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KR100329449B1 - 레이더장치 - Google Patents

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KR100329449B1
KR100329449B1 KR1019960700986A KR19960700986A KR100329449B1 KR 100329449 B1 KR100329449 B1 KR 100329449B1 KR 1019960700986 A KR1019960700986 A KR 1019960700986A KR 19960700986 A KR19960700986 A KR 19960700986A KR 100329449 B1 KR100329449 B1 KR 100329449B1
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KR
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doppler
radar
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doppler spectrum
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KR1019960700986A
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겔레킨크 베르나르드
Original Assignee
탈레스 네덜란드 비. 브이.
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Abstract

레이더 장치는 다수의 송수신 모듈이 제공된 페이스드 어레이 안테나(a phased array antenna)와 제어 유니트와 비디오 프로세서를 포함한다. 방위 고도 방향(azimuth-elevation direction)에 대해서, 제어 유닛은 다수의 펄스 버스트(a number of pulse bursts)를 발생하며, 이들 모두는 약간의 주파수 자가 있다. 펄스 버스트에 대해서, 비디오 프로세서는 도플러 스펙트럼을 결정하고 연속 스펙트럼과 비교한다. 주파수의 차이에 의한 결과, 클루터(clutter)는 거의 시프트(shift)되지 않지만 그 반면에 주파수 도메인 내에서 폴드-백(fold-back)되는 타겟은 상당히 시프트되는 것을 알 수 있다. 그러므로, 평균 스펙트럼에 기초한 임계값(threshold)을 검출할 수 있다.

Description

레이더 장치
본 발명은 안테나 수단과, 안테나 방향에 대해서 M= 2, 3, ‥‥, N= 2, 3,‥‥를 가진 적어도 N전송기 펄스의 적어도 M 버스트의 발생을 위한 전송기 수단과, 전송기 펄스에 대해서 레인지 퀀트(range quant)에 의해 결정된 레이더 에코 신호를 수신하기 위한 수신기 수단과, 하나 이상의 레인지 퀀트에 대해서 하나 이상의 임계값의 크로싱(crossing)이 일어날 때 경보를 발생하기 위한 N임계값이 각 레인지 퀀트동안 제공되는 임계 회로와, 레이더 에코 신호를 N-빈 도플러 스펙트럼으로, 버스트 및 레인지 퀀트에 대해서 처리하기 위한 N-포인트 도플러 필터뱅크를 포함하며 수신기 수단에 접속되는 비디오 프로세서를 포함하는 고속 타켓 검출용 레이더 장치에 관한 것이다.
이런 종류의 레이더 장치는 미국 특허 제 5,049,889 호에 공지되어 있다. 상기 특허 명세서는 레인지-방위 쉘(range-azimuth shell)로 나누어진 N클러터맵(N cluttermap)에 의해서 N임계값을 발생하기 위한 방법을 공지하고 있다.
현재의 레이더 시스템은 대개 3D 형태의 레이더이다. 클러터맵에 기초한 임계값 설정은 레인지-방위-고도 셀들로 나누어야 하고, 이것은 상당한 하드웨어 투자 외에도, 클러터맵의 내용을 새롭게 하기 위해서 레이더 시스템의 이용가능한 시간과 동력 예산의 상당한 부분을 요구할 것이다. 특히, 레이더 시스템이 활성 페이스드 어레이 형태의 레이더이면, 전체 써치 볼륨(overall search volume)은 더 이상 주기적으로 스캔되지 않으며, 클러터맵을 기초로 한 임계값 설정은 흥미를 끌지 못한다.
본 발명은 이런 결점을 제거하며, 임계 회로가 M 도플러 스펙트럼을 기초로 레인지 퀀트 마다, N 임계값들을 발생시키는 임계 발생기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1실시예에 따라서, 본 기술분야에 공지된 로빙효과(lobing effect)를 적용함으로써 고속 라켓의 검출을 가능하게 한다. 이러한 로빙효과는 타켓을 주기적으로 사라지게 하고, 그 결과 상술한 방법에 따라서 결정된 타켓에 보편화된 임계값은 레인지와 주파수를 고려하면, 아주 적게 될 것이다. 멀티패스 효과(multipath effect)로 인한 소멸이 더 이상 일어나지 않아서, 타켓이 갑자기 나타날 때, 임계 크로싱(threshold crossing)이 일어나고 타켓이 검출될 것이다.
