KR101743658B1 - 단파 해양 레이더 시스템 - Google Patents

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최한규
장병선
이철환
이지혜
홍순철
안지은
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(주)에스이티시스템
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템은, 모노폴 안테나 및 2개의 루프 안테나를 구비한 제1안테나부; 페이즈 어레이 안테나를 구비한 제2안테나부; 제1안테나부의 모노폴 안테나와 연결되며, FMCW 또는 FMICW의 신호를 송신하는 송신부; 제1안테나부의 모노폴 안테나 및 2개의 루프 안테나와 연결되며, FMICW의 신호를 수신하는 제1수신부; 제2안테나부와 연결되며, FMCW의 신호를 수신하는 제2수신부; 및 FMCW의 신호를 생성하여 송신부에 공급하되, 제1수신부를 수신부로 선택하고 송신부와 제1수신부의 사이를 절체하여 FMICW의 신호를 송수신하도록 제어하거나, 제2수신부를 수신부로 선택하여 FMCW의 신호를 송수신하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

단파 해양 레이더 시스템{High frequency ocean radar system}
본 발명은 단파 해양 레이더 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)와 FMICW(Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave)를 선택적으로 사용하여, 해수 유동 정보, 선박 이동 정보 등의 해양 정보를 제공하는 단파 해양 레이더 시스템에 관한 것이다.
단파 해양 레이더 시스템은 유속과 유향 등의 해수 유동 정보를 측정하는 장치로서, 선박 또는 육상에 설치된 안테나에서 단파대의 전파를 해면에 발사한 후 해수면의 파랑에 의해 반사되는 후방 산란파를 분석함으로써 해수 유동 정보를 획득한다. 이러한 단파 해양 레이더는 광범위한 해역을 연속적으로 동시에 관측할 수 있을 뿐만 아니라, 해상에 별도의 측정용 센서를 설치하지 않아도 선박 또는 육상에서 해역을 장기간 관측 가능한 장점이 있다.
단파 해양 레이더 시스템이 해수 유동 정보를 획득하는 원리는 다음과 같다.
먼저, 육상에 설치된 안테나에서 신호를 전송한 후 해수면에서 반사되어 되돌아온 신호의 도플러 스펙트럼을 분석한 다음, 각 관측소에서 측정된 상대적인 자료를 합성하여 각각의 지점에서의 해수면의 유속과 유향 등을 파악하게 된다. 이때, 해면에서 반사되는 후면 산란파의 세기는 「Bragg Scattering」의 원리에 의해 해면파의 파장(10m~100m)의 배가 되는 파장의 주파수 대역에서 최대가 된다.
일반적으로 단파 해양 레이더 시스템에서는 넓은 범위의 해수면을 탐색하기 위하여 고출력 송신이 가능한 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 신호를 사용한다. 이러한 FMCW 신호 방식의 단파 해양 레이더 시스템에서는 송신 안테나와 수신 안테나가 각각 별도로 구비됨에 따라 송신과 수신이 동시에 이루어진다. 이러한 FMCW 신호 방식은 데이터 획득율이 높고, 신호의 방향 탐지가 상대적으로 용이한 이점이 있지만, 송신 안테나와 수신 안테나 사이에 충분한 이격 거리가 필요하고, 방향 탐지를 위해 필요한 최소 8개 어레이 안테나의 설치 공간이 필요하므로, 해안선이 좁고 복잡하거나 해안가에 군시설 등이 있는 경우에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
FMCW 신호 방식과 달리, 송신과 수신이 각각 이루어져 안테나의 이격 거리 제한이 없어 설치가 간편한 FMICW(Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave) 신호 방식의 단파 해양 레이더 시스템이 있다. 하지만, FMICW 방식의 경우, 절체 신호를 이용하여 송신과 수신을 구분하므로, 절체로 인한 근접 반사 신호의 노이즈 레벨이 높고, 데이터 획득률이 낮으며, 방향 탐지의 어려운 문제점이 있다.
한편, 해안 지역은 경우에 따라 대한민국의 동해와 같이 FMCW 신호 방식이 상대적으로 유리한 환경이 있으며, 대한민국의 서해 및 남해와 같이 FMICW 신호 방식이 상대적으로 유리한 환경을 있다. 이에 따라, 해안 지역 환경에 적합하게 각 신호 방식을 변경할 수 있는 새로운 레이더 시스템의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
KR 10-2014-0080718 A
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 신호와 FMICW(Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave) 신호를 선택적으로 사용하여 필요에 따라 신호 송수신 방식을 변경할 수 있는 단파 해양 레이더 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해수면 레이더는, (1) 모노폴 안테나 및 2개의 루프 안테나를 구비한 제1안테나부, (2) 페이즈 어레이 안테나를 구비한 제2안테나부, (3) 제1안테나부의 모노폴 안테나와 연결되며, FMCW 또는 FMICW의 신호를 송신하는 송신부, (4) 제1안테나부의 모노폴 안테나 및 2개의 루프 안테나와 연결되며, FMICW의 신호를 수신하는 제1수신부, (5) 제2안테나부와 연결되며, FMCW의 신호를 수신하는 제2수신부, (6) FMCW의 신호를 생성하여 송신부에 공급하되, 제1수신부를 수신부로 선택하고 송신부와 제1수신부의 사이를 절체하여 FMICW의 신호를 송수신하도록 제어하거나, 제2수신부를 수신부로 선택하여 FMCW의 신호를 송수신하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 송신부는 송신 선로를 온(on)/오프(off) 하는 송신 스위치부를 포함할 수 있고, 상기 제1수신부는 제1수신부의 수신 선로를 온(on)/오프(off) 하는 제1수신 스위치부를 포함할 수 있으며, 상기 제2수신부는 제2수신부의 수신 선로를 온(on)/오프(off) 하는 제2수신 스위치부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 송신 스위치부가 온(on) 되고 제1수신 스위치부 및 제2 스위치부가 오프(off) 되도록 제어하거나, 송신 스위치부 및 제2수신 스위치부가 오프(off) 되고 제1수신 스위치부가 온(on) 되도록 제어하여, FMICW의 신호를 송수신하도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는 송신 스위치부 및 제2수신 스위치부가 온(on) 되고, 제1수신 스위치부가 오프(off) 되도록 제어하여, FMCW의 신호를 송수신하도록 제어할 수 있다.
