KR20150109969A - 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치에 관한 것으로 선박용 레이더(Vessel Radar)에서 Microwave 전파를 방사하고 표적에 반사되어 되돌아오는 수신신호 중에 근거리 해면반사(Sea Clutter) 신호들을 제거하고 동일 지역에 존재하는 표적을 검출할 수 있는 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 근거리 해면반사 신호를 제거하고 동일 지역에 존재하는 표적을 검출할 수 있기 때문에 해변반사로 인해 발생할 수 있는 선박 충돌 사고를 미연에 방지할 수 있는 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치를 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치는 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치에 있어서, 상기 해면반사 신호의 크기를 검출하는 해면반사 크기검출부와, 상기 해면반사 크기검출부에 검출한 상기 해면 반사 신호를 미리 결정된 기준으로 분석하는 해면반사 신호분석부와, 상기 분석된 해면반사 신호를 저장하는 분석신호 저장장치부를 포함하는 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치를.포함한다.

Description

선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치{Short Range Sea Clutter Rejection Apparatus of Vessel Radar}

본 발명은 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치에 관한 것으로 선박용 레이더(Vessel Radar)에서 Microwave 전파를 방사하고 표적에 반사되어 되돌아오는 수신신호 중에 근거리 해면반사(Sea Clutter) 신호들을 제거하고 동일 지역에 존재하는 표적을 검출할 수 있는 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치에 관한 것이다.

선박용 레이더는 Microwave 전파를 방사하고 표적에 반사되어 되돌아오는 신호를 검출하여 선박과 표적사이의 거리와 방위(방향)정보를 측정할 수 있는 시스템이다. 선박용 레이더를 운용하는 해수면의 특성은 풍향과 풍속의 영향으로 파도가 발생하기 때문에 표적을 검출하는데 있어 해면반사의 영향을 가장 많이 받는다.

이와 같은 해면반사는 선박의 인근주변에서 가장 많이 발생한다. 그 이유는 레이더 전파가 해수면에 방사될 때 가장 인접한 해면의 반사파가 먼저 되돌아와 수신되기 때문이다. 또한 전파의 도달거리가 짧기 때문에 레이더 수신신호의 크기가 매우 큰 것이 특징이다.

레이더 PPI(Plan Position Indicator) 화면에 나타나는 선박 주변의 해변반사 신호는 신호세기가 매우 크고 불규칙(Random)하게 발생하며 타원의 형태로 나타난다. 따라서 해면반사가 발생하는 지역에 고정 및 이동표적이 존재하는 경우, 근거리에 존재하는 표적을 검출하기가 매우 어렵다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 기존 선박용 레이더에서는 탐지거리에 따라 이득을 가변 시킬 수 있는 STC(Sensitivity Time Control) 기법을 적용하여 수신 신호의 세기를 조절하여 근거리 해변반사 신호를 PPI 화면에서 억제하거나 제거했다.

그러나 근거리 해면반사 신호가 존재하는 지역에 고정 또는 이동표적이 함께 존재하는 경우, 기존 STC 기법을 적용하면 표적의 신호세기도 함께 감소되기 때문에 표적을 검출하지 못하는 문제점이 있다.

이에 수신신호의 크기를 측정하여 자동으로 STC 기법을 적용하는 방법, 선박용 레이더의 방위별로 STC 기법의 이득을 가변 시키는 방법들이 제시되었지만 모두 이득만을 가변시키는 방법들로만 국한되어 있다.

따라서 위와 같은 방법들은 해변반사가 발생되는 근거리 지역에 표적이 동시에 존재하는 경우, 효율적으로 해변반사를 제거하고 근거리 표적을 검출하지 못하는 문제점이 여전히 존재한다.

