KR20120126935A - 레이더 펄스 발생원 위치추정 방법 및 이를 이용한 추정장치 - Google Patents

레이더 펄스 발생원 위치추정 방법 및 이를 이용한 추정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 레이더 펄스가 발산된 위치를 더욱 정확하게 추정하기 위해 안테나에 수신된 레이더 펄스의 상대적인 위상 지연차를 이용하여 위치 추정하는 방법 및 이를 이용한 추정장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치에 있어서, 안테나를 통해 레이더에서 발산한 레이더 펄스 신호를 수신하는 수신부, 상기 수신부를 통해 수신한 레이더 펄스 신호를 저주파 신호로 변환하기 위한 정류부 및 상기 정류부를 통해 변환된 저주파 신호를 이용하여 레이더 펄스 발생원의 위치를 추정하는 처리부를 포함하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 태양에 따르면, 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법에 있어서, (a) 안테나를 통해 레이더에서 발산한 레이더 펄스 신호를 수신하는 단계 (b) 수신한 상기 레이더 펄스 신호를 정류회로를 이용하여 저주파로 변환하는 단계 및 (c) 저주파로 변환된 상기 레이더 펄스 신호로 레이더 펄스 발생원의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법을 제공한다.

Description

레이더 펄스 발생원 위치추정 방법 및 이를 이용한 추정장치 {METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING SOURCE LOCATION OF RADAR PULSE}
본 발명은 레이더 펄스 발생원 위치추정 방법 및 이를 이용한 추정장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 레이더 펄스가 발산된 위치를 더욱 정확하게 추정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
레이더 경보 수신기(RWR: Radar Warning Receiver)는 기본적으로 레이더와 비슷하지만, 레이더가 능동적으로 전파를 발산하여 그 반사파를 받아들이는 반면에, 레이더 경보 수신기는 모든 주파수의 레이더 전파를 수신하지만 능동적으로 레이더 전파를 발산하지 않으며, 적의 레이더에서 나오는 레이더 전파를 받아 들임으로써 피아식별(IFF: Identification Friend or Foe)을 수행하고 적기의 거리와 방위 등을 알려주는 장치이다.
종래의 레이더 경보 수신기는 레이더 펄스를 발산한 장치의 위치를 추정하기 위한, 첫 번째 방법으로 안테나에 수신된 레이더 펄스의 수신강도 세기 차이를 거리에 따른 감쇄율을 고려하여 대략적인 거리와 방위를 추정하거나, 두 번째 방법으로 수십 GHz의 초고주파 레이더 펄스 신호의 두 센서 유닛간 도달 위상지연차를 이용하여 방위각(Azimuth Angle)과 상하각(Elevation Angle)을 구하고, 그 방향성으로 대략적인 위치를 추정하였다.
종래 첫 번째 방법의 경우에서 문제점은 최신의 레이더는 상대 레이더 경보 수신기에 노출되지 않기 위해 다양한 기법들을 적용하고 있어 위치 추정하기가 어려웠다. 그 중에서 대표적인 기법으로는 레이더 전파의 발신 강도와 단위 시간당 펄스(PRF: Pulse Repetition Frequency)를 불규칙하게 바꿔 주는 방법으로, 상대의 레이더 경보 수신기를 교란시켜 레이더 펄스가 발산된 위치와 상태를 분석하지 못하도록 한다. 따라서, 레이더 펄스 발산 강도가 수시로 변하는 경우에는 레이더 펄스 발산 위치를 추정할 수 없다.
종래 두 번째 방법의 경우에서 문제점은 위상 지연 차를 이용하여 방위각과 상하각을 구하기 위해서는 안테나 수신부의 거리 차이
Figure pat00001
가 레이더 펄스 주파수의 반 파장
Figure pat00002
보다 짧아야 하는 제한 조건이 발생하게 된다. 결과적으로 레이더 펄스가 수십 GHz에 달하는 초고주파이므로, 센서 유닛은 매우 짧은 거리를 두고 설치되어야 한다. 예를 들어, 레이더 펄스가 10 GHz까지 처리되기 위해서는 센서 유닛간 거리는 15mm 이내로 제한된다. 센서 유닛간의 거리가 짧아지면 위치 추정 가능한 영역이 제한 받게 되며, 방위각(Azimuth Angle)과 상하각(Elevation Angle)의 방향성만으로 한 지점을 추정하기 위해서는 항공기가 일정 거리를 이동하여야 하며, 항공기가 이동하는 동안 방위각과 상하각이 지시하는 하나의 지점을 역 추정하게 된다. 이 경우, 항공기가 직선경로를 이동하거나 이동경로가 짧은 경우 혹은, 상대 항공기가 빠른 속도로 이동하는 경우 한 지점을 잡기가 어려우며 정확도가 크게 떨어지게 된다.
