KR20180122349A - 편파측정 위상 배열 레이더 시스템 및 이것의 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
타깃의 파라미터를 결정하기 위한 편파측정 위상 배열 레이더 시스템(PPARS; polarimetric phase array radar system) 및 PPARS를 동작하는 방법이 기술되었다. PPARS는 단일 유형 편파 또는 동시에 2가지 유형의 편파를 갖는 이중 편파 신호의 송신 신호 성분을 송신하도록 구성된 송수신기 소자를 갖는 배열을 포함한다. 배열은 또한 단일 유형 편파를 갖는 수신 신호 성분을 수신하도록 구성된다. 송신 모드에서, 송수신기 소자는 하나 또는 두 가지 유형의 편파를 갖는 신호 성분을 송신하도록 동작한다. 수신 모드에서, 송수신기 소자는 적어도 2개의 하위-배열로 분할된다. 각각의 하위-배열은 송수신기 소자의 제 1 부분 및 송수신기 소자의 제 2 부분을 포함하며, 송수신기 소자의 제 1 부분에 의해 제 1 유형의 편파를 갖는 신호 성분 및 송수신기 소자의 제 2 부분에 의해 제 2 유형의 편파를 갖는 신호 성분을 수신하도록 동작한다.
Description
본 발명은 일반적으로 레이더 시스템에 관한 것으로, 특히 타깃 범위, 고도각 및 타깃의 방위각을 결정하기 위한 편파측정 위상 배열 레이더 시스템(polarimetric phase array radar system)에 관한 것이다.
레이더 시스템에 사용되는 배열 안테나(array antenna)는 복수의 개별적인 방사 안테나 소자를 포함한다. 일부 배열 안테나에서, 개별 안테나 소자는 송신된 신호의 위상 및 진폭을 제어하도록 구성된 위상 시프터 및 감쇠기를 통해 송신기에 연결된다. 유사하게, 개별 안테나 소자는 수신된 신호의 위상 및 진폭을 제어하도록 구성된 위상 시프터 및 감쇠기를 통해 수신기에 연결된다. 결합되고 공통 회로를 공유하는 송신기 및 수신기를 모두 포함하는 디바이스는 여기에서 송수신기로 지칭된다. 복수의 안테나 소자 및 그에 대응하는 복수의 개별적인 송수신기 소자 사이를 통과하는 무선 주파수 신호의 상대 위상 및 진폭은 원하는 방사 패턴을 획득하도록 제어된다. 획득된 패턴은 모든 개별 송수신기와 안테나 소자의 연결된 동작의 결과이다.
과거에는 단일 편파만을 가진 전파를 송신 및 수신하도록 레이더가 사용되었다. 그 결과, 입사 편파 빔에 수직인 단일 편파 빔만을 반사시킬 수 있는 타깃은 타깃이 강한 반사 계수를 가짐에도 불구하고 보이지 않을 가능성이 있었다.
편파 시스템("이중 편파 시스템"이라고도 함)은 클러터 개선 또는 향상된 타깃 분류 및 식별을 위한 신호와 관련된 이들의 속성으로 인해 주로 사용되어왔다. 편파 레이더는 수평 및 수직 편파 모두를 송신 및 수신한다. 수평 편파를 갖는 빔은 타깃의 수평 "속성"에 대한 필수 정보를 제공하는 반면, 수직 편파 빔은 타깃의 수직 "속성"에 대한 필수 정보를 제공한다. 레이더로부터 반환되는 파워는 타깃 크기, 모양, 배향, 밀도, 반사율 등의 복잡한 함수이기 때문에, 제 2 편파 유형으로부터 수신된 추가 정보는 향상된 타깃 검출을 제공할 수 있다.
모노펄스 레이더 기술 및/또는 레이더 간섭측정 기술은, 예를 들어 추적 레이더에서 사용될 때 타깃에 관한 각도 정보를 수집하는 데에 사용될 수 있다.
기본 모노펄스 레이더 시스템은 4개의 안테나, 또는 함께 제어되는 단일 안테나의 4개의 사분면을 사용한다. 타깃은 4개의 사분면 모두에 의해 조명되며, 비교기 네트워크는 4개의 반환 신호를 생성하는 데에 사용된다. 이러한 반환 신호는 4개의 사분면 모두로부터 수신된 신호의 조합인 "합" 신호(Σ), 두 개의 하단 사분면들로부터의 신호로부터 두 개의 상단 사분면들로부터의 신호를 감산함으로써 형성된 고도각 차 신호(ΔE) 및 우측 사분면들로부터의 신호로부터 좌측 사분면들로부터의 신호를 감산함으로써 형성된 방위각 차 신호(ΔA)를 포함한다. 추적 레이더에서, 합 신호는 모노펄스 레이더 시스템으로부터 타깃의 거리를 추적하도록 사용되며 방위 차(azimuth difference) 신호는 레이더 시스템의 좌측 또는 우측에 대한 타깃의 위치를 결정하도록 사용된다. 고도 차(elevation difference) 신호는 수평선에 대한 타깃의 위치를 결정하도록 사용될 수 있다.
레이더 간섭측정계는 별개의 안테나에서 또는 동일 안테나 상의 별개의 지점에서 수신된 신호들의 위상 비교를 통해서 파의 도달 각도를 결정하는 수신 시스템이다.
모노펄스 위상 배열 시스템은 당업계에 공지되어 있다. 이들 시스템은 배열로 배치된 다수의 안테나 소자를 포함한다. 각각의 안테나 소자는 빔 조종 시스템의 제어 하에 있는 대응하는 송신/수신 채널을 통해서 T/R(송신기/수신기) 모듈에 접속된다. 빔 조종 시스템은 송신 빔을 형성하기 위해 T/R 모듈로부터의 송신 신호에 의해 공급된다. 반사된 신호를 수신하면, 합 신호, 고도 차 신호 및 방위 차 신호가 빔 조종 시스템으로부터 획득된다. 위상 배열 시스템은 모든 안테나 소자로부터 수신된 신호를 결합하여 총합 신호(Σ), 총 고도각 차 신호(ΔE) 및 총 방위각 차 신호(ΔA)를 이끌어내는 조합 유닛을 포함하며, 이들로부터 빔 조종 시스템의 제어 하에서 생성된 송신 빔을 재조종하기 위한 조절 신호(ΔE/Σ) 및 (ΔA/Σ)가 획득될 수 있다.
종래의 편파측정 위상 배열 레이더 시스템(PPARS; polarimetric phase array radar system)에서 모든 안테나 소자는 두 가지 유형의 편파, 예로서 수평 편파 및 수직 편파를 갖는 신호를 동시에 수신한다. 따라서, 소자의 다중 모드 안테나 피드를 통해 연결된 각각의 안테나 소자에 대해 2개의 별개의 수신 채널이 필요하다.
각 안테나 소자에 대해 2개의 채널을 갖는 위상 배열 시스템에는 문제점이 존재한다. 단일 편파측정 위상 배열 레이더 시스템과 비교할 때 두 배의 부품 수는 개발의 복잡도를 발생시키며 생산 비용을 증가시킨다. 또한 시스템 크기 및 중량을 증가시키고 증가된 전력을 요구하며, 증가된 열을 발생시켜 그 결과 안테나의 최대 동작 시간을 제한하고/하거나 시스템이 동작할 수 있는 환경적 조건을 제한한다.
따라서, 감소된 부품의 수를 가지고 그에 따라 크기 및 비용의 감소, 그리고 사용시 신뢰성 증가를 갖는 신규한 편파측정 위상 배열 레이더 시스템이 필요하며 유용할 것이다.
본 발명은 안테나의 성능을 저하시키지 않으면서 종래기술의 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 결함을 부분적으로 제거하고, 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 결정하기 위한 편파측정 위상 배열 레이더 시스템을 제공한다. 타깃의 파라미터는 타깃 범위, 타깃 고도각 및 타깃 방위각으로부터 선택된다.
편파측정 위상 배열 레이더 시스템은 단일 유형 편파 또는 동시에 두 가지 유형의 편파를 갖는 이중 편파 레이더 신호의 레이더 송신 신호 성분을 송신하도록 구성된 복수의 송수신기 소자를 갖는 배열을 포함한다. 송수신기 소자들의 배열은 또한 단일 유형 편파를 갖는 레이더 수신 신호 성분을 수신하도록 구성된다.
송신 모드에서, 복수의 송수신기 소자는 하나 또는 두 가지 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 송신하도록 동작한다.
수신 모드에서, 복수의 송수신기 소자는 적어도 두 개의 하위 배열로 분할된다. 각각의 하위 배열은 송수신기 소자의 제 1 부분 및 송수신기 소자의 제 2 부분을 포함하며, 각각의 하위 배열이 송수신기 소자의 제 1 부분에 의해 제 1 유형 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하며, 송수신기 소자의 제 2 부분에 의해 제 2 유형 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하도록 동작한다.
일 예시에 따르면, 제 1 및 제 2 유형의 편파는 수평 편파 및 수직 편파이다.
일 예시에 따르면, 제 1 및 제 2 유형의 편파는 좌선 원편파 및 우선 원편파이다.
송수신기 소자의 제 1 부분은 제 1 사전결정된 동적 분배를 가지며, 송수신기 소자의 제 2 부분은 제 2 사전결정된 동적 분배를 가진다. 제 1 및 제 2 사전결정된 동적 분배는 적어도 송수신기 소자의 총 개수, 동작 주파수 및 타깃의 적어도 하나의 파라미터에 따른다.
편파측정 위상 배열 레이더 시스템은 또한 송수신기 소자에 연결되고, 상이한 편파를 갖는 레이더 수신 신호 성분을 처리하여 타깃 파라미터를 생성하도록 구성된 신호 처리 유닛을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 송수신기 소자는 4개의 하위 배열로 분할된다. 4개의 하위 배열은 배열의 좌측 상단부, 우측 상단부, 좌측 하단부 및 우측 하단부로부터 선택된 배열의 4개의 사분면 부분 내에 상응하게 배치된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 4개의 하위 배열의 각각의 하위 배열에 있어서, 송수신기 소자의 제 1 및 제 2 부분은 상응하는 사분면 부분 내에 위치된 위상 중심을 가진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각각의 하위 배열에 있어서, 제 1 및 제 2 부분의 모든 송수신기 소자는 배열의 상응하는 사분면 부분 내에 위치된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 각각의 하위 배열에 있어서, 제 1 및/또는 제 2 부분의 송수신기 소자의 다수는 배열의 하나의 사분면 부분 내에 위치되는 반면, 제 1 및/또는 제 2 부분의 송수신기 소자의 소수는 배열의 이웃하는 사분면 부분들 내에 위치된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 4개의 하위 배열의 각각의 하위 배열에 있어서, 제 1 부분의 송수신기 소자는 제 2 부분의 송수신기 소자와 인터리브된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 제 1 및 제 2 사전결정된 동적 분배는 룩업 테이블의 형태로 저장된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 각각의 송수신기 소자는 제 1 및 제 2 유형의 편파를 갖는 제 1 및 제 2 신호 성분을 포함하는 이중 편파 레이더 신호를 송신 및 수신하도록 구성된 제 1 및 제 2 다중 모드 안테나 피드를 갖는 안테나 소자를 포함한다.
