KR20170000835A - FMCW proximity fuse and Shell height detecting methods that prevent shell from wrong explosion - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a fuse with an FMCW proximity sensor and a method to detect the shell altitude using the same. The present invention relates to an intelligent technology for detecting the shell altitude, which can effectively deal with an error in detection by a proximity sensor, and performs the following method to detect the altitude based on a proximity sensor antenna (14) with the FMCW method, which has an antenna placement and fixation structure which is proper for the flight characteristics of a shell and the structure of a fuse, and a signal processor unit (17). The method of the present invention comprises: a step of performing fast Fourier transform (FFT) on x(n), which is N pieces of time area sampling data among IF signals with Doppler effects removed, into X(k), which is input data of one channel of the real part of a frequency area, to perform FFT of the X(k), to obtain the absolute value, and to obtain the spectrum waveform; a step of saving the maximum peak value of each section among the spectrum waveform, which has no fire altitude signal for a certain unit time in the spectrum waveform, as the threshold; and a step of comparing the current spectrum waveform, which is being calculated, and the threshold to determine the maximum peak value, which is the threshold or higher, as the effective beat frequency value at the time point, and to convert it into an effective altitude value. Here, the method can obtain a filtered effective altitude by further applying the Kalman filter for removing the noise. Accordingly, the present invention can realize a small-sized, lightweight, intelligent FMCW proximity sensor which can be mounted on a variety of projectiles, and can provide a high-performance proximity explosive shell which prevents a mistaken fire due to a momentary inflow of a detection signal in a variety of battlefield environments both on the ground and at sea.

Description

포탄의 오폭이 방지되는 FMCW근접센서 탑재신관 및 이를 이용한 포탄고도 탐지방법{FMCW proximity fuse and Shell height detecting methods that prevent shell from wrong explosion}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for detecting a height of a shell using an FMCW proximity sensor,

이 발명은 목표지점 상공의 일정 고도에서 폭발하도록 설계된 포탄의 신관에서 포탄 비행 중에 언제 발생될지 모르는 근접센서의 탐지 오류에 효과적으로 대처할 수 있도록 구성한 지능적인 포탄 고도탐지 기술에 관한 것이다.This invention relates to intelligent cannon altitude detection techniques that are configured to effectively respond to detection errors of proximity sensors that may occur at times in the flight of a cannon in a shell of a shell designed to explode at a certain altitude above a target point.

FMCW(주파수변조 연속파) 송수신 방식을 이용한 근접센서는 안테나로부터 송출된 전파와 지형지물에 반사되어 수신되는 전파의 주파수 차이를 측정하여 센서와 반사물체 사이의 상대 거리와 상대 속도를 측정할 수 있는 장비로서 장애물 감지기나 속도계 등 다양한 용도로 널리 이용되는 장비이다.Proximity sensor using FMCW (frequency modulated continuous wave) transmission / reception method can measure the relative distance between the sensor and the reflective object by measuring the frequency difference between the radio waves radiated from the antenna and the reflected wave from the feature It is widely used for various purposes such as obstacle detectors and speedometers.

FMCW 근접센서는 단일 안테나를 송수신에 활용하는 간단한 구성일 경우에 목표물의 방위각 측정은 어렵지만 목표물과의 거리 측정에는 비교적 우수한 정확도를 보여주며 수~수십 GHz 대역의 마이크로파를 사용할 경우에 안테나의 크기를 비롯하여 전체 장치의 소형, 경량 및 저전력화가 가능하고 내구성도 뛰어나기 때문에 포탄 신관에 탑재되는 소형의 근접센서로도 적극 활용되고 있다.FMCW proximity sensor is difficult to measure the azimuth angle of the target in case of a simple configuration that uses a single antenna for transmission and reception but shows relatively good accuracy in measuring the distance from the target. When using a microwave of several to several tens of GHz, Since the whole device can be made compact, lightweight, and low in power and has excellent durability, it is also actively utilized as a small proximity sensor mounted on a shell tube.

상술한 근접센서를 탑재하여 구성되는 근접신관(proximity fuse)은 적진의 광역제압을 위한 집속탄(cluster bomb)이나 항공기 요격용 대공포탄, 해상의 파도 위를 낮은 직사탄도로 비행하는 함포탄, 그리고 관통효과보다는 산탄효과를 의도하는 모든 종류의 소구경 파열탄 등 많은 종류의 공중 폭발탄에서 포탄의 기폭용으로 사용될 수 있다.The proximity fuse, which is equipped with the above-described proximity sensor, includes a cluster bomb for heavy suppression of the enemy, an aircraft interceptor for the aircraft interceptor, a hammer shell for flying the low direct trajectory on the sea surface, It can be used to detonate the shells of many types of aerial explosives, such as small-caliber ruptures, of all kinds intended to effect shots rather than penetration effects.

신관에 탑재된 근접센서는 폭발고도 탐지용, 또는 적 함선과 같은 대형 목표물 탐지 역할을 수행하며 보통은 포 발사 전 입력된 설정고도와 탄착점 근처에서 탐지되는 고도가 일치하는 조건에서 기폭신호를 발생시켜 포탄을 폭발시킨다.The proximity sensor mounted on the new pipe serves as a large target detection such as an explosion altitude detection or enemy ship, and usually generates an aerial signal under the condition that the altitude of the pre-injection set altitude matches the altitude detected near the impact point Explode the shell.

이때 근접신관이 반응하는 폭발고도란 해수면으로부터의 절대고도가 아닌 센서안테나와 전파를 반사시킨 지형지물과의 상대적 거리를 의미하며, 탐지한 상대 거리값이 설정된 폭발 고도값을 만족하는지의 여부만을 따질 뿐 탐지물체의 정체나 방위각, 상대속도 정보는 보통 무시된다.At this time, the explosion altitude at which the near fuse responds is the relative distance between the sensor antenna and the feature reflecting the radio wave, not the absolute altitude from the sea level. Only the detection of the relative distance value satisfies the set explosion altitude value The identity, azimuth, and relative velocity information of the detected object are usually ignored.

이는 달리 말하면 비행경로 상에 예기치 못한 장애물이 불쑥 나타날 경우에 근접센서가 이를 지형지물로 인식하여 잘못된 탐지신호를 송출할 수 있고 결과적으로 신관이 임무목적에 반하여 오작동될 수 있음을 의미한다.In other words, when an unexpected obstacle appears on the flight path, the proximity sensor recognizes the obstacle as a feature and sends out a false detection signal, which means that the fuse may malfunction against the mission purpose.

최근에는 높은 고도에서 하강 활공하면서 저고도에서 장거리를 유도 비행하는 사거리 연장탄(주로 공중폭발형 집속탄 형태)도 개발 중에 있어 탑재되는 근접센서의 오작동 위험은 점차 커지고 있다. In recent years, there is a risk of malfunction of the proximity sensor that is mounted in the development of a range extension gun (mainly an air explosion type cluster shot) that descends at a high altitude and induces a long distance at a low altitude.

그러므로 공중 폭발탄이 목표로 하는 임무를 완벽히 수행하도록 하기 위해서는 포 발사 전 신관의 장입 과정에서 단지 목표지점 상공의 폭발고도를 단순 획일적으로 설정하기 보다는 폭발지점까지의 탄도와 폭발지점 근처의 지형, 그리고 비행 중에 만날 수 있는 모든 종류의 고정 및 이동 장애물(절벽, 계곡, 파도, 대형함선, 비행기 등)을 사전에 충분히 고려한 폭발고도의 설정이 필요하다.Therefore, in order for the explosive to perform its intended mission perfectly, it is necessary to set the explosion altitude above the target point not only uniformly in the charging process but also the trajectory to the explosion point, the terrain near the explosion point, (Cliffs, valleys, waves, large vessels, airplanes, etc.) that can be encountered during the course of the attack.

(1) 일본공개특허 특개평8-005300 액티브 근접신관(1) Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-005300 Active proximity fuse (2) 일본공개특허 특개평8-110200 액티브 근접신관(2) Japanese Patent Laid Open No. 8-110200 Active proximity fuse (3) 미국등록특허 US 6,741,202 3차원 합성개구 레이더 운용방법(3) US registered patent US 6,741,202 Three-dimensional synthetic aperture radar operating method (4) 미국등록특허 US 7,453,392 신관기폭을 위한 도플러레이더 시스템 및 방법(4) US registered patent US 7,453,392 Doppler radar system and method for fuzzing (5) 한국등록특허 KR 1239166 FMCW 근접센서(5) Korea registered patent KR 1239166 FMCW proximity sensor

이 발명의 기술 목표는 포탄의 현재 고도를 오류 없이 빠르고 정확하게 탐지할 수 있는 FMCW 신호처리장비와 그 신호처리방법을 구현하는 것이다.The technical object of the present invention is to implement an FMCW signal processing apparatus and signal processing method capable of quickly and accurately detecting the current altitude of a shell without error.