또한, 디지털 신호 처리하기 위해서는 관심 주파수의 나이키스트 주파수(Nyquist Frequency)인 2.56배 이상으로 샘플링되어야 하며, 수십 GHz의 초고주파 신호를 양자화하여 디지털 신호로 처리하기 위해서는 하드웨어적인 처리 속도에 제한을 받게 되며, 대용량의 데이터 처리 능력이 요구된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 레이더 펄스가 발산된 위치를 더욱 정확하게 추정하기 위해 안테나에 수신된 레이더 펄스의 상대적인 위상 지연차를 이용하여 위치 추정하는 방법 및 이를 이용한 추정장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수단으로써, 청구항 1에 기재된 발명은, 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치에 있어서, 안테나를 통해 레이더에서 발산한 레이더 펄스 신호를 수신하는 수신부, 상기 수신부를 통해 수신한 레이더 펄스 신호를 저주파 신호로 변환하기 위한 정류부 및 상기 정류부를 통해 변환된 저주파 신호를 이용하여 레이더 펄스 발생원의 위치를 추정하는 처리부를 포함하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치를 제공한다.
청구항 2에 기재된 발명은, 제 1 항에 있어서, 상기 수신부를 통해 수신된 레이더 펄스 신호를 증폭하는 증폭부 및 상기 증폭부를 통해 증폭된 레이더 펄스 신호에 대해 특정 대역의 주파수만 통과시키도록 하는 필터부를 더 포함하되, 상기 정류부는 상기 필터부를 통해 필터링 된 레이더 펄스 신호를 저주파 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치를 제공한다.
청구항 3에 기재된 발명은, 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 처리부에서 레이더 펄스 발생원의 위치 추정된 결과를 알려주는 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치를 제공한다.
청구항 4에 기재된 발명은, 제 1 항에 있어서, 상기 처리부는, 둘 이상의 상기 수신부에 도달한 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 이용하여, 레이더 펄스 신호를 발산한 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치를 제공한다.
청구항 5에 기재된 발명은, 제 4 항에 있어서, 상기 처리부는, 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 구하기 위해, 상호 상관 함수를 이용하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치를 제공한다.
청구항 6에 기재된 발명은, 제 4 항에 있어서, 상기 처리부는, 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 구하기 위해, 상호 스펙트럼 함수로 위상 지연 차를 먼저 구하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치를 제공한다.
청구항 7에 기재된 발명은, 제 4 항에 있어서, 상기 처리부는, 두 개의 상기 수신부에 도달한 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차에 전파의 이동속도를 곱한 도달 거리 지연 차가 일정한 지점을 연결한 선은 쌍곡선을 이루는 특성을 이용하여, 셋 이상의 상기 수신부로부터 생성된 둘 이상의 쌍곡선의 교차점을 레이더 펄스 발산 위치로 추정하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치를 제공한다.
청구항 8에 기재된 발명은, 제 7 항에 있어서, 상기 처리부는, 상기 쌍곡선의 교차점을 구하기 위해 임의로 정한 지점에 대하여 스캐닝 기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치를 제공한다.
청구항 9에 기재된 발명은, 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법에 있어서, (a) 안테나를 통해 레이더에서 발산한 레이더 펄스 신호를 수신하는 단계, (b) 수신한 상기 레이더 펄스 신호를 정류회로를 이용하여 저주파로 변환하는 단계 및 (c) 저주파로 변환된 상기 레이더 펄스 신호로 레이더 펄스 발생원의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법을 제공한다.
