KR20150066311A - Sonar system and method for precisly performing target detection under circumstance without being known of target speed - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 표적 속도를 알지 못한 환경에서 표적 탐지기의 복잡도를 감소시키고 정밀한 표적 탐지가 가능한 소나 시스템 및 그의 표적 탐지방법을 제공하는데 있다. The present invention provides a sonar system and its target detection method capable of reducing the complexity of a target detector and detecting a precise target in an environment where the target speed is not known.
일반적으로 수중에서 음향신호를 이용하여 표적을 탐지하는 소나 시스템에서는 일정 간격마다 음향신호를 송신한 후 수신되는 신호로부터 표적을 탐지하는 능동 탐지기법을 널리 사용하고 있다. 상기 능동 탐지기법은 수신신호에서 송신신호가 표적에 반사된 신호와 주변 환경으로부터 반향된 잔향음(reverberation)을 구분함으로써 표적을 탐지하는 방법이다. Generally, in a sonar system that detects a target by using an acoustic signal in water, an active detection technique that transmits an acoustic signal at regular intervals and detects a target from the received signal is widely used. The active detection technique is a method of detecting a target by distinguishing a signal reflected from a received signal from a signal reflected from the target and a reverberation reflected from the surrounding environment.
상기 소나 시스템에서 송신하는 음향신호의 세부 특성은 수중 환경, 탐지 표적 특성 및 소나 시스템을 운용하는 플랫폼(platform)에 의해 결정되며, 상기 송신신호 유형으로는 연속파(continuous wave : CW)신호 또는 선형주파수변조(linear frequency modulation : LFM))신호가 일반적으로 사용된다. The detailed characteristics of the acoustic signal transmitted from the sonar system are determined by the underwater environment, the detection target characteristic and a platform operating the sonar system, and the transmission signal type includes a continuous wave (CW) signal or a linear frequency A linear frequency modulation (LFM) signal is commonly used.
도 1은 종래 소나 시스템의 능동 탐지기법을 나타낸 도면이다. 1 is a diagram illustrating an active detection technique of a conventional sonar system.
도 1에 도시된 바와같이, 종래의 소나 시스템은 수신신호(r(n))로부터 표적으로부터 반사된 신호의 SNR을 최대화시키기 위해 기준신호를 이용하여 정합필터(10)에서 정합 필터링을 수행한 후 탐지기(20)에서 필터링 결과를 이용하여 표적을 탐지한다. 이때 정합 필터링을 이용하여 표적을 정확히 탐지하기 위하여 표적 속도에 따른 음파의 도플러 효과(Doppler effect)를 이용한다. As shown in FIG. 1, the conventional sonar system performs matched filtering in the matched
도 2는 표적 속도에 따라 발생되는 도플러 효과를 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for explaining the Doppler effect generated according to the target velocity.
도 2에서와 같이, 소나를 운용하는 소나 플랫폼(Sonar platform)이 움직이면서 신호 p(n)을 송신하고 표적에 반사되어 수신된 신호를 r(n)이라고 하였을 때, 송신신호 p(n)의 주파수를 fP라 하고 수신신호 r(n)의 주파수를 fR이라 한다. 이때 상기 fR과 fP는 소나 플랫폼과 표적(Target)의 속도에 따라 다음 식 (1)과 같은 관계가 성립된다. As shown in FIG. 2, when a sonar platform that operates a sonar is moving and transmits a signal p (n) and a signal reflected on the target is a signal r (n), the frequency of the transmission signal p a is referred to as the frequency of f P d, and the received signal r (n) f R. In this case, f R and f P satisfy the following equation (1) according to the speed of the sonar platform and the target.
여기서, 상기 
상기 식(1)은 소나 플랫폼과 표적 속도에 따라 주파수와 수신신호의 길이가 변화함을 나타낸다.Equation (1) shows that the frequency and the length of the received signal change according to the sonar platform and the target speed.
송신신호가 연속파(CW)신호인 경우, 소나 시스템은 표적 속도에 따라 발생되는 도플러 효과 중에서 수신신호의 주파수가 송신신호의 주파수와 비교하여 이동하는 도플러 천이(Doppler shift) 현상을 이용하여 표적을 탐지한다. 이를 위해 CW 신호를 이용한 능동탐지에서는 도 1의 정합 필터링을 고속푸리에변환(FFT)으로 구현하여 처리한다. 이 방법은 매 수신되는 신호에 대해 송신신호의 펄스 길이만큼의 신호를 고속푸리에변환하고 주파수 영역에서 스펙트럼을 구한 값들 중 최대가 되는 값을 추출하여 탐지 유무를 판단하는 것이다. 즉, 스펙트럼의 최대값을 이용하여 표적의 존재 유무를 판별하며, 최대값을 갖는 주파수의 위치로부터 표적의 속도를 추정한다. When the transmitted signal is a continuous wave (CW) signal, the sonar system detects a target using a Doppler shift phenomenon in which the frequency of the received signal is shifted in comparison with the frequency of the transmitted signal, among Doppler effects generated according to the target velocity. do. For this purpose, in the active detection using the CW signal, the matched filtering of FIG. 1 is implemented by a fast Fourier transform (FFT). In this method, a signal corresponding to a pulse length of a transmission signal is fast-Fourier-transformed for each received signal, and a maximum value among spectrums obtained in the frequency domain is extracted to determine the presence or absence of detection. That is, the presence or absence of the target is determined using the maximum value of the spectrum, and the velocity of the target is estimated from the position of the frequency having the maximum value.
