KR20210111092A - 소형 무인기 탐지 장치 및 탐지 방법 - Google Patents

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KR20210111092A
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Abstract

본 발명은 소형 무인기를 보다 효과적으로 탐지할 수 있는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로, 표적 신호를 포함하는 레이더 신호를 수신하는 신호 수신부와, 수신된 표적 신호로부터 레인지 프로파일(range profile)을 획득하는 레인지 프로파일 획득부와, 상기 획득한 레인지 프로파일에 근거하여, 기 설정된 제1 임계값을 넘는 진폭을 가지는 일부의 레인지를 레인지 빈(range bin)으로 검출하는 CFAR(Constant False Alarm Rate) 탐지부와, 상기 검출된 레인지 빈의 신호를 추출하여 주파수 스펙트럼 신호를 생성하는 스펙트럼 신호 생성부 및, 상기 주파수 스펙트럼 신호에 근거하여, 기 설정된 가중치와 잡음 변수에 근거하여 결정되는 제2 임계값을 초과하는 진폭이 검출된 주파수들의 개수를 검출하고, 검출된 주파수 개수가 기 설정된 임계 신호 개수를 초과하는지 여부에 근거하여 상기 표적 신호에 대응하는 표적이 무인기인지 여부를 판별하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

소형 무인기 탐지 장치 및 탐지 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING A SMALL UNMANNED AERIAL VEHICLE(UAV)}
본 발명은 소형 무인기를 탐지하기 위한 탐지 장치 및 탐지 방법에 대한 것이다.
전파를 이용하여 장거리에 있는 위협 표적의 존재 유무 및 상기 위협 표적의 위치를 사전에 탐지하기 위해 레이더 장치가 널리 사용된다. 대표적인 레이다 탐지 기법으로는 일정 오경보율(Constant False Alarm Rate: CFAR) 검출기 기반의 기법들이 있다. 이러한 CFAR 기법은 표적의 레이다 반사 면적(Radar Cross Section: RCS)이 상대적으로 큰 점을 이용하여 탐지를 수행하는 것으로, 잡음(noise) 환경에서 적응적 임계값(adaptive threshold)을 형성하고, 임계값을 넘는 신호를 표적으로 간주하는 방식이다.
그런데 소형 무인기는 그 크기가 작음에 따라 레이다 반사 면적(radar cross section: RCS)이 작고 시가지 혹은 산악 환경 내에서 사용되며, 일반적으로 저고도에서 비행한다. 따라서 종래의 오경보율을 이용한 탐지 기법으로는 소형 무인기는 단순히 클러터(clutter)로 판단될 가능성이 높다는 문제가 있으며, 이를 위해 오경보율을 낮추면 실제 클러터들 역시 레이터에 의해 표적으로 탐지된다는 문제가 있다. 결과적으로, 기존의 잡음 환경만을 고려한 CFAR 검출기 기반의 탐지는 소형 무인기에 대하여 우수한 탐지 성능을 유지할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 소형 무인기를 보다 효과적으로 탐지할 수 있는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 장치는, 표적 신호를 포함하는 레이더 신호를 수신하는 신호 수신부와, 수신된 표적 신호로부터 레인지 프로파일(range profile)을 획득하는 레인지 프로파일 획득부와, 상기 획득한 레인지 프로파일에 근거하여, 기 설정된 제1 임계값을 넘는 진폭을 가지는 일부의 레인지를 레인지 빈(range bin)으로 검출하는 CFAR(Constant False Alarm Rate) 탐지부와, 상기 검출된 레인지 빈의 신호를 추출하여 주파수 스펙트럼 신호를 생성하는 스펙트럼 신호 생성부 및, 상기 주파수 스펙트럼 신호에 근거하여, 기 설정된 가중치와 잡음 변수에 근거하여 결정되는 제2 임계값을 초과하는 진폭이 검출된 주파수들의 개수를 검출하고, 검출된 주파수 개수가 기 설정된 임계 신호 개수를 초과하는지 여부에 근거하여 상기 표적 신호에 대응하는 표적이 무인기인지 여부를 판별하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 레인지 프로파일 획득부는, 상기 수신된 레이더 신호에 대해 비간섭 적분(noncoherent integration)을 수행하여 상기 레인지 프로파일을 획득하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 스펙트럼 신호 생성부는, 상기 레인지 빈의 신호로부터, 표적 신호의 주파수 스펙트럼 신호를, 표적의 강체로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분과, 표적의 날개로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분이 선형 결합된 형태로 생성하고, 상기 표적의 강체로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분은, 상기 표적의 강체의 병진운동에 따른 주파수 스펙트럼이며, 상기 표적의 날개로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분은, 상기 표적의 로터(rotor)의 병진운동에 따른 성분과 상기 날개의 미세운동에 따른 성분이 컨볼루션(convolution)된 주파수 스펙트럼임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 표적 신호의 주파수 스펙트럼의 각 주파수 별로 진폭(amplitude)이 상기 제2 임계값을 초과하는지 여부에 근거하여, 상기 표적 신호가 상기 표적의 강체로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분만을 