KR20170093016A

KR20170093016A - 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치

Info

Publication number: KR20170093016A
Application number: KR1020160014432A
Authority: KR
Inventors: 박진성; 공덕규; 이재웅
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2017-08-14

Abstract

레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예는, 레이더 신호가 통과하는 광 섬유와, 제1제어신호에 근거하여, 상기 레이더 신호에 대한 거리 지연이 발생하도록, 상기 레이더 신호의 입력 및 출력의 경로를 선택하는 광 섬유 스위치와, 제2제어신호에 근거하여, 상기 광 섬유를 통과한 신호를 감쇠시키는 가변 감쇠기와, 레이더의 동기신호와 제어신호에 근거하여, 상기 제1제어신호와 상기 제2제어신호를 발생시키는 제어부를 포함하여 이루어진다.

Description

레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치{DEVICE FOR PERFORMANCE TEST OF A RADAR}

본 발명은 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 레이더의 거리 성능을 검증하기 위한 가변가능한 시간지연을 발생시키는 장치에 관한 것이다.

레이더(Radar)는 지난 수십 년간 이용된 대표적인 거리 및 속도 추적 센서이다. 레이더(Radar)의 용도는 군사용으로 이용되는 방공 레이더를 비롯하여 민간의 관제탑 레이더, 항만용 레이더, 기상용 레이더 등 매우 광범위하다.

레이더를 이용하여 표적의 거리 및 속도를 추적하기 위하여, 전파를 이용하는데, 이 중 거리 추적 원리는 송신한 전자기 펄스가 표적에 반사되어 수신되는 시간을 측정하는 것이다.

도 1은 종래 레이더 시스템의 거리 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 레이더 시스템에서 송신 펄스 및 수신 펄스를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 송신 펄스는 t₁의 주기로 일정하게 송신된다.

표적이 존재하는 경우, 표적에서 반사된 펄스가 수신기에 감지되고 수신기 회로는 송신 펄스와 수신 펄스 사이의 시간인 t₂를 측정한다. 이때, 표적의 거리 및 속도를 추적하기 위한 정보인 전파는 빛의 속도인 초속 3*10⁸m/s로 전파되고, 전파는 왕복으로 표적과 레이더 사이의 공간을 왕복하므로, 표적과의 거리는 이하의 수학식 (1)과 같이 계산될 수 있다.

(1)

여기서, 예를 들어 t₂가 2μs라면 표적과 레이더 사이의 거리는 300 m임을 알 수 있다. 또한, 표적에 따른 수신 전력은 레이더 방정식에 의하여 다음의 수학식 (2)와 같이 계산될 수 있다.

(2)

여기서, Pr은 수신 전력(W)을 의미하고, Pt는 송신 전력(W)을 의미하고, Gt는 안테나 이득(dimensionless)을 나타내고, λ는 파장(m)을, 그리고 σ는 표적 RCS(Radar Cross Section)(m²)을 나타낸다. 그리고, R은 표적과의 거리(m)에 대응된다.

한편, 이러한 레이더 시스템의 거리 성능을 검증하기 위해서 크게 야외시험과 실험실 무반향 챔버 실험실이 있다. 실험실 무반향 챔버 실험실의 경우, 현실적으로 레이더가 탐지/추적이 가능한 거리를 실험실의 물리적인 크기로 구현하기가 매우 어려우므로, 실험실에서의 성능 검증을 위해 거리 지연을 모사할 수 있는 장비가 필요하다.

이러한 거리 지연 모사는 크게 2가지 방식으로 구현될 수 있다.

첫째, 레이더 동기 신호를 입력받아 디지털적으로 동기화된 수신신호를 발생시켜 이를 레이더 입력으로 인가함으로써 거리 지연을 모사하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 레이더 송신 경로에 있는 송신기의 전기적 특성을 모사하지 못하여 레이더 전체 성능을 검증할 수 없다는 단점이 있다.

둘째는 광섬유(Optical fiber)를 이용하여 실제 시간 지연(True time delay)을 발생시키는 광지연장치(Optical delay)를 이용하는 방법이다. 그러나 이 방법은 시간에 따른 표적의 거리 가변과 전력 가변이 불가능한 단점이 있다. 즉, 광섬유 자체가 고정된 물리적 길이를 갖기 때문에, 성능 시험 중에는 가변적인 거리를 모사할 수 없다. 또한 표적의 거리가 변하면 위의 수학식 (2)에서 확인할 수 있듯이 수신 전력이 변화하기 때문에 수신 전력 변화도 모사해야 하나, 수신 전력 변화를 모사하지 못하여 성능 검증에 어려움이 있다.