상기 송신 스위치부는 송신 선로에 연결된 제1스위치 및 송신 선로 중에 제1스위치 보다 제1안테나부에 더 가까이 연결된 제2스위치를 각각 포함할 수 있고, 상기 제1수신 스위치부는 수신 선로에 연결된 제3스위치 및 수신 선로 중에 제3스위치 보다 제1안테나부에 더 가까이 연결된 제4스위치를 각각 포함할 수 있다.
제1스위치의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제1스위치에 입력되는 제1입력신호는 제2스위치의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제2스위치에 입력되는 제2입력신호와 다른 파형을 가질 수 있다.
제3스위치의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제3스위치에 입력되는 제3입력신호는 제4스위치의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제4스위치에 입력되는 제4입력신호와 다른 파형을 가질 수 있다.
상기 제1입력신호의 파형은 상기 제2입력신호의 파형 보다 그 상승 및 하강 속도가 짧은 파형일 수 있으며, 상기 제3입력신호의 파형은 상기 제4입력신호의 파형 보다 그 상승 및 하강 속도가 짧은 파형일 수 있다.
상기 제1입력신호 및 상기 제3입력신호의 파형은 구형파일 수 있으며, 상기 제2입력신호 및 상기 제4입력신호의 파형은 사인파일 수 있다.
상기 제2입력신호 및 상기 제4입력신호는 구형파를 입력 신호로 받는 캐패시터의 출력 신호일 수 있다.
상기 제어부는 모드에 따라 송수신 신호의 주파수, 대역폭, 첩(chirp) 변조 패턴 및 첩(chirp) 주파수 중 어느 하나 이상을 변경할 수 있다. 이때, 해수 유동 정보 획득 모드인 경우, 상기 제어부는 상기 첩(chirp) 변조 패턴을 톱니 변조(Sawtooth Modulation) 패턴으로 변경할 수 있다. 또한, 선박 이동 정보 획득 모드인 경우, 상기 제어부는 상기 첩(chirp) 변조 패턴을 삼각 변조(Triangular Modulation) 패턴으로 변경할 수 있다.
LBT(Listen Before Talk) 모드인 경우, 상기 제어부는 일정 대역폭을 갖는 송수신 신호의 주파수를 23MHz 내지 25MHz 사이에서 1Hz 내지 100KHz의 간격으로 변경시키면서 간섭신호의 존재 유무를 판단하여 간섭신호의 영향이 가장 적은 송수신 신호의 주파수를 선택하고, 선택된 송수신 신호의 주파수의 대역폭을 1Hz 내지 1Mhz로 변경시키면서 간섭신호의 존재 유무를 판단하여 간섭신호의 영향이 가장 적은 송수신 신호의 주파수의 대역폭을 선택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해수면 레이더는 (1) 상기 송신부, 상기 제1수신부, 상기 제2수신부 및 상기 제어부를 포함하는 로컬 시스템, (2) 상기 로컬 시스템과 네트워크를 통해 원격으로 연결되고, 송수신 신호의 주파수, 대역폭, 첩(chirp) 변조 패턴 및 첩(chirp) 주파수 중 어느 하나 이상을 변경 가능하며, 상기 제1수신부 또는 상기 제2수신부의 수신 신호를 분석하여 그 분석 결과를 사용자에게 화면 상으로 보여주는 원격 컴퓨터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해수면 레이더는 상기 제1수신부 및 상기 제2수신부의 수신 신호에 대한 주파수 변환을 위한 기준 신호를 I 채널과 Q 채널로 각각 생성하여 제어부에서 선택한 수신부에 입력하는 로컬 발진부를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제어부는 발진주파수신호를 생성하는 발진기와, 발진기로부터 생성된 발진주파수신호를 이용하여 FMCW 신호를 생성하여 스플리터와 로컬 발진부의 Q 채널로 전달하는 합성기, 및 전달 받은 FMCW 신호를 송신부와 로컬 발진부의 I 채널로 각각 분기시키는 스플리터를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1수신부 및 상기 제2수신부는 상기 로컬 발진부의 I 채널 및 Q 채널의 신호를 이용하여 Zero-IF 방식으로 수신 신호를 처리할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해수면 레이더 시스템은 안테나가 설치되는 해안 환경 또는 레이더 사용 목적에 따라, FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 신호 방식이나 FMICW(Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave) 신호 방식으로 선택적으로 변경할 수 있어, FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 신호 방식의 이점과 FMICW(Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave) 신호 방식의 이점을 동시에 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템의 송신부(3), 제1수신부(4), 제어부(6) 및 로컬 발진부(7)의 상세 구성도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템의 송신부(3), 제2수신부(5), 제어부(6) 및 로컬 발진부(7)의 상세 구성도를 나타낸다.