보다 구체적으로, 이 발명의 목적은 포탄이 고속으로 비행하는 상태에서 목표지점 도착 전에 예기치 않은 근접 장애물에 의해 오폭 작동하지 않도록 근접센서에 수신되는 (급변동성의 노이즈가 다수 포함된) 다양한 감지정보를 신뢰도 측정 기반에서 지능적으로 신호 처리할 수 있는 고성능의 포탄용 FMCW 근접센서를 구현하는 것이다.More specifically, it is an object of the present invention to provide various sensing information (including many suddenly varying noises) received by the proximity sensor so as not to cause a false operation by an unexpected proximity obstacle before reaching a target point in a state that the shell is flying at high speed And to implement a high-performance FMCW proximity sensor for intelligent signal processing based on reliability measurement.

이를 위해 먼저 구체적인 작동수단으로서 포탄신관의 몸체, 노즈콘 내부 공간에 배치되는 FMCW 근접센서안테나(14)와 그 아래에 배치되는 FMCW 신호처리부(17)를 기본으로 하는 FMCW 근접센서가 제시된다.To this end, an FMCW proximity sensor based on an FMCW proximity sensor antenna 14 disposed in a body of a cannon tube, an inner space of a nose cone, and an FMCW signal processing unit 17 disposed thereunder is presented as concrete operating means.

상기 FMCW 근접센서안테나(14)는, 포탄의 비행특성과 신관의 구조에 적합한 안테나 배치구조와 견고한 안테나 지지고정 구조 및 효율적인 전파 방사패턴을 가지며 이로부터 유입된 RF신호는 역시 본 발명만의 고유한 처리단계를 수행하는 FMCW 신호처리부(17)에 의해 충분히 신뢰할 수 있는 유효고도값을 기폭신호로 산출한다.The FMCW proximity sensor antenna 14 has an antenna arrangement structure suitable for a flight characteristic of a cannon and a structure of a new pipe, a rigid antenna supporting and fixing structure, and an efficient radio wave radiation pattern, An effective altitude value which is sufficiently reliable by the FMCW signal processing unit 17 performing the processing step is calculated as an aerial signal.

다음으로, 종래 기술과 차별화되는 구체적인 방법적 수단으로서 본 발명의 유효고도 신호는 다음과 같은 처리단계를 거쳐 구해진다.Next, the effective altitude signal of the present invention as a concrete method means differentiating from the conventional art is obtained through the following processing steps.

먼저 비행궤도상에 갑자기 나타나는 지형지물의 영향까지 그대로 반영한 실시간 탐지값을 고속처리가 가능한 디지털 신호형태로 구하는 순간고도 탐지단계는 아래의 제1~제4단계로 이루어진다. 각 단계를 간단히 살펴보면,First, the instantaneous detection step of obtaining the real time detection value reflecting the influence of the feature that suddenly appears on the flight orbit in the form of a digital signal capable of high-speed processing is performed in the following first to fourth steps. If you look briefly at each step,

도플러효과가 제거된 IF신호 중 N개의 시간영역 샘플링 데이터 x(n)을 고속푸리에 변환하여 주파수 영역의 데이터 X(k)로 변환하는 제1단계와,A first step of fast Fourier transforming the N time-domain sampling data x (n) out of the IF signals from which the Doppler effect has been removed and transforming them into frequency domain data X (k)

상기 데이터 X(k)의 스펙트럼 누출을 억제하기 위해 샘플링데이터에 해닝 창함수(Hanning window)를 적용하는 제2단계,A second step of applying a Hanning window function to the sampling data to suppress spectrum leakage of the data X (k)

그리고 해닝 창함수가 적용된 실수부 1채널 데이터 X(k)를 real(실수부) 고속푸리에 변환하고 이로부터 절대값을 계산하여 스펙트럼 파형을 구하는 제3단계 및,A third step of fast Fourier transforming real (real part) real number 1 channel data X (k) to which the Hanning window function is applied, and calculating an absolute value therefrom to obtain a spectral waveform;

위와 같이 구해진 스펙트럼 파형에서 유효한 크기의 비트주파수 신호를 검출하여 이를 순간고도 값으로 환산하는 제4단계를 거치게 된다.A fourth step of detecting a bit frequency signal of a valid size in the spectral waveform obtained as described above and converting it into an instantaneous altitude value.

다음으로 상기와 같이 탐지된 순간고도 값에 유입된 원치 않는 탐지오류정보를 걸러내기 위한 유효고도 탐지단계는 아래의 제5~제7단계로 이루어진다. 각 단계를 간단히 살펴보면,Next, an effective altitude detection step for filtering undesired detection error information that has been input to the detected instantaneous altitude value is performed in the following fifth through seventh steps. If you look briefly at each step,

상기 제3단계에서 구해진 스펙트럼 파형에서 한 블록의 소정의 단위시간(U) 동안 폭발고도를 만족하는 신호가 없었던 스펙트럼 파형 중 구간별 최대 피크값을 그 블록의 문턱값(Threshold)으로 저장하는 제5단계,The fifth step of storing the maximum peak value of each of the spectral waveforms having no signal satisfying the explosion height for a predetermined unit time (U) of one block in the spectral waveform obtained in the third step as a threshold value of the block step,

그리고 상기 제3단계를 통해 산출 중인 현재의 스펙트럼 파형과 상기 제5단계를 통해 구해진 문턱값들을 비교하여 문턱값 이상의 피크값 중 최대값, 즉 최대 피크값을 그 시점의 유효 비트주파수 값으로 정하여 이를 유효고도 값으로 환산하는 제7단계를 거치게 된다.Then, the current spectral waveform being calculated through the third step is compared with the threshold values obtained through the fifth step, and the maximum value, that is, the maximum peak value among the peak values not less than the threshold value, And the seventh step of conversion to the effective altitude value.

이때 상기 최대 피크값에 낙하속도에 따른 고도변화율을 고려하여 결정된 필터계수를 이용한 칼만필터로 필터링하는 제6단계를 상기 제7단계에 앞서 적용할 수 있다.In this case, the sixth step of filtering the maximum peak value by the Kalman filter using the filter coefficient determined in consideration of the altitude change rate according to the falling speed may be applied to the seventh step.

아래에는 상술한 FMCW 근접센서의 기본구성과 FMCW 신호처리단계를 더욱 상세히 뒷받침할 구체적인 내용이 추가된다.In the following, the basic structure of the above-described FMCW proximity sensor and specific details supporting the FMCW signal processing step are further added.

본 발명에 따르면 다양한 포 발사체에 탑재 가능할 만큼 소형 경량화되고 뛰어난 내구성과 신뢰성을 보유한 포탄 고도탐지용 FMCW 근접센서와 그 확장 구성을 구현할 수 있으며, 폭발고도를 만족하는 탐지신호가 없었던 직전 탐지구간의 신호값을 현재 탐지되는 신호값에 의미있게 반영할 수 있다.According to the present invention, it is possible to realize an FMCW proximity sensor for detecting the height of a shell having small durability and reliability, which is small and light enough to be mounted on a variety of guns, and an extended configuration thereof. Value can be reflected meaningfully to the currently detected signal value.

이에 따라 지상과 해상을 모두 포함한 다양한 전장 환경에서 순간적인 센서오류 등으로 비정상적인 감지신호가 유입되어도 이를 효과적으로 걸러낼 수 있으므로 의도치 않은 오폭 작동이 방지되는 고성능의 근접 폭발식 포탄을 제공할 수 있다.Accordingly, it is possible to effectively filter out an abnormal detection signal due to an instantaneous sensor error or the like in various electric field environments including both the ground and the sea, thereby providing a high-performance proximity explosive shell in which unexpected operation of the pentagon is prevented.

