산출될 수 있다. 두 개의 차 신호는, 방위각(예컨대 uw 평면 방향, 수평) 방향으로 좌우로 얻어지는 두 신호들끼리의 차와, 고각(예컨대 v 방향, 수직) 방향으로 상하로 얻어지는 두 신호들끼리의 차로 산출될 수 있다.

이하, 도 7 및 전술한 도면들을 함께 사용하여 복수의 출력신호를 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 소스 데이터를 획득하는 방법에 대하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 RD 평면 기반의 데이터 큐브를 설명하기 위한 개념도이다. 본 발명의 소스 데이터의 개수나 모양 등은 안테나 어레이(100)의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 본 도면은 선형 배열 안테나(110)에 대한 예시이다.

탐지 장치(200)(가령, 소스 획득부(230))는 상술한 복수의 출력 신호를 이용하여 안테나 어레이(100)의 수신기 각각에 의한 소스 데이터를 획득할 수 있다(S300). 이하, 소스 데이터란 RD 평면 및 이를 기초로 획득된 데이터 큐브를 포함하는 데이터를 의미한다.

이하, 'RD 평면(Range-Doppler Plane)'이란 하나의 수신기, 또는 하나의 빔을 수신하는 수신기가 P개의 스위프(도 4 참고) 각각에 대하여 수신한 N개의 펄스를 2차원 N×P 매트릭스로 표시한 평면을 의미한다. '데이터 큐브(Data Cube)'는 안테나 어레이(100)가 M개의 수신기(또는 빔)를 포함할 때 M개의 RD 평면이 획득되고, 이들을 N×P×M 배열로 배열한 큐브형 데이터를 의미한다.

도 7을 참조하면, 소스 획득부(230)는 서로 다른 채널이 할당되는 서로 다른 빔(예컨대 beam 0, beam 1)마다 데이터 큐브(71, 72)를 획득할 수 있다. 제1 데이터 큐브(71)는 제1 빔(beam 0)에 대한 데이터이고, 제2 데이터 큐브(72)는 제2 빔(beam 1)에 대한 데이터이다. 본 도면에는 각 빔마다 도 4의 실시예에 따른 주기 파형 신호(N×P=6×4) 및 두 개의 서브 어레이에 대응하여 획득된 6×4×2 데이터 큐브(71, 72)가 도시되어 있다.

상기 데이터 큐브(71, 72)는 해당하는 안테나 어레이(100)의 복수의 서브 어레이 별 RD 평면을 포함할 수 있다. 이때 상기 서브 어레이 별 RD 평면의 일 축은 복수의 스위프의 인덱스(sweep #, slow time)(Tp; 도 4 참고)이고, 이와 교차하는 타 축은 해당 스위프가 포함하는 복수의 단일 펄스의 인덱스(pulse #, fast time)(Tr; 도 4 참고)를 의미한다.

상기 RD 평면의 스위프 인덱스와 단위 펄스 인덱스로 결정되는 각 단위 셀(70)은, 해당 수신기(또는 빔)의 해당 펄스의 수신 여부에 따라 0 또는 1의 값을 가질 수 있다. 가령, 제2 데이터 큐브(72)의 두 번째 서브 어레이(SA2)의 RD 평면에 도시된 두 단위 셀(70a, 70b)를 참조하면, 제2 빔(beam 1)을 통해 송신된 세 번째 스위프의 첫 번째 펄스(70a)는 해칭되지 않은 0의 값을 가지며 세 번째 스위프의 네 번째 펄스(70b)는 해칭된 1의 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 70a에 해당하는 펄스는 수신되지 않았고, 70b에 해당하는 펄스는 수신된 것을 의미한다. 도 3 또는 도 4와 같은 인터리빙 신호의 성질에 따라 검출 값이 0인 단위 셀이 섞여 있으나 이들의 위치가 무작위적이므로 역고속 푸리에 변환(IFFT)으로 다중 표적의 거리, 속도 및 각도를 추적할 수 있다.