송수신기 소자는 또한 레이더 송신 신호를 생성하도록 구성된 무선 주파수 소스 및 무선 주파수 소스에 전기적으로 연결되는 전력 분배 소자를 포함한다. 이 전력 분배 소자는 제 1 유형의 편파를 갖는 제 1 신호 성분을 송신하기 위해 제 1 다중 모드 안테나 피드에 연결된 제 1 라인과 제 2 유형의 편파를 갖는 제 2 신호 성분을 송신하기 위해 제 2 다중 모드 안테나 피드에 연결된 제 2 라인 사이에 무선 주파수 소스에 의해서 생성된 레이더 신호를 분배하도록 구성된다.
송수신기 소자는 또한 전력 분배 소자의 하류의 제 1 및 제 2 라인 내에 배치된 제 1 및 제 2 송신기 위상 시프터를 포함한다. 이러한 제 1 및 제 2 송신기 위상 시프터는 필요한 위상 시프트를 제 1 및 제 2 라인 내에 전달된 제 1 및 제 2 송신 신호 성분에 상응하게 제공하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전력 분배 소자는 무선 주파수(RF) 전력 1 대 2 분배기를 포함한다. RF 전력 1 대 2 분배기는 무선 주파수 소스에 의해 생성된 송신 신호를 제 1 라인으로 중계되는 제 1 송신 신호 성분 및 제 2 라인으로 중계되는 제 2 송신 신호 성분으로 동시에 분할하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전력 분배 소자는 무선 주파수 소스에 의해 생성된 레이더 송신 신호를 스위치가 제 1 스위치 위치에 있을 때는 제 1 라인으로, 그리고 스위치가 제 2 스위치 위치에 있을 때는 제 2 라인으로 선택적으로 연결하도록 구성된 무선 주파수 전력 스위치를 포함한다.
송수신기 소자는 또한 제 1 및 제 2 위상 시프터의 하류에 상응하게 배치된 제 1 듀플렉서 및 제 2 듀플렉서를 포함한다. 제 1 듀플렉서 및 제 2 듀플렉서는 송신 모드에서, 제 1 및 제 2 유형의 편파를 갖는 제 1 및 제 2 송신 신호 성분을 송신하기 위한 제 1 및 제 2 다중 모드 안테나 피드에 제 1 및 제 2 송신 라인 내의 시프트된 송신 신호 성분을 제공하도록 구성된다. 제 1 듀플렉서 및 제 2 듀플렉서는 수신 모드에서, 제 1 및 제 2 다중 모두 안테나 피드에 의해 제공된 제 1 및 제 2 유형의 편파를 갖는 제 1 및 제 2 수신 신호 성분을 수신하여 제 1 및 제 2 수신 신호 성분을 수신 라인에 제공하도록 구성된다.
송수신기 소자는 또한 수신 라인에 배치되고 제 1 및 제 2 듀플렉서에 연결된 선택 스위치를 포함한다. 이 선택 스위치는 안테나 소자에 의해 제공되고 제 1 유형의 편파를 갖는 제 1 수신 신호 성분과 안테나 소자에 의해 제공되고 제 2 유형의 편파를 갖는 제 2 수신 신호 성분 사이에서 스위칭하도록 구성된다.
송수신기 소자는 또한 선택 스위치에 연결되어, (i) 선택 스위치가 제 1 위치에 있을 때 선택 스위치로부터 제 1 유형의 편파를 갖는 제 1 수신 신호 성분 및 (ii) 선택 스위치가 제 2 위치에 있을 때 제 2 유형의 편파를 갖는 제 2 수신 신호 성분을 수신하도록 구성된 수신기 위상 시프터를 포함한다. 이러한 수신기 위상 시프터는 수신기 위상 시프터를 통해 전달된 수신 신호 성분에 필요한 위상 시프트를 제공하며, 단일 유형 편파의 시프트된 수신 신호 성분을 생성한다.
이 송수신기 소자는 또한 선택 스위치의 하류에 배치되고 안테나 소자의 개구 상에서 수신된 이중 편파 레이더 신호의 수신 신호 성분의 전력의 원하는 테이퍼링(tapering)을 위해 구성된 증폭기/감쇠기 유닛을 포함하는 송수신기 소자를 포함한다.
본 발명은 타깃 파라미터를 결정하기 위한 전술된 편파측정 위상 배열 레이더 시스템을 동작시키는 방법을 추가로 제공한다. 이 방법은 송신 모드에서 적어도 하나의 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 송신하도록 복수의 송수신기 소자를 동작시키는 단계를 포함한다.
수신 모드에서, 이 방법은 복수의 송수신기 소자들의 배열로부터 적어도 두 개의 하위 배열을 선택하는 단계를 포함한다. 각각의 하위 배열은 송수신기 소자의 제 1 부분 및 송수신기 소자의 제 2 부분을 포함한다. 각각의 하위 배열에 대해, 송수신기 소자의 제 1 부분에 제 1 사전결정된 동적 분배가 제공되고, 송수신기 소자의 제 2 부분에 제 2 사전결정된 동적 분배가 제공된다. 제 1 및 제 2 사전결정된 동적 분배는 송수신기 소자의 총 개수, 동작 주파수 및 적어도 하나의 타깃 파라미터로부터 선택된 적어도 하나의 특징에 따른다.
이 방법은 또한 송수신기 소자의 제 1 부분에 의해 일 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하고 송수신기 소자의 제 2 부분에 의해 다른 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하는 단계 및 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 두 개의 하위 배열 중 선택하는 단계는 송수신기 소자들의 4개의 하위 배열을 선택하는 단계 및 모노펄스 추적 기술을 적용하여 타깃의 하나 이상의 파라미터를 계산하는 단계를 포함한다. 이러한 실시예에 따르면, 타깃의 하나 이상의 파라미터를 계산하는 단계는 4개의 하위 배열 합 신호(Σ)를 계산하기 위해 4개의 하위 배열로부터 수신된 적어도 하나의 유형의 편파를 갖는 신호 성분들을 합산하는 단계, 및 첫 번째 2개의 하위 배열 합 신호를 계산하기 위해 임의의 2개의 하위 배열로부터 수신된, 그리고 두 번째 2개의 하위 배열 합 신호를 계산하기 위해 다른 2개의 하위 배열로부터 수신된 적어도 하나의 유형의 편파를 갖는 신호 성분들을 합산하는 단계를 포함한다. 그 다음, 첫 번째 2개의 하위 배열 합 신호와 두 번째 2개의 하위 배열 합 신호 사이의 차 신호(Δ)가 생성된다. 이 방법은 추가로 타깃 파라미터를 생성하기 위해 4개의 하위 배열 합 신호(Σ) 및 차 신호(Δ)를 처리하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 적어도 2개의 하위 배열을 선택하는 단계는 송수신기 소자의 2개의 하위 배열을 선택하고 간섭측정 기술을 적용함으로써 타깃의 하나 이상의 파라미터를 계산하는 단계를 포함한다. 이러한 실시예에 따르면, 타깃의 하나 이상의 파라미터를 계산하는 단계는 적어도 2개의 하위 배열로부터 수신된 적어도 하나의 유형의 편파를 갖는 신호 성분들 사이의 위상차 신호를 생성하는 단계 및 제 1 부분 및 제 2 부분으로부터 선택되고 적어도 하나의 유형의 편파에 상응하는 송수신기 소자의 적어도 일 부분에 대해 적어도 2개의 하위 배열의 송수신기 소자의 위상 중심들 사이의 거리를 계산하는 단계를 포함한다. 위상차 신호 및 위상 중심들 사이의 거리는 타깃 파라미터를 생성하도록 처리된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이 방법은 사이드 로브 레벨(side lobs level)을 원하는 크기로 감소시키도록 안테나 소자의 개구 상에서 수신된 레이더 신호의 신호 성분의 전력을 테이퍼링하는 단계를 포함한다.
본 발명의 본 발명의 편파측정 위상 배열 레이더 시스템은 종래기술의 다수의 장점을 갖는 동시에 일반적으로 이와 연관된 일부 단점을 동시에 극복한다.
본 발명에 따른 편파측정 위상 배열 레이더 시스템은 항공기 및/또는 우주 레이더 시스템과 같이 크기 및 비용이 중요한 특정 용도에 채택될 수 있다.
본 발명에 따른 편파측정 위상 배열 레이더 시스템은 쉽고 효율적으로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 편파측정 위상 배열 레이더 시스템은 내구성이 있고 신뢰성있는 구조이다.
본 발명에 따른 편파측정 위상 배열 레이더 시스템은 더 낮은 전반적인 작동 및 유지 비용을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 편파측정 위상 배열 레이더 시스템은 비교적 낮은 제조 비용을 가질 수 있다.
따라서 아래에서 이어지는 본 발명의 상세한 설명이 보다 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 보다 중요한 특성이 오히려 광범위하게 개략적으로 기술되었다. 본 발명의 추가적인 세부사항 및 장점은 상세한 설명에서 설명될 것이며, 부분적으로는 설명으로부터 이해될 수 있거나 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다.