따라서, 본 발명의 목적은 근거리 해면반사 신호를 제거하고 동일 지역에 존재하는 표적을 검출할 수 있기 때문에 해변반사로 인해 발생할 수 있는 선박 충돌 사고를 미연에 방지할 수 있는 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 기존 STC 기법들의 한계로 인한 문제점들을 해결 할 수 있으며 선박용 레이더의 PPI 전시화면에 최적의 표적 영상정보를 제공할 수 있는 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치를 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치는 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치에 있어서, 상기 해면반사 신호의 크기를 검출하는 해면반사 크기검출부와, 상기 해면반사 크기검출부에 검출한 상기 해면 반사 신호를 미리 결정된 기준으로 분석하는 해면반사 신호분석부와, 상기 분석된 해면반사 신호를 저장하는 분석신호 저장장치부를 포함하는 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치를.포함한다.

본 발명에서 제시하는 장치와 방법을 적용하면 근거리 해면반사 신호를 제거하고 동일 지역에 존재하는 표적을 검출할 수 있기 때문에 해변반사로 인해 발생할 수 있는 선박 충돌 사고를 미연에 방지할 수 있다.

또한 기존 STC 기법들의 한계로 인한 문제점들을 해결 할 수 있으며 선박용 레이더의 PPI 전시화면에 최적의 표적 영상정보를 제공할 수 있다.

선박 주변에 발생하는 해면반사는 근거리 표적 검출에 있어 음영지역이 될 수 있다. 이에 본 발명의 장치와 방법을 적용하면 이와 같은 레이더 탐지 음영지역을 해결 할 수 있다.

본 발명에서 제시하는 장치와 방법은 해면반사 뿐만 아니라 우설반사, 강수반사 등과 같이 Doppler 주파수 특성이 Random 한 Clutter 들에 대해 확장하여 적용이 가능하며 이렇게 활용하게 되면 선박용 레이더의 표적 검출 정확도를 크게 향상 시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 선방용 레이더 시스템의 구성도,
도 2는 AGC 기능을 나타내는 개념도,
도 3a 및 도 3b은 2D 데이터 메트릭스 구조도,
도 4는 근거리 해면반사 영역 검출 방법의 개념도
도 5a 및 도 5b는 STFT 신호분석의 개념도,
도 6은 Scan to Scan Smoothing 처리 구성도,
도 7은 근거리 표적검출방법의 개념도.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명에서는 기존 STC 기법을 사용하지 않고 디지털 신호처리 기법을 이용하여 근거리 해면반사 신호를 제거하고 동일 지역에 존재하는 표적을 검출 할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공한다.

선박용 레이더는 Pulsed Doppler Radar 방식의 레이더 구조를 적용하고 있으며 안테나를 회전시켜 360도 방위에 대한 표적의 거리 정보를 검출한다. 본 발명의 아날로그 장치의 구성은 레이더 파형(Waveform)을 발생 시키는 신호 발생 부, 전파를 이용하여 레이더 파형을 전송하고 수신하는 하는 송수신부, 전파를 방사하기 위한 안테나부로 구성된다.

본 발명의 디지털 장치의 구성은 ADC(Analog Digital Convertor)의 입력 Dynamic Range를 맞추기 위한 AGC(Automatic Gain Control), ADC 변환 부, 디지털 데이터를 저장할 수 있는 메모리 부, 디지털 신호처리를 위한 신호처리부로 구성된다.

근거리 해면반사 신호를 제거하는 디지털 신호처리를 위해 각 방위별로 수신되는 레이더 펄스 신호를 Dwell Time 시간동안 메모리에 저장하고 저장된 데이터를 Fast Time 축과 Slow Time 축으로 구별 할 수 있게 2D 메모리를 구성하는 것을 특징으로 한다.

각 방위별 모든 거리에 대해 해면반사가 발생하는 것이 아니므로 2D 메모리에 저장된 데이터 중에 Fast Time 축의 데이터의 Power를 측정하여 특정 Threshold 범위 내에 있는 2D 데이터에 대해서만 해면반사 제거 신호처리용 데이터로 활용하는 것을 특징으로 한다.