실시예에 따라서, 각 단위 셀(70)은 전술한 0 또는 1의 이진 데이터 뿐만 아니라 해당 펄스가 수신된 세기 등 다양한 기준에 따라 더 스펙트럼화 된 데이터를 가질 수도 있다.

실시예에 따라서, 도 6의 평면 배열 안테나(120)의 경우 4개의 서브 어레이(SA1~SA4)에 대응하는 총 4개의 RD 평면을 포함하는, 6×4×4 데이터 큐브가 획득될 수 있다.

이후, 전술한 RD 평면 각각에 대하여 각 축으로 IFFT를 수행하면 다중 표적의 거리와 속도를 산출할 수 있고, 다시 안테나의 축(도 5 및 도 6 참고)으로 모노펄스 계산 또는 IFFT를 수행하면 다중 표적의 각도를 산출할 수 있다. 모노펄스 계산은 전술한 도 5를 예로 들면, 서브 어레이(SA1, SA2) 마다의 출력 신호 간의 합 신호, 차 신호를 획득한 후 차 신호가 0에 가까울수록 빔 수신 방향이 정방향이며 차 신호의 부호(+,-)에 따라 정방향을 기준으로 어느 방향으로 얼만큼 벗어난 각도로 수신되었는지를 알 수 있는 방법이다. 합 신호는 차 신호를 나누어 차 신호를 정규화(normalization)하는데 활용될 수 있다.

이와 같이 획득한 소스 데이터를 이용하여 이동하는 다중 표적을 추적하는 단계에 관하여는 후술하는 관련 도면에서 더 상세히 설명한다.

이하, 도 8 및 도 9를 사용하여 본 발명의 안테나 어레이(100)의 일 실시예로서 MIMO 레이다(130, 140)에의 적용예를 설명한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 주기 파형 신호를 활용하는 선형 MIMO 레이다(130)의 예시도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 주기 파형 신호를 활용하는 평면 MIMO(2D-MIMO) 레이다의 예시도이다.

먼저 도 8을 참조하면, 선형 MIMO 레이다(130)는 p개의 송신 안테나(Tx antennas)(81) 및 q개의 수신 안테나(Rx antennas)(82)를 포함하고, 이러한 송수신 안테나(81, 82)를 이용하여 p×q개의 가상 안테나(virtual antennas)(83)를 형성할 수 있다 (p, q는 서로 같거나 다른 자연수). 본 도면에는 2개의 송신 안테나 및 4개의 수신 안테나를 통해 8개의 가상 안테나를 형성하는 예시를 도시하였다. 이와 같이, MIMO 레이다는 송수신 안테나(81, 82) 개수의 합보다 훨씬 많은 수의 가상 안테나를 형성할 수 있으므로, 추적 시 각도 분해능이 향상되고 경제적인 이점이 있다.

여기서, 전술한 도 4의 주기 파형 신호를 함께 참조하여 설명한다. 선형 MIMO 레이다(130)의 경우, 도 4의 서로 다른 채널로 할당된 펄스 그룹 각각은 서로 다른 송신 안테나(81)를 통해 송신될 수 있다. 기존의 MIMO 레이다 방식에서는 수신 안테나(82)에서 복수의 송신 안테나(81)로부터 동시에 수신한 신호를 분리하여야 하는 어려움이 있었다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따라 인터리빙 펄스 신호를 사용하는 경우 두 개의 송신 안테나가 동시에 신호를 송신하는 것이 아니므로 분리할 필요가 없어져 송수신 장치가 간단해지고, 기존의 배열 안테나 하드웨어를 개조할 피룡 없이 소프트웨어만 대체하여 간편하게 사용할 수 있다.

다음으로 도 9를 참조하면, 평면 MIMO 레이다(140)는 전술한 선형 MIMO 레이다(130)의 원리를 평면 배열로 적용한 예시이다. 본 도면에 도시한 평면 MIMO 레이다(140)는 안테나 평면의 네 구석의 4개의 서브 어레이가 2×2 송신 안테나(91)를 형성하고, 안테나 평면 전체에 배열된 16개의 서브 어레이가 4×4 수신 안테나(92)를 형성하고, 이에 따라 8×8의 가상 안테나(93)가 형성되어 있다. 이 경우 송신 안테나(91)가 4개이므로 도 4의 주기 파형 신호에서 설명한 채널 또는 펄스 그룹은 2개가 아닌 4개로 형성되어야 한다.

