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KR101742056B1 - 합성 개구 레이더 탐색기의 표적 추적 방법 - Google Patents

합성 개구 레이더 탐색기의 표적 추적 방법 Download PDF

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KR101742056B1
KR101742056B1 KR1020170034928A KR20170034928A KR101742056B1 KR 101742056 B1 KR101742056 B1 KR 101742056B1 KR 1020170034928 A KR1020170034928 A KR 1020170034928A KR 20170034928 A KR20170034928 A KR 20170034928A KR 101742056 B1 KR101742056 B1 KR 101742056B1
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pulse
dbs
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searcher
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엘아이지넥스원 주식회사
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Abstract

합성 개구 레이더(SAR) 탐색기의 표적 추적 방법을 공개한다. 본 발명은 고해상도 모드에서 DBS 기법에 따른 고정 주파수 파형 펄스와 거리 해상도를 향상시키는 HRR(High Range Resolution) 기법에 적용하기 위한 SFW(Stepped frequency waveform) 펄스를 교번하여 반복하여 방사하고, DBS 기법에 따라 획득되는 고해상도 이미지에 HRR 기법으로 획득되는 거리 프로파일로부터 획득된 거리 해상도가 향상된 거리 데이터를 결합함으로써, 방위각 해상도뿐만 아니라 거리 해상도가 향상된 고해상도 이미지를 획득할 수 있다. 그러므로 정밀한 표적 이미지를 획득할 수 있어 표적을 정확하게 탐지 및 추적할 수 있도록 한다.

Description

합성 개구 레이더 탐색기의 표적 추적 방법{TARGET TRACKING METHOD FOR SYNTHETIC APERTURE RADAR SEEKER}
본 발명은 합성 개구 레이더 탐색기의 표적 추적 방법에 관한 것으로, 특히 도플러 빔 샤프닝 기법과 HRR을 동시에 운용할 수 있는 합성 개구 레이더 탐색기의 표적 추적 방법에 관한 것이다.
탐색기는 이용 목적에 따라 지상 또는 해상의 표적을 추적하도록 구성될 수 있다. 특히 유도 무기용 탐색기는 대부분 전자파 탐색기로서 이동 방향을 기준으로 기설정된 각도 범위 이내로 초고주파 신호를 방사 및 수신하여 표적을 탐지하도록 구성되어 있으나, 빔 폭이 넓기 때문에 각도 해상도가 좋지 않다는 한계가 있다. 특히 연안 부근의 해상에 존재하는 함선과 같은 표적을 요격하기 위한 유도 비행체용 탐색기는 빔 폭 내에서 동일한 거리에 육지가 존재하는 경우, 육지에서 반사되는 지면 클러터의 영향으로 표적을 정확히 탐지하지 못하는 등의 문제가 있다. 또한 단순히 표적의 존재 여부와 거리 및 이동 속도 등을 분석할 수 있을 뿐, 표적의 정확한 형상 등을 획득할 수 없다는 한계가 있다.
그에 비해 적외선 또는 가시광 이미지를 획득하여 분석하는 이미지 탐색기는 비나 눈, 구름 및 안개 등과 같은 대기의 영향을 크게 받아 표적을 탐지하지 못하는 경우가 빈번하게 발생한다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, 이하 SAR)가 개발되었다. SAR은 일반적으로 비행기 또는 인공 위성 등에 탑재되어 이동하는 동안, 여러 차례 지표로 빔을 방사하고 반사되어 수신된 신호에서 감지되는 도플러 주파수의 상대적 변화 특성을 이용하여 지표의 고분해능 정밀 이미지를 획득할 수 있는 레이더를 의미한다. SAR은 극초단파 영역의 초고주파를 활용하기 때문에 아지랑이, 가랑비, 눈, 구름, 연기 등의 기후 환경에 영향을 받지 않고, 육상 지형이나 바다를 관측할 수 있으며, 스스로 관측에 사용하는 에너지원을 전파하는 능동시스템이기 때문에 밤과 낮에 상관없이 이미지를 얻을 수 있다.
SAR은 이동하지 않는 지표에 대한 이미지를 획득하기 위한 기법으로, 도플러 주파수의 상대적 변화 특성이 잘 확인되도록, 지표의 변화가 가장 크게 감지되는 방향인 비행체의 진행 방향에서 수직 방향으로 빔을 조향하여 이미지를 획득하도록 구성된다. 그러나 비행체의 진행 방향에서 수직 방향으로 빔을 조향하여 이미지를 획득하면, 표적이 감지되는 시점에서 비행체의 위치가 이미 표적을 지나친 상태이므로, 표적을 추적해야 하는 유도 비행체 등에는 적용하기 어렵다. 이에 빔을 비행체의 진행 방향으로 조향하게 되면, 비행체의 진행 방향과 빔 사이의 각도가 줄어드는 만큼 각도 해상도가 저하되는 문제가 있다.