포함하는지 또는 상기 표적의 날개로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분을 더 포함하고 있는지를 판단하고, 상기 제2 임계값을 초과하는 진폭을 가지는 주파수의 개수가 상기 임계 신호 개수를 초과하는 경우 상기 표적 신호에 대응하는 표적을 무인기로 판단하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 임계 신호 개수는, 탐지하고자 하는 무인기의 특성에 따라 다르게 결정되며, 상기 무인기의 특성은, 무인기의 날개 개수 및 날개 길이를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 방법은, 표적 신호를 포함하는 레이더 신호를 수신하는 단계와, 수신된 표적 신호로부터 레인지 프로파일(range profile)을 획득하는 단계와, 상기 획득한 레인지 프로파일에 근거하여, CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘에 따라 기 설정된 제1 임계값을 넘는 진폭을 가지는 일부의 레인지를 레인지 빈(range bin)으로 검출하는 단계와, 상기 검출된 레인지 빈의 신호를 추출하여 주파수 스펙트럼 신호를 생성하는 단계와, 기 설정된 가중치와 잡음 환경 변수에 근거하여 결정되는 제2 임계값을 결정하는 단계와, 상기 주파수 스펙트럼 신호로부터 상기 제2 임계값을 초과하는 진폭이 검출된 주파수들의 개수를 검출하는 단계 및, 상기 제2 임계값을 초과하는 진폭이 검출된 주파수 개수가 기 설정된 임계 신호 개수를 초과하는지 여부에 근거하여 상기 표적 신호에 대응하는 표적이 무인기인지 여부를 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 레인지 프로파일을 획득하는 단계는, 상기 수신된 레이더 신호에 대해 비간섭 적분(noncoherent integration)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 주파수 스펙트럼 신호를 생성하는 단계는, 상기 레인지 빈의 신호로부터, 표적 신호의 주파수 스펙트럼 신호를, 표적의 강체로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분과, 표적의 날개로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분이 선형 결합된 주파수 스펙트럼 신호를 생성하는 단계이며, 상기 표적의 강체로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분은, 상기 표적의 강체의 병진운동에 따른 주파수 스펙트럼이며, 상기 표적의 날개로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분은, 상기 표적의 로터(rotor)의 병진운동에 따른 성분과 상기 날개의 미세운동에 따른 성분이 컨볼루션(convolution)된 주파수 스펙트럼임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제2 임계값은, 상기 CFAR 알고리즘에 따른 입력 벡터들 중, 잡음 환경의 분석을 위해 사용하는 참조 셀(reference cell)에 포함된 데이터에 근거하여 추정되는 상기 잡음 환경 변수와, 기 설정된 상기 가중치의 곱에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 임계 신호 개수는, 하기 수학식에 의해 결정되며, 탐지하고자 하는 무인기의 날개 개수에 비례한 날개 길이에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
Figure pat00001
Figure pat00002
는 무인기 날개로부터 획득되는 미세성분 주파수 스펙트럼의 주파수 범위 최대값으로,
Figure pat00003
에 의해 결정되며, 여기서
Figure pat00004
는
Figure pat00005
이고, r은 무인기의 날개 길이,
Figure pat00006
는 탐지 신호의 파장 길이,
Figure pat00007
는 무인기의 각속도를 의미함. 그리고 쵸핑 주파수(chopping frequency)는
Figure pat00008
이고, N은 무인기의 날개 개수를 의미함.
본 발명에 따른 탐지 장치 및 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 오경보율에 근거하여 1차적으로 소형 무인기의 가능성이 있는 신호를 검출하고, 검출된 신호로부터 생성되는 주파수 스펙트럼 신호에 근거하여 상기 신호가 소형 무인기의 미세 운동에 대응하는 성분을 포함하고 있는지 여부를 판별함으로써, 클러터와 소형 무인기를 구분하여 탐지할 수 있도록 한다. 따라서 본 발명은 클러터가 다수 존재하는 환경에도 소형 무인기를 정확하게 탐지할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 소형 무인기의 신호를 모델링한 기하 구조를 도시한 개념도이다.
도 3은 레인지 프로파일 기반 탐지를 위한 CFAR 탐지를 수행하는 수행 절차를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 주파수 스펙트럼 신호로부터 표적 신호를 검출하기 위한 임계값을 설정하는 예를 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 장치에서, 수신된 레이더 신호가 소형 무인기 인지 여부를 판별하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 장치에서, 레인지 프로파일과 상기 레인지 프로파일에서의 1차 탐지 결과를 도시한 예시도이다.
도 7은 표적이 소형 무인기인 경우에 획득되는 주파수 스펙트럼과, 상기 주파수 스펙트럼에 대한 2차 탐지 결과를 나타낸 예시도이다.
