KR101334734B1 - 빔 함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

2개 이상의 안테나를 구비하는 레이더에 입사되는 입사신호의 도래각을 추정하는 방법으로서, (a) 안테나에 입력되는 입사신호의 각도에 따른 분포를 나타내는 빔함수를 가우시안 함수로 모델링하고, 상기 안테나 중에서 선택된 제1 안테나 및 제2 안테나에서의 상기 빔함수의 비율과 상기 입사신호의 도래각과의 관계를 나타내는 도래각 관계식을 도출하는 단계;와 (b) 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 입사신호의 세기 비율을 입력받는 단계;와, (c) 상기 입사신호의 세기 비율이 상기 빔함수의 비율과 비례하는 것으로 가정하여 상기 도래각 관계식으로부터 상기 입사신호의 도래각을 연산하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정방법이 개시된다.

Description

빔 함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정방법 및 장치 {Method and device for computing DOA of incident signal using beam function}

본 발명은 안테나를 통해 수신되는 전자파 신호의 입사각을 추정하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 안테나에 수신되는 신호의 빔패턴을 가우시안 함수로 모델링하여 입사신호의 도래각을 추정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

입사신호의 방위각, 즉 입사신호의 도래각을 추정하는 문제는 오래 전부터 레이더나 통신 시스템에서 중요한 문제로 인식되어 군사적, 상업적으로 많이 연구 되고 있다. 이러한 신호의 방위각을 추정하는 기법을 DOA(Direction of Arrival)라 하는데 배열소자(array sensor)로 입사된 각 신호의 크기와 위상을 이용하여 신호원(SOI: Signal of Interest)의 방향을 추정하게 된다.

신호원의 방향을 추정하는 방법으로는 기본적으로 빔형성(Beamforming)법, 캐폰(Capon)법, 선형예측법 등이 있고 이외에도 행렬의 고유치 혹은 고유벡터를 이용한 최소평균법, 뮤직(MUSIC), 에스프릿트(ESPRIT) 등이 연구되고 있다. 하지만 이러한 방법들은 모두 배열 소자로 수신되는 신호로부터 다수의 신호 표본을 이용하여야 하고 궁극적으로 신호의 위상과 크기를 모두 사용하기 때문에 복잡도가 높아 실질적인 구현에 어려움이 따르며 이로 인해 실시간 처리에 있어서 한계를 보여주고 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다수의 신호표본과 복잡한 매트릭스 연산이 필요했던 기존의 입사신호의 도래각 추정에 비해 복잡도를 낮춤으로써 연산속도를 대폭 향상시킬 수 있는 입사신호의 도래각 추정방법 및 장치를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정방법은, 2개 이상의 안테나를 구비하는 레이더에 입사되는 입사신호의 도래각을 추정하는 방법으로서, (a) 안테나에 입력되는 입사신호의 각도에 따른 분포를 나타내는 빔함수를 가우시안 함수로 가정하고, 상기 안테나 중에서 선택된 제1 안테나 및 제2 안테나에서의 상기 빔함수의 비율과 상기 입사신호의 도래각과의 관계를 나타내는 도래각 관계식을 도출하는 단계;와, (b) 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 입사신호의 세기 비율을 입력받는 단계;와, (c) 상기 입사신호의 세기 비율이 상기 빔함수의 비율과 비례하는 것으로 가정하여 상기 도래각 관계식으로부터 상기 입사신호의 도래각을 연산하는 단계;를 구비한다.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정방법은, 상기 단계(b)와 상기 단계(a)를 순서를 바꾸어서 수행할 수도 있으며, 상기 제1 및 제2 안테나는 상기 안테나 중에서 입력신호의 세기가 큰 순서로 선택되는 것이 바람직하다.