상기한 SAR의 문제를 해소하기 위해, 현재 일부 유도 비행체는 각도 해상도(방위각 해상도)를 향상시키는 방안으로 도플러 빔 샤프닝(Doppler Beam Sharpening : 이하 DBS) 기법을 적용하고 있다.
DBS 기법은 상기한 SAR의 기법을 응용하는 기술로서, SAR을 기준으로 빔을 반사하는 지표의 위치가 전방인지 후방인지에 따라, 반사파의 도플러 변위가 업-시프트(up-shift) 또는 다운-시프트(down-shift)된다는 특성을 기반으로, 반사파의 도플러 변위를 도플러 필터를 이용하여 복수개(일반적으로 19 ~ 20개)의 빈(bin)으로 구분함으로써, 방위각 해상도를 향상시킴과 동시에 전방을 탐색할 수 있도록 하는 기법이다.
즉 DBS 기법은 방위각 방향으로의 해상도를 향상시켜, 비행체의 측면이 아니라 진행 방향과 측면 사이의 각도에서 전방에 대한 표적을 탐지할 수 있도록 한다.
함선과 같이 해수면에 배치된 표적을 요격하기 위한 유도 비행체에서는 표적에 대한 고각 정보가 필요하지 않으므로, 탐색기에서 방위각 해상도와 거리 해상도가 중요한 이슈가 된다. 방위각 해상도는 상기한 바와 같이 DBS 기법을 이용하여 향상 시킬 수 있다. 그러나 유도 비행체가 DBS 기법을 적용하는 상태에서 거리 해상도를 높일 수 있는 방법이 제안되지 않아, 기존의 초고주파 탐색기와 마찬가지로 펄스 압축 기법을 이용하고 있다. 따라서 유도 비행체가 DBS 기법을 이용하는 상태에서 거리 해상도를 높여 정확하게 표적을 추적할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
한국 등록 특허 제10-1387664호 (2014.04.15 등록)
본 발명의 목적은 방위각 해상도와 거리 해상도가 모두 향상된 고해상도 이미지를 획득하여 표적을 정밀 추적할 수 있는 합성 개구 레이더 탐색기의 표적 추적 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 합성 개구 레이더 탐색기의 표적 추적 방법은 고해상도 모드에서 상기 탐색기의 송신부가 상기 탐색기의 신호 처리부에 의해 제어에 따라 지정된 빔 조향 각도로 도플러 빔 샤프닝(DBS) 기법에 따라 생성되는 DBS 펄스 파형과 HRR(High Range Resolution) 기법을 위해 생성되는 SFW(Stepped frequency waveform) 펄스 파형의 각 펄스가 교번하는 교번 빔을 방사하는 단계; 상기 탐색기의 수신부가 상기 교번 빔이 반사되어 수신되는 수신 신호에서 상기 DBS 펄스 파형에 대응하는 펄스와 상기 SFW 펄스 파형에 대응하는 펄스를 구분하는 단계; 상기 신호 처리부가 DBS 펄스 파형에 대응하는 펄스에 대해 기설정된 도플러 해상도에 따라 필터링하고 분석하여, 고해상도 이미지를 획득하는 단계; 상기 신호 처리부가 상기 SFW 펄스 파형에 대응하는 펄스로부터 표적에 대한 HRR 프로파일을 획득하고, 획득된 상기 HRR 프로파일을 기저장된 기준 HRR 프로파일과 비교하여 거리 데이터를 획득하는 단계; 및 상기 신호 처리부가 상기 고해상도 이미지에 상기 거리 데이터의 정보를 적용하여, 거리 해상도가 증가된 상기 고해상도 이미지를 획득하는 단계; 를 포함한다.
상기 교번 빔은 동일 주파수의 펄스가 반복되는 상기 DBS 펄스 파형과 각 펄스 내에서 주파수가 동일하고, 방사되는 순차에 따라 이전보다 주파수가 선형적으로 증가되는 파형인 상기 SFW 펄스 파형의 각 펄스가 교대로 배치되는 펄스 파형을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 표적 추적 방법은 상기 고해상도 모드에서 상기 교번 빔을 기설정된 기준 횟수로 방사하여, 거리 해상도가 증가된 상기 고해상도 이미지를 복수개로 획득하며, 획득된 복수개의 상기 고해상도 이미지를 분석하여 상기 표적을 판별하는 것을 특징으로 한다.
