KR20180130282A - 해류 정보 측정 방법과 프로그램 및 이를 이용한 해양 레이더 시스템 - Google Patents

해류 정보 측정 방법과 프로그램 및 이를 이용한 해양 레이더 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 해류 정보 측정 방법은 해류에 의해 반사되는 발사 전파의 산란파를 수신하는 해양 레이더 시스템이 속도 정보 및 방향 정보를 포함하는 해류 정보를 측정하기 위해 수행하는 해류 정보 측정 방법으로서, (a) 산란파 신호에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하고, 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 주파수(frequency) 정보를 이용하여 다수의 속도 정보를 획득하며, 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 진폭(amplitude) 정보를 이용하여 다수의 공분산 행렬(covariance matrix)을 생성하는 단계; (b) 산란파 신호에 대한 주파수 영역의 스펙트럼에서 브래그 피크(Bragg Peak)를 포함하는 영역인 1차 영역(First-order region)을 검출하는 단계; 및 (c) 상기 다수의 속도 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 속도 정보를 해류에 대한 속도 정보로 획득하며, 상기 다수의 공분산 행렬 중에 1차 영역 내에 포함되는 공분산 행렬인 1차 영역 공분산 행렬을 획득한 후, 1차 영역 공분산 행렬을 이용하여 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC algorithm)을 수행하여 그 결과로 해류에 대한 방향 정보를 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

해류 정보 측정 방법과 프로그램 및 이를 이용한 해양 레이더 시스템{Method and program for measuring ocean current information, and ocean radar system using the same}
본 발명은 해류 정보 측정 방법과 프로그램 및 이를 이용한 해양 레이더 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 해류 정보 측정이 빠르면서 동시에 오류 발생 빈도가 낮은 해류 정보 측정 방법과 프로그램 및 이를 이용한 해양 레이더 시스템에 관한 것이다.
해양 레이더 시스템은 유속과 유향 등의 해류 정보를 측정하는 장치로서, 선박 또는 육상에 설치된 안테나에서 단파대의 전파를 해면에 발사한 후 해수면의 파랑에 의해 반사되는 산란파를 분석함으로써 해류 정보를 획득한다. 이러한 단파 해양 레이더는 광범위한 해역을 연속적으로 동시에 관측할 수 있을 뿐만 아니라, 해상에 별도의 측정용 센서를 설치하지 않아도 선박 또는 육상에서 해역을 장기간 관측 가능한 장점이 있다.
해양 레이더 시스템이 해류 정보를 획득하는 원리는 다음과 같다.
먼저, 선박 또는 육상에 설치된 안테나에서 신호를 전송한 후, 해수면에서 반사되어 되돌아온 신호의 도플러 스펙트럼을 분석한다. 이후, 각 관측소에서 측정된 상대적인 자료를 합성하여 각각의 지점에서의 해수면의 유속과 유향 등을 파악한다. 이때, 해면에서 반사되는 산란파의 세기는 「Bragg Scattering」의 원리에 의해 해면파 파장의 배(또는 주파수의 1/2)가 되는 파장의 주파수 대역에서 최대가 되며, 해당 주파수 대역에서의 피크(peak)를 브래그 피크(Bragg peak)라 하고 피크의 주파수를 브래그 피크 주파수(Bragg peak frequency)라 한다.
한편, 국외산 장비로 구성되는 종래의 해양 레이더 시스템을 이용하여 국외와 다른 해안 환경을 가지는 국내 해안의 해류 정보를 측정하는 경우, 불필요한 시간이 소요되며 동시에 오류 발생도 잦은 문제점이 생긴다. 이에 따라, 국내의 해안 환경에 적합한 방법으로 해류 정보를 측정할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 해류 정보 측정이 빠르면서 동시에 오류 발생 빈도가 낮아 국내 해안 환경에 적합한 해류 정보 측정 방법과 프로그램 및 이를 이용한 해양 레이더 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 해류 정보 측정 방법은 해류에 의해 반사되는 발사 전파의 산란파를 수신하는 해양 레이더 시스템이 속도 정보 및 방향 정보를 포함하는 해류 정보를 측정하기 위해 수행하는 해류 정보 측정 방법으로서, (a) 산란파 신호에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하고, 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 주파수(frequency) 정보를 이용하여 다수의 속도 정보를 획득하며, 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 진폭(amplitude) 정보를 이용하여 다수의 공분산 행렬(covariance matrix)을 생성하는 단계, (b) 산란파 신호에 대한 주파수 영역의 스펙트럼에서 브래그 피크(Bragg Peak)를 포함하는 영역인 1차 영역(First-order region)을 검출하는 단계, (c) 상기 다수의 속도 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 속도 정보를 해류에 대한 속도 정보로 획득하며, 상기 다수의 공분산 행렬 중에 1차 영역 내에 포함되는 공분산 행렬인 1차 영역 공분산 행렬을 획득한 후, 1차 영역 공분산 행렬을 이용하여 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC algorithm)을 수행하여 그 결과로 해류에 대한 방향 정보를 획득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 해류 정보 측정 방법은 해류에 의해 반사되는 발사 전파의 산란파를 수신하는 해양 레이더 시스템이 속도 정보 및 방향 정보를 포함하는 해류 정보를 측정하기 위해 수행하는 해류 정보 측정 방법으로서, (a) 산란파 신호에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하는 단계, (b) 산란파 신호에 대한 주파수 영역의 스펙트럼에서 브래그 피크(Bragg Peak)를 포함하는 영역인 1차 영역(First-order region)을 검출하는 단계, (c) 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 주파수(frequency) 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 주파수 정보를 이용하여 해류에 대한 속도 정보를 획득하며, 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 진폭(amplitude) 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 진폭 정보를 이용하여 공분산 행렬(covariance matrix)을 획득한 후, 공분산 행렬을 이용하여 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC algorithm)을 수행하여 그 결과로 해류에 대한 방향 정보를 획득하는 단계를 포함한다.
상기 (c) 단계는, c1) 1차 영역 공분산 행렬로부터 도출되는 하기 식에서 Pm(θ)가 가지는 다수의 피크값 중에 2개의 피크값을 선택하되, 최대값을 갖는 제1피크값 및 제1피크값 외의 제2피크값를 선택하는 단계, c2) 제1피크값 및 제2피크값에 따라 기 설정된 기준 조건의 충족 여부를 판별하여, 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우에 제1피크값 및 제2피크값에 따른 2개의 θ 값을 상기 방향 정보로 획득하는 단계, c3) 상기 c2) 단계에서 기 설정 기준 조건에 미달하는 경우에 c1) 단계 및 c2) 단계를 반복 수행하되, 이전 c1) 단계에서 선택된 피크값을 제외한 다른 피크값을 제2피크값으로 선택하여 반복 수행하는 단계, c4) 상기 c3) 단계에 따라 반복 수행하여도 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우가 없는 때에 제1피크값에 따른 1개의 θ 값을 상기 방향 정보로 획득하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2피크값은 상기 c1) 단계 및 c3) 단계에서 제1피크값으로부터 멀리 떨어진 순서에 따라 차례로 선택될 수 있다.
(식)
Figure pat00001
(단, A(θ)는 안테나 패턴, A(θ)H는 안테나 패턴의 켤레복소수, EN은 잡음 고유 벡터[noise eigenvector], EN H은 잡음 고유 벡터의 켤레복소수)
상기 (b)는, b1) 상기 스펙트럼에 표시되는 각 주파수 포인트의 값을 가공하되, 각 주파수 포인트와 그 주변 주파수 포인트들이 갖는 원래 값들의 평균값으로 가공하여, 다수의 가공 주파수 포인트를 획득하는 단계, b2) 다수의 가공 주파수 포인트 중에 예상 브래그 피크에 해당하는 가공 주파수 포인트와 그 주변 가공 주파수 포인트들 중에 최대값을 갖는 가공 주파수 포인트인 최대 가공 주파수 포인트를 획득하는 단계, b3) 최대 가공 주파수 포인트의 값(Pmax) 보다 일정 크기 이상 작아지는 값을 갖는 가공 주파수 포인트인 널(null) 주파수 포인트를 최대 가공 주파수 포인트의 양쪽에서 하나씩 획득하며, 획득된 2개의 널 주파수 포인트 사이를 상기 1차 영역으로 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 b1) 단계는 5개 내지 7개의 주변 주파수 포인트를 이용하여 평균값을 획득할 수 있고, 상기 b2) 단계는 38개 내지 42개의 주변 가공 주파수 포인트를 이용하여 최대 가공 주파수 포인트를 획득할 수 있으며, 상기 널 주파수 포인트의 값은 Pmax/Fdown 보다 작은 값을 가지되 Fdown가 22 내지 26일 수 있다.
상기 (a) 단계는, 1차원 고속 푸리에 변환을 수행한 후 2차원 고속 푸리에 변환을 수행하되, 산란파 신호에 대해 첩(chirp)의 크기 마다 제1 윈도우 함수(first window function)를 적용시키고, 2차원 고속 푸리에 변환의 크기 마다 제2 윈도우 함수(second window function)를 적용시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 윈도우 함수로는 블랙맨(Blackman) 윈도우 함수를 사용할 수 있으며, 상기 제2 윈도우 함수로는 샤프쓰리텀(sharp 3 term) 윈도우 함수를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해류 정보 측정 프로그램은 상술한 해류 정보 측정 방법에 따라 해류 정보를 측정하기 위해 매체에 저장된다.
