KR101770098B1 - 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치 및 방법 - Google Patents

거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이더 고도계 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 거리셀 이동을 보상하여 레이더 고도계의 도플러 빔을 축소하는 도플러 빔 축소 장치 및 방법에 대한 것이다.

Description

거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치 및 방법{DOPPLER BEAM SHARPENING APPARATUS USING RANGE CELL MIGRATION COMPENSATION AND METHOD THEREFORE}
본 발명은 레이더 고도계 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 거리셀 이동을 보상하여 레이더 고도계의 도플러 빔을 축소하는 도플러 빔 축소 장치 및 방법에 대한 것이다.
비행체의 진행방향(along-track direction)으로의 빔 풋(foot) 프린트를 줄이기 위해 기존의 지연-도플러 고도계(DDA : Delay-Doppler Altimeter)는 합성개구면 레이더(SAR : Synthetic Aperture Radar)에서 사용하는 각 압축 기법이 아닌 도플러가 0인 지점은 고도계의 직하방이라는 점을 이용하여 도플러 빔을 줄이고 있다.
이는 각 압축하는데 있어 비코히런트(noncoherent) 방식을 사용하기 때문에 계산량이 적다는 장점이 있지만, 해상도가 코히런트(coherent) 방식에 비해 떨어진다는 단점이 있다.
반면에 기존의 SAR 각 압축 기법을 사용하면 해상도는 향상되지만 계산량이 증가하기 때문에 고속처리를 요구하는 레이더 고도계에는 직접 적용하기 어려운 문제가 있다.
1. 한국등록특허번호 제10-0749336호(등록일자 2007.08.08) 2. 한국공개특허번호 제10-2015-0058682호 3. 한국공개특허번호 제10-2011-0076008호
1. 강은균외, "SAR(Synthetic Aperture Radar)시스템 요동보상기법 연구"전자공학회논문지 (Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea) 제50권 제3호 통권 제424호 (2013년 3월) pp.221-229
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 일반적인 DDA(Delay-Doppler Altimeter)의 도플러 빔 축소 해상도가 코히런트(coherent) 방식에 비해 떨어지는 단점을 줄이기 위해 거리셀 이동을 보상하여 레이더 고도계의 도플러 빔을 축소하는 도플러 빔 축소 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 거리셀 이동을 보상하여 레이더 고도계의 도플러 빔을 축소하는 도플러 빔 축소 장치를 제공한다.
상기 도플러 빔 축소 장치는, 레이더의 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치로서,
송신 안테나;
상기 송신 안테나를 이용하여 펄스 신호 형태로 도플러 빔을 표적에 송출하는 송신부;
상기 표적으로부터 반사된 표적 반사 신호를 수신하는 다수의 수신 안테나;
상기 표적 반사 신호를 디램핑(deramping) 처리하여 디램핑 처리 신호를 생성하는 수신부; 및
상기 디램핑 처리 신호를 직하방으로 곧바로 FFT(Fast Fourier Transform) 연산하고, 얼롱트랙(along-track) 방향으로 FFT 연산을 한 후 거리셀을 보상하고, 이후 얼롱트랙(along-track) 방향으로 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산하여 도플러 빔을 축소하는 신호 처리부;를 포함한다.
또한, 상기 보상은 보상 함수
Figure 112017064441179-pat00001
(여기서,
Figure 112017064441179-pat00002
는 얼롱트랙(along-track) 방향의 주파수,
Figure 112017064441179-pat00003
는 고도계로부터 직하방으로의 거리주파수,
Figure 112017064441179-pat00004
는 스케일링 함수, λ는 파장을 나타낸다) 를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 스케일링 함수는 얼롱트랙(along-track) 방향의 위상 지연을 보상하기 위해 근거리에서 사용 가능한 수학식(
Figure 112017064441179-pat00005
(여기서, V는 고도계가 탑재된 비행체의 비행속도를 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 펄스 신호 형태 및 표적 반사 신호는 LFM(Linear Frequency Modulated) 신호인 것을 특징으로 하는 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치.
