KR101705532B1 - 주파수 변조 레이더 및 그것의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도플러 효과를 이용한 주파수 변조 레이더와 그것의 제어방법에 관한 것으로, 상기 도플러 레이더는, 수신신호로부터 보상성분을 산출하고, 상기 산출된 보상성분에 따른 도플러 보상명령을 출력하는 신호처리 프로세서, 상기 신호처리 프로세서의 제어에 따라 주파수 성분을 일정 간격으로 변화시켜 가면서 송신신호를 생성하되, 상기 도플러 보상명령에 따라 상기 생성된 송신신호에 대한 도플러 보상을 처리하는 파형 발생기 및 상기 도플러 보상이 처리된 송신신호를 송출하는 송수신기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

주파수 변조 레이더 및 그것의 제어방법{FREQUENCY MODULATION RADAR AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 도플러 효과를 이용한 주파수 변조 레이더와 그것의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 주파수 변조(frequency modulation, FM) 신호를 사용하여 표적을 탐색하는 레이더는 안테나, 송수신기, 신호처리기 구성을 모두 포함하며, 물체의 위치 또는 방향을 탐지하고, 거리 또는 속도를 측정한다. 물체의 거리 및 속도를 측정하는 방법은, 전파의 속도, 송수신 소요시간, 반사 또는 산란된 전파가 포함하는 도플러 효과에 의한 주파수 편이의 측정을 기반으로 한다.

레이더는 수신기 구성에서 파형발생기, ADC(Analog to Digital Converter) 및 프로세서를 구비하는데, 프로세서는 파형발생기에 수신신호에 대한 시간지연정보를 제공하여 신호 보상을 처리한다.

수신신호는 시간지연(time delay) 및 도플러 스트렛치(Doppler stretch)에 의해 표현될 수 있다. 상기 수신신호는 도플러 스트렛치 인자와 전파 지연 상수를 포함하는 수학식으로 표현될 수 있다.

그런데, 종래 기술에서는 프로세서에서 산출된 수신신호의 시간지연정보를 이용하여 방위각 위상(azimuth phase)을 보상하는 도플러 보상을 실시하기 때문에, 탐지 대상을 추적하는 과정에서 수신측에서의 신호처리 부담이 가중되는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

또 다른 목적은, 도플러 보상에 따른 신호처리 부담을 감소시키는 주파수 변조 레이더 및 그것의 제어방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 변조 레이더는, 수신신호로부터 보상성분을 산출하고, 상기 산출된 보상성분에 따른 도플러 보상명령을 출력하는 신호처리 프로세서, 상기 신호처리 프로세서의 제어에 따라 주파수 성분을 일정 간격으로 변화시켜 가면서 송신신호를 생성하되, 상기 도플러 보상명령에 따라 상기 생성된 송신신호에 대한 도플러 보상을 처리하는 파형 발생기, 및 상기 도플러 보상이 처리된 송신신호를 송출하는 송수신기를 포함한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 신호처리 프로세서는, 상기 수신신호에 대한 도플러 보상 처리를 배제하고, 상기 도플러 보상 처리가 배제된 수신신호를 이용하여 상기 표적에 대한 탐지 결과를 산출하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 신호처리 프로세서는, 상기 수신신호에 근거하여 표적까지의 거리 및 상기 표적의 속도를 포함하는 상기 보상성분을 산출하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 송수신기는 상기 표적으로부터 반사된 신호를 수신하며, 상기 송수신기로 수신된 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 신호처리 프로세서로 출력하는 ADC(아날로그디지털 변환기)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 신호처리 프로세서는, 상기 도플러 보상 처리가 배제된 수신신호에 스트렛치 처리(stretch processing) 및 도플러 필터링을 수행하고, 수행 결과에 근거하여 상기 표적에 대한 탐지 결과를 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 변조 레이더의 제어방법은, 표적으로부터 반사된 신호를 수신하는 단계, 상기 수신된 신호로부터 도플러 효과에 따른 주파수 편이를 보상하기 위한 보상성분을 산출하는 단계, 상기 산출된 보상성분에 근거하여 도플러 보상명령을 생성하는 단계, 일정 간격으로 변화시킨 주파수 성분을 믹싱하여 송신신호를 생성하면서, 상기 생성된 도플러 보상명령에 따라 상기 생성된 송신신호에 대한 도플러 보상을 처리하는 단계, 및 상기 도플러 보상이 처리된 송신신호를 송출하는 단계를 포함한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 보상성분은 상기 표적까지의 거리 및 상기 표적의 속도에 따라 가변되는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 수신신호를 이용하여 상기 표적에 대한 위치정보를 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 수신신호는 상기 도플러 보상이 이루어지지 않는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 주파수 변조 레이더 및 그것의 제어방법에 의한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