청구항 10에 기재된 발명은, 제 9 항에 있어서, 상기 (b) 단계는, (b1) 수신한 상기 레이더 펄스 신호를 증폭하는 단계, (b2) 증폭된 상기 레이더 펄스 신호는 특정 대역의 주파수만 통과시키도록 하는 단계 및 (b3) 통과된 주파수를 갖은 상기 레이더 펄스 신호는 정류회로를 통해 저주파로 변환되는 단계를 포함하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법을 제공한다.
청구항 11에 기재된 발명은, 제 9 항에 있어서, 상기 (c) 단계는, 둘 이상의 안테나에 도달한 상기 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 이용하여, 레이더 펄스 신호를 발산한 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법을 제공한다.
청구항 12에 기재된 발명은, 제 11 항에 있어서, 상기 (c) 단계는, 상기 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 구하기 위해, 상호 상관 함수를 이용하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법을 제공한다.
청구항 13에 기재된 발명은, 제 11 항에 있어서, 상기 (c) 단계는, 상기 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 구하기 위해, 상호 스펙트럼 함수로 위상 지연 차를 먼저 구하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법을 제공한다.
청구항 14에 기재된 발명은, 제 11 항에 있어서, 상기 (c) 단계는, 두 개의 안테나에 도달한 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차에 전파의 이동속도를 곱한 도달 거리 지연 차가 일정한 지점을 연결한 선은 쌍곡선을 이루는 특성을 이용하여, 셋 이상의 안테나로부터 생성된 둘 이상의 쌍곡선의 교차점을 레이더 펄스 발산 위치로 추정하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법을 제공한다.
청구항 15에 기재된 발명은, 제 14 항에 있어서, 상기 (c) 단계는, 상기 쌍곡선의 교차점을 구하기 위해 임의로 정한 지점에 대하여 스캐닝 기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법을 제공한다.
최신의 스텔스 전투기는 상대 레이더 경보 수신기에 노출되지 않기 위해, 레이더 펄스 발신 강도와 단위 시간당 펄스(PRF)를 불규칙하게 바꿔주는 방법을 이용하고 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 안테나에 수신된 레이더 펄스의 상대적인 위상 지연 차를 이용하여 위치 추정하게 되어, 위와 같은 방법에 의하더라도 레이더 펄스를 발산한 위치를 추정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 초고주파의 레이더 펄스 신호의 시간 지연 차를 구하기 위해, 기존의 레이더 경보 수신기에 정류기 회로를 추가함으로써, 수십 GHz의 초고주파 레이더 펄스 신호를 펄스 폭이 주기 T인 직사각형에 가까운 저주파 신호로 변환하고, 저주파 신호에 대한 위상 지연 차에 주파수
Figure pat00003
로 나누어 시간 지연 차를 얻음으로써 시간 지연 차를 더욱 크게 가져갈 수 있게 된다.
이로써, 본 발명에서는 센서 유닛 간의 거리를 넓게 가져갈 수 있게 되어, 위치 추정 가능한 영역이 확장되게 되고, 무한 3차원 영역의 관심 영역에 대해 스캐닝 기법을 적용하여 정확한 위치를 추정할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치를 나타내는 전체 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 정류기의 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 시간지연을 가지고 수신부 안테나와 정류기를 통과한 레이더 펄스 신호에 대해 상호 스펙트럼 분석 기법을 적용하는 과정을 나타내는 도면이고,
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따라 레이더 펄스를 발산한 위치를 찾기 위한 스캐닝 기법을 나타내는 도면이며,
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 두 개의 수신부 안테나에 대하여, 몇 가지 시간 지연 차에 대하여 스캐닝한 결과를 나타내는 도면이고,
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따라 세 개의 수신부 안테나에 대하여, 몇 가지의 경우에 레이더 펄스를 발산한 위치를 추정한 결과를 나타내는 도면이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 3차원 영역에 대하여 레이더 펄스를 발산한 위치를 찾기 위해 스캐닝(Scanning)하기 위한 좌표 설정 방법을 나타내는 도면이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법을 나타내는 도면이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 저주파로 변환하는 단계를 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조, 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위, 적절하게 설명된다면, 그 청구항 들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
최신의 스텔스 전투기는 상대 레이더 경보 수신기에 노출되지 않기 위해, 레이더 펄스 발신 강도와 단위 시간당 펄스(PRF)를 불규칙하게 바꿔주는 방법을 이용하고 있으므로, 이를 해결하기 위해 안테나에 수신된 레이더 펄스의 상대적인 위상 지연 차를 이용하여 위치 추정한다.