그러나, 일반적으로 CW를 이용한 능동탐지는 표적이 정지되어 있거나 저속으로 기동하면 잔향음과 도플러 천이된 주파수를 구분하여 표적을 탐지하기가 어려우며, 거리 분해능이 송신신호 길이에 반비례하기 때문에 거리 분해능을 향상시키는 데 한계가 있다. 이러한 CW 신호를 이용한 능동탐지의 한계들로 인해, 기존 소나시스템에서는 주파수변조(Frequency modulation : FM)신호와 같은 다른 형태의 송신신호들을 이용한다.However, in general, active detection using CW is difficult to detect the target by distinguishing the reverberant and Doppler shifted frequencies when the target is stopped or started at a low speed, and the distance resolution is inversely proportional to the transmission signal length, There is a limit to make. Due to the limitations of active detection using CW signals, existing sonar systems use other types of transmission signals such as frequency modulation (FM) signals.
송신신호가 FM 신호일 경우 소나 시스템은 CW신호에 비해 복잡한 과정을 통해 표적을 탐지한다. 설명의 편의를 위해 FM신호의 한가지인 LFM(linear frequency modulation) 신호를 이용하여 표적 탐지 과정을 설명하며, 상기 LFM 신호는 식 (2)와 같이 시간에 따라 주파수가 선형적으로 변화하는 형태를 갖는다. If the transmitted signal is an FM signal, the sonar system detects the target through a more complex process than the CW signal. For convenience of description, a target detection process will be described using an LFM (Linear Frequency Modulation) signal, which is one of the FM signals, and the LFM signal has a form in which the frequency linearly changes with time as shown in Equation (2) .
여기서, 상기 fO는 송신 중심주파수, fS는 샘플링 주파수, m은 LFM신호의 주파수 변화율(sweep rate)로 시간에 따른 주파수 변화 비율을 의미한다. 이때 m에 의해 송신신호의 길이(N/fs) 시간동안 변화하는 주파수 대역인 W는 mN/fS로 나타난다. Here, f o denotes a transmission center frequency, f S denotes a sampling frequency, and m denotes a frequency change rate over time with a frequency sweep rate of an LFM signal. In this case, W, which is a frequency band that varies during the length of the transmission signal (N / fs) by m, is expressed as mN / f S.
도 3은 송신 LFM신호와 수신 협대역 LFM신호의 시간에 따른 주파수변화로 나타낸 그래프이다. 3 is a graph illustrating a change in frequency of a transmission LFM signal and a reception narrowband LFM signal with time.
도 3에 도시된 바와같이, LFM 신호를 송신하고 다시 수신하였을 때 수신신호는 협대역 LFM신호로 나타난다. 그래프에서 가로축은 시간을 세로축은 주파수를 의미한다. 여기서 협대역 LFM신호라 함은 표적속도에 의해 발생된 도플러 효과로 인해 수신신호가 송신신호와 비교하여 중심 주파수 이동의 형태로 나타난 것을 의미한다. 다시 말해, 상기 설명한 CW의 경우와 같이 수신신호가 도플러 천이된 신호의 형태가 되는 신호를 협대역 LFM 신호라 한다. 참고로 소나 플랫폼과 표적의 속도가 비교적 작을 때 수신신호는 협대역 LFM 신호로 나타난다. As shown in FIG. 3, when the LFM signal is transmitted and received again, the received signal appears as a narrowband LFM signal. In the graph, the horizontal axis indicates time and the vertical axis indicates frequency. Here, the narrowband LFM signal means that the received signal appears in the form of a center frequency shift as compared with the transmitted signal due to the Doppler effect generated by the target velocity. In other words, a signal in which the reception signal is in the form of a Doppler shifted signal as in the above-described CW is referred to as a narrow band LFM signal. Note that when the speed of the sonar platform and the target is relatively small, the received signal appears as a narrowband LFM signal.
도 4는 소나 시스템에서 사용하는 협대역 LFM 탐지기의 구성도를 나타낸다. 4 shows a block diagram of a narrow band LFM detector used in a sonar system.
도 4의 협대역 LFM신호에 대한 정합 필터링을 도 1과 비교하면, 협대역 LFM 탐지기에서는 송신 LFM 신호에 표적속도에 따른 주파수 천이만큼 주파수 이동시킨 신호를 기준신호로 하여 수신신호와 상관(correlation)시키는 다수(M개)의 상관기(LFM 도플러 상관기)를 이용하여 정합필터 즉, LFM 정합필터(10)를 구성한다. 1, the narrowband LFM detector correlates the received LFM signal with the received signal using the frequency-shifted signal corresponding to the target frequency as the reference signal, That is, the LFM matched
상기 다수(M개)의 상관기(LFM 도플러 상관기)는 표적속도에 따른 주파수 천이를 송신 LFM신호에 반영하여 수신신호와 상관시켜 정합 결과를 출력하고, 탐지기(LFM 표적탐지기)(20)는 정합 결과를 이용하여 표적을 탐지한다. (LFM Doppler correlator) reflects the frequency shift according to the target velocity on the transmission LFM signal and correlates it with the reception signal to output a matching result, and the LFM target detector (20) To detect the target.
