KR20190012069A - 지상배열안테나 시스템 및 지상배열안테나 시스템에서 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법 - Google Patents

지상배열안테나 시스템 및 지상배열안테나 시스템에서 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법 Download PDF

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Abstract

상공의 탐지 영역을 향해 송신 신호들을 방사하는 하나 이상의 송신 안테나; 일정한 간격으로 배열되어 탐지 영역으로부터 반사된 수신 신호들을 수신하는 복수의 수신 안테나들; 및 수신된 수신 신호들을 처리하여 탐지 영역의 이미지를 획득하는 프로세서를 포함하고, 복수의 수신 안테나들 간의 간격은 탐지 영역으로부터 반사되어 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 수신 신호들의 최대입사각에 반비례하도록 결정되는, 지상배열안테나 시스템이 개시된다.

Description

지상배열안테나 시스템 및 지상배열안테나 시스템에서 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법{Ground-based Array Antenna System and Method for Obtaining an Image of Detection Region in the Sky using the Ground-based Array Antenna System}
본 개시는 지상배열안테나 시스템 및 지상배열안테나 시스템에서 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법에 관한 것이다.
지상 안테나를 이용하여 상공의 표적을 감시 및 정찰하는 레이더 시스템은 국방에 있어 매우 중요한 역할을 하고 있다. 더 높은 해상도 및 탐지율을 갖는 레이더 시스템을 개발하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있다.
일반적으로 표적을 감시 및 정찰하기 위해 사용되는 레이더 시스템은 좁은 빔 폭을 가진 안테나를 이용하여 상공을 기계적으로 스캔함으로써 특정 지역을 감시한다. 예를 들어, 배열 안테나로부터 형성된 빔을 이용하여 빔 조향(beam steering)하는 레이더 시스템이 있다. 다만, 빔 조향 방식을 이용하는 레이더 시스템은 상공을 스캔하는데 시간이 많이 소요되므로, 속도가 빠른 표적을 놓치는 단점이 있다. 또한, 빔 조향 방식을 이용하는 레이더 시스템은 낮은 SINR(Signal-to-Interference-pulse-Noise ratio)을 가지므로, 저피탐(low Rader Cross Section: low RCS) 특성을 갖는 표적을 탐지하기 어려울 수 있다. 따라서, 특정 지역에 대한 정보를 단시간에 조사하고, 이동하는 표적에 대해 높은 SINR을 갖는 레이더 시스템이 요구된다.
다양한 실시예들은 지상배열안테나 시스템 및 지상배열안테나 시스템에서 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법을 제공하는데 있다. 본 개시가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 일 측면에 따른 지상배열안테나 시스템은, 상공의 탐지 영역을 향해 송신 신호들을 방사하는 하나 이상의 송신 안테나; 일정한 간격으로 배열되어 상기 탐지 영역으로부터 반사된 수신 신호들을 수신하는 복수의 수신 안테나들; 및 상기 수신된 수신 신호들을 처리하여 상기 탐지 영역의 이미지를 획득하는 프로세서를 포함하고, 상기 복수의 수신 안테나들 간의 간격은 상기 탐지 영역으로부터 반사되어 상기 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 상기 수신 신호들의 최대입사각에 반비례하도록 결정될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 하나 이상의 송신 안테나 및 복수의 수신 안테나들은 모노스태틱 구조 또는 바이스태틱 구조로 배치될 수 있다.
또한, 복수의 수신 안테나들 간의 간격을
Figure pat00001
, 수신 신호들의 파장을
Figure pat00002
, 탐지 영역으로부터 반사되어 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 수신 신호들의 최대입사각을
Figure pat00003
라고 할 때, 간격
Figure pat00004
는 수학식
Figure pat00005
의 조건을 만족하도록 결정될 수 있다.
한편, 프로세서는 탐지 영역을 복수의 부분 탐지영역들로 분할하고, 복수의 부분 탐지영역들로부터 반사된 신호들을 복수의 수신 안테나들을 이용하여 획득하며, 획득된 신호들에 기초하여 분할된 부분 탐지영역들 각각에 대한 이미지를 획득하고, 분할된 부분 탐지영역들 각각에 대한 이미지를 결합하여 탐지 영역의 이미지를 획득할 수 있다. 이 경우, 복수의 수신 안테나들 간의 간격을
Figure pat00006
, 수신 신호들의 파장을
Figure pat00007
, 복수의 부분 탐지 영역들 중 어느 하나로부터 반사되어 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 수신 신호들의 최대입사각을
Figure pat00008
라고 할때, 간격
Figure pat00009
는 수학식
Figure pat00010
의 조건을 만족하도록 결정될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 프로세서는 수신된 수신 신호들로부터 원시 데이터(raw data)를 획득하고, SAR(Synthetic Aperture Radar) 과정을 적용하여 원시 데이터를 처리할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 수신된 수신 신호들로부터 원시 데이터(raw data)를 획득하고, SAR(Synthetic Aperture Radar) 과정을 적용하여 원시 데이터를 처리할 수 있다.