본 명세서에 개시된 주제를 더 잘 이해하고 그것이 실제로 수행될 수 있는 방법을 예시하기 위해, 이제 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 오로지 비제한적인 예시로서 설명될 것이다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 결정하기 위한 편파측정 위상 배열 레이더 시스템을 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 위상 배열 레이더 시스템을 위한 송수신기 소자의 개략적인 블록도;
도 3a 및 3b는 타깃 파라미터의 계산을 위해 모노펄스 방법을 활용하는 도 1에 도시된 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 배열에서 송수신기 소자의 안테나 소자 배치의 예를 개략적으로 도시한 도면;
도 4a 및 4b는 조준각이 0도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치할 때 합 신호 패턴 및 타깃의 방위각에 대한 방위 평면 내의 방위 차 신호 패턴의 시뮬레이션의 예를 도시한 도면;
도 5a 및 5b는 조준각이 0도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3b에 도시된 분배와 일치할 때 합 신호 패턴 및 타깃의 방위각에 대한 방위 평면 내의 방위 차 신호 패턴의 시뮬레이션의 예를 도시한 도면;
도 6은 조준각이 0도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a 및 3b에 도시된 분배와 일치할 때 수직 및 수평 편파를 갖는 신호를 수신하는 배열의 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자에 대해 획득된 방위각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한 도면;
도 7a 및 7b는 조준각이 0도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치할 때 합 신호 패턴 및 타깃의 고도각에 대한 고도각 평면 내의 고도 차 신호 패턴의 시뮬레이션의 예를 도시한 도면;
도 8은 조준각이 0도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치할 때 수직 편파 및 수평 편파를 갖는 신호를 수신하는 배열의 송수신기 소자에 대해 획득된 고도각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한 도면;
도 9a 및 9b는 조준각이 30도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치할 때 합 신호 패턴 및 타깃의 방위각에 대한 방위 평면 내의 방위 차 신호 패턴의 시뮬레이션의 예를 도시한 도면;
도 10a 및 10b는 조준각이 30도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3b에 도시된 분배와 일치할 때 합 신호 패턴 및 타깃의 방위각에 대한 방위 평면 내의 방위 차 신호 패턴의 시뮬레이션의 예를 도시한 도면;
도 11은 조준각이 30도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a 및 3b에 도시된 분배와 일치할 때 수직 및 수평 편파를 갖는 신호를 수신하는 배열의 송수신기 소자에 대해 획득된 방위각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한 도면;
도 12a 및 12b는 조준각이 50도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치할 때 합 신호 패턴 및 타깃의 방위각에 대한 방위 평면 내의 방위 차 신호 패턴의 시뮬레이션의 예를 도시한 도면;
도 13a 및 13b는 조준각이 50도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3b에 도시된 분배와 일치할 때 수직 및 수평 편파를 갖는 신호를 수신하는 배열의 송수신기 소자에 대해 획득된 방위각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한 도면;
도 14는 조준각이 50도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a 및 3b에 도시된 분배와 일치할 때 수직 편파 및 수평 편파를 갖는 신호를 수신하는 배열의 송수신기 소자에 대해 획득된 방위각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한 도면;
도 15a 및 15b는 타깃의 방위각을 결정하기 위해 간섭측정 방법을 활용하는 도 1에 도시된 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 배열에서 송수신기 소자의 안테나 소자의 배치의 예를 개략적으로 도시한 도면;
도 16a 및 16b는 타깃의 고도각을 결정하기 위해 간섭측정 방법을 활용하는 도 1에 도시된 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 배열에서 송수신기 소자의 안테나 소자의 배치의 예를 개략적으로 도시한 도면; 그리고
도 17 내지 19는 조준각이 0도, 30도 및 50도와 같을 때, 상응하는 경우에 대해 타깃의 방위각에 대한 수직 및 수평 편파의 위상차 신호들 사이의 의존성의 예를 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 결정하기 위한 편파측정 위상 배열 레이더 시스템을 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 위상 배열 레이더 시스템을 위한 송수신기 소자의 개략적인 블록도;
도 3a 및 3b는 타깃 파라미터의 계산을 위해 모노펄스 방법을 활용하는 도 1에 도시된 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 배열에서 송수신기 소자의 안테나 소자 배치의 예를 개략적으로 도시한 도면;
도 4a 및 4b는 조준각이 0도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치할 때 합 신호 패턴 및 타깃의 방위각에 대한 방위 평면 내의 방위 차 신호 패턴의 시뮬레이션의 예를 도시한 도면;
도 5a 및 5b는 조준각이 0도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3b에 도시된 분배와 일치할 때 합 신호 패턴 및 타깃의 방위각에 대한 방위 평면 내의 방위 차 신호 패턴의 시뮬레이션의 예를 도시한 도면;
도 6은 조준각이 0도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a 및 3b에 도시된 분배와 일치할 때 수직 및 수평 편파를 갖는 신호를 수신하는 배열의 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자에 대해 획득된 방위각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한 도면;
도 7a 및 7b는 조준각이 0도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치할 때 합 신호 패턴 및 타깃의 고도각에 대한 고도각 평면 내의 고도 차 신호 패턴의 시뮬레이션의 예를 도시한 도면;
도 8은 조준각이 0도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치할 때 수직 편파 및 수평 편파를 갖는 신호를 수신하는 배열의 송수신기 소자에 대해 획득된 고도각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한 도면;
도 9a 및 9b는 조준각이 30도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치할 때 합 신호 패턴 및 타깃의 방위각에 대한 방위 평면 내의 방위 차 신호 패턴의 시뮬레이션의 예를 도시한 도면;
도 10a 및 10b는 조준각이 30도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3b에 도시된 분배와 일치할 때 합 신호 패턴 및 타깃의 방위각에 대한 방위 평면 내의 방위 차 신호 패턴의 시뮬레이션의 예를 도시한 도면;
도 11은 조준각이 30도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a 및 3b에 도시된 분배와 일치할 때 수직 및 수평 편파를 갖는 신호를 수신하는 배열의 송수신기 소자에 대해 획득된 방위각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한 도면;
도 12a 및 12b는 조준각이 50도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치할 때 합 신호 패턴 및 타깃의 방위각에 대한 방위 평면 내의 방위 차 신호 패턴의 시뮬레이션의 예를 도시한 도면;
도 13a 및 13b는 조준각이 50도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3b에 도시된 분배와 일치할 때 수직 및 수평 편파를 갖는 신호를 수신하는 배열의 송수신기 소자에 대해 획득된 방위각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한 도면;
도 14는 조준각이 50도이고 송수신기 소자의 분배가 도 3a 및 3b에 도시된 분배와 일치할 때 수직 편파 및 수평 편파를 갖는 신호를 수신하는 배열의 송수신기 소자에 대해 획득된 방위각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한 도면;
도 15a 및 15b는 타깃의 방위각을 결정하기 위해 간섭측정 방법을 활용하는 도 1에 도시된 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 배열에서 송수신기 소자의 안테나 소자의 배치의 예를 개략적으로 도시한 도면;
도 16a 및 16b는 타깃의 고도각을 결정하기 위해 간섭측정 방법을 활용하는 도 1에 도시된 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 배열에서 송수신기 소자의 안테나 소자의 배치의 예를 개략적으로 도시한 도면; 그리고
도 17 내지 19는 조준각이 0도, 30도 및 50도와 같을 때, 상응하는 경우에 대해 타깃의 방위각에 대한 수직 및 수평 편파의 위상차 신호들 사이의 의존성의 예를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 편파측정 위상 배열 레이더 시스템(PPARS)의 원리는 동일한 요소를 지정하기 위해 전체적으로 동일한 참조번호가 사용된 도면 및 첨부된 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 반드시 실제 축적대로 도시된 것은 아닌 이들 도면은 단지 예시적인 목적으로 주어진 것이며 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아님이 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면들 중 몇몇 요소들의 치수는 다양한 실시예들의 이해를 돕기 위해 다른 요소들에 비해 과장될 수 있다. 또한, 설명 및 도면은 반드시 나타내어진 순서를 요구하지 않는다. 소정의 동작 및/또는 단계가 특별한 발생 순서로 기술 또는 도시될 수 있지만 당업자는 순차와 관련된 이러한 특이성이 실제로 요구되지는 않음을 이해할 것이다.
도면의 블록들 및 다른 요소들은 임의의 물리적 접속 및/또는 물리적 관계보다는 엔티티들 간의 기능적 관계가 도시되도록 기능적 엔티티로서만 의도된다는 것을 유의해야 한다. 당업자는 제공된 다수의 예가 활용될 수 있는 적절한 대안이 있음을 이해해야 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라, 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 결정하기 위한 편파측정 위상 배열 레이더 시스템(10)이 도시되었다. 타깃 파라미터의 예는 타깃 범위, 타깃 고도각 및 타깃 방위각을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
편파측정 위상 배열 레이더 시스템(10)은 복수의 송수신기 소자(12)를 포함하는 배열(11)을 포함한다. 송수신기 소자(12)는 단일 유형 편파 또는 동시에 두 가지 유형의 편파를 갖는 이중 편파 레이더 신호의 레이더 신호 성분을 송신하도록 구성된다. 또한, 송수신기 소자(12)는 단일 유형 편파만을 갖는 레이더 신호 성분을 수신하도록 구성된다. 일 예에 따르면, 두 가지 유형의 편파는 수평 편파 및 수직 편파일 수 있다. 다른 예에 따르면, 두 가지 유형의 편파는 좌선 원편파 및 우선 원편파일 수 있다.
따라서 본 발명의 시스템에서, 소자의 다중 모드 안테나 피드를 통해 연결된 각각의 안테나 소자에 대한 일 유형의 편파에 있어서 오직 하나의 수신 채널만이 필요하다. 따라서, 본 발명의 송신기의 구현에 필요한 부품의 수는 모든 안테나 소자가 두 가지 유형의 편파를 갖는 신호를 동시에 전송하는 2개의 개별 수신 채널에 모든 안테나 소자가 연결되는 종래의 편파측정 위상 배열 시스템과 비교했을 때 감소된다. 따라서, 오직 하나의 수신 채널을 갖는 본 발명의 시스템의 개발의 복잡도가 감소될 수 있으며 생산 비용이 감소될 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템 크기 및 시스템의 중량은 종래의 편파 위상 배열 시스템과 비교할 때 감소될 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 시스템은 감소된 전력을 요구할 수 있고 동작 중에 생성되는 열을 감소시킬 수 있다.
각각의 송수신기 소자(12)는 상응하는 수신/송신 채널을 통해 이중 편파 레이더 신호를 송신 및 수신하도록 구성된 다중 모드 안테나 피드(도시되지 않음)를 갖는 안테나 소자(21)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 송수신기 소자(12)의 안테나 소자(21)는 평평한 플레이트(도시되지 않음) 상에 장착되고 플레인 배치를 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 송수신기 소자(12)의 안테나 소자(21)는 공간적으로 배치된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1에 도시된 위상 배열 레이더 시스템을 위한 송수신기 소자(12)가 도시되었다. 송수신기 소자는 이중 편파 레이더 신호를 송신 및 수신하도록 구성된 다중 모드 안테나 피드(도시되지 않음)를 갖는 안테나 소자(21)를 포함한다.