그런데, 협대역 LFM 탐지기를 이용한 LFM 능동탐지에서는 탐지하고자 하는 표적의 속도를 알지 못하기 때문에 표적의 속도 범위를 고려하여 다수의 LFM 도플러 상관기들이 필요하며, 다수 상관기의 결과를 이용하여 탐지기(LFM 표적탐지기)에서 표적을 탐지한다. However, since LFM active detection using a narrow band LFM detector does not know the speed of a target to be detected, a large number of LFM Doppler correlators are required in consideration of the target velocity range, and a LFM target Detectors).
따라서, 기존의 협대역 LFM (능동)탐지에서는 LFM 도플러 상관기의 개수가 증가할수록 정밀한 표적 탐지는 가능하나 소나 시스템의 탐지를 수행하는 수신 시스템의 구현 복잡도를 증가시키는 단점이 있다. Therefore, in the existing narrow band LFM (active) detection, as the number of LFM Doppler correlator increases, precise target detection is possible, but there is a drawback in increasing the complexity of the receiving system performing detection of the sonar system.
도 5는 송신 LFM신호와 수신 광대역 LFM신호의 시간에 따른 주파수변화로 나타낸 그래프이다. 5 is a graph showing a change in frequency of a transmission LFM signal and a reception wideband LFM signal with time.
도 5에 도시된 바와같이, LFM 신호를 송신하고 수신하였을 때 수신신호는 광대역 LFM 신호로 나타난다. 여기서 광대역 LFM 신호라 함은 도플러 효과에 따라 송신신호와 수신신호를 비교하였을 때, 수신신호의 주파수가 송신신호의 주파수에 비해 단순히 이동할 뿐만 아니라 수신신호의 주파수 변화율(sweep rate)과 송신신호의 주파수 변화율의 차이가 커지게 되는 신호를 말한다. As shown in FIG. 5, when the LFM signal is transmitted and received, the received signal appears as a wideband LFM signal. Here, when a transmission signal and a reception signal are compared with each other according to a Doppler effect, the wideband LFM signal not only moves the frequency of the reception signal relative to the frequency of the transmission signal, but also changes the frequency sweep rate of the reception signal and the frequency And the difference in the rate of change becomes larger.
요약하면 표적 속도에 따라 수신신호가 광대역 LFM신호가 될 경우 주파수가, 이동하는 범위도 협대역에 비해 커지며 주파수 변화율도 송신신호의 주파수 변화율과 차이가 발생하게 된다. 참고로 소나 시스템과 표적의 속도가 커서 수신신호가 광대역 LFM 신호로 나타난다. In summary, when the received signal is a wideband LFM signal according to the target speed, the frequency is shifted to the narrow band and the frequency change rate is different from the frequency change rate of the transmitted signal. For reference, the speed of the sonar system and the target is so high that the received signal appears as a broadband LFM signal.
도 6은 소나 시스템에서 사용하는 광대역 LFM 탐지기의 구성도이다. 6 is a block diagram of a broadband LFM detector used in a sonar system.
도 6에 도시된 바와같이, 광대역 LFM 탐지기는 표적속도의 범위에 따른 수신신호 변이에 따라 정합된 결과가 일정한 오차가 범위 안에 있도록 기준필터를 구분하여 광대역 LFM신호(수신신호)에 대한 탐지를 수행한다. 이렇게 일정한 정합필터의 오차가 유지되도록 구분하여 탐지하는 부분을 협대역 LFM 탐지기라고 한다.As shown in FIG. 6, the broadband LFM detector detects the wideband LFM signal (received signal) by separating the reference filter so that the result of matching according to the variation of the received signal according to the range of the target speed is within a certain error range. do. The narrow-band LFM detector is used to distinguish and detect such a constant matched filter error.
따라서, 광대역 LFM (능동) 탐지기는 다수(N개)의 협대역 LFM 탐지기로 구성되는 도 6의 구조를 가진다. 각 협대역 LFM 탐지기는 도 4와 동일한 구조를 가지며, 각 협대역 LFM 탐지기는 표적의 속도에 따라 변화하는 주파수 변화율을 구분하여 구성한다. 따라서, 동일한 협대역 LFM 탐지기 내 상관기의 기준신호는 주파수 변화율은 같으나 도플러 천이 주파수는 다른 값을 가지는 구조가 된다. Thus, the broadband LFM (active) detector has the structure of FIG. 6 configured with multiple (N) narrowband LFM detectors. Each narrow-band LFM detector has the same structure as that of FIG. 4, and each narrow-band LFM detector is configured by dividing the rate of change of frequency that varies according to the speed of the target. Therefore, the reference signal of the correlator in the same narrow band LFM detector has the same frequency change rate, but the Doppler shift frequency has a different value.
