KR20030087090A - 클러터 환경에 적응하는 표적 신호 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 클러터 환경에 적응하는 표적 신호 검출장치에 관한 것으로, 상세하게는 레이더 빔을 송전 철탑과 같은 고정 표적이 존재하는 지형으로 방사하는 경우, 고정 표적에 의해 반사되는 신호에 화이트 노이즈 성분이 다량 함유되어 있어 고정 표적을 이동 표적으로 오인하여 오경보를 하는 것을 방지하도록 직선 근사 계산기에서 출력되는 a값중 최대값에 상수 k값을 곱하여 참조 레벨을 설정하고, CFAR 수행시 한계 레벨 및 참조 레벨보다 높은 파워가 입력되는 경우에만 표적 신호를 출력하도록 함으로써 레이더의 오경보율을 개선할 수 있다.

Description

클러터 환경에 적응하는 표적 신호 검출장치{TARGET SIGNAL SENSING APPARATUS WHICH IS ADAPTED TO CLUTTER ENVIRONMENT}

본 발명은 표적 신호 검출장치에 관한 것으로, 상세하게는 레이더 빔을 송전 철탑과 같은 고정 표적이 존재하는 지형으로 방사하는 경우, 고정 표적에 의해 반사되는 신호에 화이트 노이즈 성분이 다량 함유되어 있어 고정 표적을 이동 표적으로 오인하는 것을 차단하도록 하는 클러터 환경에 적응하는 표적 신호 검출장치에 관한 것이다.

일반적으로 레이더(RADAR : Radio Detection And Ranging)는 인간의 가시거리 한계를 초월하여 원거리에 있는 물체의 존재를 탐지하는 센서로서, 기상 여건이나 주야에 관계없이 전천후 기능을 가지고 단거리부터 수평선 너머 지구 반대편의 장거리 물체까지 탐지할 수 있는 고유한 신호의 특성이 있기 때문에 기존의 광학 수단을 이용한 방식과는 완전히 다른 전자파 센서이다.

레이더는 전자파를 이용하여 원거리의 표적을 볼 수 있는 전천후 전자의 눈으로서 항공 운항 및 관제, 지구 및 우주탐사, 기상관측, 선박 항해, 자동차 속도 측정 및 충돌방지 등의 민수용 뿐만 아니라 조기경보, 항만감시, 대공방어, 미사일 유도통제 등의 군사용으로 사용되고 있다.

이러한 레이더는 여러 가지 형태의 레이더가 있으며, 이는 전파 형태에 따라종류가 나뉜다.

레이더는 크게 연속파 레이더와 펄스 레이더로 나뉘며, 연속파 레이더는 도플러 레이더와, FMCW 레이더로 나뉘고, 펄스 레이더는 펄스 레이더와, 펄스 압축 레이더로 나뉜다.

이러한 레이더는 클러터(Clutter) 신호를 제거하고, 표적을 검출하기 위해 도 1에 도시된 바와 같은 표적 신호 검출장치(1)를 구비하며, 이러한 표적 신호 검출장치(1)는 A/D 컨버터(10)와, 클러터 신호 처리부(20)와, FFT 신호 처리기(30)와, CFAR 처리기(40)로 구성된다.

A/D 컨버터(10)는 시스템으로부터 입력되는 비디오 신호를 샘플링한 후 디지털 신호로 변환하여 출력한다.

클러터 신호 처리부(20)는 A/D 컨버터(10)로부터 출력되는 샘플링된 비디오 신호를 최소 자승법에 의한 직선식을 구하는 직선 근사 계산기(21)와, 직선 근사 계산기(21)로부터의 출력과 A/D 컨버터(10)의 출력의 차를 계산하는 합 계산기(22)로 구성된다.

FFT 신호 처리기(30)는 클러터 신호 처리부(20)의 합 계산기(22)로부터 출력되는 신호로 FFT를 수행한다.

CFAR(Constant False Alarm Rate : 고정 오경보율) 처리기(40)는 FFT 신호 처리기(30)로부터 출력되는 도플러 신호 출력 결과를 이용하여 표적 신호를 검출한다. 여기에서 고정 오경보율은 레이더에서 환경 변화에 대응하여 표적 탐지에 대한 오경보율을 일정하기 가져가기 위한 개념이다.