도 4(a)는 제1입력신호 및 제3입력신호를 나타내고, 도 4(b)는 제2입력신호 및 제4입력신호의 파형을 나타낸다.
도 5(a)는 제1스위치(31a)만 사용하는 경우의 송신 신호 스펙트럼을 나타내고, 도 5(b)는 제1스위치(31a)와 제2스위치(31b)를 함께 사용하되 제1입력신호의 파형이 제2입력신호의 파형 보다 온(on)/오프(off) 위한 상승 및 하강 속도가 짧은 경우의 송신 신호 스펙트럼(노란색)과, 제1스위치(31a)만 사용하는 경우의 송신 신호 스펙트럼(녹색)을 나타낸다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템의 블록도를 나타내고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템의 송신부(3), 제1수신부(4), 제어부(6) 및 로컬 발진부(7)의 상세 구성도를 나타내며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템의 송신부(3), 제2수신부(5), 제어부(6) 및 로컬 발진부(7)의 상세 구성도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템은 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)와 FMICW(Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave)를 선택적으로 사용하여 해양 정보를 제공하는 시스템으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1안테나부(1), 제2안테나부(2), 송신부(3), 제1수신부(4), 제2수신부(5) 및 제어부(6)를 포함하며, 추가적으로 로컬(local) 발진부(7) 및 제어 컴퓨터(8)를 포함한다. 이때, 해양 정보는 해수 유동 정보, 선박 이동 정보, 해풍 이동 정보 등을 포함한다. 해수 유동 정보는 해상 교통 및 물류, 항만 운영을 위해 제공될 수 있는 정보로서, 해수 유속 정보, 해수 이동 방향 정보 등을 포함한다. 선박 이동 정보는 선박 조난 사고, 유류 오염, 적조 발생 등 해상 재난 발생 시 구조 및 방제 활동을 위해 제공될 수 있는 정보로서, 선박 이동 속도 정보, 선박 이동 방향 정보 등을 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템은 해양 정보를 통해 해일 탐지를 위한 정보를 제공할 수 있고, 불법선박 및 불법조업어선 단속에 필요한 정보, 간척지 조력발전소의 빠른 유속으로 인한 지역민원 발생 시 근거 정보 등을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해수면 레이더 시스템은 해류와 같은 해수 유동 정보 구하기 위해서 FMICW을 사용할 수 있으며, 파랑(ocean wave)과 같은 해수 유동 정보와, 해풍 이동 정보를 구하기 위해서 FMCW를 사용할 수 있다.
송신부(3), 제1수신부(4), 제2수신부(5), 제어부(6) 및 로컬 발진부(7)는 각각 PCB(PRINTED CIRCUIT BOARD) 모듈 타입으로 제작될 수 있다. 이 경우, 각 모듈 별 조정이 가능하므로 보정(calibration)이 편리해질 뿐만 아니라, 각 모듈이 하나의 하우징(housing)에 설치됨으로써 경량화 및 소형화가 가능하고, 시스템의 이동 및 설치가 편리해지는 이점이 있다.
제1안테나부(1)는 모노폴(monopole) 안테나(10) 및 2개의 루프(loop) 안테나(20)를 포함한다. 이때, 제1안테나부(1)가 송신용으로 사용될 경우, 모노폴 안테나(10)가 FMCW 또는 FMICW의 신호를 송신하며, 제1안테나부(1)가 수신용으로 사용될 경우, 모노폴 안테나(11) 및 2개의 루프 안테나(12)가 함께 방향 탐지(Direction Finding : DF)용으로 FMICW의 신호를 수신한다. 이에 따라, 제1안테나부(1)는 설치공간에 제약이 적은 이점을 갖는다.
제2안테나부(2)는 페이즈 어레이(Phase Array) 안테나를 포함하며, 송신용 또는 수신용으로 사용되는 제1안테나부(1)와 달리, 수신용으로만 사용되며, FMCW의 신호를 수신한다.
송신부(3)는 FMCW 또는 FMICW의 신호를 송신하는 구성으로서, 제1안테나부(1)의 모노폴 안테나(10)와 연결된다. 송신부(3)는 송신 파워 증폭기를 별도로 설치하여 노이즈를 감소시킬 수 있고, 송신 출력을 조절하여 원하는 세기의 신호를 송신할 수 있다.
예를 들어, 송신부(3)는 송신 스위치부(31), 증폭기(32) 및 가변저항(33)을 포함할 수 있다.
송신 스위치부(31)는 FMICW 신호의 송신을 위한 절체를 수행한다. 증폭기(32)는 가변저항(33)을 통해 송신 출력을 조절하는 것으로서, 예를 들어, 1W ~ 100W로 송신 출력을 조절할 수 있다.
또한, 송신부(3)는 BPF(Band Pass Filter) 및 Step Attenuator(33)를 포함할 수 있다.
이때, BPF는 송신부(3)에서 사용하는 주파수 대역(24 ~ 31MHz)으로 필터링(filtering)한다. Step Attenuator는 송신 출력을 조절하는 것으로서, 예를 들어, 송신 출력을 0/-3/-6/-9/-10/-13/-16/-19dB 단계로 조절할 수 있다.
