KR20040102039A - 레이더의 스펙트럼 생성 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전처리된 범위-도플러-센서 데이터를 수신하여 적어도 하나의 잡음 저감된 고해상 스펙트럼을 생성하기 위한 스펙트럼 생성기 및 스펙트럼 생성 방법에 관한 것이다. 스펙트럼 생성기는 복수의 범위-도플러 셀을 한정하는 윈도우를 생성하는 윈도우 생성기를 포함한다. 스펙트럼 생성기는 윈도우 생성기와 통신하여, 윈도우 내의 범위-도플러-센서 데이터를 수신하여 윈도우 내의 목적하는 범위-도플러-셀에 대해 공분산 행렬 추정치를 계산하는 공분산 행렬 계산기를 더 포함한다. 스펙트럼 생성기는 또한 공분산 행렬 계산기와 통신하여 위치 행렬과 잡음 부분공간 행렬 추정치에 기초하여 고해상 스펙트럼 벡터를 계산하는 스펙트럼 계산기를 포함한다.

Description

레이더의 스펙트럼 생성 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR SPECTRAL GENERATION IN RADAR}

고주파 표면파 레이더(HFSWR)는 해안지역으로부터 선박, 항공기, 빙산, 기타 표면 목표물(surface targets)을 연속적으로 검출하여 추적하는데 효과적이다. HFSWR은 현재 바다 상태, 불법 입국, 마약 상인, 불법 어로, 밀수, 해적 행위의 감시는 물론 탐색 구조 활동을 강화시키는데 이용되고 있다.

HFSWR 시스템은 해안선을 따라 설치되는데, 시스템 운용에 필요한 하드웨어와 소프트웨어는 물론 대양쪽으로 향해있는 지향성 송신 안테나와 대양쪽으로 향해 있는 지향성 수신 안테나 어레이를 포함한다. 송신 안테나는 목표하는 감시 구역에 방사되는 전자기(EM) 펄스열을 발생한다. 수신 안테나 어레이는 전체 감시 구역에 걸쳐 동일한 이득과 위상을 갖도록 조정된다. 감시 구역 내의 물체들은 EM 펄스를 레이더 데이터를 모으는 수신 안테나 어레이쪽으로 반사시킨다. 이들 물체들 중 일부는 검출되어야 할 요소들이고(이들 요소들로부터의 레이더 시그너처(radar signature)를 타겟(target)이라 한다), 나머지 물체들은 검출되어서는 안되는 요소들이다(이들 요소들로부터의 레이더 시그너처는 레이더 시스템에서 잡음의 일종인 "클러터(clutter)"라고 한다). (앞서 송신된 EM 펄스에 응답하여) 반사된 EM 펄스가 후속 EM 펄스가 송신된 후에 수신 안테나 어레이에 의해 수신될 때에 발생하는 레인지 랩(range-wrap) 문제를 해결하는데는 더 복잡한 펄스 부호화 또는 주파수 부호화 EM 펄스가 사용될 수 있다.

종래, 각 안테나 요소나 센서로부터 수신 안테나 어레이에 모아진 레이더 데이터는 이 레이더 데이터 내의 원하지 않는 외래 신호를 걸러내는 대역통과 필터를 통과한 다음에, 레이더 데이터를 RF 대역에서 아날로그에서 디지털로의 변환이 일어나는 IF 대역으로 복조시키는 헤테로다인 수신기를 통과함으로써 선처리된다. 그 다음, 레이더 데이터는 저역 통과 필터링과 다운 샘플링이 일어나는 기저대역으로 복조된다. 수신 안테나 어레이에 의해 모아진 레이더 데이터는 복소수이다(즉, 실수 성분과 허수 성분을 갖고 있다). 따라서, 다운 샘플링된 레이더 데이터도 복소수이며, 상기 동작들을 수행하는데 필요한 신호 처리 성분들 각각은 복소 데이터를 다루는데 이용된다.

그 다음, 다음 샘플링된 레이더 데이터는 송신된 EM 펄스와 관련된 전달 함수 또는 임펄스 응답을 가진 정합 필터에 의해 처리된다. 그 다음, 정합 필터에 의해 처리된 레이더 데이터는 분석을 위해 세그먼트들로 분리된다. 각 세그먼트는 본 기술 분야에서 코히런트 적분 시간(coherent integration time: CIT), 즉 휴지기간(dwell)으로 알려져 있다. 각 CIT에서의 정합 필터링된 레이더 데이터는 선행EM 펄스가 송신되었던 시간에 대해 각 데이터 포인트가 샘플링되었던 시간을 나타냄으로써 범위 정렬된다(range-aligned). 그 다음, 범위 정렬된 데이터는 잡음 저감을 위해 저역 통과 필터링되고 또 더 효율적인 신호 처리를 위해 다운 샘플링된다. 이 처리의 출력은 범위 데이터의 복수의 시간 샘플로서, 각 시간 샘플 계열은 범위값에 대응한다. 복수의 시계열이 모아지는 최대 범위값은 EM 펄스를 송신하는데 이용되는 펄스 반복 구간(즉, EM 펄스가 송신되는 주파수)에 따라 달라진다.

타겟은 전처리되어 기록된 레이더 데이터로부터 발생된 범위, 도플러 및 방위각 정보로부터 검출된다. 범위 정보는 수신 안테나 어레이로부터 타겟까지의 거리의 추정치를 제공하는데 이용된다. 방위각 정보는 수신 안테나 어레이의 중심에 대한 타겟의 위치각의 추정치를 제공하는데 이용되고, 도플러 정보는 타겟의 도플러 편향(shift)을 측정하여 타겟의 방사 방향 속도의 추정치를 제공하는데 이용된다. 타겟의 도플러 편향은 EM 펄스의 원래의 주파수 범위에 대한 타겟에 의해 반사된 EM 펄스의 주파수 범위의 변화와 관련되어 있다.

전술한 바와 같이, 범위 데이터는 선행 EM 펄스가 송신되었던 시간에 대해 데이터가 샘플링되었던 시간을 나타냄으로써 발생된다. 도플러 처리는 타겟으로부터의 반사로 인한 EM 펄스 신호 주파수에서의 주파수 변동 Δf 의 검출에 해당한다. 따라서, 도플러 정보는 주어진 범위값에 대해 얻어진 시계열을 콤(comb) 필터 처리, 필터 뱅크 처리 또는 FFT(Fast Fourier Transform; 고속 푸리에 변환) 처리함으로써 그 주어진 범위값에 대해서 발생된다. 방위각 데이터는 종래에는 디지털빔성형에 의해 얻어진다. 더 구체적으로 설명하면, 소정의 범위 셀과 소정의 도플러 셀에서의 레이더 데이터는 수신 안테나 어레이의 각 안테나 요소에 대해 복소 지수에 의해 가중된(weighted) 다음에 모든 안테나 소자에 대해 합산된다. 복소 지수의 위상은 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이 방위각, 안테나 소자의 간격, 및 송신된 EM 펄스의 파장에 관계된다. 빔성형에 의해서 안테나 어레이는 복소 지수 가중에서 이용된 방위각 값에 의해 정해진 감시 구역의 특정 영역에 동조되는 것처럼 보이게 된다. 이런 방식으로, 전체 감시 구역을 동시에 커버하도록 많은 빔이 성형될 수 있다.

타겟의 범위, 방위각 및 속도를 결정하기 위해서 어떤 검출기는 주어진 CIT에 대해 발생된 범위, 방위각 및 도플러 정보를 처리한다. 일반적으로, 이 검출기는 범위-도플러 플롯(range-doppler plot)으로 알려져 있는 2차원 플롯에서 주어진 셀(즉, 데이터값 또는 픽셀)에서의 피크들을 찾는다. 타겟 검출은 통상적으로 주어진 셀에서의 진폭을 인접 셀들에서의 평균 진폭과 비교하는 것을 포함한다. 그러면, 검출된 타겟은 플롯 추출기로 전송되고, 플롯 추출기는 검출된 타겟을 필터링하여, 진짜 타겟에 대해서 예상되는 범위, 도플러 및 방위각 특성에 맞지 않는 검출은 거절한다. 그 다음, 이들 필터링된 타겟은 주어진 타겟의 연속적인 검출들을 서로 연관시켜서 그 타겟에 대한 궤적을 형성하는 추적 장치로 전송된다. 이런 식으로, 검출된 타겟의 움직임은 감시 구역 전체를 통해 추적될 수 있다.

전술한 클러터를 포함하는 잡음이 각 셀에 부가되면 상기 검출 처리는 방해를 받게 된다. 이렇게 되면 타겟을 검출하지 못하거나 잡음을 타겟으로 오인하여검출할 수가 있다. 잡음은 CIT마다, 해양 상태에 따라, 날과 계절에 따라, 위치에 따라 모아진 레이더 데이터에 대해서는 물론 셀마다 그 레벨이 달라질 것이기 때문에 다루기가 어렵다. 레이더 잡음의 주요 발생원으로는 해양 클러터, 이온층 클러터, 유성 클러터 등과 같은 자기 간섭(self-interference)과, 동일 채널 간섭, 대기 간섭, 임펄스 잡음과 같은 외부 간섭이 있다. 자기 간섭은 레이더의 동작으로부터 생기는 것이지만, 외부 간섭은 레이더 동작과는 무관하다.

이온층 클러터는 가장 중요한 간섭 요인 중 하나로서 타겟과 유사한 성질을 갖고 있으면서 신호 진폭이 크기 때문에 억제시키기가 어렵다. 이온층 클러터는 지구의 이온층으로부터 반사되어 레이더로 직접 되돌아오는 EM 펄스(즉, 근수직(near vertical) 입사 클러터)와 이온층에서 튀고, 대양으로부터 반사되어 반대 경로를 따라 레이더로 되돌아오는 EM 펄스(즉, 레인지 랩 클러터라고도 하는 공간파 자기 간섭 클러터)를 포함한다. 일반적으로, 이온층 클러터는 좁은 대역의 범위 셀, 모든 방위각 셀, 및 대부분의 선박 도플러대를 포함하는 환상대(annular band)에 축적된다. 이 좁은 대역의 범위 셀은 HFSWR 설치 장소에 대한 이온층의 높이들에 대응한다. 근수직 입사 이온층 클러터도 매우 강하며, 범위에 고립되어 있고, 도플러 차원에서 많은 밀리 헤르츠에 걸쳐 있다는 특징이 있다. 밤중에 이온층 클러터는 이온 D층은 사라지고 이온 F1 및 F2 층이 합쳐지기 때문에 최고 수준에 있게 된다. 더욱이, 이온층 클러터의 특징은 계절과 기타 환경적 변수에 따라 변하기 때문에 이온층 잡음을 억제할 수 있는 강력한 방법을 찾기란 쉬운 일이 아니다.

레인지 랩 클러터 문제를 해결하기 위해서는 당업자에게 잘 알려져 있는 프랭크 상보 코드(Frank complementary code)가 이용된다. 공지의 다른 해결책은 공간파 전파를 지원하지 않는 고주파에서 레이더 시스템을 작동시키는 것이다. 송신된 EM 펄스의 반송 주파수를 층 임계 주파수 이상으로 증가시키면 송신된 EM 펄스는 이온층을 통과할 것이다. 그러나 이러한 해결 방식은 송신 주파수가 높을수록 전파 손실이 더 커지기 때문에 긴 범위에서 선박을 검출할 때에는 레이더 시스템의 성능을 저하시킬 수가 있다.

바다 표면에는 여러 가지 파장과 진폭을 갖는 많은 파도가 있다. 해양 클러터는 레이더 파장의 고조 성분을 갖고 있는 해양파에 의해 반사되는 EM 펄스로부터 생긴다. 해양 클러터를 좌우하는 두 개의 큰 피크를 브래그 라인(Bragg line)이라 하는데, 이것은 레이더 동작 주파수에 의해 결정되는 도플러 주파수들에서 모든 범위 셀을 따라 범위-도플러 플롯에서 두 개의 피크 열로서 나타난다. 브래그 라인은 그 해당 도플러 주파수에서 레이더 검출 성능을 훼손시킬 수 있다. 그러나 해양 상태에 관련된 더 고차의 산란도 있는데, 이것은 브래그 라인들 사이에 해양 클러터의 피크를 더 추가하고 해양 클러터가 연속체로서 나타나게 한다. 이러한 해양 클러터 연속체는 해양 상태(즉, 표면 바람의 속도와 지속기간)에 관계되는 에너지를 포함하며 종종 선박과 같은 작고 느린 타겟의 검출을 제한하고 있다. 또한 해양 클러터는 공간적인 상관이 매우 작다.

유성 클러터는 지구 대기를 통과하여 과도적 레이더 반사(radar return)를 발생시키는 이온화 꼬리를 발생시키는 작은 운석 입자들인 유성에 의해서 생기는 것이다. 과도적 유성 레이더 반사는 통상적으로 특정 범위에서 큰 피크로 나타난다. 유성 클러터는 범위-도플러 플롯에서 배경 잡음을 증가시키는 결과를 가져온다.

동일 채널 간섭은 텔레비전 방송캐스터와 같이, HFSWR 주파수 대역의 근거리 및 장거리 이용자 모두로부터 생긴다. 이 간섭은 공간적으로 상관되어 있는 발생원으로부터 발생되기 때문에 지향성을 갖고 있다. 그러나, 불균일 이온층에서의 다수의 반사로 인해, 동일 채널 간섭의 도달 방향은 도 1에 도시된 동일 채널 간섭을 가진 레이더 데이터로부터 보는 바와 같이 넓다. 동일 채널 간섭은 또한 도 2에 도시된 레이더 데이터의 다른 샘플로부터 보는 바와 같이 범위에 무관하며 특정 도플러 주파수 범위에서 발생한다. 동일 채널 간섭은 다른 반송 주파수를 선택하여 EM 펄스를 전송하면 피할 수 있다. 그러나, 먼거리의 발생원으로부터의 동일 채널 간섭은 시간과 주파수가 더 임의적이어서 더 심각한 문제를 일으킨다. 더욱이, 통상적으로 밤 동안에는 D 층 흡수가 없으므로 낮 동안보다 밤중에 동일 채널 간섭이 더 크다.

대기 간섭은 주파수, 날, 계절, 지리적 위치 함수로서 변하는 레벨에 따라 공간적으로 백색 잡음이다. 예컨대, HF 대역의 하단에서의 대기 간섭으로 인한 잡음 레벨은 낮 시간 때에 비해서 밤중에 약 20 dB 증가한다.

임펄스 잡음은 번개로 인해 생기는 것으로, 시간적으로 무질서하게 분포되어 있으면서 큰 동적 범위를 가진 진폭을 갖는 빠른 펄스 계열로서 나타난다. 이것은 도 3에서 볼 수 있는 바, 도 3은 도시된 레이더 펄스 반사 계열 대 주어진 범위값에 대한 송신된 EM 펄스 수(즉, 펄스 인덱스)를 보여준다. 도 4에 도시된 임펄스잡음은 공간적으로 백색 잡음이 아니며 가까운 거리와 먼거리의 폭풍으로부터 생긴다. 임펄스 잡음은 통상적으로 HFSWR 시스템의 나날의 작동 내내 발생한다. 임펄스 잡음은 배경 잡음 레벨의 증가를 가져온다. 임펄스 잡음의 주파수 특성은 가까운 거리의 폭풍의 활동 세기의 함수로서 변화한다.

물론, 검출은 레이더 시스템의 매우 중요한 부분이지만 전술한 여러 종류의 잡음에 의해 그 정밀도가 떨어지게 된다. 따라서, 검출 능력을 향상시키기 위해서는 이러한 여러 형태의 잡음은 바람직하게는 통상적으로 검출이 수행되는 범위-도플러 플롯(즉, 스펙트럼 추정)의 생성 전에 또는 생성 중에 억제되어야 한다.

예컨대, 종래 기술에서는 간섭 에너지를 범위-도플러 플롯에서 많은 셀들로 분산시킴으로써 이러한 여러 형태의 간섭 속에서도 검출 능력을 향상시킬 수 있다고 알려져 있다. 이것은 스펙트럼 추정 중에 범위, 도플러 또는 방위각 해상도를 향상시킴으로써 달성된다. 그러나, 범위 해상도는 송신된 신호의 대역폭에 의해 결정되는데 보통은 제한되어 있고, 도플러 해상도는 CIT에 의해 결정되는데 이 또한 제한적이다. 더욱이, 방위각 해상도는 수신 안테나 어레이의 개구 크기(즉, 수신 안테나의 물리적 크기)에 의해 제한된다.

이와 같은 해상도 제한 문제를 해결하기 위해 도입된 한 가지 기술은 방위각 해상도를 향상시키기 위해 고해상 스펙트럼 추정기를 이용하는 것이다. 그러나, 양호한 결과를 얻기 위해서는 레이더 데이터의 공분산(covariance) 행렬의 통계적 강인 추정(statitically robust estimation)이 요구된다. 또, 공분산 행렬의 추정은 공분산 행렬 추정에의 신호 기여도를 향상시키면서 각종 레이더 잡음을 보상해주어야 한다. 이러한 일을 달성하지 못하면 범위-도플러 플롯에서 잡음이 타겟을 희미하게 만들어 버려 타겟 검출 능력을 떨어뜨리게 된다. 따라서, 통계적으로 강인하고, 잡음을 억제할 수 있고 또 레이더 데이터에서 타겟을 두드러지게 할 수 있는 고해상 스펙트럼 추정기가 필요하다.

종래의 다른 잡음 억제 방법들은 외부 간섭 신호의 지향 특징을 이용하는 외부 간섭 소거 기술에 관한 것이다. 이 기술은 주 안테나 또는 주 안테나 어레이를 이용하여 잠재적 타겟과 외부 간섭에 대한 레이더 데이터를 구하고, 보조 안테나 또는 보조 안테나 어레이를 이용하여 외부 간섭만을 추정하는 것이다. 그러나, 이 방법은 추가적인 하드웨어를 필요로 한다. 특히, 이 방법은 보조 안테나 또는 보조 안테나 어레이를 필요로 한다. 이 문제에 대한 종래의 한 가지 해결 방안은 수신 안테나 어레이를 이용하는 것인 바, 어레이 요소들 중 일부는 주 안테나 어레이로 이용되고, 다른 일부는 보조 안테나 어레이로 이용하는 것이다. 그러나, 이렇게 되면 주 안테나 어레이는 개구가 작아져 방위각 해상도가 나빠진다. 따라서, 보조 안테나 어레이의 추가적 하드웨어를 요구하지 않으면서도 주 안테나 어레이의 방위각 해상도를 저하시키지 않는 외부 간섭 억제 방법이 요구된다.

레이더 검출에 있어 또 다른 난제는 타겟 종류와 타겟 속도와 같은 타겟에 따라 달라지는 특성이다. 예컨대, 주어진 범위와 도플러 해상도에 대해서 선박과 같은 표면 타겟은 항공기와 같은 공중 타겟보다 범위-도플러 플롯 상에서 더 크게 나타난다. 게다가, 공중 타겟은 대개 표면 타겟보다 훨씬 빠르다. 이것은 주어진 CIT 내에서 그 방사 방향 속도가 변하는 타겟은 몇 개의 도플러 빈(Doppler bin)에걸쳐 손상되는 스펙트럼 성분을 갖고 있기 때문에 중요하다. 따라서, 타겟의 특성 변화를 인식하고 그 특성에 기초하여 범위-도플러 플롯 상에 타겟이 더 잘 나타날 수 있게 하는 신호 처리 방법이 요구된다.

본 발명은 위상 배열 방식 시스템에서의 잡음 감소에 관한 것으로, 특히 적합한 배열 처리를 이용한 위상 배열 시스템에서의 잡음 감소 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명을 더 잘 이해하고, 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는 가를 더욱 분명히 보여주기 위하여, 첨부 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하게 될 것이다.