이에, 본 발명의 실시는, 전술한 문제점 및 단점을 극복하기 위한 것으로, 광섬유(Optical fiber)를 이용한 성능 검증에서, 표적의 거리 및 전력이 변화하는 조건에서도 레이더의 거리 성능을 정확하게 검증할 수 있는 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해, 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치는, 레이더 신호가 통과하는 광 섬유와; 제1제어신호에 근거하여, 상기 레이더 신호에 대한 거리 지연이 발생하도록, 상기 레이더 신호의 입력 및 출력의 경로를 선택하는 광 섬유 스위치와; 제2제어신호에 근거하여, 상기 광 섬유를 통과한 신호를 감쇠시키는 가변 감쇠기와; 레이더의 동기신호와 제어신호에 근거하여, 상기 제1제어신호와 상기 제2제어신호를 발생시키는 제어부를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 광 섬유는 τ, 2τ, 4τ, ... , 2ⁿτ와 같은 이진법 단위로 배치되고, 각 광 섬유와 조합으로 구성되는 상기 광 섬유 스위치는 n+1개의 2x2 광섬유 스위치인 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 최소 τ에서 최대 τ+2τ+4τ+ .... + 2^Nτ 범위내에서 거리 지연이 발생하도록, 상기 제1제어신호를 생성하여 상기 광 섬유 스위치에 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 가변 감쇠기는, Y dB, N-bit를 갖는 가변 감쇠기이고, 상기 제2제어신호에 따라 Y/2^N dB 정밀도로 감쇠량을 조절하고, 최대 Y dB 감쇠량을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 제1제어신호와 제2제어신호는 레이더 성능 시험의 운용자가 입력한 설정값에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 입력된 설정값은, 상기 레이더로부터 목표물까지의 거리에 대응되는 시간 지연값, 상기 목표물의 상대이동속도에 해당하는 도플러 주파수 값; 그리고 상기 목표물의 신호 크기에 해당하는 가변 감쇠값을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에, 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치에 의하면, 시간에 따른 표적의 거리, 시간에 따른 수신 전력, 그리고 송신 신호를 이용한 표적의 거리가 모두 레이더 동기 신호에 맞추어 실시간으로 가변가능하다. 그에 따라, 실험실내에서도 레이더 거리 성능을 보다 정확하게 검증할 수 있다.

도 1은 종래 레이더 시스템의 거리 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 거리에 따른 레이더 수신전력의 예를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치의 세부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 도 3의 구성을 보다 자세하게 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 스위치의 예시 구성과 그것의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유의 예시 블록도이다.

먼저, 본 발명의 실시예는 레이더 거리 성능과 관련된 모든 환경에 적용될 수 있음을 미리 밝혀둔다

또한, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 설명되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 즉, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항복들 중의 어느 항목을 포함한다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

광섬유(Optical fiber)를 이용하여 실제 시간 지연(True time delay)를 발생시키는 경우, 전술한 바와 같이 광섬유 자체의 고정된 물리적 길이로 인해 성능 시험 중에는 가변적인 거리를 모사할 수 없다. 그리고, 표적의 거리가 변함에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 수신 전력이 변화한다.

도 2를 참조하면, 거리의 변화에 따라 수신 전력이 감소하는데, 광섬유(Optical fiber)를 이용한 시간 지연(Time delay)의 경우 수신 전력을 모사하지 못한다.

이에, 본 발명에서는, 광섬유, 광섬유 스위치, 가변감쇠기, 제어모듈을 구비하여 표적이 이동함에 따라 레이더 시스템의 거리가 변화하거나, 전력이 변화하는 경우에도 실시간으로 동기화가 가능한 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치를 구현하였다.

이하, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치의 세부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에서, 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치(100)는, 광 섬유(110), 광 섬유 스위치(120), 가변 감쇠기(130), 및 제어부(150)를 포함하여 이루어질 수 있다.

광 섬유(110)는, 본 발명에서 특정 시간 단위로 시간 지연을 발생시키기 위한 것이다. 광 섬유(110)는 예를 들어 τ, 2τ, 4τ, ... 2ⁿτ와 같이 이진법으로 배치된 n개로 구성될 수 있다.

