KR102804716B1 - Beam forming method and apparatus - Google Patents
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Abstract
빔 형성 장치에서 표적 탐지를 위한 빔 형성 방법이 제공될 수 있다. 빔 형성 방법은 상기 표적의 수평 방위에서 송출되는 표적신호에 대하여 제1 간격으로 배열된 복수의 제1 센서의 수신신호를 획득하는 단계, 상기 제1 간격보다 센서 간격이 조밀해지도록 복수의 가상 센서를 설정하는 단계, 상기 복수의 제1 센서의 수신신호에 각각 상기 복수의 제1 센서의 시간지연을 보상하여 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호를 생성하는 단계, 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호를 이용하여 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호를 생성하는 단계, 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호에 각각 상기 복수의 가상 센서의 시간지연을 역보상하여, 상기 복수의 가상 센서의 수신신호를 생성하는 단계, 그리고 상기 복수의 제1 센서의 수신신호와 상기 복수의 가상 센서의 수신신호로부터 탐지 방위별로 빔 형성하는 단계를 포함한다. A beam forming method for target detection in a beam forming device may be provided. The beam forming method includes a step of acquiring reception signals of a plurality of first sensors arranged at a first interval for a target signal transmitted in a horizontal direction of the target, a step of setting a plurality of virtual sensors so that the sensor intervals are closer than the first interval, a step of generating time delay signals of the plurality of first sensors by compensating for time delays of the plurality of first sensors to the reception signals of the plurality of first sensors, respectively, a step of generating time delay signals of the plurality of virtual sensors by using the time delay signals of the plurality of first sensors, a step of generating reception signals of the plurality of virtual sensors by reverse compensating for time delays of the plurality of virtual sensors to the time delay signals of the plurality of virtual sensors, and a step of forming a beam for each detection direction from the reception signals of the plurality of first sensors and the reception signals of the plurality of virtual sensors.
Description
본 기재는 빔 형성 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a beam forming method and device.
배열센서를 이용하여 표적을 탐지하는 경우 빔 형성 기법에 따른 빔 패턴을 도출하면 배열의 설계주파수 이상의 대역에서 공간 에일리어싱이 발생할 수 있다. When detecting a target using an array sensor, spatial aliasing may occur in a band exceeding the design frequency of the array when a beam pattern is derived according to a beam forming technique.
공간 에일리어싱은 배열센서에서 탐지 방위에 따라 빔 형성 시 표적이 실존하는 방위와 동일한 위상이 다른 방위에서도 유사하게 나타나는 것이다. 그리고 설계주파수보다 주파수 대역이 높아질수록 탐지 방위 내에 발생하는 공간 에일리어싱의 빈도가 증가하게 된다. 그러므로 표적을 탐지하는 주파수 대역을 만족할 수 있도록 배열센서의 설계주파수가 설정된다. Spatial aliasing occurs when the same phase as the target's actual direction appears in a different direction when forming a beam according to the detection direction in the array sensor. And as the frequency band increases above the design frequency, the frequency of spatial aliasing occurring within the detection direction increases. Therefore, the design frequency of the array sensor is set to satisfy the frequency band for detecting the target.
표적을 탐지하기 위한 설계주파수와 탐지환경의 매질 음속에 따라 배열센서 내의 센서 간격이 달라진다. 일반적으로 설계주파수에 대한 신호의 파장을 2로 나눈 값이 센서 간격으로 설정된다. 그러므로 설계주파수를 증가시키기 위해서는 배열센서의 센서 간격을 줄여야 한다. 만약 기존 배열센서보다 설계주파수가 높은 배열센서를 설계하고자 하는 경우, 동일한 주파수 대역에서 동일한 탐지성능을 유지하기 위해서는 기존의 배열 형상 크기가 유지되어야 하기 때문에 비교적 많은 센서 수가 배치되어야 하고, 이에 따라 신호처리 부하가 증가하게 된다. 또한 센서를 배치할 수 있는 공간적인 제약으로 인해 설계주파수를 증가시킬 수 있는 범위에 한계가 있다. The sensor spacing within the array sensor varies depending on the design frequency for target detection and the sound velocity of the medium in the detection environment. Generally, the sensor spacing is set to the value obtained by dividing the wavelength of the signal for the design frequency by 2. Therefore, in order to increase the design frequency, the sensor spacing of the array sensor must be reduced. If an array sensor with a higher design frequency than the existing array sensor is designed, a relatively large number of sensors must be placed because the existing array shape size must be maintained in order to maintain the same detection performance in the same frequency band, and thus the signal processing load increases. In addition, due to spatial constraints in which the sensors can be placed, there is a limit to the range in which the design frequency can be increased.
실시예들 중 적어도 하나의 실시예는 배열센서의 형상을 유지한 상태에서 설계주파수보다 높은 주파수 대역에서의 공간 에일리어싱을 감소시킬 수 있는 빔 형성 방법 및 장치를 제공할 수 있다. At least one of the embodiments can provide a beam forming method and device capable of reducing spatial aliasing in a frequency band higher than a design frequency while maintaining the shape of an array sensor.
한 실시예에 따르면, 빔 형성 장치에서 표적 탐지를 위한 빔 형성 방법이 제공될 수 있다. 빔 형성 방법은 상기 표적의 수평 방위에서 송출되는 표적신호에 대하여 제1 간격으로 배열된 복수의 제1 센서의 수신신호를 획득하는 단계, 상기 제1 간격보다 센서 간격이 조밀해지도록 복수의 가상 센서를 설정하는 단계, 상기 복수의 제1 센서의 수신신호에 각각 상기 복수의 제1 센서의 시간지연을 보상하여 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호를 생성하는 단계, 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호를 이용하여 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호를 생성하는 단계, 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호에 각각 상기 복수의 가상 센서의 시간지연을 역보상하여, 상기 복수의 가상 센서의 수신신호를 생성하는 단계, 그리고 상기 복수의 제1 센서의 수신신호와 상기 복수의 가상 센서의 수신신호로부터 탐지 방위별로 빔 형성하는 단계를 포함한다. According to one embodiment, a beam forming method for target detection in a beam forming device may be provided. The beam forming method includes a step of acquiring reception signals of a plurality of first sensors arranged at a first interval for a target signal transmitted in a horizontal direction of the target, a step of setting a plurality of virtual sensors so that the sensor intervals are closer than the first interval, a step of generating a time delay signal of the plurality of first sensors by compensating for a time delay of the plurality of first sensors to the reception signals of the plurality of first sensors, respectively, a step of generating a time delay signal of the plurality of virtual sensors by using the time delay signals of the plurality of first sensors, a step of generating a reception signal of the plurality of virtual sensors by reverse compensating for a time delay of the plurality of virtual sensors to the time delay signals of the plurality of virtual sensors, and a step of forming a beam for each detection direction from the reception signals of the plurality of first sensors and the reception signals of the plurality of virtual sensors.
상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호를 생성하는 단계는 상기 표적의 수평 방위에서 송출되는 표적신호에 대한 상기 복수의 제1 센서의 지연시간 및 상기 복수의 가상 센서의 지연시간을 계산하는 단계를 포함할 수 있다. The step of generating the delay signal of the plurality of first sensors may include the step of calculating the delay time of the plurality of first sensors and the delay time of the plurality of virtual sensors for the target signal transmitted in the horizontal direction of the target.
상기 탐지 방위별로 빔 형성하는 단계는 상기 복수의 제1 센서의 수신신호와 상기 복수의 가상 센서의 수신신호에 각각 상기 복수의 제1 센서의 지연시간 및 상기 복수의 가상 센서의 지연시간을 보상하여, 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호와 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호를 생성하는 단계, 그리고 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호와 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호로부터 상기 탐지 방위별 빔 데이터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. The step of forming a beam according to the detection direction may include a step of compensating for the delay time of the plurality of first sensors and the delay time of the plurality of virtual sensors to the reception signals of the plurality of first sensors and the reception signals of the plurality of virtual sensors, respectively, to generate a time delay signal of the plurality of first sensors and a time delay signal of the plurality of virtual sensors, and a step of generating beam data according to the detection direction from the time delay signals of the plurality of first sensors and the time delay signals of the plurality of virtual sensors.
상기 복수의 제1 센서의 지연시간 및 상기 복수의 가상 센서의 지연시간을 계산하는 단계는 상기 복수의 제1 센서의 수신신호를 이용한 빔 형성을 통해 상기 표적의 수평 방위를 검출하는 단계, 그리고 상기 표적의 수평 방위와 센서 간격, 및 각 센서의 위치를 토대로 상기 복수의 제1 센서의 지연시간 및 상기 복수의 가상 센서의 지연시간을 계산하는 단계를 포함할 수 있다. The step of calculating the delay time of the plurality of first sensors and the delay time of the plurality of virtual sensors may include the step of detecting the horizontal direction of the target through beam formation using the reception signals of the plurality of first sensors, and the step of calculating the delay time of the plurality of first sensors and the delay time of the plurality of virtual sensors based on the horizontal direction of the target, the sensor interval, and the position of each sensor.