상술한 바와같이 FM 송신신호를 이용한 능동탐지는 수신신호가 협대역인지 광대역인지에 따라 서로 다른 구조를 가진다. 하지만, 협대역 수신신호를 정밀하게 탐지하기 위해서는 상관기의 개수(M)를 증가시켜야 하며, 광대역 수신신호를 탐지하기 위해서는 협대역 탐지기의 개수(N)에 협대역 LFM 탐지기를 구성하는 상관기의 개수(M)를 곱한 형태로 증가시켜야 하는 단점이 있다. 다시 말해 정밀한 FM 탐지기는 많은 개수의 상관기가 요구되며, 이는 소나 시스템 중 수신되는 신호를 처리하는 수신 시스템의 구현을 매우 어렵게 한다. As described above, the active detection using the FM transmission signal has a different structure depending on whether the received signal is a narrow band or a wide band. However, in order to precisely detect a narrowband received signal, the number of correlators M must be increased. To detect a broadband received signal, the number N of narrowband detectors is set to the number of correlators constituting narrowband LFM detectors M). In other words, a precise FM detector requires a large number of correlators, which makes it very difficult to implement a receiving system that processes the signals received in the sonar system.
따라서, 본 발명의 목적은 표적 속도를 알지 못한 환경에서 최소의 상관기를 이용하여 표적 탐지를 수행하여, 표적 탐지기의 복잡도를 감소시키고 운용을 간편하게 수행할 수 있는 소나 시스템 및 그의 표적 탐지방법을 제공하는데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a sonar system and a target detection method thereof, which can perform target detection using a minimum correlator in an environment where the target velocity is not known, reduce complexity of the target detector, and can be operated easily have.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 속도를 알지 못한 환경에서 소나 시스템의 표적탐지 방법은, 탐지 표적의 속도 범위를 설정하는 단계; 각 표적 속도 범위에서 표적에 의해 발생되는 신호 변화를 추정하는 단계; 상기 추정된 신호 변화를 기준 FM신호에 역으로 적용하여 FM송신신호를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 FM송신신호를 표적으로 송출하는 단계;를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of detecting a target of a sonar system in an environment where a target speed is not known, comprising: setting a speed range of a target to be detected; Estimating a signal change caused by the target in each of the target velocity ranges; Applying the estimated signal variation back to the reference FM signal to generate an FM transmission signal; And transmitting the generated FM transmission signal as a target.
상기 FM송신신호는 LFM(linear frequency modulation) 신호이다.The FM transmission signal is a linear frequency modulation (LFM) signal.
상기 표적에 의해 발생되는 신호 변화는 표적의 속도에 따른 주파수 이동 및 주파수 변화율을 포함한다.The signal change caused by the target includes a frequency shift and a frequency change rate according to the speed of the target.
상기 표적에서 반사되어 수신되는 FM수신신호는 표적의 속도에 의한 신호변화와 상쇄되어 상기 FM 송신신호와 동일한 형태가 된다. The FM received signal reflected from the target is canceled with the signal change due to the speed of the target and becomes the same form as the FM transmitted signal.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 속도를 알지 못한 환경에서 표적을 탐지하는 소나 시스템은, 탐지하고자 하는 표적의 속도에 따른 FM신호 왜곡을 추정하여 그 추정된 왜곡을 기준 FM신호에 역으로 적용하여 송신하는 송신 시스템; 및 하나의 협대역 FM 탐지기로 구성되어, 상기 송신한 신호가 표적에 반사되어 오는 기준 FM신호에 대해 표적을 검출하는 수신 시스템;으로 구성된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a sonar system for detecting a target in an environment in which a target velocity is not known, comprising: estimating an FM signal distortion according to a velocity of a target to be detected; A transmission system for applying the reference FM signal in reverse to the transmission system; And a narrowband FM detector for detecting a target for a reference FM signal from which the transmitted signal is reflected to the target.
상기 FM송신신호는 LFM(linear frequency modulation) 신호이다.The FM transmission signal is a linear frequency modulation (LFM) signal.
상기 FM신호 왜곡은 표적의 속도에 따른 주파수 이동 및 주파수 변화율을 포함한다. The FM signal distortion includes a frequency shift and a frequency change rate according to the speed of the target.
상기 표적에서 반사되어 수신되는 기준 FM수신신호는 표적의 속도에 의한 FM신호 왜곡이 상쇄되어 주파수 이동과 변화율이 일정하게 유지된다.The reference FM received signal reflected from the target is canceled by the FM signal distortion due to the speed of the target, so that the frequency shift and the rate of change are kept constant.