일부 실시예에서, 송신 신호들은 LFM(Linear Frequency Modulation) 형태의 펄스 신호이고, 프로세서는 송신 신호들의 거리 방향 처프 레이트(chirp rate)를
Figure pat00011
, 시간을
Figure pat00012
라고 할 때, 수학식
Figure pat00013
을 만족하는 정합필터
Figure pat00014
을 이용하여 거리 방향 압축을 수행할 수 있다.
또한, 프로세서는 송신 신호들의 방위 방향 처프 레이트를
Figure pat00015
, 복수의 수신 안테나들의 방위 좌표를
Figure pat00016
라고 할 때, 수학식
Figure pat00017
을 만족하는 정합필터
Figure pat00018
를 이용하여 방위 방향 압축을 수행할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 송신 신호들은 PRI(Pulse Repetition Interval) 간격으로 송신되는 펄스 형태의 신호이고, 프로세서는 원시 데이터에 SAR 과정을 적용하여 각 펄스 별로 SAR 이미지를 획득하고, 인접하는 펄스들에 대응되는 SAR 이미지들 간의 차이에 기초하여 탐지 영역의 표적 성분을 추출할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 프로세서는 인접하는 펄스들에 대응되는 원시 데이터들 간의 차이를 나타내는 차이 데이터를 획득하고, 차이 데이터에 SAR 과정을 적용하여 SAR 이미지를 생성하며, 생성된 SAR 이미지로부터 탐지 영역의 표적 성분을 추출할 수도 있다.
또한, 다른 측면에 따른 지상배열안테나 시스템에서 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법은, 방법에 있어서, 하나 이상의 송신 안테나를 이용하여 상기 탐지 영역을 향해 송신 신호들을 방사하는 단계; 일정한 간격으로 배열된 복수의 수신 안테나들을 이용하여 상기 탐지 영역으로부터 반사된 수신 신호들을 수신하는 단계; 및 상기 수신된 수신 신호들을 처리하여 상기 탐지 영역의 이미지를 획득하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 수신 안테나들 간의 간격은 상기 탐지 영역으로부터 반사되어 상기 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 상기 수신 신호들의 최대입사각에 반비례하도록 결정될 수 있다.
또한, 또 다른 측면에 따른 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 상술한 방법을 실행하는 명령어들을 포함하는 하나 이상의 프로그램이 기록된 기록매체를 포함할 수 있다.
본 개시는 지상배열안테나 시스템 및 지상배열안테나 시스템에서 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법을 제공함으로써, 특정 상공에 대한 이미지 정보를 획득할 수 있다. 또한, 본 개시에 따르면, 코히어런트(coherent) 과정을 통해 표적 성분의 SINR이 증가될 수 있고, 이미지 정보에 클러터 억제 알고리즘이 적용됨으로써 클러터 환경 속에서도 이동표적이 효과적으로 탐지될 수 있다.
도 1은 일부 실시예에 따른 지상배열안테나 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 일부 실시예에 따른 지상배열안테나 시스템에 포함되는 복수의 송수신 안테나들의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 탐지 영역으로부터 반사되어 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 수신 신호들의 최대입사각을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일부 실시예에 따른 지상배열안테나 시스템이 탐지 영역을 분할하여 신호처리를 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일부 실시예에 따른 지상배열안테나 시스템이 원시 데이터에 대해 SAR(Synthetic Aperture Rader) 과정을 적용하여 신호처리를 수행하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 일부 실시예에 따른 펄스 캔셀러(pulse canceller)의 예시를 나타내는 도면이다.
도 7은 일부 실시예에 따른 지상배열안테나 시스템에서 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 하기 설명은 실시예들을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 당해 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 명세서에서 사용되는 '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 '제 1' 또는 '제 2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서 사용되는 "클러터(clutter)"라는 용어는 레이더 시스템을 운영 중에 원하지 않는 신호를 발생시키는 물체 등을 의미할 수 있다. 예를 들어, 클러터는 레이더 시스템에서 탐지하고자 하는 표적이 아닌 구름, 지형, 자연현상 등일 수 있으며, 구름, 지형, 자연현상 등에 의해 발생되는 원하지 않는 신호를 의미할 수도 있다.
또한, 본 명세서 사용되는 "에일리어싱(ailiasing)"이라는 용어는 아날로그 신호의 표본화 시 표본화 주파수가 신호의 최대 주파수의 2배보다 작거나 필터링이 부적절하여 인접한 스펙트럼들이 서로 겹쳐 생기는 신호 왜곡 현상을 의미할 수 있다.
본 실시예들은 지상배열안테나 시스템 및 지상배열안테나 시스템에서 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법에 관한 것으로서 이하의 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서는 자세한 설명을 생략한다.
도 1은 일부 실시예에 따른 지상배열안테나 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 지상배열안테나 시스템(10)은 송수신 안테나들(110) 및 프로세서(120)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 지상배열안테나 시스템(10)에는 본 실시예와 관련된 구성들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 지상배열안테나 시스템(10)에 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
송수신 안테나들(110)은 복수의 수신 안테나들(111, 112 등) 및 하나 이상의 송신 안테나(119 등)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 송신 안테나(119 등)는 상공의 탐지 영역을 향해 송신 신호들을 방사할 수 있다. 또한, 복수의 수신 안테나들(111, 112 등)은 상공의 탐지 영역으로부터 반사된 수신 신호들을 수신할 수 있다.