본 발명의 일 실시에에 따른 해양 레이더 시스템은, (a) 다수의 안테나로 이루어진 안테나부, (b) 안테나부와 연결되어 발사 전파의 신호를 송신하는 송신부, (c) 안테나부와 연결되어 해류에 의해 반사되는 산란파 신호를 수신하는 수신부, (d) 수신부에 수신된 산란파 신호를 분석하는 분석부를 포함한다.
상기 분석부는, d1) 산란파 신호에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하고, 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 주파수(frequency) 정보를 이용하여 다수의 속도 정보를 획득하며, 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 진폭(amplitude) 정보를 이용하여 다수의 공분산 행렬(covariance matrix)을 생성하는 전처리부, d2) 산란파 신호를 주파수 영역의 스펙트럼에서 브래그 피크(Bragg Peak)를 포함하는 영역인 1차 영역(First-order region)을 검출하는 1차 영역 검출부, d3) 상기 다수의 속도 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 속도 정보를 해류에 대한 속도 정보로 획득하며, 상기 다수의 공분산 행렬 중에 1차 영역 내에 포함되는 공분산 행렬인 1차 영역 공분산 행렬을 획득한 후, 1차 영역 공분산 행렬을 이용하여 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC algorithm)을 수행하여 그 결과로 해류에 대한 방향 정보를 획득하는 해류 정보 획득부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 분석부는, d1) 산란파 신호에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하여 주파수(frequency) 정보 및 진폭(amplitude) 정보를 도출하는 전처리부, d2) 산란파 신호를 주파수 영역의 스펙트럼에서 브래그 피크(Bragg Peak)를 포함하는 영역인 1차 영역(First-order region)을 검출하는 1차 영역 검출부, d3) 전처리부를 통해 도출된 주파수 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 주파수 정보를 이용하여 해류에 대한 속도 정보를 획득하며, 전처리부를 통해 도출된 진폭 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 진폭 정보를 이용하여 공분산 행렬(covariance matrix)을 획득한 후, 공분산 행렬을 이용하여 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC algorithm)을 수행하여 그 결과로 해류에 대한 방향 정보를 획득하는 해류 정보 획득부를 포함할 수 있다.
상기 해류 정보 획득부는, (1) 1차 영역 공분산 행렬로부터 도출되는 하기 식에서 Pm(θ)가 가지는 다수의 피크값 중에 2개의 피크값을 선택하되, 최대값을 갖는 제1피크값 및 제1피크값 외의 제2피크값를 선택 과정, (2) 제1피크값 및 제2피크값에 따라 기 설정된 기준 조건의 충족 여부를 판별하여, 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우에 제1피크값 및 제2피크값에 따른 2개의 θ 값을 상기 방향 정보로 획득하는 과정, (3) 상기 (2) 과정에서 기 설정 기준 조건에 미달하는 경우에 (1) 과정 및 (2) 과정를 반복 수행하되, 이전 (1) 과정에서 선택된 피크값을 제외한 다른 피크값을 제2피크값으로 선택하여 반복 수행하는 과정, (4) 상기 (3) 과정에 따라 반복 수행하여도 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우가 없는 때에 제1피크값에 따른 1개의 θ 값을 상기 방향 정보로 획득하는 과정을 수행할 수 있으며, 상기 제2피크값은 상기 (1) 과정 및 (3) 과정에서 제1피크값으로부터 멀리 떨어진 순서에 따라 차례로 선택될 수 있다.
(식)
Figure pat00002
(단, A(θ)는 안테나 패턴, A(θ)H는 안테나 패턴의 켤레복소수, EN은 잡음 고유 벡터[noise eigenvector], EN H은 잡음 고유 벡터의 켤레복소수)
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 해류 정보 측정 방법과 프로그램 및 이를 이용한 해양 레이더 시스템은 해류 정보 측정이 빠르면서 동시에 오류 발생 빈도가 낮아 국내 해안 환경에서의 운용에 최적화된 이점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 레이더 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 2는 분석부(7)의 구성 블록도를 나타낸다.
도 3 및 도 4는 분석부(7)에서 해류 정보가 측정되는 순서도를 나타낸다.
도 5는 산란파 신호에 대해 윈도우잉(windowing)하는 모습을 나타낸다.
도 6은 고속 푸리에 변환의 방향과 개수에 대한 모습을 나타낸다.
도 7은 해밍(Hamming) 윈도우 함수를 제1 윈도우 함수로 사용하고 블랙맨-누탈(Blackman-Nuttall) 윈도우 함수를 제2 윈도우 함수로 사용한 경우의 스펙트럼을 나타낸다.
도 8은 블랙맨(Blackman) 윈도우 함수를 제1 윈도우 함수로 사용하고 장방형(Rectangular) 윈도우 함수를 제2 윈도우 함수로 사용한 경우의 스펙트럼을 나타낸다.
도 9는 블랙맨(Blackman) 윈도우 함수를 제1 윈도우 함수로 사용하고 샤프쓰리텀(Sharp 3 term) 윈도우 함수를 제2 윈도우 함수로 사용한 경우의 스펙트럼을 나타낸다.
도 10은 각 영역 범위와 각 영역 범위에 대한 속도 정보 및 진폭 정보를 도시한 결과이다.
도 11은 어느 한 영역 범위에 대한 주파수 영역의 스펙트럼을 나타낸다.
도 12는 1차 영역을 검출하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 13은 smoothing point가 4, max range point가 20, Fdown가 11.8인 경우의 방사형 속도 맵을 나타낸다.
도 14는 smoothing point가 8, max range point가 40, Fdown가 20인 경우의 방사형 속도 맵을 나타낸다.
도 15는 다수의 피크점 중에 신호에 의한 피크점을 도출하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 16은 제1 선택 방법에 따른 방사형 속도 맵을 나타낸다.
도 17은 제2 선택 방법에 따른 방사형 속도 맵을 나타낸다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 레이더 시스템의 블록도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해양 레이더 시스템은 「Bragg Scattering」의 원리를 이용하여 해양 정보를 측정하는 시스템으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 안테나부(1), 송신부(3), 수신부(5) 및 분석부(7)를 포함한다. 이때, 해류 정보는 해상 교통 및 물류, 항만 운영을 위해 제공될 수 있는 정보로서, 해류의 속도 정보, 해류의 방향 정보 등을 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템은 측정된 해류 정보를 이용하여 해일 탐지를 위한 정보를 제공할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해양 레이더 시스템은 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식이나, FMCIW(Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave) 방식을 사용할 수 있다.
안테나부(1)는 다수의 안테나를 포함한다. 예를 들어, 안테나부(1)는 3개의 안테나를 포함할 수 있다. 즉, 안테나부(1)는 3 어레이(3-array) 안테나로 구현될 수 있다. 또한, 설치공간에 제약이 적은 이점을 위해, 안테나부(1)는 모노폴(monopole) 안테나 및 2개의 루프(loop) 안테나로도 구현될 수 있다. 이때, 안테나부(1)가 송신용으로 사용될 경우, 모노폴 안테나가 발파 전파의 신호를 송신할 수 있으며, 안테나부(1)가 수신용으로 사용될 경우, 모노폴 안테나 및 2개의 루프 안테나가 함께 방향 탐지(Direction Finding : DF)용으로 신호를 수신할 수 있다. 또한, 다만, 안테나의 개수와 종류 및 송수신 방법은 상술한 내용에 제한되지 않는다.
송신부(3)는 안테나부(1)에 연결되어 발사 전파의 신호를 송신하는 구성이다. 예를 들어, 송신부(3)는 3 어레이(3-array) 안테나 또는 모노폴 안테나와 연결될 수 있다. 송신부(3)는 송신 파워 증폭기를 별도로 설치하여 잡음을 감소시킬 수 있고, 송신 출력을 조절하여 원하는 세기의 신호를 송신할 수 있다.
예를 들어, 송신부(3)는 증폭기 및 가변저항을 포함할 수 있다. 증폭기는 가변저항을 통해 송신 출력을 조절하는 것으로서, 예를 들어, 1W ~ 100W로 송신 출력을 조절할 수 있다.
또한, 송신부(3)는 BPF(Band Pass Filter) 및 Step Attenuator를 포함할 수 있다. 이때, BPF는 송신부(3)에서 사용하는 주파수 대역(24 ~ 31MHz)으로 필터링(filtering)한다. Step Attenuator는 송신 출력을 조절하는 것으로서, 예를 들어, 송신 출력을 0/-3/-6/-9/-10/-13/-16/-19dB 단계로 조절할 수 있다.
수신부(5)는 안테나부(1)에 연결되며, 해류에 의해 반사되는 산란파 신호를 수신한다. 예를 들어, 수신부(5)는 3 어레이(3-array) 안테나에 연결되거나, 모노폴 안테나 및 2개의 루프 안테나와 연결될 수 있다. 수신부(5)는 안테나부(1)로부터 전달 받은 아날로그 신호와 로컬 발진부로부터 전달 받은 기준 신호를 Zero-IF로 주파수 변환하는 기능을 수행한다.
예를 들어, 수신부(5)는증폭기, BPF(Band Pass Filter, 스플리터(Splitter), 믹서(Mixer), LPF(Low Pass Filter) 및 OPAMP를 포함할 수 있다.