상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호를 생성하는 단계는 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호로부터 선형 보간을 통해 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. The step of generating the delay signals of the plurality of virtual sensors may include the step of generating the delay signals of the plurality of virtual sensors through linear interpolation from the delay signals of the plurality of first sensors.
상기 선형 보간은 공간과 시간 또는 공간과 주파수에 대한 2차원 선형 보간을 포함할 수 있다. The above linear interpolation may include two-dimensional linear interpolation over space and time or over space and frequency.
다른 실시예에 따르면, 표적 탐지를 위한 빔 형성 장치가 제공될 수 있다. 빔 형성 장치는 표적으로부터 송출되는 표적신호에 대하여 제1 간격으로 배열되어 있는 복수의 제1 센서에서 수신된 수신신호를 획득하는 수신 처리부, 각 제1 센서 사이에 적어도 하나의 가상 센서를 설정하는 가상 센서 설정부, 상기 복수의 제1 센서의 수신신호에 각각 상기 복수의 제1 센서의 시간지연을 보상하여 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호를 생성하고, 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호를 이용한 선형 보간을 통해 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호를 생성하며, 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호로부터 상기 복수의 가상 센서의 수신신호를 생성하는 가상 신호 생성부, 그리고 상기 복수의 제1 센서의 수신신호와 상기 복수의 가상 센서의 수신신호로부터 탐지 방위별 빔 데이터를 생성하는 빔 형성 처리부를 포함한다. According to another embodiment, a beam forming device for target detection can be provided. The beam forming device includes a reception processing unit that obtains reception signals received from a plurality of first sensors arranged at a first interval with respect to a target signal transmitted from a target, a virtual sensor setting unit that sets at least one virtual sensor between each of the first sensors, a virtual signal generation unit that compensates for time delays of the plurality of first sensors to the reception signals of the plurality of first sensors, generates time delay signals of the plurality of first sensors through linear interpolation using the time delay signals of the plurality of first sensors, and generates reception signals of the plurality of virtual sensors from the time delay signals of the plurality of virtual sensors, and a beam forming processing unit that generates beam data for each detection direction from the reception signals of the plurality of first sensors and the reception signals of the plurality of virtual sensors.
상기 빔 형성 장치는 상기 복수의 제1 센서에서 수신된 수신신호로부터 탐지 방위별 빔 형성을 통해 상기 표적의 수평 방위를 검출하는 표적 방위 검출부를 더 포함할 수 있고, 상기 가상 신호 생성부는 상기 표적의 수평 방위와 센서 간격, 및 각 센서의 위치를 토대로 상기 복수의 제1 센서의 지연시간 및 상기 복수의 가상 센서의 지연시간을 계산할 수 있다. The beam forming device may further include a target direction detection unit that detects the horizontal direction of the target through beam formation according to detection direction from reception signals received from the plurality of first sensors, and the virtual signal generation unit may calculate the delay time of the plurality of first sensors and the delay time of the plurality of virtual sensors based on the horizontal direction of the target, the sensor interval, and the position of each sensor.
상기 빔 형성 처리부는 상기 복수의 제1 센서의 수신신호와 상기 복수의 가상 센서의 수신신호에 각각 상기 복수의 제1 센서의 지연시간 및 상기 복수의 가상 센서의 지연시간을 보상하고, 지연시간이 보상된 상기 복수의 제1 센서의 수신신호와 상기 복수의 가상 센서의 수신신호를 상기 탐지 방위별로 합산하여 상기 탐지 방위별 빔 데이터를 생성할 수 있다. The beam forming processing unit can compensate for the delay time of the plurality of first sensors and the delay time of the plurality of virtual sensors in the reception signals of the plurality of first sensors and the reception signals of the plurality of virtual sensors, respectively, and add the reception signals of the plurality of first sensors and the reception signals of the plurality of virtual sensors, for which the delay time has been compensated, for each detection direction to generate beam data for each detection direction.
상기 가상 신호 생성부는 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호에 각각 상기 복수의 가상 센서의 시간지연을 역으로 보상하여, 상기 복수의 가상 센서 각각의 시간지연을 갖는 상기 복수의 가상 센서의 수신신호를 생성할 수 있다. The above virtual signal generation unit can generate reception signals of the plurality of virtual sensors each having a time delay of the plurality of virtual sensors by inversely compensating for the time delay of the plurality of virtual sensors to the time delay signals of the plurality of virtual sensors.
실시예들 중 적어도 하나의 실시예에 따르면, 배열센서의 형상을 유지한 상태에서 설계주파수보다 높은 대역에서의 공간 에일리어싱을 감소시킬 수 있다. According to at least one embodiment of the present invention, spatial aliasing in a band higher than a design frequency can be reduced while maintaining the shape of the array sensor.
실시예들 중 적어도 하나의 실시예에 따르면, 관측자가 탐지하고자 하는 표적 방위가 아닌 타 방위에서 발생하는 신호의 특성이 감소될 수 있고, 이에 따라서 배열센서의 설계주파수 이상의 주파수 대역에서 공간 에일리어싱에 의해 발생하는 복잡한 탐지정보가 비교적 간결해지므로, 관측자가 표적의 존재 여부를 판단하기 용이해진다. According to at least one embodiment of the present invention, the characteristics of a signal generated in a direction other than the target direction that the observer intends to detect can be reduced, and thus, complex detection information generated by spatial aliasing in a frequency band higher than the design frequency of the array sensor becomes relatively simple, making it easier for the observer to determine whether or not the target exists.
도 1은 기존 빔 형성 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 빔 형성 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 공간 에일리어싱을 감소시키기 위한 빔 형성 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 실시예에 따른 가상 센서의 설정과 실제 센서의 지연시간을 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 실제 센서의 지연시간 보상과 가상 센서의 가상 시지연 신호를 나타낸 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 가상 센서의 가상 수신신호를 나타낸 도면이다.
도 7은 한 실시예에 따른 빔 형성 장치를 나타낸 도면이다.
도 8은 시뮬레이션 환경의 일 예를 나타낸다.
도 9는 도 8에 도시된 시뮬레이션 환경에서 측정된 배열센서의 수신신호를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 수신신호를 이용한 기존 빔 형성 방법에 따른 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
도 11은 실시예에 따른 가상 센서의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 12는 시뮬레이션 환경에서 도 11에 도시된 실제 센서 및 가상 센서의 수신신호를 나타낸 도면이다.
도 13은 도 11에 도시된 수신신호를 이용한 실시예의 빔 형성 방법에 따른 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
도 14는 도 10 및 도 13에 도시된 빔 패턴에서 5 kHz에서의 빔 패턴을 나타낸 그래프도이다.
도 15는 도 10 및 도 13에 도시된 빔 패턴에서 7 kHz에서의 빔 패턴을 나타낸 그래프도이다.
도 16은 시뮬레이션 환경에서 센서 간격이 λ/8인 실제 센서 및 가상 센서의 수신신호를 나타낸 도면이다.
도 17은 도 16에 도시된 수신신호를 이용한 실시예의 빔 형성 방법에 따른 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
도 18은 도 10, 도 13, 및 도 17에 도시된 빔 패턴에서 4 kHz에서의 빔 패턴을 나타낸 그래프도이다.
도 19는 다른 실시예에 따른 빔 형성 장치를 나타낸 도면이다. Figure 1 is a drawing showing a conventional beam forming method.
Fig. 2 is a drawing showing a beam forming method according to an embodiment.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a beam forming method for reducing spatial aliasing according to an embodiment.
Figure 4 is a diagram showing the settings of a virtual sensor and the delay time of an actual sensor according to an embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing the delay time compensation of an actual sensor and a virtual time delay signal of a virtual sensor according to an embodiment.
Fig. 6 is a diagram showing a virtual reception signal of a virtual sensor according to an embodiment.
FIG. 7 is a drawing showing a beam forming device according to one embodiment.
Figure 8 shows an example of a simulation environment.
Figure 9 is a diagram showing the reception signal of the array sensor measured in the simulation environment illustrated in Figure 8.
FIG. 10 is a drawing showing a beam pattern according to a conventional beam forming method using the reception signal illustrated in FIG. 9.
Fig. 11 is a diagram showing an example of a virtual sensor according to an embodiment.
Figure 12 is a diagram showing the reception signals of the actual sensor and virtual sensor shown in Figure 11 in a simulation environment.
FIG. 13 is a drawing showing a beam pattern according to a beam forming method of an embodiment using the reception signal illustrated in FIG. 11.
FIG. 14 is a graph showing the beam pattern at 5 kHz in the beam patterns shown in FIG. 10 and FIG. 13.