복수의 수신 안테나들(111, 112 등) 및 하나 이상의 송신 안테나(119 등)는 모노스태틱(monostatic) 구조 또는 바이스태틱(Bistatic) 구조로 배치될 수 있다. 복수의 수신 안테나들(111, 112 등) 및 하나 이상의 송신 안테나(119 등)의 구조는 이하 도 2a 및 도 2b를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 일부 실시예에 따른 지상배열안테나 시스템에 포함되는 복수의 송수신 안테나들의 구조를 나타내는 도면이다. 도 2a 및 도 2b에서 Tx는 송신 안테나를, Rx는 수신 안테나를 의미한다.
도 2a를 참조하면, 지상배열안테나 시스템에 포함되는 복수의 송수신 안테나들이 모노스태틱 구조로 배치되는 경우의 예시가 도시되어 있다. 모노스태틱 구조는 송신 안테나와 수신 안테나가 함께 위치하는 구조 또는 송신 안테나와 수신 안테나가 하나로 구성된 구조를 의미할 수 있다. 예를 들어, 모노스태틱 구조의 지상배열안테나 시스템에 포함되는 복수의 안테나들 중 일부는 송신 안테나로 동작하고, 나머지는 수신 안테나로 동작할 수 있다. 또한, 복수의 안테나들 모두는 송신 안테나 역할과 수신기 안테나 역할을 번갈아 수행할 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 지상배열안테나 시스템(10)은 일정한 간격으로 배치된 복수의 수신 안테나들 및 송신 안테나를 포함할 수 있다.
한편, 도 2b를 참조하면, 지상배열안테나 시스템에 포함되는 복수의 송수신 안테나들이 바이스태틱 구조로 배치되는 경우의 예시가 도시되어 있다. 바이스태틱 구조는 송신 안테나와 수신 안테나가 분리되어 상호간에 거리를 유지하는 구조를 의미할 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 송신 안테나는 일정한 간격으로 지상에 배치된 복수의 수신 안테나들과 분리되어 거리를 유지할 수 있다. 예를 들어, 복수의 수신 안테나들이 지상의 제 1 위치에 위치하는 경우, 송신 안테나는 지상의 제 1 위치와는 다른 제 2 위치에 위치할 수 있다. 또한, 송신 안테나는 상공의 특정 위치 또는 인공위성에 위치할 수도 있다.
다시 도 1로 돌아오면, 하나 이상의 송신 안테나(119 등)는 일정한 시간 간격, 예를 들어 PRI(Pulse Repetition Interval) 간격으로 송신 신호들을 방사할 수 있다. 송신 신호들이 PRI 간격으로 방사됨에 따라 지상배열안테나 시스템이 송신 신호들에 대응되는 수신 신호들을 처리할 때 클러터 억제 알고리즘이 적용될 수 있다. 클러터 억제 알고리즘은 아래에서 도 6을 참조하여 상세히 설명할 것이다.
한편, 송신 신호들은 거리(range) 방향의 해상도를 높이기 위해 LFM(Linear Frequency Modulation) 형태의 펄스 신호일 수 있다. 송신 신호들은 탐지 영역의 표적 또는 클러터로부터 반사되어 지상에 배치된 복수의 수신 안테나들(111, 112 등)에 의해 수신될 수 있다. 이 때, 복수의 수신 안테나들(111, 112 등) 중 n 번째 수신 안테나에 수신되는 기저대역(baseband) 신호
Figure pat00019
은 n 번째 수신 안테나와 표적 간의 거리
Figure pat00020
에 따른 위상차를 가질 수 있다. 예를 들어, 기저대역 신호
Figure pat00021
은 다음과 같은 수학식 1을 따를 수 있다.
Figure pat00022
수학식 1에서 A는 표적 성분의 진폭을,
Figure pat00023
는 기저대역 송신신호를,
Figure pat00024
는 시간을,
Figure pat00025
는 시간을,
Figure pat00026
는 빛의 속도를,
Figure pat00027
는 파장을 나타낼 수 있다.
수학식 1은 항공기나 인공위성에 탑재된 안테나가 직선 상으로 이동하면서 지상에 위치한 대상물의 방향과 거리를 탐지하는 경우의 일반적인 SAR(Synthetic Aperture Rader) 과정을 통해 획득되는 방위(azimuth) 방향의 신호와 유사한 형태를 가진다. 다만, 본 개시에 따른 지상배열안테나 시스템(10)에서는 이동하는 플랫폼에 장착된 레이더가 일정한 PRI 간격마다 펄스를 송수신하면 진행하는 것이 아니라 지상에 일정한 간격으로 배치된 복수의 수신 안테나들(111, 112 등)이 한 번에 데이터를 수신할 수 있다. 따라서, 지상배열안테나 시스템(10)에 적용되는 과정은 일반적인 SAR 과정과 차이가 있다.
한편, 지상배열안테나 시스템(10)에서 방위 방향 신호 간의 에일리어싱 여부, 즉 수신 안테나들 간의 수신 신호의 에일리어싱 여부는 수신 안테나들 간의 간격
Figure pat00028
에 따라 결정될 수 있다. 다시 말하면, 수신 안테나들 간의 수신 신호의 에일리어싱이 발생되지 않기 위해서는 수신 안테나들 간의 간격
Figure pat00029
가 다음과 같은 수학식 2의 조건을 만족해야 한다.