도 1a, 1b는 각각 본 발명의 FMCW 근접신관에서 안테나 설치구조를 도시한 분해도와 안테나의 방사(빔)패턴을 전계강도로 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 FMCW 신호처리 방법을 전체적으로 도시한 작업 흐름도.
도 3은 도플러 효과가 있을 때의 FMCW 변조파형과 그것을 제거한 IF신호를 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 IF신호 샘플링 구간 예시.
도 5a는 본 발명에서 사용되는 스펙트럼누출 억제용 해닝 창함수 적용예.
도 5b는 창함수 적용된 샘플링데이터를 실수부 FFT하여 스펙트럼 파형으로 구한 다음, 유효 비트주파수 신호를 검출한 도시예.
도 6은 유효 비트주파수 결정을 위한 문턱값 결정과정을 도시한 그래프.
도 7은 칼만필터를 적용한 필터링 유효고도를 나타낸 그래프.
FIGS. 1A and 1B are an exploded view showing the antenna installation structure in the FMCW proximity fuse of the present invention, respectively, and a graph showing the radiation pattern of the antenna by electric field intensity.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of processing an FMCW signal according to the present invention. FIG.
3 is a graph showing an FMCW modulation waveform when the Doppler effect is present and an IF signal from which the FMCW modulation waveform is removed.
4 illustrates an IF signal sampling interval of the present invention.
5A is an example of application of the Hanning window function for suppressing spectral leakage used in the present invention.
FIG. 5B is a view showing an example where a valid bit frequency signal is detected after sampling data subjected to a window function is subjected to real part FFT to obtain a spectral waveform.
6 is a graph illustrating a threshold value determination process for determining an effective bit frequency.
7 is a graph showing a filtering effective altitude using a Kalman filter.

상술한 본 발명의 과제 해결수단을 구체적으로 뒷받침하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG.

다만 아래에 설명될 실시예에서 특정 전문용어로 표현된 구성요소들과 이들의 결합구조가 본 발명에 포괄적으로 내재된 기술사상을 제한하는 것은 아니다.However, in the embodiments described below, the components expressed in the specific terminology and the combination structure thereof do not limit the technical idea that is included in the present invention in a comprehensive manner.

먼저 도 1은 본 발명의 FMCW 근접신관에서 안테나 설치부분을 상세히 도시한 분해사시도와 그에 따른 안테나 방사패턴을 도시한 그림이다.1 is an exploded perspective view illustrating an antenna installation part of an FMCW proximity fuse of the present invention and an antenna radiation pattern according to the present invention.

FMCW 근접센서 안테나(14: 도면부호 14-n을 모두 포함하는 구성을 말한다)는 보통 신관몸체(10)의 맨 앞쪽에 배치되며 안테나가 지향하는 전방 쪽, 즉 신관몸체의 상단 쪽으로는 전파의 투과가 쉽도록 고분자수지 등 유전율이 낮은 재료로 된 노즈콘(11)이 씌워진다.The FMCW proximity sensor antenna 14 (which includes all of the reference numeral 14-n) is disposed at the forefront of the main body 10 and is disposed on the front side of the main body 10 facing the antenna, that is, The nose cone 11 made of a material having a low dielectric constant such as a polymer resin is covered.

도 1a를 바탕으로 FMCW근접센서의 설치구조를 자세히 살펴본다. The installation structure of the FMCW proximity sensor will be described in detail with reference to FIG. 1A.

노즈콘(11) 내부 공간에는 원판형의 바닥판(13-4)이 배치 고정되고 그 위에 FMCW 근접센서안테나(14)가 설치되며 노즈콘(11) 내부 공간에는 안테나를 포발사 충격으로부터 보호하기 위한 충전재(12: fixing form)가 채워질 수 있다.A disk-shaped bottom plate 13-4 is fixedly disposed in the inner space of the nose cone 11, and an FMCW proximity sensor antenna 14 is disposed on the bottom plate 13-4. A filler A fixing form 12 may be filled.

FMCW 근접센서안테나(14)는, 바닥판(13-4)위에 수직으로 세워지는 사다리꼴 판 형태의 기립판(14-4)과, 상기 기립판(14-4)의 한쪽 표면에 형성되는 근접센서안테나 급전부(14-1)와, 상기 기립판(14-4)의 반대쪽 표면에 형성되는 근접센서안테나 상호결합부(14-2)와, 상기 기립판(12)의 좌우 모서리에 부착되는 2개의 근접센서안테나 폴(14-3)을 포함하여 구성된다.The FMCW proximity sensor antenna 14 includes a standing plate 14-4 in the form of a trapezoidal plate vertically erected on a bottom plate 13-4 and a proximity sensor 14-4 formed on one surface of the standing plate 14-4. The antenna feed part 14-1 and the proximity sensor antenna mutual coupling part 14-2 formed on the opposite surface of the standing plate 14-4 and the antenna 2 attached to the left and right edges of the standing plate 12, And a plurality of proximity sensor antenna pawls 14-3.

수~수십GHz 대역 주파수에서 동작하는 근접센서안테나(14)는 바닥판의 중심점을 관통하여 z축 +방향(도면에서 윗방향)으로 세워지는 기립판(14-4)을 바탕으로 형성된다. 기립판은 위로 갈수록 좁아지는 사다리꼴 판 형태로 되어 위에서 내려다볼 때 텔레메트리안테나 폴(13-2)과 수직이 되도록 세워진다.The proximity sensor antenna 14, which operates at a frequency of several to several tens GHz, is formed on the basis of a standing plate 14-4 that extends in the z-axis + direction (upward in the drawing) through the center point of the bottom plate. The standing plate is formed in a trapezoidal plate shape becoming narrower toward the upper side, and is set to be perpendicular to the telemetry antenna pole 13-2 when viewed from above.

근접센서안테나 급전부(14-1)에 연결되는 근접센서안테나 폴(14-3)은 기립판(12)의 좌우측 모서리에 비스듬한 각도로 부착된다. 상세하게, 근접센서안테나 폴(14-3)은 상기 텔레메트리안테나 폴(13-3)보다 짧은 길이로 형성되어 상기 기립판(14-4)의 좌우 모서리에 파묻힌 형태로 지지 고정될 수 있다.The proximity sensor antenna pawl 14-3 connected to the proximity sensor antenna feed portion 14-1 is attached to the right and left corners of the standing plate 12 at an oblique angle. In detail, the proximity sensor antenna pawls 14-3 may be shorter than the telemetry antenna pawls 13-3 and supported and fixed in the left and right corners of the standing plate 14-4 .

상술한 근접센서안테나의 구조는 개념적으로 보면 mutual coupling 방식의 급전구조와 Micro-strip line구조를 갖추고 노즈콘 공간에 맞추어 꺾여 굽어진 다이폴 안테나임을 알 수 있다.The above-described proximity sensor antenna is conceptually a dipole antenna bent in accordance with the nozzone space, having a mutual coupling type feed structure and a micro-strip line structure.

위 구성에서 2개의 근접센서안테나 폴(14-3)은 상기 기립판(14-4)의 좌우 모서리 경사각도와 동일한 각도로 지지 고정되어 신관 진행방향으로 전방 60도 각도의 범위에서 isotropic 안테나 대비 5dBi의 방사 이득이 확보되도록 구성된다.In the above configuration, the two proximity sensor antenna pawls 14-3 are supported and fixed at the same angle as the right and left corner inclination angles of the standing plate 14-4, so that the distance from the isotropic antenna is 5dBi So that the radiation gain is secured.

상술한 근접센서 안테나 구성은 반드시 신관, 즉 신관으로 구별되는 신관몸체(11)에 한해서만 구성 가능한 것이 아니라, 별도의 착탈식 신관이 아닌 기폭구조를 갖춘 포 발사체에도 노즈콘을 형성하여 구성할 수 있음을 밝혀둔다. 즉 본 발명의 적용범위는 신관에 국한된 것이 아니라 포 발사체에 이르는 확장적 개념으로 적용될 수 있음을 유의한다.The proximity sensor antenna configuration described above can be configured not only by the new pipe body 11 distinguished as the new pipe but also by forming the nozzone in the foam body having the aerial structure other than the detachable fuse pipe Leave. In other words, it should be noted that the scope of application of the present invention is not limited to a fuse, but can be applied to an expanding concept extending to a fusing body.

노즈콘 내부에 원하는 파장대역의 안테나 공간을 확보할 수 있는지는 근접센서용 안테나를 설계함에 있어서 가장 기초적으로 고려되어야 할 문제이지만, 그에 못지않게 일단 설치된 안테나가 급격한 발사충격과 탄체 회전에 따른 접선가속도나 원심력 등을 이겨내고 기폭 직전까지 정상 작동할 수 있도록 완전히 고정 지지되는 것도 중요하다.Whether the antenna space of a desired wavelength band can be ensured in the nosecone is a matter which should be considered as the most basic consideration in designing the antenna for the proximity sensor. However, the antenna once installed has the tangential acceleration due to the sudden impact shock, It is also important that it is fully fixed and supported so that it can overcome the back and work normally until just before the explosion.