상기 표적 추적 방법은 상기 고해상도 모드 이전, 상기 신호 처리부가 상기 탐색기의 운용 모드를 DBS 모드로 설정하는 단계; 상기 송신부가 신호 처리부의 제어에 따라 상기 DBS 펄스 파형으로 구성되는 DBS 빔을 생성하여 방사하는 단계; 상기 수신부가 상기 DBS 빔이 반사되어 수신되는 수신 신호를 상기 도플러 해상도에 따라 필터링하는 단계; 상기 신호 처리부가 필터링된 상기 수신 신호를 분석하여 2차원 이미지를 획득하는 단계; 상기 신호 처리부가 상기 2차원 이미지를 분석하여, 상기 표적이 포함되어 있으면, 상기 표적이 포함된 영역을 관심 영으로 설정하고, 상기 신호 처리부가 상기 탐색기의 운용 모드를 상기 고해상도 모드로 전환하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 고해상도 모드로 전환하는 단계는 상기 고해상도 모드에서 상기 탐색기가 상기 관심 영역을 탐색하도록 상기 표적이 포함된 것으로 판단된 영역을 관심 영역으로 설정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 합성 개구 레이더 탐색기의 표적 추적 방법은 정밀한 표적 정보를 획득하는 고해상도 모드에서 DBS 기법에 따른 고정 주파수 파형과 거리 해상도를 향상시키는 HRR(High Range Resolution) 기법에 적용하기 위한 SFW(Stepped frequency waveform)를 교대로 반복하여 운용하여, DBS 기법에 따라 획득되는 고해상도 이미지에 HRR 기법으로 획득되는 거리 프로파일로부터 획득된 거리 해상도가 향상된 거리 데이터를 결합함으로써, 방위각 해상도뿐만 아니라 거리 해상도가 향상된 고해상도 이미지를 획득할 수 있다. 그러므로 정밀한 표적 이미지를 획득할 수 있어 표적을 정확하게 탐지 및 추적할 수 있도록 한다.
도1 내지 도4 는 DBS 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도5 는 탐색기의 펄스 압축 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도6 은 SFW 기법에 따른 파형 패턴을 나타낸다.
도7 은 HRR 기법을 적용하는 경우와 적용하지 않는 경우에 표적 식별 능력을 비교하여 나타낸 도면이다.
도8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 SAR 탐색기의 표적 추적 방법을 나타낸다.
도9 는 본 발명의 SAR 탐색기가 고해상도 모드에서 운용되는 빔의 파형 패턴을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도1 내지 도4 는 DBS 기법을 설명하기 위한 도면으로, 도1 은 DBS 기법에서 빔 방사 방향과 빔 방사 따라 획득되는 이미지 영역을 나타내고, 도2 는 DBS 기법에서 방위각과 도플러 주파수 사이의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 그리고 도3 은 DBS 기법에서 방위각 해상도와 도플러 해상도 사이의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도1 에 도시된 바와 같이, DBS 기법은 비행체의 진행 방향을 기준으로 조향 각도(φ)로 기울어진 방향으로 빔을 조향 및 방사하여, 필요로 하는 영역에 대한 이미지를 획득한다. 여기서 조향 각도(φ)는 빔의 중심을 기준으로 하는 각도로서, 방사된 빔은 조향 각도(φ)를 중심으로 기설정된 빔폭을 갖고 방사된다. 비행체와 진행 방향과 빔을 조향하는 방향 사이의 각도인 조향 각도(φ) 가 작을수록 표적의 변화가 크게 발생하지 않아 획득되는 이미지의 해상도가 매우 낮아지게 되는 반면, 고속으로 이동하는 비행체의 진행 방향에서 빔의 조향 방향이 수직 방향에 가까워질수록 획득되는 이미지의 해상도가 높아지게 된다. 따라서 고해상도의 정밀 이미지를 획득하기 위해서는 SAR과 같이 비행체의 진행 방향에서 수직 방향으로 빔을 조향하여 이미지를 획득하는 것이 바람직하다. 다만, SAR과 같이 비행체의 진행 방향에서 수직 방향으로 빔을 조향하여 이미지를 획득하면, 표적이 감지되는 시점에서 비행체의 위치가 이미 표적을 지나친 상태이므로, 표적을 가급적 먼거리에서 탐지하여 추적해야 하는 유도 비행체 등에는 적용하기 어렵다. 즉 유도 비행체에서는 조향 각도(φ)가 작을수록 유리하다. DBS 기법에서는 도1 에 도시된 바와 같이 빔의 조향 각도(φ)가 90도 미만 설정될 수 있으나, 해상도를 위해 10도 이상으로 설정되는 것이 바람직하다.
DBS 기법을 이용하는 탐색기는 도1 에 도시된 바와 같이 2차원 이미지를 획득한다. 도1 에서 x 축은 방위각 방향의 교차 거리(cross-range)을 의미하고, y축은 사정 거리(down-range) 방향을 의미한다.