수신부에 도달한 레이더 펄스의 위상 지연 차를 이용하여 위치 추정을 하기 위해서는 레이더 펄스의 관심 주파수의 반 파장이 두 수신부의 안테나 사이의 거리보다 길어야 한다. 그렇지 않은 경우, 상호 스펙트럼 분석 기법을 이용하여, 두 수신부 안테나 사이에 도달한 레이더 펄스의 위상 차를 구하여도, 이 후에 반복된 횟수만큼 보상하여 합산해 주어야 하므로, 두 수신부의 안테나 사이에 도달한 레이더 펄스의 시간 지연차이를 구하기가 어렵다.
따라서, 본 발명은 수십 GHz에 이르는 초고주파 레이더 펄스 신호를 저주파로 변환하기 위해, 정류회로를 추가하였으며, 두 수신부 안테나 사이에 도달한 정확한 위상 지연 차를 구하기 위하여 상호 스펙트럼 분석 기법을 적용하였다. 상호 스펙트럼 분석 기법을 통해 구한 위상 지연 차에 주파수 f를 나누어 시간 지연 차를 얻은 후, 시간 지연 차에 레이더 전파 속도를 곱하여 두 센서로부터 거리의 차를 구하게 된다. 이렇게 구한 두 센서로부터 거리의 차이가 일정한 지점을 연결한 선은 쌍곡선을 그리게 되며, 수신부 안테나가 여러 개 존재하는 경우에는
Figure pat00004
개의 쌍곡선이 존재하게 된다. 결국, 레이더 펄스를 발산한 장치의 위치는 여러 개의 쌍곡선이 교차하는 지점이 된다. 또한, 쌍곡선이 교차하는 지점을 찾기 위해 3차원 공간상의 관심 영역을 정하고, 이 관심영역에 대하여 소프트웨어적으로 스캐닝하여 확률적으로 가능성이 가장 높은 지점을 레이더 펄스 발산 위치로 선정한다.
이하에서는 보다 구체적으로 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치를 나타내는 전체 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
수신부(200)는 레이더 펄스의 고주파 신호를 수신한다.
수신부(200)를 통해 수신된 수십 GHz의 레이더 펄스의 고주파 신호는 증폭부(300)에 의하여 신호가 증폭되게 된다.
증폭부(300)를 통해 증폭된 신호는 필터부(400)를 통해 레이더 펄스의 특정 대역의 관심 주파수 대역만 걸러지게 된다. 필터부(400)는 특정 대역의 주파수만 통과시키는 대역통과필터(BPF)이거나 높은 주파수대역의 주파수만 통과시키는 고역통과필터(HPF)로 이루어질 수 있다.
다만, 본 발명에서는 증폭된 신호를 필터부(400)를 통과하여 특정 대역만을 수신하도록 함이 바람직하나, 필터부(400)를 통과한 후에 증폭부(300)를 통해 통과된 신호가 증폭될 수도 있다.
이렇게 필터링 된 신호의 일부는 정류부(500)를 거쳐 저주파 신호로 변환되며, 또 필터링 된 신호의 일부는 아무런 처리를 거치지 않고 신호가 전달된다.
정류부(500)를 거치지 않은 신호가 필요한 이유는 기존의 레이더 경보 수신기가 가진 피아식별기능 등의 고유 기능을 유지하기 위함이다.
또한, 정류부(500)를 거쳐 저주파 신호로 변화된 신호는 처리부(600)로 입력되며, 처리부(600)는 입력된 저주파의 신호를 본 발명에서 제시하는 신호처리 기법들을 이용하여 레이더 펄스가 발산된 위치를 추정하며, 그 결과를 출력부(600)를 통해 알려주게 된다.