바람지한 일실시예에서, 상기 가우시안 함수

이고,

여기서 G는 안테나의 이득이고, θ₀는 안테나의 지향방향,

이며, θ_{3 db}는 HPBW 설계 변수이고, 상기 안테나의 이득과 HPBW 설계 변수는 상기 각 안테나가 동일한 값을 갖는 것으로 가정할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정장치는, 2개 이상의 안테나를 포함하는 신호수신부;와, 안테나에 입력되는 입사신호의 각도에 따른 분포를 나타내는 빔함수를 가우시안 함수로 가정하고, 상기 신호수신부의 안테나 중에서 선택된 제1 안테나 및 제2 안테나에서의 상기 빔함수의 비율과 상기 입사신호의 도래각과의 관계를 도출하는 도래각 관계식 도출부;와, 상기 신호수신부로부터 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 입사신호의 세기를 입력받아서 제1 및 제2 안테나 사이의 신호세기의 비율을 계산하고, 이 신호세기의 비율과 상기 도래각 관계부에서 도출된 도래각 관계식을 이용하여 상기 입사신호의 도래각을 연산하는 연산부를 구비한다.

상기 가우시안 함수

이고,

여기서 G는 안테나의 이득이고, θ₀는 안테나의 지향방향,

이며, θ_{3 db}는 HPBW 설계 변수이며, 상기 안테나의 이득과 HPBW 설계 변수는 상기 각 안테나가 동일한 값을 갖는 것으로 가정한다.

그리고, 바람직하게는 상기 제1 및 제2 안테나가 상기 안테나 중에서 입력신호의 세기가 큰 순서로 선택된다.

본 발명의 도래각 추정방법 및 장치는 빔함수로부터 도출된 간단한 도래각 관계식과 입사신호의 세기비율로부터 입사신호의 도래각을 추정할 수 있어서 기존의 입사신호의 도래각 추정에 비해 연산속도를 대폭 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정방법을 나타내는 개략적 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 사용되는 가우시안 함수의 예를 나타내는 그래프로서, 6개의 안테나를 가정하고 각 안테나에 수신되는 입력신호를 가우시안 함수로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정장치를 나타내는 개략적인 블록도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하면서 상세히 설명한다. 첨부 도면에서 동일한 수단 또는 부재에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정방법을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정방법은, 2개 이상의 안테나를 구비하는 레이더에 입사되는 입사신호의 도래각을 추정하는 방법으로서, (a) 도래각 관계식을 도출하는 단계(S110)과, (b) 입사신호의 세기 비율을 입력받는 단계(S120)과, (c) 도래각 관계식으로부터 입사신호의 도래각을 추정하는 단계(S130)을 구비한다. 이하 단계(a), (b), (c)를 순서대로 설명한다.

도래각 관계식을 도출하는 단계(S110)에서는 먼저 빔함수를 모델링한다. 여기서 빔함수란 안테나에 입력되는 입사신호의 각도에 따른 분포를 나타내는 함수를 의미하며 본 발명에서는 빔함수를 수학식1의 가우시안 함수 f(θ)로 가정한다. 그러나 이는 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니며 입사신호의 거동을 나타낼 수 있는 함수라면 어떠한 함수라도 수학식 1의 가우시안 함수를 대체하여 본 발명의 아이디어를 적용할 수 있을 것이다.

수학식1에서 G는 안테나의 이득이고, θ₀는 안테나의 지향방향이고,

이며, θ_{3 db}는 HPBW(Half Power Beam Width) 설계 변수이다.

한편, 본 발명에서는 위 수학식1의 빔함수(가우시안 함수)에서 안테나의 이득(G)과 HPBW 설계변수 θ_{3 db}는 사전에 알고 있는 파라메타로서, 다수의 안테나에 있어서 각각의 안테나가 동일한 값을 갖도록 설계/제작되는 것으로 가정한다. 안테나의 지향방향 θ₀ 는 설치위치에 따라 각각의 안테나가 다른 값을 가지며, 역시 사전에 알고 있는 파라메터이다.

이와 같이 빔함수를 수학식1의 가우시안 함수로 모델링하고, 이어서 다수의 안테나를 갖는 레이더에 있어서 2개의 안테나(제1 안테나와 제2 안테나)를 선택한다. 여기서 제1 안테나는 다수의 안테나 중에서 입력신호의 세기가 가장 큰 안테나를 선택하고 제2 안테나는 입력신호의 세기가 그 다음으로 큰 안테나를 선택하는 것이 바람직하다. 그리고 이 선택된 제1 안테나와 제2 안테나의 빔함수 비율(BR)을 구하는데, 빔함수 비율(BR)은 수학식 2와 같이 제1 안테나의 빔함수와 제2 안테나의 빔함수의 비의 로그값으로 정의되며, 수학식 1의 가우시안 함수로부터 제1 안테나의 빔함수는

이고, 제2 안테나의 빔함수는

이므로 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. 이때 안테나의 이득(G)와 HPBW 설계변수 θ_{3 db}와 관련된 c값은 각각의 안테나가 동일한 값을 갖는다고 하였으므로 제1 안테나와 제2 안테나의 빔함수에서 동일하다.