한편 도2 에서, 유도 비행체에 구비된 탐색기에서 조향 각도(φ)로 방사된 빔이 반사되어 수신되는 수신 신호의 입사 각도(ψ)에 따라 도플러 주파수(FD)는 수학식 1과 같이 계산된다.
Figure 112017027588686-pat00001
(여기서, FD는 도플러 주파수를 나타내고, ν는 유도 비행체의 이동 속도이고, λ는 방사되는 빔의 파장이며, ψ는 반사파의 입사 각도이다.)
수학식 1에서 유도 비행체의 이동 속도(ν)는 확인 가능한 값이므로, 수신 신호의 입사 각도(ψ)에 따라서 도플러 주파수(FD)를 계산할 수 있다. 이는 반대로 도플러 주파수(FD)로부터 수신 신호의 입사 각도(ψ)를 확인할 수 있음을 의미하며, DBS 기법은 수신된 전체 수신 신호의 도플러 주파수(FD)를 측정하고, 측정된 도플러 주파수(FD)를 기설정된 도플러 해상도(ΔFD) 단위로 구분함으로써, 각 수신 신호가 입사된 각도를 확인하는 기법이다. 즉 도플러 해상도(ΔFD)를 이용하여 방위각 해상도를 높일 수 있다.
구체적으로 탐색기는 방사된 빔이 반사되어 획득되는 수신 신호를 지정된 도플러 해상도(ΔFD)간격으로 필터링하는 도플러 필터링 처리를 수행한다. 즉 전체 반사파의 도플러 주파수(FD)를 도플러 해상도(ΔFD) 크기로 구분하고, 구분된 도플러 주파수들에 대응하는 수신 신호들을 구별한다. 이때 도플러 해상도(ΔFD)에 따른 수신 신호 입사 각도차(Δψ)와 교차 거리(cross-range) 간격(Δx) 사이의 관계는 수학식 2와 같다.
Figure 112017027588686-pat00002
(여기서 R은 탐색기로부터의 거리를 나타낸다.)
수학식 1과 2를 이용하여, 도플러 해상도(ΔFD)와 교차 거리 간격(Δx) 사이의 관계는 수학식 3과 같이 획득된다.
Figure 112017027588686-pat00003
수학식 3에 따라 교차 거리 간격(Δx)는 도플러 해상도(ΔFD)에 비례함을 알 수 있다. 교차 거리 간격(Δx)이 작아질수록 교차 거리, 즉 x축 방향에의표적에 대한 식별 능력이 향상 되므로, 방위각 해상도는 증가한다. 따라서 도플러 해상도(ΔFD)의 크기를 줄여, 교차 거리 간격(Δx)을 줄임으로써, 방위각 해상도를 높일 수 있다.
다만 DBS 기법이 상기한 바와 같이, 입사 각도(ψ)에 따라 가변되는 도플러 주파수(FD)를 기설정된 도플러 해상도(ΔFD) 단위로 구분함으로써, 방위각 해상도를 향상시키는 방식이기 때문에, 탐색기에서 방사하는 빔의 신호 파형은 도4 에 도시된 바와 같이, 펄스 반복간격(Pulse Repetition Interval : PRI)의 시간차를 두고 동일한 주파수의 펄스파가 반복적으로 출력되는 펄스 반복주파수 파형(Pulse Repetition Frequency : PRF)으로 출력되어야 한다. 즉 탐색기에서 방사되는 빔의 주파수가 고정되어야만 한다.
도5 는 탐색기의 펄스 압축 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도5 에서 (a)는 펄스 압축 기법에 따른 펄스 파형을 나타내고, (b)는 펄스 파형의 주파수 변화를 나타낸다. 도5 에 도시된 바와 같이, 펄스 압축 기법은 펄스폭 구간(τ)에서, 대역폭(β)의 범위 내에서 주파수를 선형으로 변조한 신호를 빔으로 방사하고, 반사된 수신 신호에 대해 정합 필터링을 수행하는 방식으로, β*τ에 따른 펄스 압축 이득을 획득함으로써, 피크 전력을 증가시키고 펄스폭을 줄일 수 있는 기법이다.
펄스 압축 기법에 따른 탐색기의 사정 거리 간격(Δy)은 수학식 4에 따라 계산된다.
Figure 112017027588686-pat00004
(여기서, c는 광속이고, β는 빔의 대역폭을 의미한다.)
즉 대역폭(β)이 증가될수록, 사정 거리 간격(Δy)이 줄어들게 되며, 거리 해상도는 증가된다. 이에 기존의 탐색기에서도 지정된 펄스폭 구간(τ)에서 대역폭(β)을 증가시켜, 거리 해상도를 증가시키기 위한 펄스 압축(pulse compression) 기법이 이용되었다.