기존의 FM 신호를 송신하여 표적을 탐지하는 소나시스템에서는 표적의 속도 변화 범위가 큰 경우에서 정밀한 표적 탐지를 수행하기 위해서 많은 수의 상관기가 요구되었다. 이는 소나시스템의 수신시스템에 대한 구현 복잡도를 증가시키는 원인이 된다. 하지만 본 발명을 이용하면, 탐지하고자 하는 표적 속도에 따른 신호 변화를 추정하여 역으로 적용시킨 신호를 송신하고 송신한 신호가 표적에 의해 반사되어 수신되는 신호는 신호 형태가 일정하게 유지된다. 본 발명을 통해 소나시스템에서 탐지를 수행하는 수신시스템은 이 일정한 형태의 신호만을 이용하여 탐지하는 시스템으로 구성되어 수신시스템의 구현 복잡도를 줄일 수 있다. In the sonar system that detects the target by transmitting the existing FM signal, a large number of correlators are required to perform accurate target detection in the case where the range of the speed of the target is large. This causes an increase in the implementation complexity of the receiving system of the sonar system. However, according to the present invention, a signal applied to a signal to be detected is estimated based on a target velocity to be detected, and a signal applied to the signal is reflected by the target. The receiving system for performing detection in the sonar system according to the present invention comprises a system for detecting using only a certain type of signal, thereby reducing the complexity of implementation of the receiving system.
도 1은 종래 소나 시스템의 능동 탐지기법을 나타낸 도면.
도 2는 표적 속도에 따라 발생되는 도플러 효과를 설명하기 위한 도면.
도 3은 송신 LFM신호와 수신 협대역 LFM신호의 시간에 따른 주파수변화로 나타낸 그래프.
도 4는 소나 시스템에서 사용하는 협대역 LFM 탐지기의 구성도.
도 5는 송신 LFM신호와 수신 광대역 LFM신호의 시간에 따른 주파수변화로 나타낸 그래프.
도 6은 소나 시스템에서 사용하는 광대역 LFM 탐지기의 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 송수신 FM 신호와 기존 시스템의 FM 송수신 신호를 비교한 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 소나 시스템의 송신 시스템에서 FM송신 신호를 발생시키는 과정을 나타낸 순서도.1 is a diagram illustrating an active detection technique of a conventional sonar system.
2 is a diagram for explaining a Doppler effect generated according to a target velocity;
FIG. 3 is a graph illustrating a change in frequency of a transmission LFM signal and a reception narrow-band LFM signal with time. FIG.
FIG. 4 is a block diagram of a narrow-band LFM detector used in a sonar system. FIG.
5 is a graph showing a change in frequency of a transmission LFM signal and a reception wideband LFM signal with time.
6 is a block diagram of a broadband LFM detector used in a sonar system;
7 is a graph showing a comparison between a transmitting and receiving FM signal according to the present invention and an FM transmitting and receiving signal of an existing system.
8 is a flowchart illustrating a process of generating an FM transmission signal in a transmission system of a sonar system according to an embodiment of the present invention.
종래의 소나 시스템에서 FM신호를 송신하여 표적을 탐지하는 탐지기는 정밀한 탐지를 위해서 많은 수의 상관기들이 필요하다. 그 이유는 탐지하고자 하는 표적 속도를 알지 못하기 때문에, 상관기를 이용하여 한 종류의 FM신호를 송신한 후 수신신호를 이용하여 정지하거나 빠르게 움직이는 모든 속도 범위의 표적을 탐지해야 하기 때문이다. 다시 말해 탐지하고자 하는 표적의 속도 범위가 클수록 도플러 효과에 따른 주파수 변화 범위가 커지며, 이에 대한 주파수 변화 범위에 대해 정밀하게 탐지하기 위해서는 많은 수의 상관기가 필요하게 된다. Detectors that detect targets by transmitting FM signals in conventional sonar systems require a large number of correlators for precise detection. This is because the target velocity to be detected is not known, so it is necessary to transmit a kind of FM signal using a correlator and then use a received signal to detect a target in all velocity ranges that stop or move fast. In other words, the larger the speed range of the target to be detected, the larger the frequency variation range according to the Doppler effect, and a large number of correlators are required to precisely detect the frequency variation range therefrom.
또한, 기존 소나 시스템에서 송신하는 FM신호는 정지되거나 비교적 느리게 움직이는 표적에 적합한 형태를 가지며, 이는 기술 발전에 따라 수중에서 고속으로 기동하는 소나 플랫폼이나 표적 환경에는 적합하지 않은 것도 하나의 원인이 된다.In addition, the FM signal transmitted from the existing sonar system has a form suitable for stopping or relatively slow moving targets, which is one of the reasons that the technology is not suitable for the sonar platform or the target environment that is operated at high speed in water.
따라서, 본 발명은 표적 속도를 알지 못한 환경에서 정밀한 탐지를 위해 많은 수의 상관기가 요구되는 기존 FM 표적탐지기의 복잡도를 감소시키고, 운용을 간편하게 수행할 수 있는 방안을 제공한다. Accordingly, the present invention provides a method for reducing the complexity of an existing FM target detector that requires a large number of correlators for precise detection in an environment where the target speed is not known, and for simplifying operation.
앞의 도 2 및 식(1)에서 도플러 효과에 따른 주파수 변화를 다시 살펴보면, 주파수 변화는 소나 플랫폼과 표적의 속도에 따라 결정된다. 일반적으로 소나 플랫폼은 자신의 속도는 알 수 있으나 표적의 속도를 알지 못한다. 표적 속도를 알지 못하기 때문에 소나 플랫폼에서 많은 수의 상관기가 필요하다. Referring back to FIG. 2 and equation (1), frequency variation is determined by the speed of the sonar platform and the target. In general, the sonar platform knows its own speed but does not know the speed of the target. Because the target speed is unknown, a large number of correlators are needed on the Sonar platform.