이하 종래의 표적 신호 검출장치의 동작을 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저 A/D 컨버터(10)에서 샘플링되어 클러터 신호 처리부(20)로 입력되는 신호를 y(n)으로 표시하고, 가장 근접한 직선 라인 g(x)는 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.

이것(g(x))은 비디오 신호에 섞여 있는 클러터 신호를 대표하게 된다. 여기에서 a, b는 직선 근사 계산기(21)에서 계산되어야 하는 값으로 다음과 같이 계산된다. 먼저 각각의 샘플 데이터가 g(x)의 직선 라인에서 떨어진 편차 ri를 아래의 수학식 2와 같이 정의한다.

여기에서 또한 N은 비디오 신호를 적분하는 수이다.

한편, 수학식 2의 수식을 이용하여 편차의 제곱 합인 R을 구하면 아래의 수학식 3과 같다.

위의 R식에서 a, b는 결정되어야 하는 값으로 R을 최소가 되게 하는 값을 구한다. R을 최소가 되게 하는 값은 아래의 수학식 4에서와 같이 R을 a, b 각각에 대하여 부분 미분을 취한 후, '0'이 되는 값을 찾으므로 구해진다.

위의 식을 풀면 a, b는 아래의 수학식 5와 같이 구해진다.

수학식 5와 같이 a, b값이 구해지면 최소 자승 개념에서 가장 근접한 직선의방정식인 g(x)를 얻을 수 있게 되며, 직선 근사 계산기(21)는 이 결과를 출력으로 낸다. 여기에서 a값은 입력 신호의 DC 레벨을 의미하며, b값은 DC 레벨의 시간당 변화량을 나타낸다.

합 계산기(22)는 직선 근사 계산기(22)의 출력과 A/D 컨버터(10)의 출력을 이용하여 아래의 수학식 6과 같이 최종 연산을 수행함으로써 비디오 신호에 섞여 있는 클러터 신호를 제거한다.

여기에서 g(n)은 g(x)의 x변수를 n변수로 치환한 것이다.

클러터 신호는 특성상 일정 수준의 직류 전압으로 나타나거나 선형적으로 증가 혹은 감소하는 전압으로 나타난다. 즉, 직선 근사 계산기(21)의 결과는 입력 비디오 신호에 혼재되어 있는 클러터 신호를 대표하는 연산 결과를 출력하며, 합 계산기(22)에서 클러터 신호 성분을 제거함으로써 클러터 신호 처리부(20)는 클러터 신호 제거 동작을 수행하게 된다.

한편 FFT 신호 처리기(30)는 아래의 수학식 7과 같은 연산을 차례로 수행하여 각 거리별로 도플러 신호를 계산한다.

여기에서 X^*[k]는 짝(Conjugate)을 나타낸다.

그리고 FFT 신호 처리기(30)는 상기와 같은 수학식 7을 연산 수행 후 도플러 신호에 상당한 주파수 성분중 가장 파워가 큰 값을 해당 레인지 셀(Range Cell)의 도플러 파워로서 CFAR 처리기(40)로 출력하게 되는데, 이 출력의 형태는 아래의 수학식 8과 같은 벡터형의 데이터이다.

한편 CFAR 처리기(40)는 FFT 신호 처리기(30)로부터 입력된 벡터형의 데이터를 아래의 수학식 9와 같이 작은 값부터 큰 값의 순으로 정렬한 다음, 아래의 수학식 10과 같이 Z벡터의 요소중에서 K번째의 값을 얻어낸 후 이 값에 T값을 곱함으로써 한계(Threshold)값을 구하고, 이 값, 즉 레벨을 표적 검출에 대한 기준으로 삼게 된다.

그러나 이러한 종래의 표적 신호 검출장치는 도 2에 도시된 바와 같은 비디오 신호가 입력되는 경우 문제가 발생한다. 도 2는 송전 철탑에 레이다 빔을 방사하였을 때 입력되는 비디오 신호를 예로 든 경우이고, 이를 통해 보면 알 수 있듯이 고정 표적(철탑)에 의해 신호가 크게 들어옴을 알 수 있다.