Figure pat00030
수학식 2에서
Figure pat00031
는 상기 수신 신호들의 파장,
Figure pat00032
는 탐지 영역으로부터 반사되어 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 수신 신호들의 최대입사각을 나타낼 수 있다. 탐지 영역으로부터 반사되어 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 수신 신호들의 최대입사각은 이하 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 일부 실시예에 따른 탐지 영역으로부터 반사되어 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 수신 신호들의 최대입사각을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 탐지 영역(30)의 표적을 탐지하기 위해 일정한 간격
Figure pat00033
로 배열된 복수의 수신 안테나들(310, 320, 330, 340 및 350)이 도시되어 있다. 또한, 도 3에는 탐지 영역(30)으로부터 반사되어 수신 안테나(310)에 의해 수신되는 수신 신호들(3010, 3020 및 3030)이 도시되어 있다.
탐지 영역(30)으로부터 반사되어 수신 안테나(310)에 의해 수신되는 수신 신호들(3010, 3020 및 3030)의 입사각은 각각
Figure pat00034
,
Figure pat00035
및
Figure pat00036
이다. 입사각은 신호가 입사하는 평면의 법선과 입사하는 신호의 방향이 이루는 각도를 의미할 수 있다. 한편,
Figure pat00037
,
Figure pat00038
및
Figure pat00039
중
Figure pat00040
가 제일 크므로, 탐지 영역(30)으로부터 반사되어 수신 안테나(310)에 의해 수신되는 수신 신호들(3010, 3020 및 3030)의 최대입사각은
Figure pat00041
일 수 있다.
한편, 복수의 수신 안테나들(310, 320, 330, 340 및 350) 중 수신 안테나(310)가 탐지 영역(30)으로부터 가장 멀리 떨어져 있으므로, 탐지 영역(30)으로부터 반사되어 나머지 수신 안테나들(320, 330, 340 및 350)에 의해 수신되는 수신 신호들의 최대입사각은 탐지 영역(30)으로부터 반사되어 수신 안테나(310)에 의해 수신되는 수신 신호들(3010, 3020 및 3030)의 최대입사각
Figure pat00042
보다 작다. 따라서, 탐지 영역(30)으로부터 반사되어 복수의 수신 안테나들(310, 320, 330, 340 및 350)에 의해 수신되는 수신 신호들의 최대입사각은
Figure pat00043
일 수 있다.
다시 도 1로 돌아오면, 수학식 2는 복수의 수신 안테나들 간의 간격이 탐지 영역으로부터 반사되어 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 수신 신호들의 최대입사각에 반비례하도록 결정됨을 의미할 수 있다. 예를 들어, 복수의 수신 안테나들 간의 간격은 수신 신호들이 이루는 공간 주파수 대역(spatial frequency bandwidth)이 커질수록 작아져야 한다.
그러나, 이미지를 생성하고자 하는 탐지 영역의 범위가 넓어 수학식 2의 조건을 만족할 수 없는 경우가 있을 수 있다. 이 경우, 지상배열안테나 시스템(10)은 탐지 영역을 복수의 부분 탐지영역들로 분할할 수 있다.
수신 신호들이 이루는 공간 주파수 대역은 탐지 영역의 범위에 비례하므로, 탐지 영역의 범위를 작게 분할하여 분할된 탐지 영역을 탐지하기 위해 필요한 공간 주파수 대역을 줄인다면, 복수의 수신 안테나들 간의 간격이 충분히 큰 경우에도 에일리어싱이 방지될 수 있다. 이 때, 분할된 공간 주파수 대역 각각에 대해 추후 이미지 획득 신호처리 과정이 적용될 수 있다. 또한, 공간 주파수 대역의 중심 주파수가 각각 다르기 때문에 신호처리에 앞서 제로 주파수로 천이시키는 SAR 과정의 스퀸트 모드(squint mode) 신호처리와 유사한 방법이 적용될 수 있다.
지상배열안테나 시스템(10)이 탐지 영역을 복수의 부분 탐지영역들로 분할하는 경우, 복수의 수신 안테나들 간의 간격
Figure pat00044
는 다음과 같은 수학식 3의 조건을 만족해야 한다.
Figure pat00045
수학식 3에서
Figure pat00046
는 상기 수신 신호들의 파장,
Figure pat00047
는 복수의 부분 탐지 영역들 중 어느 하나로부터 반사되어 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 수신 신호들의 최대입사각을 나타낼 수 있다.
탐지 영역이 복수의 부분 탐지 영역들로 분할되므로,
Figure pat00048
는
Figure pat00049
보다 작을 것이고, 복수의 수신 안테나들 간의 간격
Figure pat00050
는 충분히 클 수 있다. 다시 말하면, 복수의 수신 안테나들 간의 간격
Figure pat00051
가 충분히 크더라도 에일리어싱이 방지될 수 있다. 수학식 3의 조건을 만족하도록 배치된 복수의 수신 안테나들을 포함하는 지상배열안테나 시스템이 탐지 영역을 분할하여 신호처리를 수행하는 방법을 이하 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 일부 실시예에 따른 지상배열안테나 시스템이 탐지 영역을 분할하여 신호처리를 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 탐지 영역이 분할된 경우의 개괄도(410) 및 탐지 영역이 분할된 경우의 공간주파수 대역(420)이 도시되어 있다.