그런데, 소나 플랫폼에서 탐지하고자 하는 표적의 속도를 일정 간격으로 구분하여 송신신호를 발생한다면 탐지하고자 하는 표적이 해당 속도 구간에 있어 신호가 반사되어 수신될 경우 정합 결과는 최대가 될 것이다. 이는 기존 소나 시스템에서 다양한 송신신호를 이용하여 표적을 탐지하고자 하는 경우와 비슷하다. However, if the target signal is generated by dividing the speed of the target to be detected in the sonar platform at a predetermined interval, the matching result will be maximum when the target to be detected is reflected in the corresponding speed section and received. This is similar to the case in which an existing sonar system attempts to detect a target using various transmission signals.
따라서, 본 발명은 표적 속도를 알지 못한 환경에서 정밀한 표적 탐지를 위하여, 특정 속도 구간에 있는 표적에 의해 발생되는 신호 변화를 추정하고, 송신신호 발생 시 상기 추정된 신호 변화를 역으로 적용시켜, 상기 표적에 의해 반사되어 온 수신신호의 신호 변화가 일정하게 유지되도록 한다. Therefore, in order to precisely detect a target in an environment where the target velocity is not known, the present invention estimates a signal change caused by a target in a specific speed range, applies the estimated signal change inversely when a transmission signal is generated, So that the signal change of the received signal reflected by the target is kept constant.
이와 같이 표적 속도 변화에 따른 신호 변화를 역으로 보상한 FM 신호를 송신할 경우, 표적에서 반사되어 수신된 FM신호의 변화가 일정하게 유지되며, 이로 인해 수신 시스템에서는 일정하게 유지되는 수신신호의 형태만을 처리하기 위한 하나의 탐지기를 구성하면 된다. 이는 곧 다수의 탐지기가 필요하지 않기 때문에 요구되는 상관기의 개수를 줄여 구현 복잡도를 줄일 수 있음을 의미한다. In this way, when the FM signal compensating the signal change due to the change in the target velocity is transmitted, the change of the FM signal received from the target is constantly maintained. As a result, It is only necessary to construct one detector for processing only the signal. This means that the complexity of the implementation can be reduced by reducing the number of correlators required since many detectors are not needed.
본 발명을 이용할 경우 표적 속도 변화에 따라 송신 FM신호를 조절하기 위한 송신 시스템은 좀 복잡해지나 탐지를 수행하는 수신 시스템의 복잡도를 크게 감소시킬 수 있다. The transmission system for adjusting the transmitted FM signal according to the change of the target velocity is complicated, but the complexity of the receiving system performing the detection can be greatly reduced.
도 7은 본 발명에 따른 FM 송수신 신호와 기존 시스템의 FM 송수신 신호를 비교한 그래프로서, 본 발명의 원리를 설명하기 위해 표적 속도 변화에 따른 수신신호의 변화를 LFM 신호를 예로 들어 주파수 관점에서 나타내었다. FIG. 7 is a graph comparing the FM transmission / reception signal according to the present invention and the FM transmission / reception signal of the existing system. In order to explain the principle of the present invention, .
도 7을 참조하면, 기존의 소나 시스템에서는 표적 속도가 클 경우 수신되는 광대역 LFM신호는 주파수 이동뿐만 아니라 주파수 변화율이 변하게 된다. Referring to FIG. 7, in a conventional sonar system, when the target speed is high, the received broadband LFM signal changes not only in frequency but also in frequency variation rate.
하지만, 본 발명에서는 대상 표적 속도에 따른 주파수 이동과 주파수 변화율의 차이를 역으로 송신신호에 반영하여 송신하기 때문에, 수신되는 LFM신호는 표적 속도에 의한 영향과 상쇄되어 기존 LFM 송신신호와 동일한 형태가 된다. 따라서, 탐지하고자 하는 표적 속도별로 송신신호를 변화시켜 송신한다면, 수신되는 신호는 기존 LFM 송신신호와 동일하게 된다. However, in the present invention, since the difference between the frequency shift and the rate of change in frequency according to the target target rate is reflected back to the transmission signal and transmitted, the received LFM signal is canceled from the influence of the target speed, do. Therefore, if the transmission signal is changed according to the target speed to be detected, the received signal becomes the same as the existing LFM transmission signal.
이와 같은 사실로부터 표적을 탐지하는 수신 시스템에서는 기존 LFM 송신신호의 형태를 탐지하는 간단한 탐지기만으로 표적을 탐지할 수 있다. 정확한 탐지를 위해서는 송신한 신호가 탐지하고자 하는 기준속도를 알아야 한다. From this fact, in a receiving system that detects a target, a target can be detected only by a simple detector that detects the type of an existing LFM transmission signal. For accurate detection, it is necessary to know the reference speed that the transmitted signal wants to detect.