도 8은 표적이 클러터인 경우에 획득되는 주파수 스펙트럼과, 상기 주파수 스펙트럼에 대한 2차 탐지 수행 결과를 나타낸 예시도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 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 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
먼저 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 장치의 구성을 도시한 블록도이다. 그리고 도 2는 소형 무인기의 신호를 모델링한 기하 구조를 도시한 개념도를, 도 3은 레인지 프로파일 기반 탐지를 위한 CFAR 탐지를 수행하는 수행 절차를 도시한 개념도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 임계값이 설정되는 예를 도시한 개념도이다.
먼저 도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 장치(10)는 제어부(100)와 상기 제어부(100)에 연결되며 상기 제어부(100)에 의해 제어될 수 있는 신호 수신부(110), 레인지 프로파일 획득부(120), CAFR 탐지부(130), 스페??럼 신호 생성부(140) 및 메모리(150)를 포함할 수 있다. 한편 상기 도 1에서 도시한 구성들은 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 장치에 필수적인 구성 요소는 아니어서, 얼마든지 더 적은 구성요소를 포함하거나 또는 더 많은 구성요소들을 포함할 수 있다.
먼저 신호 수신부(110)는, 적어도 하나의 레이더를 포함하거나 또는 적어도 하나의 레이더와 연결될 수 있다. 그리고 상기 포함하거나 또는 연결된 적어도 하나의 레이더가 탐지한 표적 신호를 수신할 수 있다.
한편 상기 수신되는 표적 신호는, 상기 표적이 로터(Roter)를 통해 회전하는 날개를 가지는 무인기인 경우, 상기 무인기의 신호는 도 2에서 보이고 있는 바와 같이 모델링된 기하 구조를 가질 수 있다.
도 2를 참조하여 살펴보면 점산란원
Figure pat00009
는
Figure pat00010
축을 중심으로
Figure pat00011
의 각속도로 회전할 수 있다. 이때 점산란원
Figure pat00012
와 원점
Figure pat00013
사이의 거리는
Figure pat00014
, 점
Figure pat00015
의 초기위상은
Figure pat00016
일 수 있다. 이 때 레이다의 시선방향(line of sight: LOS)과 소형 무인기의 날개 회전 평면 사이의 각도는
Figure pat00017
이고 레이더와 원점
Figure pat00018
사이의 거리는
Figure pat00019
일 수 있다. 그리고 레이더 시선방향의 벡터 성분을
Figure pat00020
평면에 정사영(projection)한 결과가
Figure pat00021
축에 존재할 경우, 산란점
Figure pat00022
와 레이더 사이의 거리는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00023
즉,
Figure pat00024
는 소형 무인기의 병진운동 성분을,
Figure pat00025
는 소형 무인기의 미세운동 성분일 수 있다. 즉, 산란점의 위치정보는 소형 무인기의 병진운동과 미세운동 성분의 선형결합으로 표현될 수 있다. 이때 상기
Figure pat00026
와
Figure pat00027
는 하기 수학식 2 및 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00028
Figure pat00029
여기서
Figure pat00030
은 레이더로부터 원점
Figure pat00031
사이의 초기 거리,
Figure pat00032
는 레이더 가시선(Radar Line of Sight: RLOS) 방향으로의 속도,
Figure pat00033
는 같은 방향으로의 가속도 값을 의미함.
한편 소형 무인기의 신호는 소형 무인기의 강체(rigid body), 로터(rotor) 그리고 단일 로터에 연결된 날개의 개수에 E라 각각 강체의 산란점 개수를
Figure pat00034
, 로터의 산란점 개수를
Figure pat00035
, 그리고 날개의 산란점 개수를
Figure pat00036
라고 가정하면, 거리 압축(range compression)(또는 펄스 압축)을 통해 특정 시간(레인지 프로파일(range profile) 시간
Figure pat00037
)에서의
Figure pat00038
번째 레이더 수신 펄스
Figure pat00039
로, 하기 수학식 4와 같이 정의될 수 있다. 이를 위해 레인지 프로파일 획득부(120)는 상기 도 1에서 살펴본 기하 구조를 가지는 소형 무인기의 신호에 대하여 펄스 압축(또는 거리 압축)을 수행하여 레인지 프로파일 시간
Figure pat00040
에서 송출되는 탐지 신호들 중
Figure pat00041
번째 신호의 레이더 수신 펄스(
Figure pat00042
)를 획득할 수 있으며, 이를 위해 비간섭 적분(noncoherent integration)을 수행할 수 있다.
Figure pat00043
여기서, AP는 P번째 강체 산란점의 수신 신호의 세기를, Bl,b는 l번째 로터의 b번째 날개의 산란점 수신 신호의 세기를 의미하고, sinc는 싱크(sinc) 함수를, BW는 상기
Figure pat00044
번째 신호의 대역폭(Bandwidth)을 의미함.