또한, 상기 광 섬유(110)는 중앙에 공기를 매질로하는 공동코어를 포함한다. 또한, 이러한 경우, 공동코어를 통해서만 광이 도파될 수 있도록 광을 결정하는 광결정섬유를 포함하거나, 공동코어내에서 유동하면서 입사된 광을 반사시키기 위한 반사체를 더 포함하거나, 또는 공동코어 내부를 이동하는 원통형의 자성 반사체를 더 포함할 수 있다.

광 섬유 스위치(120)는, 광 섬유와의 조합에 대응되도록 n+1개로 구성된, 2x2 광섬유 스위치일 수 있다. 광 섬유 스위치(120) 광 섬유(110)를 통과하는 레이더 신호의 경로가 길거나 짧아지도록 입출력을 스위칭한다. 여기서, 레이더 신호의 경로가 길어지는 것이 곧 지연(delay)을 의미한다.

가변 감쇠기(130)는 예를 들어, N 개의 제어 bit 개수로 이루어지며, Y dB, N-bit 가변감쇠기의 경우 최대 Y dB 감쇠량을 갖는다.

제어부(150)는 본 발명의 실시 예에 따라 시간 지연을 발생시키기 위해, 각 광섬유 스위치(120)와 감변 감쇠기(130)의 동작을 실시간으로 제어한다. 즉, 상기 제어부(150)는 레이더로부터 입력되는 동기신호와 제어신호에 따라, 각 광섬유 스위치(120)와 감변 감쇠기(130)의 동작을 실시간으로 제어함으로써, 시간에 따른 거리변화 및 수신 전력의 변화를 모사할 수 있다.

이때, 제어부(150)에 의해 모사가능한 최소 거리 단위는 τ이고, 최대 거리 지연은 총 광 섬유에 대응되는 값인 τ+ 2τ+ 4τ+ ... +2ⁿτ이다. 또한, 가변 감쇠기(130)가 N개의 제어 비트(bit)로 이루어진 경우, 제어부(150)에 의해 모사가능한 최소 수신 전력의 감쇠량은, Y/2ⁿdB이며, 최대 감쇠량은 Y dB이다.

또한, 다른 실시 예에서, 상기 제어부(180)는 레이더 성능 시험의 운용자가 입력한 설정값에 기초하여 광 섬유 스위치(120)와 가변 감쇠기(130)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 설정값은, 예를 들어 레이더로부터 목표물까지의 거리에 대응되는 시간 지연값과, 목표물의 상대이동속도에 해당하는 주파수 값(예, 도플러 주파수만큼 주파수를 편이시킴)과, 목표물의 신호 크기에 해당하는 가변 감쇠값을 포함할 수 있다.

또한, 비록 도시되지는 않았지만, 상기 시간지연 장치는 손실 보상을 위해, 전파-광 변환기, 증폭기를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

다음으로, 도 4는 도 3의 구성을 보다 자세하게 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치는, 레이더로부터 송신신호(예, RF 신호)가 입력되면, τ, 2τ, 4τ, ... , 2ⁿτ(τ는 시간 지연 단위)개의 광 섬유를 통해 시간 지연을 발생시킬 수 있다. 또한, 이를 위해, 상기 시간 지연 장치는, n+1개의 2X2 광섬유 스위치와 τ, 2τ, 4τ, ... 2ⁿτ로 구성되는 광섬유(τ는 시간 지연), N-bit 가변감쇠기(N은 디지털 가변감쇠기의 제어 bit수를 의미)를 포함한다. 또한, 입력되는 레이더의 동기화 신호 및 제어신호에 기초하여 광 섬유 스위치를 제어하기 위한 스위치 제어모듈과, N-bit 가변감쇠기를 제어하기 위한 가변 감쇠기 제어모듈을 포함하는 제어부를 포함하여 이루어진다.

본 발명에서 가변 감쇠기는, Y dB, N-bit를 갖는 가변 감쇠기로서, 최대 Y dB 감쇠량을 가지며, 이를 디지털적으로 Y/2ⁿ dB 정밀도로 감쇠량을 조절할 수 있다. 또한, 본 발명에서 광섬유 스위치는 2진법으로 배치된 광 섬유에 대응되도록 구성되어, 최소 τ에서 최대 τ+2τ+4τ+ .... + 2ⁿτ 범위내에서 거리 지연을 발생시킨다.