도 1은 외부 간섭이 존재하는 가운데 기록된 레이더 데이터에 대한 진폭 대 방위각의 관계를 보여주는 도면,

도 2는 동일 채널 간섭을 포함하는 레이더 데이터의 일례에 대한 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 3은 임펄스 잡음을 가진 레이더 반사의 일례에 대해 주어진 범위에서의 진폭 대 펄스 인덱스의 관계를 나타낸 도면,

도 4는 임펄스 잡음을 포함하는 레이더 데이터의 일례에 대한 범위-도플러플롯을 도시한 도면,

도 5는 본 발명에 따른 스펙트럼 생성기의 블록도,

도 6a는 본 발명에 따른 범위-도플러 플롯의 활성 영역과 보호 영역을 도시한 도면,

도 6b는 방위각 개념을 나타낸 도면,

도 7a는 본 발명에 따른 가중 윈도우를 나타낸 도면,

도 7b는 레이더 동작의 공중 모드에 대한 가중치를 갖는 가중 윈도우의 일례를 도시한 도면,

도 7c는 레이더 동작의 선박 모드에 대한 가중치를 갖는 가중 윈도우의 일례를 도시한 도면,

도 7d는 본 발명에 따른 주 센서 어레이에 의해 기록된 레이더 데이터에 대한 레이더 데이터 구성을 나타낸 도면,

도 7e는 가중 윈도우 내의 범위-도플러 셀에 대한 공분산 행렬을 구하는데 이용된 레이더 데이터를 나타낸 도면,

도 8은 본 발명에 따른 스펙트럼 생성 방법의 플로우챠트,

도 9a는 레이더 데이터의 일례에 대한 종래의 빔성형에 의해 생성된 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 9b는 타겟의 범위에서 도 9a의 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 10a는 본 발명의 스펙트럼 생성기에 의해 생성된 도 9a에 도시된 레이더데이터의 고해상 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 10b는 타겟의 범위에서 도 10a의 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 11a는 레이더 데이터의 다른 예에 대한 종래의 빔성형에 의해 생성된 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 11b는 본 발명의 스펙트럼 생성기에 의해 생성된 도 11a에 도시된 레이더 데이터의 고해상 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 12a는 이온층 클러터를 가진 레이더 데이터의 일예에 대한 종래의 빔성형에 의해 생성된 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 12b는 본 발명의 스펙트럼 생성기에 의해 생성된 도 12a에 도시된 레이더 데이터의 고해상 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 12c는 타겟의 범위에서 도 12b의 고해상 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 12d는 타겟의 도플러 주파수에서 도 12b의 고해상 범위-도플러 플롯의 범위 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 12e는 도12a의 레이터 데이터에 대한 본 발명의 스펙트럼 생성기에 의해 생성된 고해상 범위-도플러 데이터에 대한 타겟의 범위 및 도플러 주파수에서의 방위각 플롯을 도시한 도면,

도 13은 잡음 억제 모듈을 내장한 본 발명의 스펙트럼 생성기의 다른 실시예의 블록도,

도 14는 도 13의 잡음 억제 모듈의 블록도,

도 15는 외부 간섭 추정을 위해 바람직하게는 상관 방식 계산이 이루어지는 영역의 형상을 도시한 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 16은 도 14의 잡음 억제 모듈의 상세 블록도,

도 17a 내지 17h는 도 16의 잡음 억제 모듈에서 여러가지 노드에서의 레이더 데이터를 나타낸 도면,

도 18은 도 16의 잡음 억제 모듈에 따른 잡음 억제 방법의 플로우챠트,

도 19는 본 발명의 잡음 억제 모듈의 다른 실시예를 도시한 도면,

도 20은 도 19의 잡음 억제 모듈에 따른 다른 잡음 억제 방법의 플로우챠트,

도 21a는 본 발명의 잡음 억제 모듈을 이용하지 않고 종래의 빔성형에 의해 생성된 레이더 데이터의 일례의 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 21b는 본 발명의 스펙트럼 생성기는 이용하나 본 발명의 잡음 억제 모듈은 이용하지 않은 도 21a에 도시된 레이더 데이터의 고해상 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 21c는 타겟의 범위에서 도 21a의 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 21d는 타겟의 범위에서 도 21b의 고해상 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 22a는 본 발명의 잡음 억제 모듈을 이용하고 종래의 빔성형에 의해 생성되고 도 21a의 레이더 데이터의 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 22b는 본 발명의 스펙트럼 생성기와 잡음 억제 모듈을 이용하는 도 21a에 도시된 레이더 데이터의 고해상 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 22c는 타겟의 범위에서 도 22a의 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 22d는 타겟의 범위에서 도 22b의 고해상 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 23a는 레이더 데이터의 다른 예에 대한 종래의 빔성형에 의해 생성된 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 23b는 타겟의 범위에서 도 23a의 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 23c는 타겟의 도플러 주파수에서 도 23a의 범위-도플러 플롯의 범위 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 23d는 타겟의 범위 및 도플러 주파수에서 도 23a의 레이더 데이터의 방위각 플롯을 도시한 도면,

도 24a는 13의 잡음 부분공간 차원을 이용하여 본 발명의 스펙트럼 생성기에 의해 생성된 도 23a의 레이더 데이터의 고해상 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 24b는 타겟의 범위에서 도 24a의 고해상 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 24c는 타겟의 도플러 주파수에서 도 24a의 고해상 범위-도플러 플롯의 범위 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 24d는 타겟의 범위 및 도플러 주파수에서 도 24a의 고해상 범위-도플러 데이터의 방위각 플롯을 도시한 도면,

도 25a는 5의 잡음 부분공간 차원을 이용하여 본 발명의 스펙트럼 생성기에 의해 생성된 도 23a의 레이더 데이터의 고해상 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 25b는 타겟의 범위에서 도 25a의 고해상 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 25c는 타겟의 도플러 주파수에서 도 25a의 고해상 범위-도플러 플롯의 범위 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 25d는 타겟의 범위 및 도플러 주파수에서 도 25a의 고해상 레이더 데이터의 방위각 플롯을 도시한 도면,

도 26은 본 발명에 따른 공간 평활을 이용한 스펙트럼 생성기의 다른 실시예의 블록도,

도 27은 본 발명에 따른 공간 평활을 이용한 스펙트럼 생성 방법의 다른 실시예의 플로우챠트,

도 28a는 센서로부터의 레이더 데이터를 이용한 레이더 데이터 및 모의 타겟의 도플러 플롯을 도시한 도면,

도 28b는 도 28a의 도플러 데이터와 함께 종래의 빔성형에 의해 생성된 도 28a의 데이터의 도플러 플롯을 도시한 도면,

도 29a는 13의 잡음 부분공간을 이용하는 타겟의 범위에서 도 28a의 레이더 데이터의 고해상 도플러 플롯을 도시한 도면,

도 29b는 13의 잡음 부분공간을 이용하는 타겟의 도플러 주파수에서 도 28a의 레이더 데이터의 고해상 범위 플롯을 도시한 도면,

도 29c는 13의 잡음 부분공간을 이용하는 타겟의 범위 및 도플러 주파수에서 도 28a의 레이더 데이터의 고해상 방위각 플롯을 도시한 도면,

도 30a는 본 발명의 공간 평활 방법을 이용하는 타겟의 범위에서 도 28a의 레이더 데이터의 고해상 도플러 플롯을 도시한 도면,

도 30b는 본 발명의 공간 평활 방법을 이용하는 타겟의 도플러 주파수에서 도 28a의 레이더 데이터의 고해상 범위 플롯을 도시한 도면,

도 30c는 본 발명의 공간 평활 방법을 이용하는 타겟의 범위 및 도플러 주파수에서 도 28a의 레이더 데이터의 고해상 방위각 플롯을 도시한 도면,

도 31a는 본 발명의 스펙트럼 생성기와 공간 평활을 이용하는 도 24a의 레이더 데이터에 대한 고해상 범위-도플러 플롯을 도시한 도면,

도 31b는 타겟의 범위에서 도 31a의 고해상 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 31c는 타겟의 도플러 주파수에서 도 31a의 고해상 범위-도플러 플롯의 범위 차원을 따른 슬라이스를 도시한 도면,

도 31d는 타겟의 범위 및 도플러 주파수에서 도 31a의 레이더 데이터의 고해상 방위각 플롯을 도시한 도면,

도 32는 잡음 억제 모듈과 공분산 행렬 평활화기를 내장한 본 발명에 따른 스펙트럼 생성기의 다른 실시예를 도시한 도면,

도 33은 잡음 억제 단계와 공분산 행렬 평활화 단계를 포함하는 본 발명에 따른 스펙트럼 생성 방법의 다른 실시예를 도시한 도면,

도 34a는 선형 어레이를 도시한 도면,

도 34b는 균일 원형 어레이를 도시한 도면,

도 34c는 어레이 매니폴드(array manifold)에서 사용된 기호들로 표현된 물리량들을 보여주는 균일 원형 어레이를 도시한 도면.

본 발명의 발명자들은 잠재적인 타겟이 더 잘 나타날 수 있는 범위-도플러 플롯을 생성하기 위한 스펙트럼 생성 및 잡음 억제 시스템 및 방법의 몇 가지 실시예를 개발하였다. 본 발명자들은 비록 각각의 레이더 시그너처가 피크 형상을 갖고 있더라도 타겟의 클래스에 따라 범위-도플러 플롯 상에서 레이더 시그너처가 달라진다는 사실에 기초하여 본 발명의 시스템 및 방법을 개발하였다. 더욱이, 타겟은 통계적으로 클러터의 형태와 무관하며, 신호 대 클러터 비가 충분하다면 강한 공간 상관을 갖는 레이더 시그너처를 갖는다. 게다가, 본 발명자들은 클러터 형태에 따라 공간 상관도가 달라진다는 것을 알았다. 예컨대 해양 클러터(1차 이상의 고차)는 대부분 공간 상관이 약하나 이온층 클러터는 공간 상관이 강하다.

해양 클러터는 그 약한 공간 상관으로 인해 잡음 부분공간에 주로 나타나기 때문에 본 발명자들은 레이더 데이터를 신호 및 잡음 부분공간으로 분리하는 고해상 스펙트럼 추정기를 이용하면 해양 클러터를 억제할 수 있다고 판단하였다. 더욱이, 만일 이온층 클러터의 방위각이 타겟의 방위각과 다르다면, 고해상 스펙트럼 고해상 스펙트럼 추정기는 사이드로브(sidelobe)가 없기 때문에 이온층 클러터와 타겟으로부터의 레이더 시그너처 간을 구별할 수 있어야 한다. 그러나, 고해상 스펙트럼 추정기가 타겟으로부터의 레이더 시그너처를 강화시키기 위해서는 강건 공분산 행렬 추정이 필요한다. 본 발명자들은 공분산 행렬 추정을 고해상 스펙트럼 벡터가 생성되는 범위-도플러 셀에 인접해 있는 범위-도플러 셀의 공분산 행렬의 가중 평균에 기초를 두었다. 고해상 스펙트럼 추정기는 잡음 부분공간의 적어도 일부를 이용하여 고해상 공간 추정을 구성한다.

종래의 부분공간 방식 스펙트럼 추정기의 한 가지 단점은 낮은 신호 대 클러터(SCR) 비에서 양호한 결과를 얻는 것이다. 본 발명자들은 작은 특이값들에 대응하며 따라서 공간적으로 백색 잡음 쪽으로 많이 놓여 있는 고유 벡터만을 관련시킴으로써 잡음 부분공간 차원을 감소시키는 것이 한 가지 방법이라는 것을 알았다. 다른 방법은 부분공간 방식 추정기에 의해 이용되는 공분산 행렬 추정에 대해 공간 평활을 실시하여 고해상 공간 벡터를 생성하는 것이다. 공간 평활은 전방 공간 평활, 후방 공간 평활 또는 전/후방 공간 평활 중 어느 한가지에 기초할 수 있다.

전술한 바와 같이, 다른 중요한 간섭 종류는 외부 간섭이다. 본 발명의 발명자들은 외부 간섭을 억제하는데 이용되는 적응 어레이 처리와 정합/부정합 필터링의 조합에 기초한 모듈과 방법을 개발하였다. 이 모듈은 스펙트럼 생성기와 조합되어 향상된 고해상 범위-도플러 플롯을 제공할 수 있다. 주 센서 어레이에 의해 기록된 데이터는 잡음 억제 모듈 내의 정합 및 부정합 필터에 전달된다. 정합 필터 모듈은 타겟으로부터의 레이더 반사, 자기 간섭 및 외부 간섭을 포함하는 정합 레이더 데이터를 제공하지만, 부정합 필터 모듈은 외부 간섭만을 포함하는 부정합 레이더 데이터를 제공한다. 따라서, 부정합 레이더 데이터에 기초하여 가상 보조 센서 어레이가 구축되어 레이더 데이터를 적응성 빔성형기에 제공한다. 적응성빔성형기는 바람직하게는 부정합 레이더 데이터에 적용되는 비이너 방식 가중치를 발생시켜, 정합 레이더 데이터 내의 외부 간섭 추정치를 레이더 데이터를 기록한 주 센서 어레이의 각 센서에 제공하는 보조 빔을 생성한다. 그 다음, 각 센서에 대해 기록된 레이더 데이터로부터 외부 간섭 추정치가 제거되어 잡음 억제된 범위-도플러-센서 레이더 데이터를 제공한다. 그 다음, 이 데이터는 본 발명의 스펙트럼 생성기에 제공되어 외부 간섭이 억제된 고해상 범위-도플러 플롯을 생성한다.

따라서, 본 발명의 일 양상에 따라서, 전처리된 범위-도플러-센서 데이터를 수신하여 적어도 하나의 잡음 저감된 고해상 스펙트럼을 생성하는 레이더용 스펙트럼 생성기가 제공된다. 스펙트럼 생성기는 복수의 범위-도플러 셀을 한정하는 윈도우를 생성하는 윈도우 생성기를 포함한다. 스펙트럼 생성기는 윈도우 생성기와 통신하는 공분산 행렬 계산기를 더 포함한다. 공분산 행렬 계산기는 범위-도플러-센서 데이터를 수신하여 윈도우 내의 목적하는 범위-도플러 셀에 대해 공분산 행렬 추정치를 계산한다. 공분산 행렬 추정치는 목적하는 범위-도플러 셀 주위에 있는 윈도우 내의 복수의 범위-도플러 셀 중 적어도 일부에 대해 계산된 공분산 행렬로부터 계산된다. 스펙트럼 생성기는 또한 공분산 행렬 계산기와 통신하여 위치 행렬과 잡음 부분공간 행렬 추정치에 기초하여 고해상 스펙트럼 벡터를 계산하는 스펙트럼 계산기를 포함한다.

스펙트럼 생성기는 공분산 행렬 계산기와 통신하는 공분산 행렬 평활화기를 더 포함할 수 있다. 공분산 행렬 평활화기는 공분산 행렬 추정치를 평활화시킨다.

스펙트럼 생성기는 공분산 행렬 계산기와 통신하여 전처리된 범위-도플러-센서 데이터 대신에 잡음 억제된 레이더 데이터를 공분산 행렬 계산기에 제공하는 잡음 억제 모듈을 더 포함할 수 있다. 잡음 억제 모듈은 전처리된 레이더 데이터 내의 외부 간섭을 추정하고, 전처리된 레이더 데이터 내의 외부 간섭을 억제하여 잡음 억제된 레이더 데이터를 생성한다.

본 발명의 다른 양상에 따라서, 레이더용 스펙트럼 생성 방법이 제공된다. 이 방법은

a) 복수의 범위-도플러 셀을 한정하는 윈도우를 생성하는 단계;

b) 전처리된 범위-도플러-센서 데이터로부터 상기 윈도우 내의 목적하는 범위-도플러 셀에 대한 공분산 행렬 추정치를 계산하는 단계; 및

c) 위치 행렬과 잡음 부분공간 행렬 추정치에 기초하여 고해상 스펙트럼 벡터를 계산하는 단계를 포함하며, 상기 공분산 행렬 추정치는 상기 윈도우 내의 복수의 범위-도플러 셀의 적어도 일부에 대해 계산된 공분산 행렬로부터 생성된다. 잡음 부분공간 행렬 추정치는 공분산 행렬 추정치로부터 도출된다.

스펙트럼 생성 방법은 공분산 행렬 추정치를 평활화하는 단계와 상기 평활화된 공분산 행렬 추정치에 기초하여 잡음 부분공간 행렬을 계산하는 단계를 더 포함한다.

스펙트럼 생성 방법은 상기 전처리된 범위-도플러-센서 데이터 대신에 잡음 억제된 레이더 데이터를 제공하기 위하여 잡음을 억제하는 단계를 더 포함할 수 있다. 잡음 억제 단계는 상기 전처리된 레이더 데이터 내의 외부 간섭을 추정하고, 상기 잡음 억제된 레이더 데이터를 생성하기 위하여 상기 전처리된 레이더 데이터내의 외부 간섭을 억제하는 단계이다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라서, 전처리된 레이더 데이터 내의 외부 간섭을 억제하기 위한 잡음 억제 모듈이 제공된다. 잡음 억제 모듈은 전처리된 레이더 데이터와 통신하는 제1 처리 모듈 및 제2 처리 모듈을 구비한다. 제1 처리 모듈은 전처리된 레이더 데이터를 수신하여 정합 레이더 데이터를 생성하고, 제2 처리 모듈은 전처리된 레이더 데이터를 수신하여 부정합 레이더 데이터를 생성한다. 잡음 억제 모듈은 제1 처리 모듈 및 제2 처리 모듈과 통신하는 적응성 빔성형기를 더 포함한다. 적응성 빔성형기는 정합 레이더 데이터의 일부와 레이더 데이터의 일부를 수신하여 정합 레이더 데이터의 일부에서의 외부 간섭의 외부 간섭 추정치를 생성한다. 잡음 억제 모듈은 제1 처리 모듈 및 적응성 빔성형기와 통신하는 억제기를 더 포함한다. 억제기는 정합 레이더 데이터의 일부와 외부 간섭 추정치에 기초하여 잡음 억제된 정합 레이더 데이터의 일부를 제공한다.

잡음 억제 모듈은 제1 처리 모듈과 통신하는 순서 통계(ordered-statistics) 필터 모듈을 더 포함할 수 있다. 순서 통계 필터 모듈은 순서 통계 필터링된 정합 레이더 데이터를 생성한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라서, 전처리된 레이더 데이터 내의 외부 간섭을 억제하는 방법이 제공된다. 이 방법은

a) 정합 레이더 데이터를 생성하기 위하여 상기 전처리된 레이더 데이터를 처리하는 단계;

b) 부정합 레이더 데이터를 생성하기 위하여 상기 전처리된 레이더 데이터를처리하는 단계;

c) 상기 정합 레이더 데이터의 일부와 상기 부정합 레이더 데이터의 일부를 선택하고, 상기 정합 레이더 데이터의 일부 내의 외부 간섭 추정치를 생성하기 위하여 적응성 빔성형을 수행하는 단계; 및

d) 상기 정합 레이더 데이터의 일부로부터 상기 외부 간섭 추정치를 억제함으로써 잡음 억제된 레이더 데이터의 일부를 생성하는 단계를 포함한다.

이 방법은 순서 통계 필터링된 정합 레이더 데이터를 생성하기 위하여 상기 정합 레이더 데이터에 대해 순서 통계 필터링을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 명세서에 나타나는 모든 실험 데이터는 캐나다 뉴파운드랜드 케이프 레이스에 위치한 SWR-503^TMHFSWR 시스템으로부터 취한 것이다. SWR-503 HFSWR 시스템은 레이씨온 캐나다 리미티드에 의해 개발된 것이다. SWR-503 HFSWR 시스템은 16개의 안테나 요소를 가진 수신 안테나 어레이(즉, 16개의 센서를 가진 주 센서 어레이)를 포함한다.

여기서, "범위 데이터", "도플러 데이터", "방위각 데이터", "센서 데이터" 또는 "펄스 데이터"라는 용어들은 주어진 도메인에서의 데이터 포인트의 1차원 계열을 나타낸다. 더욱이, "범위-도플러 데이터"라는 용어는 주어진 방위각 또는 주어진 센서에 대한 2차원 데이터를 나타내며, "범위-센서 데이터"라는 용어는 주어진 도플러 값 또는 주어진 펄스 인덱스에 대한 2차원 데이터를 나타낸다. 또한, "범위-펄스-센서", "범위-도플러-센서", 및 "범위-도플러-방위각 데이터"라는 용어는 3차원 데이터를 나타낸다. 더욱이, 데이터의 "일부"라는 것은 데이터의 일부가이것을 얻은 데이터보다 더 작은 차원을 갖는다는 것을 의미한다. 따라서, 데이터의 일부는 이것을 3차원 데이터로부터 얻었을 때에는 1차원 또는 2차원적일 수 있다. 더욱이, "스펙트럼"이라는 용어는 범위-도플러 플롯을 나타내는데 이용된다.

범위-도플러 플롯의 생성 전에 또는 생성 중에 레이더 데이터로부터 잡음을 억제하는 것이 유리한데, 그 이유는 대부분의 레이더 시스템은 범위-도플러 플롯 상에서 검출을 수행하기 때문이다. 잡음을 억제하기 위해서는 타겟으로부터의 레이더 반사의 신호 특성과 레이더 데이터에 존재하는 각종 잡음을 조사하여 적당한 잡음 억제 방법을 정해야 한다.

레이더 시스템의 타겟은 레이더 시스템의 송신 안테나에 의해 송신되는 EM 펄스를 반사시킨다. 그러므로, 타겟으로부터의 레이더 반사는 송신된 EM 펄스와 관계있다. 레이더 시스템, 특히 HFSWR 레이더 시스템에서의 타겟으로는 선박, 빙산, 항공기 및 미사일과 같은 다양한 물체가 있다. 이들 물체 각각은 범위-도플러 플롯 상에서 만드는 패턴으로 정의되는 고유의 레이더 시그너처를 갖고 있는데, 이들 레이더 시그너처는 통상적으로 피크로 나타난다. 따라서, 타겟으로부터의 레이더 시그너처를 강화시키기 위해서는 예리한 스펙트럼 추정을 제공할 수 있는 스펙트럼 추정 기술을 이용하여 레이더 시그너처의 피크 형상을 강화시켜야 한다. 더욱이, 레이더 시스너처에서의 차이들에 기초하여 다양한 타겟을 관측해 보면, 타겟은 바람직하게는 두 분류로, 표면 타겟(즉, 선박과 같은 것)과 공중(air) 타겟(즉, 항공기와 같은 것)으로 나뉘어 질 수 있다. 게다가, 범위 해상도와 도플러 해상도는 타겟의 레이더 시그너처에 포함된 범위-도플러 셀의 수에 영향을 미침에 유념해야 한다.