그러나 펄스 압축 기법만으로는 방위각 해상도가 증가된 DBS 기법을 이용하는 탐색기에 요구되는 적절한 수준의 거리 해상도를 제공하지 못하는 경우가 빈번하게 발생한다.
이에 본 발명에서는 거리 해상도를 높이기 위해 SFW(Stepped frequency waveform) 기법과 HRR(High Range Resolution) 기법을 더 이용할 수 있다.
도6 은 SFW 기법에 따른 파형 패턴을 나타낸다.
도6 에 도시된 바와 같이, SFW 기법에서는 펄스 내에서 주파수가 변동되는 펄스 압축 기법과 달리, 개별 펄스 구간 내에서는 주파수가 동일하지만, 각 펄스의 주파수를 수학식 5 와 같이 선형적으로 증가시키는 방식이다.
Figure 112017027588686-pat00005
(여기서 f0는 초기 펄스의 주파수이고, fi는 i번째 펄스의 주파수이며, Δf는 주파수 증가분을 의미한다. 그리고 i는 0부터 n-1(여기서 n은 자연수)까지 증가하는 펄스 순차이다.)
그리고 SFW 기법 또한 펄스를 방사하고 수신 신호를 수신하므로, SFW 기법에 따라 방사되는 펄스 신호(si(t))는 수학식 6으로 정의 된다.
Figure 112017027588686-pat00006
(여기서 t는 시간을 나타내고, si(t)는 펄스 신호를 나타내며, Ci는 펄스 순차(i)에 따라 지정된 신호의 진폭을 나타내는 상수이고, θi는 펄스 신호의 위상을 나타낸다.)
수학식 6에 따르면, 펄스 신호(si(t))는 i번째 펄스 시간(T)에서 펄스폭 구간(τ') 동안, 동일한 주파수를 갖는 펄스 신호를 방사한다.
본 발명에 따른 탐색기는 SFW 기법에 따라 매 펄스마다 주파수가 선형 적으로 증가하는 빔을 방사하고, 수신 신호를 획득한다. 그리고 탐색기는 복수개의 펄스를 방사하는 동안, 탐색기가 이동되는 거리 및 속도에 대한 이동성 보상을 수행함으로써, 정확도를 더 향상 시킬 수 있다.
SFW 기법에 따라 방사되는 빔을 펄스 압축 기법에 따라 방사되는 빔과 구분하기 위하여, 이하에서는 SFW 기법에 따라 방사되는 빔을 SFW 빔이라 한다.
또한 본 발명에서 탐색기는 SFW 빔이 방사되고 반사되어 획득되는 수신 신호에 대해 HRR 기법을 적용한다. HRR 기법은 표적의 고유한 전자파 산란 특성을 나타내는 레이더 단면적(Radar Cross Section : RCS)을 레이더와 표적 사이의 LOS(line of sight :)에 투사시킨 1차원 이미지인 기준 HRR 프로파일(HRR profile)이 미리 획득되어 저장되고, 현재 수신 신호에서 획득된 HRR 프로파일을 저장된 기준 HRR 프로파일과 비교하여 표적을 탐지하는 기법이다. HRR 프로파일은 표적의 기하학적 모양 및 재질에 따라 다르게 생성되기 때문에 표적을 정확하게 식별하기 위해 사용된다.
특히 SFW 빔을 사용한 탐색기의 수신 신호에 대해 역 고속 퓨리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform : IFFT)을 수행하여 용이하게 HRR 프로파일을 획득할 수 있다. 즉 HRR 프로파일은 수신 신호에 대해 이동성 보상을 수행한 후 IFFT함으로써, 생성될 수 있고, 생성된 HRR 프로파일을 기저장된 기준 HRR 프로파일과 비교하여, 표적을 용이하게 획득할 수 있다.
HRR 기법을 적용한 후 거리 해상도는 수학식 7과 같이 계산된다.
Figure 112017027588686-pat00007
(여기서, ΔF는 펄스 간 주파수 간격을 나타내고, N은 펄스 개수를 나타낸다.)
HRR 기법에 따른 거리 해상도인 수학식 7과 펄스 압축 기법에 따른 거리 해상도를 나타내는 수학식 4를 비교하면, 대역폭(β)가 펄스 개수(N)* 펄스 간 주파수 간격(ΔF)으로 대체됨으로써, 펄스 개수(N) 및 펄스 간 주파수 간격(ΔF)를 조절함으로써, 더욱 향상된 거리 해상도를 획득할 수 있게 된다.
