KR101041990B1 - 레이더 모의표적장치의 도플러 주파수 구현방법 - Google Patents

레이더 모의표적장치의 도플러 주파수 구현방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이더 모의표적장치의 도플러 주파수 구현방법에 관한 것으로, 초단에서는 DDS(Direct Digital Synthesizer)와 혼합기(Mixer)를 국부발생기 주파수에 대한 도플러 주파수를 적용하고, 2단에서는 ADC(Analog Digital Converter)와 DAC(Digital Analog Converter)의 샘플링 주파수를 다르게 적용함으로써 2차 도플러 주파수와 펄스폭 변화특성을 적용하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 표적신호에 도플러 주파수를 적용함에 있어서 운용주파수 및 순시대역폭에 제약을 받지 않을 뿐만 아니라 표적의 법선 속도에 따른 펄스폭 변화량이 고려되므로 장 펄스폭의 표적신호가 발생되는 중·장거리 레이더에 적용가능한 장점이 있다.

Description

레이더 모의표적장치의 도플러 주파수 구현방법{The Method Of Making Doppler Frequency In Radar Simulating Target}
본 발명은 레이더 모의표적장치의 도플러 주파수 구현방법에 관한 것으로, 초단에서는 직접디지탈주파수합성기(Direct Digital Frequency Synthesizer: DDFS)와 혼합기(Mixer)를 이용하여 1차 도플러 주파수를 적용하고, 2단에서는 아날로그 디지탈 변환기 (Analog Digital Converter: ADC)와 디지탈 아날로그 변환기 (Digital Analog Converter: DAC)의 샘플링 주파수를 다르게 적용함으로써 2차 도플러 주파수와 펄스폭 변화특성을 적용하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 레이더 장치는 물체에 일정 시간동안 전파를 송신하고, 물체에서 반사되는 전파를 수신함으로써 송신과 수신간의 시간을 계산하여 물체까지의 상대거리를 검출하여 수신된 신호의 주파수 성분으로부터 그 상대속도 등을 계산하여 감지하는 데 사용된다.
움직이는 표적의 속도 측정은 도플러 신호를 이용하는 것으로 도플러 신호를 탐지하고 처리함으로써 표적의 이동 속도에 관련된 정보를 얻을 수 있다. 일반적으로 도플러 주파수를 탐지하는 방식은 관심표적에 대한 여러번의 샘플을 추출하여 얻게 된다. 여러번의 샘플을 취하여 연산하는 것은 한번 수행하는 경우보다 시간적인 안배가 필요하다. 또한, 간섭신호에 대한 영향이 크지 않은 경우, 즉 운용 주파수에 대한 간섭 영향이 외부로부터 크지 않은 경우에는 상대적으로 변복조에 대한 기술적 조작이 크게 요구되지 않는다. 그러나 간섭 신호를 극복해야 할 필요가 있는 시스템의 경우에는 운용 주파수에 대한 변복조 스킴이 추가되어야 하기 때문에 전체적인 구성이나 인터페이스가 복잡하게 된다.
현재 사용되는 도플러 프로세싱의 방법으로는 전술한 여러번의 샘플을 구하는 방식과 단일 빔에 대한 스펙트럼 비교 방식을 혼용해서 사용하고 있다. 단일 빔에 대한 스펙트럼 비교방식은 두 신호의 콘볼루션(Convolution) 연산에 의한다. 연산 결과는 시간축상에서 수행하는 것과 주파수상에서 수행하는 것이 동일한 결과를 얻게 된다. 다만 포인트 수가 50개수 이상의 콘볼루션 연산에서는 시간축보다 주파수축에서 수행하는 것이 연산 시간이 월등히 빨라서 통상적으로 주파수상의 스펙트럼 비교방식을 선호한다.
한편 필터뱅크를 구성할 때 요구 시간 내에 처리해야 할 데이터량 및 필터 채널의 수가 많아지면, 입력되는 RAW 데이터를 일시적으로 저장해야 하는 물리적인 메모리 및 프로세서가 필요하게 되어 그에 따른 복잡도가 증가한다. 이때, RAW 데이터는 데이터 처리과정에서 임시로 발생하는 데이터를 가리킨다.
또한 소프트웨어적인 처리를 위해서는 고속의 DSP(Digital Signal Processor) 및 PPC를 이용하게 되는데, 1개 프로세서에서는 동일 시간대에 단일 채널에 대한 도플러 필터링을 수행하게 되므로 요구시간에 대한 제약이 있어 로직 구현과 비교하여 보면 소프트웨어적인 처리가 상대적으로 취약하다.
주파수 상의 스펙트럼 비교 방식을 이용하여 고속의 DSP를 이용한 필터뱅크를 구성하면 전체 운용시간 대비 동시처리가 요구되는 경우에는 필터뱅크의 채널 수에 따라 DSP의 개수가 소요되어 전체적인 구성이 복잡하게된다. 뿐만 아니라 시스템의 하드웨어적인 크기가 증가하는 것도 피할 수 없다.
상기한 문제를 해결하기 위하여 제안된 기술로는 등록특허 10-0936173를 참조할 수 있다. 상기 기술은 표적 추적장치에서의 관심표적의 이동 속도를 측정하기 위해 이용되는 도플러 주파수를 추출하는 방법에 관한 것으로,