그리고, 각종 형태의 클러터는 다양한 공간 상관도를 갖고 있다. 예컨대, 해양 클러터는 공간 상관이 약하다. 따라서, 범위-도플러 플롯을 생성하는 동안 해양 클러터를 억제하기 위해서는, 공간 상관의 차이를 이용하여 해양 클러터로부터 타겟 레이더 반사를 분리해 낼 수 있는 스펙트럼 추정 기술을 사용해야 한다. 이에 반해, 이온층 클러터는 공간 상관이 강하며 분산형 또는 포인트 타겟 형태로 나타나는 레이더 시그너처를 갖고 있다. 따라서, 다른 방향에서 존재하는 타겟의 레이더 시그너처로부터 이온층 클러터의 레이더 시그너처를 분리해 내기에 충분한 높은 공간 해상도를 제공할 수 있는 스펙트럼 추정 기술이 필요하다. 또한, 고해상 스펙트럼 추정기도 유익한데, 이는 스펙트럼 추정에 사이드로브가 생기지 않기 때문이다. 따라서, 이온층 클러터는 적은 수의 범위-도플러 셀에 한정되어 있기 때문에, 클러터로부터의 레이더 시그너처는 FFT 방식 스펙트럼 추정기에서 발생하는 스펙트럼 퍼짐으로 인해 타겟으로부터의 레이더 시그너처를 숨기지 않을 것이다. 이것은 이온층은 여러 가지 방위각에 대해서 범위 차원을 따라 이상적으로 분포되지 않기 때문이다.

상기 기준을 만족시키는 한 가지 스펙트럼 추정기는 MUSIC(Multiple Signal Classification) 스펙트럼 추정기(Schmidt, R.O., "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", IEEE Transaction AP-34, No. 3, 1986)이다. MUSIC 스펙트럼 추정기는 서로 직교하는(즉, 통계적으로 서로 무관한) 신호 및 잡음 부분공간들을 추정한다. 신호 대 클러터(SCR) 비가 충분하다면, 신호 부분공간은 타겟으로부터의 레이더 반사를 포함할 것이며, 잡음 부분공간은 해양 클러터를 포함하는 상관이 약한 데이터를 포함할 것이다. MUSIC 스펙트럼 추정기에 의해 생성된 스펙트럼 추정은 잡음 부분공간을 정하는 잡음 벡터에 직교하는 신호 벡터에 대한 피크를 갖는다. 따라서, 타겟으로부터의 레이더 시그너처는 MUSIC 스펙트럼 추정기에 의해 강화되어야 한다. 더욱이, MUSIC 스펙트럼 추정 방법은 고해상 스펙트럼 추정치를 생성한다. 따라서, 이온층 클러터로부터의 레이더 시그너처는 타겟의 방위각이 이온층 클러터의 방향에 있지 않는 경우에는 타겟 검출에 영향을 미치지 않아야 하는데, 그 이유는 고해상 스펙트럼 추정치에 사이드로브가 없으면 이온층 클러터의 스펙트럼 누설(leakage)이 방지하기 때문이다. 사이드로브가 있으며 타겟의 레이더 시그너처가 흐려질 것이다.

신호와 잡음 부분공간은 범위-도플러 플롯에서 주어진 범위-도플러 셀(RDC)에 대한 범위-도플러 데이터를 나타내는 공분산 행렬의 고유치 분해 또는 특이값 분해(당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 수학적으로 관련이 되어 있음)에 기초하여 식별된다. 통계적으로 강인한 추정치를 구하기 위해서는 범위-도플러 셀(RDC)에 대한 공분산 행렬은 바람직하게는 가능한 많은 레이더 데이터를 이용하여 추정되어야 한다. 종래 방식대로, 범위-도플러 셀(RDC)에 대한 공분산 행렬은복수의 센서에 걸친 관측들을 이용하여 추정될 수 있다. 각각의 관측은 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이 외적(outer product)을 이용하여 공분산 행렬(C)이 계산되는 행 벡터(x)로 표현될 수 있다. 따라서, 공분산 행렬(C)는 다음의 수학식에 따라 계산된다.

C = x^Hㆍx (1)

여기서, H는 행렬 또는 벡터의 공액 복소 전치인 헤르미션(Hermition) 연산자이다. 주 센서 어레이(즉, 수신 안테나 어레이)에 K개의 센서가 있다면, 공분산 행렬(C)은 K×K(즉, K개의 행과 K개의 열)의 차원을 갖는다. 많은 관측에 기초하여 추정된 공분산 행렬을 계산하기 위하여 복수의 관측 벡터에 대해 공분산 행렬이 계산될 수 있다. 그러면, 모든 공분산 행렬은 다음의 수학식에 따라서 추정된 공분산 행렬(Cest)을 계산하기 위하여 평균될 수 있다.

(2)

여기서, C_i는 i번째 관측 벡터의 공분산 행렬이고, N_c번의 관측이 있다.

공분산 행렬 추정치(C_est)가 계산되고 나면, 신호 부분공간을 전개하는 고유 벡터와 잡음 부분공간을 전개하는 고유 벡터를 계산할 필요가 있다. 고유 벡터는 임의의 적당한 수단에 의해 계산될 수 있다. 바람직하게는, 이것은 당업자에게 잘 알려져 있는 특이값 분해(SVD)를 이용하여 달성될 수 있다. 공분산 행렬 추정치(C_est)의 SVD는 다음과 같이 주어진다.

C_est= UㆍΣㆍV (3)

여기서, U와 V는 신호와 잡음 부분공간을 전개하는 고유 벡터를 가진 행렬이고, Σ는 대각선을 따른 특이값들(σ₁ ², σ₂ ²,..., σ_K ²)을 갖는 대각 행렬이다. 주센서 어레이에서 K개의 센서가 주어지고, 공분산 행렬 추정치(C_est)가 완전 랭크(full rank)라면 공분산 행렬 추정치(C_est)는 K개의 독립된 특이값과 K개의 독립된 고유 벡터를 갖는다.

공분산 행렬 추정치(C_est)의 고유 벡터는 기본 벡터의 정규직교(orthonormal) 집합에 근사하는데, 그 중 일부는 신호 부분공간을 전개하고, 나머지 일부는 잡음 부분공간을 전개한다. 특이값의 진폭은 복수의 관측 벡터 내에서의 신호 성분의 공간 상관도와 잡음 성분의 공간 상관도를 나타낸다. 잡음 부분공간 고유 벡터는 잡음 부분공간과 연관된 특이값을 신호 부분공간과 연관된 특이값으로부터 분리해 냄으로써 구해진다. 신호 특이값은 크기에 있어서 통상적으로 잡음 특이값보다 더 크므로, 잡음 특이값을 신호 특이값으로부터 분리해 내는 데는 임계처리(thresholding)를 이용할 수 있다. 대안으로서, 실제로는 동일 범위에서 동일 속도로 움직이는 타겟은 기껏해야 2개 정도일 가능성이 크므로 두 개의 최대 특이값과 연관된 두 개의 고유 벡터는 버려도 된다. 이 두 개의 최대 고유 벡터는 이들 타겟을 나타낼 것이다. 다음, 잡음 부분공간 행렬 추정치(N_est)은 수학식 4에 나타난 잡음 고유 벡터를 유지함으로써 계산된다.

Nest = U(:,b+1:K) (4)

여기서, b는 두 개의 최대 고유 벡터가 잡음 부분공간 행렬 추정치(N_est) 내에 있지 않도록 바람직하게는 전술한 바와 같이 3이다. 그 다음, MUSIC 스펙트럼추정치가 다음의 수학식에 따라 계산된다.

여기서, 행렬 F는 일부 신호가 향해질 수 있는 벡터를 포함한다. 신호 벡터는 잡음 고유 벡터에 의해 정의되는 잡음 부분공간에 직교하므로, MUSIC 스펙트럼 추정 방법은 신호의 스펙트럼 위치에서 피크를 발생시킬 것이다. 더욱이, MUSIC 스펙트럼 추정 방법은 브래그 라인이 특이값을 훼손하고 그 결과 타겟을 흐리게 하기 때문에 특이값을 고려하지 않아 유리하다. 그러나, 양호한 MUSIC 스펙트럼 추정치를 구하기 위해서는 공분산 행렬 추정치 내의 신호들의 적합한 통계적 특성이 필요하다. MUSIC 스펙트럼 추정기의 성능은 공분산 행렬 추정치를 계산하는데 이용되는 데이터의 양과 종류에 따라 크게 달라진다.

이제, 도 5를 참조로 설명하면, 본 발명에 따른 스펙트럼 생성기(10)가 도시되어 있다. 스펙트럼 생성기(10)는 복수의 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K)를 수신한다. 각 범위-도플러 데이터 신호는 복수의 센서(S₁, S₂, ..., S_K)(도 5에는 미도시)를 가진 주 센서 어레이 중에서 주어진 센서에 의해 기록된 레이더 데이터로부터 생성되는 2차원 데이터 계열이다. 각 센서는 레이더 신호를 수신하는데 적당하다면 당업자에게 알려진 어떤 수신 안테나 요소라도 된다. 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K)를 생성하기 위해 모아진 레이더 데이터는 대역 통과 필터링, 헤테로다이닝, A/D 변환, 복조 및 다운샘플링을 포함하는 종래의 신호 처리 작업을 거쳐 전처리된 레이더 데이터로부터 도출되었음은 당업자라면 잘 이해할 것이다. 또한, 레이더 데이터는 잡음을 더 감소시키고 레인지 랩 문제를 해결하기 위하여 정합 필터링 처리를 거친다. 그 다음, 레이더 데이터는 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K)를 생성하기 위해 도플러 처리를 거친다. 이 작업들은 당업자에게 잘 알려져 있으므로 더 이상 설명하지 않겠다. 더욱이, 당업자라면 본 발명의 구성요소들은 복소(즉, 실수부와 허수부를 가지는) 데이터의 처리를 고려한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 스펙트럼 생성기(10)는 윈도우 생성기(12), 윈도우 생성기(12) 및 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K)와 통신하는 공분산 행렬 계산기(14), 공분산 행렬 계산기(14)와 통신하는 부분공간 계산기(16), 위치 행렬 생성기(18), 및 부분공간 계산기(16) 및 위치 행렬 생성기(18)와 통신하는 스펙트럼 계산기(20)를 포함한다. 스펙트럼 생성기(10)는 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K)가 주어진면 복수의 고해상 스펙트럼(22)을 생성할 수 있다. 그러나, 스펙트럼 생성기(10)는 적어도 하나의 고해상 스펙트럼(24)을 생성할 수도 있다. 스펙트럼 생성기(10)에 의해 생성되는 고해상 스펙트럼(24)의 수는 후술하는 바와 같이 위치 행렬 생성기(18)에 따라 달라진다.

전술한 바와 같이, 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K)는 주 센서 어레이 중의 주어진 센서(S_i)에 의해 기록된 레이더 데이터로부터 도출되는 2차원 데이터 신호이다. 도 6a를 참조로 설명하면, 범위-도플러 데이터 신호(RD_K)는 복수의 범위-도플러 셀(28)을 갖는 활성 영역(26)은 물론 역시 복수의 범위-도플러 셀(도 6a에는 미도시)을 갖는 보호 영역(30)을 갖는 것으로 정의된다. 도 6a는 일정 비율로 도시된 것이 아니며, 활성 영역(26)에는 도시된 것보다 더 많은 범위-도플러 셀(28)을 포함할 것이다. 보호 영역(30)에 대한 필요는 후술할 것이다. 활성 영역(26) 내의 각 셀(28)은 스펙트럼 생성기(10)에 의해 처리되어 적어도 하나의 고해상 스펙트럼(즉, 적어도 하나의 고해상 범위-도플러 플롯)을 생성한다. 보호 영역(30) 내의 범위-도플러 셀은 타겟 검출을 위해 처리되는 것은 아니다.

고해상 스펙트럼(24) 각각은 주어진 방위각(θ)에 대해 생성된다. 도 6b를 참조로 설명하면, 방위각(θ)은 주 빔(MB)이 주 센서 어레이(32)의 중심과 만드는 각도이다. 주 빔(MB)은 주 센서 어레이(32)가 레이더 데이터를 기록하는 동안에 방위각(θ)의 방향으로 향해 있었던 것처럼 보이게 하기 위하여 주 센서 어레이(32)의 센서들에 의해 기록된 레이더 데이터가 가중된다(즉, 센서 당 1가중)는 의미에서 주 센서 어레이(32)에 의해 생성된다. 종래의 빔성형은 FFT 스펙트럼 추정기에서 이용된 것과 유사한 가중치를 이용하여 주 센서 어레이(32)의 주 빔(MB)을 조율한다. 그러나, 본 발명의 스펙트럼 생성기(10)는 바람직하게는 MUSIC 스펙트럼 추정 방법을 이용하여 주 빔(MB)을 조율하여 보다 높은 각도 해상도를 제공한다.

MUSIC 스펙트럼 추정 방법을 구현하기 위하여, 윈도우 생성기(12)는 복수의가중치를 갖는 가중 윈도우를 생성한다. 가중 윈도우는 바람직하게는 가중 윈도우의 중심에 있는 목적하는 범위-도플러 셀에 대한 공분산 행렬 추정치(C_est)를 계산하기 위한 공분산 행렬(C)가 구해지는 복수의 범위-도플러 셀을 정한다. 가중 윈도우는 제1 영여과 제2 영역을 포함하는 적어도 두 개의 영역을 갖는 것으로 정의된다. 제1 영역은 가중 윈도우의 내부에 있다. 제2 영역은 제1 영역을 둘러싸며 바람직하게는 제1 영역 내의 가중치들보다 작거나 같도록 선택된 가중치를 갖는다. 대안으로서, 도 7a를 참조로 설명하면, 제1 영역(36), 제1 영역(36)을 둘러싸는 제2 영역(38), 및 제2 영역(38)을 둘러싸는 제3 영역(40)을 갖는 가중 윈도우(34)의 실시예가 도시되어 있다. 제2 영역(38)의 가중치들은 바람직하게는 제1 영역(36)의 가중치들보다 작거나 같도록 선택되고, 제3 영역(40)의 가중치들은 바람직하게는 제2 영역(38)의 가중치들보다 작거나 같도록 선택된다. 더욱이, 제1 영역(36), 제2 영역(38) 및 제3 영역(40)의 형상은 도 7a에 도시된 것처럼 직사각형일 필요는 없고 임의 형상을 가져도 좋다. 그러나, 이 형상은 바람직하게는 범위-도플러 플롯에서 강화되기를 바라는 타겟에 맞추는 것이 좋다.

윈도우 생성기(12)는 레이더의 동작 모드(예컨대, 표면 타겟을 검출할 것인가 아니면 공중 타겟을 검출할 것인가)에 따라서 여러 가지 가중 윈도우를 생성할 수 있다. 또한 가중 윈도우의 크기는 레이더 시스템의 범위 및 도플러 해상도, 범위-도플러 데이터 내의 잡음의 특성, 및 공분산 행렬 추정치의 유효성에 따라 달라진다. 예컨대, 7.5 km의 범위 해상도가 주어지는 경우에, 레이더의 동작 모드가공중 모드로 설정되어 있을 때에 이용될 수 있는 가중 윈도우(34')의 일례가 도 7b에 도시되어 있다. 도 7c를 참조로 설명하면, 레이더의 동작 모드가 선박 모드로 설정되어 있을 때에 이용될 수 있는 가중 윈도우(34'')의 일례가 도 7b에 도시되어 있다.

공분산 행렬 추정치(C_est)는 바람직하게는 가중 윈도우(34) 내의 범위-도플러 셀 각각에 대한 공분산 행렬(C) 모두의 가중 평균을 계산함에 의해 구해진다. 도 7d를 참조로 설명하면, 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K)는 쇠사슬처럼 연결되어, 도 7d에 도시된 x-y-z 좌표계에 따라 범위 차원은 z축을 따르고, 도플러 차원은 x축을 따르고, 센서 차원은 y축을 따르는 3차원 데이터 입방체로 도시된 범위-도플러-센서 데이터(42)를 구성할 수 있다. 더욱이, 레이더 데이터(42)는 CIT에 따라 시간 세그먼트들로 분할된다. CIT는 바람직하게는 레이더의 동작 모드에 따라 달라진다. CIT는 미사일이나 항공기 검출의 경우 10 내지 40초이다. 이와 달리, CIT는 선박 검출의 경우나 해양 상태를 관측하는 경우에는 2 내지 5분 정도 될 수 있다.

이제 범위 벡터(44)에 대해 설명하면, 첫 번째 송신된 EM 펄스에 응답하여 센서(S₁)에 의해 기록된 EM 펄스값을 포함하는 범위 인덱스값(R₁, R₂, ..., R_N)을 갖는 범위 셀 계열이 있다. 주어진 셀에 의해 표현되는 거리는 해당 EM 펄스가 송신되었던 시간에 대해 범위 셀에 대한 EM 값이 샘플링되었던 시간을 기록하고, 그 시간에 광속도를 곱한 다음에 2로 나눔으로써 구해진다. 도플러 벡터(46)에 대해 설명하면, 범위 인덱스값(R₁)의 범위값에서 센서(S₁)에 의해 기록된 레이더 데이터에 대한 CIT에서 송신되었던 펄스들로부터의 레이더 반사에 대해 FFT(당업자에게 잘 알려져 있는 종래의 동작)를 수행하여 구해졌던 EM값을 포함하는 도플러 인덱스 값(D₁,D₂,...,D_N)을 갖는 펄스 셀 계열이 있다. 이제 센서 벡터(48)에 대해서 설명하면, (이 예에서) 마지막 EM 펄스의 송신 후에 범위 인덱스(R₁)의 범위 값에서 각 센서(S₁,S₂,...,S_K)에 의해 측정되는 EM 값 계열이 있다. 따라서, 센서 벡터(48) 내에 포함된 EM 값 각각은 동일한 송신 EM 펄 후에 동시에(따라서 동일한 범위 인덱스(R₁)에서) 샘플링되었다.

이제, 도 7d와 7e를 참조로 설명하면, 가중 윈도우(34)는 공분산 행렬 추정에 이용되는 레이더 데이터(50)의 일부를 추출하기 위하여 레이더 데이터(44) 상에 배치된다. 가중 윈도우(34)는 공분산 행렬 추정에 필요한 범위 및 도플러 차원을 따른 범위-도플러 셀의 이웃을 식별하도록 2차원적이다. 그러면, 이들 범위-도플러 셀 마다 센서 벡터가 입방체(50)로 표현된 레이더 데이터(42)로부터 구해진다. 센서 벡터 각각은 수학식 1에서의 벡터(x)와 유사하다. 바람직하게는 레이더 데이터(50)의 일부에 있는 중심 범위-도플러 셀(RDC)에 대한 공분산 행렬 추정치(C_est)는 전술한 벡터들에 기초하여 구해지는데, 그 중에서 센서 벡터(48)는 레이더 데이터(50)의 일부로부터의 예이다. 이들 센서 벡터들로부터 공분산 행렬은 공분산 행렬 계산기(14)에 의해 수학식 1에 따라 생성된다. 그러면, 공분산 행렬 추정치(C_est)는 다음의 수학식에 따라서 공분산 행렬 계산기(14)에 의해 계산된다.

(6)

여기서, WW는 가중 윈도우(34)의 가중치를 포함하는 행렬이고, g와 h는 가중 윈도우(34)의 행과 열을 전개하는 지수이고, C_gh는 가중 윈도우(34)의 g번째 행과 h번째 열에 해당하는 레이더 데이터(50)의 일부에서의 센서 벡터에 대한 공분산 행렬이다.

다시 도 7b 및 7c를 참조로 설명하면, 가중 윈도우(34', 34'')는 3개의 영역을 갖고 있는데, 그 중에서 제1 영역(36)은 바람직하게는 값이 1인 가중치들을 갖고, 제2 영역(38)은 값이 0.5인 가중치들을 갖고, 제3 영역(40)은 값이 0.1인 가중치들을 갖고 있다. 더욱이, 각 가중 영역(34', 34'')에 있어서의 제1 영역들의 형상은 가중 영역(34', 34'')이 서로 다른 레이더 동작 모드에서 생성되었기 때문에 서로 다르다. 또한 레이더의 동작 모드에 따라 이용되는 가중치가 다를 수 있다. 제1 영역(36)은 바람직하게는 가중 윈도우(34')에서는 공중 타겟에 대해, 가중 윈도우(34'')에서는 표면 타겟에 대해 예상된 레이더 시그너처에 맞도록 그 형상이 만들어진다. 공분산 행렬 추정치(C_est)에서 타겟의 전력을 유지하기 위해서, 가중 윈도우(34)의 제1 영역 내의 가중치는 가중 윈도우(34) 내의 최대 가중치이다. 공분산 행렬 추정치(C_est)의 통계적 강인성을 증가시키기 위해서, 제2 및 제3 영역(38, 40) 내의 범위-도플러 셀에 대한 공분산 행렬도 이용된다. 그러나, 이 공분산 행렬은 바람직하게는 공분산 행렬 추정치(C_est)의 계산 시의 가중치 만큼은 주어지지는 않은데, 그 이유는 제 2 및 제3 영역(38, 40) 내의 범위-도플러 셀은 가중 윈도우가 타겟에 중심을 두고 있을 때에 타겟의 레이더 시그니처를 많이는 포함하지 않을 것이기 때문이다. 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이 타겟은 범위-도플러 플롯에서 피크로 나타난다. 따라서, 제2 및 제3 영역(38, 40)은 가중 윈도우(34)가 타겟에 중심을 두고 있을 때에 잡음은 물론 타겟의 스커츠(skirts), 즉, 레이더 시그너처를 포함한다. 그러므로, 범위-도플러 셀에서의 잡음의 진폭은 범위-도플러 셀과 가중 윈도우(34) 내의 제1 영역(36) 간의 거리가 증가할수록 타겟의 레이더 시그너처의 진폭에 비해 증가한다. 따라서, 가중 윈도우(34) 내에서 타겟의 진폭을 유지하기 위해 스케일링된 가중치들을 가진 공분산 행렬에서 배경 잡음의 추정치를 얻기 위해서 가중 윈도우(34)가 제1 영역(36)에서 제2 영역(38)으로 그리고 제2 영역(38)에서 제3 영역(40)으로 이동함에 따라 가중 윈도우(34) 내의 가중치를 감소시키는 것이 바람직하다.