탐지 영역이 분할된 경우의 개괄도(410)를 참조하면, 탐지 영역
Figure pat00052
는 복수의 부분 탐지 영역들
Figure pat00053
로 분할될 수 있다. 탐지 영역이 분할된 경우의 공간주파수 대역(420)을 참조하면, 탐지 영역
Figure pat00054
가 복수의 부분 탐지 영역들
Figure pat00055
로 분할됨에 따라 부분 탐지 영역들
Figure pat00056
각각을 탐지하기 위해 필요한 공간 주파수 대역이 감소됨을 알 수 있다. 따라서, 지상배열안테나 시스템(10)에 포함되는 수신 안테나들의 간격
Figure pat00057
는 수학식 2가 아닌 수학식 3의 조건만을 만족하면 되므로, 간격
Figure pat00058
가 충분히 큰 경우에도 에일리어싱이 방지될 수 있다.
지상배열안테나 시스템(10)은 복수의 부분 탐지영역들로부터 반사된 신호들을 복수의 수신 안테나들을 이용하여 획득하며, 획득된 신호들에 기초하여 분할된 부분 탐지영역들 각각에 대한 이미지를 획득하고, 분할된 부분 탐지영역들 각각에 대한 이미지를 결합하여 탐지 영역의 이미지를 획득할 수 있다.
다시 도 1로 돌아오면, 프로세서(120)는 하나 또는 복수 개의 프로세서에 의하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(120)는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수 있고, 범용적인 마이크로 프로세서와 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 메모리의 조합으로 구현될 수도 있다. 프로세서(120)는 지상배열안테나 시스템(10)을 구동하고 제어하기 위한 전반적인 역할을 한다. 예를 들어, 프로세서(120)는 하나 이상의 송신 안테나(119 등)가 상공의 탐지 영역을 향해 송신 신호들을 방사하도록 제어할 수 있고, 복수의 수신 안테나들(111, 112 등)가 상공의 탐지 영역으로부터 반사된 수신 신호들을 수신하도록 제어할 수 있다.
하나 이상의 송신 안테나(119 등)에 의해 수신된 수신 신호들은 RF(Radio Frequency) 단을 통과한 뒤, 레인지 프로세싱(range processing)에 의해 처리되어 프로세서(120)로 전송될 수 있다. RF 단이란, RFIC, 즉 무선통신용 초고주파 칩이란 의미로서 능동 소자와 수동 소자를 사용해 하나의 반도체 칩 위에 RF 회로를 구현한 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, RF 단은 증폭기(Amplifier), 트랜스미터(Transmitter), 리시버(Receiver), 신서사이저 (Synthesizer) 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 지형적 제약에 의해 복수의 수신 안테나들(111, 112 등) 간의 간격이 일정하지 않거나, 복수의 수신 안테나들(111, 112 등)이 선형적으로 배치되지 않은 경우에 프로세서(120)는 복수의 수신 안테나들(111, 112 등) 각각에 의해 수신된 수신 신호에 특정 위상을 곱함으로써 보상 과정을 수행할 수 있다. 특정 위상이란 표적과 일정하게 선형적으로 배치된 수신 안테나들 간의 거리 차이를 기준으로 틀어진 만큼에 해당하는 거리에 대응되는 위상을 의미할 수 있다.
프로세서(120)는 수신된 수신 신호들을 처리하여 탐지 영역의 이미지를 획득할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(120)는 수신된 수신 신호들로부터 원시 데이터(raw data)를 획득하고, 획득된 데이터에 레이더 이미징 알고리즘을 적용하여 탐지 영역에 대한 이미지를 획득할 수 있다. 레이더 이미징 알고리즘은 SOI(Space Objectification Rader) 또는 SAR일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
예를 들어, 프로세서(120)는 SAR 과정을 적용하여 획득된 원시 데이터를 처리할 수 있다. 수학식 2 또는 수학식 3의 조건을 만족하도록 배치된 복수의 수신 안테나들(111, 112 등)에 의해 수신된 수신 신호들은 코히어런트 과정인 SAR 과정이 적용될 수 있다. 코히어런트 과정이란 송신 신호와 일정한 위상 관계에 있는 국부 발진 신호를 수신 신호에 가해서 복조하는 경우 복조 신호와 송신 신호 간에 일정한 위상 관계(예를 들어, 동위상)가 있음을 이용하여, 복조 신호로 송신 신호의 위상 정보를 인출하여 사용하는 방식을 의미할 수 있다. 수신 신호들의 신호처리에서 코히어런트 과정이 적용되는 경우 지상배열안테나 시스템(10)은 표적에 대해 높은 SINR을 획득할 수 있다.