상기에서는 SFW 빔에서 각 펄스의 주파수가 선형적으로 증가되는 것으로 설명하였으나, 경우에 따라서 탐색기에서 방사되는 빔의 각 펄스 주파수가 불규칙적으로 변동되는 경우에도 SFW 기법을 적용할 수 있다. 이 경우, 반사 신호를 수신하는 수신부는 주파수 재정렬부를 구비하여, 주파수가 불규칙적으로 변동되어 인가되는 반사 신호를 주파수가 순차적으로 증가되도록 재정렬함으로써, SFW 빔을 방사한 경우와 유사한 패턴으로 복원할 수 있다. 이러한 재정렬 방식은 SFW 빔을 방사한 경우에도 반사 신호가 순차적으로 수신되지 않고, 다양한 이유로 순서가 변경된 경우에도 적용할 수 있다.
도7 은 HRR 기법을 적용하는 경우와 적용하지 않는 경우에 표적 식별 능력을 비교하여 나타낸 도면이다.
도7 은 인접한 위치에 2개의 표적이 존재하는 경우를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면으로, 가운데 도면에서 왼쪽의 표시는 인접한 두개의 표적을 나타내고, 왼쪽에 별도 도면으로 확대 표시되어 있다. 그리고 가운데 도면에서 오른쪽 표식은 수신 신호를 분석하여 획득되는 표적의 감지 여부를 나타내는 도면으로 HRR 기법을 적용하지 않는 경우를 나타낸다. 도7 에 나타난 바와 같이 HRR 기법을 적용하지 않는 경우, 하나의 피크만이 감지되어 인접하여 배치된 두개의 표적을 구분하지 못하는 반면, HRR 기법을 적용한 오른쪽 도면을 참조하면, 2개의 피크가 감지되어 표적이 2개임을 용이하게 구분할 수 있다. 즉 HRR 프로파일을 이용하면, 거리 해상도가 향상되는 효과를 얻을 수 있어, 인접한 거리에 존재하는 복수개의 표적을 구분하여 식별할 수 있다. 오른쪽 도면에서 X축 은 관심 영역에 대한 상대 거리를 나타내고, Y축은 수신 신호의 세기를 나타낸다.
도8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 SAR 탐색기의 표적 추적 방법을 나타내고, 도9 는 본 발명의 SAR 탐색기가 고해상도 모드에서 운용되는 빔의 파형 패턴을 나타낸다.
도8 을 참조하면, 본 발명의 SAR 탐색기의 표적 추적 방법은 우선 탐색기의 신호 처리부(미도시)가 탐색기를 기본 모드로 운용한다(S11). 신호 처리부는 탐색기를 구비한 유도 비행체의 동작 상태를 고려하여 운용 모드를 설정할 수 있으며, 유도 비행체의 운용 목적에 따라 미리 지정된 순서에 따라 운용 모드를 설정하거나, 사용자 명령에 응답하여 운용 모드를 설정할 수 있다.
여기서 기본 모드는 일예로 DBS 모드일 수 있다. DBS 모드는 유도 비행체가 미리 지정된 지상의 경유지 또는 목적지로 이동하는지를 판별하기 위해서 이용될 수 있다. 만일 유도 비행체가 표적을 탐지 추적하여 요격하는 유도 무기이고, 특히 지상의 표적을 요격하기 위한 유도 무기인 경우, 발사 초기에 DBS 모드로 운용되는 것이 바람직하다.
신호 처리부는 기본 운용 모드가 DBS 모드이면, 유도 비행체의 진행 방향을 기준으로 탐색기가 방사할 빔의 조향 각도를 10도 이상 90도 미만의 각도를 갖도록 조절하고, 탐색기의 송신부(미도시)를 제어하여 DBS 기법을 적용하기 위해 동일한 주파수의 펄스 파형을 갖는 빔을 방사한다(S12). 여기서 DBS 기법을 적용하기 위해 동일한 주파수의 펄스 파형을 갖는 빔을 DBS 파형 빔이라 한다.
한편, 탐색기의 수신부(미도시)는 방사된 DBS 파형 빔이 반사 및 수신되어 획득되는 수신 신호에 대해 기설정된 도플러 해상도(ΔFD)간격으로 필터링하는 도플러 필터링 처리를 수행하여 수신 신호를 입사된 각도에 따라 구분하고, 신호 처리부가 구분된 수신 신호들을 분석하여 2차원 이미지를 획득한다(S13). 그리고 신호 처리부는 2차원 이미지를 분석하여, 2차원 이미지에 표적이 포함되어 있는지 판별한다(S14).