송신측에서 도플러 보상을 미리 실시하여 수신측에서 보상을 위한 신호처리 부담을 줄일 수 있다. 다시 말해, 수신측이 아닌 송신측에서 도플러 성분을 계산하고, 그 계산 결과를 통해 미리 도플러 보상을 실시하기 때문에, 수신측에서 발생하는 신호처리 부담을 감소시킬 수 있다.

수신측에서의 도플러 보상을 위한 신호처리 부담이 제거됨에 따라, 표적 탐지 성능을 보다 향상시킬 수 있다.

도 1은 주파수 변조 레이더에서 송신신호와 수신신호 간의 시간지연을 설명하기 위한 다이어그램
도 2는 본 발명에 따라 사전 도플러 보상 처리된 송신신호의 주파수 변이를 나타낸 다이어그램
도 3은 본 발명에 따른 주파수 변조 레이더의 구성을 나타낸 블록도
도 4는 본 발명에 따른 주파수 변조 레이더의 제어방법을 대표적으로 나타내는 흐름도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 주파수 변조 레이더에서 송신신호와 수신신호 간의 시간지연을 설명하기 위한 다이어그램이고, 도 2는 본 발명에 따라 사전 도플러 보상 처리된 송신신호의 주파수 변이를 나타낸 다이어그램이다.

도플러 효과(Doppler Effect)는 소리나 전파가 발신자와 수신자 사이에 상대운동이 있을 때 수신자의 수신 주파수가 송신 주파수와 다르게 관측되는 현상을 의미한다. 즉, 송신신호와 수신신호의 관측 주파수가 변화하는 것을 말한다.

레이더 시스템에는 전파를 쏘아 반사파만 탐지하는 리얼 빔 레이더 (Real Beam Radar)와 실시간으로 전파의 진폭, 반복 주기 등을 해석하여, 그 반사파의 도플러 효과를 이용해 목표를 식별하는 펄스-도플러 레이더 (Pulse-Doppler Radar)가 있다. 전파 주파수를 변조해서 반사파의 주파수와의 차이를 구함으로써 목표물의 거리, 속도 정보를 획득하는 주파수 변조 레이더 등이 있다.

펄스-도플러 레이더 시스템은 전파의 도플러 효과를 이용해서 표적위치(거리, 방위각, 고각)와 이동속도 등을 직접적이고 연속적으로 구한다. 펄스-도플러 레이더 시스템은 높은 고도나 낮은 고도로 비행하는 물체 외에도 근거리에서 비행하는 물체를 탐지할 수 있는 장점을 갖는다.

주파수 변조 레이더는 송수신신호 간의 주파수 차이를 구함으로써 표적의 거리와 속도를 구하며 주파수 대역이 클수록 해상도가 높아지므로 물체를 정확하게 탐지할 수 있는 장점을 갖는다.

도플러 효과는 도플러 진동수(Doppler frequency)로 표현된다. 레이더에서 목표물(Target)을 향해 전파를 발생한 후 반사되어 돌아오는 수신신호(또는, 반사파)와 송신신호와의 진동수의 차이(도플러 주파수)를 측정하여 목표물(Target)의 속도를 측정한다. 목표물(Target)의 접근 속도(Closing rate)가 클수록, 사용하는 전자파의 파장이 작을수록 도플러진동수 (Doppler frequency)가 커진다.

도 1에 도시된 바와 같이, 주파수 변조된 송신신호가 송출된 후 물체로부터 반사되어 수신된다. 수신신호는 도플러 효과에 의해 주파수 편이 즉, 시간지연이 발생한다. 그에 따라 정확한 표적 탐지를 위해서는 수신신호에 대한 신호처리에서 도플러 보상을 처리하는 것이 필수적이다.