지상배열안테나 시스템(10)의 신호처리에서 SAR 과정이 적용되는 경우 다양한 알고리즘들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 지상배열안테나 시스템(10)의 신호처리에서 RDA(Range Doppler Algorithm)가 적용될 수 있다. 지상배열안테나 시스템(10)의 신호처리에서 SAR 과정 또는 RDA 과정이 적용되는 예시에 대해 이하 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 일부 실시예에 따른 지상배열안테나 시스템이 원시 데이터에 대해 SAR(Synthetic Aperture Rader) 과정을 적용하여 신호처리를 수행하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 지상배열안테나 시스템이 획득한 원시 데이터는
Figure pat00059
의 크기를 가지는 행렬일 수 있다. 여기서,
Figure pat00060
은 도 2에서 y축 방향으로의 샘플 개수를 나타낼 수 있다. 한편,
Figure pat00061
은 복수의 수신 안테나들의 개수이고,
Figure pat00062
은 사용한 펄스의 개수일 수 있다.
도 5를 참조하면, 단계 510에서, 지상배열안테나 시스템(10)의 프로세서(120)는 원시 데이터에 대해 거리 방향 압축(range compression)을 수행할 수 있다. 프로세서(120)는 송신 신호의 파형으로부터 생성된 정합 필터(matched filter)를 이용하여 원시 데이터에 대한 거리 방향 압축을 수행할 수 있다.
예를 들어, 송신 신호들이 LFM 형태의 펄스 신호인 경우, 프로세서(120)는 다음과 같은 수학식 4를 만족하는 정합필터
Figure pat00063
을 이용하여 거리 방향 압축을 수행할 수 있다.
Figure pat00064
수학식 4에서
Figure pat00065
은 송신 신호들의 거리 방향 처프 레이트(chirp rate)를,
Figure pat00066
는 시간을 나타낼 수 있다.
단계 520에서, 프로세서(120)는 거리 방향 압축된 데이터에 대해 고속푸리에변환(Fast Fourier Transform: FFT)을 수행할 수 있다. 또한, 단계 530에서, 프로세서(120)는 FFT가 수행된 데이터에 대해 RCMC(Range Cell Migration Compensation) 과정을 적용할 수 있다. RCMC 과정이란 표적과 수신 안테나 간의 거리가 임계값 이상인 경우의 데이터를 제거하는 과정을 의미할 수 있다. 한편, 수신 안테나들이 비선형적으로 배치된 지상배열안테나 시스템의 경우 수신 안테나와 표적 간의 거리에 따라 서로 다른 레인지빈에 표적 신호가 위치할 수 있다. 따라서, 수신 안테나들이 선형적으로 배치된 기준 구조의 경우와 비교하여 RCM 값이 결정될 수 있다.
단계 540에서, 프로세서(120)는 RCMC 과정이 적용된 데이터에 대해 방위 방향 압축(azimuth compression)을 수행할 수 있다. 프로세서(120)는 방위 방향, 예를 들어 수신 안테나들 간의 신호에 대해 펄스 압축을 수행할 수 있다. 일반적인 SAR 과정의 방위 방향 신호는 플랫폼이 이동하면서 수신하기 때문에 시간에 대한 함수로 정의되지만, 본 개시에 따른 지상배열안테나 시스템(10)에서는 모든 수신 안테나들이 동시에 신호를 수신하므로, 방위 방향 신호는 수신 안테나들의 위치와 관련된 식으로 정의될 수 있다. 따라서, 공간 도메인 상에서 프로세싱이 진행되며, 한 번의 펄스로 인해 표적에 대한 이미지가 획득될 수 있다.
예를 들어, 수신 신호들이 LFM 형태의 펄스 신호인 경우, 프로세서(120)는 다음과 같은 수학식 5를 만족하는 정합필터
Figure pat00067
를 이용하여 방위 방향 압축을 수행할 수 있다.
Figure pat00068
수학식 5에서
Figure pat00069
는 수신 신호들의 방위 방향 처프 레이트를,
Figure pat00070
는 복수의 수신 안테나들의 방위 좌표를 나타낼 수 있다.
단계 550에서, 프로세서(120)는 방위 방향 압축된 데이터에 대해 방위 방향으로 역 고속푸리에변환(Inverse Fast Fourier Transform: IFFT)을 수행할 수 있다. 프로세서(120)는 IFFT의 결과로서 압축된 데이터를 획득할 수 있다. 프로세서(120)는 압축된 데이터에 기초하여 SAR 이미지를 획득할 수 있다.
다시 도 1로 돌아오면, SAR 과정을 통해 획득된 이미지에는 원하는 표적 성분 외에 구름이나 비 등과 같은 환경적인 요소, 조류 또는 다른 물체에 의한 클러터 성분들이 포함되어 있을 수 있다. 따라서, 원하는 표적 성분만을 추출하기 위해서는 클러터 성분들이 제거되어야 한다. 프로세서(120)는 다중 펄스에 기초한 MTI(Moving Target Indication) 방식을 이용하여 클러터 성분을 제거할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(120)는 펄스 캔셀러(pulse canceller)를 이용하여 SAR 과정을 통해 획득된 이미지에 포함되는 클러터 성분들을 제거할 수 있다. 펄스 캔셀러는 이하 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 일부 실시예에 따른 펄스 캔셀러(pulse canceller)의 예시를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 2 펄스 캔셀러(610) 및 3 펄스 캔셀러(620)가 도시되어 있다. 지상배열안테나 시스템(10)이 2 펄스 캔셀러(610)를 이용하여 클러터 성분들을 제거하고, 표적 성분을 추출하는 방법은 다음과 같다.