2차원 이미지에 표적이 포함되어 있는 것으로 판별되고, 정밀한 표적 정보 획득이 필요한 것으로 판별되는 경우(예를 들면, 판별된 표적이 대상 표적의 2배 이상의 크기인 경우), 탐색기의 신호 처리부는 표적이 포함된 영역을 관심 영역으로 설정하고, 탐색기의 모드를 고해상도 모드로 전환한다(S17). 고해상도 모드는 기본 모드에서 획득된 관심 영역을 정밀하게 관측하기 위한 모드이다. 고해상도 모드에서 신호 처리부는 DBS 기법을 위한 주파수 파형의 신호와 HRR 기법을 위한 주파수 파형의 신호를 교번으로 방사되도록 탐색기의 송신부를 제어한다(S18).
상기한 바와 같이, HRR 기법을 적용하는 경우, 거리 해상도를 향상시켜, 표적을 더욱 정확하게 추적할 수 있게 되지만, 탐색기가 SFW 빔을 적용해야 하므로 탐색기가 방사하는 빔의 펄스 주파수가 가변 되어야 한다. 그러나 방위각 해상도를 향상시키기 위한 DBS 기법은 동일한 주파수의 펄스를 방사해야 한다. 따라서 HRR 기법과 DBS 기법을 동시에 활용할 수 없다는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 도9 에 도시된 바와 같이, BS 기법을 위한 동일 주파수의 DBS 펄스 파형의 신호와 HRR 기법을 위한 SFW 펄스 주파수 파형의 신호를 교번하여 방사한다. 즉 각 기법에 따른 펄스 파형을 교대로 방사한다.
그리고 DBS 펄스 파형으로 방사된 빔에 대한 반사파로부터 방위각 해상도가 향상된 고해상도 이미지를 생성하고, HRR 기법을 위한 SFW 펄스 파형으로 방사된 빔에 대한 반사파를 수신하여 분석함으로써, HRR 프로파일을 생성한다(S19).
이때 탐색기의 신호 처리부는 교번 빔이 순차적으로 방사되는 동안 탐색기가 이동하는 이동 거리를 고려하여 이동 보상을 우선 수행한 후 IFFT 변환하여 HRR 프로파일을 획득할 수 있다.
이후 신호 처리부는 생성된 HRR 프로파일을 기저장된 적어도 하나의 기준 HRR 프로파일과 비교하여 표적에 대한 거리 데이터를 획득하고, 획득된 거리 데이터를 고해상도 이미지에서 관심 영역에 적용함으로써, 방위각 해상도뿐만 아니라 거리 해상도가 향상된 고해상도 이미지를 획득한다(S20).
본 발명이 DBS 파형 빔을 우선 방사하여 고해상도 이미지를 획득하고, 이후 다시 SFW 빔을 방사하여 HRR 프로파일을 생성하지 않고, DBS 펄스 파형과 SFW 펄스 파형이 교번으로 방사되는 교번 빔을 방사하는 것은 고해상도 이미지와 HRR 프로파일 사이의 매칭율을 높이기 위해서이다. 유도 무기와 같은 고속 이동 장치에 탐색기가 적용된 경우, DBS 파형 빔을 방사하여 고해상도 이미지를 획득한 후, SFW 빔을 방사하여 HRR 프로파일을 생성하면 이동 속도에 의해 이미 서로 다른 영역에 대한 정보가 획득된 상태이므로, 고해상도 이미지의 거리 해상도를 향향시키기 어렵게 되는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해, 본 발명에서는 DBS 펄스 파형과 SFW 펄스 파형이 교번으로 방사함으로써, 한번의 교번 빔 방사 주기에 고해상도 이미지와 HRR 프로파일을 함께 획득할 수 있도록 한다. 즉 동일 위치에 대한 정보를 획득할 수 있도록 함으로써, HRR 프로파일을 기반으로 획득되는 거리 데이터를 용이하게 고해상도 이미지에 반영할 수 있도록 한다.
한편 신호 처리부는 거리 해상도가 향상된 고해상도 이미지를 획득하기 위해 교번 빔을 방사한 횟수가 기설정된 기준 횟수 이상인지 판별한다(S21). 만일 교번 빔 방사횟수가 기준 횟수 미만이면, 신호 처리부는 다시 교번 빔이 방사되고, 고해상도 이미지와 HRR 프로파일이 획득되도록 제어한다. 이는 거리 해상도가 향상된 고해상도 이미지를 복수개로 획득함으로써, 표적 탐지 정확도를 향상시키기 위함이다. 여기서 기준 횟수는 일예로 2 ~ 8 회 범위로 설정될 수 있으며, 탐색기가 구비된 유도 무기 등의 장치의 이동 속도에 따라 가변될 수 있다.
교번 빔 방사횟수가 기준 횟수 미만이면, 신호 처리부는 복수개의 거리 해상도가 향상된 고해상도 이미지로부터 표적의 형태 및 위치를 정확하게 분석하여 표적을 추적할 수 있다.