증폭기는 수신 신호를 증폭하며, BPF는 수신 신호 대역(24 ~ 31MHz)으로 필터링(filtering)을 수행한다. 스플리터는 수신 신호를 로컬 발진부의 I 채널 및 Q 채널로 분기하며, 믹서는 로컬 발진부에서 생성된 송신 신호와 혼합하여 주파수 Down Convert을 수행한다. LPF는 Down Convert 대역(DC ~ 300KHz)으로 필터링(filtering)을 수행하며, OPAMP는 Down Convert된 수신 신호 증폭한다.
수신부(5)는 입력단에 증폭기를 구비하고 출력단에 OPAMP를 구비함에 따라, 이득 조정을 통하여 Noise Figure는 낮출 수 있고, Dynamic Range는 향상시킬 수 있다. 또한, 수신부(5)는 안테나 수신 신호를 중간주파수(IF) 변환 없이 바로 기저 대역(baseband)으로 낮추는 Zero-IF 방식을 사용함으로써 그 수신 구조가 단순화될 수 있다.
도 2는 분석부(7)의 구성 블록도를 나타내고, 도 3 및 도 4는 분석부(7)에서 해류 정보가 측정되는 순서도를 나타낸다.
수신부(5)에 수신되어 처리된 산란파의 수신 신호는 ADC(Analog-Digital Converter)를 거쳐 분석부(7)에 입력되며, 분석부(7)는 해당 산란파의 수신 신호를 분석한다. 이때, ADC는 발진기에서 생성한 기준 신호를 사용하며, 이에 따라, 분석부(7)는 고속 푸리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform) 처리 시 시각 동기 및 자료 처리의 효율성이 향상될 수 있다.
분석부(7)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전처리부(71), 1차 영역 검출부(72) 및 해류 정보 획득부(73)를 포함한다. 전처리부(71), 1차 영역 검출부(72) 및 해류 정보 획득부(73)의 구체적인 기능에 대해서는 이하, 분석부(7)가 해류 정보를 측정하는 과정을 통해 설명하도록 한다.
즉, 전처리부(71)는 S11 및 S12이나 S21을 수행할 수 있으며, 1차 영역 검출부(72)는 S13이나 S22을 수행할 수 있다. 또한, 해류 정보 획득부(73)는 S14나 S23을 수행할 수 있다.
먼저, S11 내지 S14에 대해서 설명하도록 한다.
S11에서는 산란파 신호에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행한다. 고속 푸리에 변환의 결과로, 산란파 신호에 대한 주파수(frequency) 정보 및 진폭(amplitude) 정보가 도출될 수 있다. 이때, 고속 푸리에 변환은 각 안테나 별로 수행되어, 각 안테나에 수신된 산란파 신호에 대한 각 영역 범위(range cell)(또는 거리) 별 주파수 정보 및 진폭 정보가 도출될 수 있다. 도출된 주파수 정보 및 진폭 정보를 이용하면, 산란파 신호의 각 영역 범위 별 주파수 영역에 대한 스펙트럼(spectrum)을 획득할 수 있다.
도 5는 산란파 신호에 대해 윈도우잉(windowing)하는 모습을 나타내고, 도 6은 고속 푸리에 변환의 방향과 개수에 대한 모습을 나타낸다.
특히, S11에서는 1차원 고속 푸리에 변환을 수행한 후 2차원 고속 푸리에 변환을 수행한다. 이때, 각 안테나에 수신된 산란파 신호에 대해 윈도우 함수(window function)를 적용시키는 윈도우잉(windowing)을 수행한 후에 고속 푸리에 변환을 수행할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 산란파 신호에 대해 첩(chirp)의 크기(예를 들어, 2048 이며, 1은 10㎑ 간격) 마다 제1 윈도우 함수(first window function)를 적용시키고, 2차원 고속 푸리에 변환의 크기 마다(예를 들어, 2048×1024) 제2 윈도우 함수(second window function)를 적용시킨 후, 고속 푸리에 변환을 수행할 수 있다.
구체적으로, 윈도우 함수는 하기 식 1으로 나타낼 수 있으며, 그 종류는 a0 내지 a3의 값에 따라 달라진다.
(식 1)
Figure pat00003
예를 들어, 윈도우 함수는 장방형(Recangular), 해닝(Hanning), 해밍(Hamming), 샤프쓰리텀(Sharp 3 term), 쓰리텀(3 term), 블랙맨(Blackman), 샤프포텀(sharp 4 term), 누탈(Nuttall), 블랙맨-누탈(Blackman-Nuttall), 블랙맨-해리스(Blackman-harris) 등 중 어느 하나일 수 있다. 이들 윈도우 함수는 식 1의 a0 내지 a3의 값에 따라 달라지며, 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
윈도우 함수 파라미터
a0 a1 a2 a3
장방형(Recangular) 1 0 0 0
해닝(Hanning) 0.5 0.5 0 0
해밍(Hamming) 0.53836 0.46164 0 0
샤프쓰리텀(Sharp 3 term) 0.375 0.5 0.125 0
쓰리텀(3 term) 0.40897 0.5 0.09103 0
블랙맨(Blackman) 0.4243801 0.4973406 0.0782793 0
샤프포텀(sharp 4 term) 10/32 15/32 6/32 1/32
포텀(4 term) 0.338946 0.481973 0.161054 0.018027
누탈(Nuttall) 0.355768 0.487396 0.144232 0.012604
블랙맨-누탈
(Blackman-Nuttall)		 0.3635819 0.4891775 0.1365995 0.0106411
블랙맨-해리스
(Blackman-harris)		 0.35875 0.48829 0.14128 0.1168
즉, 고속 푸리에 변환의 결과는 선택한 윈도우 함수의 종류에 따라 그 결과가 달라진다.
도 7은 해밍(Hamming) 윈도우 함수를 제1 윈도우 함수로 사용하고 블랙맨-누탈(Blackman-Nuttall) 윈도우 함수를 제2 윈도우 함수로 사용한 경우의 스펙트럼을 나타낸다.
예를 들어, 해밍(Hamming) 윈도우 함수를 제1 윈도우 함수로 사용하고 블랙맨-누탈(Blackman-Nuttall) 윈도우 함수를 제2 윈도우 함수로 사용한 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 붉은색 박스 안의 스펙트럼에서 피크(peak)가 2개로 나눠져 도플러 주파수(Doppler frequency)를 도출하기 어려운 문제점이 생긴다.
도 8은 블랙맨(Blackman) 윈도우 함수를 제1 윈도우 함수로 사용하고 장방형(Rectangular) 윈도우 함수를 제2 윈도우 함수로 사용한 경우의 스펙트럼을 나타낸다.
또한, 블랙맨(Blackman) 윈도우 함수를 제1 윈도우 함수로 사용하고 장방형(Rectangular) 윈도우 함수를 제2 윈도우 함수로 사용한 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, 붉은색 박스 안의 스펙트럼에서 피크가 2개로 나눠져 도플러 주파수(Doppler frequency)를 도출하기 어려우며, 피크를 포함하는 스펙트럼 곡선도 완만하여 1차 영역(first-order region)을 결정하기 어려운 문제점이 생긴다.
즉, 국내 해양 환경의 해양 정보 획득을 위해서는 국내 해양 환경에 가장 적합한 윈도우 함수를 선택할 필요가 있다. 이를 위해, 표 1의 윈도우 함수들 중에 하나를 제1 윈도우 함수로 사용하고, 다른 하나를 제2 윈도우 함수로 사용하여 고속 푸리에 변환을 수행하였으며, 그 결과를 테스트해 보았다. 이때, 윈도우 함수 선택에 따른 고속 푸리에 변환의 결과를 테스트하기 위한 평가 기준으로, 피크(peak) 검출도, 피크 선예도(peak sharpness) 및 브래그 영역 광대역도(Bragg region Broadness)를 사용하였다.
즉, 보다 정확한 해양 정보 획득을 위해서는 고속 푸리에 변환의 결과에 따른 스펙트럼에서 피크의 구분이 명확해야 하고, 피크가 날카로워야 하며, 피크에서 잡음으로 떨어지는 경향이 빨라야 한다. 이러한 내용을 반영하여, 피크의 구분이 잘되는 정도에 따라 피크 검출도의 1 내지 5로 평가하였고, 피크의 날카로운 정도에 따라 피크 선예도의 1 내지 10으로 평가하였으며, 피크에서 잡음(noise)로 떨어지는 경향의 빠르기에 따라 브래그 영역 광대역도의 1 내지 10으로 평가하였다.
3개의 평가 기준의 값에 따른 최종 결과값은 하기 식 2를 통해 도출하였으며, 최종 결과값이 높은 상위 10개는 하기 표 2와 같이 나타났다.
