KR101668888B1 - 풍차의 회전날개 상에 장착되는 레이더 안테나를 포함하는 감시 시스템 - Google Patents

풍차의 회전날개 상에 장착되는 레이더 안테나를 포함하는 감시 시스템 Download PDF

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Abstract

타겟들을 검출하기 위한 감시 시스템이 개시된다. 이 시스템은 풍차의 회전날개 상에 장착된 레이더 안테나를 포함한다.

Description

풍차의 회전날개 상에 장착되는 레이더 안테나를 포함하는 감시 시스템{A SURVEILLANCE SYSTEM COMPRISING A RADAR ANTENNA MOUNTED ON A BLADE OF A WINDMILL}
본 발명은 풍차의 회전날개 상에 장착되는 레이더 안테나를 포함하는 감시 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 특히 감시 영역에 더욱 적용가능하다.
일부 시스템들은 항공기, 선박 또는 차량과 같은 객체가 이동 중에 있는지 여부를 검출하기 위해 광범위한 공중/해양/지면 영역의 감시를 보장한다. 이들은 기본적으로 레이더 시스템들의 네트워크로 구성될 수도 있다. 기존의 기술이 레이더와 관련하여 검출된 객체들의 범위, 즉 거리를 정확하게 결정하는 것에 초점을 맞추었다면, 검출된 객체들 간의 거리, 소위 "교차 범위 (cross-range)"를 더욱 양호하게 추정하는 문제가 남아있다. 확실히, 기존의 감시 시스템은 상당히 낮은 교차-범위의 레졸루션을 제공한다.
이동하는 레이더들을 사용함으로써 광범위한 지면 영역을 촬상하기 위해 정적인 객체들 간의 교차 범위를 추정하기 위한 시도로 과거에 합성 개구 레이더 (SAR; Synthetic Aperture Radar) 기술이 사용되었다. 이러한 기술들에서, 소위 "스와스 (swath)"는 2개의 객체들 간의 교차 범위가 추정될 수 있는 영역이다.
클라우징 및 케이델 (Klausing and Keydel) 은 지면을 촬상하기 위해 헬리콥터의 회전 날개 상에 장착된 회전하는 SAR (ROSAR)("Feasibility of SAR with rotating antennas", 1990년, IEEE 국제 레이더 회의, pp.51-56) 을 개시한다. 클라우징 및 케이델에서, 헬리콥터가 정적 위치를 비행한다면, 스와스는 레이더 빔에 의해 조사된 고리 형상의 영역이다. 클라우징 및 케이델은 또한 고리 형상의 스와스에 적응되는 알고리즘을 개시한다. 주요 결점은, 헬리콥터가 진정한 정적 위치에서 비행하는 것이 곤란하다는 것이다.
서메크 (Soumekh) 는 지면을 촬상하기 위해 원을 비행하는 항공기 아래에 장착된 원형의 SAR (CSAR) 을 개시한다 ("Reconnaissance with Slant Plane Circular SAR Imaging", 1996, 이미지 처리에 관한 IEEE 트랜잭션, V5/no8, pp. 1252-1265). 서메크에서, 항공기가 항상 동일한 원을 비행한다면, 스와스는 레이더 빔에 의해 조사된 디스크 형상의 영역이다. 서메크는 또한 디스크 형상의 스와스에 적응되는 알고리즘을 개시한다. 주요 결점은, 일정한 고도 및 속도로 진정한 원을 비행하는 것이 곤란하다는 것이다.
불행하게도, 이러한 기존의 해결책은 광범위한 영역을 감시하는 것을 보장하도록 적응되지 않았고, 영구적인 감시를 제공하도록 적응되지도 않으며, 항공기와 같이 수직 차원으로 분리되는 객체들 간의 교차 범위를 정확하게 추정하도록 적응되지도 않는다는 것이다.
미국 특허 출원 공개공보 제2008/0260531호는 풍력 에너지 설비를 조절하는 방법을 개시한다.