와, 그리고 빔비율함수(BR)의 정의(BR = 10log(f₂/f₁) = 10log(P₂/P₁))로부터 제1 안테나에서의 입사신호의 세기(P₁)와 제2 안테나에서의 입사신호의 세기(P₂)의 비율(P₂/P₁)의 로그값을 수학식 2에 대입하면 수학식 3과 같이 각도 θ를 구할 수 있다.

수학식 3에서, 제1 안테나에서의 입사신호의 세기와 제2 안테나에서의 입사신호의 세기의 비율(P₂/P₁), HPBW 설계변수 θ_{3 db}, 제1 안테나 및 제2 안테나의 지향방향(θ₁, θ₂)이 알려지면, 빔함수를 가우시안 함수로 가정하여 구한 수학식 3으로부터 도래각(θ)를 추정할 수 있다. 이와 같이 단계(S110)에서 빔함수로부터 도래각 관계식(수학식 3)을 도출하는데, 도출된 도래각 관계식을 저장해두면 도래각 추정시마다 매번 도래각 관계식을 도출할 필요는 없다.

다음, 단계(S120)에서 안테나에서의 입사신호의 세기 비율을 입력받는다. 구체적으로는 상술한 제1 안테나에서의 입사신호(P₁)의 세기와 제2 안테나에서의 입사신호의 세기(P₂)로부터 입사신호의 세기 비율(P₂/P₁)을 구한다. 다수의 안테나를 갖는 레이더에 있어서 2개의 안테나(제1 안테나와 제2 안테나)를 선택하는 방법은, 다수의 안테나 중에서 입력신호의 세기가 가장 큰 안테나를 제1 안테나로 선택하고 입력신호의 세기가 그 다음으로 큰 안테나를 제2 안테나로 선택하는 것이 바람직함은 상술한 바와 같다. 한편, 입사신호의 세기비율을 입력받는 단계(S120)은 도래각 관계식을 도출하는 단계(S110)보다 먼저 수행될 수도 있다.

이어서 입사신호의 도래각을 추정하는 단계(S130)가 수행된다. 단계(S130)에서는, 입력된 입사신호의 세기비율(P₂/P₁)과, HPBW 설계변수 θ_{3 db}, 제1 안테나 및 제2 안테나의 지향방향(θ₁, θ₂)을 이용하여 도래각 관계식(수학식 3)으로부터 입사신호의 도래각(θ)를 구할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 도래각 추정방법은 빔함수로부터 도출된 간단한 도래각 관계식과 입사신호의 세기비율로부터 입사신호의 도래각을 추정할 수 있어서 기존의 입사신호의 도래각 추정에 비해 연산속도를 대폭 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에서 사용되는 가우시안 함수의 예를 나타내는 그래프로서, 6개의 안테나를 가정하고 각 안테나에 수신되는 입력신호를 가우시안 함수로 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정장치를 나타내는 개략적인 블록도이다. 이하 도 3을 참조하면서 본 발명의 도래각 추정장치를 설명한다.

본 발명의 도래각 추정장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 신호수신부와 도래각 관계식 도출부와 도래각 추정부를 포함한다.

신호수신부(310)는 물체로부터 되돌아오는 신호를 수신하는 레이더 시스템의 안테나를 포함하는데, 2개 이상의 안테나를 포함한다.

도래각 관계식 도출부(320)는 신호수신부(3100의 안테나에 입력되는 입사신호의 각도에 따른 빔함수를 가우시안 함수로 모델링하고, 상기 신호수신부의 안테나 중에서 선택된 제1 안테나 및 제2 안테나에서의 상기 빔함수의 비율과 상기 입사신호의 도래각과의 관계를 도출한다.