본 발명의 주제는 안테나 소자(21)의 임의의 특정 구현에 한정되지 않는다는 것을 알아야 한다. 따라서, 안테나 소자(21)는 다양한 대안으로 구현될 수 있다. 방사 요소(21)의 예로: 패치 안테나 소자; 적층 패치 안테나 소자, 마이크로스트립 안테나 소자, 다이폴 안테나 소자, 혼(horn) 안테나 소자, (비발디(Vivaldi)로도 알려진) 테이퍼 슬롯 안테나(TSA; tapered-Slot Antenna) 소자 및 다른 안테나 소자 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이것으로 한정되지 않는다. 결과적으로, 안테나 소자(21)의 유형, 형태 및 구성은 안테나 배열에 채택된 기술에 적합하도록 선택될 수 있다.
송수신기 소자(12)는 송신부(22) 및 수신부(23)를 포함한다. 송수신기 소자(12)의 송신부(22)는 RF 레이더 신호를 생성하도록 구성된 입력 파형 발생기(도시되지 않음)를 갖는 무선 주파수(RF) 소스(221)를 포함한다. 송신부(22)는 RF 소스(221)에 전기적으로 연결되고 입력 파형 발생기에 의해서 생성된 신호를 제 1 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 송신하기 위한 제 1 라인(223) 및 제 2 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 송신하기 위한 제 2 라인(224)으로 분배하도록 구성된 전력 분배 소자(222)를 더 포함한다. 제 1 라인(223)은 제 1 유형의 편파를 갖는 제 1 신호 성분을 송신하기 위해 안테나 소자(21)의 제 1 다중 모드 안테나 피드(도시되지 않음)에 연결된다. 유사하게, 제 2 라인(224)은 제 2 유형의 편파를 갖는 제 2 신호 성분을 송신하기 위해 제 2 다중 모드 안테나 피드(도시되지 않음)에 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 분배 소자(222)는 무선 주파수 소스에 의해 생성된 신호를 동시에 제 1 라인(223)으로 중계되는 제 1 신호 성분 및 제 2 라인(224)으로 중계되는 제 2 신호 성분으로 나누도록 구성된 (도시되지 않은) 무선 주파수 전력 1 대 2(one-to-two) 분배기를 포함한다. 이 경우, 송수신기 소자(12)는 두 가지 유형의 편파를 갖는 동시 송신 신호 성분을 갖는 이중 편파 레이더 신호를 송신하도록 동작한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전력 분배 소자(222)는 라디오 주파수 소스에 의해 생성된 레이더 신호를 스위치 제 1 위치의 제 1 라인(223) 및 스위치 제 2 위치의 제 2 라인(224)에 선택적으로 연결하도록 구성된 라디오 주파수 전력 스위치(도시되지 않음)를 포함한다. 이 경우, 송수신기 소자(12)는 단일 유형 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 송신하도록 동작한다.
송신부(22)는 전력 분배 소자(222)의 하류에서 제 1 라인(223) 및 제 2 라인(224) 내에 상응하게 배치된 제 1 송신기(TR) 위상 시프터(225a) 및 제 2 송신기 위상 시프터(225b)를 더 포함한다. 제 1 및 제 2 송신기 위상 시프터(225a, 225b)는 상응하게 제 1 및 제 2 편파의 제 1 및 제 2 송신 신호 성분에 필요한 위상 시프트를 제공하도록 채택된다.
일 실시예에 따르면, 송신부(22)는 상응하게 제 1 및 제 2 송신기 위상 시프터(225a, 225b)에 연결된 제 1 송신기 증폭기/감쇠기(226a) 및 제 2 송신기 증폭기/감쇠기(226b)를 더 포함한다. 제 1 및 제 2 송신기 증폭기/감쇠기(226a, 226b)는 상응하게 제 1 및 제 2 편파의 제 1 및 제 2 송신 신호 성분에 원하는 테이퍼링(즉, 증폭/감쇠)을 제공하도록 구성된다. 도 2에 도시된 실시예에서 제 1 송신기 증폭기/감쇠기(226a) 및 제 2 송신기 증폭기/감쇠기(226b)가 제 1 및 제 2 송신기 위상 시프터(225a, 225b)의 하류에 배치되었지만, 필요한 경우 제 1 및 제 2 송신기 증폭기/감쇠기는 제 1 및 제 2 송신기 위상 시프터(225a, 225b)의 상류에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 송수신기 소자(12)는 상응하게 제 1 및 제 2 위상 시프터(225a, 225b)의 하류에 배치된 제 1 듀플렉서(227a) 및 제 2 듀플렉서(227b)를 포함한다. 제 1 듀플렉서(227a) 및 제 2 듀플렉서(227b)는 송신부(22)를 수신부(23)로부터 분리시키는 동시에, 이들이 공통 안테나 소자(21)를 공유할 수 있게 한다. 예를 들어, 제 1 듀플렉서(227a) 및 제 2 듀플렉서(227b)는 스위치로서 구현될 수 있다. 이와 다르게, 제 1 듀플렉서(227a) 및 제 2 듀플렉서(227b)는 순환기로서 구현될 수 있다.
송신 모드에서, 제 1 및 제 2 듀플렉서(227a, 227b)는 제 1 및 제 2 송신 라인(223, 224)에서 전달된 시프트된 송신 신호 성분을, 상응하게 제 1 및 제 2 유형의 편파를 갖는 제 1 및 제 2 송신 신호 성분을 송신하기 위한 제 1 및 제 2 다중 모드 안테나 피드에 제공하도록 구성된다.
수신 모드에서, 제 1 및 제 2 듀플렉서(227a, 227b)는 수신된 이중 편파 레이더 신호의 제 1 및 제 2 수신 신호 성분을 수신하여 이러한 수신 신호 성분을 수신부(23)의 수신 라인(231)에 제공하도록 구성된다.
송수신기 소자(12)의 수신부(23)는 수신 라인(231) 내에 배치되고 제 1 및 제 2 듀플렉서(227a, 227b)에 연결되는 선택 스위치(232)를 포함한다. 선택 스위치(232)는 안테나 소자(21)에 의해 제공되고 제 1 유형의 편파를 갖는 제 1 수신 신호 성분과 안테나 소자(21)에 의해 제공되고 제 2 유형의 편파를 갖는 제 2 수신 신호 성분을 수신하는 것 사이에서 전환하도록 구성된다.
송수신기 소자(12)의 수신부(23)는 선택 스위치(232)에 연결된 수신기(RX) 위상 시프터(233)를 더 포함한다. 수신기 위상 시프터(233)는 선택 스위치가 제 1 위치에 있을 때 선택 스위치로부터 제 1 유형의 편파를 갖는 제 1 수신 신호 성분을 수신하고 선택 스위치가 제 2 위치에 있을 때 제 2 유형의 편파를 갖는 제 2 수신 신호 성분을 수신하도록 구성된다. 동작시에, 수신기 위상 시프터는 수신기 위상 시프터를 통해 전달된 수신 신호 성분에 필요한 위상 시프트를 제공하고 단일 유형 편파의 시프트된 수신 신호 성분을 생성한다.
송수신기 소자(12)는 복수의 수신 채널을 형성한다. 각각의 수신기 채널은 수신기 증폭기/감쇠기(243), 아날로그-디지털 변환기(ADC)(245) 및 수신 라인(231)에 배치되고 레이더 시스템의 수신부에서 활용되는 다른 종래의 소자를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서 수신기 증폭기/감쇠기(243)가 수신기 위상 시프터(233)의 하류에 배치되었지만, 원하는 경우 RX 증폭기/감쇠기(243)는 RX 위상 시프터(233)의 상류에 배치될 수 있다.
편파측정 위상 배열 레이더 시스템(도 1의 참조번호(10))은 수신 채널의 하류에 배치되고 ADC(245)에 연결된 신호 프로세서 시스템(도시되지 않음)을 포함한다. 신호 프로세서 시스템은 상이한 편파를 갖는 신호 성분을 수신하는 레이더를 처리하여 타깃 파라미터를 생성하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동작의 수신 모드에서, 편파측정 위상 배열 레이더 시스템(도 1의 참조번호(10))을 이용하여 타깃을 추적할 수 있도록 모노펄스 원리가 사용된다. 도 3a는 타깃 파라미터의 계산을 위해 모노펄스 방법을 이용하는 도 1에 도시된 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 배열(11) 내의 송수신기 소자(12)의 분배 배치의 일례를 개략적으로 도시한다. 모노펄스 원리를 구현하기 위해, 송수신기 소자(12)의 배열(11)은 4개의 하위 배열(110)로 분할된다. 4개의 하위 배열(110)은 배열의 좌측 상단 사분면 부분(A), 우측 상단 사분면 부분(B), 좌측 하단 사분면 부분(C) 및 우측 하단 사분면 부분(D)으로부터 선택된 배열(11)의 4개의 사분면 부분들 내에 상응하게 배치된다.
각각의 하위 배열(110)은 송수신기 소자들의 제 1 부분 및 송수신기 소자들의 제 2 부분을 포함한다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자는 상응하게 제 1 유형 및 제 2 유형의 편파로 동작한다. 우측 하단 사분면 부분(A)에 위치된 하위 배열(110)에 속하는 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자는 상응하게 참조번호(A1, A2)로 표시된다. 마찬가지로, 우측 하단 사분면 부분(B)에 속하는 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자는 참조번호(B1, B2)로 표시되고, 우측 하단 사분면 부분(C)에 속하는 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자는 참조번호(C1, C2)로 표시되며, 우측 하단 사분면 부분(D)에 속하는 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자는 참조번호(D1, D2)로 상응하게 표시된다.
실시예에 따르면, 하나 이상의 사분면 부분(A, B, C 및/또는 D)에 대해, 각 하위 배열의 제 1 부분의 송수신기 소자들 및 제 2 부분의 송수신기 소자들은 서로 인터리빙될 수 있다.