FIG. 15 is a graph showing the beam pattern at 7 kHz in the beam patterns shown in FIG. 10 and FIG. 13.
Figure 16 is a diagram showing the reception signals of an actual sensor and a virtual sensor with a sensor spacing of λ/8 in a simulation environment.
FIG. 17 is a drawing showing a beam pattern according to a beam forming method of an embodiment using the reception signal illustrated in FIG. 16.
FIG. 18 is a graph showing the beam pattern at 4 kHz in the beam patterns shown in FIG. 10, FIG. 13, and FIG. 17.
FIG. 19 is a drawing showing a beam forming device according to another embodiment.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are assigned similar drawing reference numerals throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 또는 물리적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 또는 비접촉 연결"되어 있는 경우, 또는 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only being "directly or physically connected," but also being "indirectly or non-contactingly connected" with other elements in between, or being "electrically connected."
또한 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.Additionally, when a part is said to "include" a component, this does not mean that it excludes other components, but rather that it may include other components, unless otherwise specifically stated.
또한 본 명세서에서 도면을 참고하여 설명한 흐름도에서, 동작 순서는 변경될 수 있고, 여러 동작들이 병합되거나, 어느 동작이 분할될 수 있고, 특정 동작은 수행되지 않을 수 있다. Additionally, in the flowcharts described with reference to the drawings in this specification, the order of operations may be changed, multiple operations may be merged, an operation may be split, and a specific operation may not be performed.
이제 실시 예에 따른 빔 형성 방법 및 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다. Now, a beam forming method and device according to an embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 기존 빔 형성 방법을 나타낸 도면이다. Figure 1 is a drawing showing a conventional beam forming method.
도 1을 참조하면, 기존 빔 형성 방법은 각 센서의 수신신호 획득 단계(S110), 탐지 방위별 위상 보상 단계(S120), 빔 데이터 생성 단계(S130), 및 빔 데이터 출력 단계(S140)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the existing beam forming method may include a step of obtaining a reception signal of each sensor (S110), a step of compensating for phases according to detection direction (S120), a step of generating beam data (S130), and a step of outputting beam data (S140).
빔 형성 장치는 배열센서의 각 센서에서 표적으로부터 수신한 수신신호를 획득할 수 있다(S110). The beam forming device can obtain a reception signal received from a target at each sensor of the array sensor (S110).
특정 탐지 방위를 지향하는 빔을 생성하기 위해서는 각 센서의 수신신호들의 위상을 맞춰 합산하는 과정이 필요하다. 빔 형성 장치는 탐지 방위별로 각 센서의 수신신호간의 위상을 보상할 수 있다(S120). 빔 형성 장치는 탐지 방위별로 배열센서의 특정 센서를 기준으로 각 센서의 수신신호의 시간지연을 계산하고, 계산된 시간지연을 토대로 각 센서의 수신신호를 시지연하여, 탐지 방위별로 각 센서의 수신신호들의 위상을 맞출 수 있다. In order to generate a beam aimed at a specific detection direction, a process of matching and adding the phases of the reception signals of each sensor is required. The beam forming device can compensate for the phase between the reception signals of each sensor for each detection direction (S120). The beam forming device calculates the time delay of the reception signal of each sensor based on a specific sensor of the array sensor for each detection direction, and delays the reception signal of each sensor based on the calculated time delay, thereby matching the phases of the reception signals of each sensor for each detection direction.
빔 형성 장치는 탐지 방위별 각 센서의 수신신호들을 합산하여 탐지 방위별 빔 데이터를 생성할 수 있다(S130). The beam forming device can generate beam data for each detection direction by adding up the reception signals of each sensor for each detection direction (S130).
빔 형성 장치는 탐지 방위별 빔 데이터를 출력한다(S140). 탐지 방위별 빔 데이터 출력을 통해 표적 탐지가 수행될 수 있으며, 표적 탐지를 통해 표적 방위가 검출될 수 있다. The beam forming device outputs beam data for each detection direction (S140). Target detection can be performed through the output of beam data for each detection direction, and the target direction can be detected through target detection.
배열센서의 센서 간격 d는 수학식 1과 같이 설정될 수 있다. The sensor spacing d of the array sensor can be set as in
여기서, λ는 표적 탐지 주파수에 대한 신호의 파장을 나타내며, 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. Here, λ represents the wavelength of the signal for the target detection frequency, and can be expressed as in
여기서, fd는 표적 탐지 주파수를 나타내며, c는 탐지 환경의 매질 음속을 나타낸다. Here, f d represents the target detection frequency, and c represents the medium sound speed of the detection environment.
배열센서의 설계주파수보다 주파수 대역이 높아질수록 탐지 방위 내에 공간 에일리어싱의 발생 빈도가 증가한다. 따라서, 표적을 탐지하는 주파수 대역을 만족할 수 있도록 배열센서의 설계주파수가 설정될 수 있다. As the frequency band increases higher than the design frequency of the array sensor, the occurrence frequency of spatial aliasing within the detection direction increases. Therefore, the design frequency of the array sensor can be set so as to satisfy the frequency band for detecting the target.
수학식 1 및 수학식 2를 보면, 배열센서의 센서 간격을 줄이면, 배열센서의 설계주파수가 증가될 수 있으나, 더 많은 센서가 필요하고, 이에 따라 신호처리 부하가 증가할 수 있다. 또한 각 센서를 배치할 수 있는 공간적인 제약으로 인해, 배열센서의 설계주파수를 증가시키는 데 한계가 있다. Looking at
실시예에 따르면, 배열센서의 형상을 유지한 상태에서 설계주파수보다 높은 주파수 대역에 대하여 공간 에일리어싱을 감소시킬 수 있는 빔 형성 방법이 제공될 수 있다. According to an embodiment, a beam forming method capable of reducing spatial aliasing for a frequency band higher than a design frequency while maintaining the shape of an array sensor can be provided.
도 2는 실시예에 따른 빔 형성 방법을 나타낸 도면이다. Fig. 2 is a drawing showing a beam forming method according to an embodiment.
도 2를 참조하면, 빔 형성 장치는 탐지 방위별 빔 형성을 통해 시지연를 검출할 수 있다(S210). 도 1에서 설명한 단계들을 통해 탐지 방위별 빔 데이터를 생성할 수 있고, 표적 방위별 빔 데이터 출력을 통해 표적 방위가 검출될 수 있다. Referring to Fig. 2, the beam forming device can detect the delay through beam forming according to the detection direction (S210). Through the steps described in Fig. 1, beam data according to the detection direction can be generated, and the target direction can be detected through the output of beam data according to the target direction.
다음, 빔 형성 장치는 검출된 표적 방위를 이용하여 배열센서의 설계주파수보다 높은 주파수 대역에서 발생되는 공간 에일리어싱을 감소시키기 위한 빔 형성을 수행할 수 있다(S220). Next, the beam forming device can perform beam forming to reduce spatial aliasing occurring in a frequency band higher than the design frequency of the array sensor by using the detected target direction (S220).
도 3은 실시예에 따른 공간 에일리어싱을 감소시키기 위한 빔 형성 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 4는 실시예에 따른 가상 센서의 설정과 실제 센서의 지연시간을 나타낸 도면이다. FIG. 3 is a flowchart illustrating a beam forming method for reducing spatial aliasing according to an embodiment, and FIG. 4 is a diagram illustrating settings of a virtual sensor and a delay time of an actual sensor according to an embodiment.
도 3 및 도 4를 참조하면, 빔 형성 장치는 센서 간격이 조밀해지도록 가상 센서(30)를 설정할 수 있다(S310). 어떤 실시예에서, 빔 형성 장치는 배열센서의 센서(10, 20) 사이에 적어도 하나의 가상 센서(30)를 설정할 수 있다. 두 센서(10, 20) 사이의 센서 간격 d는 수학식 1을 토대로 설정될 수 있다. 어떤 실시예에서, 두 센서(10, 20) 사이에 하나의 가상 센서(30)가 설정되면, 센서 간격은 d/2일 수 있다. 어떤 실시예에서, 두 센서(10, 20) 사이에 3개의 가상 센서(30)가 설정되면, 센서 간격은 d/4일 수 있다. 도 3에서는 편의상 두 센서(10, 20)와 두 센서(10, 20) 사이에 하나의 가상 센서(30)가 위치하는 것으로 도시하였다. Referring to FIGS. 3 and 4, the beam forming device can set the virtual sensors (30) so that the sensor spacing becomes dense (S310). In some embodiments, the beam forming device can set at least one virtual sensor (30) between the sensors (10, 20) of the array sensors. The sensor spacing d between the two sensors (10, 20) can be set based on
아래에서는 배열센서의 센서(10, 20)와 가상 센서(30)의 구별을 위해 배열센서의 센서(10, 20)를 실제 센서로 명명한다. Below, in order to distinguish between the sensor (10, 20) of the array sensor and the virtual sensor (30), the sensor (10, 20) of the array sensor is named as the actual sensor.