다시 도 5를 참조로 설명하면, 공분산 행렬 계산기(14)는 부분공간 계산기(16)와 통신한다. 부분공간 계산기(16)는 SVD 모듈(52), 차원 선택기(54) 및 잡음 부분공간 행렬 계산기(56)를 포함한다. SVD 모듈(52)은 공분산 행렬 계산기계산기 통신하여 공분산 행렬 추정치(C_est)를 수신하고 이 공분산 행렬 추정치(C_est)에 대해 특이값 분해를 수행한다. 당업자에게 절 알려져 있는 어떠한 적당한 특이값 분해법이라도 SVD 모듈(52)에 의해 이용될 수 있다.

차원 선택기(54)는 SVD 모듈(52)과 통신하여 공분산 행렬 추정치(C_est)의 특이값 분해로부터 계산된 Σ행렬을 수신한다. 차원 선택기(54)는 신호 부분공간과 잡음 부분공간의 차원을 결정한다. 차원 선택기(54)는 여러 가지 많은 기술을 이용하여 차원을 추정한다. 이 기술들 중 하나는 신호 부분공간을 형성하는 임계치보다 더 큰 이들 특이값을 포함하는 임계치를 이용하는 것이다. 임계치를 줄임으로써, 공간 상관이 약한 타겟이 출력에 나타날 수 있다. 즉, 스펙트럼 생성기(10)의 감도가 증가하여 신호 대 잡음비가 불량한 타겟을 강조하게 된다. 그러나 실제로는 전술한 바와 같이, 동일한 범위와 도플러값을 갖지만 방위각이 다른 타겟이 2 또는 3개 이상이 있을 가능성은 희박하다. 따라서, 차원 선택기(54)는 바람직하게는 2차원의 신호 부분공간을 선택하도록 설정될 수 잇다.

백색 공간 분포를 갖지 않는 잡음/클러터에 있어서는 추정된 잡음은 잡음/클러터의 상관도에 따라 달라질 것임에 유념해야 한다. 더욱이, 공간 상관도가 약한(즉, SCR이 낮은) 타겟들로부터의 레이더 시그너처에 대해서는 타겟은 하나 이상의 특이값으로 표현되며 잡음 특이값들 중에 있을 수 있다. 범위-도플러 플롯 내의 이들 타겟으로부터의 레이더 시그너처를 강화시키기 위해서는 바람직하게는 잡음 부분공간 차원은 후술하는 바와 같이 감소되어야 한다.

잡음 부분공간 행렬 계산기(56)는 SVD 모듈(52)과 통신하여 행렬 U(아니면, 행렬 V가 행렬 U에 관련되어 있으므로 행렬 V가 이용될 수 있다)를 수신한다. 또한 잡음 부분공간 행렬 계산기(56)는 차원 선택기(54)와 통신하여 신호 부분공간차원을 수신한다. 잡음 부분공간 행렬 계산기(56)는 공분산 행렬 추정치(C_est)의 잡음 부분공간에 해당하는 고유 벡터로부터 잡음 부분공간 행렬을 만들어 낸다. 그 다음, 잡음 부분공간 행렬 추정치(N_est)는 수학식 4에 따라 계산된다. 잡음 부분공간 행렬 추정치(N_est)는 (K-b) ×K의 차원을 갖는다.

위치 행렬 생성기(18)는 복수의 고해상 스펙트럼(22)을 생성하는데 이용되는 가중치들을 갖는 위치 행렬 A를 생성한다. 위치 행렬 A는 수학식 7로 주어진다.

A = [A_θ1, A_θ2, A_θ3,..., A_θZ], -π≤θ_i≤ π (7)

위치 벡터 A_θi는 다음과 같이 주어진 벡터이다.

A_θi= [1e^{j2π(d/λ)sin(θi)}, e^{j4π(d/λ)sin(θi)}... e^{j2π(K-1)d/λsin(θi)}]^T(8)

여기서, K는 주 센서 어레이(32) 내의 센서 수, d는 주 센서 어레이(32) 내의 센서 간 간격, λ는 송신된 EM 펄스의 파장, θ_i는 고해상 플롯이 생성되는 방위각 값이다. 당업자에게는 위치 행렬 A는 어레이 매니폴드(array manifold)로 알려져 있으며, 각 위치 벡터 A_θi는 어레이 매니폴드 벡터로 알려져 있다. 타겟 방위각 마다 구별되는 위치 벡터 A_θi가 있을 수 있다. 복수의 타겟 방위각이 있으므로 바람직하게는 위치 행렬 A에는 복수의 어레이 매니폴드 벡터 A_θi가 있다.

위치 행렬 A는 K ×Z의 차원을 갖고 있다. 각 위치 벡터(A_θi)는 후술하는바와 같이 서로 다른 고해상 스펙트럼(24)을 생성하는데 이용된다. 따라서, 위치 행렬 A 내의 위치 벡터(A_θi)의 수는 스펙트럼 추정기(10)에 의해 생성되는 고해상 스펙트럼(24)의 수를 결정한다. 따라서, 만일 위치 행렬 A가 하나의 열만을 갖고 있어 하나의 고해상 공간 스펙트럼(24)이 생성된다면, 위치 벡터(A_θi) 수와 방위각 해상도(즉, θ₁, θ₂, θ₃등과 같이 두 개의 연속한 방위각 값들 간의 차)는 스펙트럼 생성기(10)의 동작 전에 미리 결정될 있으며 스펙트럼 생성기(10)의 사용자에 의해 지정될 수 있다.

스펙트럼 계산기(20)는 위치 행렬 생성기(18)와 통신하여 위치 행렬 A를 수신한다. 스펙트럼 계산기(20)는 또한 부분공간 계산기(16)와 통신하여 잡음 부분공간 행렬 추정치(N_est)를 수신한다. 스펙트럼 계산기(20)는 공분산 행렬 추정치(C_est)가 원래 계산되었던 범위-도플러 셀(RDC)에서 복수의 고해상 스펙트럼 벡터(22) 마다에 수학식 10에 따라 어떤 값을 제공하는 고해상 스펙트럼 벡터(MUS_RDC)를 계산한다.

(10)

여기서, 연산자 diag( )는 행렬 A^HㆍNestㆍN_est ^HㆍA의 대각선을 따른 값들을 보상한다. 수학식 10은 MUSIC 스펙트럼 추정법에 따른다. 도출된 벡터 MUS_RDC는 1×Z의 차원을 가진 1차원 방위각 벡터이다. 고해상 스펙트럼 추정치는 어레이 매니폴드 벡터를 N_est로 정의된 잡음 부분공간으로 투영시킴으로써 생성된다. 임의의 어레이 매니폴드 벡터의 방향에 타겟이 있으면, 이것은 잡음 부분공간에 거의 직교할 것이며, 수학식 10에서의 분모는 매우 작아질 것이다. 따라서 타겟의 공간 주파수에서 스펙트럼 추정치(MUS_RDC)에서 피크가 나타나게 된다. 용어 "거의 직교"는 잡음 부분공간이 이것이 유한 데이터로부터 추정되기 때문에 근사임을 나타내는데 사용된다. 이 점에서, 고해상 스펙트럼 벡터(MUS_RDC)는 고해상 스펙트럼 벡터(MUS_RDC)의 위치가 동일한 범위-도플러-센서 데이터(42) 내의 동일한 범위-도플러 셀에 대한 센서 벡터의 위치에 대응하게끔 임의의 적당한 저장 수단에 저장된다. 저장 수단은 데이터베이스, 하드 드라이브, CD-ROM 등과 같이 당업자에게 알려진 임의의 적당한 요소이면 된다.

상기 설명은 하나의 범위-도플러 셀에 대한 고해상 스펙트럼 추정치의 생성에 적용된다. 따라서, 공분산 행렬 계산기(14), 부분공간 계산기(16) 및 스펙트럼 계산기(20)는 가중 윈도우(34)를 범위-도플러 셀들을 따라 미끄러지게하고 상기 설명된 동작들을 수행함으로써 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K)의 활성 영역(26) 내의 범위-도플러 셀 마다 고해상 스펙트럼 벡터(MUS_RDC)를 생성해야 한다. 생성된 고해상 스펙트럼 벡터는 잡음 억제 고해상 범위-도플러-방위각 데이터 집합이 생성되게끔 저장 수단에 저장된다. 이 데이터 집합은 3차원으로서 범위 차원,도플러 차원 및 방위각 차원을 포함한다. 고해상 스펙트럼들(24) 중 하나는 주어진 방위각 값에 대한 잡음 억제된 고해상 범위-도플러-방위각 데이터 집합의 2차원 슬라이스를 취함으로써 구해진다.

이제 도 8을 참조로 설명하면, 본 발명에 따른 스펙트럼 생성기(10)에 의해 수행되는 스펙트럼 생성 방법(60)이 나타나 있다. 스펙트럼 생성 방법(60)에서 수행되는 계산들은 전술하였으므로 여기서는 자세히 설명하지 않는다. 스펙트럼 생성 방법(60)은 단계(62)에서 시작하며, 이 단계에서는 가중 윈도우(34)가 생성된다. 다음 단계(64)는 위치 행렬 A를 생성하는 것이다. 그 다음, 단계(68 내지 76)에 따라 고해상 스펙트럼 벡터가 생성되는 범위-도플러 셀이 선택된다. 단계(68)에서는 범위-도플러 셀에 대해 공분산 행렬 추정치(C_est)가 계산된다. 그 다음, 단계(70)에서 공분산 행렬 추정치(C_est)에 대해 특이값 분해가 수행된다. 그 다음, 단계(72)에서 신호 부분공간 차원이 선택되고, 단계(74)에서 잡음 부분공간 행렬 추정치(N_est)가 계산된다. 그 다음, 단계(76)에서 범위-도플러 셀에 대해 고해상 스펙트럼 벡터(MUS_RDC)가 계산된다. 이 벡터는 전술한 방식으로 저장된다. 단계(78)에서 처리될 범위-도플러 셀이 더 있다고 판단되면, 스펙트럼 추정 방법(60)은 단계(66)으로 가서 다음 범위-도플러 셀을 선택한다. 가중 윈도우(34)는 처리될 다음 범위-도플러 셀이 바람직하게는 가중 윈도우(34)의 중심에 있도록 이동된다. 그 다음, 단계(68 내지 76)에서의 동작이 반복된다.

스펙트럼 생성 방법(60)은 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K)의 활성 영역(26)의 상단 좌측 코너에서 시작하여 그 행에서의 마지막 범위-도플러 셀이 처리될 때까지 그 행 내의 모든 범위-도플러 셀을 처리한다. 그 다음,그 행(즉, 범위) 내의 모든 범위-도플러 셀이 처리되도록 가중 윈도우(34)는 1행 아래로 이동하여 활성 영역(26) 내의 최좌측 범위-도플러 셀에 위치할 수 있다. 이런 식으로 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K)에 대한 모든 범위-도플러 셀은 스펙트럼 생성 방법(60)에 의해 처리된다. 이것은 행 방식 범위-도플러 셀 처리라고 한다. 대안으로서, 적어도 하나의 고해상 스펙트럼(24)을 생성하기 위하여 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K)의 범위-도플러 셀을 따라 이동하는 다른 방법도 이용될 수 있다. 예컨대, 범위-도플러 셀은 열 방식으로 처리될 수 있다.

스펙트럼 생성 방법(60)이 활성 영역(26) 근처 또는 모서리 부분에 있는 범위-도플러 셀에 대해 작용하고 있을 때에는, 가중 윈도우(34) 내에 있는 보호 영역(28) 내의 범위-도플러 셀은 공분산 행렬 추정치(C_est)를 계산하는데 이용된다. 이것이 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K)의 활성 영역(26) 주위에 보호 영역(30)이 편입되는 이유이다. 따라서, 활성 영역(26) 내에 있는 범위-도플러 셀만에 대해 스펙트럼 추정이 수행된다.

본 발명의 스펙트럼 추정기(10)와 스펙트럼 추정 방법에서는 변형된 MUSIC 스펙트럼 추정 방법이 이용될 수 있다. 다른 스펙트럼 추정 방법으로는 루트(root) MUSIC 스펙트럼 추정법(Barabell, A,J., 1983, "Improving the resolution performance of eigenstructure based direction finding algorithms", in ICASSP Proceedings, Boston, MA, 1983, pp. 336-339), 고유벡터법(가중 버젼의 MUSIC 스펙트럼 추정 방법을 이용함) 및 루트-고유벡터법이 있다. 다른 대안으로는 상관 행렬의 신호 공간 정보뿐만 아니라 상관 행렬의 공간 도함수를 이용하는 델타-MUSIC 또는 도함수-MUSIC 스펙트럼 추정 방법이 있다. 델타-MUSIC 스펙트럼 추정 방법은 고해상 합/차 빔성형기의 일례로 생각할 수 있다. 더욱이, 델타-MUSIC 방법은 MUSIC 스펙트럼 추정 방법의 해상 임계치보다 훨씬 우수한 해상 임계치를 갖고 있으며, 발생원 상관 문제, 즉 발생원이 서로 가까이 있는 문제에 대해 비교적 영향을 덜 받는다. ESPRIT법과 같은 다른 부분공간 방식 스펙트럼 추정 방법도 이용될 수 있다.

이제 도 9a를 참조로 설명하면, 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 ㅏㄱㅌ이 FFT 방식 빔성형을 이용하여 레이더 데이터의 일례에 대해 구해진 범위-도플러 플롯이 도시되어 있다. 레이더 데이터는 109 km의 범위에 있고 방위각이 8.6˚인 타겟(80)(도 9a에서는 보이지 않음)을 포함한다. 도 9a에는 1차 및 그 이상 차수의 브래그 라인이 나타나 있다. 그러나, 타겟(80)은 보여지지 않는다. 이제 도 9a를 참조로 설명하면, 타겟(80)의 범위에서 도플러 차원을 따른 도 9a의 범위-도플러 플롯의 슬라이스는 10 dB 이하의 낮은 SCR이 주어지는 경우에 타겟(80)의 검출을 방해하는 강한 해양 클러터의 존재를 보여준다.

이제 도 10a 및 10b를 참조로 설명하면, 도 10a는 도 9a의 레이더 데이터의고해상 버위-도플러 플롯을 보여주고, 도 10b는 도 10a의 고해상 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 보여준다. 도 10a와 10b 모두 본 발명의 스펙트럼 추정 방법(60)을 적용한 후에 타겟(80)이 보여지게 되는 것을 보여준다. 해양 클러터는 공간 상관이 약하기 때문에 억제되었다. 타겟은 20 dB의 SSCR(즉, 신호 대 신호 플러스 클러터 비)를 갖고 있다.

이제 도 11a를 참조로 설명하면, FFT 방식 빔성형을 이용하여 레이더 데이터의 다른 예에 대해 구해진 범위-도플러 플롯이 도시되어 있다. 레이더 데이터는 127.7 km의 범위에서 50˚의 방위각을 가진 타겟(82)(도 11a에서는 보여지지 않음)을 포함한다. 도 11a에서 1차 및 그 이상 차수의 브래그 라인은 타겟 검출을 방해한다. 이제 도 11b를 참조로 설명하면, 공중 모드에서 동작하는 스펙트럼 생성기(10)에 의해 생성된 도 11a의 레이더 데이터의 고해상 범위-도플러 플롯이 도시되어 있다. 이제는 클러터가 억제되었기 때문에 타겟(82)이 보여진다. 타겟(82)은 대략 20 dB의 SSCR을 갖고 있다.

다음, 도 12a를 참조로 설명하면, 여름 동안에 기록된 레이더 데이터의 다른 예의 종래의 빔성형에 의해 생성된 범위-도플러 플롯이 도시되어 있다. 110 km의 범위에서 -39˚의 방위각을 갖는 타겟(84)을 갖고 있다. FFT 방식 스펙트럼 추정을 수행하는데 있어 스펙트럼 누설 효과로 인해, 타겟(84)과는 범위는 동일하지만 방위각이 약간 다른 강한 이온층 클러터가 타겟(84) 주위의 클러 레벨을 증가시킴으로써 타겟(84)의 레이더 시그너처를 손상시킨다. 따라서 타겟(84)이 보여지지 않는다.

다음, 도 12b를 참조로 설명하면, 본 발명의 스펙트럼 생성기(10)에 의해 생성된 도 12a의 레이더 데이터의 고해상 범위-도플러 플롯이 도시되어 있다. 고해상 범위-도플러 플롯은 도 12a의 범위-도플러 플롯과 비교하여 더 강한 타겟의 외양을 제공한다. 이 예는 고해상 스펙트럼 추정기에 의해 각도 해상도가 높아지고사이드로브 효과가 없어지는 것을 보여준다. 그러면 타겟(84)은 25 dB의 SSCr을 갖는다.

이제 도 12c 내지 12e를 참조로 설명하면, 도 12c는 타겟(84)의 범위에서 도 12b의 고해상 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른슬라이스를 보여준다. 타겟(84)은 주위 배경 잡음에 비해 큰 피크를 갖고 있다. 도 12d는 타겟(84)의 도플러 주파수에서 도 12b의 고해상 범위-도플러 플롯의 범위 차원을 따른 슬라이스를 보여준다. 도 12d 또한 타겟(84)이 주위 배경 잡음에 비해 큰 피크를 갖고 있음을 보여준다. 도 12e는 타겟(84)의 범위 및 도플러 주파수에서 도 12a의 레이더 데이터의 고해상 방위각 플롯을 보여준다. 도 12e는 타겟(84)의 방위각의 비교적 예리한 추정치를 제공한다.

전술한 바와 같이, HFSWR에서의 다른 중요한 간섭 부류는 동일 채널 간섭, 대기 잡음 및 임펄스 잡음을 포함하는 외부 간섭이다. 본 발명의 발명자들은 출원번호가 이고, 명칭이 "A Noise Suppression System and Method for Phased-Array Based Systems"인 특허출원에서 정합-부정합 필터링 방식과 결합된 적응성 어레이 처리 기술을 이용하여 동일 채널 간섭이 억제될 수 있음을 보여주었다. 정합 필터는 주 센서 어레이(32) 내의 각 센서에 의해 기록된 레이더 데이터로부터도출된 전처리된 레이더 데이터를 수신하여, 주 빔을 생성하는데 이용되는 정합 레이더 데이터를 제공한다. 부정합 필터는 주 센서 어레이의 센서들 중 적어도 일부로부터 전처리된 레이더 데이터를 수신하여, 가상 보조 센서 어레이의 출력으로 취해지는 부정합 레이더 데이터를 제공한다. 가상 보조 센서 어레이의 출력은 주 빔 내의 외부 간섭의 추정치를 제공하는 보조 빔을 생성하는데 이용된다. 따라서, 주어진 주 빔 방위각에 대해서 보조 빔은 주 빔 내의 외부 간섭의 에너지 발생원 쪽으로 적응적으로 향하여, 주 빔 내의 외부 간섭을 억제한다. 게다가, 주 센서 어레이 내의 각 센서가 주 빔을 생성하는데 이용되기 때문에 주 센서 어레이의 방위각 해상도는 나빠지지 않으며, 부정합 필터가 주 빔 내의 외부 간섭의 독립적인 추정치를 제공하므로 물리적으로 독립된 보조 센서 어레이를 사용할 필요가 없게 된다.

외부 간섭을 억제하기 위해서 전술한 잡음 억제 방법을 본 발명의 고해상 스펙트럼 추정기와 통합하는 것이 바람직하다. 그러나, 이 추정기는 센서 데이터와 잡음 억제 방법을 필요로 하므로 일반적으로 고해상 스펙트럼 추정기에 대해서 외부 간섭 억제 방법이 직접적으로 구현될 수는 없고, 원래 설명되었던 바 대로 빔성형된 데이터를 생성한다. 이 문제를 극복하기 위하여, 여기서는 스펙트럼 추정기(10)에 의해 이용될 수 있는 잡음 억제된 데이터를 제공하는 전술한 잡음 억제 방법과 유사한 잡음 억제 모듈과 방법에 대해 설명한다. 이 방법에서는 주어진 센서에 의해 기록된 레이더 데이터 내의 외부 간섭이 보조 빔에 의해 제공된 외부 간섭의 추정치에 기초하여 억제된다.

이제 도 13을 참조로 설명하면, 잡음 억제 모듈(102)을 포함하는 스펙트럼 생성기(100)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 잡음 억제 모듈(102)은 주 센서 어레이(32) 중의 복수의 센서(S₁, S₂,..., S_K)로부터 구해진 레이더 데이터로부터 도출된 전처리된 레이더 데이터를 수신하여, 외부 간섭이 억제된 복수의 범위-도플러 신호(RD₁'', RD₂'', ..., RD_K'')를 제공한다. 스펙트럼 생성기(100)의 나머지 부분에 대해서는 스펙트럼 생성기(10)와 동일하므로 설명하지 않겠다. 잡음 억제 모듈(102)에 대해 상세한 것은 이하에서 요약된다.

전술한 바와 같이, 자기 발생 간섭은 송신된 EM 펄스에 응답하여 발생한다. 따라서, 주 센서 어레이(32)에 의해 기록된 레이더 데이터가 송신된 EM 펄스에 정합되어 있는 정합 필터를 통과하면, 정합 필터의 출력에는 타겟으로부터의 레이더 반사는 물론 자기 발생 간섭이 나타나게 될 것이다. 주 센서 어레이(32)에 의해 기록된 데이터가 송신된 EM 펄스에 직교하는 임펄스 응답을 가진 제2 필터를 통과했다면, 제2 필터의 출력에는 자기 발생 간섭과 타겟으로부터의 레이더 반사가 나타나지 않을 것이다. 그러나, 외부 간섭은 레이더 동작과 무관하며 정합 필터와 제2 필터의 출력에 나타나게 될 것이다.