상기 레인지 프로파일 획득부(120)를 통해 레인지 프로파일이 획득되면, 제어부(100)는 획득된 레인지 프로파일과 기 설정된 임계값에 근거하여 일정 수준 이상의 진폭을 가지는 표적 신호를 포함하는 레인지를 검출하는 1차 탐지를 수행할 수 있다. 여기서 상기 1차 탐지는 CFAR(Constant False Alarm Rate) 탐지부(130)를 통해 수행될 수 있다.
도 3은 CFAR 알고리즘에 따라 레인지 프로파일 기반 탐지를 위한 CFAR 탐지를 수행하는 수행 절차를 도시하고 있다. 그리고 도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 주파수 스펙트럼 신호로부터 표적 신호를 검출하기 위한 임계값을 설정하는 예를 도시한 개념도이다.
먼저 도 3을 참조하여 살펴보면, CFAR 알고리즘의 입력 벡터는, 테스트 셀(test cell), 참조 셀(reference cell), 가드 셀(guard cell)로 구분될 수 있다. 이때, 테스트 셀은 소형 무인기 표적의 존재 유무를 판단하고자 하는 셀이며, 참조 셀은 잡음 환경의 분석을 위해 사용하는 셀, 가드 셀은 테스트 셀로부터 누설되는 정보를 차단하기 위해 사용하는 셀일 수 있다. 결과적으로 CFAR 탐지부(130)는 기 설정된 제1 임계값에 근거하여 각 테스트 셀에서의 표적의 존재 유무를 판단할 수 있다.
한편 주파수 스펙트럼 신호로부터 표적 신호를 탐지하는 순서는 다음과 같다. 먼저, 각 테스트 셀로부터 참조 셀 데이터
Figure pat00045
을 이용하여 잡음 환경 변수(
Figure pat00046
)를 추정할 수 있다. 이후 레퍼런스 셀에 분포하는 신호의 성향에 맞게 가중치
Figure pat00047
를 설정할 수 있다. 이때
Figure pat00048
는 사전에 설정한 오경보율에 의해 결정된다. 그러면 주파수 스펙트럼 신호에서 표적 신호를 구분하기 위한 임계값(제2 임계값)은 하기 수학식 5와 같이 추정된
Figure pat00049
와
Figure pat00050
를 이용하여 결정될 수 있다.
Figure pat00051
한편 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 장치(10)의 CFAR 탐지부(130)는 상기 CFAR 알고리즘에 따라 기 설정된 제1 임계값 이상의 신호를 가지는 레인지를 검출할 수 있다. 그리고 상기 제1 임계값 이상의 신호를 가지는 일부 레인지를 레인지 빈(range bin)으로 추출할 수 있다.
이 경우 상기 추출된 레인지 빈은 표적이 존재하는 것으로 추정될 수 있으며, 이처럼 표적이 존재하는 레인지 빈의 신호
Figure pat00052
는 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다. 여기서
Figure pat00053
는 표적이
Figure pat00054
위치에 있을 때에, 상기 표적으로부터 반사된 탐지 신호가 수신되는 시간(
Figure pat00055
, 여기서 c는 광속) 동안의 레이더 수신 펄스 일 수 있다.
이를 위해 스펙트럼 신호 생성부(140)는 상기 임계값이 넘는 신호, 즉 추출된 레인지 빈의 신호들을 추출한 결과, 즉 수학식 6의 신호로부터, 하기 수학식 7과 같은 주파수 스펙트럼 신호
Figure pat00056
를 획득할 수 있다.
Figure pat00057
Figure pat00058
한편 상기 수학식 7에서,
Figure pat00059
는 소형 무인기의 강체로부터 수신되는 신호로서 강체의 병진운동 신호이고, 상기
Figure pat00060
신호는 소형 무인기의 날개로부터 수신되는 신호로서 l번째 로터의 병진운동 성분과 날개의 회전에 따른 미세운동 성분이 컨볼루션(convolution)된 값을 의미할 수 있다.
한편 상기 수학식 6에서 미세운동 성분에 대한 위상 정보만 검출하면 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00061
여기서
Figure pat00062
는
Figure pat00063
번째 탐지 신호의 파장 길이,
Figure pat00064
은
Figure pat00065
번째 레인지 프로파일에서 l번째 로터의 각속도,
Figure pat00066
는 초기 날개 위치에서 결정되는 위상을 의미함.
한편 상기 수학식 8은 푸리에 급수 전개(Fourier series expansion)의 형태로 하기 수학식 9에서 보이고 있는 바와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00067
여기서
Figure pat00068
는 k번 째 차수의 제1종 베셀 함수(Bessel function of the first kind)를,
Figure pat00069
는
Figure pat00070
를 의미함. 그리고 N은 무인기의 날개 개수를 의미함.
그리고 상기 수학식 9를 푸리에 변환(Fourier transform)하면, 하기 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00071
한편, 무인기의 강체로부터 수신되는 병진운동 신호
Figure pat00072
는 하기 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00073
여기서
Figure pat00074
는 델타함수를,
Figure pat00075
는 컨볼루션 연산을 나타내며
Figure pat00076
는 푸리에 변환을 나타냄.