2D 신호처리용 데이터에서 Fast Time 축 각각의 Range Bin에 대해 STFT(Short Time Fourier Transform)을 수행하여 근거리 해면반사 신호와 근거리 표적신호에 대한 Doppler 신호 특성을 파악하는 것을 특징으로 한다.

위와 같은 STFT 신호처리를 수행하게 되면 해면반사 신호는 시간에 따라 Doppler 주파수가 Random 하게 발생하는 특징이 있고 고정 또는 이동 표적의 경우는 시간에 따라 일정한 Doppler 주파수를 갖는 특징이 있다.

STFT 수행된 데이터는 Scan to Scan Smoothing 기법을 적용하면 Random 한 특성의 해면반사의 Doppler 성분은 제거되고 근거리 고정 및 이동표적의 Doppler 주파수 성분만 얻을 수 있다.

위와 같이 일정한 Doppler 주파수가 존재하는 Range Bin은 표적이 존재하는 위치(거리)를 나타내므로 PPI 화면에 해당 방위와 거리 정보를 전시하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 방법을 모든 방위로 수신되는 신호에 대해 수행하면 선박 주변에 발생하는 근거리 해변반사를 효율적으로 제거할 수 있고 동일 지역에 존재하는 표적도 검출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 선박용 레이더 시스템의 구성도이다.

도 1의 선박용 레이더 시스템은 레이더 파형발생 부, RF 송신 부, 안테나 부, Circulator, 안테나 부, RF 수신 부, AGC로 구성된다.

본 발명의 디지털 신호처리 장치 구성은 ADC, 2D 메모리 저장장치 부, 해면반사 크기검출 부, 해면반사 신호분석 부, 분석신호 저장장치 부, 해면반사 신호제거 부, 근거리 표적검출 부, PPI 화면 출력부로 구성된 것이 특징이다.

도 2는 AGC 기능을 나타내는 개념도이다.

도 3a 및 도 3b은 2D 데이터 메트릭스 구조도 (구성도 : 2D 메모리 저장장치 부)이다. 도 3a는 선박용 레이더 PPI 화면(왼쪽)과 레이더 송수신 신호(오른쪽)이고, 도 3b는 2D (Fast Time & Slow Time) Data Matrix 구조도이다.

도 2a의 왼쪽 그림은 선박용 레이더에서 많이 사용되고 있는 PPI Scope 표적전시기로 360도 방위각에 대한 거리(Range) 정보를 Display 하여 선박을 중심으로 표적의 위치정보를 알려준다.

Dwell Time은 특정 방위에 대한 모든 수신펄스 신호를 포함하는 시간을 의미한다. 이와 같은 Dwell Time 구간의 수신신호를 2D 데이터 메모리에 저장하여 디지털 신호처리를 수행하면 근거리 해면반사 신호를 제거할 수 있고 근거리 표적을 검출할 수 있다.

도 3b에서 Fast Time은 ADC Sampling Time을 의미하고 Slow Time은 PRI(Pulse Repetition Interval)을 의미한다. 이와 같이 특정 방위에 대해 레이더 수신신호를 Fast 및 Slow Time 축 2D 데이터로 구분할 수 있으며 모든 방위를 고려한 경우는 그림 (b)의 오른쪽과 같이 데이터 큐브 형태로 구성된다.

도 4는 근거리 해면반사 영역 검출 방법의 개념도이다.

도 4에서 왼쪽 PPI Scope 그림과 같이 해면반사 신호는 모든 레이더 탐지거리 상에 발생하는 것이 아니라 선박과 인접한 부분에서 주로 발생하므로 수신신호 데이터(Fast Time 축 데이터) 중에 근거리 해면반사가 발생하는 영역의 수신 데이터 만 2D 데이터 메모리에 저장한다.

이때 각 수신 펄스 신호의 Range Bin에 대해 Power를 각각 측정하고 특정 Threshold Level과 비교하여 근거리 해면반사가 발생하는 거리영역을 결정한다. 모든 방위에 대해 이와 같은 방법을 적용하여 근거리 해면반사 영역을 검출한다. Power 측정값의 정확도를 위해 측정된 Power값들을 Slow Time 축으로 Moving Average를 수행하여 잡음에 의한 영향을 최소화 시킨다.