제2 필터는 부정합 필터이다. 정합 필터는 이 필터에 정합되는 신호에 포함된 주파수 성분과 동일한 주파수 성분만을 갖는 전달 함수를 갖는다. 부정합 필터는 정합 필터와 반대의 전달 함수를 갖는다. 따라서, 정합 및 부정합 필터는 서로 직교하는 것으로, 즉 영교차 상관을 갖는 것으로 정의된다. 따라서, 부정합 필터는 정합 필터의 출력에 존재하는 외부 간섭의 관측으로 이용될 수 있는 출력을 제공할 것이다. 그러므로, 전술한 종래의 잡음 감소 방식의 단점(즉, 수신 안테나 요소들의 추가나 외부 간섭 추정만을 위한 수신 안테나 어레이의 일부 요소 사용으로 인한 방위각 해상도의 희생) 없이 외부 간섭 추정용 레이더 데이터는 물론 타겟으로부터의 레이더 반사 검출용 레이더 데이터를 제공하기 위하여 단일 수신 안테나 어레이를 이용하는 것이 가능하다.

이제, 본 발명에 따른 잡음 억제 모듈(102)의 블록도를 도시한 도 14을 참조로 설명한다. 잡음 억제 모듈(102)은 후에 더 자세히 설명될 범위-펄스-센서 데이터를 제공하기 위하여 복수의 센서(S₁, S₂, ..., S_K)를 가진 주 센서 어레이(32)와 통신한다. 전술한 바와 같이, 각 센서는 레이더 신호를 수신하는데 적합하다면 당업자에게 알려져 있는 어떠한 수신 안테나 요소라도 상관없다. 더욱이, 주 센서 어레이(32)에 의해 수집된 레이더 데이터는 종래의 신호 처리 작업을 통해 전처리된 레이더 데이터(104)를 제공한다는 것은 당업자라면 잘 알 것이다. 종래의 신호 처리 작업으로는 대역 통과 필터링, 헤테로다이닝, A/D 변환, 복조 및 다운샘플링 등이 있다. 이들 신호 처리 작업을 실시하는 구성 성분들은 당업계에 잘 알려져 있으며 도 14에는 나타나 있지 않다. 더욱이, 본 발명의 모든 구성 요소는 복소수(즉, 실수부와 허수부를 가짐) 데이터의 처리를 염두에 둔 것임은 물론이다.

잡음 억제 모듈(102)은 정합 필터 모듈(108)을 구비하며 전처리된 레이더 데이터(104)와 통신하는 제1 처리 모듈(106), 정합 필터 모듈(108)과 통신하는 제1도플러 처리 모듈(110)을 포함한다. 정합 필터 모듈(110)은 전처리 레이더 데이터(104)를 수신하고 이 레이더 데이터에 대해서 정합 필터링을 수행하여 정합 레이더 데이터를 생성한다. 제1 도플러 처리 모듈(110)은 정합 레이더 데이터를 수신하고 이 데이터에 대해 도플러 처리를 수행하여 정합 범위-도플러 데이터를 생성한다.

제1 처리 모듈(106)은 제1 도플러 처리 모듈(110)과 통신하여 정합 범위-도플러 데이터를 수신하는 센서 선택기(112)를 더 포함한다. 센서 선택기(110)는 주어진 센서(S_i)에 대해 범위-도플러 데이터를 선택하고, 정합 범위-도플러 데이터의 일부(B)를 제공한다. 이 일부(B)는 후술하는 바와 같이 잡음 억제 모듈(102)에 의해 더 처리된다. 제1 처리 모듈(106) 내의 마지막 모듈이 주어진 센서(S_i)에 대해 정합 범위-도플러 데이터의 일부(B)를 제공하는 한 센서 선택기(112)의 위치는 정합 필터 모듈(108) 또는 제1 도플러 처리 모듈(110)과 바뀌어 질 수 있다.

잡음 억제 모듈(102)은 부정합 필터 모듈(116)을 구비하며 전처리된 레이더 데이터(104)와 통신하는 제2 처리 모듈(114), 부정합 필터 모듈(116)과 통신하는 제2 도플러 처리 모듈(118), 및 제2 도플러 처리 모듈(118)과 통신하는 보조 어레이 선택기(120)를 더 포함한다. 부정합 필터 모듈(116)은 전처리된 레이더 데이터(104)를 수신하여 이 데이터에 대해 부정합 필터링을 수행하여 부정합 레이더 데이터를 생성한다. 제2 도플러 처리 모듈(118)은 부정합 레이더 데이터를 수신하고 이 데이터에 대해 도플러 처리를 수행하여 부정합 범위-도플러 데이터를 생성한다. 보조 어레이 선택기(120)는 부정합 범위-도플러 데이터를 수신하고, 레이더 데이터(104)에 기여했던 복수의 센서(S₁, S₂, ..., S_K)의 적어도 일부 중에서 선택된 센서들(A₁, A₂, ..., A_L)을 가진 가상 보조 센서 어레이를 구축한다. 후술하는 바와 같이 부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(Y)는 간섭 추정치를 생성하기 위해 제공된다.

가상 보조 센서 어레이는 레이더 데이터(104)에 기여했던 주 센서 어레이(32) 중의 복수의 센서들((S₁, S₂, ..., S_K)의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다. 따라서, 주 센서 어레이(12) 중의 일부 센서는 레이더 데이터(104)와 후술되는 바와 같이 가상 보조 센서 어레이에 의해 생성되는 보조 빔(AB)을 발생시키는데 기여한다. 그러므로, 스펙트럼 생성기(100)에 의해 생성되는 고해상 범위-도플러 플롯(24) 대해 방위각 해상도의 손실이 없다. 가상 보조 센서 어레이의 구축에 대해서는 후술된다.

잡음 억제 모듈(102)은 제1 처리 모듈(106) 및 제2 처리 모듈(114)과 통신하는 적응성 빔성형기(122)를 더 포함한다. 적응성 빔성형기(122)는 부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(Y)는 물론 주어진 센서(S_i)에 대한 정합 레이더 데이터의 일부(B)를 수신한다. 이들 입력으로부터, 적응성 빔성형기(122)는 적응성 가중 벡터(W=[W₁, W₂, ..., W_L])를 생성하고, 이 벡터는 부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(Y)에 적용되어 정합 레이더 데이터의 일부(B)의 추정치(I)를 생성한다. 추정치(I)는 정합 레이더 데이터의 일부(B)가 취해졌던 동일한 범위 및 도플러 셀들에대해 계산된다. 따라서, 적응성 빔성형기(122)는 부정합 범위-도플러-센서 데이터에 기초하여 보조 빔(AB)을 조율하는 가중치를 생성한다.

적응성 가중 벡터(W)는 정합 데이터의 일부(B)와 추정치(I) 간의 차이가 최소화되도록 생성된다. 정합 레이더 데이터의 일부(B)는 자기 발생 간섭 및 외부 간섭과 함께 레이더 타겟 반사를 포함하는 반면에 추정치(I)는 외부 간섭만을 포함하기 때문에, 추정치(I) 내의 외부 간섭이 레이더 데이터의 일부(B) 내의 외부 간섭에 근접하게끔 적응성 가중 벡터(W)가 선택될 때에 레이더 데이터의 일부(B)와 추정치(I) 간의 차이는 최소화될 것이다. 따라서, 추정치(I)는 정합 레이더 데이터의 일부(B) 내의 외부 간섭의 추정치로 간주된다. 그러므로, 주어진 센서(S_i)에 대해서, 적응성 빔성형기(122)는 보조 빔(AB) 내의 외부 간섭이 그 센서(Si)에 대한 레이더 데이터의 일부(B) 내의 외부 간섭에 근접하도록 보조 빔(AB)을 조율한다.

잡음 억제 모듈(102)은 억제기(124)와 저장 수단(126)를 더 포함한다. 억제기(124)는 제1 처리 모듈(106)과 적응성 빔성형기(122)와 통신하여 레이더 데이터의 일부(B)와 외부 간섭 추정치(I)를 수신한다. 억제기(32)는 레이더 데이터의 일부(B)로부터 외부 간섭 추정치(I)를 제거하여 잡음 억제된 레이더 데이터의 일부(B_r)를 생성한다. 잡음 억제된 레이더 데이터의 일부(B_r)는 잡음 억제된 레이더 데이터 집합(범위-도플러 신호(RD₁, RD₂, ..., RD_K)로 표현됨)을 구성하는데 이용되며, 이 잡음 억제된 레이더 데이터 집합은 스펙트럼 생성기(100)의 나머지 구성 부분에 의해 처리되어 적어도 하나의 고해상 스펙트럼(24)을 생성한다. 더 일반적으로는, 잡음 억제된 레이더 데이터는 검출 모듈과 추적 장치와 같은 임의의 종래 레이더 시스템의 구성 요소들에 의해 처리될 수 있다. 저장 수단(126)은 레이더 데이터의 일부(B_r)를 수신하고 이것을 잡음 억제된 레이더 데이터 집합의 적당한 위치에 저장한다. 저장 수단(126)은 컴퓨터의 RAM, 컴퓨터 시스템 상의 데이터베이스, 또는 하드드라이브, CD-ROM, 집(zip) 드라이브 등과 같은 저장 매체이면 된다.

비이너 이론에 기반한 기술은 바람직하게는 외부 간섭 추정치(I)가 정합 레이더 데이터의 일부(B) 내의 외부 간섭에 근접하게끔 적응성 가중 벡터(W)를 선택하는데 이용된다. 따라서, 보조 빔(AB)은 외부 간섭 추정치(I)와 레이더 데이터의 일부(D) 간의 차이가 비이너 이론이 교시하는 바와 같이 평균 제곱 오차(MSE) 의미에서 최소화되게끔 가상 보조 센서 어레이에 대해서 계산된다.

비이너 이론에 기반한 적응성 가중 벡터(W)의 체계화는 다음과 같다. 스냅 샷(n)(즉. 시간적으로 한 번의 관측)에서의 부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부는 Y(n)으로 표현되고, 스냅 샷(n)에서의 정합 레이더 데이터의 일부는 B(n)으로 표현된다. 스냅 샷(n)에서의 적응성 빔성형기(122)의 출력은 수학식 11로 주어진다.

(11)

여기서,는 부정합 레이더 데이터(Y(n))의 스냅샷이 주어진 경우의 외부 간섭 추정치(I(n))를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 간섭 추정치를B(n)에 근사시키는 것이 바람직하다. 그러므로,의 추정 오차는 수학식 12로 주어진다.

e(n) = B(n)-W^HY(n) (12)

따라서, 평균 제곱 오차(J_n(W))는 수학식 13으로 주어진다.

J_n(W)=E[e(n)e^*(n)]=E[B(n)B^*(n)]-W^HE[Y(n)B^*(n)]-

E[B(n)Y^H(n)]W+W^HE[Y(n)Y^H(n)]W (13)

주어진 스냅샷(n)에 대해서 정합 레이더 데이터의 일부(B(n))와 부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(Y(n))가 모두 고정되어 있다고 가정하면, 수학식 13은 수학식 14로 간단화될 수 있다.

J_n(W)=σ_d ²(n)-p(n)^HW-W^Hp(n)+W^HR(n)W (14)

여기서, σ_d ²(n)는 이것이 제로 평균을 갖는 것을 가정하는 B(n)의 분산이고, p(n)은 부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(Y(n))와 정합 레이더 데이터의 일부(B(n))의 교차 상관으로부터 나온 N ×1 벡터인 기대치 E[Y(n)^HㆍB(n)]이다. 기호 R(n)은 부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(Y(n))의 N × N 자동 상관 행렬인 기대치 E[Y^H(n)ㆍY(n)]를 나타낸다. 교차 상관 p(n)은 정합 레이더 데이터의 일부(B(n))와 부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(Y(n)) 간의 유사도를 나타내며, 자동 상관 R(n)은 가상 보조 센서 어레이의 데이터 간의 유사도를 나타낸다.

부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(Y(n))와 정합 레이더 데이터의 일부(B(n))가 모두 고정적이라고 가정하면, 평균 제곱 오차 함수 J_n(W)는 적응성 가중 벡터(W)의 2차 함수이다. 목표는 최적 적응성 가중 벡터(W_O,n)를 선택함으로써 평균 제곱 오차 함수 J_n(W)를 최소화하는 것이다. 따라서, 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 평균 제곱 오차 함수 J_n(W)는 적응성 가중 벡터(W)에 대해 미분되고, 도함수는 수학식 15에서 보는 바와 같이 0과 같게 설정된다.

(15)

수학식 15의 해는 수학식 16으로 주어진 적응성 가중치의 최적 집합(W_0,n)이다.

R(n)W_o,n=p(n)⇒ W_o,n=R(n)^-1p(n) (16)

잡음 억제 모듈(102)을 구현하기 위해서는 자동 상관 행렬 R(n)과 교차 상관 벡터 p(n)의 추정치가 요구된다. R(n)과 p(n)의 계산에 이용되는 기대치 연산자 E[]는 당업자에게 널리 알려져 있는 바와 같이 평균 연산자로 대체될 수 있다. 그러나, 외부 간섭의 최대량이 존재하는 데이터의 일부에 대해서 평균화가 수행되어야 한다. 더욱이, R(n)과 p(n)은 레이더 데이터에서의 타겟의 에너지는 별로 중요한 역할을 하지 않는 식으로 추정될 수 있다. 이것이 필요한 이유는 주 센서 어레이(32)와 가상 보조 센서 어레이 모두가 동일한 센서들을 공유하기 때문이다.

도 2를 참조로 설명하면, 동일 채널 간섭은 -2와 -4 Hz 사이의 도플러 주파수에서 발생하는 마루(ridge)에 의해 알 수 있는 바와 같이 특정의 도플러 주파수에 대해 범위 공간 전체에 걸쳐 존재한다. 반대로, 도 4를 참조로 설명하면, 임펄스 잡음은 범위-도플러 공간 전체에 걸쳐 퍼져있다. 동일 채널 간섭과 임펄스 잡음 모두를 포함하는 외부 간섭의 양호한 추정치는 동일 채널 간섭과 임펄스 잡음 모두와의 오버랩을 갖는 영역들에 대해서 범위-도플러 데이터를 평균함으로써 얻어질 수 있다. 즉, 평균화가 수행되는 영역의 형상은 바람직하게는 대부분의 간섭을 포함하도록 선택된다. 이것은 도 15에 도시된 스트립(128)으로 나타낸 바와 같은 주어진 도플러 주파수에서 범위-차원을 따라 범위-도플러 데이터를 평균화하는 것과 같다. 이와 달리, 이 스트립(128)은 다른 형상이 될 수 있다(이것은 간섭의 형상에 의해 정해진다). 따라서, 스냅 샷(n)에서의 교차 상관 벡터 p(n)는 수학식 17에 따라 주어진 도플러 주파수 D_i에 대해 범위 차원을 따라 추정될 수 있다.

(17)

여기서, r은 범위 인덱스이고 N_r은 평균화 처리에서 범위 셀의 수이다. 마찬가지로, 스냅 샷(n)에서의 자동 상관 행렬 R(n)은 수학식 18에 따라 주어진 도플러 주파수 D_i에 대해 범위 차원을 따라 추정될 수 있다.

(18)

설명의 나머지 부분을 간단하게 하기 위하여, 스냅 샷 인덱스(n)는 버릴 것이다.

이제 도 16을 참조로 본 발명의 잡음 억제 모듈(102)의 상세한 구현에 대해 설명한다. 또한 도 17a 내지 17h를 참조로 본 발명에 따른 모듈(102)의 동작 설명을 용이하게 하기 위하여 잡음 억제 모듈(10)의 여러 노드에서의 레이더 데이터에 대해 설명한다. 전처리된 레이더 데이터(104)는 전술한 주 센서 어레이(32)의 복수의 센서(S₁, S₂, ..., S_K)에 의해 기록된 레이더 데이터에 대한 전처리 요소들의 동작으로부터 얻어진다. 이러한 전처리 동작을 수행하는 모듈은 도 16의 블록도에는 도시되어 있지 않다. 전처리된 레이더 데이터(104)는 범위-펄스-센서 데이터의 3차원 행렬로 표현될 수 있다(도 16에서는 두꺼운 블록선으로 표현됨). 레이더 데이터(104)는 바람직하게는 각 센서 내의 기지의 위상 및 진폭 오차에 대해 보정하도록 조정되었다. 이러한 조정은 바람직하게는 송신기를 감시 구역 내의 알려진 여러 장소로 옮기고 주 센서 어레이(32)에 의해 기록된 EM 펄스를 송신함으로써 행해진다. 송신기의 위치는 기록된 레이더 데이터로부터 도출되며, 주 센서 어레이(32)에 의해 기록된 레이더 데이터를 조정하는데 이용되는 복수의 가중 벡터를 가진 조정 벡터를 제공하기 위하여 송신기의 알려진 위치와 비교된다. 조정 벡터는 여러가지 송신 주파수에 대해서 생성될 수 있다.

범위-펄스-센서 데이터(104)의 구성은 도 17a에 도시된 x-y-z 좌표계에 따라서 z축을 따르는 범위 차원, y축을 따르는 펄스 차원, 및 x축을 따르는 센서 차원을 갖는 것으로 도 17a에 나타나 있다. 바람직하게는 레이더 데이터는 CIT에 따라서 시간 세그먼트로 분할된다. CIT는 전술한 바와 같이 선박 모드나 공중 모드 등과 같이 레이더 동작 모드에 따라 다르다.

범위 벡터(44)와 센서 벡터(48)는 이미 설명하였으므로 여시서는 더 이상 논의하지 않을 것이다. 펄스 벡터(130)는 CIT에서 송신되었던 각 펄스에 대해 범위 인덱스 값(R₁)의 범위 값에서 센서(S₁)에 의해 기록되었던 EM값을 포함하는 펄스 인덱스 값(P₁,P₂,...,P_N)을 갖는 펄스 셀 계열을 포함한다. 따라서, 펄스 인덱스(P₁)는 송신된 제1 펄스를 나타내고, 펄스 인덱스(P₂)는 송신된 제2 펄스를 나타내는 식으로 된다. 펄스 벡터(130) 내의 샘플링된 EM 값들은 각 EM 펄스가 송신된 후에 모두 동시에 샘플링되었다(따라서, 이들은 모드 범위 인덱스(R₁)로 나타낸 범위 값에 해당한다). 도 17a는 또한 레이더 데이터(104)의 구성 방법을 보여주기 위하여 주어진 센서에 대한 범위-펄스 2차원 데이터의 일부를 도시한다. 도 17a에서 보는 바와 같이, 범위-펄스-센서 레이더 데이터(104)를 구성하는 복수의 범위 벡터(44), 펄스 벡터(130) 및 센서 벡터(48)가 있다.

전처리된 범위-펄스-센서 데이터(104)는 정합 범위-펄스-센서 데이터(132)를 제공하기 위하여 데이터(104)를 정합 필터링하는 정합 필터 모듈(108)에 공급된다. 정합 필터 모듈(108)은 바람직하게는 송신된 EM 펄스에 정합되는 전달 함수를 가진 디지털 필터이다. 정합 필터 모듈(108)은 주어진 펄스 인덱스(P_i)와 주어진 센서(S_i)에 대해 범위 차원을 따라 동작하는 단일의 디지털 필터를 포함할 수 있다(즉, 정합 필터는 레이더 데이터(104)로부터 범위 벡터(44)와 같은 범위 벡터들에 대해 동작한다). 이 정합 필터링 동작은 각 펄스 인덱스(P_i)와 각 센서(S_i)에 대해 수행된다. 정합 필터링은 정합 필터의 전달 함수가 처리되고 있는 펄스 반사에 따라서 변화되도록(즉, 현재 펄스 반사를 일으키는 EM 펄스에 정합되도록) 순차적으로 행해질 수 있다. 이와 달리, 정합 필터 모듈(16)은 디지털 필터 각각이 송신된 EM 펄스들 중 하나에 정합된 전달 함수를 가지는 디지털 필터 뱅크를 포함할 수 있다. 그러면, 시스템은 들어오는 펄스 반사를 대응하는 정합 필터쪽으로 전환할 것이다.

송신된 EM 펄스는 바람직하게는 레인지 랩 문제를 해결하기 위해 프랭크 코드를 이용하여 설계된다(Frank R. L., IEEE Trans. On IT, Vol. 9, pp 43-45, 1963). 따라서, 프랭크 코드는 정합 필터 모듈(108)에 대한 필터 계수를 생성하는데도 이용된다. 프랭크 코드는 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이 발생된 각 EM 펄스를 위상 변조하는데 이용된다. 따라서, 주어진 EM 펄스는 프랭크 코드 행렬로부터 구해진 프랭크 코드에 따른 위상을 각각 갖는 서브펄스들로 나누어진다. 발생된 EM 펄스들은 프랭크 코드 행렬의 행들이 직교하므로 모두 서로 직교한다. P4 프랭크 행렬의 일례는 P4=[1 1 1 1; 1 j -1 j; 1 -1 1 -1; 1 -j -1 j]이며, 여기서 행렬의 행들은 세미콜론으로 구분된다. 따라서, 예컨대, 프랭크 P4 행렬의 네 번째 행에 기초한 EM 펄스는 각각 0°, 270°, 180°, 및 90°의 위상을 갖는 네 개의 정현 서브펄스를 가질 것이다. 더욱이, 이 EM 펄스에 정합되는 정합 필터의 계수들은 복소 공액화되고(conjugated) 역순서로 된 발생된 EM 펄스와 동일한 샘플들을 갖게 될 것이다. 이것은 4개의 구별되는 EM 펄스와 4개의 구별되는 정합 필터가 존재하도록 프랭크 P4 행렬의 각 행에 대해서 반복될 수 있다. 이들 4개의 구별되는 EM 펄스는 EM1, EM2, EM3, 및 EM4(여기서 번호는 P4 행렬에서 행이다)와 같이 순차적으로 반복적으로 송신된다. 그런 다음에, 레이더 반사는 해당 정합 필터에 의해 처리된다.