실시예에 따르면, 각각의 하위 배열(110)에 대해, 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자는 상응하게 대응하는 사분면 부분(A, B, C 및 D)에 위치된 위상 중심을 가져야만 한다. 특히, 송수신기 소자(A1, A2)는 대응하는 사분면 부분(A)에 위치된 위상 중심을 가져야 하고, 송수신기 소자(B1, B2)는 대응하는 사분면 부분(B)에 위치된 위상 중심을 가져야 하고, 송수신기 소자(C1, C2)는 대응하는 사분면 부분(C)에 위치된 위상 중심을 가져야 하며, 송수신기 소자(D1, D2)는 대응하는 사분면 부분(D)에 위치된 위상 중심을 가져야 한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 각각의 하위 배열(110)에 대해, 제 1 및 제 2 부분의 모든 송수신기 소자는 배열의 대응하는 사분면 부분(A, B, C 및 D)에 위치된다. 그러나 원하는 경우, 각각의 하위 배열에 대해 제 1 및/또는 제 2 부분의 송수신기 소자의 대다수만이 배열의 하나의 사분면 부분 내에 배치될 수 있는 반면, 제 1 및/또는 제 2 부분의 송수신기 소자의 소수는 배열의 이웃하는 사분면 부분들 내에 위치될 수 있으며, 그에 따라 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자들의 위상 중심이 그럼에도 불구하고 대응하는 사분면 부분들에 위치된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 대다수만이 배열의 대응하는 사분면 부분 내에 위치하는 반면, 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 소수는 이웃하는 사분면 부분들 내에 위치된다. 특히, 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자(A1, A2)의 대다수는 사분면 부분(A) 내에 위치하는 반면, 소수의 소자(A1, A2)는 여전히 배열의 사분면 부분(A, C) 내에 위치한다.
그럼에도 불구하고, 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자(A1, A2)의 위상 중심은 사분면 부분(A)에 위치되어야 한다. 마찬가지로, 배열의 다른 사분면 부분(B, C, D)에 있어서 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자들의 위상 중심은 대응하는 사분면 부분 내에 위치되어야 한다.
동작의 수신 모드에서, 각각의 하위 배열(110)은 송수신기 소자의 제 1 부분에 의해 제 1 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하며; 송수신기 소자들의 제 2 부분에 의해 제 2 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하도록 구성된다. 송수신기 소자의 제 1 부분은 제 1 사전결정된 공간 동적 분배를 가지는 반면, 송수신기 소자의 제 2 부분은 제 2 사전결정된 공간 동적 분배를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 최적의 성능(정확한 빔 편향 각, 낮은 사이드 로브, 낮은 능동 반사 손실, 낮은 교차 편파 등)을 제공하기 위해, 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 제 1 및 제 2 사전결정된 공간 동적 분배의 최적화는 하나 이상의 시스템 파라미터에 따른다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 사전결정된 공간 동적 분배는 서로 다른 동작 주파수에 대해 상이하다. 분배는 배열 내의 송수신기 소자의 서로 다른 개수에 대해 다르며, 또한 안테나 소자 사이의 연결 등에 따른다. 또한, 제 1 및 제 2 사전결정된 공간 동적 분배는 상이한 조준(빔 편향) 각에 대해, 그리고 타깃 범위, 타깃 고도각, 타깃 방위각과 같은 상이한 타깃 파라미터에 대해 상이할 수 있다.
특정 주파수에서의 동작 및 소정의 타깃 파라미터에 대한 제 1 및 제 2 부분에서의 송수신기 소자의 최적의 분배는 표준 최적화 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 최적화 방법의 예는 유전 알고리즘, 뉴턴법, 준 뉴턴(Quasi-Newton) 방법, 몬테 카를로(Monte Carlo) 방법 등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 방법은 그 자체로 공지되어 있으므로 아래에서 설명되지 않는다.
제 1 및 제 2 부분에서 송수신기 소자의 최적의 분배를 계산할 때 다양한 접근법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 부분 내의 송수신기 소자의 최적의 분배는 원하는 동작 주파수에서 각각의 원하는 타깃 고도각 및 타깃 방위각에 대해 계산될 수 있다. 다른 예시에 따르면, 타깃 고도각 및 타깃 방위각의 전체 범위는 여러 개의 하위 범위로 분할될 수 있다. 따라서, 타깃 고도각 및 타깃 방위각의 각각의 하위 범위에 대해, 제 1 및 제 2 부분 내의 송수신기 소자의 최적의 분배가 원하는 주파수에서 계산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 부분에서 송수신기 소자의 최적 분배의 계산은 본 발명의 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 신호 프로세서 시스템에서 "즉시", 즉 타깃을 추적하고 타깃 파라미터를 결정하기 위한 시스템의 동작 중에 수행된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 부분 내의 송수신기 소자의 최적 분배의 계산은 예를 들어 룩업 테이블의 형태로 사전에 수행된다. 따라서, 룩업 테이블은 신호 프로세서 시스템의 메모리에 저장될 수 있으며 타깃의 추적 및 타깃 파라미터의 결정을 위한 시스템의 동작 중에 사용된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 부분 내의 송수신기 소자의 계산된 분배는 본 발명의 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 다른 소자들의 최적화를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 부분 내의 송수신기 소자의 최적의 분배는 안테나 소자(21)의 개구 상에서 수신된 이중 편파 레이더 신호의 수신 신호 성분의 전력을 원하는 테이퍼링을 제공하도록 송수신기 소자(12)의 증폭기/감쇠기(들)(도 2의 참조번호(243))의 최적의 동작을 위해 사용될 수 있다. 레이더 신호의 신호 성분의 전력의 테이퍼링은, 예를 들어 사이드 로브의 레벨을 원하는 크기로 감소시키도록 요구될 수 있다.
신호 성분의 전력의 테이퍼링은 송수신기 소자의 서로 다른 분배에 대해 서로 다를 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 신호 성분의 크기의 최적의 증폭 또는 감쇠는 타깃을 추적하기 위한 시스템의 동작 중에 "즉시" 결정될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 신호 성분의 크기의 최적의 증폭 또는 감쇠는 미리 계산된다. 이러한 크기는 룩업 테이블의 형태로 저장될 수 있으며 타깃을 추적하기 위한 시스템의 동작 동안 이용될 수 있다.
송수신기 소자(12)의 배열(11)을 하위 배열(110)로 분할하는 전술된 방안은 타깃 파라미터를 계산하기 위한 모노펄스 추적 기술을 사용한다. 모노펄스 기술은 배열(11)의 4개의 사분면(A, B, C, D)을 사용한다. 소자들은 모두 위상 시프터(도 2의 참조번호(233))를 이용하여 함께 조종된다. 타깃은 4개의 사분면의 모든 송수신기 소자(12)에 의해 동일하게 조명된다. 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 신호 프로세서 시스템은 4개의 사분면에 의해 수신된 제 1 유형의 편파 및 제 2 유형의 편파의 반환 신호 성분을 처리하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 두 가지 유형의 편파는 수평 편파 및 수직 편파일 수 있다. 마찬가지로, 두 가지 유형의 편파는 좌선 원편파 및 우선 원편파일 수 있다.
이러한 처리는 하나의 유형 또는 두 가지 유형의 편파에 대한 4개의 하위 배열 합 신호를 계산하기 위해 4개의 하위 배열로부터 수신된 하나 또는 두 가지 유형의 편파를 갖는 신호 성분을 합산하는 단계를 포함한다.
제 1 유형의 편파에 있어서 합 신호 Σ1은 다음의 식에 의해 획득되고
Σ1 = A1 + B1 + C1 + D1,
여기서 A1, B1, C1 및 D1은 4개의 하위 배열(A, B, C, D)로부터 수신된 제 1 유형의 편파를 갖는 신호 성분이다.
제 2 유형의 편파에 있어서, 합 신호 Σ2는 다음의 식에 의해 획득되고
Σ2 = A2 + B2 + C2 + D2,
여기서 A2, B2, C2 및 D2는 4개의 하위 배열(A, B, C, D)로부터 수신된 제 2 유형의 편파를 갖는 신호 성분이다.
모노펄스 방법에 따라, 합 신호 Σ1 및 Σ2는 예를 들어 타깃 거리를 추적하는데 사용될 수 있다.
각각의 편파 유형에 대한 고도 차 신호는 2개의 하부 사분면으로부터 수신된 두 가지 유형의 편파를 갖는 신호 성분으로부터 2개의 상부 사분면으로부터 수신된 하나 또는 두 가지 유형의 편파를 갖는 신호 성분을 감산함으로써 형성된다.
제 1 유형의 편파에 있어서, 고도 차 신호 Δel1은 다음 식에 의해 획득된다
Δel1 =(A1 + B1) - (C1 + D1).
제 2 유형의 편파에 있어서, 고도 차 신호 Δel2는 다음 식에 의해 획득된다
Δel2 =(A2 + B2) - (C2 + D2).
타깃 고도각이 모노펄스 비율 Δel1/Σ1 및 Δel2/Σ2에 비례하기 때문에, 각각의 편파 유형에 대한 고도 차 신호는 수평선에 대한 타깃의 위치의 계산을 위해 처리될 수 있다. 원하는 경우, Δel1, Δel2, Σ1 및 Σ2의 가중 조합이 수평선에 대한 타깃의 위치를 계산하도록 사용될 수 있다. 조합의 예는 조합 (αΔel1+βel1)/(γΣ1+δΣ2)를 포함하지만 이것으로 한정되지 않으며, 여기에서 α, β, γ 및 δ은 상응하는 가중치이다.
각 유형의 편파에 대한 방위 차 신호는 우측 사분면으로부터 수신된 두 가지 유형의 편파를 갖는 신호 성분으로부터 좌측 사분면으로부터 수신된 하나 또는 두 가지 유형의 편파를 갖는 신호 성분을 감산함으로써 형성된다.
제 1 유형의 편파에 있어서, 방위 차 신호 Δaz1은 다음에 의해서 획득된다
Δaz1 =(A1 + D1) - (B1 + C1).
제 2 유형의 편파에 있어서, 고도 차 신호 Δaz2는 다음에 의해서 획득된다
Δaz2 =(A2 + D2) - (B2 + C2).
타깃 방위각이 모노펄스 비율 Δaz1/Σ1 및 Δaz2/Σ2에 비례하기 때문에, 각각의 편파 유형에 대한 방위 차 신호는 좌측 또는 우측에 대한 타깃의 위치를 계산하도록 처리될 수 있다. 원하는 경우, Δaz1, Δaz2, Σ1 및 Σ2의 가중치 조합이 좌측 또는 우측에 대한 타깃의 위치를 계산하도록 사용될 수 있다. 조합의 예는 조합 (αΔaz1+βΔaz2)/(γΣ1+δΣ2)를 포함하지만 이것으로 한정되지 않으며, 여기에서 α, β, γ 및 δ은 상응하는 가중치이다.