도 5a 및 도 5b는 STFT 신호분석의 개념도이다.

도 5a는 Slow Time 축 전체 데이터에 대한 FFT 수행결과이고, 도 5b는 Slow Time 축 데이터에 STFT 수행결과 (특정 Range Bin에 대해 수행)이다.

도 5a와 같이 Slow Time 축 데이터를 전부 FFT(Fast Fourier Transform)을 수행하는 경우, 근거리 해면반사 신호와 표적신호가 함께 섞여 있어 상호간에 구별하기 어렵다.

그러나 도 5b와 같이 특정 Range Bin에 해당하는 Slow Time 축 데이터를 STFT(Short Time Fourier Transform)을 수행하는 경우, 근거리 해면반사 신호와 고정표적, 이동표적을 각각 구분할 수 있다.

STFT 특성을 살펴보면 해면반사 신호는 Random 한 Doppler 주파수 특성이 있고 고정표적의 경우 Zero Doppler, 이동표적의 경우 이동속도에 대한 Doppler 주파수 특성을 나타내는 것이 특징이다.

도 6은 Scan to Scan Smoothing 처리 구성도

각 방위에 대한 CPI Data Matrix에 대해 각 Range Bin 별로 STFT 기법을 수행하고 위 그림과 같이 Scan to Scan Smoothing (=Averaging) 기법을 적용한다. 근거리 해면반사 신호의 Doppler 주파수가 Scan to Scan 사이에 서로 독립적이고 Random 한 특성을 갖기 때문에 Smoothing 기법을 통해 제거된다.

근거리 표적신호의 경우는 Scan to Scan 사이에 Doppler 주파수 특성이 유사하므로 Smoothing 기법을 적용해도 제거되지 않는다. Scan to Scan Smoothing 기법이외에도 Scan to Scan Correlation 기법을 적용하여 Doppler 주파수의 상관도를 비교하면 근거리 해면반사 신호의 무상관 특성으로 제거할 수 있다.

선박용 레이더는 안테나를 회전 하면서 운용되기 때문에 Scan to Scan Smoothing / Correlation 방식을 적용하기 용이하고 Scan 수가 반복될수록 성능이 개선되는 특징을 갖는다.

도 7은 근거리 표적검출 방법의 구성도이다.

근거리 표적이 존재하지 않는 특정 Range Bin의 STFT 분석 데이터를 이용하여 Scan to Scan Smoothing / Correlation 기법을 적용하면 근거리 표적이 존재하는 Range Bin의 해면반사 신호를 제거할 수 있다.

근거리 해면반사 신호가 제거된 특정 Range Bin의 Doppler 주파수 특성을 분석하여 표적을 검출하고 표적의 속도 및 크기를 PPI Scope 상에 전시한다. 이와 같은 방식으로 모든 방위각도에 대해 처리하면 기존 STC 기법의 문제점을 해결할 수 있다.

Time Doppler Domain에서 고정 및 이동 표적을 검출(Detection) 하는 방안은 2D CFAR(Constant False Alarm Rate), 2D Masking Detector 기법들을 적용할 수 있다. 본 발명의 장치와 방법들을 이용하면 기존 STC 기법을 적용하지 않고도 근거리 해면반사 신호를 제거와 표적 검출을 동시에 할 수 있다.

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

Claims (1)

1. 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치에 있어서,
   상기 해면반사 신호의 크기를 검출하는 해면반사 크기검출부와,
   상기 해면반사 크기검출부에 검출한 상기 해면 반사 신호를 미리 결정된 기준으로 분석하는 해면반사 신호분석부와,
   상기 분석된 해면반사 신호를 저장하는 분석신호 저장장치부를 포함하는 선박용 레이더의 근거리 해면반사 제거 장치.
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