또한, 상기 레이더는 합성 개구면 레이더(SAR: Synthetic Aperture Radar)인 것을 특징으로 하는 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 송신부가 송신 안테나를 이용하여 펄스 신호 형태로 도플러 빔을 표적에 송출하는 단계; (b) 다수의 수신 안테나가 상기 표적으로부터 반사된 표적 반사 신호를 수신하는 단계; (c) 수신부가 상기 표적 반사 신호를 디램핑(deramping) 처리하여 디램핑 처리 신호를 생성하는 단계; (d) 신호 처리부가 상기 디램핑 처리 신호를 직하방으로 곧바로 FFT(Fast Fourier Transform) 연산하는 단계; (e) 상기 신호 처리부가 얼롱트랙(along-track) 방향으로 FFT 연산을 한 후 거리셀을 보상하는 단계; 및 (f) 상기 신호 처리부가 이후 얼롱트랙(along-track) 방향으로 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산하여 도플러 빔을 축소하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이미 잘 알려진 비코히런트(noncoherent) 방식과 비교하여, 코히런트(coherent) 방식으로 얼롱트랙(along-track) 방향의 각 압축을 수행함으로써 도플러 빔 축소 해상도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서 SAR 각 압축 시 발생할 수 있는 계산량 증가 문제는 간섭계 레이더 고도계의 특징, 즉 직하방으로는 거리셀 이동이 거리셀 내에서 발생하고, 펄스 구간 별로 신호처리가 가능하다는 점을 이용하여 보상 함수를 이용한 고속처리 방식을 적용함으로써 극복할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 간섭계 레이더 고도계에 적용할 경우 도플러 빔 해상도가 향상되기 때문에 얼롱트랙(along-track) 방향의 정보 품질 향상 외에도 얼롱트랙(along-track) 방향의 비교점 선정에 의존하는 수직 거리(cross-range) 방향의 정보 품질도 향상시키는 효과를 기대할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 레이더 고도계의 작동 원리를 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 빔 축소 장치(200)의 구성 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 빔 축소 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 레이더 고도계의 작동 원리를 보여주는 개념도이다. 특히, 도 1은 간섭계 레이더 고도계(100)의 작동 원리를 보여주는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 간섭계 레이더 고도계(100)는 거리 정보 획득과 관련하여 거리 해상도 향상 및/또는 원거리 탐지를 위해 선형 주파수 변조된(LFM : Linear Frequency Modulated) 신호(즉 도플러 빔)를 펄스 형태로 송수신하고 있다.
DDA(Delay-Doppler Altimeter)는 얼롱트랙(along-track) 방향으로 FFT(Fast Fourier Transform)를 취하고 도플러 위치를 맵핑하는 방식(도플러가 0인 지점은 고도계의 직하방)으로 도플러 빔(110)을 줄인다.
그러나, 본원발명의 경우, 지연 위상, 즉 거리셀 이동을 보상하고 IFFT(Inverse FFT)를 취함으로써 도플러 빔을 축소한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 빔 축소 장치(200)의 구성 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 도플러 빔 축소 장치(200)는, 송신 안테나(210), 송신 안테나(210)를 이용하여 LFM(Linear Frequency Modulated) 신호를 펄스 신호 형태로 표적(미도시)에 송출하는 송신부(230), 표적(미도시)으로부터 반사된 표적 반사 신호를 수신하는 다수의 수신 안테나(220), 표적 반사 신호를 디램핑(deramping) 처리하여 디램핑 처리 신호를 생성하는 수신부(240), 디램핑 처리 신호를 통하여 거리셀 이동을 보상하여 도플러 빔을 축소하는 신호 처리부(260), 다른 구성요소들인 송신부(230), 수신부(240) 및 신호 처리부(260)를 제어하는 제어부(25) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
신호 처리부(260)는 직하방으로의 거리셀 이동 보상이 불필요한 점을 고려하여 디램핑 처리 신호를 직하방으로 곧바로 FFT 연산하고, 이후 얼롱트랙(along-track) 방향으로 FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 한 후 거리셀을 보상하고, 이후 얼롱트랙(along-track) 방향으로 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산하여 도플러 빔을 축소하는 기능을 수행한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도플러 빔 축소 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 다수의 수신 안테나(220)가 표적(미도시)으로부터 반사된 표적 반사 신호를 수신하면 수신부(240)가 이 표적 반사 신호를 디램핑(deramping) 처리하여 디램핑 처리 신호를 생성한다(단계 S310). 이때 표적 반사 신호는 수신 LFM(Linear Frequency Modulated) 신호가 될 수 있다.