합 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨)(곡선(41a, 41b)) 및 타깃의 방위각에 대한 방위 평면 내의 방위 차 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화된)(곡선(42a, 42b))의 시뮬레이션 결과의 예가 수직 편파 신호(곡선(41a, 42a) 및 수평 편파 신호(곡선(41b, 42b))에 대해 도 4a 및 4b에 도시되었다. 시뮬레이션은 0도의 조준각 및 8.3λ의 지름을 갖는 원형 배열에 대해 수행되었으며, 여기서 λ는 동작 파장이다. 도 4a 및 4b는 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치하는 경우, 즉 제 1 및 제 2 부분의 모든 송수신기 소자가 배열의 대응하는 사분면 부분(A, B, C, D) 내에 위치하는 경우에 대응한다.
제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 대부분만이 배열의 대응하는 사분면 부분에 위치되는 반면, 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 소수는 배열의 이웃하는 사분면 부분 내에 위치되는 경우에 대해서도 시뮬레이션이 수행되었다. 도 5a 및 5b는 송수신기 소자의 분배가 도 3b에 도시된 분배와 일치하는 경우 합 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨))(곡선(51a, 51b)) 및 타깃의 방위각에 대한 방위 평면 내의 방위 차 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨)(곡선(52a, 52b))의 시뮬레이션의 예를 도시한다.
합 신호 및 방위 차 신호의 값은 방위각의 계산에 사용될 수 있다. 도 6은 수직 편파(곡선(61, 63)) 및 수평 편파(곡선(62, 64))를 가진 신호를 수신하는 배열의 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자에 대해 획득된 방위각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한다. 곡선(61, 62)은 도 3a에 도시된 송수신기 소자의 분배에 대응하고, 곡선(63, 64)은 도 3b에 도시된 송수신기 소자의 분배에 대응한다.
합 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨)(곡선(71a, 71b)) 및 타깃의 고도각에 대한 고도 평면 내의 고도 차 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨)(곡선(72a, 72b))의 시뮬레이션 결과의 예가 수직 편파 신호(곡선(71a, 72a)) 및 수평 편파 신호(곡선(71b, 72b))에 대해 도 7a 및 7b에 도시되었다. 시뮬레이션은 0도의 조준각 및 8.3λ의 지름을 갖는 원형 배열에 대해 수행되며, 여기서 λ는 동작 파장이다. 도 7a 및 7b는 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치하는 경우, 즉 제 1 및 제 2 부분의 모든 송수신기 소자가 배열의 대응하는 사분면 부분(A, B, C, D) 내에 위치하는 경우에 대응한다.
합 신호 및 고도 차 신호의 값은 고도각의 계산에 사용될 수 있다. 도 8은 수직 편파(곡선(81)) 및 수평 편파(곡선(82))를 갖는 신호를 수신하는 배열의 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자에 대해 획득된 고도각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한다.
본 발명의 기술은 다양한 조준각에서 스캐닝할 때 타깃 파라미터의 결정에 사용될 수 있다.
합 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨)(곡선(91a, 91b)) 및 타깃의 고도각에 대한 고도 평면 내의 고도 차 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨)(곡선(92a, 92b))의 시뮬레이션 결과의 예가 수직 편파 신호(곡선(91a, 92a)) 및 수평 편파 신호(곡선(91b, 92b))에 대해 도 9a 및 9b에 도시되었다. 시뮬레이션은 30도의 조준각 및 8.3λ의 지름을 갖는 원형 배열에 대해 수행되며, 여기서 λ는 동작 파장이다. 도 9a 및 9b는 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치하는 경우, 즉 제 1 및 제 2 부분의 모든 송수신기 소자가 배열의 대응하는 사분면 부분(A, B, C, D) 내에 위치하는 경우에 대응한다.
30도의 조준각의 경우에 대한 시뮬레이션은 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 대다수만이 배열의 대응하는 사분면 부분에 위치되는 반면, 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 소수는 배열의 이웃하는 사분면 부분에 위치될 때에도 수행된다. 도 10a 및 10b는 송수신기 소자의 분배가 도 3b에 도시된 분배와 일치하는 경우 합 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨)(곡선(101a, 101b)) 및 타깃의 고도각에 대한 고도 평면 내의 고도 차 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨)(곡선(102a, 102b))의 시뮬레이션의 예를 도시한다.
30도의 조준각의 경우에 대한 합 신호 및 방위 차 신호의 값이 조준각의 계산에 사용될 수 있다. 도 11은 수직 편파(곡선(111, 113)) 및 수평 편파(곡선(112, 114))를 갖는 신호를 수신하는 배열의 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자에 대해 획득된 방위각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한다. 곡선(111, 112)은 도 3a에 도시된 송수신기 소자의 분배에 대응하고, 곡선(113, 114)은 도 3b에 도시된 송수신기 소자의 분배에 대응한다.
합 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨)(곡선(121a, 121b)) 및 타깃의 고도각에 대한 고도 평면 내의 고도 차 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨)(곡선(122a, 122b))의 시뮬레이션 결과의 예가 수직 편파 신호(곡선(121a, 122a)) 및 수평 편파 신호(곡선(121b, 122b)에 대해 도 12a 및 12b에 도시되었다.
시뮬레이션은 50도의 조준각 및 8.3λ의 지름을 갖는 원형 배열에 대해 수행되었으며, 여기서 λ는 동작 파장이다. 도 12a 및 12b는 송수신기 소자의 분배가 도 3a에 도시된 분배와 일치하는 경우, 즉 제 1 및 제 2 부분의 모든 송수신기 소자가 배열의 대응하는 사분면 부분(A, B, C, D) 내에 위치하는 경우에 대응한다.
50도의 조준각의 경우에 대한 시뮬레이션은 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 대다수만이 배열의 대응하는 사분면 부분에 위치되는 반면, 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 소수는 배열의 이웃하는 사분면 부분에 위치될 때에도 수행된다. 도 13a 및 13b는 송수신기 소자의 분배가 도 3b에 도시된 분배와 일치하는 경우 합 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨)(곡선(131a, 131b)) 및 타깃의 고도각에 대한 고도 평면 내의 고도 차 신호 패턴(최대 이득 값으로 정규화됨)(곡선(132a, 132b))의 시뮬레이션의 예를 도시한다.
50도의 조준각의 경우에 대한 합 신호 및 방위 차 신호의 값이 조준각의 계산에 사용될 수 있다. 도 14는 수직 편파(곡선(141, 143)) 및 수평 편파(곡선(142, 144))를 갖는 신호를 수신하는 배열의 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자에 대해 획득된 방위각에 대한 모노펄스 비율의 의존성을 도시한다. 곡선(141, 142)은 도 3a에 도시된 송수신기 소자의 분배에 대응하고, 곡선(143, 144)은 도 3b에 도시된 송수신기 소자의 분배에 대응한다. 곡선(143, 144)은 서로에 매우 근접하다는 점을 인지해야 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 동작의 수신 모드에서, 편파측정 위상 배열 레이더 시스템(도 1의 참조번호(10))을 이용하여 타깃을 추적할 수 있도록, 간섭측정 기술이 사용된다. 도 15a 및 15b는 타깃 파라미터의 계산을 위해 간섭측정 방법을 활용하는 도 1에 도시된 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 배열(11) 내의 송수신기 소자(12)의 안테나 소자(21)의 배열의 예를 개략적으로 도시한다. 간섭측정 방법을 구현하기 위해, 송수신기 소자(12)의 배열(11)은 2개의 하위 배열(1100)로 분할된다. 타깃 방위각 및 고도각을 결정하기 위해, 2개의 하위 배열(1100)은 두 가지 방식으로 상응하게 배열(11)의 두 개의 절반부 내에 배치될 수 있다.
구체적으로, 타깃 방위각을 결정하기 위해, 2개의 하위 배열(1100)은 우측 절반부(X)와 좌측 절반부(Y)로부터 선택된다. 차례로, 타깃 고도각을 결정하기 위해, 2개의 하위 배열(1100)은 배열의 상부 절반부(I) 및 하부 절반부(J)로부터 선택된다.
각각의 하위 배열(1100)은 송수신기 소자의 제 1 부분(참조번호(X1, J1)로 표시됨) 및 송수신기 소자의 제 2 부분(참조번호(Y2, I2)로 표시됨)을 포함한다.
실시예에 따르면, 도 15a에 도시된 송수신기 소자의 분배를 위해, 각각의 하위 배열(1100)에서, 송수신기 소자(X1)는 송수신기 소자(X2)와 인터리브되고 송수신기 소자(Y1)는 송수신기 소자(Y2)와 인터리브된다. 마찬가지로, 도 15B에 도시된 송수신기 소자의 분배를 위해, 각각의 하위 배열(1100)에서, 송수신기 소자(J1)는 송수신기 소자(J2)와 인터리브되고 송수신기 소자(I1)는 송수신기 소자(I2)와 인터리브된다.
일 실시예에 따르면, 각각의 하위 배열(1100)에 대해, 송수신기 소자의 제 1 및 제 2 부분은 대응하는 절반부에 위치된 위상 중심을 가진다. 특히, 도 15a에 도시된 송수신기 소자의 분배를 위해, 송수신기 소자(X1, X2)의 위상 중심은 절반부(X) 내에 위치되며 송수신기 소자(Y1, Y2)의 위상 중심은 절반부(Y) 내에 위치된다. 마찬가지로, 도 15b에 도시된 송수신기 소자의 분배를 위해, 송수신기 소자(J1, J2)의 위상 중심은 절반부(J) 내에 위치되며 송수신기 소자(I1, I2)의 위상 중심은 절반부(I) 내에 위치된다.
도 15a 및 15b에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 부분의 모든 송수신기 소자는 배열의 대응하는 절반부 내에 위치된다. 그러나 원하는 경우, 각각의 하위 배열에 있어서 제 1 및/또는 제 2 부분의 송수신기 소자의 대부분만이 배열의 하나의 절반부에 위치될 수 있는 반면, 제 1 및/또는 제 2 부분의 송수신기 소자의 소수가 배열의 이웃하는 절반부 내에 위치될 수 있으며, 그에 따라 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 위상 중심이 그럼에도 불구하고 대응하는 절반부 내에 위치된다.
예를 들어, 도 16a에 도시된 바와 같이 송수신기 소자(X1, X2)의 대다수만이 배열의 우측 절반부(X)에 위치되는 반면 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 소수는 배열의 이웃하는 절반부(Y) 내에 위치한다. 그럼에도, 송수신기(X1, X2)의 위상 중심은 절반부(X) 내에 위치되어야 한다.