본 발명의 목적은 상술된 결점들 중 적어도 일부를 극복하는데 사용될 수도 있는 높은 교차 범위 리졸루션을 갖는 광범위한 공중/해양/지면 영역으로 적응된 감시 시스템을 제공하는 것이다. 따라서, 본 발명은, 본 발명에 따라서 아래에 "풍차-SAR"로 지칭되는 풍차 회전날개 상에 SAR 안테나를 장착하여, 공중, 지면 및 해양의 타겟들 간의 방위각 및 고도에 있어서 교차 범위 레졸루션을 개선하는 것을 기본적으로 제안한다. 풍력 발전기의 수의 증가와 그 용이한 높이 및 알려진 원형 운동을 결합함으로써 본 발명의 동기가 되었다. 다른 이유는, 풍차가 보안 및/또는 군사 애플리케이션들에서 정찰 및 감시가 필요한 영역들에서 이용가능하다는 것이다. 가장 일반적으로, 본 발명은 타겟을 검출하기 위한 감시 시스템을 제안하며, 이 시스템은 풍차의 회전날개 상에 장착된 레이더 안테나를 포함한다.
바람직한 실시 형태에서, 이 시스템은 회전날개가 회전하는 경우 합성 개구 레이더 기술을 적용하기 위한 수단을 포함할 수도 있으며, 이렇게 형성된 합성 개구 레이더의 스와스는 수직면에서 원형이다.
예를 들어, 레이더는 주파수 변조 지속파 (FMCW; Frequency Modulated Continuous-Wave) 레이더 또는 선형 첩 (chirp) 을 펄싱하는 펄스 레이더일 수도 있다.
유익하게, 스와스 근처에서 타겟에 의해 파형이 반사되는 경우 수신된 에코 (echo) 의 위상은 그린 함수 (Green's function) 를 형성할 수도 있으며, 이 시스템은 그린 함수의 퓨리에 변환을 ω-k 알고리즘에 적용하여, 타겟들을 포함한 교차 범위 이미지를 구축하고 안테나로부터 각각의 타겟까지의 방위각과 고도를 추정하는 수단을 포함한다. 이 시스템은 각각의 타겟에 대한 방위각과 고도에 기초하여 타겟들 간의 교차 범위를 계산하는 수단을 포함할 수도 있다.
유익하게, 레이더 안테나는 풍차의 각각의 회전날개 상에 또는 풍차 단지의 각각의 풍차의 각각의 회전날개 상에 장착되거나 풍차 단지의 가장자리에 위치된 각각의 풍차의 각각의 회전날개 상에 장착될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명이 제공하는 유익함은, 기존의 풍차 단지의 수에 기초하여, 영구적이면서 매우 광범위한 지역의 감시 시스템을 용이하게 건설할 수 있다는 것이다. 풍차 단지의 수와 동일한 높은 비율로 관찰되는 지역을 확장할 수 있다. 더욱이, 스와스는 수직이므로, 수직 차원으로 분리된 타겟들 간의 교차 범위를 추정할 수 있으면서, 정상적인 "논(non)-SAR" 처리 덕분에 풍차에서 타겟까지의 수평 범위를 거의 동시에 추정할 수 있다. 타겟들 간의 향상된 교차 범위는 또한 타겟의 분류를 개선하는 것을 의미한다.
첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 비 제한적인 실시예를 개시한다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 SAR 레이더의 기하학적 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 펄스 레이더로 구현된 본 발명에 따른 예시적인 블록도를 개략적으로 도시한다.
도면에서, 동일한 도면부호는 동일한 항목으로 지정된다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 풍차-SAR의 기하학적 구조를 개략적으로 도시한다. 타겟-안테나 운동의 관계를 나타내는 정보는 SAR 기술에 있어서 필수적이다. 그러나, 이들은 사전에 알려지지 않거나 특히 비협조적인 타겟들과 함께 불량하게 결정될 수 있다. 본 발명에 따른 이러한 레이더 시스템에서, 안테나 운동은 알려져 있는 것이고 레졸루션, 특히 방위각과 고도를 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 이와같이, SAR 기술은, 수신된 신호가 방위각과 고도 교차 범위들 둘 모두를 드러내기 때문에 교차 범위 레졸루션을 개선시킬 수 있다.
제 1 실시형태에서, 하나의 안테나 (1) 가 풍차의 하나의 회전 날개 (2) 상에 장착될 수도 있다. L은 회전날개의 길이이고 풍차 회전날개의 회전 축은 (0,0,0) 이고, 안테나 (1) 는 수직 x-z 평면에서 방사상 속도 Ω로 시간 t에서 (0,0,L) 로부터 (LsinΩt, 0, LcosΩt) 로 회전한다. 타겟 (3) 은 (0,0,0) 으로부터 방위각 (
Figure 112011041435126-pct00001