출력부(600)는 추정한 레이더 펄스가 발산된 위치를 나타내며, 다기능 시현기(MFD: Multi Functional Display)를 통해 비행 운전자에게 시각적인 정보를 제공하거나 또는, 내부 통신 시스템(ICS: Intercom System)을 통해 비행 운전자에게 청각적인 정보를 제공하여 경보를 발생케 하는 역할을 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 정류부(500)의 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
정류부(500)의 회로는 도 2에서 나타난 것처럼, 정류회로(510) 및 평활회로(520)로 구성되어, 필터링 된 신호는 정류회로(510) 및 평활회로(520)을 통과하면서 저주파신호로 변환된다.
정류회로(510)는 교류 신호를 직류로 변환하는데 사용되는 회로이며, 본 발명에서 제시된 전파정류회로로써 브릿지 다이오드(Bridge Diode)를 사용함이 바람직하나, 기타 다른 전파정류회로가 적용될 수 있음은 물론이다. 즉, 정류회로(510)를 통하면서 교류신호의 양의 값은 유지되고 음의 값은 양의 값으로 변환되어 출력됨으로써, 교류신호는 절대값으로 변환된다.
또한, 평활회로(520)는 도 2에서 제시된 것처럼 기본적으로 콘덴서로 구성될 수 있고, 기타 다른 평활회로 역시 적용될 수 있음은 물론이다. 즉, 평활회로(520)을 통하면서 정류된 신호는 직사각형에 가까운 매끄러운 신호로 변환된다.
이하에서는 도 1에서 나타난 처리부(600)가 수행하는 위치 추정 알고리즘에 대해 상세히 설명한다.
레이더 펄스를 발산한 항공기의 레이더에서 두 개의 수신부(200)에 전달된 최대 시간 지연 차는 레이더와 수신부(200)가 나란히 일직선상에 놓인 경우이며, 이때 주파수의 반 파장이 두 수신부(200) 안테나 사이의 거리 차이보다 커야 한다. 부연 설명하면, 다시 말하면, 레이더 펄스 주파수의 파장을
Figure pat00005
, 두 수신부(200) 안테나 사이의 거리를
Figure pat00006
라면,
Figure pat00007
를 만족해야 하고, 레이더 전파의 주파수를
Figure pat00008
, 레이더 전파 속도를
Figure pat00009
, 레이더 펄스의 한 주기를
Figure pat00010
라고 한다면 하기의 수학식 1이 만족해야 한다.
Figure pat00011
위의 수학식 1에서 알 수 있듯이, 위상 지연 차를 이용한 위치 추정 기법은 수신부(200) 간의 거리에 의존적이며 상기의 주파수 영역으로 제한되므로, 정류부(600)를 두어야 한다.
정류부(600)를 둠으로써 초고주파의 레이더 펄스 신호에서 저주파 성분을 얻을 수 있으며, 이로써 수신부(200) 간의 거리를 크게 가져 갈 수 있게 되었다. 또한, 수신부(200) 간의 거리가 커지게 되어 위치 추정 가능한 3차원 관심 영역도 확장되며 위치 추정 결과는 향상된다.
이하에서는, 수신부(200)에 수신된 레이더 펄스 신호를 이용하여 수신부(200) 간의 시간 지연 차를 구하는 방법에 대해 상세히 설명한다.
두 개의 수신부(200) 중에서 먼저 도달한 레이더 펄스 신호를
Figure pat00012
라 하고, 시간 지연
Figure pat00013
을 가지고 도달한 신호를
Figure pat00014
라고 한다면, 두 신호는 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00015
Figure pat00016
상기 수학식 2의 두 신호의 상호 상관함수를 구하면, 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있으며,
Figure pat00017
Figure pat00018
상호상관함수
Figure pat00019
는
Figure pat00020
에서 최대 값을 가지며
Figure pat00021
가 두 센서 유닛의 도달 시간지연차가 된다. 상호상관함수를 이용하여 두 센서 유닛간 시간지연차를 구하는 경우, 채널 잡음이 많이 섞이게 되면 두 신호의 상관관계가 줄어들게 되어 오차가 커지게 된다.