도 2와 같이 입력된 신호를 종래의 표적 신호 검출장치에서 처리하는 경우 클러터 신호 처리부(20)는 A/D 컨버터(10)로부터 출력되는 샘플링된 비디오 신호를 최소 자승법에 의한 직선식을 구하고, FFT 신호 처리기(30)에서 클러터 신호 처리부(20)로부터 출력되는 신호로 FFT를 수행하면, 도 3과 같은 결과를 얻을 수 있다.

도 3에서와 같이 고정 표적 신호가 들어오는 영역은 화이트 노이즈(White Noise)를 다량 함유함에 따라 모든 주파수 대역에 걸쳐 큰 파워의 신호가 유입됨을 알 수 있다. FFT 신호 처리기(30)는 필요한 후처리 동작을 수행한 후 최종적으로CFAR 처리기(40)에 도 4와 같은 데이터를 출력하면, CFAR 처리기(40)는 표적 검출을 위한 한계값, 즉 문턱값을 앞에서 설명한 바와 같은 동작하여 도 4에의 일점 쇄선과 같이 한계 레벨을 설정하게 된다. 그러면 CFAR 처리기(40)는 한계 레벨(일점 쇄선)을 넘는 신호를 발견할 수 있게 되고, 표적이 있는 것으로 판별하게 되어 표적 검출 신호를 출력하는데, 이 표적 검출 신호는 고정 표적, 즉 철탑을 이동 표적으로 오인하기 때문에 실제 이동 표적이 없어도 이동 표적이 있는 것으로 간주되어 레이더가 오동작하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레이더 빔을 송전 철탑과 같은 고정 표적이 존재하는 지형으로 방사하는 경우, 고정 표적에 의해 반사되는 신호에 화이트 노이즈 성분이 다량 함유되어 있어 고정 표적을 이동 표적으로 오인하는 것을 방지하도록 직선 근사 계산기에서 출력되는 a값중 최대값에 상수 k값을 곱하여 참조 레벨을 설정하고, CFAR 수행시 한계 레벨 및 참조 레벨보다 높은 파워가 입력되는 경우에만 표적 신호를 출력하도록 함으로써 레이더의 오경보율을 개선하도록 하는데 있다.

도 1은 종래의 표적 신호 검출장치를 개략적으로 도시한 블록도

도 2는 도 1중 A/D 컨버터로 입력되는 비디오 신호의 일예를 나타낸 그래프

도 3은 도 2와 같은 비디오 신호를 클러터 신호 처리부에서 최소 자승법을 이용하여 처리한 후 FFT 신호 처리기가 FFT 계산을 수행한 결과를 나타낸 그래프

도 4는 도 3과 같은 결과가 입력되는 경우 CFAR 처리기로 입력되는 신호의 예를 나타낸 그래프

도 5는 본 발명에 따른 클러터 환경에 적응하는 표적 신호 검출장치를 개략적으로 도시한 블록도

도 6은 본 발명에 따라 각 레인지 셀 별로 직선 근사 계산기에서 계산해 낸 a값에 레벨 참조를 위한 변환 상수 k값을 곱한 결과에 의해 참조 레벨을 도시한 그래프

도 7은 도 6에 의해 결정된 참조 레벨을 도시한 그래프

<도면중 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : A/D 컨버터120 : 클러터 신호 처리부

121 : 직선 근사 계산기122 : 합 계산기

130 : FFT 신호 처리기140 : 클러터 적응 CFAR 처리기

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

레이더의 표적 신호 검출장치에 있어서,

시스템으로부터 입력되는 비디오 신호를 샘플링한 후 디지털 신호로 변환하여 출력하는 A/D 컨버터와;

상기 A/D 컨버터로부터 출력되는 샘플링된 비디오 신호를 최소 자승법에 의한 직선식을 구하는 직선 근사 계산기와, 상기 직선 근사 계산기로부터의 출력과 상기 A/D 컨버터의 출력의 차를 계산하는 합 계산기로 구성되는 클러터 신호 처리부와;