도 1b에 구체적으로 도시되어 있듯이 포탄의 전방(비행방향)으로 방사패턴이 형성되는 안테나빔은 근접센서용 안테나빔이며 도면에 도시된 텔레메트리 안테나 폴(13-2)과 상기 폴의 그라운드 역할을 하는 바닥판(13-4) 등 텔레메트리 송신안테나 관련 구성은 관측지점과의 통신을 원활하게 하고 근접센서 안테나(14)를 방해하지 않도록 포탄의 후방(비행반대방향)으로 방사패턴이 형성되어야 한다.As shown in FIG. 1B, an antenna beam having a radiation pattern formed in a forward direction (a flying direction) of the shell is an antenna beam for a proximity sensor, and the telemetry antenna pole 13-2 shown in the figure and the ground A radiation pattern is formed in the back (opposite direction of the flight) of the shell so as to facilitate communication with the observation point and not obstruct the proximity sensor antenna 14 .

바닥판(13-4) 아래에는 FMCW 신호처리부(17)와 상기 FMCW 신호처리부(17)에 의해 산출된 고도탐지신호에 의해 기폭되는 기폭부(18)가 배치되며 이때 FMCW 신호처리부(17)는 아래에 기술하는 고도탐지방법을 수행하도록 전자적으로 프로그래밍된다.Below the bottom plate 13-4 is disposed an ignition part 18 which is detonated by the FMCW signal processing part 17 and the altitude detection signal calculated by the FMCW signal processing part 17, It is electronically programmed to perform the altitude detection method described below.

참고로 z축 방향은 포탄의 비행방향이자 신관몸체의 상방인 것으로, z축의 -방향이라 하면 포탄의 중심축에서 후방을 의미한다. 이에 따라 도 1a의 근접센서 안테나(14)에서 기립판(14-4)은 Y축에 수직한 평면이고 근접센서안테나 폴(14-3)은 X축의 +, - 방향으로 배열되며 도 1b의 방사패턴 측정그래프는 상기 X,Y,Z축 방향 기준에 의해 측정된 것이다. 전체적으로 보면 포탄의 비행방향을 축으로 하여 원뿔각 120°의 범위에서 충분한 FMCW전파의 송출강도가 확보됨을 알 수 있다. 이것은 지면과 약 30°~45°의 각도로 낙하하는 대부분의 야포탄과 해수면에 대해 약 5°~20° 의 각도로 천천히 낙하하는 함포탄을 모두 커버할 수 있는 빔 패턴으로서 지형을 훑기에는 유리하나 박격포탄과 같이 거의 수직으로 떨어지는 포탄을 제외하고는 계곡의 지형이나 해수면의 국지성 파도 등에 의해 반사파의 상대거리(포탄고도) 정보가 순간적으로 크게 변하는 탐지오류(노이즈)도 쉽게 수신할 수 있는 구조이다.For reference, the z-axis direction is the flight direction of the shell and the upper side of the body of the new tube, and the -direction of the z-axis means the rear side of the center axis of the shell. Accordingly, in the proximity sensor antenna 14 of FIG. 1A, the standing plate 14-4 is a plane perpendicular to the Y axis and the proximity sensor antenna pole 14-3 is arranged in the positive and negative directions of the X axis, The pattern measurement graph is measured by the X, Y, and Z axis direction reference. As a whole, it can be seen that the transmission strength of a sufficient FMCW radio wave is secured in the range of the conical angle of 120 ° around the direction of the flight of the shell. This is a beam pattern that can cover all the ammunition falling slowly at an angle of about 5 ° to 20 ° to the sea and most of the night sky falling at an angle of about 30 ° to 45 ° from the ground. (Noise) in which the relative distance (shell altitude) information of the reflected wave changes instantaneously due to the terrain of the valley or the local wave of the sea level, except for the shell which falls almost vertically like glass or mortar shell, Structure.

다음으로 상술한 FMCW 근접센서를 바탕으로 전파를 FMCW방식으로 송수신하여 수신시점에서의 목표물 또는 지형과의 상대고도(이하 편의상 "고도"라 한다)를 탐지하는 포탄고도탐지방법을 설명한다.Next, a method of detecting the altitude of the cannon for transmitting / receiving the radio wave by the FMCW method based on the above-mentioned FMCW proximity sensor and detecting the relative altitude with respect to the target or the terrain at the receiving time (hereinafter referred to as "altitude" for convenience) will be described.

비행궤도상에 갑자기 나타나는 지형지물의 영향까지 그대로 반영한 실시간 탐지값을 고속처리가 가능한 디지털 신호형태로 구하는 순간고도 탐지단계는 아래의 제1~제4단계로 이루어진다. 이 중 기존 근접센서의 신호처리 기술과 공통되는 기본 처리과정은 제1단계이다.The instantaneous detection step of obtaining the real-time detection value reflecting the effect of the feature that suddenly appears on the flight orbit in the form of a digital signal capable of high-speed processing is performed in the following first to fourth steps. The basic process common to the signal processing technology of the existing proximity sensor is the first step.

먼저 RF신호를 원하는 대역폭만큼 선형 주파수변조(FM)하여 연속파(CW)형태로 송신하고, 목표물 또는 지형에서 반사되어 돌아오는 RF신호를 수신한다.First, the RF signal is linearly frequency-modulated (FM) by a desired bandwidth and transmitted in the form of a continuous wave (CW), and the RF signal reflected from the target or the terrain is received.

수신되는 RF신호는 송신에 비해 반사면과의 왕복거리만큼 시간지연이 발생하므로 거리에 비례하는 주파수 차이가 나타나게 된다. 이를 원래의 신호로 복조함으로서 반사면(목표물 또는 지형)과의 거리 정보를 담고 있는 IF신호(intermediate frequency: 중간주파수)를 획득한다.Since the received RF signal has a time delay as compared with the transmission, the frequency difference is proportional to the distance. By acquiring the IF signal (intermediate frequency) containing the distance information from the reflection surface (target or terrain) by demodulating it into the original signal.

상기 과정으로부터 시작하여 고속 데이터 처리 및 구간별 비교를 통한 판단과 노이즈 필터링 등이 유기적으로 결합된 본 발명의 고도탐지방법이 도 2에 전체적으로 도시되었다.The altitude detection method of the present invention, which is a combination of high-speed data processing and comparison based on interval comparison and noise filtering, is illustrated in FIG.

참고로 도 3 내지 도 5의 도시내용은 IF신호를 샘플링과 신호 처리하여 비트주파수(beat frequency:

Figure pat00001
)를 검출하고 이로부터 현재시점에 탐지된 순간고도를 계산하는 과정 까지를 보여준다.3 to 5 illustrate the beat frequency (IF) signal by sampling and signal processing the IF signal,
Figure pat00001
And the process of calculating the instantaneous altitude detected at the present time from this is shown.

즉 도 3~5를 바탕으로 설명되는 고도값은 앞서 설명한 바와 같이 주변의 상황에 따라 발생할 수 있는 고도값의 순간적인 급변화(노이즈)를 걸러내지 않은 순간 고도값이다.That is, as described above, the altitude value described on the basis of FIGS. 3 to 5 is the instantaneous altitude value that does not filter the instantaneous rapid change (noise) of the altitude value that can occur according to the surrounding situation.

도 3은 도플러 효과가 있을 때의 FMCW 변조파형을 나타낸 것이다.3 shows an FMCW modulation waveform when there is a Doppler effect.

기존 근접센서에서 수신된 RF신호는 포탄의 속도, 즉 RF송신레이더와 정지된 지형지물과의 상대속도 차이에 따른 도플러 효과로 인해 주파수의 접근편이가 발생되는데 이를 이용하여 상대속도 정보를 얻을 수 있다. 그러나 본 발명에서는 이 같은 도플러 효과를 의도적으로 제거하여 상대속도 정보가 제거된 IF신호를 구한 다음 이로부터 비트주파수를 검출하여 고도값을 구하는 것이 특징이다.The RF signal received from the existing proximity sensor can be used to obtain the relative speed information by using the Doppler effect due to the difference of the speed of the shell, that is, the relative speed between the RF transmission radar and the stationary feature, . However, in the present invention, the Doppler effect is intentionally removed to obtain the IF signal from which the relative speed information is removed, and then the bit frequency is detected from the IF signal to obtain the altitude value.

도 3을 참조하면 접근할 때는 도플러 주파수가 Fd만큼 상승하고 멀어지는 경우는 Fd만큼 낮아진다. 보통 유도탄 등 각종 유도무기는 레이더센서가 감지하는 주요 정보로서 이 같은 주파수 편이(Frequency deviation)현상 자체를 이용하여 속도 정보로 산출 활용하는 경우가 많다.Referring to FIG. 3, when approaching, the Doppler frequency increases by Fd, and when the Doppler frequency moves away, it becomes lower by Fd. Usually, guided weapons such as guided missiles are important information detected by radar sensors, and they are often used as speed information by using this frequency deviation phenomenon itself.