Figure pat00077
는
Figure pat00078
번째 제 1종 베셀함수이고
Figure pat00079
는
Figure pat00080
임.
시간축에서
Figure pat00081
텀은 주파수 도메인(domain)에서
Figure pat00082
텀으로 변환되고, 시간 도메인에서 곱은 주파수 도메인에서 컨볼루션인 성질을 이용하면 상기 수학식 7과 같이 스펙트럼 신호 생성부(140)에서 생성된 주파수 스펙트럼 신호
Figure pat00083
는, 수학식 10과 11로 나타낼 수 있다.
한편 제어부(100)는 수신된 신호가 미세운동 신호를 포함하는 무인기인 경우, 상기 무인기의 날개 길이에 따라 결정되는 미세운동 신호의 주파수 밴드 범위를 하기 수학식 2와 같이 결정할 수 있다.
Figure pat00084
여기서
Figure pat00085
는
Figure pat00086
를, r은 무인기의 날개 길이,
Figure pat00087
는
Figure pat00088
번째 탐지 신호의 파장 길이,
Figure pat00089
는 무인기의 각속도를 의미함.
이 경우 상기
Figure pat00090
가 1보다 충분히 큰 경우라면 미세운동 신호는 넓은 영역에 에너지가 분포될 수 있다. 또한 미세운동 신호는 넓은 주파수 범위에 특정 주파수 간격으로 하모닉(harmonic)하게 분포될 수 있다. 여기서 하모닉 신호의 기본(fundamental) 주파수인 쵸핑 주파수(chopping frequency)는 하기 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00091
여기서 N은 무인기의 날개 개수를 의미함.
상기 수학식 12는 미세성분 신호의 주파수 범위로서, 수학식 10에서 나타낸 델타 함수의 f에 해당할 수 있다. 또한 수학식 13의 쵸핑 주파수는 수학식 10에서 나타낸 델타 함수의
Figure pat00092
에 해당할 수 있다. 따라서 만약 레인지 빈에 포함된 신호, 즉 표적 신호가 미세운동 성분을 포함하는 경우 델타 함수의 값이 유효한 값을 가지게 되고, 이는 병진운동 성분의 신호에 선형결합되어 보다 강한 임펄스 신호를 생성할 수 있다.
반면 레인지 빈에 포함된 신호, 즉 표적 신호가 미세운동 성분을 포함하지 않는 경우 무인기의 날개 길이 r 및, 무인기 날개의 개수 N에 해당하는 값이 존재하지 않을 수 있다. 그러면 수학식 12에서 미세성분 주파수의 주파수 범위 역시 존재하지 않을 수 있으며, 쵸핑 주파수 역시 그 값이 존재하지 않을 수 있다. 이에 따라 수학식 10에서 나타낸 델타 함수가 산출되지 않을 수 있으며, 더불어 미세성분 신호 역시 존재하지 않을 수 있다. 즉 표적 신호가 무인기가 아닌 경우 강체의 병진운동 신호만 주파수 스펙트럼으로 나타날 수 있다.
따라서 표적 신호가 미세운동 성분을 포함하는 경우, 그렇지 않은 경우보다 주파수 스펙트럼에서 더 높은 값을 가지는 임펄스(impulse)가 다수의 주파수 영역에서 발생할 수 있다. 이에 제어부(100)는 기 설정된 크기의 임계값보다 더 큰 값을 가지는 임펄스(impulse)를 상기 미세성분으로 인해 형성되는 임펄스로 추정할 수 있으며, 추정된 임펄스의 개수가 기 설정된 갯수을 초과하는지 여부에 근거하여 상기 표적 신호가 무인기인지 여부를 최종 판정할 수 있다. 여기서 상기 임계값은 상기 수학식 5에서 설명한 바와 같이, 기 설정된 가중치(
Figure pat00093
)와 잡음 변수(
Figure pat00094
)에 근거하여 결정(
Figure pat00095
)될 수 있다.
한편 상기 기 설정된 임펄스 신호의 개수, 즉 임계 신호 개수는 검출하고자 하는 무인기의 특성에 따라 다르게 결정될 수 있다. 일 예로 상기 임계 신호 개수는 무인기의 날개 개수에 비례하여 날개 길이가 길수록 큰 값을 가질 수 있다. 상기 임계 신호 개수(M)는 하기 수학식 14와 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00096
여기서
Figure pat00097
는
Figure pat00098
에 의해 결정되는 미세성분 주파수 범위 최대값으로
Figure pat00099
는
Figure pat00100
을, r은 무인기의 날개 길이,
Figure pat00101
는 탐지 신호의 파장 길이를 의미하며, 쵸핑 주파수(chopping frequency)는
Figure pat00102
이고, N은 무인기의 날개 개수를,
Figure pat00103
는 무인기의 각속도임.