(식 2)
최종 결과값 =피크 검출도 + 피크 선예도 - 2×|5-브래그 영역 광대역성|

제1 윈도우 함수
제2 윈도우 함수		 피크
검출도		 피크
선예도		 브래그 영역
광대역도		 최종
결과값
쓰리텀(3 term) 해닝(Hanning) 5.40625 7.5 7.54 7.82
포텀(4 term) 샤프포텀(sharp 4 term) 6.0625 7.8 7.64 8.58
블랙맨-해리스
(Blackman-harris)		 샤프포텀(sharp 4 term) 6.0625 7.8 7.75 8.36
해밍(Hamming) 블랙맨-해리스
(Blackman-harris)		 6.28125 8 10 4.28
해밍(Hamming) 해닝(Hanning) 6.53125 7.5 8.14 7.75
블랙맨-누탈
(Blackman-Nuttall)		 장방형(Recangular) 3.46875 7.5 7.04 6.88
블랙맨-누탈
(Blackman-Nuttall)		 샤프포텀(sharp 4 term) 6.0625 8.5 7.98 8.6
장방형(Recangular) 포텀(4 term) 6.3125 8 9.97 4.37
샤프포텀(sharp 4 term) 장방형(Recangular) 6.53125 7.5 7.77 8.49
블랙맨 ( Blackman ) 샤프쓰리텀 (sharp 3 term) 6.34375 8.5 8.01 8.82
테스트 결과, 표 2에 나타난 바와 같이, 블랙맨(Blackman) 윈도우 함수를 제1 윈도우 함수로 사용하고, 샤프쓰리텀(sharp 3 term) 윈도우 함수를 제2 윈도우 함수로 사용하는 경우에 최종 결과값이 가장 높은 것으로 분석되었다. 즉, 이들 윈도우 함수를 적용하여 1차 및 2차 고속 푸리에 변환을 수행하는 것이 국내 해양 환경에서의 해류 정보 측정에 가장 적합한 고속 푸리에 변환 방법인 것으로 분석되었다.
도 9는 블랙맨(Blackman) 윈도우 함수를 제1 윈도우 함수로 사용하고 샤프쓰리텀(Sharp 3 term) 윈도우 함수를 제2 윈도우 함수로 사용한 경우의 스펙트럼을 나타낸다.
블랙맨(Blackman) 윈도우 함수를 제1 윈도우 함수로 사용하고 샤프쓰리텀(Sharp 3 term) 윈도우 함수를 제2 윈도우 함수로 사용한 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 붉은색 박스 안의 스펙트럼에서 하나의 피크가 생기며, 피크를 포함하는 스펙트럼 곡선도 날카로워 1차 영역 결정이 용이하여, 국내 해양 환경에서의 해류 정보 측정에 적합한 것을 알 수 있다.
도 10은 각 영역 범위와 각 영역 범위에 대한 속도 정보 및 진폭 정보를 도시한 결과이다.
이후, S12에서는 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 주파수 정보를 이용하여 해류의 각 영역 범위에 대한 속도 정보(v)를 다수개 획득한다. 이때, 해류의 각 영역 범위에 대한 속도 정보는 하기 식 3을 이용하여 획득할 수 있다. 하기 식 3을 이용하여 속도 정보를 획득하는 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 각 영역 범위와 각 영역 범위에 대한 속도 정보 및 진폭 정보에 대한 스펙트럼을 나타낼 수 있다. 도 10에서 붉은색 점선은 각 영역 범위를 나타낸다.
(식 3)
Figure pat00004
식 3에서, fb는 예상 브래그 피크 주파수, f는 고속 푸리에 변환에 따른 주파수 정보, fc는 관측중심주파수(radar transmission frequency), c는 빛의 속도이다. 이때, fb는 해류의 각 영역 범위에서 도플러 주파수 이동(Doppler frequency shift)이 발생하지 않을 경우의 브래그 피크 주파수이다.
또한, S12에서는 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 진폭 정보를 이용하여 해류의 각 영역 범위에 대한 공분산 행렬(covariance matrix)(RX)을 다수개 생성한다. 이때, 해류의 각 영역 범위에 대한 공분산 행렬은 하기 식 4를 이용하여 생성할 수 있다. 참고로, 하기의 식 4는 안테나부(1)의 안테나가 3개인 경우에 대한 공분산 행렬(RX)을 나타낸다.
(식 4)
Figure pat00005
식 4에서 ai는 i번째 안테나에 대한 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 진폭 정보이고, ai *는 ai의 켤레복소수이다.
도 11은 어느 한 영역 범위에 대한 주파수 영역의 스펙트럼을 나타낸다.
이후, S13에서는, 도 11에 도시된 바와 같이, 산란파 신호를 해류의 각 영역 범위에 따른 주파수 영역의 스펙트럼에서 1차 영역(First-order region)을 검출한다. 이때, 1차 영역이란 브래그 피크(Bragg Peak)를 포함하는 영역을 지칭하는 것으로서, 실제 해류에 의해 발생하는 해류 정보를 포함하는 영역이다.
도 12는 1차 영역을 검출하는 과정을 나타낸 순서도이다.
S13은, 도 12에 도시된 바와 같이, S131 내지 S133을 포함할 수 있다.
고속 주파수 변환의 결과로 도출되는 각 주파수 정보 및 진폭 정보는 주파수 영역의 스펙트럼에서 각 주파수 포인트(frequency point)로 표시된다. 즉, 각 주파수 포인트의 값은 각 주파수 정보(예를 들어, 10㎑ 간격 마다)에 대한 진폭 정보를 의미한다.
S131에서는 주파수 영역의 스펙트럼에 표시되는 각 주파수 포인트의 값을 가공한 다수의 가공 주파수 포인트를 획득한다. 이때, 각 주파수 포인트와 그 주변 주파수 포인트들이 갖는 원래 값(고속 주파수 변환의 결과로 도출된 진폭 정보의 값)들의 평균값으로 각 주파수 포인트의 값을 가공한다.
예를 들어, 고속 주파수 변환 결과로 10㎑ 간격으로 진폭 정보를 도출하며, 4개의 주변 주파수 포인트의 원래 값을 이용하여 가공 주파수 포인트를 획득한 경우에 있어서, 24.6㎒에 대한 가공 주파수 포인트의 값을 살펴보도록 한다. 이때, 고속 주파수 변환 결과로 도출된 24.58㎒ 내지 24.62㎒(10㎑ 간격) 대역의 진폭 정보 값(원래 값)은 (단위 생략) 각각 20, 20.1, 20.2, 20.3 및 20.4이다. 이 경우, 24.6㎒의 가공 주파수 포인트의 값(가공 진폭 정보 값)은 (20+20.1+20.2+20.3+20.4)/5로 계산될 수 있다.
이후, S132에서는 다수의 가공 주파수 포인트 중에 예상 브래그 피크에 해당하는 가공 주파수 포인트와 그 주변 가공 주파수 포인트들 중에 최대값을 갖는 가공 주파수 포인트인 최대 가공 주파수 포인트를 획득한다.
예를 들어, 예상 브래그 피크가 26.7㎒이며, 4개의 주변 가공 주파수 포인트들 중에서 최대 가공 주파수 포인트를 획득하는 경우에 대해 살펴보도록 한다. 이때, 26.68㎒ 내지 26.72㎒(10㎑ 간격) 대역의 가공 주파수 포인트의 값은 (단위 생략) 각각 69.6, 69.7, 70.2, 70.4 및 69.8이다. 이 경우, 26.7㎒ 주변 가공 주파수 포인트 중 26.71㎒가 70.4인 최대값을 가진다. 따라서, 26.71㎒를 최대 가공 주파수 포인트로 획득한다.
이후, S133에서는 최대 가공 주파수 포인트의 값(Pmax) 보다 일정 크기 이상 작아지는 값을 갖는 가공 주파수 포인트인 널(null) 주파수 포인트를 최대 가공 주파수 포인트의 양쪽에서 하나씩 획득한다. 이때, 널 주파수 포인트의 값은 Pmax/Fdown 보다 작은 값을 가진다. 이후, 획득된 2개의 널 주파수 포인트 사이를 1차 영역으로 검출한다.
상술한 S132의 예에서, Pmax(70.4) 보다 5 만큼 작아지는 값(Fdown≒1.07)을 기준 크기로 지정하는 경우에 대해 살펴보도록 한다. 먼저, 65.4(Pmax/Fdown) 보다 작은 값을 가지는 가공 주파수 포인트를 26.71㎒의 양측에서 찾는다. 이때, 26.71㎒ 보다 작은 주파수 대역 중에서 26.6㎒가, 26.71㎒ 보다 큰 주파수 대역 중에서 26.8㎒이, 각각 26.71㎒와 가장 가까우면서 동시에 65.4 보다 작은 값을 가진다면, 26.6㎒ 및 26.8㎒를 각각 널 주파수 포인트로 지정한다. 이후, 26.6㎒ 내지 26.8㎒ 사이의 영역을 1차 영역으로 검출한다.
한편, (i) S131에서 사용하는 주변 주파수 포인트의 개수(이하, “smoothing point”라 지칭함), (ii) S132에서 사용하는 주변 가공 주파수 포인트의 개수(이하, “max range point”라 지칭함), (iii) S133에서의 Fdown의 값에 따라 1차 영역 검출의 특성이 달라지며, 이에 따라, 방사형 속도 맵(radial velocity map)에 도시되는 해류 검출 영역의 넓이 및 해류의 확실성이 달라진다.
도 13은 smoothing point가 4, max range point가 20, Fdown가 11.8인 경우의 방사형 속도 맵을 나타내며, 도 14는 smoothing point가 8, max range point가 40, Fdown가 20인 경우의 방사형 속도 맵을 나타낸다.
예를 들어, 도 13 및 도 14의 붉은색 박스 부분을 비교하면, 도 13에 도시된 smoothing point가 4, max range point가 20, Fdown가 11.8인 경우(이하, “제1조건”이라 지칭함)는 도 14에 도시된 smoothing point가 8, max range point가 40, Fdown가 20인 경우(이하, “제2조건이라 지칭함) 보다 해류 검출 영역이 더 좁게 나타난다. 이는 제1조건이 제2조건 보다 1차 영역이 더 좁기 때문이다. 즉, 해류 검출 영역에 있어서, 제2조건이 제1조건 보다 좋은 특성을 가진다. 반면, 제2조건은 제1조건의 경우 보다 불확실한 해류 정보가 더 많이 검출된다. 즉, 해류의 확실성에 있어서, 제1조건이 제2조건 보다 좋은 특성을 가진다.