그러나 본 발명에서와 같이 포탄의 속도 보다 발사 전에 설정된 폭발고도를 정확히 탐지하여 기폭하는 것이 중요한 근접센서에서는 위와 같은 도플러효과(주파수 편이)를 제거(또는 최소화)하는 것이 필요하다.However, as in the present invention, it is necessary to eliminate (or minimize) the Doppler effect (frequency shift) as described above in a proximity sensor in which it is important to accurately detect and fire the explosion altitude set before the launching rather than the speed of the shell.

이때 주파수의 증가 감소가 일정한 선형 FMCW, 즉 주파수 그래프 상에서 톱니형 파로 나타나는 FMCW신호일 경우에 아래와 같은 식을 이용하여 도플러효과를 제거한 비트주파수(

Figure pat00002
: 아래첨자 t는 특정 시간영역에서의 값을 의미)와 고도관계를 구할 수 있다.In this case, when the increase and decrease of the frequency is a constant linear FMCW, that is, an FMCW signal appearing as a sawtooth wave on the frequency graph,
Figure pat00002
: The subscript t means the value in a specific time domain) and an elevation relationship.

Figure pat00003
Figure pat00003

위 식에서 BW는 센서 송신전파의 밴드폭(주파수폭),

Figure pat00004
은 변조폭(주파수변화시간), F_up은 목표물(또는 지형)에 접근할 때의 RF반사신호의 주파수증가, F_dn은 목표물(또는 지형)에서 멀어질 때의 RF반사신호의 주파수감소, C는 전파속도(광속)이며 R은 도 3의 Rx(빨간선)에서 도플러효과가 제거된 비트주파수
Figure pat00005
(점선으로 표시된 IF frequency값)이다.In the above equation, BW is the bandwidth (frequency width) of the sensor transmission wave,
Figure pat00004
F_up is the frequency increase of the RF reflection signal when approaching the target (or terrain), F_dn is the frequency reduction of the RF reflection signal when the target is away from the target (or terrain), C is the propagation (Light flux) and R is the bit frequency at which the Doppler effect is removed from Rx (red line)
Figure pat00005
(The IF frequency value indicated by the dotted line).

Figure pat00006
(비트주파수)값은 도 3 아래에서 점선으로 표시되는 구간의 Y축 값인데 보통 포탄 근접센서에서 송출후 수신되는 반사파는 접근파가 많으므로, 도플러효과가 제거된 비트주파수는 그래프상에서 보통 빨간색 점선의 Y축 값이 된다. 아래의 이산신호변환을 거치지 않을 때는 이 값이 RF신호의 BW값에 대응되는 고도값으로 환산된다.this
Figure pat00006
(Bit frequency) value is the Y-axis value of the section indicated by a dotted line in FIG. 3, and since the reflected wave received after being transmitted from the shell proximity sensor has many approach waves, the bit frequency from which the Doppler effect is removed is represented by a normal red dotted line Axis direction. When the following discrete signal conversion is not performed, this value is converted into an altitude value corresponding to the BW value of the RF signal.

참고로 상기 R값을 구하기 위해서는 먼저 IF신호를 효과적으로 샘플링하는 구간을 정할 필요가 있다.For reference, in order to obtain the R value, it is necessary to first determine a section for effectively sampling the IF signal.

도 4는 도플러효과가 제거된 IF신호를 샘플링하기 위한 효과적인 샘플링 구간을 참고로 예시한 것이다.(도면은 주파수 그래프상 톱니파는 아니므로 샘플링 구간을 참고만 한다.) 본 발명에서 IF신호는 주파수의 상승과 하강 구간에서 선형 변화가 이루어지지 않는 상승/하강 시작부분과 끝부분의 일부구간을 제외하고 나머지 선형적인 구간에서 샘플링이 이루어진다.4 illustrates an effective sampling interval for sampling an IF signal from which a Doppler effect has been removed. (The sampling period is not referred to as a sawtooth wave in the figure.) In the present invention, Sampling is performed in the remaining linear sections except for the beginning and end of the rising / falling section where the linear change is not made in the rising and falling sections.

통상의 주파수변조는 변조구간의 상승 하강이 선형으로 계속 반복되는 톱니형 변조구간을 바탕으로 이루어진다. 본 발명에서도 도 4와 같이 평탄구간이 없는 선형 상승/하강 주파수변조방식을 채택한다. 따라서 상승구간 시간과 하강구간 시간은 각각 변조주기의 절반인

Figure pat00007
/2이고 이에 따라 샘플링 주파수 및 포인트를 결정할 수 있다.Typical frequency modulation is based on a sawtooth modulation period in which the rising and falling of the modulation period is repeated linearly and continuously. Also in the present invention, a linear rising / falling frequency modulation method having no flat section is adopted as shown in FIG. Therefore, the rising section time and the falling section time are half of the modulation period
Figure pat00007
/ 2 and thus the sampling frequency and the point can be determined.

다음으로, 샘플링된 IF신호로부터 비트주파수를 효과적으로 검출하기 위하여 디지털신호처리에서 유용하게 사용되는 FFT(고속푸리에변환) 과정을 수행하여 시간영역 개념의 IF샘플링 데이터를 주파수영역 개념의 실수데이터, 즉 이산시간신호인 X(k)로 변환한다.Next, in order to effectively detect the bit frequency from the sampled IF signal, an FFT (Fast Fourier Transform) process, which is useful in digital signal processing, is performed to convert the IF sampling data of the time domain concept into real data of the frequency domain concept, Into a time signal X (k).

주지하는 바와 같이 연속시간 신호인 IF신호를 변조폭(표본화주기)

Figure pat00008
의 간격으로 표본화 한 신호가 이산시간신호 X(k)이며 이를 위해 이산푸리에변환이 필요하다. 본 발명에서는 신관의 신호처리부(17)가 이를 빠르게 실행하기 위해 고속푸리에 변환으로 수행한다. 여기까지의 처리과정은 전형적인 디지털 신호처리의 단계라 할 수 있으며 본 발명에서는 제1단계에 해당한다.As is known, the IF signal, which is a continuous-time signal, is converted into a modulation width (sampling period)
Figure pat00008
And the discrete Fourier transform is necessary for this. In the present invention, the signal processing unit 17 of the new pipe performs fast Fourier transform to perform it quickly. The process up to this point is a typical digital signal processing step, and corresponds to the first step in the present invention.

이때 고속푸리에 변환 이후에 발생할 수 있는 스펙트럼 누출(Spectral leakage)이 있을 수 있다.At this time, there may be spectral leakage that may occur after the fast Fourier transform.

푸리에 변환은 무한 신호에 대한 실용적 처리를 위해 적분과정에서 스펙트럼이 크게 영향받지 않는 범위 밖을 잘라내는 것을 전제로 하는데 급격한 절단이 있을 시에 스펙트럼 누출이 일어난다. 이를 감소시키기 위해 부드러운 데이터 창

Figure pat00009
를 적용할 수 있다. The Fourier transform is based on the premise that for practical processing of infinite signals, the spectrum is not greatly affected in the integration process, and the spectrum is leaked when there is a sudden cut. To reduce this, a soft data window
Figure pat00009
Can be applied.

이를 달리 표현하면 시간영역 개념의 IF샘플링데이터에 해닝창함수(Hann window 또는 Raised cosine)를 적용할 수 있다. 해닝창함수 적용식은 아래와 같다.In other words, a Hann window function (Raised cosine) can be applied to the IF sampling data of the time domain concept. The formula for applying the function is as follows.

Figure pat00010
Figure pat00010

해닝창은 스펙트럼 누출을 감소시켜 스펙트럼에 나타나는 파상(wave)을 상당히 감소시킨다. 이 처리과정은 본 발명에서 제2단계에 해당한다.Hanning window reduces spectral leakage and significantly reduces the wave appearing in the spectrum. This process corresponds to the second step in the present invention.

도 4a는 스펙트럼 누설을 억제하기 위한 해닝 창함수 적용예를 그림으로 나타낸 것이다.4A is a diagram illustrating an example of a Hanning window function application for suppressing spectral leakage.

본 발명에서 고속푸리에변환(Fast Fourier Transform)은 실수부 1채널에서 N개의 시간영역 샘플링 데이터 x(k)을 FFT 변환하여 주파수 영역의 입력데이터 X(k)로 변환하는 단계이다. 변환식은 아래와 같다.In the present invention, the Fast Fourier Transform is a step of FFT-transforming N time-domain sampling data x (k) in one channel of the real part and transforming it into input data X (k) in the frequency domain. The conversion equation is as follows.