지상배열안테나 시스템(10)에 포함된 하나 이상의 송신 안테나(119 등)는 PRI 간격으로 펄스 형태의 신호를 송신할 수 있다. 첫 번째 펄스에 대응되는 수신 신호는 지상배열안테나 시스템(10)의 프로세서(120)에 의해 제 1 SAR 이미지로 변환되고, 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.
하나 이상의 송신 안테나(119 등)는 첫 번째 펄스가 송신된 후 PRI 시간 후에 두 번째 펄스를 송신할 수 있다. 두 번째 펄스에 대응되는 수신 신호는 지상배열안테나 시스템(10)의 프로세서(120)에 의해 제 2 SAR 이미지로 변환되고, 메모리에 저장될 수 있다.
이 때, 상대적으로 속도가 빠른 이동표적의 경우 첫 번째 펄스 및 두 번째 펄스 사이에 위치가 변경될 수 있다. 이에 반해, 상대적으로 느린 속도를 갖는 클러터의 경우에 첫 번째 펄스 및 두 번째 펄스 사이에 위치가 거의 변경되지 않을 수 있다. 따라서, 제 1 SAR 이미지 및 제 2 SAR 이미지를 비교하면, 각각의 이미지에 포함되는 클러터 성분들은 유사하나, 표적 성분에 있어 차이가 발생하게 되고, 제 1 SAR 이미지 및 제 2 SAR 이미지의 차이를 이용하는 경우 원하는 표적 성분만이 추출될 수 있다.
앞서 설명한 예시와 같이, 프로세서(120)는 원시 데이터에 SAR 과정을 적용하여 각 펄스 별로 SAR 이미지를 획득하고, 인접하는 펄스들에 대응되는 SAR 이미지들 간의 차이에 기초하여 탐지 영역의 표적 성분을 추출할 수 있다. 다만, 프로세서(120)는 인접하는 펄스들에 대응되는 원시 데이터들 간의 차이를 나타내는 차이 데이터를 획득하고, 차이 데이터에 SAR 과정을 적용하여 SAR 이미지를 생성하며, 생성된 SAR 이미지로부터 탐지 영역의 표적 성분을 추출할 수도 있다.
한편, 지상배열안테나 시스템(10)은 3 펄스 캔셀러(620)를 이용하여 클러터 성분들을 제거하고, 표적 성분을 추출할 수도 있다. 클러터의 속도가 상대적으로 빠른 경우에 이를 효과적으로 제거하기 위해서는 조금 더 완만한 필터 특성을 갖는 3 펄스 캔셀러(620)가 요구될 수 있다.
다시 도 1로 돌아오면, 프로세서(120)는 클러터 성분이 제거된 탐지 영역의 이미지 상에서 CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘을 적용함으로써, 원하는 이동표적을 탐지할 수 있다.
본 개시에 다른 지상배열안테나 시스템(10)은 특정 상공의 탐지 영역에 대한 이미지 정보를 획득할 수 있다. 또한, 지상배열안테나 시스템(10)이 이미지 정보를 획득하는 과정에서 코히어런트 과정이 적용되므로 표적의 SINR이 증가될 수 있고, 이미지를 바탕으로 한 클러터 억제 알고리즘을 이용됨에 따라 클러터 환경 속에서도 표적이 효과적으로 탐지될 수 있다.
도 7은 일부 실시예에 따른 지상배열안테나 시스템에서 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법은 도 1 내지 도 6에 도시된 지상배열안테나 시스템(10)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라고 하더라도 도 1 내지 도 6의 지상배열안테나 시스템(10)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 7의 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법에도 적용됨을 알 수 있다.
단계 710에서, 지상배열안테나 시스템(10)은 하나 이상의 송신 안테나를 이용하여 상기 탐지 영역을 향해 송신 신호들을 방사할 수 있다.
단계 720에서, 지상배열안테나 시스템(10)은 일정한 간격으로 배열된 복수의 수신 안테나들을 이용하여 상기 탐지 영역으로부터 반사된 수신 신호들을 수신할 수 있다. 이 때, 복수의 수신 안테나들 간의 간격은 탐지 영역으로부터 반사되어 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 수신 신호들의 최대입사각에 반비례하도록 결정될 수 있다.
단계 730에서, 지상배열안테나 시스템(10)은 수신된 수신 신호들을 처리하여 탐지 영역의 이미지를 획득할 수 있다. 예를 들어, 지상배열안테나 시스템(10)은 수신된 수신 신호들로부터 원시 데이터를 획득하고, 획득된 원시 데이터에 SAR 과정을 적용하여 SAR 이미지를 획득할 수 있다. 또한, 지상배열안테나 시스템(10)은 획득된 SAR 이미지에 포함된 클러터 성분들을 MTI 방식을 이용하여 제거함으로써 표적 성분만을 추출할 수 있다. 마지막으로, 지상배열안테나 시스템(10)은 클러터 성분이 제거된 탐지 영역의 이미지 상에서 CFAR 알고리즘을 적용함으로써, 원하는 이동표적을 탐지할 수 있다.