이러한 해결책은 일반적으로 미리 설정된 방향으로 다수의 펄스 버스트를 전송하는 페이스드 어레이 레이더의 써치 거동(search behaviour)으로 완전히 라인 내에서 이루어진다. 그러나, 이러한 해결책은 또한, 미리 설정된 시스템에서의 충분한 수의 펄스 버스트의 전송을 허용하는 상기 시스템이 제공되는 다른 레이더 시스템에서 유용할 수도 있다. 임계값을 결정하기 위해서, 모든 M 도플러 스펙트럼을 동시에 사용할 필요가 없다. 대신에, 일반적으로 사용되는 가장 최근에 생성된 도플러 스펙트럼, M, P= 2, . . . 을 가진 P 연속적인 버스트들로부터 얻어진 P 도플러 스펙트럼을 기초로 임계값을 발생시키는 것이 가능하다.
본 발명의 양호한 실시예는 임계 발생기가 P 도플러 스펙트럼을 기초로 평균도플러 스펙트럼 발생용 어큐뮬레이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
미리 정해진 오보율(false-alarm rate)을 얻기 위해서, 임계 회로는 도플러 주파수에 대해서 결정된 추가의 임계값만큼 얻어진 평균 도플러 스펙트럼을 증가시키기 위한 합산기를 포함할 수 있다.
매우 고속으로 접근하는 타켓에 대해서는, 본 발명은 더욱 유용할 것이다. 결국, 이들은 마하 2 내지 마하 3의 속도로 레이더 장치를 접근하는 매우 소형의 레이더 단면적을 가지는 타켓들이다. 먼저, PRF가 선택될 것이다. 통상적으로, 이 PRF는 도플러 스펙트럼이 폴드-백의 발생없이 결정될 수 있게 하기 위해서 높게 선택된다. 이 도플러 스펙트럼의 결과 임계값 설정은 지상 클러터, 대양 클러터, 비, 새와 금속편(chaff)과 같은 다양한 형태의 클러터를 양호하게 억제한다. 그러나, 높은 PRF의 단점은 타켓 영역이 레인지 도메인(range domain)에서 발생하는 폴드-백 때문에, 분명하게 결정될 수 없다. 이러한 단점은 종래 기술에서 잘 알려져 있으며, 또한 추가의 처리과정을 통해서 분명한 타켓을 설정하기 위한 해결책이다.
또한, 폴드-백의 단점은 클러터의 매우 강한 인접 소스와 일치하는 소형의 원격 타켓에서 자주 일어난다. 또한 이 문제는 원칙적으로는 해결 가능하지만, 레이더 장치의 안정성에 상당한 요구를 부과한다.
레인지 도메인 내의 폴드-백의 다른 중요한 단점은 현재의 레이더 개발의 결과로 생긴다. 일반적으로 레이더 기술과 특히, 페이스드 어레이 레이더 분야에서의 경향은 큰 듀티 사이클을 가지는 펄스를 사용하는 것이다. 한편, 이것은 고상 전송기가 고 피크 파워를 발생하는 데 보다 부적합하다는 사실과, 다른 한편으로 저 피크 파워가 ESM 수신기와 같은 장비를 모니터 함으로써 쉽게 결정될 수 없다는 강한 신뢰에 의한 것이다. 활성 페이스드 어레이 안테나에서, 30%까지의 듀티 사이클을 참조로 한다. 이것은 분명한 레이더 영역의 첫 번째 30% 동안 레이더 장치가 블라인드(blind)이거나 그것의 기능이 최상이 되지 못하고, 이 영역내에서 타켓 에코에 의해서, 전송기 펄스에 부분적으로 겹친다. 또한 분명한 레이더 영역의 마지막 30%는 다음의 전송기 펄스를 부분적으로 폴드-백하는 에코에 의해서 최상의 기능을 못한다. 실제로, 분명한 레이더 영역의 40%만이 최상으로 이용 가능하다. 이러한 환경에서의, 검출 확률은 적고 타켓 영역을 분명하게 결정할 수 없다.