도 7은 본 발명을 설명하기 위한 간단한 예로, 실제 시스템에서는 큰 속도구간으로 구분하여 협 대역 탐지기를 구성하고, 협대역 탐지기 내의 상관기 결과들을 이용하여 미세 속도를 추정하여 정밀한 탐지를 수행한다.FIG. 7 shows a simple example for explaining the present invention. In an actual system, a narrowband detector is divided into a large velocity section and a fine velocity is estimated using correlator results in a narrowband detector to perform precise detection.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 소나 시스템의 송신 시스템에서 FM송신 신호를 발생시키는 과정을 나타낸 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a process of generating an FM transmission signal in a transmission system of a sonar system according to an embodiment of the present invention.
송신 시스템은 탐지 표적의 속도 범위를 설정한 후(S100) 탐지하고자 하는 표적의 대상 속도 구간에서 발생되는 도플러 효과에 따라 변화하는 신호의 변화를 추정한다(S110). 상기 신호의 변화는 표적의 속도에 따른 주파수 이동 및 주파수 변화율를 의미한다. After setting the velocity range of the detection target (S100), the transmission system estimates a change in the signal that changes according to the Doppler effect generated in the target velocity section of the target to be detected (S110). The change in the signal means a frequency shift and a frequency change rate according to the speed of the target.
이어서 송신 시스템은 수신 시스템으로부터 수신되기를 바라는 신호(기준 LFM신호)에 상기 추정한 신호 변화를 역으로 적용시켜 송신신호 즉, LFM신호를 생성한 후(S120) 해당 송신신호를 표적으로 송출한다(S130). Then, the transmission system applies the estimated signal variation to the signal (reference LFM signal) desired to be received from the reception system to generate a transmission signal, that is, an LFM signal (S120), and transmits the transmission signal as a target (S130 ).
따라서, 해당 속도 구간의 표적에 의해 반사되어 수신된 신호는 신호 변화가 일정하게 유지되는 원하는 형태의 신호가 된다. 즉, 상기 표적에서 반사되어 수신되는 FM수신신호는 표적의 속도에 의한 신호변화와 상쇄되어 FM 송신신호와 동일한 형태가 된다. Therefore, the signal reflected and received by the target of the velocity section becomes a desired signal whose signal variation is kept constant. That is, the FM received signal reflected from the target is canceled with the signal change due to the speed of the target and becomes the same form as the FM transmitted signal.
이렇게 송신신호를 조절하여 표적에서 반사되어 온 수신신호가 일정한 형태가 된다면, 소나 시스템에서 표적을 탐지하는 수신시스템의 구현 복잡도를 줄일 수 있다. 예로 도 6과 같이 다수의 협대역 LFM 탐지기로 구성되는 광대역 LFM 탐지기를, 송신하는 LFM 신호를 조절하여 수신되는 LFM 신호의 주파수 이동과 변화율을 일정하게 유지시키면, 도 4와 같이 하나의 협대역 LFM 탐지기를 이용하여 표적 탐지가 가능하기 때문에 소나 시스템의 구현 복잡도를 줄일 수 있게 된다. If the received signal reflected from the target becomes a certain shape by adjusting the transmission signal, the complexity of the receiving system for detecting the target in the sonar system can be reduced. For example, as shown in FIG. 6, when a broadband LFM detector composed of a plurality of narrow band LFM detectors is controlled to maintain a frequency shift and a rate of change of a received LFM signal by adjusting an LFM signal to be transmitted, Since the target can be detected using the detector, the complexity of the sonar system can be reduced.
상술한 바와같이, 기존의 FM신호를 송신하여 표적을 탐지하는 소나 시스템에서는 표적의 속도 변화 범위가 큰 경우에서 정밀한 표적 탐지를 수행하기 위해서 많은 수의 상관기가 요구되며, 이는 소나 시스템의 수신시스템에 대한 구현 복잡도를 증가시키는 원인이 된다. As described above, in a sonar system that detects a target by transmitting an existing FM signal, a large number of correlators are required in order to perform accurate target detection in a case where the speed range of the target is large, Which increases the complexity of implementation.
따라서 본 발명은 탐지하고자 하는 표적 속도에 따른 신호 변화를 추정하여 역으로 적용시킨 신호를 송신함으로써 송신한 신호가 표적에 의해 반사되어 수신되는 신호의 형태를 일정하게 유지한다. 그 결과 본 발명을 적용할 경우 소나 시스템은 항상 일정한 형태의 신호만을 이용하여 탐지하기 때문에 적은 수의 상관기로 수신 시스템을 구현할 수 있어 수신 시스템의 구현 복잡도를 줄일 수 있다. Therefore, the present invention estimates a signal change according to a target speed to be detected and transmits a signal applied inversely so that the transmitted signal is reflected by the target, and the shape of the received signal is constantly maintained. As a result, when the present invention is applied, since the sonar system always detects only a certain type of signal, it is possible to implement the receiving system with a small number of correlators, thereby reducing the complexity of the receiving system.
