KR20070025093A - 펄스열 파형의 신호 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄스 형태의 전자파를 일정한 시간 간격으로 발사하여 주변 물체에 반사되어 돌아오는 신호를 수신하는 레이더에 관한 것으로서, 특히 상기 레이더가 수신한 신호를 처리하는 방법에 있어서, 상기 레이더에서 상기 전송된 펄스열에 따른 신호를 수신하는 과정과, 상기 수신된 신호로부터 레인지 게이트를 구성하는 과정과, 상기 구성된 각 레인지 게이트에 대해 전체 펄스 반복 구간에서 적분을 수행하는 과정과, 상기 적분된 각 레인지 게이트 데이터를 주파수 영역 처리하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

레이더, 펄스열, 레인지 게이트, 적분, 주파수 영역 처리

Description

펄스열 파형의 신호 처리 방법{METHOD FOR SIGNAL PROCESSING OF PULSE TRAIN WAVEFORM}

도 1은 종래 기술 및 본 발명에 사용되는 수신된 펄스열 레이더 신호의 레인지 게이트 구성 방법을 나타낸 도면.

도 2는 종래 기술에 따른 전 펄스 반복 구간에 대한 각 레인지 게이트의 수집을 나타낸 도면.

도 3은 종래 기술에 따른 각 레인지 게이트 셀에 대한 데이터 구성을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 펄스열 파형의 신호 처리 절차를 나타낸 흐름도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 레인지 게이트 셀에 대한 적분 수행을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 각 레인지 게이트에 대한 중간 신호 생성 및 배열을 나타낸 도면.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 부엽 레벨 억제 및 주파수 영역 처리를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100, 101, 102 : 전송 펄스 110, 120, 130 : 펄스 반복 구간

111, 112, 113 : 제1 구간 수신 신호

121, 122, 123 : 제2 구간 수신 신호

131, 132, 133 : 제N 구간 수신 신호

210, 220 : 레인지 게이트

310, 320, 330, 340 : 레인지 게이트 셀

501, 502, 503, 710 : 레인지 게이트를 구성하는 데이터

510 : 합산기

610, 620, 630, 640, 700 : 적분된 결과 값의 배열

720 : 제로 삽입된 배열 730 : 주파수 영역 배열

본 발명은 펄스열 파형의 신호 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이더를 통해 수신된 각 레인지 게이트별 수신 신호에 대한 신호 처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 레이더(Radar)는 펄스 형태의 전자파를 일정한 시간 간격으로 발사하여 주변 물체에 반사되어 돌아오는 신호를 수신한다. 이때, 펄스가 되돌아 오는 시간을 이용하여 물체와의 거리를 계산한다. 반면, 레이더 신호를 수신하여 분석하는 전자전(Electronic Warfare) 장비는 상기 레이더 펄스의 각종 특성을 분 석하여 주변에 있는 레이더의 위치, 수량, 종류 등을 탐지하고, 레이더를 사용하는 무기의 공격 징후 및 전장의 전술 상황을 파악하여 적절한 대응을 하는 데 이용한다.

이와 같은 상황에서 분석하여야 할 레이더의 특성으로는 펄스의 주파수, 펄스폭, 펄스 세기 등 RF 적 특성과, 펄스 도착 방향, 펄스 도착 시간(TOA; Time Of Arrival) 등과 같은 시공간적 특성이 있으며, 스캔 주기, 펄스 반복 주기(Pulse Repetition Interval; 이하, 'PRI'라 한다.), 주파수 변조 특성 등 여러 펄스에 걸쳐 분석되어야 할 특성 등 다양한 것들이 있다. 그 중에서 상기 PRI는 주파수 값과 더불어 레이더의 중요한 특성 중 하나로 알려져 있다.

상기와 같은 펄스열(Pulse Train) 파형은 그 특성상 처리할 데이터량은 많은 반면 펄스 반복 주파수(Pulse Repetition Frequency; 이하, 'PRF'라 한다.)(~수 kHz)로 인한 펄스열의 간격이 짧기 때문에 정해진 빠른 시간 내에 실시간으로 신호 처리가 수행되어야 한다.