즉, smoothing point, max range point 및 Fdown를 적당한 값으로 선택해야 충분한 해류 검출 영역을 확보하면서 동시에 해류의 불확실성을 최대한 제거할 수 있어, 국내 해양 환경에 적합한 해양 정보 획득할 수 있다. smoothing point, max range point 및 Fdown의 최적값 도출을 위해, 이들의 값을 변경하면서 그 결과를 테스트해 보았다. 이때, 해류 검출 영역의 넓이에 따라 50 내지 100으로 평가하였고, 불확실한 해류가 나타날 확률에 따라 0% 내지 100%로 평가하였다.
2개의 평가 기준의 값에 따른 최종 결과값은 하기 식 5를 통해 도출하였으며, 최종 결과값이 높은 상위 결과는 하기 표 3과 같이 나타났다.
(식 5)
최종 결과값 = 해류 검출 영역 - (불확실성 × 100)
Smoothing point Fdown Max range point 해류 검출 영역 불확실성 계
2 12 10 83.84 0.008241305 83.02
2 12 20 85.02 0 85.02
2 12 40 88.45 0.023435669 86.11
2 16 10 87.97 0.011781801 86.79
2 16 20 88.98 0.00388259 88.59
2 16 40 91.95 0.02629997 89.32
2 20 10 91.23 0.018935091 89.33
2 20 20 92.23 0.018730099 90.35
2 20 40 94.96 0.032743942 91.69
2 24 10 93.25 0.022230456 91.02
2 24 20 94.20 0.022006235 92.00
2 24 40 96.86 0.035669699 93.29
2 28 10 93.60 0.022070995 91.39
2 28 20 94.64 0.021826913 92.46
2 28 40 97.25 0.024781393 94.77
2 28 50 97.30 0.028308 94.47
6 12 10 89.00 0.019409938 87.06
6 12 20 89.81 0.019234468 87.88
6 12 40 92.10 0.033759706 88.73
6 16 10 92.69 0.022364694 90.45
6 16 20 93.45 0.022181966 91.23
6 16 40 95.58 0.025302729 93.05
6 20 10 95.27 0.02175805 93.09
6 20 20 96.04 0.02158351 93.88
6 20 40 98.10 0.024652228 95.63
6 24 10 97.16 0.021335609 95.02
6 24 20 97.98 0.021157305 95.86
6 24 40 100.00 0.024183797 97.58
6 24 50 99.87 0.027578599 97.11
6 28 10 97.22 0.021247211 95.10
6 28 20 98.06 0.021066676 95.95
6 28 40 99.88 0.024130442 97.46
6 28 50 99.87 0.02757955 97.11
10 12 10 49.69 0.041713014 45.52
10 12 20 50.11 0.041367899 45.97
10 12 40 51.18 0.05400297 45.78
10 16 10 51.34 0.040374134 47.30
10 16 20 51.77 0.040042712 47.76
10 16 40 52.79 0.052356021 47.55
10 20 10 52.47 0.039504872 48.52
10 20 20 52.91 0.039179835 48.99
10 20 40 53.92 0.051262335 48.79
10 24 10 53.14 0.032509753 49.88
10 24 20 53.59 0.032235188 50.36
10 24 40 54.59 0.044303797 50.16
테스트 결과, 표 3에 나타난 바와 같이, smoothing point, Fdown 및 max range point의 순서로 최종 결과값에 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 특히, smoothing point 및 Fdown가 최종 결과값에 가장 많이 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 즉, smoothing point 및 Fdown를 고려할 경우, smoothing point가 5 내지 7, Fdown가 22 내지 26일 때(이하, “제1범위”라 지칭함)에 높은 최종 결과값이 나타나는 것으로 분석되었다. 또한, smoothing point, Fdown 및 max range point를 모두 고려할 경우, smoothing point가 5 내지 7, Fdown가 22 내지 26, max range point가 38 내지 42일 때(이하, “제2범위”라 지칭함)에 가장 높은 최종 결과값이 나타나는 것으로 분석되었다. 따라서, 국내 해양 환경의 해양 정보를 측정하는 경우, 제1범위 내로 smoothing point 및 Fdown를 설정하거나, 제2범위 내로 smoothing point, Fdown 및 max range point를 설정하는 것이 바람직하다.
또한, S13에서는 각 안테나에 수신된 산란파 신호마다 해류의 각 영역 범위에 대한 상술한 1차 영역을 도출한 후, 도출된 1차 영역을 모두 합산한 영역을 최종 1차 영역으로 도출할 수 있다.
예를 들어, 제1안테나에 수신된 산란파 신호에 의한 어느 영역 범위의 1차 영역이 26.6㎒ 내지 26.8㎒이고, 제2안테나에 수신된 산란파 신호에 의한 어느 영역 범위의 1차 영역이 26.5㎒ 내지 26.9㎒이며, 제3안테나에 수신된 산란파 신호에 의한 어느 영역 범위의 1차 영역이 26.4㎒ 내지 26.7㎒인 경우를 살펴보도록 한다. 이 경우, 낮은 대역에서는 제3안테나에 의한 26.4㎒이 선택되고, 높은 대역에서는 제2안테나에 의한 26.9㎒가 선택되어, 최종 1차 영역은 26.4㎒ 내지 26.9㎒로 도출된다.
이후, S14에서는 S12에서 획득된 다수의 속도 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 속도 정보를 해류의 각 영역 범위에 대한 속도 정보로 획득한다. 예를 들어, 도 10를 참조하면, -0.81의 속도 대역과 0.2의 속도 대역에서 0 내지 25km의 영역 범위의 영역이 S13을 통해 1차 영역(검정색 선으로 표시)으로 획득되며, S14에서는 해당 1차 영역 내에 포함되는 속도 정보를 해류의 각 영역 범위에 대한 속도 정보로 획득한다.
또한, S14에서는 S12에서 생성된 다수의 공분산 행렬 중에 1차 영역 내에 포함되는 공분산 행렬을 획득한다. 이하, 1차 영역 내에 포함되는 공분산 행렬을 “인 1차 영역 공분산 행렬”라 지칭한다.
예를 들어, 도 10를 참조하면, -0.81의 속도 대역과 0.2의 속도 대역에서 0 내지 25km의 영역 범위의 영역이 S13을 통해 1차 영역(검정색 선으로 표시)으로 획득되며, S14에서는 해당 1차 영역 내에 포함되는 공분산 행렬을 해류의 각 영역 범위에 대한 1차 영역 공분산 행렬로 획득한다.
이후, S14에서는 획득된 1차 영역 공분산 행렬을 이용하여 다중 신호 분류 알고리즘(Multiple Signal Classification algorithm : MUSIC algorithm)을 수행하여 그 결과로 해류의 각 영역 범위에 대한 방향 정보를 획득한다.
다중 신호 분류 알고리즘은 신호의 입사방향(DoA : Direction of Arrival)를 추정하는 대표적인 알고리즘이다. 다중 신호 분류 알고리즘은 신호 공간(signal subspace)과 잡음 공간(noise subspace)이 서로 직교한다는 성질을 이용하여 공간 스펙트럼을 구하게 되고 공간 스펙트럼에서의 피크값을 신호의 입사방향으로 추정하는 알고리즘이다. 이때, 신호 공간과 잡은 공간은 공분산 행렬(covariance matrix)의 고유값 분석(Eigen-analysis)를 통해서 얻을 수 있다
M-array 안테나에 P개의 신호가 입사될 경우에 수신 신호는 하기의 식 6으로 나타낼 수 있다.
(식 6)
Figure pat00006
식 6에서 A는 안테나 패턴에 대한 지향 벡터 a(θι)의 집합으로서, A=[a(θ1),a(θ2),…a(θP)] 이다. 이때, a(Φ)=e- j2πdsinθ /λ이고, d는 안테나 소자간의 거리를 나타낸다. 신호 공간과 잡음 공간을 구하기 위한 공분산 행렬(RX)(full rank : M)은 아래의 식 7을 이용해서 구할 수 있다.
(식 7)
RX = E[(AS + N) (AS + N)H] = AE[SSH]AH + E[NNH] = ARSAH + RN
식 7에서, RS(rank : D)는 신호 공분산 행렬을 나타내며, RN(rank : M-D)는 는 잡음 공분산 행렬을 나타낸다. RX를 고유 분해하면 신호와 관련된 D개의 고유값(Eigenvalue)과 잡음에 관련된 M-D개의 고유값(Eigenvalue)이 도출된다.
예를 들어, 3개의 안테나에 2개의 신호 소스가 있다고 가정하는 경우, M이 3 이므로, 신호에 대한 2개의 고유값과, 잡음에 대한 1개의 고유값이 도출된다. 즉, 3개의 안테나를 이용하면 잡음 공간이 1개 이상 존재하므로, 최대 2개의 신호 공간을 구할 수 있다. 즉, 최대 2개의 방향 정보를 탐지 할 수 있다.
이론적으로 공분산 행렬의 고유 벡터(eigen vector)의 개수를 통해 신호의 개수를 구할 수 있지만, 실제 환경에서는 3개의 고유 벡터가 모두 나온다. 따라서, 실제 환경에 적용하기 위해, 1차 영역 공분산 행렬로부터 하기 식 8을 도출할 수 있다. 즉, 신호공간과 잡음공간이 직교하는 성질과 하기 식 8을 이용하면 신호의 방향 정보를 얻을 수 있으며, 하기 식 8은 두 평면의 Euclidean distance를 구하는 식의 역수이다.