평면형 MIMO 레이다(140)의 경우, 탐지 장치(200)(가령, 출력신호 획득부(220))는 위와 같이 형성된 가상 안테나 별로 출력 신호를 획득할 수 있다.

전술한 평면 MIMO 레이다(140)의 원리는 M_t를 송신 안테나(91)의 개수, M_r을 수신 안테나(92)의 개수라 할 때, M_t×M_t, M_r×M_r의 평면 MIMO 레이다에도 적용될 수 있다.

상술한 MIMO 레이다(130, 140)를 이용한 다중 표적 탐지 방법에 관하여 후술하는 도면들에서 설명한다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 MIMO 레이다(140)(도 8 참고)의 가상 안테나의 수신 신호를 이용하여 획득한 RD 평면을 설명하기 위한 개념도이고, 도 11은 도 10에 따른 RD 평면을 기초로 생성된 한 개의 데이터 큐브를 설명하기 위한 개념도이다. 이하, 도 7에서 전술한 실시예와 중복되는 내용은 설명을 간략히 하거나 생략할 수 있다.

탐지 장치(200)(가령, 소스 획득부(230))는 상술한 복수의 가상 안테나(93) 별 출력 신호를 이용하여 가상 안테나(virtual ant)(93) 별 RD 평면을 획득할 수 있다. 가령 도 10을 참조하면, MIMO 레이다(130, 140)가 2개의 송신 안테나(Tx0, Tx1) 및 2개의 수신 안테나(Rx0, Rx1)를 포함하는 경우 2×2로 총 4개의 가상 안테나(virtual ant 0~3)가 형성되어, 이들 각각의 RD 평면이 획득될 수 있다. 각 RD 평면은 도 4의 주기 파형 신호에 대하여 획득된 평면으로 6×4 배열을 가진다. 각 RD 평면에 관하여는 도 7에서 전술한 바와 같다.

다음 도 11을 참조하면, 도 10과 같이 얻어진 서로 다른 가상 안테나(Tx-Rx) 별로 획득된 4개의 RD 평면을 3차원적으로 배열한 6×4×4 데이터 큐브가 도시되어 있다.

이와 같이 획득한 소스 데이터를 이용하여 이동하는 다중 표적을 추적하는 단계에 관하여는 후술하는 도면들을 통해 설명한다.

이하, 도 12 내지 도 15의 시뮬레이션 결과를 활용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 MIMO 레이다(140)를 활용하여 다중 표적을 추적하는 방법에 대하여 설명한다.

도 12 내지 도 15는, 주기 파형 신호의 단일 펄스 및 스위프의 개수가 각각 N=64, P=64이고, 송신 안테나(또는 채널) 및 수신 안테나의 개수(M_t, M_r)는 각각 M_t=4, M_r=4로서 가상 안테나의 개수(M)는 M=M_t×M_r=16개이며, 채널(C) 당 펄스의 개수(N_S)는 N_S=N/C=64/4=16개인 경우의 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션에 사용한 주파수(f₀), 펄스 주기(Tr), 스위프 주기(Tp), 주파수 스텝(△f), 펄스 폭(τ)은 다음과 같다.

f₀=9 ㎓, Tr=0.1 ㎳, Tp=6.4 ㎳, △f=1 ㎒, τ=1 ㎲

이를 통해 추적된 다중 표적의 거리(r), 속도(), 각도(θ) 및 SNR은 각각 다음과 같다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 레이다의 가상 안테나의 수신 신호를 기초로 획득된 RD 평면의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 전술한 16개의 가상 안테나 중 첫 번째 가상 안테나에서 수신한 신호를 이용하여 획득한 RD 평면(real part)이 도시되어 있다. 가로축이 스위프 인덱스(sweep #, slow time)이고 세로축이 펄스 인덱스(pulse #, fast time)로서, 각 단위 셀마다 수신 신호 세기가 나타나 있는 것을 확인할 수 있다.