빔 형성 장치는 표적 방위 θ의 표적신호(수신신호)에 대한 실제 센서(10, 20) 및 가상 센서(30)의 지연시간을 계산할 수 있다(S320). The beam forming device can calculate the delay time of the actual sensor (10, 20) and the virtual sensor (30) for the target signal (received signal) of the target direction θ (S320).
표적 방위 θ의 표적신호(수신신호)에 대한 각 센서의 지연시간은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. The delay time of each sensor for the target signal (received signal) of the target direction θ can be expressed as in mathematical expression 3.
여기서, 는 i번째 수신신호의 m번째 센서에 대한 지연시간을 나타낼 수 있다. c는 탐지 환경의 매질 음속을 나타낸다. d는 센서 간격을 나타낼 수 있다.Here, can represent the delay time for the mth sensor of the ith received signal. c represents the medium sound speed of the detection environment. d can represent the sensor spacing.
예를 들어서, 도 4를 참조하면, 배열센서에서 실제 센서(10)를 기준으로 설정하면, m=1인 실제 센서(10)의 지연시간은 0으로 설정될 수 있고, 센서 간격이 d/2이고 m=2인 가상 센서(30)의 시간지연은 (d/2c)sinθi로 설정될 수 있고, 센서 간격이 d/2이고 m=3인 실제 센서(20)의 시간지연은 (d/c)sinθi로 설정될 수 있다. For example, referring to FIG. 4, when setting the actual sensor (10) as a reference in the array sensor, the delay time of the actual sensor (10) with m=1 can be set to 0, the time delay of the virtual sensor (30) with a sensor interval of d/2 and m=2 can be set to (d/2c)sinθ i , and the time delay of the actual sensor (20) with a sensor interval of d/2 and m=3 can be set to (d/c)sinθ i .
이와 같이, 배열센서의 각 실제 센서의 수신신호는 표적 방위 θ에 대하여 수학식 3에 도시된 시간지연을 갖는다. In this way, the reception signal of each actual sensor of the array sensor has a time delay as shown in mathematical expression 3 with respect to the target orientation θ.
도 5는 실시예에 따른 실제 센서의 지연시간 보상과 가상 센서의 가상 시지연 신호를 나타낸 도면이다. FIG. 5 is a diagram showing the delay time compensation of an actual sensor and a virtual time delay signal of a virtual sensor according to an embodiment.
도 3 및 도 5를 참조하면, 빔 형성 장치는 각 실제 센서(10, 20)의 수신신호[S1(t), S2(t)]로부터 각 실제 센서(10, 20)의 지연시간을 이용하여 각 실제 센서(10, 20)의 시지연 신호[S'1(t), S'2(t)]를 생성할 수 있다(S330). 빔 형성 장치는 각 실제 센서(10, 20)의 수신신호[S1(t), S2(t)]에 대해 각 실제 센서(10, 20)의 지연시간을 보상하여, 표적 방위 θ에 대한 각 실제 센서(10, 20)의 수신신호간 위상을 맞출 수 있다. 각 실제 센서(10, 20)의 시지연 신호[S'1(t), S'2(t)]는 각 실제 센서(10, 20)의 지연시간이 보상된 각 실제 센서(10, 20)의 수신신호일 수 있다. Referring to FIGS. 3 and 5, the beam forming device can generate a time delay signal [S ' 1 (t), S ' 2 (t)] of each actual sensor (10, 20) by using the delay time of each actual sensor (10, 20) from the reception signal [S 1 (t), S 2 (t)] of each actual sensor (10, 20) (S330). The beam forming device can compensate for the delay time of each actual sensor (10, 20) for the reception signal [S 1 (t), S 2 (t)] of each actual sensor (10, 20) to match the phase between the reception signals of each actual sensor (10, 20) for the target direction θ. The time delay signal [S' 1 (t), S' 2 (t)] of each real sensor (10, 20) may be a reception signal of each real sensor (10, 20) with the delay time of each real sensor (10, 20) compensated for.
즉, 이러한 과정을 통해 도 5에 도시된 바와 같이 실제 센서(20)의 수신신호[S2(t)]에 대한 시지연 신호[S'2(t)]와 실제 센서(10)의 수신신호[S1(t)]에 대한 시지연 신호[S'1(t)]의 위상이 동일해질 수 있다. That is, through this process, the phases of the delay signal [S ' 2 (t)] for the reception signal [S 2 (t)] of the actual sensor (20) and the delay signal [S' 1 (t)] for the reception signal [S 1 (t)] of the actual sensor (10) can become identical, as shown in FIG. 5.
빔 형성 장치는 각 실제 센서(10, 20)의 시지연 신호[S'1(t), S'2(t)]로부터 보간법을 이용하여 가상 센서(30)의 가상 시지연 신호[S'il(t)]를 생성할 수 있다(S340). 여기서 보간법은 센서의 공간과 시간에 대한 2차원 선형 보간을 나타낼 수 있다. 어떤 실시예에서, 빔 형성을 주파수 영역에서 수행한다면 센서의 공간과 신호의 주파수에 따라 보간법이 적용될 수 있다. The beam forming device can generate a virtual time delay signal [S' il (t)] of a virtual sensor (30) from the time delay signals [S' 1 (t), S' 2 (t)] of each real sensor ( 10 , 20) using an interpolation method (S340). Here, the interpolation method can represent a two-dimensional linear interpolation for the space and time of the sensor. In some embodiments, if beam forming is performed in the frequency domain, the interpolation method can be applied according to the space of the sensor and the frequency of the signal.
가상 센서(30)의 가상 시지연 신호[S'il(t)]는 가상 센서(30)의 시간지연이 보상된 신호이다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 가상 센서(30)의 가상 시지연 신호[S'il(t)]의 위상은 실제 센서(20)의 수신신호[S2(t)]에 대한 시지연 신호[S'2(t)]와 실제 센서(10)의 수신신호[S1(t)]에 대한 시지연 신호[S'1(t)]의 위상과 동일하다. The virtual time delay signal [S' il (t)] of the virtual sensor (30) is a signal in which the time delay of the virtual sensor (30) is compensated. Therefore, as shown in FIG. 5, the phase of the virtual time delay signal [S' il (t)] of the virtual sensor (30) is the same as the phase of the time delay signal [S ' 2 (t)] for the reception signal [S 2 (t)] of the real sensor (20) and the phase of the time delay signal [S' 1 (t)] for the reception signal [S 1 (t)] of the real sensor (10).
도 6은 실시예에 따른 가상 센서의 가상 수신신호를 나타낸 도면이다. Fig. 6 is a diagram showing a virtual reception signal of a virtual sensor according to an embodiment.
도 3 및 도 6을 참조하면, 빔 형성 장치는 가상 센서(30)의 가상 시지연 신호[S'il(t)]에 대하여, 가상 센서(30)의 지연시간을 역으로 보상하여, 가상 센서(30)의 가상 수신신호[Si1(t)]를 생성할 수 있다(S350). 즉, 가상 센서(30)의 가상 수신신호는 가상 센서(30)의 지연시연만큼 지연된 가상 센서(30)의 수신신호일 수 있다. Referring to FIGS. 3 and 6, the beam forming device can generate a virtual reception signal [S i1 (t)] of the virtual sensor (30) by inversely compensating for the delay time of the virtual sensor (30) with respect to the virtual time delay signal [S' il (t)] of the virtual sensor (30) (S350). That is, the virtual reception signal of the virtual sensor (30) can be a reception signal of the virtual sensor (30) delayed by the delay time of the virtual sensor (30).
이렇게 함으로써, 빔 형성 장치는 각 실제 센서(10, 20)의 수신신호[S1(t), S2(t)]와 가상 센서(30)의 가상 수신신호[Si1(t)]를 획득할 수 있으며, 각 실제 센서(10, 20)의 수신신호[Si1(t)]와 가상 센서(30)의 가상 수신신호[Si1(t)]는 도 6에 도시된 바와 같이 실제 센서(10, 20) 및 가상 센서(30) 각각의 지연시간이 있을 수 있다. By doing so, the beam forming device can obtain the reception signal [S 1 (t), S 2 (t)] of each real sensor (10, 20) and the virtual reception signal [S i1 (t)] of the virtual sensor (30), and the reception signal [S i1 (t)] of each real sensor (10, 20) and the virtual reception signal [S i1 (t)] of the virtual sensor (30) may have a delay time of each of the real sensors (10, 20) and the virtual sensor (30), as illustrated in FIG. 6.