그러므로, 본 발명에 따른 레이더 장치는 PRF가 미리 정해진 검출 영역 내에서 타켓 영역을 분명하게 검출할 수 있도록 선택되는 것을 특징으로 한다. 이것의 직접적인 효과는 PRF/2를 초과하는 도플러 주파수를 가지는 타켓이 클러티에 의해 폴드-백되고 마스크되는 것이다. 단점이라고 생각할 수 있는 상기 효과는 본 발명에 따라서 검출 확률을 증가시키기 위해서 사용된다. 본 발명의 양호한 실시예는 적어도 N 전송기 펄스의 연속적인 버스트가 다른 레이더 주파수를 가지는 것을 특징으로 한다. 특히, 레이더 주파수가, 버스트로부터 버스트까지 도플러 주파수가 최대한 두 개의 도플러빈에서 폴드-백 시프트(shift)를 받지 않도록 선택된다면, 매우 양호한 검출을 얻는다. 느리게 이동하는 타켓에 속하는 상황이 다른 주파수에서 거의 변화하지 않는 반면에, 고속으로 접근하는 타켓은 도플러 스펙트럼 내에서 실제적인 시프트를 나타낼 것이다. 이것은 타켓에 포함된 스펙트럼이 미리 정해진 스펙트럼 또는 평균 스펙트럼으로부터 이탈하게 만든다. 그러므로, 타켓 검출에 실패하고 타켓이 클러터에 의해 연속적으로 마스크되지 못하게 한다. 동일한 효과는 다른 PRF에서 연속적인 버스트들을 전달함으로써 얻을 수 있다. 그러나, 이것은 제 2 트레이스 클러터가 선택된 PRF에 따라서, 계속해서 도플러 스펙트럼 내의 다른 위치에 나타날 것이다. 이것은 오보(fasle alarm)를 일으킨다. 여기서 본 발명에 따른 레이더 장치는 M 연속적인 버스트들이 동일 반복 주파수를 가지는 것을 특징으로 한다.
일정한 PRF와 다양한 레이더 전송 주파수에서 타켓은 임계 크로싱을 항상 일으키지는 않을 것이다. 따라서, 폴드-백되는 타켓은 예를 들어, 매우 강한 지상 클러터와 일치하며, 이것은 대개 타켓을 마스크시킬 것이다. 그러므로, 본 발명의 양호한 실시예에서, 임계 회로에는 도플러 주파수에 대해서 임계값과 최종 획득된 도플러 스펙트럼을 비교하기 위한 비교기 회로와, L연속 도플러 스펙트럼 중에 적어도 K (K=1,2,‥‥, L=1,2,‥‥, K < L)가 적어도 하나의 임계 크로싱을 나타낼 경우, 경보를 발생시키는 경보 발생기가 제공되어 있다.
본 발명은 첨부 도면을 참조로 보다 상세히 설명될 것이다.
제 1도는 본 발명에 따른 레이더 장치의 실시예를 도시한 도면.
제 2 도는 비디오 프로세서의 실시예의 블록 다이어그램.
제 3A 도는 잡음, 대양 클러터, 비 클러터와 타켓을 포함하는 도플러 스펙트럼의 도면.
제 3B 도는 제 3A 도의 약간 개량된 레이더 주파수의 도플러 스펙트럼의 도면.
제 1 도는 본 발명에 따른 레이더 장치의 실시예를 도시한 것으로, 송수신 수단을 함께 이루는 다수의 송수신 모듈이 제공된 활성 페이스드 어레이 안테나(1: phased array antenna)를 포함한다. 페이스드 어레이 안테나는 제어유닛(3)에 의해 제어되며, 공지된 방법으로 안테나의 방위 고도 방향을 결정하고 송수신 모듈(2)의 국소 진동자 신호와 스티어링 펄스(steering pulse)의 버스트를 결정한다. 수신된 레이더 에코 신호는 대개는 디지털 형태로 비디오 프로세서(4)에 인가되며, 이것은 고속 타켓을 검출하는 데 적합하게 설계된다. 여기서 고속 타켓은 미사일과 같은, 마하 2 내지 마하 3의 속도로 접근하는 타켓을 의미하는 것이다. 이들 타켓은 단면이 약 0.01㎡이며, 무기가 파괴될 수 있도록 허용하는 영역에서 검출되어야 한다. 이러한 고려는 바람직한 레이더 범위를 예를 들어, 2Okm 영역까지 할 수 있게 한다. 활성 페이스드 어레이가 전달될 수 있는 제한된 피크 파워(limited peak power)는 큰 듀티 사이클(large duty cycle), 예를 들어, 필요시 33%를 가진 전송기 펄스를 사용하게 된다. 큰 듀티 사이클과 영역이 폴드-백하는 경우에 발생되는 문제점에 대해서, 펄스 버스트는 타켓 영역을 분명하게 결정하는데 사용된다. 전송기 펄스에 의해 발생된 겹침의 결과로서 분명한 레이더 영역의 처음 33%와 다음의 전송기 펄스에 의해 발생된 겹침의 결과로서의 마지막 33%의 모두가 감소된 감지성을 허용하면, 이것은 66.6u sec의 최적의 펄스 길이와 200μ sec의 펄스 반복시간을 야기한다. 이것은 10 내지 20 km에서의 타켓을 검출의 손실없이 분명하게 검출할 수 있게 한다.