이동속도를 측정하기 위하여 표적에 전송한 신호가 반사되면, 상기 반사된 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호를 A/D 변환하는 과정과, 상기 A/D 변환한 신호에 대한 다운샘플링 데이터를 생성하는 과정과, 상기 다운샘플링 데이터에 대한 고속 푸리에 연산(FFT:Fourier Transform)을 수행하는 과정과, 상기 고속 푸리에 연산에 따른 출력 데이터가 생성되면, 동기신호를 생성하여 각각의 도플러 주파수를 추출하기 위한 필터뱅크에 연결된 카운터를 활성화시키는 과정과, 상기 카운터가 활성화되면, 적어도 하나의 메모리를 동작시키고, 상기 메모리들에 대응하는 어드레스를 순차적으로 생성하고, 상기 메모리들에 상기 생성된 어드레스를 제공하는 과정과, 상기 고속 푸리에 연산에 따른 출력데이터와, 상기 메모리들에 기 저장 복제(Raplica) 데이터들을 각 인덱스별로 컴플렉스 곱셈연산하는 과정과, 상기 곱셈연산되어 출력된 데이터들에 대한 역 고속 푸리에 연산(IFFF : Inverse Fast Fourier Transform)을 수행하여 출력하는 과정을 구성상의 특징으로 하고 있다.
그러나 상기한 방법으로 표적신호의 도플러 주파수를 모의할 경우에는 표적의 법선 이동속도에 따른 레이더 송신신호의 펄스폭 변화를 적용하지 못하여 실제의 표적신호와 다르게 되며, 근래에 레이더에서 사용되는 광대역의 주파수 대역을 이용하는 레이더 시스템을 시험할 경우에는 동일 펄스폭 내에서의 도플러 변화를 제대로 모사할 수 없는 문제점이 발생하게 된다.
등록특허 10-0936173
없음
본 발명은 표적의 법선 이동속도에 따른 레이더 송신신호의 펄스폭 변화를 적용할 수 있는 도플러 주파수의 적용방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 광대역의 주파수 대역을 이용하는 레이더 시스템을 시험할 경우에는 동일 펄스폭 내에서의 도플러 변화 모사하는 방법을 제공하는것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은
레이더 신호의 주파수를 주파수 하향변환용 혼합기(111)에 입력시키는 단계와;
고정 국부발생기1(113)에서 특정 주파수를 발생시켜 상기 주파수 하향변환용 혼합기(111)에 입력시키는 단계와;
상기 주파수 하향변환용 혼합기(111)에서 레이더 신호의 주파수와 고정 국부발생기에서 발생된 주파수를 비교하여 차이 만큼 주파수를 하향 변환하는 단계와;
상기 하향 변환된 주파수를 고정 국부발생기2(114)에서 발생되는 주파수에 맞게 샘플링 클럭(clock)하여 아날로그 디지털 변환기(ADC)(112)에 입력시켜 디지털 데이터로 변환시키는 단계와;
상기 변환된 디지털 데이터를 데이터 저장부(120)에 샘플링된 순서대로 저장시키는 단계와;
상기 데이터 저장부(120)에 저장된 디지털 데이터를 가변 국부발생기2(132)에서 발생된 주파수에 맞게 샘플링 클럭(clock)하여 디지탈 아날로그 변환기(DAC)(134)에 입력시켜 아날로그 신호로 복원시키는 단계와;
상기 디지탈 아날로그 변환기(DAC)에 의해 복원된 아날로그 신호를 주파수 상향 변환기(133)로 입력시켜 가변 국부발생기1(131)에서 발생된 주파수 만큼 주파수를 상향 변환시키는 단계와;
상기 주파수 상향 변환기(133)에서 표적신호를 발생시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한 레이더 모의표적장치의 도플러 주파수 구현방법을 과제 해결을 위한 주된 수단으로 삼는다.
본 발명의 방법을 이용하면 표적신호에 도플러 주파수를 적용함에 있어서 운용주파수 및 순시 대역폭에 제약을 받지 않는 효과가 있다.
또한 표적의 법선 속도에 따른 펄스폭 변화량이 고려되므로 장 펄스폭의 표적신호가 발생되는 중·장거리 레이더에 적용가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레이더 모의표적장치의 도플러 주파수를 구현하기 위한 이중 도플러모의기의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이더 시험 중 표적의 법선속도에 따른 펄스폭 변화를 설명하기 위한 예시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이더 모의표적장치의 도플러 주파수를 구현하기 위한 이중 도플러모의기의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
본원발명에 의한 이중 도플러모의기는 신호 입력부(110); 데이터 저장부(120); 신호 출력부(130)로 구성된다.
신호 입력부(110)는 고정 국부발생기1(113)와; 주파수 하향변환용 혼합기(111)와; 고정 국부발생기2(114)와; 아날로그 디지탈 변환기 (ADC)(112)로 구성되어 있다. 상기 신호 입력부(110)에서는 레이더 수신신호에 대한 주파수 하향변환 및 데이터의 디지털 변환이 이루어진다.