도 13은 도 12에 따른 RD 평면에 대하여 역고속 푸리에 변환(IFFT)을 수행하여 다중 표적의 거리와 속도를 추적한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 도 13은 도 12의 RD 평면을 각 축에 대하여 IFFT를 수행하여 총 2번의 IFFT를 수행한 변환 RD 평면으로, 가로축은 다중 표적의 속도(rdot)[m/sec], 세로축은 다중 표적의 거리(r)[m]를 나타낸다. 본 도면을 통해, 빨간 점선 원을 참조하면 RD 평면(real part)의 각 축에 대하여 IFFT를 수행함으로써 다중 표적 각각의 거리와 속도가 정확히 추적된 것을 확인할 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 IFFT가 수행된 변환 RD 평면의 첫 번째 표적(T1)에 대한 신호의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 도 14의 그래프는 첫 번째 표적(T1)(도 13 참고)의 16개의 가상 안테나(virtual antenna index)(가로축)에 대응하는 RD 평면 각각에서의 위치에서의 복소수 값의 실수부(real part)(세로축, signal)를 나타낸 그래프로서, 정현파의 형태로 나타난다. 이 정현파의 주파수가 해당하는 표적(T1)의 각도를 의미하는 것으로서, 그 결과가 후술하는 도 15에 도시되어 있다.

도 15는 도 14에 따른 신호도에 대하여 IFFT를 수행하여 표적의 각도를 추적한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 전술한 첫 번째 표적(T1) 위치에서의 복소수 값에 대하여 IFFT를 수행하면 도 15와 같은 각도(angle)에 따른 신호 세기(signal) 분포를 획득할 수 있다. 첫 번째 표적(T1)에서의 신호 도달 각도(Angle of arrival; AOA)는 최대 피크(peak) 값을 가지는 약 -15°인 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면 계단 주파수 기반의 주기 파형 신호를 이용하여 이동하는 다중 표적 탐지 방법에 있어서, 높은 각도 해상도 뿐만 아니라 다중 표적에 대한 공평한 자원관리 능력을 확보할 수 있다.

이상 설명된 본 발명의 실시예들에 따른 탐지 장치(200)의 동작은 컴퓨터 상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 컴퓨터로 실행 가능한 프로그램을 저장하는 것일 수 있다. 매체의 예시로는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등을 포함하여 프로그램 명령어가 저장되도록 구성된 것이 있을 수 있다.

한편, 상기 컴퓨터 프로그램은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.

또한, 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 이해되어져서는 안될 것이다.

따라서, 본 발명의 사상은 앞에서 설명된 실시예들에 국한하여 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위가 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 다중 표적 탐지 시스템
100: 안테나 어레이
110: 선형 배열 안테나
120: 평면 배열 안테나
130: 선형 MIMO 레이다
140: 평면 MIMO 레이다
200: 다중 표적 탐지 장치