제 2 도는 비디오 프로세서(4)의 실시예의 블록 다이어그램을 도시한다. 수신된 레이더 에코 신호는 도플러 필터뱅크(5)에 적용된다. 예를 들어 10 GHz의 레이더 전송 주파수에 대해서, 필터뱅크에 의해 이용가능하게 제조된 스펙트럼은 -2.5 KHz 내지 + 2.5 KHz를 커버하며, 이것은 -37.5 내지 + 37.5 m/sec의 분명한 속도 영역에 대응한다. 이것은 실질적으로 클러터가 전체 스펙트럼 내에 존재한다는 것을 의미한다. 추가로, 스펙트럼은 스펙트럼내에서 클러터와 구별할 수 없는 타켓을 포함할 수 있다. 동일 레이더 주파수와 동일 PRF로 등록된 몇 개의 연속 스펙트럼과 비교해서, 타켓의 강도는 크게 변하는 것으로 나타나고 클러터 강도는 일정하게 남아 있는 것으로 나타난다. 타켓 강도의 변화는 10 내지 20 km 영역 내에서, 선택된 레이더 주파수에서 매우 주목할 만한 종래의 멀티패스 효과(multipath effect)로부터 발생하는 로빙(lobing)에 의해 발생된다.
이것은 레이더 장치의 양호한 제 1 실시예를 도출하고, 비디오 프로세서(4)에는 몇 개의 연속 스펙트럼을 기초로 평균 스펙트럼을 결정하기 위한 어큐뮬레이터(6)와 도플러 주파수에 대해서 선택될 수 있는 추가의 임계값으로 평균 스펙트럼을 증가하기 위한 합산기(7)가 제공되어 있다. 따라서, 획득된 평균 스펙트럼은 예를 들어, 도플러 필터뱅크(5)에 의해 생성되는 제 1 스펙트럼과 함께 임계 회로(8)에 적용된다. 그후, 이것은 강도가 강해진 타켓에 대한 임계 크로싱을 야기하고, 예를 들어 이것은 두 개의 로브(lobs)사이의 널(nul)로부터 나오는 타켓의 경우이다. 널의 위치가 정확하게 각 방위고도 방향(azimuth-elevation direction)에서 알려지기 때문에, 항상 레이더빔 지체 시간은 검출 확률이 최적이 되도록 선택될 수 있을 것이다.
레이더 장치의 양호한 제 2 실시예는 제 2도를 참고로 상술한 바와 같은 비디오 프로세서(4)를 사용할 수 있을 것이다. 이 실시예는 매우 고속의 타겟에 이용되는 것이 최대의 장점이다. 이 원리는 잡음(9), 대양 클러터(10), 비 클러터(11)와 타겟(12)을 포함하는 도플러 스펙트럼을 도시하는 제 3A 도와 약간 다른 레이더 주파수에서 획득된 비교가능한 스펙트럼을 도시하는 제 3B 도에 의해 설명될 것이다. 이들 스펙트럼은 각각 1.15 m/sec의 폭을 가지는 64-빈 도플러 스펙트럼을 생산하는 64-포인트 필터로서 설치된 도플러(5)에 의해 얻어진다. 제 3A 도에 도시한 스펙트럼의 경우에 10 GHz인 레이더 주파수는 제 3B 도의 경우에는 10.31 GHz에서 고정된다. 레이더 주파수의 변화가 심지어 37.5 m/sec의 방사방향 속도를 가지는 물체라도, 기껏해야 하나의 빈(bin)의 시프트를 야기하므로, 두 도면에서 클러터 스펙트럼은 거의 동일하다. 이것은 어큐뮬레이터(6)에 의해 결정된 평균 스펙트럼이 레이더 주파수에서의 최소의 변화에서 거의 일정하게 남아 있고, 평균 스펙트럼이 상술한 바와 같이 임계값을 발생하는 데 적합하게 남아 있게 한다. 또한 두 도면은 타겟이 레이더 주파수의 최소의 변화 영향하에서 크게 시프트하는 것을 나타낸다. 그러므로, 300 m/sec의 속도로 레이더 장치에 접근하는 타겟은 주기적 폴드-백(frequent fold-back)을 초래하는 레이더 주파수의 상술한 변화에서 보면, 약 8 레인지 퀀트(eight range quant)를 시프트한다. 그후, 도플러 필터뱅크(5)에 의해 획득된 스펙트럼이 어큐뮬레이터(6)에 의해 결정되고 합산기(7) 내에서 증가된 평균 스펙트럼과 비교될 경우, 임계회로(8)는 임계 크로싱을 야기한다.