P8, P16 또는 P32 행렬에 기초한 다른 프랭크 코드도 사용될 수 있다. 그러나, P32 행렬의 경우에는 위상 변조에 필요한 위상들이 서로 가까이 있기 때문에 정밀하게 발생될 필요가 있는데, 이는 더 고가의 하드웨어를 필요로 한다. 발생된 EM 펄스의 대역폭에 대한 요구사항에 따라서 바커(Barker) 코드와 같은 다른 코드들도 이용될 수 있다.

정합 범위-펄스-센서 데이터(132)는 제1 도플러 처리 모듈(110)에 공급되며, 이 모듈은 이 데이터를 처리하여 정합 범위-도플러-센서 데이터(134)를 제공한다. 제1 도플러 처리 모듈(106)은 정합 범위-펄스-센서 데이터(132)의 펄스 차원(또는 펄스 도메인)을 따라 도플러 처리를 수행하여 정합 범위-도플러-센서 데이터(134)를 제공한다. 도플러 처리는 바람직하게는 각 펄스 벡터(130)에 대해 적당한 윈도우 함수를 갖고서 FFT를 수행하여 각 범위 인덱스 값(R_i)에 대한 시계열 데이터를 주파수 계열로 변환시키는 것을 포함한다. 도 17b는 정합 범위-펄스-센서 데이터(132)의 정합 범위-도플러-센서 데이터(134)로의 변환을 나타낸다. 이와 달리,FFT를 이용하여 도플러 처리를 구현하는 대신에, 당업자에게 널리 알려져 있는 바와 같이 협대역 필터 뱅크가 이용될 수 있다.

정합 범위-도플러-센서 데이터(134)는 정합 범위-도플러-센서 데이터(134)로부터 주어진 센서(S_i)에 대한 정합 범위-도플러 데이터를 선택하는 센서 선택기(112)에 공급된다. 이 동작은 도 17c에 도시되어 있다. 센서 선택기(112)는 또한 선택된 정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(B)를 제공하며, 이것은 후술하는 바와 같이 더 처리된다.

전처리된 범위-펄스-센서 데이터(104)는 또한 부정합 범위-펄스-센서 데이터(136)를 제공하기 위하여 레이더 데이터(104)를 "부정합" 필터링하는 부정합 필터 모듈(116)에 공급된다. 부정합 필터 모듈(116)은 바람직하게는 송신된 EM 펄스에 부정합되는 전달 함수를 갖는 디지털 필터이다. 부정합 필터 모듈(116)은 정합 필터 모듈(108)과 동일한 방식으로 범위-펄스-센서 데이터(104)에 대해 구현되어 동작되어 부정합 범위-펄스-센서 레이더 데이터(136)를 생성할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 부정합 필터는 송신된 EM 펄스를 거부하는 전달 함수를 이용한다. 따라서, 정합 필터 모듈(108)에 대해 상기에서 주어진 예를 이용하면, 만일 송신된 EM 펄스가 프랭크 P4 행렬의 네 번째 행에 기초하여 발생되었다면, 정현 서브펄스들의 위상들은 프랭크 P4 행렬의 네 번째 행이 아닌 다른 임의의 행으로부터 얻어진다. 이렇게 해서 얻어진 정현 계열은 부정합 필터 모듈(116) 내의 부정합 필터의 계수들을 얻기 위해서 역전될 것이다. 따라서, P4 행렬의 행들은 EM 펄스 계열을 반복적으로 제공하기 위해 순차적으로 사용된다면, 부정합 필터 출력이 정합 필터 모듈(108)에 의해 생성된 정합 필터 출력과 상관하지 않게끔 EM 펄스 각각의 반사를 처리하기 위해서는 부정합 필터 모듈(116)에 부정합 필터 계열이 필요할 것이다.

그 다음, 부정합 범위-펄스-센서 데이터(136)는 제2 도플러 처리 모듈(118)에 공급되고, 이 모듈은 이 데이터를 처리하여 부정합 범위-도플러-센서 데이터(138)를 생성한다. 제2 도플러 처리 모듈(118)은 제1 도플러 처리 모듈(110)과 유사한 방식으로 구현되므로 여기서는 더 이상 논의하지 않는다.

제2 처리 모듈(114)은 가상 보조 센서 어레이를 구성하기 위하여 부정합 범위-도플러 데이터를 제공하는 보조 어레이 선택기(120)를 더 포함한다. 도 17d를 참조로 설명하면, 이것은 부정합 범위-도플러-센서 데이터(138)를 취하고, 이 데이터(138)를 2차원 슬라이스들(140, 142, ..., 144)로 분할하고, 서로 쇠사슬처럼 연결되어 부정합 범위-도플러-센서 데이터(146)를 구성하는 이들 슬라이스들의 부분 집합을 선택하는(즉, L개의 슬라이스를 선택하는) 것에 해당한다. 데이터(146) 구성에 기여하는 센서들의 어레이를 센서들(A₁,A₂,...,A_L)(미도시)을 갖는 가상 보조 센서 어레이라 한다. 보조 어레이 선택기(120)는 부정합 범위-도플러-센서 데이터(146)의 일부(Y)를 제공하며, 이것은 후술하는 바와 같이 더 처리된다.

전술한 바와 같이, 가상 보조 센서 어레이는 레이더 데이터(104)에 기여하는 주 센서 어레이(32) 중의 센서 전부 또는 부분집합으로부터 구성될 수 있다. 만일 가상 보조 센서가 주 센서 어레이(32)의 부분 집합을 포함한다면, 한 가지 조건이만족되어야 한다. 이것은 가상 보조 센서 어레이의 개구 크기가 주 센서 어레이(32)의 개구 크기와 같아야 한다는 것이다. 이것은 레이더 데이터(104)에 기여했던 주 센서 어레이(32)에서의 최좌측 및 최우측 공간 지향 센서가 가상 보조 센서 어레이에서도 최좌측 및 최우측 공간 지향 센서가 되어야 한다는 것을 의미한다. 더욱이, 고정된 주 센서 어레이(32)가 주어지면, 가상 보조 센서 어레이는 잡음 억제 모듈(102)의 동작 전에 미리 정해질 수 있다. 따라서, 잡음 억제 모듈(102)의 동작 중에, 가상 보조 센서 어레이에 원하는 수의 센서가 주어진다면, 가상 보조 센서 어레이의 센서들은 탐색(look-up) 테이블에 의해 제공될 수 있다. 탐색 테이블은 주 센서 어레이(32) 내에서의 각 보조 어레이 센서(A_i)의 위치를 나타낸다.

도 16의 블록도는 보조 어레이 선택기(120)가 제2 도플러 처리 모듈(118)과 적응성 빔성형기(122) 사이에 연결되어 있는 것을 보여주고 있지만, 더 효율적인 신호 처리를 위해서 보조 어레이 선택기(120)의 위치는 변경될 수 있다. 예컨대, 보조 어레이 선택기(120)는 부정합 필터 모듈(116)과 제2 도플러 처리 모듈(118) 사이에 배치될 수 있다. 아니면, 보조 어레이 선택기(122)는 부정합 필터 모듈(116) 앞에 위치해도 된다.

잡음 억제 모듈(102)은 제2 처리 모듈(114)과 제1 처리 모듈(106)와 통신하는 적응성 빔성형기(122)를 더 포함한다. 적응성 빔성형기(122)는 도 16에 도시된 바와 같이 연결된 자동상관 행렬 계산기(148), 행렬 역변환기(150), 교차 상관기(152), 가중치 계산기(154), 및 보조 빔 생성기(156)를 포함한다.

자동상관 행렬 계산기(148)는 가상 보조 센서 어레이로부터 부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(Y)를 수신하고 수학식 18에 따라서 자동상관 행렬(R_Y)을 생성한다(즉, R_Y=Y^HㆍY). 도 17e를 참조로 설명하면, 레이더 데이터의 일부(Y)는 주어진 도플러 인덱스(D_i)에 대해 범위-센서 데이터의 2차원 슬라이스에 해당한다. 그러므로, 레이더 데이터의 일부(Y)는 N ×L 차원(즉, N개의 범위 셀과 L개의 센서)을 갖는 행렬이다. 따라서, 자동상관 행렬 계산기(148)는 행렬(Y)과 행렬(Y^H) 간의 행렬 곱셈을 수행함으로써 자동상관 행렬(R_Y)을 생성한다. 자동상관 행렬(R_Y)의 차원은 L ×L(즉, L개의 행렬과 L개의 열)이다.

행렬 역변환기(150)는 자동상관 행렬(R_Y)을 수신하고, 당업자에게 널리 알려져 있는 역변환 수단을 이용하여 행렬 역변환을 수행하여 자동상관 역행렬 P=R_Y ^-1을 구한다. 레이더 데이터의 일부(Y)가 잡음을 많이 포함하지 않는 경우에는 자동상관 행렬(R_Y)은 랭크 부족(rank deficient)일 수 있다. 이것은 자동상관 행렬(R_Y)의 상태수를 계산하여 결정될 수 있다. 이 상황에서는 자동상관 역행렬(P)을 구하는데 유사 역연산자(pseudo-inverse operator)가 이용된다. 자동상관 역행렬(P)의 차원은 L ×L이다. R_Y의 상태수와 유사 역연산자를 얻는데 필요한 수학식은 당업자에게 잘 알려져 있다.

교차 상관기(152)는 제1 처리 모듈(106)로부터 정합 범위-도플러 데이터의 일부(B)는 물론 가상 보조 센서 어레이로부터 부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(Y)를 수신하고, 수학식 17로 주어진 교차상관 벡터(Q)(즉, Q=Y^HㆍB)를 계산한다. 다시 도 17e를 참조로 설명하면, 레이더 데이터의 일부(B)는 주어진 센서(S_i)와 데이터의 일부(Y)에 대응하는 동일한 도플러 인덱스(D_i)에 대한 범위 벡터이다. 데이터의 일부(B)는 N ×1의 차원을 갖고 있다. 교차 상관기(152)는 행렬 곱셈을 수행하여 L ×1(즉, (L ×N) * (N ×1) = L ×1)의 차원을 갖고 있는 교차상관 벡터(Q)를 생성한다.

가중치 계산기(154)는 교차상관 벡터(Q)와 자동상관 역행렬(P)을 수신하고, 수학식 16에 따라 행렬 곱셈을 수행하여 적응성 가중 벡터(W)를 생성한다. 따라서, 적응성 가중 벡터(W)는 L ×1의 차원을 가진 행 벡터이다. 보조 빔 생성기(156)는 적응성 가중 벡터(W)와 레이더 데이터의 일부(Y)를 수신하고, 수학식 19에 따라 레이더 데이터의 일부(B)에서의 간섭 추정치(I)를 생성한다.

I = W^HㆍY (19)

따라서, 간섭 추정치(I)는 1 ×N의 차원을 갖는 벡터이다.

잡음 억제 모듈(102)은 감산기(158)와 이 감산기(158)와 통신하는 최소화기(160)를 포함하는 억제기(124)를 더 포함한다. 감산기(158)는 레이더 데이터의 일부(B)와 외부 간섭 추정치(I)를 수신하고, 수학식 20에 따라 벡터 또는 감산 신호(T)를 제공한다.

T = B - I (20)

최소화기(160)는 벡터(T)와 레이더 데이터의 부분(B)을 수신하여 수학식 21에 따라 잡음 억제된 정합 범위-도플러 데이터의 일부(B_R)를 생성한다.

B_R= min(B,T) (21)

여기서, 연산자 min( )은 도 17f에 도시된 바와 같이 두 개의 벡터(B, T)를 정렬하고, 벡터(B)에서 한 셀로부터 한 값을 취하고, 벡터(T)에서 그 셀로부터 한 값을 취하고, 벡터(B_R)에서 이들 두 개의 값 중 최소값을 그 셀에 배치함으로써 정해진다. 이 작업은 벡터(B, T)에서 모든 셀에 대해 반복된다.

이제 도 17g를 참조로 설명하면, 억제기(124)의 기능을 설명하는데 도움이 되는 벡터 계열(데이터 계열 또는 신호들이라고도 할 수 있음)이 도시되어 있다. 레이더 데이터의 주어진 부분(B)과 외부 간섭 추정치(I)에 대해서, 벡터(T)는 벡터 감산에 의해 생성된다. 그러나, 외부 간섭 추정치(I)에는 외래 잡음(162)의 발생 가능성이 있다. 이 외래 잡음(162)은 부정합 필터 모듈(116)의 동작으로부터 유래되는데, 벡터(T)에도 포함되어 있다. 따라서, 벡터(T)는 잡음 억제된 정합 레이더 데이터의 일부(B_R)로 바로 사용될 수 없다. 오히려, 벡터(T)와 레이더 데이터의 일부(B)는 전술한 바와 같이 두 개의 데이터(B, T)를 정렬하고 벡터(B_R) 구성 시에 이들 두 개의 벡터 중 최소의 것을 선택하는 최소화기(160)에 의해 처리된다. 결과적으로, 외부 간섭 추정치(I) 내에 외래 잡음(162)이 있다면, 최소화기(160)는 이것을 제거할 것이다.

이제 도 17h를 참조로 설명하면, 벡터(B_R)은 잡음 억제된 정합 레이더 데이터(164)를 구성하는데 이용된다. 잡음 억제된 레이더 데이터(164) 내의 벡터(B_R)의 위치는 도 17e에 도시된 레이더 데이터 내의 벡터(B)의 위치와 같다. 따라서, 잡음 억제된 레이더 데이터(164)는 한 번에 한 범위 벡터까지 구성된다. 이런 방식으로, 주어진 센서(S_i)에 대해서, 전술한 바와 같이 잡음 억제된 데이터의 일부(B_R)을 제공하기 위하여 주어진 도플러 인덱스(D_i)와 이 도플러 인덱스에 대해 계산된 외부 간섭 추정치(I)에 대해서 데이터의 일부(B)가 구해질 수 있다. 이 작업은 도플러 인덱스 전부가 처리될 때까지 선택된 센서(S_i)에 대해서 도플러 차원을 따라(즉, 도플러 인덱스마다) 반복된다. 그 다음, 다음 센서의 범위-도플러 데이터가 센서 선택기(112)에 의해 선택되어 동일한 방식으로 처리된다. 이 작업은 범위-도플러 데이터(RD₁, RD₂, ..., RD_K) 모두가 잡음 억제된 레이더 데이터(164)(이 데이터로부터 센서(S₁, S₂, ..., S_K)에 대응하는 범위-도플러 데이터 신호(RD₁', RD₂', ..., RD_K')가 구해짐)를 구성하기 위하여 잡음 억제 모듈(102)에 의해 처리될 때까지 반복된다.

이제 도 18을 참조로 설명하면, 본 발명의 잡음 억제 모듈(102)에 따라 레이더 데이터 내의 잡음을 억제하는 잡음 억제 방법(170)이 도시되어 있다. 레이더데이터는 CIT에 따라서 일정 기간 동안 주 센서 어레이(32)에 의해서 샘플링되었으며, 전술한 바와 같이, 전처리되고 조정되었다. CIT의 지속기간은 레이더의 동작 모드에 따라 설정된다. 잡음 억제 방법(170)은 단계(172)에서 시작하는데, 이 단계에서 범위-펄스-센서 레이더 데이터(104)는 전술한 바와 같이 정합 필터링된다. 다음 단계(174)는 정합 범위-도플러-센서 데이터를 제공하기 위하여 정합 필터링된 범위-펄스-센서 데이터에 대해 도플러 처리를 수행하는 것이다. 전술한 바와 같이, 도플러 처리는 적당한 윈도우 함수를 가지고 FFT를 수행하거나 필터 뱅크 처리를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 다음 단계(176)는 센서(S_i)에 대해 정합 범위-도플러 데이터를 선택하는 것이다.

단계(178)에서는 범위-펄스-센서 레이더 데이터(104)에 대해서 부정합 필터링이 수행된다. 다음 단계(180)는 부정합 범위-도플러-센서 데이터를 제공하기 위하여 부정합 필터링된 범위-펄스-센서 데이터에 대해 도플러 처리를 수행하는 것이다. 다음 단계(182)는 범위-도플러-센서 데이터 신호(104)에 기여했던 주 센서 어레이(32)로부터 센서들이 주어지면 가상 보조 센서 어레이를 선택하는 것이다. 따라서, 단계들(178 내지 182)은 주 센서 어레이(32)에 의해 기록된 레이더 데이터로부터 도출된 범위-펄스-센서 데이터가 주어지면 가상 보조 센서 어레이에 부정합 범위-도플러-센서 데이터를 제공하는 것으로 요약될 수 있다. 전술한 바와 같이, 가상 보조 센서 어레이는 더 효율적인 신호 처리를 위해서 도플러 처리 단계(180) 또는 부정합 필터링 단계(178) 전에 선택될 수 있다.

단계(182)에서는 레이더 데이터의 일부들(B, Y)이 선택된다. 레이더 데이터(B)는 주어진 센서(S_i)에 대해 선택된 정합 범위-도플러 데이터로부터 선택되는 것으로 주어진 도플러 인덱스에 대한 범위 벡터이다. 레이더 데이터(Y)는 가상 보조 센서 어레이의 부정합 범위-도플러-센서 데이터로부터 선택되는 것으로 레이더 데이터(B)의 동일 도플러 인덱스에 대한 범위-센서 데이터의 2차원 슬라이스이다.

잡음 억제 방법(170)의 다음 단계들(186 내지 198)은 정합 범위-도플러 데이터의 일부(B) 내의 외부 간섭 추정치(I)를 제공하기 위하여 부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(Y)에 대해 적응성 빔성형을 수행한다. 적응성 빔성형은 단계(186)에서 시작하는데, 이 단계에서는 레이더 데이터(Y)의 자동상관 행렬 R_Y(R_Y=Y^HㆍY)가 계산된다. 단계(188)에서는 자동상관 역행렬 P(P=R_Y ^-1)가 계산된다. 그 다음, 잡음 억제 방법(170)은 단계(190)으로 가고, 여기서는 교차상관 벡터 Q(Q=Y^HㆍB)가 계산된다. 그 다음, 단계(192)에서 자동상관 역행렬(P)과 교차상관 벡터(Q)에 기초하여 적응성 가중 벡터(W)가 계산된다(W=PㆍQ). 그 다음, 단계(194)에서 정합 범위-도플러 데이터의 일부(B) 내의 외부 간섭 추정치 I(I=W^HㆍY)가 계산된다.

그 다음, 잡음 억제 방법(170)은 단계들(196 내지 198)로 가고, 여기서는 외부 간섭 추정치(I)와 정합 범위-도플러 데이터의 일부(B)를 이용하여 잡음 억제된 정합 범위-도플러 데이터의 일부(B_R)를 구한다. 단계(196)에서 외부 간섭 추정치(I)는 정합 범위-도플러 데이터의 일부(B)로부터 감산되어 벡터 또는 감산 신호(T)를 생성한다. 다음, 단계(198)에서 정합 범위-도플러 데이터의 일부(B) 내의 주어진 요소가 벡터(T) 내의 동일 위치에 있는 요소와 비교되고, 이들 두 요소 중 최소의 것이 잡음 억제된 정합 범위-도플러 데이터의 일부(B_R) 내의 동일 위치에 저장된다. 이것은 레이더 데이터(B) 내의 각 요소에 대해 반복된다. 일단 잡음 억제된 정합 범위-도플러 데이터가 구성되고 나면, 이 데이터는 저장 수단(126) 내의 적당한 위치에 저장된다.

잡음 억제 방법(170)의 다음 단계(200)는 처리할 레이더 데이터가 더 있는지를 판단하는 것이다. 처리할 레이더 데이터가 더 없다면, 잡음 억제 방법(170)은 종료된다. 이 때(단계(204))에, 잡음 억제된 데이터가 스펙트럼 생성 방법(60)에서 이용되어 복수의 고해상 스펙트럼(24) 중 적어도 하나를 생성한다. 처리할 레이더 데이터가 더 있다면, 다음 단계(202)에서 빔성형된 정합 범위-도플러 데이터의 일부(B)와 가상 보조 센서 어레이로부터의 부정합 범위-도플러-센서 데이터의 일부(Y)가 갱신된다. 이 갱신은 잡음 억제 모듈(102)에 대해 전술한 바와 같이 수행된다. 그 다음, 단계(186 내지 200)는 반복된다.

특정 조건하에서는 주어진 센서(S_i)에 대해 생성된 범위-도플러 데이터에 강한 이온층 잡음이 수평띠 형태로 나타날 수 있다. 이것은 주어진 범위 인덱스에서 많은 범위-도플러 셀에 간섭으로서 나타난다. 이 상황에서는 이들 오염된 범위-도플러 셀들이 적응성 빔성형기(122)의 성능을 훼손할 수 있기 때문에 자동상관 행렬(R_Y)과 교차상관 행렬(Q)의 계산 시에 이들 범위-도플러 셀로부터의 레이더 데이터는 고려하지 않는 것이 바람직하다. 오염된 데이터를 계산에서 제거하는 한 가지 방법은 범위 벡터(B')에 대해 중간값(M)을 계산하고 수학식 22에 따라서 임계값(λ)을 생성하는 중간값 필터를 이용하는 것이다.