한편 메모리(150)는 상기 제어부(100)의 기능을 지원하는 다양한 데이터 및 정보들을 저장할 수 있다. 일 예로 메모리(150)는 수신 신호와 관련된 처리를 위한 복수의 알고리즘에 대한 정보들을 저장할 수 있으며, 알고리즘에 따라 산출되는 값들을 저장할 수 있다.
한편 도 5는 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 장치(10)에서, 수신된 레이더 신호가 소형 무인기 인지 여부를 판별하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 장치(10)는 먼저 신호 수신부(110)를 통해 레이더로부터 신호를 수신할 수 있다(S500). 그러면 제어부(100)는 레인지 프로파일 획득부(120)를 제어하여, 상기 신호 수신부(110)로부터 획득된 신호에 근거하여 상기 수학식 4에서 보이고 있는 바와 같은 레이더 수신 펄스(
Figure pat00104
), 즉 레인지 프로파일(range profile)을 획득할 수 있다(S502).
이 경우 상기 레인지 프로파일 획득부(120)는 펄스 압축(또는 거리 압축) 기법을 통해 상기 수신 신호로부터 상기 레인지 프로파일을 획득할 수 있으며 이를 위해 제어부(100)는 수신 신호에 대한 비간섭 적분(noncoherent integration)을 수행하도록 상기 레인지 프로파일 획득부(120)를 제어할 수 있다.
한편 상기 S502 단계에서 레인지 프로파일이 획득되면, 제어부(100)는 CFAR 탐지부(130)를 제어하여 기 설정된 임계값에 근거하여 1차적으로 표적 신호를 탐지할 수 있다(S520). 이하 상기 기 설정된 임계값과 하기 임펄스 신호의 임계값을 서로 구분하기 위하여, 이하에서는 상기 CFAR 탐지를 위해 사용되는 임계값을 제1 임계값으로 하기로 한다.
상기 S520 단계에서 제어부(100)는 제1 임계값에 근거하여, 상기 제1 임계값을 넘는 신호가 존재하는 레인지를 표적이 존재하는 레인지로 검출하는 단계일 수 있다. 그리고 검출 결과에 따라 표적이 존재하는 레인지, 즉 레인지 빈(range bin)을 검출할 수 있다.
한편 상기 S520 단계에서 레인지 빈이 검출되면, 제어부(100)는 스펙트럼 신호 생성부(140)를 제어하여 상기 검출된 레인지 빈이 신호에 대한 주파수 스펙트럼 신호를 획득할 수 있다(S530).
이 경우 상기 표적이 로터에 연결된 회전 날개를 포함하는 경우 상기 날개로 인해 발생하는 미세성분이 상기 주파수 스펙트럼에 포함될 수 있다. 이에 따라 표적이 무인기인 경우, 상기 수학식 7에서 보이고 있는 바와 같이 강체의 신호 성분(강체의 병진운동 성분,
Figure pat00105
)과 날개에서 검출되는 신호 성분(로터의 병진운동 성분(
Figure pat00106
)과 날개의 미세운동 성분(
Figure pat00107
)을 모두 포함할 수 있다.
반면 표적이 회전 날개를 포함하지 않는 클러터(clutter)인 경우 상기 날개로 인해 발생하는 미세성분이 주파수 스펙트럼에 포함되지 않을 수 있다. 이에 따라 표적 신호의 주파수 스펙트럼은 강체의 신호 성분(강체의 병진운동 성분,
Figure pat00108
)만을 포함할 수 있다. 이에 표적이 클러터인 경우, 상기 표적이 무인기인 경우에 발생하는 신호 보다 더 강한 진폭(amplitude)을 가지는 신호, 즉 더 강한 임펄스 신호가 다수의 주파수 도메인에 발생될 수 있다.
이에 따라 상기 S530 단계에서 주파수 스펙트럼이 생성되면, 제어부(100)는 2차 탐지를 수행하여 기 설정된 임계값 이상의 진폭(임펄스)을 가지는 주파수들의 개수를 검출할 수 있다(S540). 여기서 상기 임계값 즉 제2 임계값은 상기 수학식 5에서 설명한 바와 같이, 기 설정된 가중치(
Figure pat00109
)와 잡음 변수(
Figure pat00110
)에 근거하여 결정(
Figure pat00111
)될 수 있다.
그리고 검출된 주파수들의 개수가 기 설정된 임계 신호 개수를 넘는 경우, 제어부(100)는 상기 S500 단계에서 수신된 표적 신호에 대응하는 표적이 무인기라고 판별할 수 있다. 반면 상기 검출된 주파수들의 개수가 상기 임계 신호 개수 이하인 경우에, 제어부(100)는 상기 S500 단계에서 수신된 표적 신호에 대응하는 표적이 클러터라고 판별할 수 있다.
하기 도 6 내지 도 8은, 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 장치(10)에서 검출된 레인지 프로파일과, 표적이 클러터인 경우와 무인기인 경우에 검출되는 주파수 스펙트럼의 예를 도시한 것이다.