레이더 신호의 주파수가 주파수 하향변환용 혼합기(111)에 입력되고, 고정 국부발생기1(113)에서 발생된 국부신호가 주파수 하향변환용 혼합기에 입력되면, 상기 주파수 하향변환용 혼합기(111)에서 출력되는 신호의 주파수는 상기 고정 국부발생기1(113)의 주파수와 레이더 신호의 주파수의 합 성분과 차 성분이 발생되는데 합 성분의 주파수는 주파수가 너무 높아 자체적으로 감쇄되고, 차 성분의 주파수만 남게 된다. 그 결과로서 입력된 레이더 신호는 상기 고정 국부발생기1(113)의 주파수 만큼 하향 변환된다.
상기 주파수 하향변환용 혼합기(111)에서 하향 변환된 주파수는 아날로그 디지털 변환기(ADC)(112)에 입력되어 일정한 주기로 샘플링(표본화)되어 디지털 데이터로 변환된다. 이때 아날로그 디지털 변환기에 입력되는 샘플링 클럭(clock)은 고정 국부발생기2(114)에서 특정 주파수로 발생되게 된다. 한편 변환된 디지털 데이터는 데이터 저장부(120)에 샘플링된 순서대로 저장된다.
데이터 저장부(120)는 ADC에서 FIFO(First In First Out) 메모리를 이용하여 변환된 디지털 데이터를 저장하였다가 일정한 지연시간 후에 신호를 발생할 때 데이터를 읽어내게 된다.
상기 데이터 저장부(120)는 통상적으로 사용되는 FIFO 메모리로서 용량에 따라서 레이더 송신 펄스폭과 ADC 샘플링 클럭(clock) 주파수에 비례하도록 선정하면 무방한데, 바람직하게는 레이더 송신신호 최대 펄스 폭과 ADC 샘플링 클럭(clock) 주파수의 곱으로 선정할 수 있다. 만일 레이더 송신신호 최대 펄스 폭이 100usec이고, ADC 샘플링 클럭이 300MHz일 경우 FIFO 메모리 용량은 = 100*10-6 * 300*106 = 30,000 word 이상으로 결정된다.
신호 출력부(130)는 디지탈 아날로그 변환기 (ADC)(134)와; 가변 국부발생기1(131)과; 가변 국부발생기2(132)와; 혼합기(133)로 구성된다.
메모리로부터 읽어낸 데이터를 가변 국부발생기2(132)에서 발생된 주파수의 클럭으로 샘플링되는 DAC(134)에 의해 디지털 데이터를 아날로그 신호로 복원하게 된다. 여기에서 가변 국부발생기2의 주파수는 입력부의 고정 국부발생기2에서 발생된 주파수를 일정한 비율로 변경시켜 생성됨으로써 복원되는 신호의 주파수 및 펄스폭에 변화가 일어나게 된다. 이 때 일어나게 되는 주파수 변화량은 표적의 이동속도와 입력되는 신호의 주파수에 비례하여 변화된다. DAC에 의해 복원된 아날로그 신호는 주파수 상향변환기(133)에서 가변 국부발생기1(131)에서 생성된 주파수만큼 중심주파수가 상향 변환된다. 이때에도 DAC에서와 마찬가지로 가변 국부발생기1의 주파수는 입력부의 고정국부발생기1에서 발생된 주파수와 표적의 속도에 비례하여 주파수가 생성되게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 레이더 시험 중 표적의 법선속도에 따른 펄스폭 변화를 설명하기 위한 예시도이다. 입사펄스신호(210)은 표적에 입사되는 레이더 신호의 펄스폭에 대한 그림이고, 반사펄스신호(220)은 표적에 부딪힌 레이더 신호가 일정 시간이 지연된 후의 반사펄스신호에 대한 그림이다. 입사펄스신호의 펄스폭은 레이더 송신신호의 상승모서리(213)에서부터 하강모서리(211)까지의 시간차로 표현되며, 단위는 [초]로 표현된다. 또한 그림에 도시된 L(215)은 펄스폭 시간 동안 전파가 이동한 거리로서 전파속도와 펄스폭의 곱으로 정의된다.
반사펄스 신호의 펄스폭(222)은 표적이 반사펄스의 상승모서리(221)와 접하게 되는 시점에서부터 표적이 레이더 송신신호의 하강모서리(223)와 접하게 되는 시점의 차로 표현되며, 단위는 [초]로 표현된다. 이 때 반사펄스신호의 이동거리는 시간 동안의 표적(224)의 이동거리인 d(225)의 2배만큼 감소하게 된다.
본원발명에서는 레이더 수신신호를 디지털 데이터로 변환하기 위한 ADC의 샘플링 클럭 주파수와 저장 및 변형된 표적신호 모의 데이터를 아날로그 신호로 변환하기 위한 DAC의 샘플링 클럭을 상이하게 적용함으로써 표적신호의 펄스폭을 가변할 수 있도록 한다. 아래의 수식은 표적의 이동속도에 따른 표적신호의 펄스폭 및 DAC 샘플링 클럭 주파수 변경특성을 수식으로 표현한다. 수신된 레이더 신호의 동일 펄스 내에서 상이한 주파수가 입력될 때 각 각의 주파수에 따른 도플러 주파수가 각 각 적용 되어야 한다. 이때 수신된 신호의 펄스 폭을 가변함으로써 각 각의 상이한 주파수에 대한 도플러 주파수는 펄스 폭의 변화율 만큼 비례하여 적용되게 된다. 현대의 레이더에서는 수백 MHz의 대역폭(동일 펄스 내에서의 주파수 편차)이 사용된다. 이때 같은 펄스 폭 내에서의 도플러 주파수를 모두 동일하게 적용하게 되면, 오차의 범위가 레이더 성능에 많은 영향을 주게 된다. 또한 펄스폭의 변화를 정확히 모사함으로써 표적신호의 위상오차를 제거할 수 있다.
식1
Figure 112011018609112-pat00001