Claims

계단 주파수 파형을 이용하여 주기 파형 신호를 생성하여 추적하고자 하는 이동하는 다중 표적에 송신하는 단계;
안테나 어레이의 상기 다중 표적으로부터 수신한 수신 신호를 이용하여 복수의 출력 신호를 획득하는 단계;
상기 복수의 출력 신호를 이용하여 상기 안테나 어레이가 포함하는 복수의 수신기 각각의 RD 평면 또는 상기 RD 평면을 기초로 획득된 데이터 큐브를 포함하는 소스 데이터를 획득하는 단계; 및
상기 소스 데이터에 대하여 역고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transformation; IFFT)를 수행하여 상기 다중 표적을 추적하는 단계;
를 포함하고,
상기 주기 파형 신호는,
동일한 개수의 단일 펄스들이 제1 주기로 배열된 복수의 펄스 그룹을 포함하고,
상기 복수의 펄스 그룹 각각을 스위프(sweep)라 할 때, 복수의 스위프들은 상기 제1 주기보다 큰 제2 주기로 배열되고,
하나의 스위프 내의 복수의 단일 펄스 각각은 해당하는 단일 펄스 내에서는 동일한 주파수를 가지고, 하나의 스위프 내의 복수의 단일 펄스들은 시간이 커질수록 소정의 간격만큼 불연속적으로 주파수가 증가하고,
상기 주기 파형 신호는,
상기 하나의 스위프 내에서 상기 복수의 단일 펄스가 제1 채널 및 제2 채널을 포함하는 적어도 두 개 이상의 채널에 할당되어 인터리빙 신호를 형성하고,
상기 주기 파형 신호를 송신하는 단계는,
상기 서로 다른 채널에 할당된 펄스 그룹을 상기 안테나 어레이의 종류에 따라 서로 다른 빔을 통해 송신하거나, 상기 안테나 어레이가 포함하는 서로 다른 송신 안테나를 통해 송신하는, 다중 표적 탐지 방법.
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제1항에 있어서,
상기 복수의 출력 신호를 획득하는 단계는,
상기 안테나 어레이가 송수신 모듈을 포함하는 복수의 단일 안테나가 선형적으로 배열된 선형 배열 안테나, 상기 복수의 단일 안테나가 m×n 행렬 형태로 배열된 평면 배열 안테나인 경우,
상기 안테나 어레이를 적어도 두 개 이상의 서브 어레이로 분할하여 상기 서브 어레이 별 출력 신호를 획득하는 단계; 및
상기 다중 표적의 각도를 산출하기 위해 상기 서브 어레이 별 출력 신호 간의 합 신호 및 차 신호를 획득하는 단계;를 포함하는, 다중 표적 탐지 방법.
제4항에 있어서,
상기 소스 데이터를 획득하는 단계는,
서로 다른 채널이 할당되는 빔마다 상기 데이터 큐브를 획득하되,
상기 데이터 큐브는 해당하는 빔에 대하여 상기 서브 어레이 별 RD 평면을 포함하고, 상기 RD 평면은 그 일 축이 상기 주기 파형 신호의 스위프 인덱스이고 타 축이 상기 주기 파형 신호의 펄스 인덱스인 매트릭스 형태를 가지며,
상기 RD 평면의 각 단위 셀은 신호 수신 여부에 따른 값을 가지는, 다중 표적 탐지 방법.
제1항에 있어서,
상기 복수의 출력 신호를 획득하는 단계는,
상기 안테나 어레이가 송신 안테나 및 수신 안테나를 기초로 가상 안테나를 형성하는 다중입력 다중출력(MIMO) 레이다인 경우,
상기 가상 안테나 별 출력 신호를 획득하는, 다중 표적 탐지 방법.
제6항에 있어서,
상기 소스 데이터를 획득하는 단계는,
복수의 상기 가상 안테나 별 출력 신호를 이용하여 가상 안테나 별 RD 평면을 획득하는 단계; 및
상기 RD 평면을 3차원으로 배열하여 상기 데이터 큐브를 획득하는 단계;를 포함하는, 다중 표적 탐지 방법.
제1항에 있어서,
상기 다중 표적을 추적하는 단계는,
상기 RD 평면에서 각 축에 대하여 역고속 푸리에 변환(IFFT)을 수행하여 변환 RD 평면을 획득하고, 상기 변환 RD 평면으로부터 상기 다중 표적의 거리 및 속도를 산출하는 단계; 및
상기 변환 RD 평면에서 상기 안테나 어레이의 축에 대하여 모노펄스 계산 또는 IFFT를 수행하여 상기 다중 표적의 각도를 산출하는 단계;