하기 표 1은 하기 도 6 내지 도 8에서 본 발명에 따른 주파수 스펙트럼의 검출을 위해 표적 신호를 수신하는 레이더의 환경 변수를 나타낸 것이다.
Figure pat00112
이하의 설명에서는 무인기를 클러터가 다수 존재하는 환경에서 상기 표 1에서 도시한 사양을 가지는 레이더로부터 대략 50m 이격된 위치에서 제자리 비행하도록 한 경우에 측정되는 결과들의 예들을 도시한 것이다.
먼저 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 탐지 장치에서, 레인지 프로파일과 상기 레인지 프로파일에서의 1차 탐지 결과를 도시한 예시도이다. 도 6에서 제1 그래프(600)는 레인지 프로파일을 의미하며, 제2 그래프(610)는 CFAR 탐지를 위한 임계값(제1 임계값)을 의미할 수 있다. 그리고 참조부호 650은 표적신호, 참조부호 660들은 클러터 신호를 나타낼 수 있다.
그리고 제어부(100)는 상기 도 6의 결과에서 임계값을 넘은 신호를 추출하여 주파수 스펙트럼을 획득할 수 있다. 그리고 획득된 주파수 스펙트럼으로부터 제2 임계값을 넘는 진폭을 가지는 주파수들을 검출하는 제2 탐지 과정을 수행할 수 있다.
먼저 도 7은 표적이 무인기인 경우에 획득될 수 있는 주파수 스펙트럼과, 상기 주파수 스펙트럼에 대한 2차 탐지 수행 결과를 나타낸 예시도이다.
도 7을 참조하여 살펴보면, 도 7은 주파수 스펙트럼(710)과 제2 임계값(700)을 나타내고 있다. 이처럼 표적이 무인기인 경우에 상술한 바와 같이 주파수 스펙트럼은 강체의 병진운동 성분 뿐만 아니라 날개의 미세운동 성분을 더 포함하고 있으므로, 검출된 레인지 빈의 주파수 영역들 중 다수의 주파수에서 제2 임계값(700) 이상의 진폭을 가지는 임펄스들이 형성됨을 알 수 있다. 도 7의 경우 제2 임계값을 넘는 진폭을 가지는 주파수의 개수는 77개 검출될 수 있다.
이에 반해 도 8은 표적이 클러터인 경우에 획득된 주파수 스펙트럼과, 상기 주파수 스펙트럼에 대한 2차 탐지 결과를 나타낸 예시도이다.
도 8을 살펴보면, 도 7에 비하여 검출된 레인지 빈의 주파수 영역들 중 휠씬 적은 개수의 주파수에서 제2 임계값(700) 이상의 진폭을 가지는 임펄스들이 형성됨을 알 수 있다. 상기 도 7의 경우 제2 임계값을 넘은 주파수의 개수는 77개 검출된 반면, 도 8의 경우 제2 임계값을 넘는 진폭을 가지는 주파수의 개수는 33개로서 그 개수가 훨씬 적을 수 있다. 이는 표적이 회전 날개를 포함하지 않는 클러터인 경우에, 주파수 스펙트럼은 강체의 병진운동 성분 만을 포함하므로, 상기 도 7과 달리 주파수 별로 진폭 변화가 더 적게 검출될 수 있기 때문이다.
따라서 임계 신호 개수가 40개 정도로 결정되는 경우, 도 7의 경우와 같은 주파수 스펙트럼이 획득된 경우 제어부(100)는 표적을 무인기로 판별할 수 있으며, 도 8의 경우와 같은 주파수 스펙트럼이 획득된 경우 표적을 무인기가 아닌 것으로 판별할 수 있다. 이에 CFAR 탐지부(130)의 임계값(제1 임계값) 이상의 진폭을 가지는 신호들에 대해, 표적이 클러터인지 무인기인지를 정확하게 판별할 수 있다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다.