한편, 기존의 알고리즘은 다수(수 십개)의 신호 처리 프로세서를 사용하여 효율적인 분산처리 구조를 적용하였기에 실시간 처리에 크게 문제될 것은 없었으나, 기존 알고리즘을 COTS(Commercial off-the-shelf) 보드(예컨대, PPC 계열의 CPU를 사용한 시스템(10개 미만))와 같은 상용 보드에 적용할 경우, 경비 등과 같은 낭비되는 리소스가 크게 부각된다. 따라서 기존 알고리즘의 신호 처리 결과와 동일한 성능을 내면서도 자원 또는 경비의 효율성을 유지할 수 있는 프로세싱 알고리즘의 개선이 불가피하다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 종래의 일반적인 펄스열 신호 처리 방법을 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 수신된 펄스열 레이더 신호의 레인지 게이트를 나타낸 도면이다. 상기 도 1을 참조하면, 레이더에서 PRI(110, 120, 130) 간격으로 펄스(100, 101, 102)를 전송하게 되면, 이에 대한 수신 신호로서, 상기 각 PRI 마다 펄스열 레이더 신호가 수신된다. 즉, 제1 PRI 구간(PRI #1)(110)에서는 제1 구간 수신 신호(111, 112, 113)가 생성되고, 제2 PRI 구간(PRI #2)(120)에서는 제2 구간 수신 신호(121, 122, 123)가 생성되며, 제N PRI 구간(PRI #N)(130)에서는 제N 구간 수신 신호(131, 132, 133)가 생성된다.

이때, 상기 레이더의 표시 등에서 특정 거리의 부분만을 표시하기 위해 거리에 동기하여 발생시키는 수신 신호를 레인지 게이트(Range gate)라고 한다. 상기 도 1에서 수신 신호들 중 동일한 무늬로 표시된 부분이 동일한 레인지 게이트의 신호가 된다. 즉, 상기 제1 PRI 구간(110)에서의 111번 신호와 상기 제2 PRI 구간(121)에서의 121번 신호와 상기 제N PRI 구간(131)에서의 131번 신호가 모여서 하나의 중간단계 레인지 게이트 신호 데이터가 된다.

마찬가지로 상기 제1 PRI 구간(110)에서의 112번 신호와 상기 제2 PRI 구간(121)에서의 122번 신호와 상기 제N PRI 구간(131)에서의 132번 신호가 모여서 하나의 중간단계 레인지 게이트 신호 데이터가 되며, 상기 제1 PRI 구간(110)에서의 113번 신호와 상기 제2 PRI 구간(121)에서의 123번 신호와 상기 제N PRI 구간(131)에서의 133번 신호가 모여서 하나의 중간단계 레인지 게이트 신호 데이터가 된다.

상기 도 1에서와 같이 수신된 펄스열 레이더 신호는 신호 처리를 위하여 도 2에서와 같이 전 PRI 구간에 대해 각 레인지 게이트를 수집하게 된다. 도 2는 종래 기술에 따른 전 펄스 반복 구간에 대한 각 레인지 게이트의 수집을 나타낸 도면이다. 상기 도 2를 참조하면, 각 레인지 게이트는 N개의 데이터가 있게 되며, 총 n개의 레인지 게이트 셀이 수집된다.

이때, 상기 각 레인지 게이트 셀에 대한 데이터가 도 3과 같이 구성될 수 있다. 도 3은 종래 기술에 따른 각 레인지 게이트 셀에 대한 데이터 구성을 나타낸 도면이다. 상기 도 3을 참조하면, 수신된 데이터의 신호 처리를 위해 레인지 게이트별로 데이터가 셀의 형태로 구성된다. 이때 N은 전체 PRI 구간의 개수를 의미하며, n은 수집된 레인지 게이트 셀의 개수를 의미한다.

또한, 상기 도 3의 전체 셀을 도시된 바와 같이 A(i,j) 라고 표현할 때, 상기 i는 레인지 게이트 내부의 데이터 사이즈를 의미하고, 상기 j는 PRI# N 번째에서 레인지 게이트의 데이터이다. 즉, (1,1) 데이터는 PRI #1 에서의 레인지 게이트 1의 첫 번째 값을 의미하고, (1,4) 데이터의 의미는 PRI# 4 에서의 레인지 게이트 1의 첫 번째 값을 의미한다.

이때, 상기 레인지 게이트별로 수집된 중간단계 레인지 게이트 신호 데이터들을 가지고 각 레인지 게이트에 대하여 총 n번의 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform; 이하, 'FFT'라 한다.)를 수행하고, N 번의 적분(Integration)을 수행함으로써 수신 신호에 대한 신호 처리가 진행된다.

한편, 상술한 종래의 신호 처리 알고리즘은 하나의 레인지 게이트를 가진 펄 스열에 대하여 n번의 FFT를 수행하고, N 번의 적분(Integration(summing)) 과정을 수행하는 처리가 알고리즘의 중요 부분을 담당하고 있었다. 이러한 경우, 신호 처리 프로세서(DSP 칩)의 개수 및 효율적인 분산 처리 기법을 사용함으로 실시간 처리가 문제없이 수행될 수 있다.