제1수신부(4)는 FMICW의 신호를 수신하는 구성으로서, 제1안테나부(1)의 모노폴 안테나(11) 및 2개의 루프 안테나(12)와 연결된다. 제1수신부(4)는 제1안테나부(1)로부터 전달 받은 아날로그 신호와 로컬 발진부(7)로부터 전달 받은 기준 신호를 Zero-IF로 주파수 변환하는 기능을 수행한다.
예를 들어, 제1수신부(4)는제1수신 스위치부(41), 증폭기(42), BPF(Band Pass Filter(43), 스플리터(Splitter)(44), 믹서(Mixer)(45), LPF(Low Pass Filter)(46) 및 OPAMP(47)를 포함할 수 있다.
제1수신 스위치부(41)는 제1수신부(4)의 선택 여부를 위한 스위칭, 및 FMICW 신호의 송신을 위한 절체를 수행하고, 증폭기(42)는 수신 신호를 증폭하며, BPF(43)는 수신 신호 대역(24 ~ 31MHz)으로 필터링(filtering)을 수행한다. 스플리터(44)는 수신 신호를 로컬 발진부(7)의 I 채널(71) 및 Q 채널(75)로 분기하며, 믹서(45)는 로컬 발진부(7)에서 생성된 송신 신호와 혼합하여 주파수 Down Convert을 수행한다. LPF(46)는 Down Convert 대역(DC ~ 300KHz)으로 필터링(filtering)을 수행하며, OPAMP(47)는 Down Convert된 수신 신호 증폭한다.
제2수신부(5)는 FMCW의 신호를 수신하는 구성으로서, 제2안테나부(2)와 연결된다. 제2수신부(5)는 제2안테나부(2)로부터 전달 받은 아날로그 신호와 로컬 발진부(7)로부터 전달 받은 기준 신호를 Zero/IF로 주파수 변환하는 기능을 수행한다.
예를 들어, 제2수신부(5)는제2수신 스위치부(51), 증폭기(52), BPF(Band Pass Filter(53), 스플리터(Splitter)(54), 믹서(Mixer)(55), LPF(Low Pass Filter)(56) 및 OPAMP(57)를 포함할 수 있다.
제2수신 스위치부(51)는 제2수신부(5)의 선택 여부를 위한 스위칭을 수행하고, 증폭기(52)는 수신 신호를 증폭하며, BPF(53)는 수신 신호 대역(24 ~ 31MHz)으로 필터링(filtering)을 수행한다. 스플리터(54)는 수신 신호를 로컬 발진부(7)의 I 채널(71) 및 Q 채널(75)로 분기하며, 믹서(55)는 로컬 발진부(7)에서 생성된 송신 신호와 혼합하여 주파수 Down Convert을 수행한다. LPF(56)는 Down Convert 대역(DC ~ 300KHz)으로 필터링(filtering)을 수행하며, OPAMP(57)는 Down Convert된 수신 신호 증폭한다.
제1수신부(4) 및 제2수신부(5)는 입력단에 증폭기(42, 52)를 구비하고 출력단에 OPAMP(47, 57)를 구비함에 따라, 이득 조정을 통하여 Noise Figure는 낮출 수 있고, Dynamic Range는 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 제1수신부(4) 및 제2수신부(5)는 안테나 수신 신호를 중간주파수(IF) 변환 없이 바로 기저 대역(baseband)으로 낮추는 Zero-IF 방식을 사용함으로써 그 수신 구조가 단순화될 수 있어, 모듈화에 용이한 이점이 있다.
제1수신부(4) 및 제2수신부(5)에 수신되어 처리된 신호는 ADC(Analog-Digital Converter)를 거쳐 컴퓨터(8)에 입력될 수 있다. 이때, ADC가 제어부(6)의 발진기(63) 에서 생성한 기준 신호를 사용함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템은 FFT(Fast Fourier Transform) 처리 시 시각 동기 및 자료 처리의 효율성이 향상되는 이점을 갖는다.
제어부(6)는 기준 파형의 생성, 각 스위치부의 온(on)/오프(off) 제어, 및 제어 컴퓨터(8)와의 통신을 통한 시스템 전반에 대한 제어, 즉 기준 주파수 및 주파수 대역의 설정, 송신출력의 이득(Gain) 값 조정을 수행한다.
먼저, 제어부(6)는 FMCW의 신호를 생성하여 송신부(3)에 공급하며, 제1수신부(4) 또는 제2수신부(5) 중 하나를 수신부로 선택하여 선택된 수신부가 신호를 수신하도록 제어한다. 이때, 제어부(6)가 제1수신부(4) 또는 제2수신부(5) 중 어느 것을 수신부로 선택하는지 여부에 따라, FMCW 또는 FMICW 중 어느 하나가 송수신 신호로 선택된다. 즉, FMICW 신호를 송수신하려는 경우, 제어부(6)는 제1수신부(4)를 수신부로 선택하고, 송신부(3)와 제1수신부(4)의 사이를 절체(switchover)를 수행한다. 이때, 절체는 송신부(3)와 제1수신부(4)를 교대로 온(on)/오프(off), 즉 송신부(3)를 온(on) 시키는 경우에 제1수신부(4)를 오프(off) 시키고, 송신부(3)를 오프(off) 시키는 경우에 제1수신부(4)를 온(on) 시키는 것을 지칭한다. 예를 들어, 제어부(6)는 초당 2048Hz 스위칭 속도로 절체를 수행할 수 있다. 또한, FMCW의 신호를 송수신하려는 경우, 제어부(6)는 제2수신부(5)를 수신부로 선택한다.