), 고도 (φ), 및 범위 (R) 에 위치된 최초 위치 T(x0, y0, z0) 로부터 임의의 방향으로 일정한 속도 (v) 로 옮겨진다. 이것은 시간 (t) 에서 안테나 (1) 로부터 비스듬한 범위 r(t) 에 위치된다. 타겟의 범위에서, 디스크 형상의 스와스 (S) 는 회전날개 (2) 가 회전하는 경우 조사될 수도 있다. 아래에 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 이 예시적인 SAR 시스템의 기하학적 구조는 타겟 (3) 뿐만 아니라 스와스 (S) 내의 다른 타겟들 (4, 5, 6 및 7) 을 포함하는 교차 범위 이미지 ρ(x,z) 를 구축할 수 있게 한다. 유익하게, 교차 범위 이미지 ρ(x,z) 는, 예를 들어, 극 좌표 내의 그린 함수의 퓨리에 특성에 기초하여, 수신된 무선 주파수 (RF) 신호 sr , RF(t) 의 측정치로부터 구축될 수 있다. 확실히, sRF(t) 가 송신 신호라면, 비스듬한 범위 r(t) 에서, 교차 범위 평면 x-z 내에서 반사도 함수 ρ(x,z) 를 갖는 객체/영역으로부터의 에코 sr , RF(t) 는 최초 교차 범위 (x0, z0) 를 포함한다. 이러한 최초 위치들에서의 반사도 함수 ρ(x,z) 의 추정치는, 범위 r(t) 에서 근사화를 이용하지 않는 ω-k 알고리즘으로 대부분 알려진 알고리즘에 기초하여 알맞은 레졸루션으로 실현될 수도 있다.
도 2는, PC (Pulse Compression) 및 FFT (Fast Fourier Transform) 를 이용하여 펄스 레이더에서 소프트웨어로 구현되는, 본 발명에 따른 예시적인 블록도를 개략적으로 도시한다. 전체 전송된 스윕에 의한 하향 변환을 이용하는 FMCW 레이더도 적용가능할 수도 있다. 예를 들어, 펄스 레이더에서, 파형은 선형 첩인 것으로 선택될 수도 있다. 제 1 단계에서, 수신 RF 신호 sr , RF(t) 가 주 반송파 (fc) 에 의해 신호 sr(t) 로 하향 변환된다. PC 처리가 신호 sr(t) 에 적용되어 범위 r(t) 를 추정할 수도 있고 FFT 처리가 적용되어 도플러를 추정할 수도 있다. 방위각과 고도 레졸루션의 개선을 위해서, 기본 레이더 신호 처리가 본 발명에 따른 풍차-SAR 처리로 확장될 수 있다는 유익함이 있다. 확실히, 비스듬한 범위 r(t) 를 포함하는 수신 신호 sr , RF(t) 의 위상은 통상적인 그린 함수일 수도 있다. 함수 그 자체 및 그 퓨리에 변환은, 교차 범위 (x,z) 로부터의 기여분을 지면 범위 (y) 로부터의 기여분에서 분리할 수 있는 원형 대칭 함수이다. 이 알고리즘은 일반적으로 ω-k 알고리즘으로 알려진 이러한 SAR 알고리즘의 원리에 기초하지만 범위-이동 (range-migration) 알고리즘 또는 웨이브프론트 재구성으로도 지칭된다. 이러한 SAR 알고리즘은 범위 r(t) 에서 근사화하지 않고, 수신된 신호의 전체 위상을 이용할 뿐이다.
추가적인 실시형태에서, 안테나는 풍차의 각각의 회전날개 상에 장착될 수도 있다.
또 다른 실시형태에서, 궁극적인 레이더 네트워크가 풍차 단지으로부터, 단지의 각각의 풍차의 각각의 회전날개 상에 장착되는 안테나와 함께 만들어질 수도 있다. 가능한 간섭들을 제한하기 위해서, 안테나는 단지의 가장자리에 위치된 풍차의 회전날개 상에만 장착될 수도 있다.
양태들 중 임의의 양태에서 본 발명에 의해 제공된 추가적인 이점은 비용면에서 경제적인 솔루션이라는 것이다. 이것은 특히, 이미 일정 속도로 조절되는 회전날개의 회전 속도를 제어하는 수단을 요구하지 않는다. 전체 레이더 시스템이 아닌, 안테나만이 회전날개에 장착되어야 한다. 따라서, 이미터, 수신기 및 처리 유닛이 풍차의 기저에 하우징될 수 있다. 더욱이, 바람이 회전날개를 회전시킬 만큼 충분히 강하지 않을 경우, 예를 들어, 간섭계에 의한 관측과 같은 데이터-융합 기술의 적용을 위해 풍차의 회전날개 상에 장착된 다수의 안테나들이 사용될 수 있다. 마지막으로, 항공기나 헬리콥터를 띄우기 위해 많은 연료 소비를 요구하지 않는 그린 솔루션이라는 것을 과소평가해서는 안된다.