식2
Figure 112011018609112-pat00002
식 1은 표적신호의 펄스폭 변화 특성을 설명할 수 있는 식이며,
식 2는 펄스폭 내의 도플러 주파수 차를 적용하기위한 DAC 샘플링 주파수를 설명하는 수식이다.
실시예: 레이더 모의표적장치의 도플러 주파수 구현
1000m/s의 속도로 비행하고 있는 모의표적에서 3,000MHz의 주파수를 주파수 하향변환용 혼합기로 입력시킨 후, 고정 국부발생기1에서 2,700MHz의 주파수를 발생시키고, 고정 국부발생기2에서 300MHz의 샘플링 주파수를 클럭하여 아날로그 디지탈 변환기로 입력시켜 디지탈화시킨 후, 최종 출력되는 표적신호의 주파수를 계산하였다.
1) 주파수 변환에서 적용되는 도플러 주파수의 계산
Figure 112011018609112-pat00003
Figure 112011018609112-pat00004
= 1,800Hz
2) 디지탈 아날로그 변환기(DAC)에서의 신호변환에서 적용되는 도플러 주파수의 계산
Figure 112011018609112-pat00005
Figure 112011018609112-pat00006
= 200Hz
3) 최종 출력되는 표적신호의 주파수를 계산
Figure 112011018609112-pat00007
= 1,800Hz + 200Hz
= 2,000Hz
상기 실시예에서 레이더 송신신호의 펄스폭이 100μsec일때 표적신호의 펄스폭 변화와 디지탈 아날로그 변환기 (DAC)샘플링 클럭 주파수 변화를 계산하면 다음과 같다.
4) 표적신호 펄스폭 변화계산
Figure 112011018609112-pat00008
Figure 112011018609112-pat00009
= 99.999333usec
5)디지탈 아날로그 변환기(DAC) 샘플링 클럭 주파수 변화계산
Figure 112011018609112-pat00010
Figure 112011018609112-pat00011
= 300.002MHz
위의 실시예 (1)~(5)에서는 각 단계별로 도플러 주파수가 어떻게 적용되는지를 확인할 수 있다. 실시예 (4)는 DAC의 가변국부발생기에 적용될 클럭신호의 주파수를 계산하는 방식을 예시하였고, 예시 (4)는 (5)에서 계산된 클럭신호를 적용하였을 때 변화되는 신호의 펄스폭를 확인할 수 있다.
없음