따라서 본 발명에서는 상호상관함수 기법뿐만 아니라 잡음에 영향을 덜 받는 상호스펙트럼 분석 기법을 이용하여 두 센서 유닛에 도달한 레이더 펄스의 시간지연차를 구하는 방법이 포함된다. 상기의 수학식 3을 푸리에 변환(Fourier Transform)하여, 상호 스펙트럼 함수를 구하면, 하기의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00022
Figure pat00023
상기의 수학식 4에서 나타난 상호 스펙트럼 함수는, 시간 영역에서 주파수영역으로 변환된 것으로, 상호 스펙트럼 함수의 크기는 두 신호 진폭의 곱으로 나타나고 위상은 두 신호 주파수의 위상차로 나타난다.
또한, 두 신호의 곱으로 인하여 두 신호에 공통으로 존재하는 주파수 성분만 남고 한 신호에만 존재하는 주파수 성분은 감쇄되어 정류기 회로를 거친 레이더 펄스의 주파수 성분만 남게 됨으로써, 나머지 신호는 필터링 되는 효과가 생기게 된다.
다음으로, 상호 스펙트럼 분석 기법을 적용한 후, 위상 지연 차에서 시간 지연 차를 구하기 위해서는 주파수로 나누어 주어야 한다. 특정 주파수를 정하는 방법은 정류기를 지난 레이더 펄스 신호는 직사각형에 가까우며, 직사각형 신호를 푸리에 변환(Fourier Transform) 한 결과는 싱크 함수(sinc function)로 나타나므로, 직류 성분(f = 0)을 제외한 주파수 성분 중에서 저주파 영역에서 가장 큰 값으로 잡는다. 주기
Figure pat00024
와 주파수
Figure pat00025
사이에는
Figure pat00026
인 관계가 있으므로, 두 신호 사이의 위상 차를 이용하여 시간 지연을 구하기 위해서는 주기에 위상 지연비를 곱해야 한다. 즉, 시간 지연을
Figure pat00027
라고 하면, 시간 지연은 하기 수학식 5처럼 나타낼 수 있다.
Figure pat00028
또한, 상기 수학식 5에서, 레이더 펄스의 전파 속도를 곱하여 레이더 펄스가 두 수신부 안테나에 도달한 거리 지연 차를 구할 수 있다. 즉, 레이더 펄스 전파 속도를
Figure pat00029
라 하고, 두 수신부 안테나 사이의 도달 거리 지연 차를
Figure pat00030
라고 한다면, 안테나 사이의 도달 거리 지연 차는 하기의 수학식 6에서처럼 나타낼 수 있다.
Figure pat00031
즉, 두 수신부(200)의 안테나로부터의 거리 차가 일정한 지점을 따라가면, 쌍곡선을 그리게 된다. 여러 개의 수신부(200)가 연결된 경우, 쌍곡선들이 만나는 지점이 레이더 펄스를 발산한 위치가 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 수신부(200)에서 수신한 레이더 펄스 신호의 시간 지연 차를 구하기 위한 방법으로, 문턱 값을 정해 놓고 정해놓은 문턱 값 이상의 진폭 값이 도달한 시간의 차이를 구하거나, 상호 상관 관계 분석 기법을 사용하는 등의 방법이 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 여러 개의 쌍곡선이 만나는 지점을 구하기 위해, 관심 영역에 대하여 스캐닝을 하여, 확률적으로 최대가 되는 지점을 찾으며, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따라 레이더 펄스를 발산한 위치를 찾기 위한 스캐닝 기법을 나타내고 있다. 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
수신부(200)의 개수가 N이라고 가정하는 경우, 수신부(200)에 의해 생성되는 쌍곡선의 개수 M은 하기의 수학식 7과 같다.
Figure pat00032
레이더 펄스를 발산한 위치는 도 4a에서 나타난 것처럼 스캐닝 지점(Scanning Position)에서 각각의 수신부(200)까지의 거리인
Figure pat00033
와
Figure pat00034
의 차에서 실제 두 수신부 사이에 측정된 거리 지연 차인
Figure pat00035
를 뺀 최소의 지점이 레이더 펄스가 발산된 위치가 된다. 즉, 이를 수식으로 나타내면 하기의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00036
상기의 수학식 8의 지점이 레이더 펄스가 발생된 위치가 되며, 수신부 안테나가 N개인 경우에는 하기의 수학식 9에서 나타난 지점이 레이더 펄스가 발산된 위치가 된다.