Figure pat00011
Figure pat00011

도 4b는 앞서 도 4a와 같이 해닝창함수 적용된 주파수영역 샘플링데이터 X(k)를 실수부 고속푸리에변환(real FFT)하여 구한 스펙트럼 파형을 나타낸 것이다. 입력데이터가 실수부 1채널 이므로 위 식에 따라 실수부 고속푸리에변환을 수행하고 이로부터 절대값(magnitude)을 계산하여 스펙트럼 파형을 구한다. (제3단계의 처리과정이다.)FIG. 4B shows a spectrum waveform obtained by performing a real part FFT on the frequency-domain sampling data X (k) applied with the Hanning window function as shown in FIG. 4A. Since the input data is one channel of the real part, the fast Fourier transform of the real part is performed according to the above equation, and the absolute value (magnitude) is calculated therefrom to obtain the spectrum waveform. (This is the process of the third step.)

위 단계를 통해 IF샘플링된 신호에서 스펙트럼 파형에서 유효한 크기의 비트주파수 신호를 검출할 수 있으며 이로부터 송수신 신호간 거리차를 구하여 속도정보가 제거되지 않은 순간적인 고도값을 구할 수 있다. (제4단계의 처리과정이다.)Through the above steps, it is possible to detect a bit frequency signal of a valid size in the spectrum waveform in the IF sampled signal, and obtain the instantaneous altitude value without removing the speed information by obtaining the difference between the transmission and reception signals. (This is the processing procedure of the fourth step.)

이때 비트주파수(

Figure pat00012
: 아래첨자 r은 이산시간 영역에서의 실수(real)값을 의미)를 구하기 위해 앞서 제시한 식을 재차 이용한다.At this time,
Figure pat00012
: The subscript r is the real value in the discrete time domain).

Figure pat00013
Figure pat00013

상술한 단계를 통하여 정교한 탐지값을 담고 있으면서도 신관의 소형 프로세서에서 매우 빠르고 간단하게 처리될 수 있는 순간 고도값들을 얻었다.Through the steps described above, instantaneous elevation values that can be processed very quickly and simply in a small processor of the new building, while retaining sophisticated detection values, were obtained.

이제 이 순간 고도값들 중에서 신관의 기폭동작에 실질적으로 적용 가능하도록 포탄의 실전 환경에 적합한 유효 고도값을 추출할 필요가 있다.It is now necessary to extract an effective altitude value suitable for the actual environment of the shell so as to be practically applicable to the detonation motion of the fuse among the altitude values at this moment.

참고로 앞서 소개한 비트주파수

Figure pat00014
이 시간영역의 신호라면 이산신호 변환을 거쳐 얻어지는
Figure pat00015
은 이산시간영역의 실수값(스펙트럼 파형)이다. 이 같은 실수형태의 비트주파수 값을 이용하면 아래와 서술한 바와 같이 이전 시간과 현재 시간에 얻어지는 비트주파수들을 서로 비교하는 논리회로의 설계가 매우 쉬워지며 그 처리속도 또한 빨라진다.For reference, the bit frequency
Figure pat00014
If the signal is in the time domain,
Figure pat00015
(Spectral waveform) of the discrete time domain. Using such a real bit-frequency value makes it very easy to design a logic circuit that compares the bit frequencies obtained at the previous time and the current time as described below, and the processing speed is also improved.

다음으로 상기와 같이 탐지된 순간고도 값에 유입된 원치 않는 탐지오류정보를 걸러내기 위한 유효고도 탐지단계는 아래의 제5~제7단계로 이루어진다. 각 단계를 간단히 살펴본다.Next, an effective altitude detection step for filtering undesired detection error information that has been input to the detected instantaneous altitude value is performed in the following fifth through seventh steps. Let's look at each step briefly.

먼저 비트주파수로 구해진 순간고도 값들의 유효성을 누적된 비교로 논리적으로 판단하기 위해서 아래와 같은 문턱값(Threshold) 개념으로 축차 저장할 수 있다.In order to logically determine the validity of the instantaneous elevation values obtained at the bit frequency by an accumulated comparison, the following threshold value concept can be stored.

통상 문턱값(Threshold)이라 함은 어떤 동작이 개시되는 조건을 만족하는 한계값을 의미한다. The term " threshold " means a threshold value that satisfies a condition under which an operation is started.

본 발명에서는 제3단계에서 구해진 스펙트럼 파형에서 한 블록의 소정의 단위시간(U) 동안 폭발고도를 만족하는 신호가 없었던 스펙트럼 파형 중 구간별 최대 피크값을 그 블록의 문턱값(Threshold)으로 저장한다.In the present invention, the maximum peak value of each of the spectral waveforms having no signal satisfying the explosion height for a predetermined unit time (U) of one block in the spectral waveform obtained in the third step is stored as a threshold value of the block .

문턱값은 탄속과 포발사각 및 탄체회전량에 따라 조절된 단위시간을 한 블록으로 하여 계산되며, 도 6의 실시예에서는 설명의 편의를 위해 단위시간을 1초로 하고 그 1초 동안의 스펙트럼 파형을 누적하여 그 중 최대값을 문턱값(Threshold)으로 정하였다. 이럴 경우에 앞서 배경기술과 해결과제에서 설명하였던 순간적인 장애물(계곡 지형이나 인접한 함선의 마스트, 근처 비행물체 등)에 대한 대응능력이 크게 높아진다.In the embodiment of FIG. 6, for convenience of description, the unit time is set to 1 second, and the spectral waveform for 1 second is calculated. And the maximum value among them is set as a threshold value. In this case, the ability to respond to the instantaneous obstacles (valley topography, mast of adjacent ships, nearby objects, etc.) described in the background description and the solution is greatly increased.

포탄이 안정적으로 높은 고도에서 비행하고 있을 때 신관의 근접센서에는 유효고도 신호가 나타나지 않고 신호처리 시스템의 노이즈 파형이 나타나며 이때 안정적인 문턱값 레벨 확보를 위하여 단위시간(예: 1초) 동안의 스펙트럼 파형을 누적하여 최대값을 찾는다. 이는 스펙트럼 분석기의 Maxhold(최대값)와 같은 기능을 하고 누적된 스펙트럼은 예를 들어 목표로 하는 탐지고도(목표지점 지형과의 상대고도: HOB) + 2m를 기준으로 낮은 구간은 +5dB , 높은 구간은 +3dB 로 하여 문턱값으로 사용한다. (여기까지 제5단계의 처리과정이다.)When the shell is stably flying at a high altitude, the noise signal of the signal processing system appears without an effective altitude signal in the proximity sensor of the new pipe. In this case, the spectral waveform for a unit time (for example, 1 second) To find the maximum value. It has the same function as Maxhold (maximum value) of the spectrum analyzer, and the cumulative spectrum is, for example, the target altitude (relative altitude relative to the target terrain: HOB) + 2m, + 3dB is used as the threshold value. (This is the process of the fifth step.)

도 6은 유효고도 탐지시의 문턱값 파형을 예시한 그래프로서 제5단계와 제7단계를 설명하는 그림이다.FIG. 6 is a graph illustrating a threshold waveform at the time of effective altitude detection, and is a diagram illustrating the fifth and seventh steps.

제1~제4단계의 신호처리를 통해 얻어진 원치 않는 급변값(noise)이 포함된 순간 고도값에서 유효한 고도정보와 노이즈를 구별하기 위한 방법으로, 스펙트럼파형을 통해 구해진 비트주파수, 즉 (환산전) 순간고도 값에서 외부요인으로 인해 원치 않게 발생되는 순간적인 급변화값을 효과적으로 1차 걸러내는 방법을 보여준다.As a method for distinguishing noise from altitude information effective at an instantaneous altitude value including undesired sudden change values (noise) obtained through signal processing in the first to fourth steps, a bit frequency obtained through a spectral waveform, that is, ) This shows how to effectively filter out instantaneous sudden changes that occur at an instant altitude value due to external factors.