다음, 빔 형성 장치는 각 실제 센서(10, 20)의 수신신호[S1(t), S2(t)]와 가상 센서(30)의 가상 수신신호[Si1(t)]를 탐지 방위에 따라 각 센서의 지연시간을 보상하여, 탐지 방위별 각 실제 센서(10, 20)와 가상 센서(30)의 시지연 신호를 생성할 수 있다(S360). 즉, 빔 형성 장치는 탐지 방위별로 각 실제 센서(10, 20)의 수신신호[S1(t), S2(t)]와 가상 센서(30)의 가상 수신신호[Si1(t)]의 위상을 맞춘다. Next, the beam forming device compensates for the delay time of each sensor according to the detection direction by receiving signals [S 1 (t), S 2 (t)] of each real sensor (10, 20) and virtual receiving signals [S i1 (t)] of the virtual sensor (30), so as to generate time delay signals of each real sensor (10, 20) and virtual sensor (30) according to the detection direction (S360). That is, the beam forming device aligns the phases of the receiving signals [S 1 (t), S 2 (t)] of each real sensor (10, 20) and the virtual receiving signals [S i1 (t)] of the virtual sensor (30) according to the detection direction.
빔 형성 장치는 탐지 방위별 각 실제 센서(10, 20)와 가상 센서(30)의 시지연 신호[S'1(t), S'2(t), S'i1(t)]를 합하여 탐지 방위별 빔 데이터를 생성할 수 있다(S370). The beam forming device can generate beam data for each detection direction by combining the time delay signals [S' 1 (t), S' 2 (t), S' i1 (t)] of each real sensor (10, 20) and virtual sensor (30) for each detection direction (S370).
이와 같이, 탐지 방위별로 각 실제 센서(10, 20)의 시지연 신호[S'1(t), S'2(t)]에 가상 센서(30)의 시지연 신호[S'i1(t)]를 추가로 합하여 빔 데이터를 생성함으로써, 배열센서의 설계주파수보다 높은 주파수 대역에서의 공간 에일리어싱을 감소시킬 수 있다. 이에 따라서, 설계주파수 이상의 주파수 대역에서 공간 에일리어싱에 의해 발생하는 복잡한 탐지정보가 비교적 간결해짐으로써, 관측자가 표적의 존재 여부를 판단하기 용이해질 수 있다. In this way, by additionally adding the time delay signal [S' i1 (t)] of the virtual sensor (30) to the time delay signal [S' 1 ( t), S' 2 (t)] of each actual sensor (10, 20) for each detection direction to generate beam data, spatial aliasing in a frequency band higher than the design frequency of the array sensor can be reduced. Accordingly, complex detection information generated by spatial aliasing in a frequency band higher than the design frequency becomes relatively simple, making it easier for an observer to determine whether a target exists.
도 7은 한 실시예에 따른 빔 형성 장치를 나타낸 도면이다. FIG. 7 is a drawing showing a beam forming device according to one embodiment.
도 7을 참조하면, 빔 형성 장치는 배열센서(710), 수신 처리부(720), 표적 방위 검출부(730), 가상 센서 설정부(740), 가상 신호 생성부(750), 및 빔 형성 처리부(760)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 7, the beam forming device may include an array sensor (710), a receiving processing unit (720), a target direction detection unit (730), a virtual sensor setting unit (740), a virtual signal generation unit (750), and a beam forming processing unit (760).
배열센서(710)는 복수의 실제 센서를 포함할 수 있다. 복수의 배열센서가 등간격으로 배열되어 있을 수 있다. The array sensor (710) may include a plurality of actual sensors. A plurality of array sensors may be arranged at equal intervals.
수신 처리부(720)는 배열센서(710)의 각 실제 센서의 수신신호를 획득할 수 있다. The reception processing unit (720) can obtain the reception signal of each actual sensor of the array sensor (710).
표적 방위 검출부(730)는 배열센서(710)의 각 실제 센서의 수신신호를 처리하여 표적 방위를 검출할 수 있다. 표적 방위 검출부(730)는 배열센서(710)의 각 실제 센서의 수신신호로부터 탐지 방위별 빔 형성을 통해 표적 방위를 검출할 수 있다. The target direction detection unit (730) can detect the target direction by processing the reception signal of each actual sensor of the array sensor (710). The target direction detection unit (730) can detect the target direction by forming a beam for each detection direction from the reception signal of each actual sensor of the array sensor (710).
가상 센서 설정부(740)는 센서 간격이 조밀해지도록 실제 센서 사이에 적어도 하나의 가상 센서를 설정할 수 있다. The virtual sensor setting unit (740) can set at least one virtual sensor between actual sensors so that the sensor spacing becomes dense.
가상 신호 생성부(750)는 실제 센서의 수신신호를 이용하여 가상 센서의 가상 수신신호를 생성할 수 있다. 가상 신호 생성부(750)는 도 3 내지 도 6을 토대로 설명한 방법을 통해 가상 센서의 가상 수신신호를 생성할 수 있다. The virtual signal generation unit (750) can generate a virtual reception signal of a virtual sensor using a reception signal of an actual sensor. The virtual signal generation unit (750) can generate a virtual reception signal of a virtual sensor using the method described based on FIGS. 3 to 6.
빔 형성 처리부(760)는 실제 센서의 수신신호와 가상 센서의 가상 수신신호를 탐지 방위별로 빔 형성할 수 있다. The beam forming processing unit (760) can form beams according to the detection direction using the reception signal of the actual sensor and the virtual reception signal of the virtual sensor.
그러면, 실시예에 따른 빔 형성 방법에서 공간 에일리어싱이 감소되는 효과에 대해 도 8 내지 18을 참고로 하여 설명한다. Then, the effect of reducing spatial aliasing in the beam forming method according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 8 to 18.
도 8은 시뮬레이션 환경의 일 예를 나타낸다.Figure 8 shows an example of a simulation environment.
도 8을 참조하면, 시뮬레이션 환경은 음속이 1500 m/s인 수중으로 가정하였고, 설계주파수(Fd)가 4 kHz이고, 센서 간격이 λ/2(=0.1875m)인 9개의 센서를 가진 배열센서가 자유 공간상에 배치되었다. 이때 샘플링 주파수가 16,384 Hz이고, 1~7 kHz 주파수 대역의 표적신호가 배열센서를 기준으로 수평 방위(θ) 30°에서 수신되는 것으로 가정하였고, 무지향성 백색 소음이 표적신호와 함께 수신되는 것으로 설정하였다. Referring to Fig. 8, the simulation environment was assumed to be underwater with a sound speed of 1500 m/s, and an array sensor having 9 sensors with a design frequency (Fd) of 4 kHz and a sensor spacing of λ/2 (=0.1875 m) was placed in free space. At this time, it was assumed that the sampling frequency was 16,384 Hz, and a target signal in the frequency band of 1 to 7 kHz was received at a horizontal direction (θ) of 30° based on the array sensor, and omnidirectional white noise was set to be received together with the target signal.
도 9는 도 8에 도시된 시뮬레이션 환경에서 측정된 배열센서의 수신신호를 나타낸 도면이다.Figure 9 is a diagram showing the reception signal of the array sensor measured in the simulation environment illustrated in Figure 8.
도 9에서, 세로축은 실제 센서의 인덱스를 나타낼 수 있다. In Fig. 9, the vertical axis can represent the index of the actual sensor.
도 8에 도시된 시뮬레이션 환경에서 측정된 9개의 실제 센서의 시간에 따른 수신신호는 도 9와 같이 나타났다. The time-dependent reception signals of nine actual sensors measured in the simulation environment illustrated in Fig. 8 are shown in Fig. 9.
도 9에 도시된 9개의 실제 센서의 수신신호를 이용하여 도 1에 도시된 빔 형상 방법에 따라 빔 데이터를 형성하면, 도 10에 도시된 바와 같이 나타났다.When beam data is formed according to the beam shape method illustrated in Fig. 1 using the reception signals of the nine actual sensors illustrated in Fig. 9, it appears as illustrated in Fig. 10.
도 10은 도 9에 도시된 수신신호를 이용한 기존 빔 형성 방법에 따른 빔 패턴을 나타낸 도면이다. FIG. 10 is a drawing showing a beam pattern according to a conventional beam forming method using the reception signal illustrated in FIG. 9.
도 9에 도시된 9개의 실제 센서의 수신신호를 이용하여 도 1에 도시된 빔 형상 방법에 따라 빔 데이터를 생성하면, 주파수와 빔 조향 방위(탐지 방위)에 따른 빔 데이터가 도 10에 도시된 바와 같이 도출될 수 있다. When beam data is generated according to the beam shape method illustrated in FIG. 1 using the reception signals of nine actual sensors illustrated in FIG. 9, beam data according to frequency and beam steering direction (detection direction) can be derived as illustrated in FIG. 10.