이때, 알고리즘 검증 차원에서 하나의 CPU(또는 DSP)에서 처리하고자 할 경우, 그 결과에서는 차이가 없었다. 그러나 상술한 바와 같이 COTS 보드와 같은 상용 보드를 사용하던가 프로세서의 개수가 크게 많지 않은 상태이거나 데이터 분배에 있어서 제약 사항이 따르게 된다면, 상술한 종래 기술에 따른 신호 처리 방법은 빠른 응답 시간을 요하는 실시간 레이더 신호 처리에서는 사용 불가능한 알고리즘이 된다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 제한된 개수의 프로세서를 사용하는 펄스열 신호 처리에 있어서 실시간으로 알고리즘이 동작하며, 필터링 결과가 기존의 다수의 신호처리 프로세서를 사용한 시스템에서의 처리 결과를 유지하는 펄스열 파형의 신호 처리 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은; 펄스 형태의 전자파를 일정한 시간 간격으로 발사하여 주변 물체에 반사되어 돌아오는 신호를 수신하는 레이더에서, 상기 레이더가 수신한 신호를 처리하는 방법에 있어서, 상기 레이더에서 상기 전송된 펄스열에 따른 신호를 수신하는 과정과, 상기 수신된 신호로부터 레인 지 게이트를 구성하는 과정과, 상기 구성된 각 레인지 게이트에 대해 전체 펄스 반복 구간에서 적분을 수행하는 과정과, 상기 적분된 각 레인지 게이트 데이터를 주파수 영역 처리하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

이때, 상기 주파수 영역 처리 과정은, 상기 적분된 각 레인지 게이트 데이터에 가중치 함수를 곱하는 과정과, 상기 가중치 함수가 곱하여진 데이터를 고속 퓨리에 변환 연산하는 과정을 포함한다. 한편, 상기 가중치 함수는 돌프-체비세프 함수인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명은 제한된 개수의 프로세서를 사용한 펄스열 신호 처리에 방법에 있어서, 실시간으로 알고리즘이 동작하며, 필터링의 결과가 기존의 다수의 신호 처리 프로세서를 사용하는 시스템에서의 처리 결과에 비해 손실 없는 출력을 갖도록 하는 펄스열 파형의 신호 처리 방법을 제안한다.

이를 위하여, 종래에는 상술한 바와 같이 각 레인지 게이트 셀별로 FFT를 수행한 후 적분을 하였으나, 본 발명에서는 각 레인지 게이트 셀에 대한 적분을 먼저 수행한 후, 이에 대한 주파수 영역 처리를 수행하게 된다.

이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 펄스열 신호 처리 방법을 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 펄스열 파형의 신호 처리 절차를 나타낸 흐름도이다. 상기 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 신호 처리 방법은 먼저 펄스열을 수신(S401)하고, 상기 수신된 펄스열 신호로부터 레인지 게이트를 구성(S402)한 후, 상기 구성된 각 레인지 게이트에 대해 전 PRI 구간에서 적분을 먼저 수행(S403)하게 된다.

그런 다음, 상기 적분된 각 레인지 게이트 데이터를 FFT 변환(S404) 시키고, 가중치(weighting) 함수를 곱하여 부엽 레벨을 감소(S405)시킴으로써 최종 필터링된 데이터를 출력(S406)시키게 된다.

이와 같이, 본 발명에서는 각 레인지 게이트 셀별 데이터에 대한 적분 연산을 먼저 수행하고, FFT 처리를 하게 됨으로써 종래와 동일한 효과를 가짐과 동시에 상용 보드에 적용할 경우, 경비 등과 같은 낭비되는 리소스가 없게 된다. 즉, 기존 알고리즘의 신호 처리 결과와 동일한 성능을 내면서도 자원 또는 경비의 효율성을 유지할 수가 있게 된다.

이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 상술한 본 발명에 따른 신호 처리 방법을 보다 구체적으로 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 레인지 게이트 셀에 대한 적분 수행을 나타낸 도면이다. 상기 도 5를 참조하면, 펄스열 파형의 수신 신호(복소수 데이터)를 처리함에 있어서, 상술한 도 1에서와 같은 수신 신호를 상술한 도 2에서와 같이 각 레인지 게이트별로 수집한 후, 각 레인지 게이트별로 적분(Integration) 처리하게 된다.