송신부(3), 제1수신부(4) 및 제2수신부(5)는 각각 스위치부를 포함함으로써, 제1수신부(4) 또는 제2수신부(5) 중 어느 하나가 수신부로 선택될 수 있고, 제1수신부(4)가 수신부로 선택되는 경우에 추가적으로 절체가 수행될 수 있다. 이때, 송신부(3), 제1수신부(4) 및 제2수신부(5)에 각각 구비된 스위치부의 온(on)/오프(off) 동작을 제어하기 위해, 제어부(6)는 송신부(3), 제1수신부(4) 및 제2수신부(5)의 각 스위치부에 해당 온(on)/오프(off) 제어신호를 전달한다.
즉, 송신부(3)는 송신 선로를 온(on)/오프(off) 하는 송신 스위치부(31)를 포함하고, 제1수신부(4)는 제1수신부(4)의 수신 선로를 온(on)/오프(off) 하는 제1수신 스위치부(41)를 포함하며, 제2수신부(5)는 제2수신부(5)의 수신 선로를 온(on)/오프(off) 하는 제2수신 스위치부(51)를 포함한다.
이때, FMICW의 신호가 송수신되도록 제어하려는 경우, 제어부(6)는 송신 스위치부(31)가 온(on) 되고 제1수신 스위치부(41) 및 제2 스위치부(51)가 오프(off) 되도록 제어하거나, 송신 스위치부(31) 및 제2수신 스위치부(51)가 오프(off) 되고 제1수신 스위치부(41)가 온(on) 되도록 제어한다.
또한, FMCW의 신호가 송수신되도록 제어하려는 경우, 제어부(6)는 송신 스위치부(31) 및 제2수신 스위치부가(51) 온(on) 되고, 제1수신 스위치부(41)가 오프(off) 되도록 제어한다.
예를 들어, 제어부(6)는 MCU(Micro Controller Unit)(미도시), 발진기(61) 및 합성기(Synthesizer)(62)를 포함할 수 있다.
MCU는 시스템의 구동신호 및 각 스위치부의 온(on)/오프(off) 제어신호를 생성한다.
발진기(61)는 높은 정밀도의 기준 신호(예를 들어, 10MHz 신호), 즉 발진주파수신호를 생성한다. 예를 들어, 발진기(61)로는 오븐 제어 수정 발진기(oven controlled crystal oscillator; OCXO)가 사용될 수 있다.
합성기(62)는 발진기(61)에서 생성된 기준 신호를 이용하여, Bragg Scattering 효과를 이용하는데 중요한 역할을 수행하는 FMCW를 생성한다. 이때, 합성기(62)는 기준 신호를 시작점으로 하여, 예를 들어 1/4초 동안 주파수를 변조(1Chirp)를 수행할 수 있다. 또한, 합성기(62)는 MCU에서 생성된 각 스위치부의 온(on)/오프(off) 제어신호를 그대로 전달하거나 전처리하여 전달하는 기능을 수행한다.
특히, 수신 신호의 손실을 최소화 하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템은 최적의 위치에 송신부(3), 제1수신부(4) 및 제2수신부(5)의 각 스위치부를 구비한다. 즉, 송신 스위치부(31)는 송신 선로에 연결된 제1스위치(31a) 및 송신 선로 중에 제1스위치(31a) 보다 제1안테나부(1)에 더 가까이 연결된 제2스위치(31b)를 각각 포함한다. 또한, 제1수신 스위치부(41)는 수신 선로에 연결된 제3스위치(41a) 및 수신 선로 중에 제3스위치(41a) 보다 제1안테나부(1)에 더 가까이 연결된 제4스위치(41b)를 각각 포함한다. 또한, 제2수신 스위치부(51)는 수신 선로에 연결된 제5스위치(51a) 및 수신 선로 중에 제5스위치(51a) 보다 제2안테나부(2)에 더 가까이 연결된 제6스위치(51b)를 각각 포함한다.
이때, 제1스위치(31a)의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제1스위치(31a)에 입력되는 제1입력신호는 제2스위치(31b)의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제2스위치(31b)에 입력되는 제2입력신호와 다른 파형을 갖는다. 또한, 제3스위치(41a)의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제3스위치(41a)에 입력되는 제3입력신호는 제4스위치(41b)의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제4스위치(41b)에 입력되는 제4입력신호와 다른 파형을 갖는다.
도 4는 제1입력신호, 제2입력신호, 제3입력신호 및 제4입력신호의 파형을 나타낸다. 즉, 도 4(a)는 제1입력신호 및 제3입력신호를 나타내고, 도 4(b)는 제2입력신호 및 제4입력신호의 파형을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템은 제1입력신호의 파형과 제2입력신호의 파형이 온(on)/오프(off) 위한 상승 및 하강 속도가 서로 다른 것이 바람직하다. 이는 FMICW 신호를 송수신하기 위해 송신부(3)와 제1수신부(4) 사이를 절체하는 과정 중에 발생하는 불요파의 영향을 줄이기 위함이다.
특히, 송신 선로 및 수신 선로의 구성을 보호하면서 동시에 불요파 감소 효과를 더욱 증진시키기 위해, 제1안테나부(1)에 더 가까이 연결된 제2스위치(31b) 및 제4스위치(41b)가 제1스위치(31a) 및 제3스위치(41a) 보다 천천히 온(on)/오프(off) 되는 것이 바람직하다.