상기와 같이 설명된 본 발명에 따른 상기 설명된 소나 시스템 및 그의 표적 탐지방법은 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. The above-described sonar system and its target detection method according to the present invention described above can be applied to a configuration and a method of the embodiments of the present invention without limiting the technical ideas or essential features It will be understood that the invention can be practiced in a specific form. Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive.
10 : 정합필터, LAM정합 필터 20 : 탐지기10: Matched filter, LAM matched filter 20: Detector
Claims (8)
탐지 표적의 속도 범위를 설정하는 단계;
설정된 속도 범위에서 표적에 의해 발생되는 신호 변화를 추정하는 단계;
추정된 신호 변화를 기준 주파수변조(FM신)호에 역으로 적용하여 FM송신신호를 생성하는 단계; 및
생성된 FM송신신호를 표적으로 송출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소나 시스템의 표적 탐지 방법.In a target detection method in an environment in which the target speed is not known,
Setting a speed range of the detection target;
Estimating a signal change caused by the target in a set speed range;
Applying the estimated signal variation back to the reference frequency modulation (FM) signal to generate an FM transmission signal; And
And transmitting the generated FM transmission signal as a target.
선형 주파수변조(LFM : linear frequency modulation) 신호인 것을 특징으로 하는 소나 시스템의 표적 탐지 방법.2. The method of claim 1,
Wherein the signal is a linear frequency modulation (LFM) signal.
표적의 속도에 따른 주파수 이동 및 주파수 변화율을 포함하는 것을 특징으로 하는 소나 시스템의 표적 탐지 방법. The method of claim 1, wherein the signal change caused by the target
And a frequency shift rate and a frequency change rate depending on the speed of the target.
탐지하고자 하는 표적의 속도에 따른 주파수 변조(FM)신호 왜곡을 추정한 후 추정된 왜곡을 기준 FM신호에 역으로 적용하여 FM송신신호를 송신하는 송신 시스템; 및
하나의 협대역 FM 탐지기로 구성되어, 상기 FM송신신호가 표적에서 반사되어 수신되는 FM수신신호로부터 표적을 탐지하는 수신 시스템;으로 구성된 소나 시스템.A sonar system for detecting a target in an environment of unknown target velocity,
A transmission system for estimating a frequency modulation (FM) signal distortion according to a speed of a target to be detected and then applying an estimated distortion to a reference FM signal to transmit an FM transmission signal; And
And a receiving system configured with one narrow-band FM detector to detect a target from the FM received signal, wherein the FM transmitting signal is reflected from a target and received.
LFM(linear frequency modulation) 신호인 것을 특징으로 하는 소나 시스템.6. The method of claim 5, wherein the FM transmit signal
Wherein the signal is a linear frequency modulation (LFM) signal.
표적의 속도에 따른 주파수 이동 및 주파수 변화율을 포함하는 것을 특징으로 하는 소나 시스템. 6. The method of claim 5, wherein the FM signal distortion is
And a frequency change rate according to the speed of the target.
표적의 속도에 의한 FM신호 왜곡이 상쇄되어 주파수 이동과 변화율이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 소나 시스템.2. The method of claim 1,
And the FM signal distortion due to the speed of the target is canceled, so that the frequency shift and the rate of change are kept constant.
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190026279A (en) * | 2017-09-04 | 2019-03-13 | 국방과학연구소 | Underwater Near Object Detection Method using Circular Sensor Array |
| CN110109087A (en) * | 2019-05-07 | 2019-08-09 | 中国科学院声学研究所 | A kind of irregular investigative range display methods of sonar and system |
| KR20190135826A (en) * | 2018-05-29 | 2019-12-09 | 국방과학연구소 | Method for estimating a chirp rate of a linear frequency modulation signal and apparatus therefor |
| KR20220124525A (en) * | 2021-03-03 | 2022-09-14 | 엘아이지넥스원 주식회사 | Method and Apparatus for Recognizing for High Threat Targets |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101106047B1 (en) * | 2009-10-28 | 2012-01-18 | 국방과학연구소 | Method for estimating target range error and sonar system thereof |
| KR101333870B1 (en) * | 2010-02-22 | 2013-11-27 | 아틀라스 엘렉트로닉 게엠베하 | Method and apparatus for identifying changes of course and/or changes of speed for a destination |
| KR101091646B1 (en) * | 2010-10-15 | 2011-12-08 | 한국해양연구원 | Sonar and sonar driving method |
| KR101119400B1 (en) * | 2011-07-12 | 2012-03-16 | 김진호 | Survey system and method for ocean topography, and active sonar apparatus |
-
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190026279A (en) * | 2017-09-04 | 2019-03-13 | 국방과학연구소 | Underwater Near Object Detection Method using Circular Sensor Array |
| KR20190135826A (en) * | 2018-05-29 | 2019-12-09 | 국방과학연구소 | Method for estimating a chirp rate of a linear frequency modulation signal and apparatus therefor |
| CN110109087A (en) * | 2019-05-07 | 2019-08-09 | 中国科学院声学研究所 | A kind of irregular investigative range display methods of sonar and system |
| KR20220124525A (en) * | 2021-03-03 | 2022-09-14 | 엘아이지넥스원 주식회사 | Method and Apparatus for Recognizing for High Threat Targets |
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