도 10을 보면, 기존 빔 형성에 따라 수평 방위 30°에서 주파수에 따라 상관성이 일정한 신호가 수신되는 것이 확인된다. 그러나 4 kHz 이상의 주파수 대역에서 표적 방위(즉, 수평 방위 30°)가 아닌 방위 영역(910)에서 공간 에일리어싱이 발생하는 것을 알 수 있다. Referring to Fig. 10, it can be confirmed that a signal with a constant correlation according to frequency is received at a horizontal orientation of 30° according to the existing beam forming. However, it can be seen that spatial aliasing occurs in an orientation area (910) other than the target orientation (i.e., horizontal orientation of 30°) in a frequency band of 4 kHz or higher.
도 11은 실시예에 따른 가상 센서의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 12는 시뮬레이션 환경에서 도 11에 도시된 실제 센서 및 가상 센서의 수신신호를 나타낸 도면이다. FIG. 11 is a diagram showing an example of a virtual sensor according to an embodiment, and FIG. 12 is a diagram showing reception signals of the actual sensor and virtual sensor shown in FIG. 11 in a simulation environment.
도 11을 참조하면, 빔 형성 장치는 도 8에 도시된 시뮬레이션 환경에서 센서 간격이 λ/4 가 되도록 실제 센서 사이에 가상 센서를 설정할 수 있다. 2개의 실제 센서 사이에 하나의 가상 센서가 설정되면, 센서 간격은 λ/4로서, 도 8에 도시된 센서 간격보다 조밀해질 수 있다. Referring to FIG. 11, the beam forming device can set a virtual sensor between the actual sensors so that the sensor spacing becomes λ/4 in the simulation environment illustrated in FIG. 8. If one virtual sensor is set between two actual sensors, the sensor spacing can be λ/4, which can be tighter than the sensor spacing illustrated in FIG. 8.
9개의 실제 센서와 8개의 가상 센서의 시간에 따른 수신신호는 도 12와 같이 나타났다.The time-dependent reception signals of nine real sensors and eight virtual sensors are shown in Fig. 12.
도 12에 도시된 9개의 실제 센서와 8개의 가상 센서의 수신신호를 이용하여 도 3에 도시된 빔 형상 방법에 따라 빔 데이터를 생성하면, 도 13에 도시된 바와 같이 나타났다. When beam data is generated according to the beam shape method illustrated in FIG. 3 using the reception signals of the nine real sensors and eight virtual sensors illustrated in FIG. 12, it appears as illustrated in FIG. 13.
도 13은 도 11에 도시된 수신신호를 이용한 실시예의 빔 형성 방법에 따른 빔 패턴을 나타낸 도면이다. FIG. 13 is a drawing showing a beam pattern according to a beam forming method of an embodiment using the reception signal illustrated in FIG. 11.
도 12에 도시된 9개의 실제 센서와 8개의 가상 센서의 수신신호를 이용하여 도 3에 도시된 빔 형상 방법에 따라 빔 데이터를 생성하면, 주파수와 빔 조향 방위(탐지 방위)에 따른 빔 데이터가 도 13에 도시된 바와 같이 도출될 수 있다. When beam data is generated according to the beam shape method illustrated in FIG. 3 using the reception signals of the nine real sensors and eight virtual sensors illustrated in FIG. 12, beam data according to frequency and beam steering direction (detection direction) can be derived as illustrated in FIG. 13.
즉, 빔 형성 장치는 9개의 실제 센서의 수신신호를 표적 방위 30°로 시지연하여, 시지연 신호를 생성하고, 9개의 시지연 신호를 이용하여 실제 센서의 공간과 시간으로부터 가상 센서의 공간과 시간에 따른 2차원 선형 보간을 수행함으로써, 8개의 가상 센서의 가상 시지연 신호를 생성할 수 있다. 다음, 빔 형성 장치는 8개의 가상 센서의 가상 시지연 신호를 표적 방위 30°로 역 시지연하여, 8개의 가상 센서의 가상 수신신호를 도출할 수 있다. 빔 형성 장치는 9개의 실제 센서의 수신신호와 8개의 가상 센서의 가상 수신신호를 통합하여 탐지 방위별 빔 형성을 수행할 수 있다. That is, the beam forming device can generate a delay signal by delaying the reception signals of the nine real sensors by a target direction of 30°, and perform two-dimensional linear interpolation from the space and time of the real sensors to the space and time of the virtual sensors using the nine delay signals, thereby generating virtual delay signals of the eight virtual sensors. Next, the beam forming device can derive virtual reception signals of the eight virtual sensors by inversely delaying the virtual delay signals of the eight virtual sensors by a target direction of 30°. The beam forming device can perform beam forming for each detection direction by integrating the reception signals of the nine real sensors and the virtual reception signals of the eight virtual sensors.
도 10 및 도 13을 함께 참조하면, 도 13에 도시된 빔 패턴에서는 도 10에 도시된 4 kHz 이상의 주파수 대역에서 표적 방위(즉, 수평 방위 30°)가 아닌 방위 영역(910)에 존재하는 공간 에일리어싱이 감소되는 것을 확인할 수 있다. 또한 도 13에 도시된 빔 패턴에서도 표적 방위 30°에서는 상관성이 일정한 신호가 유지되는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 10 and 13 together, it can be confirmed that in the beam pattern illustrated in FIG. 13, spatial aliasing existing in an azimuth region (910) other than the target azimuth (i.e.,
도 14는 도 10 및 도 13에 도시된 빔 패턴에서 5 kHz에서의 빔 패턴을 나타낸 그래프도이고, 도 15는 도 10 및 도 13에 도시된 빔 패턴에서 7 kHz에서의 빔 패턴을 나타낸 그래프도이다. FIG. 14 is a graph showing a beam pattern at 5 kHz in the beam patterns shown in FIG. 10 and FIG. 13, and FIG. 15 is a graph showing a beam pattern at 7 kHz in the beam patterns shown in FIG. 10 and FIG. 13.
도 14 및 도 15에서, 가로축은 탐지 방위를 나타내며, -200도에서 200도의 방위 범위를 도시하였다. 세로축은 정규화된 빔 패턴의 빔 세기를 나타내며, 표적 방위 30°에서의 피크 세기를 기준으로 정규화된 빔 패턴을 도시하였다. In FIGS. 14 and 15, the horizontal axis represents the detection direction, and the direction range from -200 degrees to 200 degrees is depicted. The vertical axis represents the beam intensity of the normalized beam pattern, and the normalized beam pattern is depicted based on the peak intensity at 30° of the target direction.
도 14에서, 1410은 도 1에 도시된 기존 빔 형성 방법에 따른 5 kHz에서의 정규화된 빔 패턴을 나타내며, 1420은 도 3에 도시된 실시예의 빔 형성 방법에 따른 5 kHz에서의 정규화된 빔 패턴을 나타낸다. In FIG. 14, 1410 represents a normalized beam pattern at 5 kHz according to the conventional beam forming method illustrated in FIG. 1, and 1420 represents a normalized beam pattern at 5 kHz according to the beam forming method of the embodiment illustrated in FIG. 3.
도 15에서, 1510은 도 1에 도시된 기존 빔 형성 방법에 따른 7 kHz에서의 정규화된 빔 패턴을 나타내며, 1520은 도 3에 도시된 빔 형성 방법에 따른 7 kHz에서의 정규화된 빔 패턴을 나타낸다. In FIG. 15, 1510 represents a normalized beam pattern at 7 kHz according to the conventional beam forming method illustrated in FIG. 1, and 1520 represents a normalized beam pattern at 7 kHz according to the beam forming method illustrated in FIG. 3.
도 14 및 도 15를 참조하여 배열센서의 설계주파수인 4 kHz 이상에 해당하는 5 kHz와 7 kHz의 주파수 대역에서 기존 빔 형성 방법에 따른 빔 패턴과 도 3에 도시된 빔 형성 방법에 따른 빔 패턴을 비교하면, 도 3에 도시된 빔 형성 방법에 따른 빔 패턴이 기존 빔 형성 방법에 따른 빔 패턴에 비해 표적 방위 30°가 아닌 방위 영역, 즉 사이드 로브(side lobe)에서의 빔 세기 및 공간 에어리어싱이 줄어든 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 14 and 15, when comparing a beam pattern according to a conventional beam forming method with a beam pattern according to a beam forming method illustrated in FIG. 3 in a frequency band of 5 kHz and 7 kHz corresponding to 4 kHz or more, which is the design frequency of the array sensor, it can be confirmed that the beam pattern according to the beam forming method illustrated in FIG. 3 has reduced beam intensity and spatial aliasing in a direction area other than the target direction of 30°, i.e., the side lobe, compared to the beam pattern according to the conventional beam forming method.
도 16은 시뮬레이션 환경에서 센서 간격이 λ/8인 실제 센서 및 가상 센서의 수신신호를 나타낸 도면이다. Figure 16 is a diagram showing the reception signals of an actual sensor and a virtual sensor with a sensor spacing of λ/8 in a simulation environment.