여기서 가우시안 함수는 상기 수학식 1과 같고, 다수의 안테나 중에서 제1 안테나 및 제2 안테나를 선택하는 방법은 상술한 바와 같이 입사신호의 세기가 큰 순서대로 결정한다. 빔함수의 비율(BR)은 수학식 2와 같이 제1 안테나의 빔함수와 제2 안테나의 빔함수의 비의 로그값으로 정의되며 도래각 관계식은 상술한 수학식 3과 같다.

도래각 추정부(330)는 신호수신부(310)로부터 제1 안테나와 제2 안테나의 입사신호의 세기(P₁, P₂)를 입력받아서 제1 및 제2 안테나 사이의 신호세기의 비율(P₂/P₁)을 계산하고, 이 신호세기의 비율(P₂/P₁)과 도래각 관계부(320)에서 도출된 도래각 관계식(수학식 3)을 이용하여 입사신호의 도래각(θ)를 추정하는데, 자세한 방법은 상술하였으므로 생략한다.

이와 같이 본 발명의 도래각 추정장치는 빔함수로부터 도출된 간단한 도래각 관계식과 입사신호의 세기비율로부터 입사신호의 도래각을 추정할 수 있어서 기존의 입사신호의 도래각 추정에 비해 연산속도를 대폭 향상시킬 수 있다.

310: 신호수신부
320: 도래각 관계식 도출부
330: 도래각 추정부

Claims (9)

1. 2개 이상의 안테나를 구비하는 레이더에 입사되는 입사신호의 도래각을 추정하는 방법으로서,
   (a) 안테나에 입력되는 입사신호의 각도에 따른 분포를 나타내는 빔함수를 가우시안 함수로 모델링하고, 상기 안테나 중에서 선택된 제1 안테나 및 제2 안테나에서의 상기 빔함수의 비율과 상기 입사신호의 도래각과의 관계를 나타내는 도래각 관계식을 도출하는 단계;
   (b) 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 입사신호의 세기 비율을 입력받는 단계;
   (c) 상기 입사신호의 세기 비율이 상기 빔함수의 비율과 비례하는 것으로 가정하여 상기 도래각 관계식으로부터 상기 입사신호의 도래각을 추정하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 가우시안 함수

   

   이고,
   여기서 G는 안테나의 이득이고, θ₀는 안테나의 지향방향,

   

   이며, θ_3db는 HPBW 설계 변수인 것을 특징으로 하는 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 안테나의 이득과 HPBW 설계 변수는 상기 각 안테나가 동일한 값을 갖는 것으로 가정하는 것을 특징으로 하는 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 안테나는 상기 안테나 중에서 입력신호의 세기가 큰 순서로 선택되는 것을 특징으로 하는 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정방법.
6. 2개 이상의 안테나를 포함하는 신호수신부;
   안테나에 입력되는 입사신호의 각도에 따른 분포를 나타내는 빔함수를 가우시안 함수로 모델링하고, 상기 신호수신부의 안테나 중에서 선택된 제1 안테나 및 제2 안테나에서의 상기 빔함수의 비율과 상기 입사신호의 도래각과의 관계를 도출하는 도래각 관계식 도출부;
   상기 신호수신부로부터 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 입사신호의 세기를 입력받아서 제1 및 제2 안테나 사이의 신호세기의 비율을 계산하고, 이 신호세기의 비율과 상기 도래각 관계부에서 도출된 도래각 관계식을 이용하여 상기 입사신호의 도래각을 추정하는 도래각 추정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 가우시안 함수

   

   이고,
   여기서 G는 안테나의 이득이고, θ₀는 안테나의 지향방향,

   

   이며, θ_{3 db}는 HPBW 설계 변수인 것을 특징으로 하는 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 안테나의 이득과 HPBW 설계 변수는 상기 각 안테나가 동일한 값을 갖는 것으로 가정하는 것을 특징으로 하는 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정장치.
9. 제6항 또는 제8항중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 안테나는 상기 안테나 중에서 입력신호의 세기가 큰 순서로 선택되는 것을 특징으로 하는 빔함수를 이용한 입사신호의 도래각 추정장치.

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