도 6을 참조하면 매 1초를 한 블록으로 하여 문턱값이 계산되고, n번째 시점의 고도탐지시 n-2 ~ n-1초 구간에서 구한 문턱값과 현재 스펙트럼 파형을 비교하여 문턱값 이상의 피크(Peak)값 중 최대값, 즉 최대 피크값을 구간(블록)별 유효고도값 환산용 비트주파수 값으로 판정하여 저장한다Referring to FIG. 6, a threshold value is calculated with one second as one block, and a threshold value obtained from n-2 to n-1 second intervals at the nth detection of the altitude is compared with a current spectral waveform, That is, the maximum peak value, is determined to be the bit value for converting the effective altitude value per section (block), and is stored

즉 폭발고도(임무고도) 신호가 없는 이전 시간의 스펙트럼 파형을 문턱값(Threshold: 또는 작동한계값)으로 저장하여 현재의 스펙트럼 파형과 비교하는데 고도 20m를 비행중인 포탄에서 직전 1초 동안에 처리된 고도신호가 폭발고도인 7m~9m 범위에 들어오지 않았다면 현재 고도를 직전 문턱값인 20m 으로 계속 간주하고 있다. 이 경우 낮게 수평 비행하는 포탄의 종말 유도 단계에서 9m~20m 사이에서 감지되는 지상의 순간적인 장애물, 또는 해상의 순간적인 파도에 의한 오폭신호를 효과적으로 걸러낼 수 있다.In other words, the spectral waveform of the previous time without the explosion altitude (mission altitude) signal is stored as a threshold value (or threshold value) and compared with the current spectral waveform. In the case of the altitude 20 m, If the signal is not within the range of 7m to 9m, the current altitude is still considered to be the previous threshold of 20m. In this case, it is possible to effectively filter the momentary obstacles on the ground, which are detected between 9m and 20m, or the omnipresence signal due to the transient wave in the sea, in the terminal induction phase of the low level horizontal flying shell.

참고로 도 6에서 제시한 소정의 구간(한 블록)은 1초이나 이는 필요에 따라 적절히 조정될 수 있으며 그 조정기준은 포탄의 탄속과 하강각도(고도 변화율에 영향을 미치는 인자)와 포탄의 평균 비행고도(최대 피크값의 노이즈 발생확률), 그리고 포탄의 탄체회전량(송수신 전파의 위상차)이 될 수 있다.For reference, the predetermined section (one block) shown in FIG. 6 is 1 second, but it can be appropriately adjusted as necessary, and the adjustment standard is set based on the speed and descent angle of the shell (a factor affecting the rate of change in altitude) The altitude (the probability of occurrence of the noise of the maximum peak value), and the amount of rotation of the shell (the phase difference of the transmission and reception waves).

한편 본 발명의 고도탐지방법에서는 예상 추이를 벗어나는 노이즈성 고도값을 배제하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.Meanwhile, in the altitude detection method of the present invention, a step of excluding a noise altitude value deviating from a predicted trend may be additionally performed.

이것은 실제로 포탄의 비행하는 과정에서 물리적으로 포탄의 고도가 급변하기 힘들고 지형의 추이를 따라 변화하는 특성을 감안한 것이다.This is in fact taking into account the fact that the height of the shell is physically difficult to change rapidly during the flight of the shell and changes along the course of the terrain.

이를 위해 상기 문턱값 이상의 최대 피크값으로 판정한 구간별 고도값에 칼만필터를 추가 적용하였다. (제6단계에 해당한다.)For this, a Kalman filter was applied to the altitude value determined as the maximum peak value above the threshold value. (Corresponds to the sixth step).

참고로 칼만필터의 관계식은 아래와 같다.The relation of the Kalman filter is as follows.

Figure pat00016
Figure pat00016

Figure pat00017
Figure pat00017

Figure pat00018
Figure pat00018

칼만 필터(Kalman filter)는 목표로 하는 데이터의 역동성을 반영하면서 예측과 측정 잡음을 정규분포로 반영하는 것이다. 많은 과학적인 실험모델을 칼만 필터링 백 테스터를 통해 확률과 위험을 검증하여 종합적으로 접근할 수 있다.The Kalman filter reflects the prediction and measurement noise as a normal distribution, reflecting the dynamics of the target data. Many scientific experimental models can be accessed comprehensively by verifying probabilities and risks through Kalman filtering backtester.

반복적인 연산을 통해 최적 값을 추적하는 칼만 필터는 잡음이 포함되어 있는 선형 역학계의 상태를 추적하는 재귀 필터로서의 칼만 필터는 시간에 따라 진행한 측정을 기반으로 한다.The Kalman filter, which tracks the optimal value through iterative operations, is based on measurements made over time, as a recursive filter that tracks the state of the linear dynamics including noise.

관계식을 참조하면 필터를 통해 얻어진 값

Figure pat00019
은 현 시점 측정값
Figure pat00020
에 표준편차계수
Figure pat00021
를 곱한 값과 이전 단계의 필터링된 3개의 값들을 각각의 표준편차계수
Figure pat00022
과 곱한 값을 합해서 구하고 있음을 알 수 있다.Referring to the relationship, the value obtained through the filter
Figure pat00019
Lt; RTI ID = 0.0 >
Figure pat00020
Standard deviation coefficient
Figure pat00021
And the filtered three values of the previous step are multiplied by respective standard deviation coefficients
Figure pat00022
And the sum of the values obtained by multiplying the values obtained by the multiplication.

칼만 필터의 표준편차계수는 일차적으로 낙하속도에 따른 고도변화율을 고려하여 결정하는 것이 가장 바람직하며 입력 데이터수는 앞서 구간별 고도값 비교단계와 마찬가지로 고도변화율에 큰 영향을 미치는 포탄의 탄속과 하강 각도, 그리고 포탄의 평균 비행고도(노이즈 발생율), 그리고 포탄의 탄체회전량(송수신 전파의 위상차)에 따라 적절히 조절될 수 있다.It is most preferable to determine the standard deviation coefficient of the Kalman filter in consideration of the altitude change rate according to the dropping rate, and the number of input data is the same as the previous altitude value comparing step, , The average flight height of the shell (noise generation rate), and the amount of shell rotation (the phase difference of the transmission and reception waves) of the shell.

칼만필터링 단계를 거치고 나면 상기 제3단계를 통해 산출 중인 현재의 스펙트럼 파형과 상기 제5단계를 통해 구해진 문턱값들을 비교하여 최대 피크값을 그 시점의 유효 비트주파수 값으로 정하고 이를 필터링 된 유효고도 값으로 환산하는 제7단계를 거치게 된다.After the Kalman filtering step, the current spectral waveform being calculated through the third step is compared with the threshold values obtained through the fifth step, and the maximum peak value is set as the effective bit frequency value at that point, and the filtered effective altitude value In the second step.

즉 본 실시예에서 필터링 된 유효고도값은 이전 3회의 필터 유효고도값과 현재 유효고도값의 총 4개 데이터로 얻는다. 앞서 구간별 고도값 실시예가 직전 3개 스펙트럼 파형의 문턱값 비교를 통해 얻어진 것을 감안하면 본 실시예에서는 3표본 최대값 비교와 4표본 표준편차 비교가 이중으로 적용되고 있음을 알 수 있다.That is, the filtered effective altitude value in the present embodiment is obtained by a total of four pieces of data including the filter valid altitude value of the previous three times and the current effective altitude value. Considering that the above-described altitude value for each interval is obtained through comparison of the threshold values of the three previous spectral waveforms, it can be seen that the three-sample maximum value comparison and the four-sample standard deviation comparison are applied in this embodiment.

자명하게, 데이터의 개수를 늘릴수록 필터링된 유효고도 변화는 둔감해지고 개수를 줄일수록 민감해진다.Obviously, as the number of data increases, the filtered effective altitude change becomes insensitive and more sensitive as the number of data increases.

도 7은 제6단계와 제7단계를 거쳐 얻어진 (필터링 된) 유효고도이다. 도면에서 파란색 그래프는 FMCW신호처리단계를 통해 탐지한 고도값, 빨간색 그래프는 상술한 칼만필터를 거친 유효고도값이며 그림과 같이 탐지고도에 특이값이 나타나는 경우 필터링 된 유효고도는 개선된 결과를 보여준다.7 is an effective altitude (filtered) obtained through the sixth and seventh steps. In the drawing, the blue graph shows the altitude value detected by the FMCW signal processing step, the red graph shows the effective altitude value obtained through the Kalman filter, and the filtered effective altitude shows an improved result when the detection altitude shows an unusual value .

이상 본 발명의 기술사상을 구체적인 실시예를 통해 설명하였다. 덧붙여 본 실시예에서 미처 포함되지 않은 단순 변경 또는 간단 확장 사례가 있을 수 있겠으나, 본 발명의 기술사상은 실시예의 기술적 해석범주보다는 이하의 청구범위에서 기재되는 내용을 바탕으로 해석되어야 한다.The technical idea of the present invention has been described above with reference to specific embodiments. It should be understood that the technical idea of the present invention should be construed on the basis of the contents described in the following claims rather than the technical interpretation category of the embodiment.