λ= νㆍM (22)

여기서, ν는 상수값이다. 그러면, 범위 벡터(B') 의 데이터는 수학식 23에 따라서 중간값 필터링될 수 있다.

B'(i) < λ인 경우 OB(i) = B'(i)

B'(i) > λ인 경우 OB(i) = 0 (23)

따라서, 임계값(λ) 이상인 B'의 모든 값은 OB에서 0으로 설정된다.

이제 도 19를 참조로 설명하면, 제1 처리 모듈(20)과 적응성 빔성형기(122)에 결합된 중간값 필터 모듈(212)을 내장한 잡음 억제 모듈(210)이 도시되어 있다. 잡음 억제 모듈(210)의 나머지 부분은 잡음 억제 모듈(102)과 유사하므로 이에 대해서는 설명하지 않는다. 중간값 필터 모듈(212)은 주어진 센서(S_i)에 대한 정합 범위-도플러 데이터(214)에 대해 중간값 필터링을 수행한다. 중간값 필터 모듈(212)은 바람직하게는 상수 ν에 대해서 1.75의 값을 이용한다. 이 값은 실험적으로 결정된 것이며, 만일 결과가 만족스럽지 못하면 변경될 수 있다. 예컨대, 이온층 클러터가 극히 심한 상황이 있을 수 있는데, 이 경우에는 이온층 클러터를 더 많이 제거하기 위해 상수 ν의 값은 감소되어야 한다. 중간값 필터 모듈(212)은정합 범위-도플러 데이터(214)를 구성하는 각 범위 벡터에 대해 컬럼 방식으로 동작한다. 중간값 필터링된 정합 범위-도플러 데이터의 일부인 벡터(OB)는 전술한 바와 같이 외부 간섭 추정치가 생성되어 정합 레이더 데이터의 일부로부터 감산될 수 있도록 적응성 빔성형기(122)에 제공된다.

대안으로서, 중간값 필터링 대신에 순서 통계 필터링 방법이 이용될 수 있다. 이에 대한 한 가지 예는 어떤 정수(g)(예컨대, 15같은 것)를 선택하고, 벡터(B')의 값들을 정렬하고, 최대 g값과 최소 g값을 제거하고, 나머지 값들을 평균해서 평균값을 구하고, 이 평균값에 상수를 곱해서 임계값을 생성하는 것이다. 이 임계값 이상인 B'의 값들은 0으로 설정된다. 일반적으로, 필터는 간섭 통계, 대역폭 및 기타 특성에 주목하여 원하지 않는 신호를 방지하기 위해서 설계될 수 있다. 따라서, 중간값 필터 모듈(212)은 일반적으로 순서 통계 필터 모듈로 표현될 수 있다.

이제 도 20을 참조로 설명하면, 전술한 바와 같이 주어진 센서(S_i)에 대한 정합 범위-도플러 레이더 데이터에 대해 중간값 필터링을 수행하는 중간값 필터링 단계(222)를 구비한 대안적인 잡음 억제 방법(220)이 나타나 있다. 잡음 억제 방법(220)의 나머지 부분은 잡음 억제 방법(170)과 동일하므로 설명은 하지 않는다. 전술한 바와 같이, 중간값 필터링 대신에 다른 순서 통계 필터링 방법이 이용될 수 있다.

이제 도 21a를 참조로 설명하면, 본 발명의 잡음 억제 방법(170)을 이용하지않고 구해진 레이더 데이터의 종래의 빔성형된 범위-도플러 플롯의 일례가 도시되어 있다. 레이더 데이터는 가을에 기록되었으며, 83 km의 범위에서 8˚의 방위각을 갖는 선박 타겟(230)(도 21a에는 보이지 않음)을 갖고 있다. 레이더 데이터는 외부 간섭으로 심하게 오염되어 있다. 이제 도 21b를 참조로 설명하면, 본 발명의 잡음 억제 방법(170)을 이용하지 않고 본 발명의 스펙트럼 생성기(10)에 생성된 도 21a의 레이더 데이터의 고해상 범위-도플러 플롯이 도시되어 있다. 도 21c 및 도 21d는 각각 선박 타겟(230)의 범위에서 도 21a 및 도 21b의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 보여준다. 선박 타겟(230)은 도 21a 내지 도 21d 중 어느 것에서도 보이지 않는다.

이제 도 22a 내지 도 22d를 참조로 설명하면, 도 22a는 본 발명의 잡음 억제 방법(170)을 적용한 후에 종래의 빔성형기에 의해 생성된 도 21a의 레이더 데이터의 범위-도플러 플롯을 보여준다. 도 22b는 잡음 억제 모듈(102)을 내장한 본 발명의 스펙트럼 생성기(100)에 의해 생성된 도 21a의 레이더 데이터의 고해상 범위-도플러 플롯을 보여준다. 양 범위-도플러 플롯에서는 선박 타겟(230)이 보여진다. 도 22c 및 22d는 각각 선박 타겟(230)의 범위에서 도 22a 및 22b의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 보여준다. 선박 타겟(230)은 도 22c에서는 거의 보이지 않는다. 그러나, 도 22d는 선박 타겟(230)에 대해 강한 신호를 보여준다. 본 발명의 스펙트럼 평가 방법(60)과 함께 잡음 억제 방법(170)을 이용하면 타겟(230)의 SSCR이 15dB로 증가하였다. 이러한 결과는 잡음 억제 방법(170)이 방금 보았던 것처럼 종래의 FFT 방식의 빔성형과 같은 다른 스펙트럼 추정기와 함께 사용될 수 있음을 보여준다.

타겟 검출에 있어 다른 어려움은 많은 잡음에 의해 둘러싸인 타겟에 생기는 낮은 SSCR이다. 타겟의 SSCR이 낮기 때문에 타겟은 공간 상관이 약할 것이다. 따라서, 타겟의 신호 전력은 신호 부분공간에는 나타나지 않을 수 있겠지만 잡음 부분공간에는 생길 것이다. 본 발명의 스펙트럼 추정 방법(60)을 낮은 SSCR을 가진 타겟에도 효과를 잘 발휘하도록 하는 한 가지 방법은 더 작은 특이값에 더 많이 대응하는 고유 벡터(즉, 백색 공간 잡음 쪽으로 더 많이 놓인 고유 벡터들 만)을 이용하여 잡음 부분공간을 형성하는 것이다. 범위-도플러 데이터 신호(RD₁, RD₂,...,RD_K)에 기여하는 일정 수의 센서가 주어지면, 잡음 부분공간의 차원은 미리 정해질 수 있으며 차원 선택기(54) 내에 설정될 수 있다. 이것은 부분공간 방식 스펙트럼 생성 방법의 감도를 증가시킨다. 따라서, 공간 상관이 약한 타겟은 고해상 범위-도플러 플롯에서 강화된 다음에 레이더 검출기에 의해 검출되어야 한다. 그러나, 이 방법은 레이더 검출기가 타겟인 것으로 오인할 수 있는 공간 상관이 약한 클러터를 잘못 강화시킴으로써 검출 적중 수를 증가시킬 수도 있다. 따라서, 이 방법에 의해 타겟이 배경 잡음으로부터 나타날 수는 있으나 공간 상관이 약한 간섭을 검출함으로써 오경고율을 높일 수도 있다.

이제 도 23a 내지 23d를 참조로 설명하면, 대략 7 dB의 낮은 SSCR을 갖는 타겟(232)을 포함하는 레이더 데이터를 보여준다. 레이더 데이터는 여름 동안에 기록되었다. 도 23a는 종래의 FFT 방식 빔성형기에 의해 생성된 레이더 데이터에 대한 범위-도플러 플롯을 보여준다. 도 23a에는 타겟(232)이 거의 보이지 않는다. 도 23b는 타겟(232)의 범위에서 도 23a의 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 보여준다. 타겟(232)은 배경 잡음 위로 거의 보이지 않는다. 도 23c는 타겟(232)의 도플러 주파수에서 도 23a의 범위-도플러 플롯의 범위 차원을 따른 슬라이스를 보여준다. 다시 한번 타겟(232)은 배경 잡음 위로 거의 보이지 않는다. 도 23d는 타겟(232)의 범위 및 도플러 주파수에서 도 23a에 도시된 레이더 데이터에 대한 방위각 플롯을 보여준다.

이제 도 24a 내지 24d를 참조로 설명하면, 잡음 억제 모듈(102)을 내장하지 않은 스펙트럼 생성기(10)로부터 생성된 플롯을 가진 도 21a의 레이더 데이터를 보여준다. 잡음 부분공간의 크기는 13개의 최소 특이값으로 설정되었다. 도 24a는 스펙트럼 생성기(10)에 의해 생성된 레이더 데이터에 대한 고해상 범위-도플러 플롯을 보여준다. 도 24b에는 타겟(232)이 보이며 6dB의 SSCR을 갖고 있다. 도 24b는 타겟(232)의 범위에서 도 24a의 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 보여준다. 타겟(232)은 도 23b에 비해 배경 잡음 위로 더 뚜렷이 보인다. 도 24c는 타겟(232)의 도플러 주파수에서 도 24a의 범위-도플러 플롯의 범위 차원을 따른 슬라이스를 보여준다. 다시 한번 타겟(232)은 도 23c에 비해 배경 잡음 위로 뚜렷이 보인다. 도 24d는 타겟(232)의 범위 및 도플러 주파수에서 도 24a에 도시된 레이더 데이터에 대한 방위각 플롯을 보여준다. 도 24b와 24c 모두에서는 해양 클러터와 간섭 클러터가 억제되어서 타겟의 검출능력이 향상되었다.

도 22와 23의 레이더 데이터에서 타겟(232)을 강화시키기 위해서, 잡음 부분공간을 발생시키는데 이용되었던 특이값들은 5개의 최소 특이값으로 한정되었다. 이제 도 25a 내지 도 25d를 참조로 설명하면, 5개의 최소 특이값을 이용하여 잡음 부분공간을 구성하지만 잡음 억제 모듈(102)을 내장하지는 않은 스펙트럼(10)으로부터 생성된 플롯을 가진 도 22a의 레이더 데이터가 도시되어 있다. 도 25a는 레이더 데이터에 대한 고해상 범위-도플러 플롯을 보여준다. 도 25a에는 타겟(232)이 보이며 12 dB의 SSCR을 갖고 있다. 그러나, 공간 상관이 약한 클러터에 대응하는 많은 틀린 타겟의 강화로 인해 타겟 강화가 그렇게 많이 향상되지는 못하다. 도 25b는 타겟(232)의 범위에서 도 25a의 범위-도플러 플롯의 도플러 차원을 따른 슬라이스를 보여준다. 도 25c는 타겟(232)의 도플러 주파수에서 도 25a의 범위-도플러 플롯의 범위 차원을 따른 슬라이스를 보여준다. 도 25d는 타겟(232)의 범위 및 도플러 주파수에서 도 25a에 도시된 레이더 데이터에 대한 방위각 플롯을 보여준다. 각도 정확도가 도 24d에서 보인 각도 정확도에 비해 상당히 개선되었다.

이제 도 26을 참조로 설명하면, 공분산 행렬 계산기(14) 및 부분공간 계산기(16)와 통신하는 공분산 행렬 평활화기(242)를 가진 스펙트럼 생성기(24)의 다른 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 공분산 행렬 평활화기(242)는 후술하는 바와 같이 전방 공간 평활화, 후방 공간 평활화 및 전/후방 공간 평활화 중 적어도 어느 하나에 기초하여 공분산 행렬 추정치(C_est)를 공간적으로 평활화함으로써 타겟의 레이더 시그너처(따라서 타겟 검출 능력)를 향상시키기 위해 도입된 것이다. 더욱이, 스펙트럼 생성기(240)에서 위치 행렬 생성기(18')는 후술하는 바와 같이 약간다른 위치 행렬 A'를 생성한다. 스펙트럼 생성기(240)의 나머지 부분은 스펙트럼 생성기(10)와 동일하므로 설명하지 않겠다.

HFSWR에서는 본 발명의 잡음 억제 방법(170)과 함께 EM 펄스를 발생시키기 위한 프랭크 상보 코드와 이에 해당되는 정합 필터를 이용하면, 고해상 범위-도플러 플롯에서 해양 클러터 및 공간 상관이 강한 외부 간섭을 줄이는데 도움이 된다. 그러나, 범위-도플러 스펙트럼 전체에 걸쳐 퍼져있고 타겟의 검출 능력을 감소시키는 다경로 전파의 결과로서 고해상 범위-도플러 플롯은 여전히 공간 상관이 약한 외부 간섭과 대기 잡음을 내포한다. 공간 평활화는 이러한 종류의 잡음을 줄이는데 이용될 수 있다.

공간 평활화는 원래는 다중 신호의 도달 방향을 추정하기 위해 개발된 것이다(Evans 등., (1982), "Application of avanced signal processing techniques to angle of arrival estimation in ATC navigation and surveillance system", Report 582, M.I.T. Lincoln Lab, Lexington, MA, 1982.). 그러나, 본 발명자들은 공간 평활화는 오경고율을 증가시키지 않고서 낮은 SCR 환경에서 타겟 진폭을 강화시키고 타겟에 대한 방위각 정확도를 증가시키기도 한다는 것을 알아 내었다. 공간 평활화는 당업자에게 잘 알려져 있는 다경로 전파 때문에 실제로는 아주 자주 발생하는 완전 상관(또는 고도 상관) 신호를 다룰 능력이 없다고 하는 부분공간 방식 스펙트럼 추정 기술의 주요 단점을 해결하는데도 유리하다.

공분산 행렬 평활화기(242)는 공분산 행렬 추정치(C_est)에 대해 공간 평활화를 수행하여 공간적으로 평활화된 행렬(C_SMest)을 생성한다. 평활화된 공분산 행렬 추정치(C_SMest)를 본 발명의 부분공간 방식 스펙트럼 추정기(10)에 적용함으로써 잡음의 상관 특성에 상관없이 타겟을 식별하는 것이 가능하다. 전방 공간 평활화 방법은 소정 수의 타겟들 간을 구별하기 위해서 많은 센서 요소들을 필요로 한다(예컨대, G개의 타겟을 구별하기 위해서는 2G개의 센서가 필요하다). 그러나, 전방 평활화와 후방 평활화를 동시에 이용하면, 주 센서 어레이(32)에 3G/2개의 센서 요소만 있어도 G개의 타겟을 구별하는 것이 가능하다(Pillai 등., "Forward/Backward spatial smoothing techniques for coherent signal identification", IEEE Trns. On ASSP, 37(1), pp. 8-15, 1989; Friedlander 등., "Direction finding using spatial smoothing with interpolated arrays", IEEE Trans. On AES, 28(2), pp.574-587, 1992). 서브어레이의 수와 공간 평활화 중에 수행된 평균화 회수 간에는 절충관계(tradeoff)가 있다. 서브어레이의 크기는 분해가능한 타겟의 수를 결정하지만, 평균화 회수는 타겟 강화 능력을 결정한다.

공간 평활화는 K개의 센서를 가진 주 센서 어레 중에서 각각이 K+1-G 개의 센서를 가진 센서의 서브어레이들을 균일하게 중첩시켜서 수행될 수 있다.

각 서브어레이에 대해 공분산 행렬이 생성되고(따라서, G개의 부행렬이 있게 됨) 평균화되어 공간적으로 평활화된 공분산 행렬 추정치(C_SMest)를 제공한다. 공간 평활화를 실시하는 다른 방법은 전술한(즉, 수학식 6) 공분산 행렬 추정치(C_est)를생성한 다음에 공분산 행렬 추정치(C_est)를 G개의 부행렬로 나누고, 이 부행렬들을 평균화하여 평활된 공분산 행렬 추정치(C_SMest)를 구하는 것이다. 바람직하게는 공분산 행렬 평활화기(242)에 의해 이용되는 공간 평활화의 구현은 방금 설명했던 후자의 공간 평활화이다.

전방 공간 평활화는 수학식 24 내지 26에 따른 전방 공분산 행렬 추정치를 형성하는 것과 관련된다.

수학식 24 내지 26은 수학식 27의 일반형으로 표현될 수 있다.

여기서, 윗첨자 (K+1-G)x(K+1-G)는 공분산 부행렬의 차원을 나타내고(즉, K+1-G는 각 서브어레이 내의 센서 수이다), 표기 C_F,L=C(G:K,G;k)는 부행렬 C_F,L이 G번째 행에서 시작하여 K번째 행에서 끝나고 G번째 열에서 시작하여 K번째 열에서 끝나는 부행렬 C로부터 형성된다는 것을 의미한다. 그러면 전방 공간 평활화된 공분산 행렬 추정치(C_FS)가 수학식 28에 따라 계산된다.

후방 공간 평활화는 수학식 29 내지 31에 따른 후방 공분산 행렬 추정치를 형성하는 것과 관련된다.

수학식 29 내지 31은 수학식 32의 일반형으로 표현될 수 있다.

후방 공간 평활화된 공분산 행렬(C_B,i)의 복소 공액은 기호 *로 표현된다.그러면, 후방 공간 평활화된 공분산 행렬 추정치(C_BS)가 수학식 33에 따라서 계산된다.

(33)

전/후방 공간 평활화는 전방 공분산 행렬 추정치와 후방 공분산 행렬 추정치 모두를 이용하여 실시된다. 따라서, 전/후방 공간 평활화 공분산 행렬(C_FBS)이 수학식 34에 따라서 계산될 수 있다.

(34)

공분산 행렬 평활화기(242)는 전방, 후방, 전/후방 평활화 방법 중 어느 한 방법에 따라 공간 평활화를 수행할 수 있다. 그러나, 전/후방 공간 평활화가 바람직하다. 공간 평활화에 이용된 방법과는 무관하게, 공간 평활화된 공분산 행렬 추정치(C_SMest)가 일단 계산되고 나면, 부분공간 계산기(16)기 평활화된 공분산 행렬(C_SMest)에 작용하여, 공분산 행렬 추정치(C_SMest)가 이미 공간적으로 평활화되었기 때문에 이미 공간적으로 평활화되는 잡음 부분공간 행렬 추정치(N_est)를 생성한다. 스펙트럼 생성기(240)의 나머지 부분은 위치 행렬 생성기(18')가 수학식 35에 따라 위치 행렬(A')을 계산한다는 점만 제외하고는 스펙트럼 생성기(10)와 마찬가지로 동작한다.

A' = [A'_θ1, A'_θ2, A'_θ3,..., A'_θZ], -π≤θ_i≤ π (35)

여기서, 요소 A'_θi는 다음과 같이 주어진 벡터이다.

A'_θi= [1e^{j2π(d/λ)sin(θi)}, e^{j4π(d/λ)sin(θi)}... e^{j2π(K-G)d/λsin(θi)}]^T(36)

따라서, 위치 행렬(A')은 (K-G) ×Z의 차원을 갖는다.

다음, 도 27을 참조로 설명하면, 스펙트럼 생성기(240)에 따른 스펙트럼 생성 방법(25)의 실시예가 도시되어 있다. 스펙트럼 생성 방법(250)은 두 가지 차이점만 제외하고는 스펙트럼 생성 방법(60)과 유사하다. 스펙트럼 생성 방법은 수학식 8과 9가 아닌 수학식 35와 36에 따라 단계(64')에서 위치 행렬(A')을 생성한다. 둘째, 스펙트럼 생성 방법(250)은 공분산 행렬 추정치(C_est)에 대해 공간 평활화를 수행하여, 잡음 부분공간 행렬 추정치(N_est)를 계산하는데 이용되는 공간적으로 평활화된 공분산 행렬 추정치(C_SMest)를 생성한다. 방법(250)의 나머지 부분은 스펙트럼 추정 방법(60)과 동일하므로 더 이상 논의하지 않는다.

이제 도 28a를 참조로 설명하면, 점선으로 표시된 모의 타겟(260)을 내포하는, 실선으로 표시된 레이더 데이터의 도플러 플롯이 도시되어 있다((도 28a에는 단일 센서의 레이더 데이터가 나타나 있다). 레이더 데이터는 여름 동안에 기록되었다. 타겟(260)의 진폭은 0 dB의 SSCR을 제공하도록 조정되었고, 타겟(260)의 방위각은 -34˚방위각으로 조정되었다.

다음, 도 28b를 참조로 설명하면, 점선으로 표시된, 모의 타겟(260)을 가진 도 28a의(즉, 단일 센서에 대한) 레이더 데이터와, 실선으로 표시된, 모의 타겟(260)을 가진 종래의 FFT 방식으로 빔성형된 데이터의 도플러 플롯을 보여준다. 대략 3dB의 SSCR의 미약한 개선이 이루어졌다. 그러나, 타겟(260) 검출 능력은 계속해서 주변의 배경 잡음에 의해 악영향을 받고 있다.

이제 도 29a 내지 29c를 참조로 설명하면, 본 발명의 스펙트럼 추정 방법(60)을 도 28b에 도시된 레이더 데이터에 적용하였다. 잡음 부분공간은 공분산 행렬 추정치의 13개의 작은 특이값을 이용하여 형성되었다. 도 29a는 타겟(260)의 범위에서 나타나는 고해상 도플러 플롯을 보여준다. 도 29b는 타겟(260)의 도플러 주파수에서 나타나는 고해상 범위 플롯을 보여준다. 도 29c는 타겟(260)의 범위 및 도플러 주파수에서의 고해상 방위각 플롯을 보여준다. 이제 타겟(260)은 5dB의 SSCR을 가지며, 신호 부분공간의 계산 중에 클러터가 억제되었기 때문에 강화되었다.