일반적인 주파수 변조 레이더에 따르면, 송신신호는 신호처리가 이루어지지 않은 상태로 송출되고, 상기 송신시호에 대응하는 수신신호에 도플러 보상을 수행하고, 상기 도플러 보상이 이루어진 신호를 이용하여 표적에 대한 정보를 산출한다.

그러나, 본 발명에서는 수신측에서의 도플러 보상을 배제하기 위해, 송신신호에 대하여 도플러 보상을 선(先)처리한다.

도 2는 송신신호에 대해 사전 도플러 보상을 처리한 결과를 보인 것이다.

본 발명에서는 도 2에 보인 바와 같이 fd만큼의 송신신호에 대한 도플러 보상을 선처리한다. 다시 말하자면, 미리 도플러 효과에 의한 주파수 편이를 송신신호에 적용하여 수신신호에 대한 도플러 보상을 배제할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 주파수 변조 레이더의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 다른 주파수 변조 레이더는 송수신기(10), AD 컨버터(20), 신호처리 프로세서(30) 및 파형 발생기(40)를 포함한다.

송수신기(10)는 표적으로부터 반사된 상기 수신신호를 수신하거나 도플러 보상이 처리된 송신신호를 송출한다. 송수신기(10)는 송신기와 수신기의 구성을 분리하여 구성될 수도 있으나, 아래 설명에서는 일체된 구성으로 설명한다.

AD 컨버터(20)는 상기 송수신기(10)로 수신된 수신신호를 디지털신호로 변환하여 출력한다.

신호처리 프로세서(30)는 수신신호를 이용하여 표적에 대한 탐지 결과를 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 신호처리 프로세서(30)는 수신신호로부터 표적까지의 거리와 표적의 속도를 포함하는 보상성분을 계산하고, 그 계산된 보상성분에 따른 도플러 보상명령을 생성하고, 그 도플러 보상명령을 출력한다.

파형 발생기(40)는 신호처리 프로세서(30)의 제어에 따라 주파수 성분을 일정 간격으로 변화시켜 가면서 송신신호를 생성한다. 이때, 파형 발생기(40)가 생성하는 송신신호에는 신호처리 프로세서(30)에서 출력된 도플러 보상명령에 따라 도플러 보상에 따른 시간 지연이 선처리된다. 즉, 파형 발생기(40)는 도플러 보상명령에 따라 생성된 송신신호에 대한 도플러 보상을 선(先)처리한다.

그에 따라, 신호처리 프로세서(30)가 표적 탐지 결과를 산출하는 과정에서는 수신신호에 대한 도플러 보상 처리가 배제되며, 도플러 보상 없이 디램핑(deramping)된 신호에 대한 스트렛치 처리(stretch processing) 및 도플러 필터링만을 수행하여 표적 탐지 결과를 산출할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 레이더는 신호처리 프로세서(30)의 제어에 따라 파형 발생기(40)가 송신신호를 생성할 시에는, 신호처리 프로세서(30)의 제어에 따라 생성된 송신주파수를 일정 간격(예로써, 10-9초 즉, Nano 초)으로 고속으로 변화시켜 가면서 신호에 합성하는 DDS(Direct digital synthesizer)를 또한 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 주파수 변조 레이더의 제어방법을 대표적으로 나타내는 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 먼저 송수신기(10)가 표적으로부터 반사된 수신신호를 수신한다(S410).

이어, 신호처리 프로세서(30)가 수신된 수신신호로부터 보상성분을 계산한다(S420). 여기서, 수신신호로부터 표적까지의 거리와 표적의 속도를 포함하는 보상성분을 계산할 수 있다.

한편, 신호처리 프로세서(30)는 수신된 수신신호로부터 표적 탐지 결과를 산출하며, 이때는 수신신호에 대한 도플러 보상을 실시하지 않는다.

이어, 신호처리 프로세서(30)는 계산된 보상성분에 따른 도플러 보상명령을 생성하여 출력한다(S430).

다음에, 파형 발생기(40)는 신호처리 프로세서(30)의 제어에 따라 일정 간격으로 변화시킨 주파수 성분을 믹싱하여 송신신호를 생성하는데, 이때 파형 발생기(40)는 신호처리 프로세서(30)에서 생성되어 출력된 도플러 보상명령에 따라 송신신호에 대한 도플러 보상을 처리한다(S440).