Figure pat00037
상술한 과정에 따라 도 4b는 두 개의 수신부(200)에 대하여, 몇 가지의 시간 지연 차에 대하여 스캐닝한 결과를 나타낸 도면이고, 도 4c는 세 개의 수신부(200)에 대하여, 몇 가지의 시간 지연 차에 대하여 스캐닝한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4b에서는 두 개의 수신부(200) 사이의 거리는 항공기의 날개 너비를 고려하여, 20m로 두었으며, 스캐닝 관심 범위는 300Km까지이다. 도 4c 또한 실제 항공기를 형상화하기 위해, 세 개의 수신부(200)는 외변이 20m를 이루도록 하고, 정삼각 구조로 수신부(200)를 설치하였을 때, 몇 가지의 경우에 대하여 위치를 추정한 결과를 나타낸 것이다.
또, 도 5는 3차원 영역에 대하여, 소프트웨어적으로 스캐닝을 하기 위한 좌표 설정 방법을 나타낸 것으로, 스캐닝을 하는 방법은 시간적인 측면을 고려하여, 최대한 넓은 영역에 대하여 샘플 포인터를 최소화하여 스캐닝을 한 후 관심 영역을 점차 좁혀가는 방법을 통하는 것이 바람직하다.
본 발명인 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법을 도 6 및 도 7를 참고하여 설명하면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법을 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 저주파로 변환하는 단계를 나타내는 도면이다.
본 발명은 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법에 있어서, 상술한 바와 같이 안테나를 통해 레이더에서 발산한 레이더 펄스 신호를 수신하고(S100), 수신한 레이더 펄스 신호를 정류회로를 이용하여 저주파로 변환하여(S200), 저주파로 변환된 레이더 펄스 신호로 레이더 펄스 발생원의 위치를 추정(S300)하는 방법을 제시한다.
즉, 수신한 레이더 펄스 신호를 정류회로 및 평활회로를 통해 저주파로 변경된 신호에 의하여 레이더 펄스를 발산한 위치를 추정하는 것을 특징으로 하고, 상기의 저주파의 신호로 변경하는 과정에서 수신한 레이더 펄스 신호를 증폭하고(S210), 또한 증폭된 레이더 펄스 신호에 대해 특정 대역의 주파수만 통과시키도록 하는 필터를 통과시키며(S220), 필터를 통과한 레이더 펄스 신호는 정류회로 및 평활회로를 통해 저주파로 변환되는 단계(S230)로 이루어짐이 바람직하다.
다만, 상술한 바와 같이 본 발명에서는 증폭된 신호를 특정 대역의 주파수만 통과시키도록 필터링 하는 방법(S210, S220)이 노이즈 측면에서 바람직하나, 먼저 필터링을 한 후에 필터링된 신호를 증폭시키는 방법을 적용할 수도 있다.
또한, 저주파로 변환된 상기 레이더 펄스 신호로 레이더 펄스 발생원의 위치를 추정하는 방법은 둘 이상의 안테나에 도달한 상기 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 이용하여, 레이더 펄스 신호를 발산한 위치를 추정하는 것을 특징으로 하며, 상기 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 구하기 위해, 상호 스펙트럼 함수로 위상 지연 차를 먼저 구하여, 위상 지연 차를 주파수로 나누어 시간 지연 차를 구하는 단계를 거치는 것이 바람직하다.
이때, 상술한 바와 같이 수신한 레이더 펄스 신호의 시간 지연 차를 구하기 위한 방법으로, 기타 문턱 값을 정해 놓고 정해놓은 문턱 값 이상의 진폭 값이 도달한 시간의 차이를 구하는 등의 방법이 적용될 수 있음은 물론이다.
상기에서 구한 시간 지연 차에 전파의 이동속도를 곱하는 것을 통해 두 개의 안테나에 도달한 레이더 펄스 신호의 도달 거리 지연 차가 일정한 지점을 연결한 선은 쌍곡선을 이루는 특성을 이용하여, 세 개 이상의 안테나로부터 생성된 두 개 이상의 쌍곡선의 교차점을 레이더 펄스 발산 위치로 추정한다.