(식 8)
Figure pat00007
식 8에서, A(θ)는 안테나 패턴, A(θ)H는 안테나 패턴의 켤레복소수, EN은 잡음 고유 벡터(noise eigenvector), EN H은 잡음 고유 벡터의 켤레복소수이다.
즉, 신호 공간과 잡음 공간이 서로 직교하므로, 식 8에서 Pm(θ)의 피크점에 해당하는 각도가 신호의 방향 정보에 해당한다. 이론적으로 식 8에서 Pm(θ)의 피크점은 1개 또는 2개가 도출되어야 하지만, 잡음 등의 여러 요인에 의해서 실제 환경에서는 더 많은 수의 피크점이 도출된다. 이때, 다수의 피크점 중 가장 큰 피크값(이하, “제1피크값”이라 지칭함)을 가지는 피크점은 신호에 의한 피크점에 해당하는 것이 분명하므로, 나머지 피크점들 중에 실제 신호에 의한 피크점이 있는지에 대한 확인 작업이 필요하다.
이하, 다수의 피크점 중에 신호에 의한 피크점을 도출하는 상세한 과정에 대하여 설명하도록 한다.
도 15는 다수의 피크점 중에 신호에 의한 피크점을 도출하는 과정을 나타낸 순서도이다.
즉, S14는 다수의 피크점 중에 신호에 의한 피크점을 도출하기 위해, 도 15에 도시된 바와 같이, S141 내지 S146을 포함한다.
먼저, S141에서는 1차 영역 공분산 행렬로부터 도출되는 식 8에서 Pm(θ)가 가지는 다수의 피크값 중에 2개의 피크값을 선택한다. 즉, S14에서는 각 영역 범위에 대한 1차 영역 공분산 행렬의 다수개 생성하며, 이에 따라, S141에서는 생성된 각 1차 영역 공분산 행렬로부터 식 8을 도출한 후, 식 8의 Pm(θ)가 가지는 다수의 피크점의 값(피크값) 중에 2개를 선택한다. 이때, S141에서는 최대값을 갖는 제1피크값과 제1피크값 외의 다른 피크점의 값인 제2피크값을 각각 선택한다.
S142에서는 S141에서 선택된 제1피크값 및 제2피크값에 따라 기 설정된 기준 조건의 충족 여부를 판별한다. 이때, 기준 조건은 3개가 있을 수 있으며, 3개 중 하나 이상을 충족하는지를 판별할 수 있다.
즉, 제1 기준 조건은 제1피크값 및 제2피크값의 신호에 의한 고유값의 비율이 일정 범위 내에 있는지에 대한 조건으로서, “(제1피크값의 신호에 의한 고유값 / 제2피크값의 신호에 의한 고유값) < 제1기준값”으로 나타낼 수 있다. 제2 기준 조건은 제1피크값 및 제2피크값의 신호 세기의 비율이 일정 범위 내에 있는지에 대한 조건으로서, “(제1피크값의 신호 크기 / 제2피크값의 신호 크기) < 제2기준값”으로 나타낼 수 있다. 제3 기준 조건은 제1피크값 및 제2피크값으로 구한 신호 공분산 행렬에서 대각 성분 곱과 비대각 성분 곱의 비율이 일정 크기 이상인지에 대한 조건으로서, “(신호 공분산 행렬의 대각 성분 곱 / 신호 공분산 행렬의 비대각 성분 곱) > 제3기준값”으로 나타낼 수 있다. 이때, 제1기준값 내지 제3기준값은 사용자의 설정에 따라 달라질 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.
S142에서 기 설정 기준 조건에 충족하면 S143을 수행하며, 기 설정 기준 조건에 미달하면 S144를 수행한다.
S142에서 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우, S143에서는 S141에서 선택된 제1피크값 및 제2피크값에 따른 2개의 θ 값을 해당 범위 영역의 방향 정보로 획득한다.
S142에서 기 설정 기준 조건에 충족 미달하는 경우, S144에서는 남은 피크값 중에 선택된 적이 없는 피크값이 있는지 판별한다. S144에서 선택된 적이 없는 피크값이 있으면 S145를 수행하고, 선택된 적이 없는 피크값이 없으면 S146를 수행한다.
S144에서 선택된 적이 없는 피크값이 있는 경우, S145에서는 제1피크값 및 다른 제2피크값을 선택한다. 이때, 선택되는 다른 제2피크값은 S141 또는 이전 S145에서 선택되지 않았던 피크값 중에서 선택한다. 제1피크값 및 다른 제2피크값을 선택한 이후, 다시 S142를 수행한다.
선택된 적이 없는 피크값이 없는 경우, S146에서는 제1피크값에 따른 1개의 θ 값을 해당 범위 영역의 방향 정보로 획득한다.
한편, S141과 S145에서 다수의 피크값 중에 제2피크값을 선택하는 순서에 따라 신호에 의한 피크점 도출 특성이 달라질 수 있다. 이때, 신호에 의한 피크점 도출 특성은 도출 시간 및 도출 결과의 오류 발생 빈도에 대한 내용을 포함한다.
즉, 신호에 의한 피크점의 도출 시간 및 도출 결과의 오류 발생을 최소한으로 줄이기 위해, S141 및 S145에서는 다수의 피크값 중에 제1피크값으로부터 멀리 떨어진 순서(멀리 떨어진 것부터 시작하여 가까이 있는 것까지의 순서)에 따라 차례로 제2피크값을 선택한다. 이하, 이와 같은 선택 방법을 제1 선택 방법이라 한다.
예를 들어, θ가 (단위 생략) 각각 30, 33, 35, 38 및 45인 경우에 피크점이 발생하고, 이들의 피크값이 각각 60, 68, 80, 70 및 75인 경우에 대해 살펴보도록 한다. 이 경우, θ=35인 피크점에서 80의 제1피크값을 가진다. 따라서, 제2피크값은 (1) θ=45인 75의 피크값, (2) θ=30인 60의 피크값, (3) θ=38인 70의 피크값, (4) θ=33인 68의 피크값의 순서로 해당 피크값을 제2피크값으로 선택한다.
한편, S141 및 S145에서는 다수의 피크값 중에 피크값이 작은 것부터 큰 것까지의 순서에 따라 차례로 제2피크값을 선택할 수도 있다. 이하, 이와 같은 선택 방법을 제2 선택 방법이라 한다.
제1 선택 방법의 상술한 예의 경우에서 제2 선택 방법을 사용하면, 제1피크값은 제1 선택 방법과 동일하게 θ=35인 피크점에서 80이다. 하지만, 제2피크값은 (1) θ=30인 60의 피크값, (2) θ=33인 68의 피크값, (3) θ=38인 70의 피크값, (4) θ=45인 75의 피크값의 순서로 해당 피크값을 제2피크값으로 선택한다.
도 16은 제1 선택 방법에 따른 방사형 속도 맵을 나타내며, 도 17은 제2 선택 방법에 따른 방사형 속도 맵을 나타낸다.
하지만, 도 16 및 도 17의 붉은색 박스 부분을 비교하면, 제2 선택 방법은 제1 선택 방법에 따른 방사형과 비교해 오류 발생 빈도가 높은 단점이 있다.
또한, S141 내지 S146의 방법을 수행하는 대신, 2개의 θ이 나올 때까지 각 Pmu(θ)의 값을 그 주변 Pmu(θ)의 값들의 평균값으로 평활화(smoothing) 처리하여 2개의 피크값을 선택할 수도 있다. 이하, 이와 같은 선택 방법을 제3 선택 방법이라 한다. 하지만, 제3 선택 방법은 평활화 처리 과정이 추가되어 하므로, 제1 선택 방법과 비교해 신호에 의한 피크점의 도출 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
제1 선택 방법 내지 제3 선택 방법의 성능을 직접적으로 비교하기 위해, 이들 선택 방법의 성능에 대한 테스트를 수행하였다. 즉, 피크점의 도출 시간을 분 단위로 측정하였고, 피크점 도출 결과의 오류 발생 확률에 따라 0 내지 100%로 평가하였다. 2개의 평가 기준의 값에 따른 최종 결과값은 하기 식 9를 통해 도출하였으며, 최종 결과값이 높은 상위 결과는 하기 표 4와 같이 나타났다.
(식 9)
[1/(시간 + 오류 발생 확률 × 100)] × 100 = 최종 결과값
시간(분) 오류 발생 확률 최종 결과값
제1 선택 방법 10 0.021 8.2
제2 선택 방법 1 미만 0.035 22.2
제3 선택 방법 1 미만 0.021 32.2
테스트 결과, 표 4에 나타난 바와 같이, 제3 선택 방법이 신호에 의한 피크점의 도출 시간 및 도출 결과의 오류 발생이 가장 낮은 것으로 분석되었다. 따라서, 국내 해양 환경의 해양 정보를 측정하는 경우, 제3 선택 방법을 이용하여 신호에 의한 피크점을 선택하는 것이 바람직하다.
다음으로, S21 내지 S23에 대해서 설명하도록 한다.