그리고 표적이 확인되면, 신호 처리부는 확인된 표적을 추적한다(S24).
따라서 본 발명에 따른 유도 비행체용 탐색기의 표적 추적 방법은 고해상도 모드에서 DBS 펄스 파형과 SFW 펄스 파형이 교번으로 방사되는 교번 빔을 방사하고, 반사되어 수신되는 신호 중 DBS 펄스 파형에 따라 고해상도 이미지를 획득하고, SFW 펄스 파형에 따라 획득되는 HRR 프로파일을 이용하여 향상된 거리 데이터를 획득한 후, 획득된 거리 데이터를 고해상도 이미지에 반영함으로써, 방위각 해상도뿐만 아니라 거리 해상도가 향상된 고해상도 이미지를 획득할 수 있다. 그러므로 표적을 정밀하게 추적할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행 시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 합성 개구 레이더(SAR) 탐색기의 표적 추적 방법에 있어서,
    고해상도 모드에서 상기 탐색기의 송신부가 상기 탐색기의 신호 처리부에 의해 제어에 따라 지정된 빔 조향 각도로 도플러 빔 샤프닝(DBS) 기법에 따라 생성되는 DBS 펄스 파형과 HRR(High Range Resolution) 기법을 위해 생성되는 SFW(Stepped frequency waveform) 펄스 파형의 각 펄스가 교번하는 교번 빔을 방사하는 단계;
    상기 탐색기의 수신부가 상기 교번 빔이 반사되어 수신되는 수신 신호에서 상기 DBS 펄스 파형에 대응하는 펄스와 상기 SFW 펄스 파형에 대응하는 펄스를 구분하는 단계;
    상기 신호 처리부가 DBS 펄스 파형에 대응하는 펄스에 대해 기설정된 도플러 해상도에 따라 필터링하고 분석하여, 고해상도 이미지를 획득하는 단계;
    상기 신호 처리부가 상기 SFW 펄스 파형에 대응하는 펄스로부터 표적에 대한 HRR 프로파일을 획득하고, 획득된 상기 HRR 프로파일을 기저장된 기준 HRR 프로파일과 비교하여 거리 데이터를 획득하는 단계; 및
    상기 신호 처리부가 상기 고해상도 이미지에 상기 거리 데이터의 정보를 적용하여, 거리 해상도가 증가된 상기 고해상도 이미지를 획득하는 단계; 를 포함하는 SAR 탐색기의 표적 추적 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 교번 빔은
    동일 주파수의 펄스가 반복되는 상기 DBS 펄스 파형과 각 펄스 내에서 주파수가 동일하고, 방사되는 순차에 따라 이전보다 주파수가 선형적으로 증가되는 파형인 상기 SFW 펄스 파형의 각 펄스가 교대로 배치되는 펄스 파형을 갖는 것을 특징으로 하는 SAR 탐색기의 표적 추적 방법.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 표적 추적 방법은
    상기 고해상도 모드에서 상기 교번 빔을 기설정된 기준 횟수로 방사하여, 거리 해상도가 증가된 상기 고해상도 이미지를 복수개로 획득하며, 획득된 복수개의 상기 고해상도 이미지를 분석하여 상기 표적을 판별하는 것을 특징으로 하는 SAR 탐색기의 표적 추적 방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 표적 추적 방법은
    상기 고해상도 모드 이전, 상기 신호 처리부가 상기 탐색기의 운용 모드를 DBS 모드로 설정하는 단계;
    상기 송신부가 신호 처리부의 제어에 따라 상기 DBS 펄스 파형으로 구성되는 DBS 빔을 생성하여 방사하는 단계;
    상기 수신부가 상기 DBS 빔이 반사되어 수신되는 수신 신호를 상기 도플러 해상도에 따라 필터링하는 단계;
    상기 신호 처리부가 필터링된 상기 수신 신호를 분석하여 2차원 이미지를 획득하는 단계;
    상기 신호 처리부가 상기 2차원 이미지를 분석하여, 상기 표적이 포함되어 있는지 판별하는 단계; 및
    상기 표적이 포함되어 있으면, 상기 표적이 포함된 영역을 관심 영역으로 설정하고, 상기 신호 처리부가 상기 탐색기의 운용 모드를 상기 고해상도 모드로 전환하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SAR 탐색기의 표적 추적 방법.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 고해상도 모드로 전환하는 단계는
    상기 고해상도 모드에서 상기 탐색기가 상기 관심 영역을 탐색하도록 상기 표적이 포함된 것으로 판단된 영역을 관심 영역으로 설정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 SAR 탐색기의 표적 추적 방법.
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