Claims (12)

  1. 타겟들을 검출하기 위한 감시 시스템으로서,
    풍차의 회전날개 (2) 가 회전할 때 상기 타겟들을 포함하는 디스크 형상의 스와스 (swath; S) 를 조사하기 위하여, 상기 풍차의 상기 회전날개 (2) 상에 장착된 레이더 안테나 (1) 를 포함하고,
    상기 회전날개 (2) 가 회전하는 경우 합성 개구 레이더 기술을 적용하는 수단을 포함하고,
    상기 합성 개구 레이더의 상기 디스크 형상의 스와스 (S) 는 수직면에 있고,
    상기 풍차의 상기 회전날개 (2) 가 회전할 때 상기 타겟들의 각각의 비스듬한(slant) 범위에서 상기 디스크 형상의 스와스 (S) 가 조사되고, 상기 비스듬한 범위는 시간의 함수로서 상기 레이더 안테나 (1) 로부터 상기 타겟들의 각각의 위치를 정의하며,
    상기 감시 시스템은 상기 타겟들 사이의 교차 범위, 또는 상기 타겟들 중 하나 및 상기 풍차의 상기 회전날개 (2) 의 회전에 의해 정의되는 수직면 사이의 수평 범위를 추정하기 위해 상기 디스크 형상의 스와스 (S) 를 사용하도록 구성되는, 감시 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이더는 펄스 레이더인 것을 특징으로 하는 감시 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이더는 주파수 변조 지속파 (Frequency Modulated Continuous-Wave) 레이더인 것을 특징으로 하는 감시 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이더에 의해 펄싱된 파형은 선형 첩 (chirp) 인 것을 특징으로 하는 감시 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 타겟들 (3, 4, 5, 6, 7) 을 포함하는 교차 범위 이미지 (ρ(x,z)) 를 구축하고 각각의 타겟에 대한 상기 안테나 (1) 로부터의 방위각 및 고도를 추정하기 위해서, 그린 함수의 퓨리에 변환을 ω-k 알고리즘에 적용하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 감시 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 타겟들 각각에 대한 방위각 및 고도에 기초하여, 상기 타겟들 (3, 4, 5, 6, 7) 간의 교차 범위를 계산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 감시 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이더 안테나는 상기 풍차의 각각의 회전날개 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 감시 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이더 안테나는 풍차 단지 (windmill farm) 의 각각의 풍차의 각각의 회전날개 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 감시 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이더 안테나는 풍차 단지의 가장자리에 위치된 각각의 풍차의 각각의 회전날개 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 감시 시스템.
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  11. 삭제
  12. 삭제
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