먼저, S21에서는 산란파 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 수행한다. 이때, 고속 푸리에 변환에 대한 내용은 S11에서 상술한 내용(제1 윈도우 함수 및 제2 윈도우 함수에 대한 내용과, 도 5 내지 도 9에 대한 내용과, 표 1 및 표 2에 대한 내용과, 식 1 및 식 2에 대한 내용 포함)과 동일하므로, 이하 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
S22에서는 산란파 신호에 대한 주파수 영역의 스펙트럼에서 브래그 피크(Bragg Peak)를 포함하는 영역인 1차 영역을 검출한다. 1차 영역의 검출에 대한 내용은 S13에서 상술한 내용(도 11 내지 도 14에 대한 내용과, 표 3에 대한 내용과, 식 5에 대한 내용 포함)과 동일하므로, 이하 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
S22는, 도 12에 도시된 바와 같이, S221 내지 S223을 포함할 수 있다. 이때, S221은 S131의 내용과 동일하고, S222의 내용은 S132에 대한 내용과 동일하며, S223의 내용은 S133의 내용과 동일하므로, 이들에 대한 설명은 생략하도록 한다.
S23에서는 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 주파수 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 주파수 정보를 이용하여 해류의 각 영역 범위에 대한 속도 정보를 획득한다. 이때, 해류의 각 영역 범위에 대한 속도 정보는 식 3을 이용하여 획득할 수 있다
또한, S23에서는 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 진폭 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 진폭 정보를 이용하여 해류의 각 영역 범위에 대한 1차 영역 공분산 행렬을 획득한다. 이때, 해류의 각 영역 범위에 대한 1차 영역 공분산 행렬은 식 4를 이용하여 획득할 수 있다.
이후, S23에서는 1차 영역 공분산 행렬을 이용하여 다중 신호 분류 알고리즘을 수행하여 그 결과로 해류의 각 영역 범위에 대한 방향 정보를 획득한다. 다중 신호 분류 알고리즘에 대한 내용은 상술한 S14의 내용(식 6 내지 식 9에 대한 내용과, 도 15 내지 도 17에 대한 내용과, 표 4에 대한 내용 포함)과 동일하므로, 이하 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
또한, S23은 다수의 피크점 중에 신호에 의한 피크점을 도출하기 위해, 도 15에 도시된 바와 같이, S231 내지 S236을 포함한다. S231의 내용은 S141의 내용과, S232의 내용은 S142의 내용과, S233의 내용은 S143의 내용과, S234의 내용은 S144의 내용과 S235의 내용은 S145의 내용과, S236의 내용은 S146의 내용과 동일하므로, 이하 이들에 대한 설명은 생략하도록 한다.
S11 내지 S14에서는 고속 푸리에 변환 수행 후, 고속 푸리에 변환 수행에 따른 주파수 정보 및 진폭 정보를 이용하여, 각 영역 범위에 대한 모든 속도 정보 및 공분산 행렬을 생성한다. 이후, 1차 영역을 검출하여, 이미 생성된 속도 정보 및 공분산 행렬 중에서 1차 영역 내에 포함되는 속도 정보 및 공분산 행렬을 추출한다. 이때, S12에서 수행하는 속도 정보 및 공분산 행렬을 생성하는 과정은 하드웨어적으로 구현하여 해당 과정의 속도를 높일 수 있다.
반면, S21 내지 S23에서는 고속 푸리에 변환 수행 후, 1차 영역을 검출한다. 이후, 고속 푸리에 변환 수행에 따른 주파수 정보 및 진폭 정보를 이용하여 1차 영역 내에 포함되는 속도 정보 및 공분산 행렬을 계산하여 추출한다.
S14 및 S23 이후에는 S14 및 S23을 통해 획득한 해류의 각 영역 범위에 대한 속도 정보 및 방향 정보를 도 13, 도 14, 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같은 방사형 속도 맵으로 도시할 수 있다. 즉, 방사형 속도 맵(radial velocity map)은 해류의 각 영역 범위에 대한 속도 정보 및 방향 정보가 표시된 맵이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 해류 정보 측정 프로그램은 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 해류 정보 측정 방법에 따라 해류 정보 측정을 수행하기 위해 매체에 저장된 프로그램이다. 예를 들어, 해류 정보 측정 프로그램은 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록 매체 내에 기록될 수 있다.
예를 들어, 기록 매체는 하드디스크 타입(hard disk type), 마그네틱 매체 타입(magnetic media type), CD-ROM(compact disc read only memory), 광기록 매체 타입(Optical Media type), 자기-광 매체 타입(magneto-optical media type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 플래시 메모리 타입(flash memory type), 롬(read only memory; ROM), 램(random access memory; RAM), 또는 이들의 조합으로 구성된 메모리로 이루어지는 버퍼, 주기억장치, 또는 보조기억장치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 프로그램은, 입력장치에 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(Local Area Network), WLAN(Wide LAN), 또는 SAN(Storage Area Network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1 : 안테나부 3 : 송신부
5 : 수신부 7 : 분석부

Claims (10)

  1. 해류에 의해 반사되는 발사 전파의 산란파를 수신하는 해양 레이더 시스템이 속도 정보 및 방향 정보를 포함하는 해류 정보를 측정하기 위해 수행하는 해류 정보 측정 방법으로서,
    (a) 산란파 신호에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하고, 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 주파수(frequency) 정보를 이용하여 다수의 속도 정보를 획득하며, 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 진폭(amplitude) 정보를 이용하여 다수의 공분산 행렬(covariance matrix)을 생성하는 단계;
    (b) 산란파 신호에 대한 주파수 영역의 스펙트럼에서 브래그 피크(Bragg Peak)를 포함하는 영역인 1차 영역(First-order region)을 검출하는 단계; 및
    (c) 상기 다수의 속도 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 속도 정보를 해류에 대한 속도 정보로 획득하며, 상기 다수의 공분산 행렬 중에 1차 영역 내에 포함되는 공분산 행렬인 1차 영역 공분산 행렬을 획득한 후, 1차 영역 공분산 행렬을 이용하여 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC algorithm)을 수행하여 그 결과로 해류에 대한 방향 정보를 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 해류 정보 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    c1) 1차 영역 공분산 행렬로부터 도출되는 하기 식에서 Pm(θ)가 가지는 다수의 피크값 중에 2개의 피크값을 선택하되, 최대값을 갖는 제1피크값 및 제1피크값 외의 제2피크값를 선택하는 단계;
    c2) 제1피크값 및 제2피크값에 따라 기 설정된 기준 조건의 충족 여부를 판별하여, 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우에 제1피크값 및 제2피크값에 따른 2개의 θ 값을 상기 방향 정보로 획득하는 단계;
    c3) 상기 c2) 단계에서 기 설정 기준 조건에 미달하는 경우에 c1) 단계 및 c2) 단계를 반복 수행하되, 이전 c1) 단계에서 선택된 피크값을 제외한 다른 피크값을 제2피크값으로 선택하여 반복 수행하는 단계; 및
    c4) 상기 c3) 단계에 따라 반복 수행하여도 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우가 없는 때에 제1피크값에 따른 1개의 θ 값을 상기 방향 정보로 획득하는 단계;를 더 포함하되,
    상기 제2피크값은 상기 c1) 단계 및 c3) 단계에서 제1피크값으로부터 멀리 떨어진 순서에 따라 차례로 선택되는 것을 특징으로 하는 해류 정보 측정 방법.
    (식)
    Figure pat00008

    (단, A(θ)는 안테나 패턴, A(θ)H는 안테나 패턴의 켤레복소수, EN은 잡음 고유 벡터[noise eigenvector], EN H은 잡음 고유 벡터의 켤레복소수)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b)는,
    b1) 상기 스펙트럼에 표시되는 각 주파수 포인트의 값을 가공하되, 각 주파수 포인트와 그 주변 주파수 포인트들이 갖는 원래 값들의 평균값으로 가공하여, 다수의 가공 주파수 포인트를 획득하는 단계;
    b2) 다수의 가공 주파수 포인트 중에 예상 브래그 피크에 해당하는 가공 주파수 포인트와 그 주변 가공 주파수 포인트들 중에 최대값을 갖는 가공 주파수 포인트인 최대 가공 주파수 포인트를 획득하는 단계; 및
    b3) 최대 가공 주파수 포인트의 값(Pmax) 보다 일정 크기 이상 작아지는 값을 갖는 가공 주파수 포인트인 널(null) 주파수 포인트를 최대 가공 주파수 포인트의 양쪽에서 하나씩 획득하며, 획득된 2개의 널 주파수 포인트 사이를 상기 1차 영역으로 검출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해류 정보 측정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 b1) 단계는 5개 내지 7개의 주변 주파수 포인트를 이용하여 평균값을 획득하고,
    상기 b2) 단계는 38개 내지 42개의 주변 가공 주파수 포인트를 이용하여 최대 가공 주파수 포인트를 획득하며,
    상기 널 주파수 포인트의 값은 Pmax/Fdown 보다 작은 값을 가지되 Fdown가 22 내지 26인 것을 특징으로 하는 해류 정보 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    1차원 고속 푸리에 변환을 수행한 후 2차원 고속 푸리에 변환을 수행하되, 산란파 신호에 대해 첩(chirp)의 크기 마다 제1 윈도우 함수(first window function)를 적용시키고, 2차원 고속 푸리에 변환의 크기 마다 제2 윈도우 함수(second window function)를 적용시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해류 정보 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 윈도우 함수로는 블랙맨(Blackman) 윈도우 함수를 사용하며,
    상기 제2 윈도우 함수로는 샤프쓰리텀(sharp 3 term) 윈도우 함수를 사용하는 것을 특징으로 하는 해류 정보 측정 방법.