10: 신관몸체
11: 노즈콘
12: 충전재
13-3: 텔레메트리안테나 폴
13-4: (텔레메트리 안테나 그라운드 용) 바닥판
14: 근접센서안테나
14-1: 급전부
14-2: 상호결합부
14-3: 근접센서안테나 폴
14-4: 기립판
17: 신호처리부
18: 기폭부
10: New body body
11: Nozokon
12: Filler
13-3: Telemetry antenna pole
13-4: (for telemetry antenna ground) Bottom plate
14: Proximity sensor antenna
14-1:
14-2:
14-3: Proximity sensor antenna pole
14-4: standing plate
17:
18: Explosion

Claims (7)

도플러효과가 제거된 IF신호 중 N개의 시간영역 샘플링 데이터 x(n)을 고속푸리에 변환하여 주파수 영역의 데이터 X(k)로 변환하는 제1단계;
상기 데이터 X(k)를 실수부 고속푸리에 변환하여 절대값을 구하고 이로부터 스펙트럼 파형을 구하는 제3단계;
상기 스펙트럼 파형에서 유효한 크기의 비트주파수 신호를 검출하여 이를 순간고도 값으로 환산하는 제4단계;
상기 스펙트럼 파형에서 한 블록의 소정의 단위시간(U) 동안 폭발고도를 만족하는 신호가 없었던 스펙트럼 파형 중 구간별 최대 피크값을 그 블록의 문턱값(Threshold)으로 저장하는 제5단계;
상기 제3단계를 통해 산출중인 현재의 스펙트럼 파형과 상기 제5단계를 통해 블록별로 저장된 문턱값들을 비교하여 문턱값 이상의 최대 피크값을 그 시점의 유효 비트주파수 값으로 정하여 이를 유효고도 값으로 환산하는 제7단계;를 포함하여 수행되는 FMCW 근접센서의 포탄고도탐지방법.
A first step of fast Fourier transforming the N time-domain sampling data x (n) out of the IF signals from which the Doppler effect has been removed and transforming them into frequency domain data X (k);
A third step of subjecting the data X (k) to real-valued fast Fourier transform to obtain an absolute value and obtaining a spectral waveform therefrom;
A fourth step of detecting a bit frequency signal of a valid size in the spectrum waveform and converting it into an instantaneous altitude value;
A fifth step of storing, as a threshold value of the block, a peak-to-peak maximum peak value of a spectral waveform having no signal satisfying an explosion altitude for a predetermined unit time (U) of one block in the spectral waveform;
The current spectral waveform being calculated through the third step is compared with the stored threshold values by the block through the fifth step, and the maximum peak value of the threshold value or more is determined as the effective bit frequency value at that time point and converted to the effective altitude value A method for detecting a height of a shell of an FMCW proximity sensor, the method comprising:
제1항에 있어서,
상기 소정의 단위시간(U)은 포탄의 탄속과 하강각도 및 단위시간별 평균 비행고도에 따라 조절되며,
상기 단위시간이 1초일 때 n-2 ~ n-1초 구간에서 구한 상기 문턱값들과 현재 스펙트럼 파형을 비교하여 상기 문턱값 이상의 피크값 중 최대값을 n번째 블록의 문턱값으로 정하는 것을 특징으로 하는 FMCW 근접센서의 포탄고도탐지방법.
The method according to claim 1,
The predetermined unit time (U) is adjusted according to the current speed and descent angle of the shell and the average flying height per unit time,
And comparing the threshold values obtained in the n-2 to n-1 sec intervals when the unit time is 1 second with the current spectral waveform, and setting a maximum value of the peak values equal to or higher than the threshold value as a threshold value of the n-th block. A method for detecting the height of a shell of an FMCW proximity sensor.
제2항에 있어서,
상기 제1단계와 상기 제3단계 사이에는 스펙트럼 누출을 억제하기 위해 상기 데이터 X(k)에 해닝 창함수를 적용하는 제2단계;를 더 포함하여 수행되는 FMCW 근접센서의 포탄고도탐지방법.
3. The method of claim 2,
And a second step of applying a Hanning window function to the data X (k) to suppress spectral leakage between the first step and the third step.
제3항에 있어서,
상기 제5단계와 상기 제7단계 사이에는 포탄의 낙하속도에 따른 고도변화율을 고려하여 결정된 필터계수를 이용한 칼만필터로 상기 최대 피크값을 필터링하는 제6단계;를 더 포함하여 수행되는 FMCW 근접센서의 포탄고도탐지방법.
The method of claim 3,
And a sixth step of filtering the maximum peak value between the fifth step and the seventh step with a Kalman filter using a filter coefficient determined in consideration of a rate of altitude change according to a falling rate of the shell, Of the shell height detection method.
신관몸체(10)와;
상기 신관몸체(10) 상단에 결합되는 전파 투과성 노즈콘(11)과;
상기 노즈콘(11) 내부 공간에 배치 고정되는 원판형의 바닥판(13-4)과;
상기 바닥판(13-4) 위에 설치되는 FMCW 근접센서안테나(14)와;
상기 바닥판(13-4) 아래에 설치되는 FMCW 신호처리부(17)와;
상기 FMCW 신호처리부()에 의해 산출된 고도탐지신호에 의해 기폭되는 기폭부(18);를 포함하여 구성되고,
상기 FMCW 신호처리부(17)는,
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 고도탐지방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 FMCW 근접센서탑재 신관.
A main pipe body (10);
Permeable nose cone (11) coupled to the upper end of the body (10);
A disk-shaped bottom plate (13-4) arranged and fixed in an inner space of the nosecone (11);
An FMCW proximity sensor antenna 14 mounted on the bottom plate 13-4;
An FMCW signal processing unit 17 installed below the bottom plate 13-4;
And a detonator 18 which is detonated by the altitude detection signal calculated by the FMCW signal processor,
The FMCW signal processing unit 17,
An FMCW proximity sensor mounted fuse, characterized in that the altitude detection method according to any one of claims 1 to 4 is carried out.
제5항에 있어서,
상기 FMCW 근접센서안테나(14)는, 상기 바닥판(13-4)위에 수직으로 세워지는 사다리꼴 판 형태의 기립판(14-4)과, 상기 기립판(14-4)의 한쪽 표면에 형성되는 근접센서안테나 급전부(14-1)와, 상기 기립판(14-4)의 반대쪽 표면에 형성되는 근접센서안테나 상호결합부(14-2)와, 상기 기립판(12)의 좌우 모서리에 부착되는 2개의 근접센서안테나 폴(14-3)을 포함하여 구성되고,
상기 2개의 근접센서안테나 폴(14-3)은 상기 기립판(14-4)의 좌우 모서리 경사각도와 동일한 각도로 지지 고정되어 신관 진행방향으로 전방 60도 각도의 범위에서 isotropic 안테나 대비 5dBi의 방사 이득이 확보되는 것을 특징으로 하는 FMCW 근접센서탑재 신관.
6. The method of claim 5,
The FMCW proximity sensor antenna 14 includes an upright plate 14-4 in the form of a trapezoidal plate vertically erected on the bottom plate 13-4 and an upright plate 14-4 formed on one surface of the upstand plate 14-4 A proximal sensor antenna feed part 14-1 and a proximity sensor antenna mutual coupling part 14-2 formed on a surface opposite to the standing plate 14-4; And two proximity sensor antenna pawls 14-3,
The two proximity sensor antenna pawls 14-3 are supported and fixed at the same angle as the right and left corner inclination angles of the standing plate 14-4 so that the radiation gain of 5 dBi to the isotropic antenna The FMCW proximity sensor is mounted on the main body of the vehicle.
신관몸체(10)와;
상기 신관몸체(10) 상단에 결합되는 전파 투과성 노즈콘(11)과;
상기 노즈콘(11) 내부 공간에 배치 고정되는 원판형의 바닥판(13-4)과;
상기 바닥판(13-4) 위에 설치되는 FMCW 근접센서안테나(14)와;
상기 바닥판(13-4) 아래에 설치되는 FMCW 신호처리부(17)와;
상기 FMCW 신호처리부(17)에 의해 산출된 고도탐지신호에 의해 기폭되는 기폭부(18);를 포함하여 구성되고,
상기 FMCW 신호처리부(17)는,
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 고도탐지방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 포 발사체.
A main pipe body (10);
Permeable nose cone (11) coupled to the upper end of the body (10);
A disk-shaped bottom plate (13-4) arranged and fixed in an inner space of the nosecone (11);
An FMCW proximity sensor antenna 14 mounted on the bottom plate 13-4;
An FMCW signal processing unit 17 installed below the bottom plate 13-4;
And an ignition unit (18) that is ignited by the altitude detection signal calculated by the FMCW signal processing unit (17)
The FMCW signal processing unit 17,
A spreader characterized by carrying out the altitude detection method according to any one of claims 1 to 4.
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