즉, 상기 각 레인지 게이트에 대하여 상기 도 5에서와 같이 적분 과정을 거치게 된다. 상기 적분은 각 레인지 게이트별로 n개의 게이트 데이터(501, 502, 503,..)를 통한 n번의 곱셈 연산 후, 상기 각 곱셈 연산된 데이터를 합산기(510)를 통해 합산함으로써 구현될 수 있다.

한편, 상기 도 5의 적분 연산에 의해 연산된 결과에 따라 도 6에서와 같은 중간 단계 신호가 생성된다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 각 레인지 게이트에 대한 중간 신호 생성 및 배열을 나타낸 도면이다. 상기 도 6을 참조하면, 각 레인지 게이트별로 적분된 결과 값의 배열들(610, 620, 630, 640)을 구성함으로써 적분된 중간 단계의 신호들이 생성된다.

이때, 상기 레인지 게이트는 샘플링 주파수(sampling frequency)와 사용되는 펄스열 파형의 폭의 곱에 해당하는 데이터 개수가 하나의 레인지 게이트를 구성하게 된다. 즉, 상기 하나의 레인지 게이트의 크기 n은 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.

상기 <수학식 1>에서 F_s는 샘플링 주파수를 의미하며, τ_pulse는 펄스열 파형의 폭을 의미한다.

따라서, 상기 도 5와 같이 적분되어 상기 도 6과 같이 표현된 중간 단계의 신호는 하나의 레인지 게이트의 사이즈(즉, n 개)에 해당하는 샘플 데이터를 합산(summing)함으로써, n 개의 레인지 게이트 데이터가 하나의 데이터만 가진 레인지 게이트 셀이 된다.

이때, 중간단계 신호 데이터 하나는 도 7의 방법에 의해 주파수 영역에서의 처리가 수행된다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 부엽 레벨 억제 및 주파수 영역 처리를 나타낸 도면이다. 상기 도 7을 참조하면, 상기 도 6에서 생성된 각 레인지 게이트별 중간 신호는 부엽 레벨 억제 및 주파수 영역 처리된다.

즉, 먼저 N의 크기를 가진 상기 각 레인지 게이트별 중간 신호(700)는 곱셈기(710)에 의해 윈도우 함수(window function)와 곱셈 연산 되고, FFT 사이즈를 맞추기 위해서 길이 m의 제로 패드(zero pad)가 추가된 후, FFT 연산함으로써 최종적으로 주파수 영역에서의 신호(730) 생성된다.

상기 도 7은 상기 도 6에서의 중간 신호들 중 하나의 레인지 게이트에 대한 중간 신호를 처리하는 방법을 도시한 것으로서, 이때 사용된 상기 윈도우 함수(window function)는 펄스들 간의 간격이 좁은 펄스열(PT) 신호 처리에 있어서 부엽 레벨을 억제(-90dB)하는 역할을 하는 '돌프-체비세프(dolph-chebyshev)' 함수(function)를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 종래의 알고리즘과 고안된 알고리즘을 동일한 테스트 조건(PC, windows 2000pro, 128M RAM)으로 처리시, 실시간 처리를 하기 위한 시간적인 측면에서 기존의 알고리즘보다 1/2배의 시간 단축효과를 가져오며, 메모리 사용량 또한 1.5배 정도 감소시키는 장점이 있다. 이에 반해, 표적의 속도에 따른 부가적인 손실은 대략 0dB ~ -0.02dB 정도로서 미미한 손실로 간주될 수 있다.

이상으로 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 레이더 수신 펄스열의 신호 처리에 있어서 기존 알고리즘의 신호 처리 결과와 동일한 성능을 내면서도 자원 또는 경비의 효율성을 유지할 수 있게 되는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 펄스 형태의 전자파를 일정한 시간 간격으로 발사하여 주변 물체에 반사되어 돌아오는 신호를 수신하는 레이더에서, 상기 레이더가 수신한 신호를 처리하는 방법에 있어서,

   상기 레이더에서 상기 전송된 펄스열에 따른 신호를 수신하여 레인지 게이트 데이터를 구성하는 과정과,

   상기 구성된 각 레인지 게이트 데이터에 대해 전체 펄스 반복 구간에서 적분을 수행하는 과정과,

   상기 적분된 각 레인지 게이트 데이터를 주파수 영역 처리하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 주파수 영역 처리 과정은,

   상기 적분된 각 레인지 게이트 데이터에 가중치 함수를 곱하는 과정과,

   상기 가중치 함수가 곱하여진 데이터를 고속 퓨리에 변환 연산하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 가중치 함수를 곱하는 과정 이후에,

   상기 가중치 함수가 곱하여진 데이터에 제로 패드를 삽입하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.

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