즉, 제1입력신호의 파형은 제2입력신호의 파형 보다 온(on)/오프(off) 위한 상승 및 하강 속도가 짧은 파형인 것이 바람직하며, 제3입력신호의 파형은 제4입력신호의 파형 보다 온(on)/오프(off) 위한 상승 및 하강 속도가 짧은 파형인 것이 바람직하다. 이에 따라, 제1스위치(31a)는 제2스위치(31b) 보다 상대적으로 먼저 온(on)/오프(off) 되며, 제2스위치(31b)는 제1스위치(31a) 보다 상대적으로 천천히 온(on)/오프(off) 된다. 또한, 제3스위치(41a)는 제4스위치(41b) 보다 상대적으로 먼저 온(on)/오프(off) 되며, 제4스위치(41b)는 제3스위치(41a) 보다 상대적으로 천천히 온(on)/오프(off) 된다.
도 5(a)는 제1스위치(31a)만 사용하는 경우의 송신 신호 스펙트럼을 나타내고, 도 5(b)는 제1스위치(31a)와 제2스위치(31b)를 함께 사용하되 제1입력신호의 파형이 제2입력신호의 파형 보다 온(on)/오프(off) 위한 상승 및 하강 속도가 짧은 경우의 송신 신호 스펙트럼(노란색)과, 제1스위치(31a)만 사용하는 경우의 송신 신호 스펙트럼(녹색)을 나타낸다.
즉, 도 5(a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 제1스위치(31a)만 사용하는 경우, 송신 신호에서 높은 레벨의 불요 발사 발생한다. 반면에, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 제1스위치(31a)와 제2스위치(31b)를 함께 사용하되, 제1입력신호의 파형이 제2입력신호의 파형 보다 온(on)/오프(off) 위한 상승 및 하강 속도가 짧은 경우, 송신 신호의 불요 발사가 현저하게 줄어든다.
특히, 불요파 감소의 효과를 극대화하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1입력신호 및 제3입력신호의 파형은 구형파(square wave)인 것이 바람직하며, 제2입력신호 및 제4입력신호의 파형은 사인파(sine wave] 인 것이 바람직하다.
제1입력신호, 제2입력신호, 제3입력신호 및 제4입력신호는 제어부(6)가 직접 생성한 온(on)/오프(off) 제어신호이거나, 제어부(6)에서 생성된 온(on)/오프(off) 제어신호가 각 스위치로 전달되는 중에 특정 구성에 의해 전처리된 신호일 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템은 제어부(6)가 제1스위치(31a) 및 제3스위치(41a)의 온(on)/오프(off) 제어신호로써 제1입력신호 및 제3입력신호의 파형인 구형파를 생성하여 직접 제1스위치(31a) 및 제3스위치(41a)의 온(on)/오프(off)를 제어할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더 시스템은 제어부(6)가 제2스위치(31b) 및 제4스위치(41b)의 온(on)/오프(off) 제어신호로써 구형파를 생성한 후, 생성된 구형파를 입력 신호로 받는 캐패시터가 그 출력 신호인 사인파를 제2입력신호 및 제4입력신호로 생성하여 제1스위치(31a) 및 제3스위치(41a)의 온(on)/오프(off)를 제어할 수 있다.
또한, 제5스위치(51a)의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제5스위치(51a)에 입력되는 제5입력신호와, 제6스위치(51b)의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제6스위치(51b)에 입력되는 제6입력신호는 제어부(6)가 직접 생성한 온(on)/오프(off) 제어신호이거나, 제어부(6)에서 생성된 온(on)/오프(off) 제어신호가 각 스위치로 전달되는 중에 특정 구성에 의해 전처리된 신호일 수 있다.
제어부(6)는 모드에 따라 송수신 신호의 주파수, 대역폭, 첩(chirp) 변조 패턴 및 첩(chirp) 주파수 중 어느 하나 이상을 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어부(6)는 국내 해양 환경을 고려하여 60Km 측정 범위와 2m Hs(significant wave height)에 최적화된 24MHz 주파수를 선택할 수 있다.
만일, 해수 유동 정보 획득 모드인 경우, 해수 유동 정보를 획득하는데 최적화 되도록, 제어부(6)는 첩(chirp) 변조 패턴을 톱니 변조(Sawtooth Modulation) 패턴으로 변경한다. 즉, 해수 유동 정보를 획득하기 위해서는 2nd order Bragg peak을 구분할 수 있어야 하며, 2nd order Bragg peak을 구하기 위해서는 높은 SNR(Signal Noise Ratio)이 필요하다. 이때, SNR을 높일 수 있도록, 본 발명의 제1수신부(4) 및 제2수신부(5)는 최적 위치에 구비된 AMP, OPAMP 및 2중의 스위치를 구비하며, 제어부(6)는 첩(chirp) 변조 패턴을 톱니 변조(Sawtooth Modulation) 패턴으로 변경한다.
또한, 선박 이동 정보 획득 모드인 경우, 선박 이동 정보를 획득하는데 최적화 되도록, 제어부(6)는 첩(chirp) 변조 패턴을 삼각 변조(Triangular Modulation) 패턴으로 변경한다. 즉, 선박 이동 정보를 획득하기 위해에서는 Bragg Scattering 보다 선박의 Back Scattering을 구하는 것이 중요하고, 선박의 이동속도를 알기 위해서는 선박의 Doppler frequency를 구해야 한다. 이때, Doppler frequency 획득이 용이하도록, 제어부(6)는 첩(chirp) 변조 패턴을 삼각 변조(Triangular Modulation) 패턴으로 변경한다.