신호 처리부(260)는 아래 수학식을 이용하여 디램핑 처리 신호를 생성한다.
Figure 112017064441179-pat00006
여기서,
Figure 112017064441179-pat00007
는 고도계로부터 최근 지점까지의 시간,
Figure 112017064441179-pat00008
는 진행방향으로의 시간,
Figure 112017064441179-pat00009
는 표적으로 식별된 최근 지점에서의 진행방향으로의 시간,
Figure 112017064441179-pat00010
는 LFM 신호의 기울기(처프(chirp) 변조율), C는 광속, λ는 고도계의 반송주파수 파장,
Figure 112017064441179-pat00011
는 표적과 안테나 간 거리를 나타낸다.
일반적으로, 위 신호를 각 압축하기 위해서는 기존의 SAR(Synthetic Aperture Radar: 합성개구면 레이더) 알고리즘, 레인지 도플러 알고리즘(Range-Doppler Algorithm), 처프 스케일링 알고리즘(Chirp Scaling Algorithm), 지연 합계 알고리즘(Delay Sum Algorithm) 등을 이용할 수 있다.
그러나, LFM(Linear Frequency Modulated) 신호를 오버샘플링(oversampling) 하고 인처핑(enchirping)하는 과정이 필요하기 때문에 신호처리 속도가 느린 단점이 있다.
따라서, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따를 경우, 간섭계 레이더 고도계의 규격상 직하방으로는 거리셀 이동 보상이 불필요하고, 펄스 구간 별 신호처리가 가능하기 때문에 거리셀 이동을 근거리에 사용가능한 보상 함수로 표현할 수 있다는 점을 이용하여 얼롱트랙(along-track) 방향의 거리셀 이동을 보상함으로써 도플러 빔을 줄일 수 있다(단계 S320, S330,S340). (도플러 빔을 축소
아래 수학식 2에 거리셀 이동 보상을 위한 스케일링 함수
Figure 112017064441179-pat00012
를 나타내었으며, 수학식 3에 보상 함수
Figure 112017064441179-pat00013
를, 수학식 4에 최종 수신신호를 나타내었다.
Figure 112017064441179-pat00014
Figure 112017064441179-pat00015
Figure 112017064441179-pat00016
여기서, V는 고도계가 탑재된 비행체의 비행속도,
Figure 112017064441179-pat00017
는 얼롱트랙(along-track) 방향의 주파수,
Figure 112017064441179-pat00018
는 고도계로부터 직하방으로의 거리주파수,
Figure 112017064441179-pat00019
는 신호처리후 남은 복소 상수,
Figure 112017064441179-pat00020
는 직하방으로의 시간 대역폭,
Figure 112017064441179-pat00021
는 얼롱트랙(along-track) 방향의 주파수 대역폭을 나타내며,
Figure 112017064441179-pat00022
는 표적까지의 최단(closest) 거리를 나타낸다.
나머지 변수들은 위 수학식 1과 동일하다.
보상함수를 이용한 거리셀 이동 보상이 이루어지면 얼롱트랙 방향으로의 IFFT 연산을 수행한다(단계 S350).