동작의 수신 모드에서, 각각의 하위 배열(1100)은 송수신기 소자들의 제 1 부분에 의해 제 1 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하고 제 2 부분에 의해 제 2 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하도록 구성된다. 송수신기 소자의 제 1 부분은 제 1 사전결정된 공간 동적 분배를 가지며, 송수신기 소자의 제 2 부분(2)은 제 2 사전결정된 공간 동적 분배를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 최적의 성능(정확한 빔 편향 각, 낮은 사이드 로브, 낮은 능동 반사 손실, 낮은 교차 편파 등)을 제공하기 위해, 제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 제 1 및 제 2 사전결정된 공간 동적 분배의 최적화는 하나 이상의 시스템 파라미터에 따른다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 사전결정된 공간 동적 분배는 서로 다른 동작 주파수에 대해 상이하다. 분배는 배열 내의 송수신기 소자의 서로 다른 개수에 대해 다르며, 또한 안테나 소자 사이의 연결 등에 따른다. 또한, 제 1 및 제 2 사전결정된 공간 동적 분배는 상이한 조준각에 대해, 그리고 타깃 범위, 타깃 고도각, 타깃 방위각과 같은 상이한 타깃 파라미터에 대해 상이할 수 있다.
특정 주파수에서의 동작 및 소정의 타깃 파라미터에 대한 제 1 및 제 2 부분에서의 송수신기 소자의 최적의 분배는 표준 최적화 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 최적화 방법의 예는 유전 알고리즘, 뉴턴법, 준 뉴턴 방법, 몬테 카를로 방법 등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 방법은 그 자체로 공지되어 있으므로 아래에서 설명되지 않는다.
제 1 및 제 2 부분에서 송수신기 소자의 최적의 분배를 계산할 때 다양한 접근법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 부분 내의 송수신기 소자의 최적의 분배는 원하는 동작 주파수에서 각각의 원하는 타깃 고도각 및 타깃 방위각에 대해 계산될 수 있다. 다른 예시에 따르면, 타깃 고도각 및 타깃 방위각의 전체 범위는 여러 개의 하위 범위로 분할될 수 있다. 따라서, 타깃 고도각 및 타깃 방위각의 각각의 하위 범위에 대해, 제 1 및 제 2 부분 내의 송수신기 소자의 최적의 분배가 원하는 주파수에서 계산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 부분에서 송수신기 소자의 최적 분배의 계산은 본 발명의 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 신호 프로세서 시스템에서 "즉시", 즉 타깃을 추적하고 타깃 파라미터를 결정하기 위한 시스템의 동작 중에 수행된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 부분 내의 송수신기 소자의 최적 분배의 계산은 예를 들어 룩업 테이블의 형태로 사전에 수행된다. 따라서, 룩업 테이블은 신호 프로세서 시스템의 메모리에 저장될 수 있으며 타깃의 추적 및 타깃 파라미터의 결정을 위한 시스템의 동작 중에 사용된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 부분 내의 송수신기 소자의 계산된 분배는 본 발명의 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 다른 소자들의 최적화를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 부분 내의 송수신기 소자의 최적의 분배는 안테나 소자(21)의 개구 상에서 수신된 이중 편파 레이더 신호의 수신 신호 성분의 전력을 원하는 테이퍼링을 제공하도록 송수신기 소자(12)의 증폭기/감쇠기(들)(도 2의 참조번호(243))의 최적의 동작을 위해 사용될 수 있다. 레이더 신호의 신호 성분의 전력의 테이퍼링은, 예를 들어 사이드 로브의 레벨을 원하는 크기로 감소시키도록 요구될 수 있다.
신호 성분의 전력의 테이퍼링은 송수신기 소자의 서로 다른 분배에 대해 서로 다를 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 신호 성분의 크기의 최적의 증폭 또는 감쇠는 타깃을 추적하기 위한 시스템의 동작 중에 "즉시" 결정될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 신호 성분의 크기의 최적의 증폭 또는 감쇠는 미리 계산된다. 이러한 크기는 룩업 테이블의 형태로 저장될 수 있으며 타깃을 추적하기 위한 시스템의 동작 동안 이용될 수 있다.
송수신기 소자(12)의 배열(11)을 하위 배열(1100)로 분할하는 전술된 방안은 타깃 파라미터를 계산하기 위한 간섭측정 기술을 사용한다. 간섭측정 기술은 방위 타깃 각의 결정을 위해 우측 및 좌측 절반부(도 15a 또는 도 16a의 참조번호(X, Y))를 사용하고 고도 타깃 각의 결정을 위해 배열(11)의 상단 및 하단 절반부(도 15b 또는 16a의 참조번호(I, J))를 사용한다. 모든 소자는 위상 시프터(도 2의 참조번호(233))를 사용하여 함께 조종된다. 타깃은 2개의 절반부의 모든 송수신기 소자(12)에 의해 동일하게 조명된다. 편파측정 위상 배열 레이더 시스템의 신호 프로세서 시스템은 배열의 우측 절반부 및 좌측 절반부 내에 배치된 송수신기 소자의 제 1 및 제 2 부분에 의해 수신된 제 1 유형의 편파 및 제 2 유형의 편파의 반환 신호 성분을 상응하게 처리하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 두 가지 유형의 편파는 수평 편파 및 수직 편파일 수 있다. 마찬가지로, 두 가지 유형의 편파는 좌선 원편파 및 우선 원편파일 수 있다.
방위 타깃 각을 결정하기 위해, 처리는 좌측 및 우측 절반부(X, Y)의 제 1 및 제 2 부분의 하위 배열로부터 수신된 신호 성분들 사이의 위상차 신호들 ΔΦ1 및 ΔΦ2을 상응하게 생성하며, 좌측 및 우측 절반부(X, Y)의 제 1 및 제 2 부분의 안테나 소자의 위상 중심들 사이의 거리(S1, S2)를 계산하는 단계를 포함한다.
상응하게, 제 1 및 제 2 유형의 편파에 대한 방위 타깃 각(θaz1, θaz2)은 다음에 의해 획득될 수 있다:
원하는 경우, 위상차 신호 Δφ1과 Δφ2의 가중된 조합이 방위 타깃 각의 계산에 사용될 수 있다. 마찬가지로, 다른 편파에 대해 계산된 방위 타깃 각(θaz1, θaz2)의 가중치 조합이 사용될 수 있다.
고도 타깃 각을 결정하기 위해, 처리는 상단 및 하단 절반부(I, J)의 제 1 및 제 2 부분의 하위 배열로부터 수신된 신호 성분들 사이의 위상차 신호들 ΔΦ1 및 ΔΦ2을 상응하게 생성하며, 상단 및 하단 절반부(I, J)의 제 1 및 제 2 부분의 안테나 소자의 위상 중심들 사이의 거리(S1, S2)를 계산하는 단계를 포함한다.
상응하게, 제 1 및 제 2 유형의 편파에 대한 고도 타깃 각(θel1, θel2)은 다음에 의해 획득될 수 있다:
원하는 경우, 위상차 신호 Δφ1과 Δφ2의 가중된 조합이 고도 타깃 각의 계산에 사용될 수 있다. 마찬가지로, 다른 편파에 대해 계산된 고도 타깃 각(θel1, θel2)의 가중치 조합이 사용될 수 있다.
시뮬레이션은 타깃의 방위각에 대한 수직 및 수평 편파에 대응하는 위상차 신호 ΔΦ1 및 ΔΦ2 사이의 의존성을 계산하기 위해 도 15a 및 16a에 도시된 송수신기 소자의 분배에 대해 수행되었다. 도 17은 조준각이 0도인 경우에 대한 의존성의 예를 도시한다. 곡선(171, 172)은 도 15a에 도시된, 즉 수직 및 수평 편파를 갖는 모든 송수신기 소자가 배열의 대응하는 절반부(X, Y)에 위치될 때의 송수신기 소자의 분배에 대응한다. 차례로, 곡선(173, 174)은 송수신기 소자(X1, X2)의 소수가 또한 배열의 이웃하는 절반부(Y)에 위치하는 경우에 상응하는, 도 16a에 도시된 송수신기 소자의 분배에 대응한다.
본 발명의 기술은 또한 다양한 조준각에서 스캐닝할 때 방위각 및 고도각의 결정에 사용될 수 있다. 도 18 및 19는 조준각이 30°및 50°과 같은 경우에 대해, 상응하게 타깃의 방위각에 대한 수직 및 수평 편파의 위상차 신호 사이의 의존성의 예를 도시한다.
곡선(181, 182, 191, 192)은 도 15a에 도시된, 즉 수직 및 수평 편파를 갖는 모든 송수신기 소자가 배열의 대응하는 절반부(X, Y)에 위치될 때 송수신기 소자의 분배에 대응한다. 차례로, 곡선(183, 184, 193, 194)은 도 16a에 도시된 송수신기 소자의 분배에 대응한다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만 본 개시내용이 기초로 삼는 개념은 본 발명의 몇몇 목적을 수행하기 위한 다른 구조 및 프로세스의 설계를 위한 기초로서 용이하게 활용될 수 있음을 이해할 것이다.
또한, 본 명세서에 사용된 표현 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다.
따라서 본 발명의 범주가 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는다는 것이 중요하다. 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범주 내에서 다른 변형도 가능하다. 특징, 기능, 요소 및/또는 속성의 다른 조합 및 하위 조합은 본 출원 또는 관련된 출원의 현재 청구범위의 수정 또는 신규 청구항의 제시를 통해 청구될 수 있다. 이러한 수정된 또는 신규한 청구항은 이것이 상이한 조합 또는 동일한 조합으로 향하게 되는지의 여부에 관계없이, 원래의 청구범위의 범주와 상이하거나, 더 넓거나, 더 좁거나 또는 동일한지 여부에 관계없이, 본 명세서의 주제 내에 포함되는 것으로 간주된다.