를 포함하는, 다중 표적 탐지 방법.
복수의 송수신 안테나를 포함하는 안테나 어레이; 및
상기 안테나 어레이의 수신 신호를 이용하여 이동하는 다중 표적을 추적하는 탐지 장치;를 포함하고, 상기 탐지 장치는,
계단 주파수 파형을 이용하여 주기 파형 신호를 생성하여 상기 다중 표적에 송신하는 신호 생성부;
상기 안테나 어레이의 상기 다중 표적으로부터 수신한 수신 신호를 이용하여 복수의 출력 신호를 획득하는 출력신호 획득부;
상기 복수의 출력 신호를 이용하여 상기 안테나 어레이가 포함하는 복수의 수신기 각각의 RD 평면 또는 이를 기초로 획득된 데이터 큐브를 포함하는 소스 데이터를 획득하는 소스 획득부; 및
상기 소스 데이터에 대하여 역고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transformation; IFFT)를 수행하여 상기 다중 표적을 추적하는 추적부;를 포함하고,
상기 신호 생성부는, 상기 주기 파형 신호를,
동일한 개수의 단일 펄스들이 제1 주기로 배열된 복수의 펄스 그룹을 포함하고,
상기 복수의 펄스 그룹 각각을 스위프(sweep)라 할 때, 복수의 스위프들은 상기 제1 주기보다 큰 제2 주기로 배열되고,
하나의 스위프 내의 복수의 단일 펄스 각각은 해당하는 단일 펄스 내에서는 동일한 주파수를 가지고, 하나의 스위프 내의 복수의 단일 펄스들은 시간이 커질수록 소정의 간격만큼 불연속적으로 주파수가 증가하도록 생성하고,
상기 신호 생성부는,
상기 하나의 스위프 내에서 상기 복수의 단일 펄스를 적어도 두 개 이상의 채널에 할당하여 인터리빙 신호를 형성하고,
상기 서로 다른 채널에 할당된 펄스 그룹을 상기 안테나 어레이의 종류에 따라 서로 다른 빔을 통해 송신하거나, 상기 안테나 어레이가 포함하는 서로 다른 송신 안테나를 통해 송신하는, 다중 표적 탐지 시스템.
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제9항에 있어서,
상기 출력신호 획득부는,
상기 안테나 어레이가 송수신 모듈을 포함하는 복수의 단일 안테나가 선형적으로 배열된 선형 배열 안테나, 상기 복수의 단일 안테나가 m×n 행렬 형태로 배열된 평면 배열 안테나인 경우,
상기 안테나 어레이를 적어도 두 개 이상의 서브 어레이로 분할하여 상기 서브 어레이 별 출력 신호를 획득하고,
상기 다중 표적의 각도를 산출하기 위해 상기 서브 어레이 별 출력 신호 간의 합 신호 및 차 신호를 획득하는, 다중 표적 탐지 시스템.
제12항에 있어서,
상기 소스 획득부는,
서로 다른 채널이 할당되는 빔마다 상기 데이터 큐브를 획득하되,
상기 데이터 큐브는 해당하는 빔에 대하여 상기 서브 어레이 별 RD 평면을 포함하고, 상기 RD 평면은 그 일 축이 상기 주기 파형 신호의 스위프 인덱스이고 타 축이 상기 주기 파형 신호의 펄스 인덱스인 매트릭스 형태를 가지며,
상기 RD 평면의 각 단위 셀은 신호 수신 여부에 따른 값을 가지는, 다중 표적 탐지 시스템.
제9항에 있어서,
상기 출력신호 획득부는,
상기 안테나 어레이가 송신 안테나 및 수신 안테나를 기초로 가상 안테나를 형성하는 다중입력 다중출력(MIMO) 레이다인 경우,
상기 가상 안테나 별 출력 신호를 획득하는, 다중 표적 탐지 시스템.
제14항에 있어서,
상기 소스 획득부는,
복수의 상기 가상 안테나 별 출력 신호를 이용하여 가상 안테나 별 RD 평면을 획득하고,
상기 RD 평면을 3차원으로 배열하여 상기 데이터 큐브를 획득하는, 다중 표적 탐지 시스템.
제9항에 있어서,
상기 추적부는,
상기 RD 평면에서 각 축에 대하여 역고속 푸리에 변환(IFFT)을 수행하여 변환 RD 평면을 획득하고, 상기 변환 RD 평면으로부터 상기 다중 표적의 거리 및 속도를 산출하며,
상기 변환 RD 평면에서 상기 안테나 어레이의 축에 대하여 모노펄스 계산 또는 IFFT를 수행하여 상기 다중 표적의 각도를 산출하는, 다중 표적 탐지 시스템.