이상과 같이 직하방으로의 FFT 연산 후
Figure 112017064441179-pat00023
의
Figure 112017064441179-pat00024
는
Figure 112017064441179-pat00025
의
Figure 112017064441179-pat00026
로 변환되는데, 수학식 4의 sinc 함수에서
Figure 112017064441179-pat00027
인 지점이 직하방으로의 표적거리로 산출된다. 그런 다음 수학식 1의 지수함수는 얼롱트랙 방향으로 FFT 후 S340의 보상함수 보상을 거치게 되고 다시 IFFT 연산을 수행하게 되는데, 수학식 4의 sinc 함수에서
Figure 112017064441179-pat00028
인 지점이 얼롱트랙 방향의 표적거리로 산출된다. 따라서 제안하는 발명을 통해 표적지점으로의 도플러 빔 축소가 가능하게 된다.
그 결과 최근 지점까지의 거리는
Figure 112017064441179-pat00029
으로 계산할 수 있다.
200: 도플러 빔 축소 장치
210: 송신 안테나
220: 수신 안테나
230: 송신부
240: 수신부
250: 제어부
260: 신호 처리부

Claims (6)

  1. 레이더의 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치에 있어서,
    송신 안테나;
    상기 송신 안테나를 이용하여 펄스 신호 형태로 도플러 빔을 표적에 송출하는 송신부;
    상기 표적으로부터 반사된 표적 반사 신호를 수신하는 다수의 수신 안테나;
    상기 표적 반사 신호를 디램핑(deramping) 처리하여 디램핑 처리 신호를 생성하는 수신부; 및
    상기 디램핑 처리 신호를 직하방으로 곧바로 FFT(Fast Fourier Transform) 연산하고, 얼롱트랙(along-track) 방향으로 FFT 연산을 한 후 거리셀을 보상하고, 이후 얼롱트랙(along-track) 방향으로 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산하여 도플러 빔을 축소하는 신호 처리부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 보상은 보상 함수
    Figure 112017064441179-pat00030
    (여기서,
    Figure 112017064441179-pat00031
    는 얼롱트랙(along-track) 방향의 주파수,
    Figure 112017064441179-pat00032
    는 고도계로부터 직하방으로의 거리주파수,
    Figure 112017064441179-pat00033
    는 스케일링 함수, λ는 파장을 나타낸다) 를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 스케일링 함수는 얼롱트랙(along-track) 방향의 위상 지연을 보상하기 위해 근거리에서 사용 가능한 수학식(
    Figure 112017064441179-pat00034
    (여기서, V는 고도계가 탑재된 비행체의 비행속도를 나타낸다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 펄스 신호 형태 및 표적 반사 신호는 LFM(Linear Frequency Modulated) 신호인 것을 특징으로 하는 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 레이더는 합성 개구면 레이더(SAR: Synthetic Aperture Radar)인 것을 특징으로 하는 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 장치.
  6. 레이더의 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 방법에 있어서,
    (a) 송신부가 송신 안테나를 이용하여 펄스 신호 형태로 도플러 빔을 표적에 송출하는 단계;
    (b) 다수의 수신 안테나가 상기 표적으로부터 반사된 표적 반사 신호를 수신하는 단계;
    (c) 수신부가 상기 표적 반사 신호를 디램핑(deramping) 처리하여 디램핑 처리 신호를 생성하는 단계;
    (d) 신호 처리부가 상기 디램핑 처리 신호를 직하방으로 곧바로 FFT(Fast Fourier Transform) 연산하는 단계;
    (e) 상기 신호 처리부가 얼롱트랙(along-track) 방향으로 FFT 연산을 한 후 거리셀을 보상하는 단계; 및
    (f) 상기 신호 처리부가 이후 얼롱트랙(along-track) 방향으로 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산하여 도플러 빔을 축소하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리셀 이동 보상을 이용한 도플러 빔 축소 방법.
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