상기 클러터 신호 처리부의 합 계산기로부터 출력되는 신호로 FFT를 수행하는 FFT 신호 처리기; 및

각 레인지 셀 별로 상기 직선 근사 계산기로부터 출력되는 직선식중 계수 a값에 상수 K값을 곱하여 각 레인지 셀 별에 대응되는 레벨 참조 데이터를 미리 생성하여 저장하고, 실제 표적 검출시 상기 FFT 신호 처리기로부터 출력되는 도플러 신호를 이용하여 한계값을 구한 다음, 각 레인지 셀의 파워가 상기 레벨 참조 데이터와 비교하여 레벨 참조 데이터의 레벨보다 큰 파워가 입력되는 경우에만 표적 검출 신호를 출력하는 클러터 적응 CFAR 처리기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서 상기 상수 K는,

레벨 참조를 위해 상기 계수 a값이 상기 클러터 적응 CFAR 처리기의 신호 레벨과 동일해지도록 하는 값이다.

이하, 본 발명에 의한 클러터 환경에 적응하는 표적 신호 검출장치의 구성을 도 5를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 5를 참조하면 본 발명에 따른 클러터 환경에 적응하는 표적 신호 검출장치(100)는, A/D 컨버터(110)와, 클러터 신호 처리부(120)와, FFT 신호 처리기(130)와, 클러터 적응 CFAR 처리기(140)로 구성된다.

A/D 컨버터(110)는 시스템으로부터 입력되는 비디오 신호를 샘플링한 후 디지털 신호로 변환하여 출력한다.

클러터 신호 처리부(120)는 A/D 컨버터(110)로부터 출력되는 샘플링된 비디오 신호를 최소 자승법에 의한 직선식을 구하는 직선 근사 계산기(121)와, 직선 근사 계산기(121)로부터의 출력과 A/D 컨버터(110)의 출력의 차를 계산하는 합 계산기(122)로 구성된다.

FFT 신호 처리기(130)는 클러터 신호 처리부(120)의 합 계산기(122)로부터 출력되는 신호로 FFT를 수행한다. 여기에서 A/D 컨버터(110)와, 클러터 신호 처리부(120)와, FFT 신호 처리기(130)는 종래와 동일한 구성이다.

클러터 적응 CFAR 처리기(140)는 각 레인지 셀 별로 직선 근사 계산기(121)로부터 출력되는 직선식중 복수의 계수 a값중 최대 a값에 상수 K값을 곱하여 참조 레벨을 설정하고, FFT 신호 처리기(130)로부터 출력되는 도플러 신호를 이용하여 한계 레벨을 구한 다음, 각 레인지 셀의 파워가 참조 레벨 및 한계 레벨을 넘는 경우에만 표적 검출 신호를 출력한다. 여기에서 상수 K는 레벨 참조를 위해 계수 a값이 클러터 적응 CFAR 처리기(140)의 신호 레벨과 동일해지도록 하는 값(예를 들면 클러터 적응 CFAR 처리기의 신호 레벨은 100 단위인데, a레벨이 10의 단위이면, 상수값은 10의 단위가 된다)이다.

이하 본 발명에 따른 클러터 환경에 적응하는 표적 신호 검출장치의 동작을 도 5를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저 A/D 컨버터(110)와, 클러터 신호 처리부(120)와, FFT 신호 처리기(130)는 종래와 동일한 동작을 수행한다.

한편 클러터 신호 처리부(120)의 직선 근사 계산기(121)에서 최소 자승법에 의한 직선식을 구하고, 이를 합 계산기(122)로 출력함과 동시에 클러터 적응 CFAR 처리기(140)로 계수 a값을 출력한다.

클러터 적응 CFAR 처리기(140)는 직선 근사 계산기(121)에서 클러터 신호에 근접한 g(x)=a+bx라는 직선식을 구하면서 얻게되는 각 계수 a값을 입력받아, 계수값중 가장 큰 값을 검출하고, 검출된 최대 a값에 상수 k값을 곱하여 참조 레벨을 설정한다.