빔 형성 장치는 도 8에 도시된 시뮬레이션 환경에서 센서 간격이 λ/8 가 되도록 실제 센서 사이에 3개의 가상 센서를 설정할 수 있고, 24개의 가상 센서와 9개의 실제 센서의 시간에 따른 수신신호는 도 16과 같이 나타났다.The beam forming device can set three virtual sensors between the actual sensors so that the sensor spacing is λ/8 in the simulation environment illustrated in Fig. 8, and the reception signals of 24 virtual sensors and 9 actual sensors over time are presented as in Fig. 16.
도 16에 도시된 9개의 실제 센서와 24개의 가상 센서의 수신신호를 이용하여 도 3에 도시된 빔 형상 방법에 따라 빔 데이터를 생성하면, 도 17에 도시된 바와 같이 나타났다. When beam data is generated according to the beam shape method illustrated in Fig. 3 using the reception signals of the 9 real sensors and 24 virtual sensors illustrated in Fig. 16, it appears as illustrated in Fig. 17.
도 17은 도 16에 도시된 수신신호를 이용한 실시예의 빔 형성 방법에 따른 빔 패턴을 나타낸 도면이다. FIG. 17 is a drawing showing a beam pattern according to a beam forming method of an embodiment using the reception signal illustrated in FIG. 16.
도 16에 도시된 9개의 실제 센서와 24개의 가상 센서의 수신신호를 이용하여 도 3에 도시된 빔 형상 방법에 따라 빔 데이터를 생성하면, 주파수와 빔 조향 방위(탐지 방위)에 따른 빔 데이터가 도 17에 도시된 바와 같이 도출될 수 있다. When beam data is generated according to the beam shape method illustrated in FIG. 3 using the reception signals of the 9 real sensors and 24 virtual sensors illustrated in FIG. 16, beam data according to frequency and beam steering direction (detection direction) can be derived as illustrated in FIG. 17.
도 10 및 도 17을 함께 참조하면, 도 17에 도시된 빔 패턴에서는 도 10에 도시된 4 kHz 이상의 주파수 대역에서 표적 방위(즉, 수평 방위 30°)가 아닌 방위 영역(910)에 존재하는 공간 에일리어싱이 감소되는 것을 확인할 수 있다. 또한 도 17에 도시된 빔 패턴에서도 표적 방위 30°에서는 상관성이 일정한 신호가 유지되는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 10 and FIG. 17 together, it can be confirmed that in the beam pattern illustrated in FIG. 17, spatial aliasing existing in an azimuth region (910) other than the target azimuth (i.e.,
도 18은 도 10, 도 13, 및 도 17에 도시된 빔 패턴에서 4 kHz에서의 빔 패턴을 나타낸 그래프도이다. FIG. 18 is a graph showing the beam pattern at 4 kHz in the beam patterns shown in FIG. 10, FIG. 13, and FIG. 17.
도 18에서, 가로축은 탐지 방위를 나타내며, -200도에서 200도의 탐지 범위를 도시하였다. 세로축은 정규화된 빔 패턴의 빔 세기를 나타내며, 표적 방위 30°에서의 피크 세기를 기준으로 정규화된 빔 패턴을 도시하였다. In Fig. 18, the horizontal axis represents the detection direction, and the detection range from -200 degrees to 200 degrees is depicted. The vertical axis represents the beam intensity of the normalized beam pattern, and the normalized beam pattern is depicted based on the peak intensity at 30° of the target direction.
도 18에서, 1810은 도 10에 도시된 빔 패턴에서 4 kHz에서의 정규화된 빔 패턴을 나타내고, 1820은 도 13에 도시된 빔 패턴에서 4 kHz에서의 정규화된 빔 패턴을 나타내고, 1830은 도 17에 도시된 빔 패턴에서 4 kHz에서의 정규화된 빔 패턴을 나타낸다. In FIG. 18, 1810 represents a normalized beam pattern at 4 kHz in the beam pattern illustrated in FIG. 10, 1820 represents a normalized beam pattern at 4 kHz in the beam pattern illustrated in FIG. 13, and 1830 represents a normalized beam pattern at 4 kHz in the beam pattern illustrated in FIG. 17.
도 18을 참조하면, 실제 센서 사이에 가상 센서를 설정하여 빔 간격이 조밀해질수록, 표적 방위 30°가 아닌 방위 영역, 즉 사이드 로브(side lobe)에서의 빔 세기 및 공간 에어리어싱이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. Referring to Fig. 18, it can be seen that as the beam spacing becomes tighter by setting virtual sensors between actual sensors, the beam intensity and spatial aliasing in the side lobe, i.e., in the azimuth area other than the target azimuth of 30°, are reduced.
도 19는 다른 실시예에 따른 빔 형성 장치를 나타낸 도면이다.FIG. 19 is a drawing showing a beam forming device according to another embodiment.
도 19를 참조하면, 빔 형성 장치(100)는 앞에서 설명한 빔 형성 방법이 구현된 컴퓨팅 장치를 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 19, the beam forming device (100) may represent a computing device in which the beam forming method described above is implemented.
빔 형성 장치(100)는 프로세서(110), 메모리(120), 입력 인터페이스 장치(130), 출력 인터페이스 장치(140), 저장 장치(150) 및 네트워크 인터페이스 장치(160) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 각각의 구성 요소들은 공통 버스(bus)(170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다. 또한, 각각의 구성 요소들은 공통 버스(170)가 아니라, 프로세서(110)를 중심으로 개별 인터페이스 또는 개별 버스를 통하여 연결될 수도 있다. The beam forming device (100) may include at least one of a processor (110), a memory (120), an input interface device (130), an output interface device (140), a storage device (150), and a network interface device (160). Each of the components may be connected to each other by a common bus (170). In addition, each of the components may be connected to each other through an individual interface or individual bus centered on the processor (110), rather than the common bus (170).
프로세서(110)는 AP(Application Processor), CPU(Central Processing Unit), GPU(Graphic Processing Unit) 등과 같은 다양한 종류들로 구현될 수 있으며, 메모리(120) 또는 저장 장치(150)에 저장된 명령을 실행하는 임의의 반도체 장치일 수 있다. 프로세서(110)는 메모리(120) 및 저장 장치(150) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 이러한 프로세서(110)는 도 8에 도시된 수신 처리부(720), 표적 방위 검출부(730), 가상 센서 설정부(740), 가상 신호 생성부(750), 및 빔 형성 처리부(760)의 적어도 일부 기능 및/또는 동작을 구현하기 위한 프로그램 명령을 메모리(120)에 저장하여, 도 1 내지 도 7을 토대로 설명한 기능 및/또는 동작이 수행되도록 제어할 수 있다. The processor (110) may be implemented in various types such as an AP (Application Processor), a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphic Processing Unit), etc., and may be any semiconductor device that executes a command stored in the memory (120) or the storage device (150). The processor (110) may execute a program command stored in at least one of the memory (120) and the storage device (150). The processor (110) may store a program command for implementing at least some functions and/or operations of the receiving processing unit (720), the target direction detection unit (730), the virtual sensor setting unit (740), the virtual signal generation unit (750), and the beam forming processing unit (760) illustrated in FIG. 8 in the memory (120), and control the functions and/or operations described based on FIGS. 1 to 7 to be performed.
메모리(120) 및 저장 장치(150)는 다양한 형태의 휘발성 또는 비 휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 ROM(read-only memory)(121) 및 RAM(random access memory)(122)를 포함할 수 있다. 메모리(120)는 프로세서(110)의 내부 또는 외부에 위치할 수 있고, 메모리(120)는 이미 알려진 다양한 수단을 통해 프로세서(110)와 연결될 수 있다. The memory (120) and storage device (150) may include various forms of volatile or non-volatile storage media. For example, the memory (120) may include a read-only memory (ROM) (121) and a random access memory (RAM) (122). The memory (120) may be located inside or outside the processor (110), and the memory (120) may be connected to the processor (110) through various means already known.
입력 인터페이스 장치(130)는 데이터를 프로세서(110)로 제공하도록 구성된다. The input interface device (130) is configured to provide data to the processor (110).
출력 인터페이스 장치(140)는 프로세서(110)로부터의 데이터를 출력하도록 구성된다. The output interface device (140) is configured to output data from the processor (110).
네트워크 인터페이스 장치(160)는 유선 네트워크 또는 무선 네트워크를 통해 외부의 장치와 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. The network interface device (160) can transmit or receive signals to or from an external device via a wired network or a wireless network.
본 기재의 실시 예에 따른 빔 형성 방법 중 적어도 일부는 컴퓨팅 장치에서 실행되는 프로그램 또는 소프트웨어로 구현될 수 있고, 프로그램 또는 소프트웨어는 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 저장될 수 있다. At least some of the beam forming methods according to embodiments of the present disclosure may be implemented as a program or software running on a computing device, and the program or software may be stored on a computer-readable medium.