이와 관련하여, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광 섬유 스위치의 예시 구성을 보여주고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 2x2 광 섬유 스위치는, 광신호가 인가되는 2개의 입력과 광신호를 출력하는 2개의 출력을 갖는다. 즉, 총 4개의 입출력 조합이 가능하다. 이러한 광 섬유 스위치는 제어부(150, 도 3)의 제어신호에 따라 2개의 입력 중 어느 하나, 그리고 2개의 출력 중 어느 하나를 선택적으로 스위칭하여 광신호의 이동경로를 제어한다.

또한, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유의 예시 블록도를 보여주고 있다. 도 6에서 확인할 수 있듯이 광 섬유는 τ초만큼 시간지연을 발생시키는 광섬유 지연장치를 표시한다. 그리고, 복수의 광 섬유는 도 3 및 도 4를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이 2진법 형태로 배치한다.

본 발명에서, 시간에 따른 표적의 거리 가변은 광섬유 스위치와 2진법으로 배치된 광섬유 조합을 이용하여 최소 제어 단위인 τ 의 정밀도로, 최대 τ+2τ+4τ+ .... + 2ⁿτ 거리까지 거리 가변이 가능해진다.

또한, 시간에 따른 수신 전력 가변은 Y dB, N-bit 가변감쇠기를 이용하여 최소 제어 단위인 Y/2ⁿ dB의 정밀도로, 0 dB에서 Y dB까지 수신 전력 가변이 가능하다. 이때, 레이더 거리 시험에서 레이더로부터 입력되는 동기 신호를 이용해야하며, 설계 파라미터인 τ, n, N, Y는 시험하고자 하는 레이더의 성능에 적합한 것으로 선택 및 적용해야할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 시간 지연 장치에 의하면, 레이더로부터 입력되는 동기신호와 제어신호에 따라 실시간으로 광섬유 스위치와 가변감쇠기를 제어함으로써, 시간에 따른 거리 변화 및 수신 전력 변화를 동시에 모사가능하다.

본 발명의 실시 예에 따른 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치에 의하면, 시간에 따른 표적의 거리, 시간에 따른 수신 전력, 그리고 송신 신호를 이용한 표적의 거리가 모두 레이더 동기 신호에 맞추어 실시간으로 가변가능하다. 그에 따라, 실험실내에서도 레이더 거리 성능을 보다 정확하게 검증할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다. 또한, 여기에서 기술된 본 발명에 따른 방법은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 저장매체(예, 단말내부 메모리, 플래쉬 메모리, 하드디스크, 등)에 저장될 수 있고, 프로세서(예, 단말 내부 마이크로 프로세서)에 의해 실행될 수 있는 소프트웨어 프로그램 내에 포함되는 코드들 또는 명령어들로 구현될 수 있다.

Claims

레이더 신호가 통과하는 광 섬유;
제1제어신호에 근거하여, 상기 레이더 신호에 대한 거리 지연이 발생하도록, 상기 레이더 신호의 입력 및 출력의 경로를 선택하는 광 섬유 스위치;
제2제어신호에 근거하여, 상기 광 섬유를 통과한 신호를 감쇠시키는 가변 감쇠기; 및
레이더의 동기신호와 제어신호에 근거하여, 상기 제1제어신호와 상기 제2제어신호를 발생시키는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치.
제1항에 있어서,
상기 광 섬유는 τ, 2τ, 4τ, ... , 2ⁿτ와 같은 이진법 단위로 배치되고, 각 광 섬유와 조합으로 구성되는 상기 광 섬유 스위치는 n+1개의 2x2 광섬유 스위치인 것을 특징으로 하는 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 최소 τ에서 최대 τ+2τ+4τ+ .... + 2ⁿτ 범위내에서 거리 지연이 발생하도록, 상기 제1제어신호를 생성하여 상기 광 섬유 스위치에 제공하는 것을 특징으로 하는 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치.
제1항에 있어서,
상기 가변 감쇠기는,
Y dB, N-bit를 갖는 가변 감쇠기이고, 상기 제2제어신호에 따라 Y/2ⁿ dB 정밀도로 감쇠량을 조절하고, 최대 Y dB 감쇠량을 갖는 것을 특징으로 하는 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1제어신호와 제2제어신호는 레이더 성능 시험의 운용자가 입력한 설정값에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치.
제5항에 있어서,
상기 입력된 설정값은,
상기 레이더로부터 목표물까지의 거리에 대응되는 시간 지연값, 상기 목표물의 상대이동속도에 해당하는 도플러 주파수 값; 그리고 상기 목표물의 신호 크기에 해당하는 가변 감쇠값을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이더 성능 측정을 위한 시간지연 장치.