마지막으로 송수신기(10)가 도플러 보상이 처리된 송신신호를 송출한다(S450).

전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 주파수 변조 레이더의 신호처리 프로세서(30)를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

10: 송수신기
20: AD 컨버터
30: 신호처리 프로세서
40: 파형발생기

Claims (8)

1. 주파수 변조 신호를 이용하여 움직이는 표적의 위치 및 속도를 탐색하는 주파수 변조 레이더에 있어서,
   주파수 성분을 일정 간격으로 변화시켜 가면서 송신신호를 생성하는 파형 발생기;
   상기 파형 발생기에서 생성된 송신신호를 송출하며, 상기 움직이는 표적에 반사되어 돌아오는 수신신호를 수신하는 송수신기; 및
   상기 송수신기를 통해 수신된 수신신호를 이용하여 표적을 탐색하고, 상기 움직이는 표적의 상대 이동에 의한 주파수 편이를 보상하기 위한 보상성분을 산출하며, 상기 산출된 보상성분에 따른 도플러 보상명령을 출력하는 신호처리 프로세서를 포함하며,
   상기 파형 발생기는 상기 도플러 보상명령에 따라 상기 생성된 송신신호에 대한 방위각 위상(azimuth phase)을 보상하는 도플러 보상을 처리하고, 상기 송수신기는 상기 도플러 보상이 처리된 송신신호를 송출하며,
   상기 도플러 보상은 상기 움직이는 표적의 특성에 따라 가변되는 것을 특징을 하며,
   상기 신호처리 프로세서는,
   상기 수신신호에 대한 도플러 보상 처리를 배제하고, 상기 도플러 보상 처리가 배제된 수신신호를 이용하여 상기 움직이는 표적에 대한 탐지 결과를 산출하고, 상기 수신신호에 근거하여 상기 움직이는 표적까지의 거리 및 상기 움직이는 표적의 속도를 모두 고려한 상기 보상성분을 산출하는 것을 특징을 하는 주파수 변조 레이더.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 송수신기는 상기 표적으로부터 반사된 상기 수신신호를 수신하며,
   상기 송수신기로 수신된 상기 수신신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 신호처리 프로세서로 출력하는 AD 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 레이더.
5. 제4항에 있어서,
   상기 신호처리 프로세서는,
   상기 도플러 보상 처리가 배제된 수신신호에 스트렛치 처리(stretch processing) 및 도플러 필터링을 수행하고, 수행 결과에 근거하여 상기 표적에 대한 탐지 결과를 산출하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 레이더.
6. 주파수 변조 신호를 이용하여 움직이는 표적의 위치 및 속도를 탐색하는 주파수 변조 레이더의 제어방법에 있어서,
   주파수 성분을 일정 간격으로 변화시켜 가면서 송신신호를 출력하는 단계;
   상기 송신신호가 상기 움직이는 표적에 반사되어 돌아오는 수신신호를 수신하는 단계;
   상기 수신신호를 이용하여 상기 움직이는 표적을 탐색하고, 상기 움직이는 표적의 상대 이동에 의한 주파수 편이를 보상하기 위한 보상성분을 산출하는 단계;
   상기 산출된 보상성분에 근거하여 도플러 보상명령을 생성하는 단계; 및
   상기 수신신호를 이용하여 상기 움직이는 표적에 대한 위치 및 속도정보를 생성하는 단계를 포함하고,
   상기 송신신호를 출력하는 단계는,
   주파수 성분을 일정 간격으로 변화시켜 가면서 상기 송신신호를 생성하는 단계;
   상기 도플러 보상명령에 따라 상기 생성된 송신신호에 대한 방위각 위상(azimuth phase)을 보상하는 도플러 보상을 처리하는 단계; 및
   상기 도플러 보상이 처리된 송신신호를 송출하는 단계를 포함하며,
   상기 도플러 보상은 상기 움직이는 표적의 특성에 따라 가변되고,
   상기 보상성분은 상기 움직이는 표적까지의 거리 및 상기 움직이는 표적의 속도에 따라 가변되며,
   상기 수신신호에는 상기 도플러 보상이 이루어지지 않는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 레이더의 제어방법.
7. 삭제
8. 삭제

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