또한, LBT(Listen Before Talk) 모드인 경우, 제어부(6)는 일정 대역폭을 갖는 송수신 신호의 주파수를 23MHz 내지 25MHz 사이에서 1Hz 내지 100KHz의 간격으로 변경시키면서 간섭신호의 존재 유무를 판단하여 간섭신호의 영향이 가장 적은 송수신 신호의 주파수를 선택한다. 이후, 제어부(6)는 선택된 송수신 신호의 주파수의 대역폭을 1Hz 내지 1Mhz로 변경시키면서 간섭신호의 존재 유무를 판단하여 간섭신호의 영향이 가장 적은 송수신 신호의 주파수의 대역폭을 선택한다.
로컬 발진부(7)는 수신 신호의 주파수 변환을 위한 기준 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 즉, 제1수신부(4) 및 제2수신부(5)로 전달되는 기준 신호는 I-채널(71)과 Q-채널(75)로 구분되어 전달된다.
예를 들어, 로컬 발진부(7)의 I-채널(71)과 Q-채널(75)은 각각 BPF(Band Pass Filter)(72, 76), 스플리터(Splitter)(73, 77) 및 증폭기(Amplifier)(74, 78)를 포함한다.
BPF(72, 76)는 사용 주파수 대역(24 ~ 31MHz)으로 필터링(filtering)하고, 스플리터(73, 77)는 I 채널(71) 및 Q 채널(75)의 송신 신호 소스를 각각 2 포트로 분기하며, 증폭기(74, 78)는 송신 신호 소스를 증폭시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단파 해양 레이더는 헤테로다인(Heterodyne) 방식으로 수신 신호를 처리함으로써 선택도(Selectivity), 민감도(Sensitivity), 안정도(Stability) 및 반복성(Repeatability)가 향상되는 이점을 갖는다.
즉, 로컬 발진부(7)는 제1수신부(4) 및 제2수신부(5)의 수신 신호에 대한 주파수 변환을 위한 기준 신호를 I 채널(71)과 Q 채널(75)로 각각 생성하여 각 수신부에 입력한다. 이때, 제어부(6)는 발진주파수신호를 생성하는 발진기(61)와, 발진기(61)로부터 생성된 발진주파수신호를 이용하여 FMCW 신호를 생성하여 스플리터(64)와 로컬 발진부(7)의 Q 채널(75)로 전달하는 합성기(62), 및 전달 받은 FMCW 신호를 송신부(3)의 제1스위치(31a)와 로컬 발진부(7)의 I 채널(71)로 분기시키는 스플리터(64)를 포함한다. 또한, 제1수신부(5) 및 제2수신부(6)는 로컬 발진부(7)의 I 채널(71) 및 Q 채널(75)의 신호를 이용하여 Zero-IF 방식으로 수신 신호를 처리한다.
컴퓨터(8)는 사용자에게 각종 제어 모듈 및 분석 모듈을 제공한다. 즉, 제어 모드는 송수신 신호의 주파수, 대역폭, 첩(chirp) 변조 패턴 및 첩(chirp) 주파수 중 어느 하나 이상을 변경 가능하도록 제어부(6)를 제어할 수 있도록 사용자에게 화면 상으로 제어 툴을 제공하는 모듈이다. 또한, 분석 모듈은 제어 모듈의 선택에 따라 제1수신부(4) 또는 제2수신부(5)의 수신 신호를 분석하여 그 분석 결과를 사용자에게 화면 상으로 보여주는 모듈이다.
컴퓨터(8)는 송신부(3), 제1수신부(4), 제2수신부(5), 제어부(6) 및 로컬 발진부(7)를 포함하는 로컬 시스템(local system)에 함께 구비된 로컬 컴퓨터이거나, 또는 로컬 시스템과 네트워크를 통해 원격으로 연결되는 원격 컴퓨터일 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1 : 제1안테나부 11 : 모노폴 안테나
12 : 루프 안테나 2 : 제2안테나부
3 : 송신부 31 : 송신 스위치부
31a : 제1스위치 31b : 제2스위치
32, 42, 52, 74, 78 : 증폭기 33 : 가변저항
4: 제1수신부 41 : 제1수신 스위치부
41a : 제3스위치 41b : 제4스위치
43, 53, 72, 76 : BPF 44, 54, 73, 77 : 스플리터
45, 55 : 믹서 46, 56 : LPF
47, 57 : OPAMP 5: 제2수신부
51 : 제2수신 스위치부 51a : 제5스위치
51b : 제6스위치 6 : 제어부
61 : 발진기 62 : 합성기
7 : 로컬 발진부 71 : I-채널
75 : Q-채널 8 : 컴퓨터

Claims (10)

  1. 모노폴 안테나 및 2개의 루프 안테나를 구비한 제1안테나부;
    페이즈 어레이 안테나를 구비한 제2안테나부;
    송신 선로에 연결된 제1스위치 및 송신 선로 중에 제1스위치 보다 제1안테나부에 더 가까이 연결된 제2스위치를 통해 송신 선로를 온(on)/오프(off) 하는 송신 스위치부를 포함하고, 제1안테나부의 모노폴 안테나와 연결되며, FMCW 또는 FMICW의 신호를 송신하는 송신부;
    제1수신 선로에 연결된 제3스위치 및 제1수신 선로 중에 제3스위치 보다 제1안테나부에 더 가까이 연결된 제4스위치를 통해 제1수신 선로를 온(on)/오프(off) 하는 제1수신 스위치부를 포함하고, 제1안테나부의 모노폴 안테나 및 2개의 루프 안테나와 연결되며, FMICW의 신호를 수신하는 제1수신부;
    제2수신 선로를 온(on)/오프(off) 하는 제2수신 스위치부를 포함하고, 제2안테나부와 연결되며, FMCW의 신호를 수신하는 제2수신부; 및