Claims (20)
- 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 결정하기 위한 편파측정 위상 배열 레이더 시스템(polarimetric phase array radar system)으로서,
단일 유형 편파 또는 동시에 두 가지 유형의 편파를 갖는 이중 편파 레이더 신호의 레이더 송신 신호 성분을 송신하고 단일 유형 편파를 갖는 레이더 수신 신호 성분을 수신하도록 구성된 복수의 송수신기 소자를 포함하는 배열로서,
송신 모드에서, 상기 복수의 송수신기 소자는 적어도 하나의 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 송신하도록 동작하고;
수신 모드에서, 상기 복수의 송수신기 소자는 적어도 두 개의 하위 배열로 분할되고,
각각의 하위 배열은 송수신기 소자의 제 1 부분 및 송수신기 소자의 제 2 부분을 포함하며, 각각의 하위 배열이
(i) 송수신기 소자의 총 개수, 동작 주파수 및 상기 타깃의 적어도 하나의 파라미터로부터 선택된 적어도 하나의 특징에 따라 제 1 사전결정된 동적 분배를 갖는 송수신기 소자의 제 1 부분에 의해 제 1 유형 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하고,
(ii) 송수신기 소자의 총 개수, 동작 주파수 및 상기 타깃의 적어도 하나의 파라미터로부터 선택된 적어도 하나의 특징에 따라 제 2 사전결정된 동적 분배를 갖는 송수신기 소자의 제 2 부분에 의해 제 2 유형 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하도록 동작하는, 상기 배열; 및
상기 송수신기 소자에 연결되고, 단일 유형 편파를 갖는 레이더 수신 신호 성분을 처리하여 상기 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 생성하도록 구성된 신호 처리 시스템을 포함하는, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 타깃의 적어도 하나의 파라미터는 타깃 범위, 타깃 고도각 및 타깃 방위각으로부터 선택되는, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 송수신기 소자는 4개의 하위 배열로 분할되고, 상기 4개의 하위 배열은 배열의 좌측 상단부, 우측 상단부, 좌측 하단부 및 우측 하단부로부터 선택된 배열의 4개의 사분면 부분 내에 상응하게 배치되는, 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 4개의 하위 배열의 각각의 하위 배열에 있어서, 송수신기 소자의 제 1 및 제 2 부분은 상응하는 사분면 부분 내에 위치된 위상 중심을 갖는, 시스템. - 제 3 항에 있어서,
각각의 하위 배열에 있어서, 제 1 및 제 2 부분의 모든 송수신기 소자는 배열의 상응하는 사분면 부분 내에 위치되는, 시스템. - 제 3 항에 있어서,
각각의 하위 배열에 있어서, 제 1 및/또는 제 2 부분의 송수신기 소자의 다수는 배열의 하나의 사분면 부분 내에 위치되는 반면, 제 1 및/또는 제 2 부분의 송수신기 소자의 소수는 배열의 이웃하는 사분면 부분들 내에 위치되는, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 4개의 하위 배열의 각각의 하위 배열에 있어서, 상기 제 1 부분의 송수신기 소자는 상기 제 2 부분의 송수신기 소자와 인터리브되는, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
제 1 및 제 2 부분의 송수신기 소자의 제 1 및 제 2 사전결정된 동적 분배는 룩업 테이블의 형태로 저장되는, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 두 가지 유형의 편파는 수평 편파 및 수직 편파로부터 선택되는, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 두 가지 유형의 편파는 좌선 원편파(left-handed circular polarization) 및 우선 원편파(right handed circular polarization)로부터 선택되는, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 송수신기 소자의 각각의 송수신기 소자는:
제 1 및 제 2 유형의 편파를 갖는 제 1 및 제 2 신호 성분을 포함하는 이중 편파 레이더 신호를 송신 및 수신하도록 구성된 제 1 및 제 2 다중 모드 안테나 피드를 포함하는 안테나 소자;
레이더 송신 신호를 생성하도록 구성된 무선 주파수 소스;
무선 주파수 소스에 전기적으로 연결되고, 제 1 유형의 편파를 갖는 제 1 신호 성분을 송신하기 위해 제 1 다중 모드 안테나 피드에 연결된 제 1 라인과 제 2 유형의 편파를 갖는 제 2 신호 성분을 송신하기 위해 제 2 다중 모드 안테나 피드에 연결된 제 2 라인 사이에 무선 주파수 소스에 의해서 생성된 레이더 신호를 분배하도록 구성된 전력 분배 소자;
상기 전력 분배 소자의 하류의 제 1 및 제 2 라인 내에 배치되고, 필요한 위상 시프트를 제 1 및 제 2 라인 내에 전달된 제 1 및 제 2 송신 신호 성분에 상응하게 제공하도록 구성된 제 1 및 제 2 송신기 위상 시프터;
제 1 및 제 2 위상 시프터의 하류에 상응하게 배치되고,
송신 모드에서, 제 1 및 제 2 유형의 편파를 갖는 제 1 및 제 2 송신 신호 성분을 송신하기 위한 제 1 및 제 2 다중 모드 안테나 피드에 제 1 및 제 2 송신 라인 내의 시프트된 송신 신호 성분을 제공하며;
수신 모드에서, 상기 제 1 및 제 2 다중 모드 안테나 피드에 의해 제공된 제 1 및 제 2 유형의 편파를 갖는 제 1 및 제 2 수신 신호 성분을 수신하여 상기 제 1 및 제 2 수신 신호 성분을 수신 라인에 제공하도록 구성된,
제 1 듀플렉서 및 제 2 듀플렉서;
상기 수신 라인에 배치되고 상기 제 1 및 제 2 듀플렉서에 연결되며 안테나 소자에 의해 제공되고 제 1 유형의 편파를 갖는 제 1 수신 신호 성분과 안테나 소자에 의해 제공되고 제 2 유형의 편파를 갖는 제 2 수신 신호 성분 사이에서 스위칭하도록 구성된 선택 스위치;
상기 선택 스위치에 연결되어, (i) 선택 스위치가 제 1 위치에 있을 때 상기 선택 스위치로부터 제 1 유형의 편파를 갖는 제 1 수신 신호 성분을 수신하고, (ii) 선택 스위치가 제 2 위치에 있을 때 제 2 유형의 편파를 갖는 제 2 수신 신호 성분을 수신하고, (iii) 수신기 위상 시프터를 통해 전달된 수신 신호 성분에 필요한 위상 시프트를 제공하며, (iv) 단일 유형 편파의 시프트된 수신 신호 성분을 생성하도록 구성되는 수신기 위상 시프터를 포함하는, 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 송수신기 소자는 선택 스위치의 하류에 배치되고 안테나 소자의 개구 상에서 수신된 이중 편파 레이더 신호의 수신 신호 성분의 전력의 원하는 테이퍼링(tapering)을 위해 구성된 증폭기/감쇠기를 포함하는, 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 전력 분배 소자는 무선 주파수 소스에 의해 생성된 송신 신호를 제 1 라인에 중계되는 제 1 송신 신호 성분 및 제 2 라인에 중계되는 제 2 송신 신호 성분으로 동시에 분할하도록 구성된 무선 주파수 전력 1 대 2(one-to-two) 분배기를 포함하는, 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 전력 분배 소자는 무선 주파수 소스에 의해 생성된 레이더 송신 신호를 스위치 제 1 위치 내의 제 1 라인 및 스위치 제 2 위치 내의 제 2 라인에 선택적으로 연결하도록 구성된 무선 주파수 전력 스위치를 포함하는, 시스템. - 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 결정하기 위한 편파측정 위상 배열 레이더 시스템을 동작시키는 방법으로서,
단일 유형 편파 또는 동시에 두 가지 유형의 편파를 갖는 이중 편파 레이더 신호의 레이더 신호 성분을 송신하고 단일 유형 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하도록 구성된 복수의 송수신기 소자를 포함하는 배열을 제공하는 단계;
송신 모드에서,
적어도 하나의 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 송신하도록 상기 복수의 송수신기 소자를 동작시키는 단계; 및
수신 모드에서,
상기 복수의 송수신기 소자들의 배열로부터 각각이 송수신기 소자의 제 1 부분 및 송수신기 소자의 제 2 부분을 포함하는 적어도 두 개의 하위 배열을 선택하는 단계;
각각의 하위 배열에 대해,
송수신기 소자의 제 1 부분에 제 1 사전결정된 동적 분배를 제공하고, 송수신기 소자의 제 2 부분에 제 2 사전결정된 동적 분배를 제공하는 단계로서, 상기 제 1 및 제 2 사전결정된 동적 분배는 송수신기 소자의 총 개수, 동작 주파수 및 상기 타깃의 적어도 하나의 파라미터로부터 선택된 적어도 하나의 특징에 따르는, 제공 단계;
송수신기 소자의 제 1 부분에 의해 일 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하고 송수신기 소자의 제 2 부분에 의해 다른 유형의 편파를 갖는 레이더 신호 성분을 수신하는 단계; 및
상기 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 계산하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 하위 배열을 선택하는 단계는 상기 복수의 송수신기 소자들의 배열로부터 4개의 하위 배열을 선택하는 단계를 포함하며, 상기 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 계산하는 단계는 모노펄스 추적 기술을 적용하는 단계를 포함하되, 이 기술은:
4개의 하위 배열 합 신호(Σ)를 계산하기 위해 상기 4개의 하위 배열로부터 수신된 적어도 하나의 유형의 편파를 갖는 신호 성분들을 합산하는 단계;
첫 번째 2개의 하위 배열 합 신호를 계산하기 위해 임의의 2개의 하위 배열로부터 수신된, 그리고 두 번째 2개의 하위 배열 합 신호를 계산하기 위해 다른 2개의 하위 배열로부터 수신된 적어도 하나의 유형의 편파를 갖는 신호 성분들을 합산하는 단계;
상기 첫 번째 2개의 하위 배열 합 신호와 상기 두 번째 2개의 하위 배열 합 신호 사이의 차 신호(Δ)를 생성하는 단계; 및
상기 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 생성하기 위해 상기 4개의 하위 배열 합 신호(Σ) 및 상기 차 신호(Δ)를 처리하는 단계를 포함하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 계산하는 단계는:
상기 적어도 2개의 하위 배열로부터 수신된 적어도 하나의 유형의 편파를 갖는 신호 성분들 사이의 위상차 신호를 생성하는 단계;
상기 제 1 부분 및 제 2 부분으로부터 선택되고 상기 적어도 하나의 유형의 편파에 상응하는 송수신기 소자의 적어도 일 부분에 대해 상기 적어도 2개의 하위 배열의 송수신기 소자의 위상 중심들 사이의 거리를 계산하는 단계; 및
상기 타깃의 적어도 하나의 파라미터를 생성하도록 상기 위상차 신호 및 위상 중심들 사이의 거리를 처리하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 15 항에 있어서,
사이드 로브 레벨(side lobs level)을 원하는 크기로 감소시키도록 안테나 소자의 개구 상에서 수신된 레이더 신호의 신호 성분의 전력을 테이퍼링하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 두 가지 유형의 편파는 수평 편파 및 수직 편파로부터 선택되는, 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 두 가지 유형의 편파는 좌선 원편파 및 우선 원편파로부터 선택되는, 방법.
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