상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법은 그 방법을 실행하는 명령어들을 포함하는 하나 이상의 프로그램이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 지상배열안테나 시스템에 있어서,
    상공의 탐지 영역을 향해 송신 신호들을 방사하는 하나 이상의 송신 안테나;
    일정한 간격으로 배열되어 상기 탐지 영역으로부터 반사된 수신 신호들을 수신하는 복수의 수신 안테나들; 및
    상기 수신된 수신 신호들을 처리하여 상기 탐지 영역의 이미지를 획득하는 프로세서를 포함하고,
    상기 복수의 수신 안테나들 간의 간격은 상기 탐지 영역으로부터 반사되어 상기 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 상기 수신 신호들의 최대입사각에 반비례하도록 결정되는, 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 송신 안테나 및 상기 복수의 수신 안테나들은 모노스태틱 구조 또는 바이스태틱 구조로 배치된, 시스템
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 수신 안테나들 간의 간격을
    Figure pat00071
    , 상기 수신 신호들의 파장을
    Figure pat00072
    , 상기 탐지 영역으로부터 반사되어 상기 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 상기 수신 신호들의 최대입사각을
    Figure pat00073
    라고 할 때, 상기 간격
    Figure pat00074
    는 수학식
    Figure pat00075
    의 조건을 만족하도록 결정되는, 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 탐지 영역을 복수의 부분 탐지영역들로 분할하고, 상기 복수의 부분 탐지영역들로부터 반사된 신호들을 상기 복수의 수신 안테나들을 이용하여 획득하며, 상기 획득된 신호들에 기초하여 상기 분할된 부분 탐지영역들 각각에 대한 이미지를 획득하고, 상기 분할된 부분 탐지영역들 각각에 대한 이미지를 결합하여 상기 탐지 영역의 이미지를 획득하는, 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 복수의 수신 안테나들 간의 간격을
    Figure pat00076
    , 상기 수신 신호들의 파장을
    Figure pat00077
    , 상기 복수의 부분 탐지 영역들 중 어느 하나로부터 반사되어 상기 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 상기 수신 신호들의 최대입사각을
    Figure pat00078
    라고 할 때, 상기 간격
    Figure pat00079
    는 수학식
    Figure pat00080
    의 조건을 만족하도록 결정되는, 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 수신된 수신 신호들로부터 원시 데이터(raw data)를 획득하고, SAR(Synthetic Aperture Radar) 과정을 적용하여 상기 원시 데이터를 처리하는, 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 원시 데이터에 대해 거리 방향 압축(range compression), RCMC(Range Cell Migration Compensation) 및 방위 방향 압축(azimuth compression)을 수행하는, 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 송신 신호들은 LFM(Linear Frequency Modulation) 형태의 펄스 신호이고,
    상기 프로세서는,
    상기 송신 신호들의 거리 방향 처프 레이트(chirp rate)를
    Figure pat00081
    , 시간을
    Figure pat00082
    라고 할 때, 수학식
    Figure pat00083
    을 만족하는 정합필터
    Figure pat00084
    을 이용하여 상기 거리 방향 압축을 수행하는, 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 송신 신호들의 방위 방향 처프 레이트를
    Figure pat00085
    , 상기 복수의 수신 안테나들의 방위 좌표를
    Figure pat00086
    라고 할 때, 수학식
    Figure pat00087
    을 만족하는 정합필터
    Figure pat00088
    를 이용하여 상기 방위 방향 압축을 수행하는, 시스템.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 송신 신호들은 PRI(Pulse Repetition Interval) 간격으로 송신되는 펄스 형태의 신호이고,
    상기 프로세서는,
    상기 원시 데이터에 상기 SAR 과정을 적용하여 각 펄스 별로 SAR 이미지를 획득하고, 인접하는 펄스들에 대응되는 SAR 이미지들 간의 차이에 기초하여 상기 탐지 영역의 표적 성분을 추출하는, 시스템.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 송신 신호들은 PRI 간격으로 송신되는 펄스 형태의 신호이고,
    상기 프로세서는,
    인접하는 펄스들에 대응되는 원시 데이터들 간의 차이를 나타내는 차이 데이터를 획득하고, 상기 차이 데이터에 상기 SAR 과정을 적용하여 SAR 이미지를 생성하며, 상기 생성된 SAR 이미지로부터 상기 탐지 영역의 표적 성분을 추출하는, 시스템.
  12. 지상배열안테나 시스템에서 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법에 있어서,
    하나 이상의 송신 안테나를 이용하여 상기 탐지 영역을 향해 송신 신호들을 방사하는 단계;
    일정한 간격으로 배열된 복수의 수신 안테나들을 이용하여 상기 탐지 영역으로부터 반사된 수신 신호들을 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 수신 신호들을 처리하여 상기 탐지 영역의 이미지를 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 수신 안테나들 간의 간격은 상기 탐지 영역으로부터 반사되어 상기 복수의 수신 안테나들에 의해 수신되는 상기 수신 신호들의 최대입사각에 반비례하도록 결정되는, 방법.
  13. 제 12항의 방법을 실행하는 명령어들을 포함하는 하나 이상의 프로그램이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
KR1020170094974A 2017-07-26 2017-07-26 지상배열안테나 시스템 및 지상배열안테나 시스템에서 상공의 탐지 영역의 이미지를 획득하는 방법 KR102053881B1 (ko)

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