아울러, 본 발명에서는 상기에서 레이더 펄스를 발산한 위치인 쌍곡선의 교차점을 구하기 위해 임의로 정한 지점에 대하여 상술한 스캐닝 기법을 사용하는 방법을 제시한다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사항은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치
200 : 수신부 300 : 증폭부
400 : 필터부 500 : 정류부
510 : 정류회로 520 : 평활회로
600 : 처리부 700 : 출력부
800 : 입력부
S100 : 레이더 펄스를 수신하는 단계
S200 : 정류회로를 이용하여 저주파로 변환하는 단계
S300 : 레이더 펄스 발생원의 위치를 추정하는 단계
S210 : 수신한 레이더 펄스 신호를 증폭하는 단계
S220 : 특정 대역의 주파수만 통과시키는 단계
S230 : 정류회로를 통해 저주파로 변환하는 단계

Claims (15)

  1. 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치에 있어서,
    안테나를 통해 레이더에서 발산한 레이더 펄스 신호를 수신하는 수신부;
    상기 수신부를 통해 수신한 레이더 펄스 신호를 저주파 신호로 변환하기 위한 정류부; 및
    상기 정류부를 통해 변환된 저주파 신호를 이용하여 레이더 펄스 발생원의 위치를 추정하는 처리부;
    를 포함하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신부를 통해 수신된 레이더 펄스 신호를 증폭하는 증폭부; 및
    상기 증폭부를 통해 증폭된 레이더 펄스 신호에 대해 특정 대역의 주파수만 통과시키도록 하는 필터부;
    를 더 포함하되,
    상기 정류부는 상기 필터부를 통해 필터링 된 레이더 펄스 신호를 저주파 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 처리부에서 레이더 펄스 발생원의 위치 추정된 결과를 알려주는 출력부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리부는, 둘 이상의 상기 수신부에 도달한 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 이용하여, 레이더 펄스 신호를 발산한 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 처리부는, 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 구하기 위해, 상호 상관 함수를 이용하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 처리부는, 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 구하기 위해, 상호 스펙트럼 함수로 위상 지연 차를 먼저 구하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 처리부는, 두 개의 상기 수신부에 도달한 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차에 전파의 이동속도를 곱한 도달 거리 지연 차가 일정한 지점을 연결한 선은 쌍곡선을 이루는 특성을 이용하여, 셋 이상의 상기 수신부로부터 생성된 둘 이상의 쌍곡선의 교차점을 레이더 펄스 발산 위치로 추정하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 쌍곡선의 교차점을 구하기 위해 임의로 정한 지점에 대하여 스캐닝 기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 장치.
  9. 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법에 있어서,
    (a) 안테나를 통해 레이더에서 발산한 레이더 펄스 신호를 수신하는 단계;
    (b) 수신한 상기 레이더 펄스 신호를 정류회로를 이용하여 저주파로 변환하는 단계; 및
    (c) 저주파로 변환된 상기 레이더 펄스 신호로 레이더 펄스 발생원의 위치를 추정하는 단계;
    를 포함하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 수신한 상기 레이더 펄스 신호를 증폭하는 단계;
    (b2) 증폭된 상기 레이더 펄스 신호는 특정 대역의 주파수만 통과시키도록 하는 단계; 및
    (b3) 통과된 주파수를 갖은 상기 레이더 펄스 신호는 정류회로를 통해 저주파로 변환되는 단계;
    를 포함하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    둘 이상의 안테나에 도달한 상기 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 이용하여, 레이더 펄스 신호를 발산한 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 구하기 위해, 상호 상관 함수를 이용하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차를 구하기 위해, 상호 스펙트럼 함수로 위상 지연 차를 먼저 구하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    두 개의 안테나에 도달한 레이더 펄스 신호의 도달 시간 지연 차에 전파의 이동속도를 곱한 도달 거리 지연 차가 일정한 지점을 연결한 선은 쌍곡선을 이루는 특성을 이용하여, 셋 이상의 안테나로부터 생성된 둘 이상의 쌍곡선의 교차점을 레이더 펄스 발산 위치로 추정하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 쌍곡선의 교차점을 구하기 위해 임의로 정한 지점에 대하여 스캐닝 기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 레이더 펄스 발생원 위치 추정 방법.
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