  7. 해류에 의해 반사되는 발사 전파의 산란파를 수신하는 해양 레이더 시스템이 속도 정보 및 방향 정보를 포함하는 해류 정보를 측정하기 위해 수행하는 해류 정보 측정 방법으로서,
    (a) 산란파 신호에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하는 단계;
    (b) 산란파 신호에 대한 주파수 영역의 스펙트럼에서 브래그 피크(Bragg Peak)를 포함하는 영역인 1차 영역(First-order region)을 검출하는 단계; 및
    (c) 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 주파수(frequency) 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 주파수 정보를 이용하여 해류에 대한 속도 정보를 획득하며, 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 진폭(amplitude) 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 진폭 정보를 이용하여 공분산 행렬(covariance matrix)을 획득한 후, 공분산 행렬을 이용하여 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC algorithm)을 수행하여 그 결과로 해류에 대한 방향 정보를 획득하는 단계;를 포함하며,
    상기 (c) 단계는,
    c1) 공분산 행렬로부터 도출되는 하기 식에서 Pm(θ)가 가지는 다수의 피크값 중에 2개의 피크값을 선택하되, 최대값을 갖는 제1피크값 및 제1피크값 외의 제2피크값를 선택하는 단계;
    c2) 제1피크값 및 제2피크값에 따라 기 설정된 기준 조건의 충족 여부를 판별하여, 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우에 제1피크값 및 제2피크값에 따른 2개의 θ 값을 상기 방향 정보로 획득하는 단계;
    c3) 상기 c2) 단계에서 기 설정 기준 조건에 미달하는 경우에 c1) 단계 및 c2) 단계를 반복 수행하되, 이전 c1) 단계에서 선택된 피크값을 제외한 다른 피크값을 제2피크값으로 선택하여 반복 수행하는 단계; 및
    c4) 상기 c3) 단계에 따라 반복 수행하여도 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우가 없는 때에 제1피크값에 따른 1개의 θ 값을 상기 방향 정보로 획득하는 단계;를 더 포함하되,
    상기 제2피크값은 상기 c1) 단계 및 c3) 단계에서 제1피크값으로부터 멀리 떨어진 순서에 따라 차례로 선택되는 것을 특징으로 하는 해류 정보 측정 방법.
    (식)
    Figure pat00009

    (단, A(θ)는 안테나 패턴, A(θ)H는 안테나 패턴의 켤레복소수, EN은 잡음 고유 벡터[noise eigenvector], EN H은 잡음 고유 벡터의 켤레복소수)
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 해류 정보 측정 방법에 따라 해류 정보를 측정하기 위해 매체에 저장된 해류 정보 측정 프로그램.
  9. 다수의 안테나로 이루어진 안테나부;
    안테나부와 연결되어 발사 전파의 신호를 송신하는 송신부;
    안테나부와 연결되어 해류에 의해 반사되는 산란파 신호를 수신하는 수신부; 및
    수신부에 수신된 산란파 신호를 분석하는 분석부;를 포함하며,
    상기 분석부는,
    산란파 신호에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하고, 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 주파수(frequency) 정보를 이용하여 다수의 속도 정보를 획득하며, 고속 푸리에 변환을 통해 도출한 진폭(amplitude) 정보를 이용하여 다수의 공분산 행렬(covariance matrix)을 생성하는 전처리부;
    산란파 신호를 주파수 영역의 스펙트럼에서 브래그 피크(Bragg Peak)를 포함하는 영역인 1차 영역(First-order region)을 검출하는 1차 영역 검출부; 및
    상기 다수의 속도 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 속도 정보를 해류에 대한 속도 정보로 획득하며, 상기 다수의 공분산 행렬 중에 1차 영역 내에 포함되는 공분산 행렬인 1차 영역 공분산 행렬을 획득한 후, 1차 영역 공분산 행렬을 이용하여 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC algorithm)을 수행하여 그 결과로 해류에 대한 방향 정보를 획득하는 해류 정보 획득부;를 포함하며,
    상기 해류 정보 획득부는,
    (1) 1차 영역 공분산 행렬로부터 도출되는 하기 식에서 Pm(θ)가 가지는 다수의 피크값 중에 2개의 피크값을 선택하되, 최대값을 갖는 제1피크값 및 제1피크값 외의 제2피크값를 선택 과정;
    (2) 제1피크값 및 제2피크값에 따라 기 설정된 기준 조건의 충족 여부를 판별하여, 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우에 제1피크값 및 제2피크값에 따른 2개의 θ 값을 상기 방향 정보로 획득하는 과정;
    (3) 상기 (2) 과정에서 기 설정 기준 조건에 미달하는 경우에 (1) 과정 및 (2) 과정를 반복 수행하되, 이전 (1) 과정에서 선택된 피크값을 제외한 다른 피크값을 제2피크값으로 선택하여 반복 수행하는 과정; 및
    (4) 상기 (3) 과정에 따라 반복 수행하여도 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우가 없는 때에 제1피크값에 따른 1개의 θ 값을 상기 방향 정보로 획득하는 과정;을 수행하며,
    상기 제2피크값은 상기 (1) 과정 및 (3) 과정에서 제1피크값으로부터 멀리 떨어진 순서에 따라 차례로 선택되는 것을 특징으로 하는 해양 레이더 시스템.
    (식)
    Figure pat00010

    (단, A(θ)는 안테나 패턴, A(θ)H는 안테나 패턴의 켤레복소수, EN은 잡음 고유 벡터[noise eigenvector], EN H은 잡음 고유 벡터의 켤레복소수)
  10. 다수의 안테나로 이루어진 안테나부;
    안테나부와 연결되어 발사 전파의 신호를 송신하는 송신부;
    안테나부와 연결되어 해류에 의해 반사되는 산란파 신호를 수신하는 수신부; 및
    수신부에 수신된 산란파 신호를 분석하는 분석부;를 포함하며,
    상기 분석부는,
    산란파 신호에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하여 주파수(frequency) 정보 및 진폭(amplitude) 정보를 도출하는 전처리부;
    산란파 신호를 주파수 영역의 스펙트럼에서 브래그 피크(Bragg Peak)를 포함하는 영역인 1차 영역(First-order region)을 검출하는 1차 영역 검출부; 및
    전처리부를 통해 도출된 주파수 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 주파수 정보를 이용하여 해류에 대한 속도 정보를 획득하며, 전처리부를 통해 도출된 진폭 정보 중에 1차 영역 내에 포함되는 진폭 정보를 이용하여 공분산 행렬(covariance matrix)을 획득한 후, 공분산 행렬을 이용하여 다중 신호 분류 알고리즘(MUSIC algorithm)을 수행하여 그 결과로 해류에 대한 방향 정보를 획득하는 해류 정보 획득부;를 포함하며,
    상기 해류 정보부는,
    (1) 공분산 행렬로부터 도출되는 하기 식에서 Pm(θ)가 가지는 다수의 피크값 중에 2개의 피크값을 선택하되, 최대값을 갖는 제1피크값 및 제1피크값 외의 제2피크값를 선택하는 과정;
    (2) 제1피크값 및 제2피크값에 따라 기 설정된 기준 조건의 충족 여부를 판별하여, 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우에 제1피크값 및 제2피크값에 따른 2개의 θ 값을 상기 방향 정보로 획득하는 과정;
    (3) 상기 (2) 과정에서 기 설정 기준 조건에 미달하는 경우에 (1) 과정 및 (2) 과정을 반복 수행하되, 이전 (1) 과정에서 선택된 피크값을 제외한 다른 피크값을 제2피크값으로 선택하여 반복 수행하는 과정; 및
    (4) 상기 (3) 과정에 따라 반복 수행하여도 기 설정 기준 조건에 충족하는 경우가 없는 때에 제1피크값에 따른 1개의 θ 값을 상기 방향 정보로 획득하는 과정;을 수행하며,
    상기 제2피크값은 상기 (1) 과정 및 (3) 과정에서 제1피크값으로부터 멀리 떨어진 순서에 따라 차례로 선택되는 것을 특징으로 하는 해양 레이더 시스템.
    (식)
    Figure pat00011

    (단, A(θ)는 안테나 패턴, A(θ)H는 안테나 패턴의 켤레복소수, EN은 잡음 고유 벡터[noise eigenvector], EN H은 잡음 고유 벡터의 켤레복소수)
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111220961A (zh) * 2020-01-21 2020-06-02 中科卫星应用德清研究院 一种Ku波段VV极化水面后向散射特性的半经验模型
KR20210077134A (ko) 2019-12-17 2021-06-25 주식회사 앤씽크 해류 측정장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3270843B2 (ja) 1999-03-17 2002-04-02 独立行政法人 港湾空港技術研究所 短波海洋レーダによる波浪方向スペクトル抽出法
JP3783058B2 (ja) 2003-07-19 2006-06-07 独立行政法人情報通信研究機構 レーダ画像からの波浪方向スペクトル逆推定方法及びシステム
KR101534620B1 (ko) 2014-01-22 2015-07-24 한국해양과학기술원 해상 유출유 탐지 방법 및 장치

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210077134A (ko) 2019-12-17 2021-06-25 주식회사 앤씽크 해류 측정장치
CN111220961A (zh) * 2020-01-21 2020-06-02 中科卫星应用德清研究院 一种Ku波段VV极化水面后向散射特性的半经验模型
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