낮은 오보율은 임계 크로싱이 하나의 스펙트럼 대신에 몇 개의 연속 스펙트럼에 의해 생성되는 요구조건을 도입함으로써 얻어질 수 있다. 그러나, 이것은 스펙트럼 내의 타겟의 관점에서 강한 클러터 예를 들어, 대양 클러터(10)와 일치하는 몇가지 경우에, 감소된 검출 확률을 유발한다. L 연속 도플러 스펙트럼 중의 K(K= 1, 2, . . ., L=1, 2, . . ., K < L)가 임계 크로싱을 야기할 경우에 경보를 발생하는 경보 발생기를 임계 회로(8)에 제공함으로써, 최상의 검출을 얻을 수 있다. 이것에 대해서, 양호한 해는 K= 2, L= 3이다.

Claims (9)

  1. 고속 타켓들의 검출을 위한 레이더 장치에 있어서,
    안테나 수단과,
    M= 2, 3, . . .이고 N= 2, 3, . . .으로서, 안테나 방향마다 적어도 N 전송기 펄스들의 적어도 M 버스트들을 발생하기 위한 전송기 수단과,
    전송기 펄스마다, 레인지 퀀트(range quant) 마다에 대해 결정된 레이더 에코 신호의 수신을 위한 수신기 수단과,
    상기 수신기 수단에 연결된 비디오 프로세서로서, 상기 레이더 에코 신호를, 버스트 마다 그리고 레인지 퀀트 마다, N-빈 도플러 스펙트럼으로 처리하기 위한 N-포인트 도플러 필터뱅크와, 적어도 하나의 레인지 퀀트에 대해 적어도 하나의 임계값의 크로싱이 발생할 때 경보를 발생하기 위해 N 임계값들이 각 레인지 퀀트에 대해 제공되는 임계 회로를 포함하며,
    상기 임계 회로는 M 도플러 스펙트럼을 기초로 레인지 퀀트마다 N 임계 값들의 발생을 위해 임계값 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    P = 2, . . ., M으로서, 상기 임계값들은 P 연속적인 버스트들로부터 획득된 P 도플러 스펙트럼을 기초로 발생되는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 임계 발생기는 상기 P 도플러 스펙트럼을 기초로 평균 도플러 스펙트럼을 발생하기 위한 어큐뮬레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 임계 회로는, 미리 정해진 오보율을 얻기 위해서 도플러 주파수마다 결정된 부가적인 임계값 만큼 평균 도플러 스펙트럼을 증가시키기 위한 합산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    PRF는 미리 정해진 검출 영역 내의 타겟 영역을 분명하게 결정할 수 있도록 전송기 펄스들에 대해 선택되는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    적어도 N 전송기 펄스들의 연속적인 버스트들은 다른 레이더 주파수들을 가지는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 레이더 주파수들이 선택되어서, 버스트로부터 버스트까지, 도플러 주파수가 최대 두개의 도플러 빈들에서 폴드-백 시프트들을 받지 않는 것을 특징으로하는 레이더 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    M 버스트들은 동일한 PRF를 가지는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 임계 회로에는 도플러 주파수 마다 상기 임계값들과 최종 획득된 도플러 스펙트럼을 비교하기 위한 비교기 회로와, K= 1, 2, . . ., L= 1, 2, . . ., 및 K < L < M으로서, L 연속 도플러 스펙트럼 중에 적어도 K가 적어도 하나의 임계 크로싱을 나타낼 경우에 경보를 발생하기 위한 경보 발생기가 제공되는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
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