그러나 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석 되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 탐지 장치
100 : 제어부 110 : 신호 수신부
120 : 레인지 프로파일 획득부 130 : CFAR 탐지부
140 : 스펙트럼 신호 생성부 150 : 메모리

Claims (10)

  1. 표적 신호를 포함하는 레이더 신호를 수신하는 신호 수신부;
    수신된 표적 신호로부터 레인지 프로파일(range profile)을 획득하는 레인지 프로파일 획득부;
    상기 획득한 레인지 프로파일에 근거하여, 기 설정된 제1 임계값을 넘는 진폭을 가지는 일부의 레인지를 레인지 빈(range bin)으로 검출하는 CFAR(Constant False Alarm Rate) 탐지부;
    상기 검출된 레인지 빈의 신호를 추출하여 주파수 스펙트럼 신호를 생성하는 스펙트럼 신호 생성부; 및,
    상기 주파수 스펙트럼 신호에 근거하여, 기 설정된 가중치와 잡음 변수에 근거하여 결정되는 제2 임계값을 초과하는 진폭이 검출된 주파수들의 개수를 검출하고, 검출된 주파수 개수가 기 설정된 임계 신호 개수를 초과하는지 여부에 근거하여 상기 표적 신호에 대응하는 표적이 무인기인지 여부를 판별하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레인지 프로파일 획득부는,
    상기 수신된 레이더 신호에 대해 비간섭 적분(noncoherent integration)을 수행하여 상기 레인지 프로파일을 획득하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스펙트럼 신호 생성부는,
    상기 레인지 빈의 신호로부터, 표적 신호의 주파수 스펙트럼 신호를, 표적의 강체로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분과, 표적의 날개로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분이 선형 결합된 형태로 생성하고,
    상기 표적의 강체로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분은,
    상기 표적의 강체의 병진운동에 따른 주파수 스펙트럼이며,
    상기 표적의 날개로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분은,
    상기 표적의 로터(rotor)의 병진운동에 따른 성분과 상기 날개의 미세운동에 따른 성분이 컨볼루션(convolution)된 주파수 스펙트럼임을 특징으로 하는 탐지 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 표적 신호의 주파수 스펙트럼의 각 주파수 별로 진폭(amplitude)이 상기 제2 임계값을 초과하는지 여부에 근거하여, 상기 표적 신호가 상기 표적의 강체로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분만을 포함하는지 또는 상기 표적의 날개로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분을 더 포함하고 있는지를 판단하고,
    상기 제2 임계값을 초과하는 진폭을 가지는 주파수의 개수가 상기 임계 신호 개수를 초과하는 경우 상기 표적 신호에 대응하는 표적을 무인기로 판단하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 임계 신호 개수는,
    탐지하고자 하는 무인기의 특성에 따라 다르게 결정되며,
    상기 무인기의 특성은,
    무인기의 날개 개수 및 날개 길이를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐지 장치.
  6. 표적 신호를 포함하는 레이더 신호를 수신하는 단계;
    수신된 표적 신호로부터 레인지 프로파일(range profile)을 획득하는 단계;
    상기 획득한 레인지 프로파일에 근거하여, CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘에 따라 기 설정된 제1 임계값을 넘는 진폭을 가지는 일부의 레인지를 레인지 빈(range bin)으로 검출하는 단계;
    상기 검출된 레인지 빈의 신호를 추출하여 주파수 스펙트럼 신호를 생성하는 단계;
    기 설정된 가중치와 잡음 환경 변수에 근거하여 결정되는 제2 임계값을 결정하는 단계;
    상기 주파수 스펙트럼 신호로부터 상기 제2 임계값을 초과하는 진폭이 검출된 주파수들의 개수를 검출하는 단계; 및,
    상기 제2 임계값을 초과하는 진폭이 검출된 주파수 개수가 기 설정된 임계 신호 개수를 초과하는지 여부에 근거하여 상기 표적 신호에 대응하는 표적이 무인기인지 여부를 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐지 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 레인지 프로파일을 획득하는 단계는,
    상기 수신된 레이더 신호에 대해 비간섭 적분(noncoherent integration)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐지 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 주파수 스펙트럼 신호를 생성하는 단계는,
    상기 레인지 빈의 신호로부터, 표적 신호의 주파수 스펙트럼 신호를, 표적의 강체로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분과, 표적의 날개로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분이 선형 결합된 주파수 스펙트럼 신호를 생성하는 단계이며,
    상기 표적의 강체로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분은,
    상기 표적의 강체의 병진운동에 따른 주파수 스펙트럼이며,
    상기 표적의 날개로부터 수신되는 주파수 스펙트럼 성분은,
    상기 표적의 로터(rotor)의 병진운동에 따른 성분과 상기 날개의 미세운동에 따른 성분이 컨볼루션(convolution)된 주파수 스펙트럼임을 특징으로 하는 탐지 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제2 임계값은,
    상기 CFAR 알고리즘에 따른 입력 벡터들 중, 잡음 환경의 분석을 위해 사용하는 참조 셀(reference cell)에 포함된 데이터에 근거하여 추정되는 상기 잡음 환경 변수와, 기 설정된 상기 가중치의 곱에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 탐지 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 임계 신호 개수는,
    하기 수학식에 의해 결정되며, 탐지하고자 하는 무인기의 날개 개수에 비례한 날개 길이에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 탐지 방법.
    [수학식]
    Figure pat00113

    Figure pat00114
    는 무인기 날개로부터 획득되는 미세성분 주파수 스펙트럼의 주파수 범위 최대값으로,
    Figure pat00115
    에 의해 결정되며, 여기서
    Figure pat00116
    는
    Figure pat00117
    이고, r은 무인기의 날개 길이,
    Figure pat00118
    는 탐지 신호의 파장 길이,
    Figure pat00119
    는 무인기의 각속도를 의미함. 그리고 쵸핑 주파수(chopping frequency)는
    Figure pat00120
    이고, N은 무인기의 날개 개수를 의미함.
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