    FMCW의 신호를 생성하여 송신부에 공급하되, 제1수신부를 수신부로 선택하고 송신부와 제1수신부의 사이를 절체하여 FMICW의 신호를 송수신하도록 제어하거나, 제2수신부를 수신부로 선택하여 FMCW의 신호를 송수신하도록 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    송신 스위치부가 온(on) 되고 제1수신 스위치부 및 제2 스위치부가 오프(off) 되도록 제어하거나, 송신 스위치부 및 제2수신 스위치부가 오프(off) 되고 제1수신 스위치부가 온(on) 되도록 제어하여, FMICW의 신호를 송수신하도록 제어하고,
    송신 스위치부 및 제2수신 스위치부가 온(on) 되고 제1수신 스위치부가 오프(off) 되도록 제어하여, FMCW의 신호를 송수신하도록 제어하며,
    제1스위치의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제1스위치에 입력되는 제1입력신호는 제2스위치의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제2스위치에 입력되는 제2입력신호와 다른 파형을 갖고,
    제3스위치의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제3스위치에 입력되는 제3입력신호는 제4스위치의 온(on)/오프(off)를 제어하도록 제4스위치에 입력되는 제4입력신호와 다른 파형을 갖는 것을 특징으로 하는 단파 해양 레이더 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1입력신호의 파형은 상기 제2입력신호의 파형 보다 그 상승 및 하강 속도가 짧은 파형이며,
    상기 제3입력신호의 파형은 상기 제4입력신호의 파형 보다 그 상승 및 하강 속도가 짧은 파형인 것을 특징으로 하는 단파 해양 레이더 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1입력신호 및 상기 제3입력신호의 파형은 구형파이며,
    상기 제2입력신호 및 상기 제4입력신호의 파형은 사인파인 것을 특징으로 하는 단파 해양 레이더 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2입력신호 및 상기 제4입력신호는 구형파를 입력 신호로 받는 캐패시터의 출력 신호인 것을 특징으로 하는 단파 해양 레이더 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    모드에 따라 송수신 신호의 주파수, 대역폭, 첩(chirp) 변조 패턴 및 첩(chirp) 주파수 중 어느 하나 이상을 변경하되,
    해수 유동 정보 획득 모드인 경우, 상기 첩(chirp) 변조 패턴을 톱니 변조(Sawtooth Modulation) 패턴으로 변경하고,
    선박 이동 정보 획득 모드인 경우, 상기 첩(chirp) 변조 패턴을 삼각 변조(Triangular Modulation) 패턴으로 변경하는 것을 특징으로 하는 단파 해양 레이더 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    LBT(Listen Before Talk) 모드인 경우, 일정 대역폭을 갖는 송수신 신호의 주파수를 23MHz 내지 25MHz 사이에서 1Hz 내지 100KHz의 간격으로 변경시키면서 간섭신호의 존재 유무를 판단하여 간섭신호의 영향이 가장 적은 송수신 신호의 주파수를 선택하고,
    선택된 송수신 신호의 주파수의 대역폭을 1Hz 내지 1Mhz로 변경시키면서 간섭신호의 존재 유무를 판단하여 간섭신호의 영향이 가장 적은 송수신 신호의 주파수의 대역폭을 선택하는 것을 특징으로 하는 단파 해양 레이더 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 송신부, 상기 제1수신부, 상기 제2수신부 및 상기 제어부를 포함하는 로컬 시스템; 및
    상기 로컬 시스템과 네트워크를 통해 원격으로 연결되고, 송수신 신호의 주파수, 대역폭, 첩(chirp) 변조 패턴 및 첩(chirp) 주파수 중 어느 하나 이상을 변경 가능하며, 상기 제1수신부 또는 상기 제2수신부의 수신 신호를 분석하여 그 분석 결과를 사용자에게 화면 상으로 보여주는 원격 컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단파 해양 레이더 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1수신부 및 상기 제2수신부의 수신 신호에 대한 주파수 변환을 위한 기준 신호를 I 채널과 Q 채널로 각각 생성하여 제어부에서 선택한 수신부에 입력하는 로컬 발진부를 더 포함하며,
    상기 제어부는 발진주파수신호를 생성하는 발진기와, 발진기로부터 생성된 발진주파수신호를 이용하여 FMCW 신호를 생성하여 스플리터와 로컬 발진부의 Q 채널로 전달하는 합성기, 및 전달 받은 FMCW 신호를 송신부와 로컬 발진부의 I 채널로 각각 분기시키는 스플리터를 포함하고,
    상기 제1수신부 및 상기 제2수신부는 상기 로컬 발진부의 I 채널 및 Q 채널의 신호를 이용하여 Zero-IF 방식으로 수신 신호를 처리하는 것을 특징으로 하는 단파 해양 레이더 시스템.
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