Claims (2)

  1. 레이더 신호의 주파수를 주파수 하향변환용 혼합기(111)에 입력시키는 단계와;
    고정 국부발생기1(113)에서 특정 주파수를 발생시켜 상기 주파수 하향변환용 혼합기(111)에 입력시키는 단계와;
    상기 주파수 하향변환용 혼합기(111)에서 레이더 신호의 주파수와 고정 국부발생기에서 발생된 주파수를 비교하여 차이 만큼 주파수를 하향 변환하는 단계와;
    상기 하향 변환된 주파수를 고정 국부발생기2(114)에서 발생되는 주파수에 맞게 샘플링 클럭(clock)하여 아날로그 디지털 변환기(ADC)(112)에 입력시켜 디지털 데이터로 변환시키는 단계와;
    상기 변환된 디지털 데이터를 데이터 저장부(120)에 샘플링된 순서대로 저장시키는 단계와;
    상기 데이터 저장부(120)에 저장된 디지털 데이터를 가변 국부발생기2(132)에서 발생된 주파수에 맞게 샘플링 클럭(clock)하여 디지탈 아날로그 변환기(DAC)(134)에 입력시켜 아날로그 신호로 복원시키는 단계와;
    표적의 이동속도에 따른 표적신호의 펄스폭을 반영하는 단계와;
    상기 디지탈 아날로그 변환기(DAC)에 의해 복원된 아날로그 신호를 주파수 상향 변환기(133)로 입력시켜 가변 국부발생기1(131)에서 발생된 주파수 만큼 주파수를 상향 변환시키는 단계와;
    상기 주파수 상향 변환기(133)에서 표적신호를 발생시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한 레이더 모의표적장치의 도플러 주파수 구현방법
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 표적의 이동속도에 따른 표적신호의 펄스폭 및 디지탈 아날로그 변환기(DAC) 샘플링 클럭 주파수 변경은 식 1, 2에 의한 것임을 특징으로 한 모의표적장치의 도플러 주파수 구현방법

    식 1
    Figure 112011018609112-pat00012

    식 2
    Figure 112011018609112-pat00013
KR1020110022611A 2011-03-15 2011-03-15 레이더 모의표적장치의 도플러 주파수 구현방법 KR101041990B1 (ko)

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