또한 클러터 적응 CFAR 처리기(140)는 FFT 신호 처리기(130)로부터 출력되는 도플러 신호를 이용하여 한계 레벨을 구한 다음, 각 레인지 셀의 파워가 참조 레벨 및 한계 레벨을 넘는 경우에만 표적 검출 신호를 출력한다.

도 6 및 도 7을 참조하여 이를 보다 상세하게 설명하면, 도 6은 본 발명에 따라 각 레인지 셀 별로 직선 근사 계산기에서 계산해 낸 a값에 레벨 참조를 위한 변환 상수 k값을 곱한 결과에 의해 참조 레벨을 도시한 그래프이고, 도 7은 도 6에 의해 결정된 참조 레벨을 도시한 그래프이다.

종래의 표적 신호 검출기의 CFAR 처리기(40)는 계산된 표적 신호 검출을 위한 한계 레벨(약 2.1×10⁴)이 도 7의 일점 쇄선과 같이 구해진 경우 7번 레인지 셀의 도플러 신호는 한계 레벨보다 높은 파워를 가지므로 표적이 있다라고 판별하는데 비하여, 본원 발명의 표적 신호 검출기의 클러터 적응 CFAR 처리기(140)는 직선근사 계산기(121)에서 얻은 a값에 의해 참조 레벨(약 3.8×10⁴)이 도 6의 이점 쇄선과 같이 구해진 경우, 이를 기준으로 하여 도 7의 7번 레인지 셀의 파워가 참조 레벨을 넘어야지만 표적으로 검출한다. 즉, 동일 레인지 셀인 도 6의 7번 레인지 셀의 파워보다 큰 파워가 입력되어야만 표적으로 검출한다.

따라서 본 발명에 따르면 고정 표적에 많은 화이트 노이즈가 실림에 따른 표적 오경보율을 줄일 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 클러터 환경에 적응하는 표적 신호 검출장치에 의하면, 레이더 빔을 송전 철탑과 같은 고정 표적이 존재하는 지형으로 방사하는 경우, 고정 표적에 의해 반사되는 신호에 화이트 노이즈 성분이 다량 함유되어 있어 고정 표적을 이동 표적으로 오인하는 것을 방지하도록 직선 근사 계산기에서 출력되는 a값중 최대값에 상수 k값을 곱하여 참조 레벨을 설정하고, CFAR 수행시 한계 레벨 및 참조 레벨보다 높은 파워가 입력되는 경우에만 표적 신호를 출력하도록 함으로써 레이더의 오경보율을 개선할 수 있다.

Claims (2)

1. 레이더의 표적 신호 검출장치에 있어서,

   시스템으로부터 입력되는 비디오 신호를 샘플링한 후 디지털 신호로 변환하여 출력하는 A/D 컨버터와;

   상기 A/D 컨버터로부터 출력되는 샘플링된 비디오 신호를 최소 자승법에 의한 직선식을 구하는 직선 근사 계산기와, 상기 직선 근사 계산기로부터의 출력과 상기 A/D 컨버터의 출력의 차를 계산하는 합 계산기로 구성되는 클러터 신호 처리부와;

   상기 클러터 신호 처리부의 합 계산기로부터 출력되는 신호로 FFT를 수행하는 FFT 신호 처리기; 및

   각 레인지 셀 별로 상기 직선 근사 계산기로부터 출력되는 직선식중 복수의 계수 a값중 최대 a값에 상수 K값을 곱하여 참조 레벨을 설정하고, 상기 FFT 신호 처리기로부터 출력되는 도플러 신호를 이용하여 한계 레벨을 구한 다음, 각 레인지 셀의 파워가 상기 참조 레벨 및 한계 레벨을 넘는 경우에만 표적 검출 신호를 출력하는 클러터 적응 CFAR 처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 클러터 환경에 적응하는 표적 신호 검출장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 상수 K는,

   레벨 참조를 위해 상기 계수 a값이 상기 클러터 적응 CFAR 처리기의 신호 레벨과 동일해지도록 하는 값임을 특징으로 하는 클러터 환경에 적응하는 표적 신호 검출장치.