또한 본 기재의 실시 예에 따른 빔 형성 방법 중 적어도 일부는 컴퓨팅 장치와 전기적으로 접속될 수 있는 하드웨어로 구현될 수도 있다. Additionally, at least some of the beam forming methods according to embodiments of the present disclosure may be implemented as hardware that can be electrically connected to a computing device.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims also fall within the scope of the present invention.
Claims (10)
상기 표적의 수평 방위에서 송출되는 표적신호에 대하여 제1 간격으로 배열된 복수의 제1 센서의 수신신호를 획득하는 단계,
상기 제1 간격보다 센서 간격이 조밀해지도록 복수의 가상 센서를 설정하는 단계,
상기 복수의 제1 센서의 수신신호에 각각 상기 복수의 제1 센서의 시간지연을 보상하여 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호를 생성하는 단계,
상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호로부터 보간을 통해 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호를 생성하는 단계,
상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호에 각각 상기 복수의 가상 센서의 시간지연을 역보상하여, 상기 복수의 가상 센서의 수신신호를 생성하는 단계, 그리고
상기 복수의 제1 센서의 수신신호와 상기 복수의 가상 센서의 수신신호로부터 탐지 방위별로 빔 형성하는 단계
를 포함하는 빔 형성 방법. In a beam forming method for target detection in a beam forming device,
A step of acquiring reception signals of a plurality of first sensors arranged at a first interval for a target signal transmitted in the horizontal direction of the target,
A step of setting a plurality of virtual sensors so that the sensor spacing becomes denser than the first spacing above,
A step of compensating for the time delay of each of the plurality of first sensors in the reception signals of the plurality of first sensors to generate a time delay signal of the plurality of first sensors,
A step of generating a time delay signal of the plurality of virtual sensors through interpolation from the time delay signals of the plurality of first sensors,
A step of generating a reception signal of the plurality of virtual sensors by inversely compensating for the time delay of each of the plurality of virtual sensors to the time delay signals of the plurality of virtual sensors, and
A step of forming a beam according to detection direction from the reception signals of the plurality of first sensors and the reception signals of the plurality of virtual sensors.
A beam forming method comprising:
상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호를 생성하는 단계는
상기 표적의 수평 방위에서 송출되는 표적신호에 대한 상기 복수의 제1 센서의 지연시간 및 상기 복수의 가상 센서의 지연시간을 계산하는 단계를 포함하는,
빔 형성 방법. In the first paragraph,
The step of generating the delay signal of the plurality of first sensors is
Comprising a step of calculating the delay time of the plurality of first sensors and the delay time of the plurality of virtual sensors for the target signal transmitted in the horizontal direction of the target.
Beam forming method.
상기 탐지 방위별로 빔 형성하는 단계는
상기 복수의 제1 센서의 수신신호와 상기 복수의 가상 센서의 수신신호에 각각 상기 복수의 제1 센서의 지연시간 및 상기 복수의 가상 센서의 지연시간을 보상하여, 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호와 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호를 생성하는 단계, 그리고
상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호와 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호로부터 상기 탐지 방위별 빔 데이터를 생성하는 단계를 포함하는,
빔 형성 방법.In the second paragraph,
The step of forming a beam according to the above detection direction is
A step of compensating for the delay time of the plurality of first sensors and the delay time of the plurality of virtual sensors to the reception signals of the plurality of first sensors and the reception signals of the plurality of virtual sensors, respectively, to generate a time delay signal of the plurality of first sensors and a time delay signal of the plurality of virtual sensors, and
A step of generating the detection direction-specific beam data from the delay signals of the plurality of first sensors and the delay signals of the plurality of virtual sensors,
Beam forming method.
상기 복수의 제1 센서의 지연시간 및 상기 복수의 가상 센서의 지연시간을 계산하는 단계는
상기 복수의 제1 센서의 수신신호를 이용한 빔 형성을 통해 상기 표적의 수평 방위를 검출하는 단계, 그리고
상기 표적의 수평 방위와 센서 간격, 및 각 센서의 위치를 토대로 상기 복수의 제1 센서의 지연시간 및 상기 복수의 가상 센서의 지연시간을 계산하는 단계를 포함하는,
빔 형성 방법. In the second paragraph,
The step of calculating the delay time of the plurality of first sensors and the delay time of the plurality of virtual sensors is
A step of detecting the horizontal direction of the target by forming a beam using the reception signals of the plurality of first sensors, and
Comprising a step of calculating the delay time of the plurality of first sensors and the delay time of the plurality of virtual sensors based on the horizontal direction of the target, the sensor interval, and the position of each sensor.
Beam forming method.
상기 보간은 공간과 시간 또는 공간과 주파수에 대한 2차원 선형 보간을 포함하는,
빔 형성 방법.In the first paragraph,
The above interpolation includes two-dimensional linear interpolation over space and time or over space and frequency.
Beam forming method.
표적으로부터 송출되는 표적신호에 대하여 제1 간격으로 배열되어 있는 복수의 제1 센서에서 수신된 수신신호를 획득하는 수신 처리부,
각 제1 센서 사이에 적어도 하나의 가상 센서를 설정하는 가상 센서 설정부,
상기 복수의 제1 센서의 수신신호에 각각 상기 복수의 제1 센서의 시간지연을 보상하여 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호를 생성하고, 상기 복수의 제1 센서의 시지연 신호를 이용한 선형 보간을 통해 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호를 생성하며, 상기 복수의 가상 센서의 시지연 신호에 각각 상기 복수의 가상 센서의 시간지연을 역보상하여, 상기 복수의 가상 센서 각각의 시간지연을 갖는 상기 복수의 가상 센서의 수신신호를 생성하는 가상 신호 생성부, 그리고
상기 복수의 제1 센서의 수신신호와 상기 복수의 가상 센서의 수신신호로부터 탐지 방위별 빔 데이터를 생성하는 빔 형성 처리부
를 포함하는 빔 형성 장치. In a beam forming device for target detection,
A receiving processing unit that obtains a receiving signal received from a plurality of first sensors arranged at a first interval with respect to a target signal transmitted from a target;
A virtual sensor setting unit for setting at least one virtual sensor between each first sensor;
A virtual signal generation unit that generates time delay signals of the plurality of first sensors by compensating for the time delay of the plurality of first sensors in the reception signals of the plurality of first sensors, generates time delay signals of the plurality of virtual sensors through linear interpolation using the time delay signals of the plurality of first sensors, and generates reception signals of the plurality of virtual sensors having time delays of each of the plurality of virtual sensors by reverse compensating for the time delay of the plurality of virtual sensors in the time delay signals of the plurality of virtual sensors, and
A beam forming processing unit that generates beam data for each detection direction from the reception signals of the plurality of first sensors and the reception signals of the plurality of virtual sensors.
A beam forming device comprising:
상기 복수의 제1 센서에서 수신된 수신신호로부터 탐지 방위별 빔 형성을 통해 상기 표적의 수평 방위를 검출하는 표적 방위 검출부
를 더 포함하고,
상기 가상 신호 생성부는 상기 표적의 수평 방위와 센서 간격, 및 각 센서의 위치를 토대로 상기 복수의 제1 센서의 지연시간 및 상기 복수의 가상 센서의 지연시간을 계산하는,
빔 형성 장치. In Article 7,
A target direction detection unit that detects the horizontal direction of the target by forming a beam according to the detection direction from the reception signals received from the plurality of first sensors.
Including more,
The above virtual signal generation unit calculates the delay time of the plurality of first sensors and the delay time of the plurality of virtual sensors based on the horizontal direction of the target, the sensor interval, and the position of each sensor.
Beam forming device.
상기 빔 형성 처리부는
상기 복수의 제1 센서의 수신신호와 상기 복수의 가상 센서의 수신신호에 각각 상기 복수의 제1 센서의 지연시간 및 상기 복수의 가상 센서의 지연시간을 보상하고, 지연시간이 보상된 상기 복수의 제1 센서의 수신신호와 상기 복수의 가상 센서의 수신신호를 상기 탐지 방위별로 합산하여 상기 탐지 방위별 빔 데이터를 생성하는,
빔 형성 장치. In Article 8,
The above beam forming processing unit
Compensating for the delay time of the plurality of first sensors and the delay time of the plurality of virtual sensors for the reception signals of the plurality of first sensors and the reception signals of the plurality of virtual sensors, respectively, and adding the reception signals of the plurality of first sensors and the reception signals of the plurality of virtual sensors, for which the delay time has been compensated, for each detection direction to generate beam data for each detection direction.
Beam forming device.
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2024
- 2024-06-05 KR KR1020240073952A patent/KR102804716B1/en active Active
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Legal Events
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20240826 Patent event code: PE09021S01D |
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Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20250214 |
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