이제, 도 30a 내지 30c를 참조로 설명하면, 공간 평활화를 실시하는 본 발명의 스펙트럼 추정 방법(250)을 도 28b에 도시된 레이더 데이터에 적용하였다. 전방-후방 공간 평활화 방법을 공분산 행렬 추정치를 평활화하는데 이용하였다. 도 30a는 타겟(260)의 범위에서 나타나는 고해상 도플러 플롯을 보여준다. 도 30b는 타겟(260)의 도플러 주파수에서 나타나는 고해상 범위 플롯을 보여준다. 도 30c는 타겟(260)의 범위 및 도플러 주파수에서의 고해상 방위각 플롯을 보여준다. 이제 타겟(260)은 20 dB의 SSCR을 가지며, 타겟(260)의 진폭이 상당히 증가하였다.

이제 도 31a 내지 31d를 참조로 설명하면, 전/후방 공간 평활화와 13개의 최소 특이값에 기초한 잡음 부분공간을 이용하는 스펙트럼 추정 방법(250)의 성능을도 24a 내지 24d의 고해상 플롯이 생성되었던 그 레이더 데이터에 대해서 평가하였다. 도 24a 내지 24d는 잡음 부분공간을 결정하는데 이용된 13개의 특이값을 가지는 스펙트럼 추정 방법을 이용하여 생성되었다. 도 31a는 고해상 범위-도플러 플롯을 보여준다. 도 31a에서의 클러터는 도 24a에서의 클러터 만큼은 되지 않는다. 도 31b는 타겟(232)의 범위에서의 고해상 도플러 플롯을 보여준다. 도 31c는 타겟(232)의 도플러 주파수에서 나타나는 고해상 범위 플롯을 보여준다. 도 31d는 타겟(232)의 범위 및 도플러 주파수에서의 고해상 방위각 플롯을 보여준다. 도 31b와 도 24b를, 도 31c와 도 24c를, 그리고 도 31d와 도 24d를 비교해 보면, 공간 평활화를 이용하는 것이 도플러, 범위 및 방위각 플롯 각각에서 주위의 배경 잡음에 대해 타겟(232)의 진폭을 향상시켰다. 타겟(232)은 대략 23dB의 SSCR을 갖고 있다.

여기서 설명된 여러가지 스펙트럼 생성기의 실시예들은 조합되어 하나의 스펙트럼 생성기가 될 수 있다. 이제 도 32를 참조로 설명하면, 스펙트럼 생성기(10)가 잡음 억제 모듈(102) 및 공분산 행렬 평활화기(242)와 조합되는 스펙트럼 생성기(270)의 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 스펙트럼 생성기(270)는 고해상 스펙트럼 추정, 외부 간섭 억제 및 공간 평활화의 잡음 억제 효과를 갖고 있다. 스펙트럼 생성기(270)의 구성 요소들은 이미 설명하였으므로 더 이상 설명하지 않겠다.

여기서 설명된 각종 스펙트럼 생성 방법의 실시예들도 조합되어 하나의 스펙트럼 생성 방법으로 될 수 있다. 이제 도 33을 참조로 설명하면, 스펙트럼 생성 방법(10)이 잡음 억제 방법(170) 및 공간 평활화 단계(252)와 조합되는 스펙트럼생성 방법(280)의 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 이들 단계들 전부는 이미 설명하였으므로 더 이상 설명하지 않겠다.

여기서 설명된 스펙트럼 생성기(10, 100, 240, 270)과 스펙트럼 생성 방법(60, 170, 250, 280)은 원형으로 지향하는 안테나 요소들을 가진 어레이인 균일 원형 어레이에도 적용될 수 있다. 따라서, 균일 원형 어레이는 원 또는 원호를 형성하는 안테나 요소들을 가질 수 있다. 도 34는 선형 어레이(도 34a)와 균일 원형 어레이(도 34b)를 보여준다. 균일 원형 어레이의 경우, 어레이 매니폴드 또는 위치 행렬(A)에서의 각 위치 벡터는 수학식 37과 38에 따라 φ와 θ의 함수이다.

A = [A_φ1, A_φ2, A_φ3,..., A_φZ], -π≤φ_i≤ π (37)

여기서, n=1, 2,..., N, R은 균일 원형 어레이에 의해 정해지는 원의 반경이고, 도 34c에서 각종 요소들이 도시되어 있는 곳에서 N≤2πR/d이다. 기호 θ는 고도각(elevation)으로서 0과 90도에 의해 한정된다. 기호 φ는 방위각으로서 0과 360에 의해 한정된다. 기호 r은 파(wave) 단위 벡터이다. 균일 원형 안테나의 안테나 요소들은 무지향성이다. 균일 원형 어레이는 작은 섬이나 대형 선박에 설치되어 360도 방위각 범위까지 제공하며 타겟 고도각의추정치도 제공할 수 있다. 본 발명의 고해상 기술은 균일 원형 어레이와 함께 사용하면, 수학식 37과 38에 의해 주어진 위치 행렬(A)를 상기에서 보였던 적당한 공식에 대입함으로써 레이더 각도 해상도를 증가시키고 해양 클러터 억제를 증진시킬 수가 있다.

여기서 설명된 스펙트럼 생성기(10, 100, 240, 270)의 구성 요소들은 당업계에 알려져 있는 임의의 수단을 통해 구현될 수는 있지만 디지털 신호 처리기와 같은 전용 하드웨어를 이용하는 것이 바람직하다. 대안으로서, 필터, 비교기, 곱셈기, 시프트 레지스터, 메모리 등과 같은 독립된 구성 요소들도 사용될 수 있다. 더욱이, 스펙트럼 생성기(10, 100, 240, 270)의 특정 구성 요소들은 같은 구조로 구성될 수 있다. 예컨대, 제1 도플러 처리 모듈(106)과 제2 도플러 처리 모듈(114)은 동일 하드웨어 구조로 구현될 수 있다.

대안으로서, 대안적인 실시예들의 구성 요소들은 운영체제와 스펙트럼 생성기(10, 100, 240, 270)을 구현하는데 필요한 관련 하드웨어 및 소프트를 구비한 컴퓨팅 플랫폼 상에서 컴퓨터 판독가능 매체에서 구체화되는 매트랩(Matlab), C, C⁺⁺, 랩뷰(Labview^TM) 기타 적당한 프로그래밍 언어로 작성될 수 있는 컴퓨터 프로그램을 통해 구현되는 것이 바람직할 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 여러 가지 스펙트럼 생성 방법(60, 170, 250, 280)의 단계들을 수행하는데 적합한 컴퓨터 명령어들을 포함할 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 스펙트럼 생성기(10, 100, 240, 270)의 구조에 따라서 구현되고 구성된, 객체 지향 프로그래밍 분야에 잘 알려져 있는 모듈이나클래스를 포함할 수 있다. 따라서, 스펙트럼 생성기(10, 100, 240, 270)의 구성 요소별로 독립된 소프트웨어 모듈이 설계될 수 있다. 대안으로서, 타당하다면 이들 구성 요소들의 기능을 통합해서 소프트웨어 모듈의 수를 줄이는 것도 가능하다

지금까지 설명된 바람직한 실시예들은 청구범위에 기재된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 여러가지로 변형될 수 있음은 물론이다.

Claims (50)

1. 레이더용 스펙트럼 생성기에 있어서,

   a) 복수의 범위-도플러 셀을 한정하는 윈도우를 생성하기 위한 윈도우 생성기;

   b) 상기 윈도우 생성기와 통신하여, 전처리된 범위-도플러-센서 데이터로부터 상기 윈도우 내의 목적하는 범위-도플러 셀에 대해 공분산 행렬 추정치를 계산하기 위한 공분산 행렬 계산기;

   c) 상기 공분산 행렬 계산기와 통신하여, 위치 행렬과 잡음 부분공간 행렬 추정치에 기초하여 고해상 스펙트럼 벡터를 계산하기 위한 스펙트럼 계산기를 포함하되,

   상기 공분산 행렬 추정치는 상기 윈도우 내의 상기 복수의 범위-도플러 셀 중 적어도 일부에 대해 계산된 공분산 행렬로부터 구해지고,

   상기 잡음 부분공간 행렬 추정치는 상기 공분산 행렬 추정치로부터 도출되는 스펙트럼 생성기.
2. 제1항에 있어서, 상기 공분산 행렬 계산기는 상기 공분산 행렬의 가중 평균에 따라 상기 공분산 행렬 추정치를 생성하고, 상기 윈도우 생성기는 상기 가중 평균에 사용된 가중치를 정의하는 스펙트럼 생성기.
3. 제2항에 있어서, 상기 윈도우 생성기는 레이더의 동작 모드에 따라서 상기 윈도우의 크기를 변화시키는 스펙트럼 생성기.
4. 제2항에 있어서, 상기 윈도우 생성기는 레이더의 동작 모드에 따라서 상기 윈도우 내의 가중치를 변화시키는 스펙트럼 생성기.
5. 제2항에 있어서, 상기 윈도우는 상기 윈도우의 내부에 있는 제1 영역과 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역을 포함하는 적어도 두 개의 영역을 갖고, 상기 제2 영역 내의 가중치는 상기 제1 영역 내의 가중치보다 작거나 같은 스펙트럼 생성기.
6. 제2항에 있어서, 상기 윈도우는 상기 윈도우의 내부에 있는 제1 영역, 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역, 및 상기 제1 영역을 둘러싸는 제3 영역을 포함하는 세 개의 영역을 갖고, 상기 제2 영역 내의 가중치는 상기 제1 영역 내의 가중치보다 작거나 같고, 상기 제3 영역 내의 가중치는 상기 제2 영역 내의 가중치보다 작거나 같은 스펙트럼 생성기.
7. 제1항에 있어서,

   a) 상기 공분산 행렬 계산기와 통신하여, 상기 공분산 행렬 추정치를 수신하고, 상기 공분산 행렬 추정치의 잡음 부분공간의 적어도 일부에 기초하여 상기 잡음 부분공간 행렬 추정치를 계산하기 위한 부분공간 계산기; 및

   b) 상기 스펙트럼 계산기와 통신하여, 상기 고해상 스펙트럼 벡터가 생성되는 방위각을 정의하는 적어도 하나의 위치 벡터를 갖는 상기 위치 행렬을 생성하기 위한 위치 행렬 생성기를 더 포함하는 스펙트럼 생성기.
8. 제7항에 있어서, 상기 부분공간 계산기는

   a) 상기 공분산 행렬 추정치를 수신하고, 이 추정치에 대해 특이값 분해를 수행하기 위한 SVD 모듈;

   b) 상기 SVD 모듈과 통신하여, 상기 잡음 부분공간에 대해 차원 b를 선택하기 위한 차원 선택기; 및

   c) 상기 차원 선택기와 상기 SVD 모듈과 통신하여, 상기 잡음 부분공간 행렬 추정치를 계산하기 위한 잡음 부분공간 행렬 계산기를 포함하는 스펙트럼 생성기.
9. 제1항에 있어서, 상기 스펙트럼 계산기는

   에 따라 상기 고해상 스펙트럼 벡터를 계산하되, A는 상기 위치 행렬이고, N_est는 상기 잡음 부분공간 행렬 추정치인 스펙트럼 생성기.
10. 제9항에 있어서, 상기 위치 행렬(A)에서 위치 벡터(A_θi)는 A_θi= [1e^{j2π(d/λ)sin(θi)}, e^{j4π(d/λ)sin(θi)}... e^{j2π(K-1)d/λsin(θi)}]^T로 주어지되, d는 상기 범위-도플러-센서 데이터를 제공하는 선형 어레이의 간격이고, K는 선형 어레이의 센서 수이고, θ_i는 방위각이고, λ는 송신된 레이더 펄스의 파장인 스펙트럼 생성기.
11. 제9항에 있어서, 상기 위치 행렬(A)에서 위치 벡터(A_θi)는

    로 주어지되, d는 균일 원형 어레이의 인접 센서들 간의 원주 간격, N은 균일 원형 어레이의 센서 수, φ는 방위각, θ는 고도각, R은 균일 원형 어레이의 반경인 스펙트럼 생성기.
12. 제1항에 있어서, 상기 공분산 행렬 계산기와 통신하여, 2 또는 그 이상의 전방 공분산 행렬(C_Fi)을 평균함으로써 상기 공분산 행렬 추정치를 평활화하기 위한 공분산 행렬 평활화기를 더 포함하되, 상기 전방 공분산 행렬 각각은 C_Fi=C_est(i:(K+1-G+i-1),i:(K+1-G+i-1))에 따라 상기 공분산 행렬 추정치(C_est)로부터구해지는 스펙트럼 생성기.
13. 제1항에 있어서, 상기 공분산 행렬 계산기와 통신하여, 2 또는 그 이상의 후방 공분산 행렬(C_Bi)을 평균함으로써 상기 공분산 행렬 추정치를 평활화하기 위한 공분산 행렬 평활화기를 더 포함하되, 상기 후방 공분산 행렬 각각은 C_Bi=C^*((K+1-i):(G+1-i),(K+1-i):(G+1-i))에 따라 상기 공분산 행렬 추정치(C_est)로부터 구해지는 스펙트럼 생성기.
14. 제1항에 있어서, 상기 공분산 행렬 계산기와 통신하여, 적어도 하나의 전방 공분산 행렬(C_Fi)과 적어도 하나의 후방 공분산 행렬(C_Bi)을 평균함으로써 상기 공분산 행렬 추정치를 평활화하기 위한 공분산 행렬 평활화기를 더 포함하되, 상기 전방 공분산 행렬 각각과 상기 후방 공분산 행렬 각각은 각각 C_Fi=C_est(i:(K+1-G+i-1),i:(K+1-G+i-1))과 C_Bi=C^*((K+1-i):(G+1-i),(K+1-i):(G+1-i))에 따라 상기 공분산 행렬 추정치(C_est)로부터 구해지는 스펙트럼 생성기.
15. 제1항에 있어서, 상기 공분산 행렬 계산기와 통신하여, 상기 전처리된 범위-도플러-센서 데이터 대신에 잡음 억제된 레이더 데이터를 상기 공분산 행렬 계산기에 제공하고, 상기 전처리된 레이더 데이터 내의 외부 간섭을 추정하고, 상기 외부 간섭을 억제하여 상기 잡음 억제된 레이더 데이터를 생성하기 위한 잡음 억제 모듈을 더 포함하는 스펙트럼 생성기.
16. 제15항에 있어서, 상기 잡음 억제 모듈은

    a) 상기 전처리된 레이더 데이터를 수신하고 정합 레이더 데이터를 생성하기 위한 제1 처리 모듈;

    b) 상기 전처리된 레이더 데이터를 수신하고 부정합 레이더 데이터를 생성하기 위한 제2 처리 모듈;

    c) 상기 처리 모듈들과 통신하여, 상기 정합 및 부정합 레이더 데이터의 일부를 수신하고 상기 정합 레이더 데이터의 상기 일부에서의 외부 간섭의 추정치를 생성하기 위한 적응성 빔성형기; 및

    d) 상기 제1 처리 모듈 및 상기 적응성 빔성형기와 통신하여, 상기 정합 레이더 데이터의 상기 일부로부터 상기 잡음 억제된 레이더 데이터의 일부를 생성하기 위한 억제기를 포함하는 스펙트럼 생성기.
17. 레이더용 스펙트럼 생성 방법에 있어서,

    a) 복수의 범위-도플러 셀을 한정하는 윈도우를 생성하는 단계;

    b) 전처리된 범위-도플러-센서 데이터로부터 상기 윈도우 내의 목적하는 범위-도플러 셀에 대해 공분산 행렬 추정치를 계산하는 단계;

    c) 위치 행렬과 잡음 부분공간 행렬 추정치에 기초하여 고해상 스펙트럼 벡터를 계산하는 단계를 포함하되,

    상기 공분산 행렬 추정치는 상기 윈도우 내의 상기 복수의 범위-도플러 셀 중 적어도 일부에 대해 계산된 공분산 행렬로부터 생성되고,

    상기 잡음 부분공간 행렬 추정치는 상기 공분산 행렬 추정치로부터 도출되는 스펙트럼 생성 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 단계(b)는 상기 공분산 행렬의 가중 평균에 기초하여 상기 공분산 행렬 추정치를 계산하는 단계를 포함하되, 상기 윈도우는 상기 가중 평균에 사용된 가중치를 정의하는 스펙트럼 생성 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 단계(a)는 레이더의 동작 모드에 따라서 상기 윈도우의 크기를 변화시키는 단계를 포함하는 스펙트럼 생성 방법.
20. 제18항에 있어서, 상기 단계(a)는 레이더의 동작 모드에 따라서 상기 윈도우 내의 가중치를 변화시키는 단계를 포함하는 스펙트럼 생성 방법.
21. 제17항에 있어서, 상기 단계(c)는

    d) 상기 공분산 행렬 추정치의 잡음 부분공간의 적어도 일부에 기초하여 상기 잡음 부분공간 행렬 추정치를 계산하는 단계; 및

    e) 상기 고해상 스펙트럼 벡터가 생성되는 방위각을 정의하는 적어도 하나의 위치 벡터를 갖는 상기 위치 행렬을 생성하는 단계를 포함하는 스펙트럼 생성 방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 단계(d)는

    i) 상기 공분산 추정치의 특이값 분해를 수행하는 단계;

    ii) 상기 잡음 부분공간에 대해 차원을 선택하는 단계; 및

    iii) 상기 잡음 부분공간 행렬 추정치를 계산하는 단계를 포함하는 스펙트럼 생성 방법.
23. 제17항에 있어서, 상기 단계(c)는

    에 따라 상기 고해상 스펙트럼 벡터를 계산하되, A는 상기 위치 행렬이고, N_est는 상기 잡음 부분공간 행렬 추정치인 스펙트럼 생성 방법.
24. 제17항에 있어서, 2 또는 그 이상의 전방 공분산 행렬(C_Fi)을 평균함으로써상기 공분산 행렬 추정치를 평활화하는 단계를 더 포함하되, 상기 전방 공분산 행렬 각각은 C_Fi=C_est(i:(K+1-G+i-1),i:(K+1-G+i-1))에 따라 상기 공분산 행렬 추정치(C_est)로부터 구해지는 스펙트럼 생성 방법.
25. 제17항에 있어서, 2 또는 그 이상의 후방 공분산 행렬(C_Bi)을 평균함으로써 상기 공분산 행렬 추정치를 평활화하는 단계를 더 포함하되, 상기 후방 공분산 행렬 각각은 C_Bi=C^*((K+1-i):(G+1-i),(K+1-i):(G+1-i))에 따라 상기 공분산 행렬 추정치(C_est)로부터 구해지는 스펙트럼 생성 방법.
26. 제17항에 있어서, 적어도 하나의 전방 공분산 행렬(C_Fi)과 적어도 하나의 후방 공분산 행렬을 평균함으로써 상기 공분산 행렬 추정치를 평활화하기 위한 공분산 행렬 평활화기를 더 포함하되, 상기 전방 공분산 행렬 각각과 상기 후방 공분산 행렬 각각은 각각 C_Fi=C_est(i:(K+1-G+i-1),i:(K+1-G+i-1))과 C_Bi=C^*((K+1-i):(G+1-i),(K+1-i):(G+1-i))에 따라 상기 공분산 행렬 추정치(C_est)로부터 구해지는 스펙트럼 생성 방법.
27. 제17항에 있어서, 상기 단계(b)에서 상기 전처리된 범위-도플러-센서 데이터대신에 잡음 억제된 레이더 데이터를 제공하기 위하여 잡음을 억제하는 단계를 더 포함하되, 상기 잡음 억제 단계는 상기 전처리된 레이더 데이터 내의 외부 간섭을 추정하고, 상기 잡음 억제된 레이더 데이터를 생성하기 위하여 상기 외부 간섭을 억제함으로써 실행되는 스펙트럼 생성 방법.
28. 제27항에 있어서, 상기 잡음 억제 단계는

    i) 정합 레이더 데이터를 생성하기 위하여 전처리된 레이더 데이터를 처리하는 단계;

    ii) 부정합 레이더 데이터를 생성하기 위하여 전처리된 레이더 데이터를 처리하는 단계;

    iii) 상기 정합 및 부정합 레이더 데이터의 일부를 선택하고 상기 정합 레이더 데이터의 상기 일부에서의 외부 간섭의 추정치를 생성하기 위하여 적응성 빔성형을 수행하는 단계; 및

    iv) 상기 정합 레이더 데이터의 상기 일부로부터 상기 외부 간섭의 추정치를 억제함으로써 상기 잡음 억제된 레이더 데이터의 일부를 생성하는 단계를 포함하는 스펙트럼 생성 방법.
29. 전처리된 레이더 데이터 내의 외부 간섭을 억제하기 위한 잡음 억제 모듈에 있어서,

    a) 상기 전처리된 레이더 데이터와 통신하여, 정합 레이더 데이터를 생성하기 위한 제1 처리 모듈;

    b) 상기 전처리된 레이더 데이터와 통신하여, 부정합 레이더 데이터를 생성하기 위한 제2 처리 모듈;

    c) 상기 처리 모듈들과 통신하여, 상기 정합 레이더 데이터의 일부와 상기 부정합 레이더 데이터의 일부를 수신하고 상기 정합 레이더 데이터의 상기 일부에서의 외부 간섭의 추정치를 생성하기 위한 적응성 빔성형기; 및

    d) 상기 제1 처리 모듈 및 상기 적응성 빔성형기와 통신하여, 상기 정합 레이더 데이터의 상기 일부로부터 상기 외부 간섭의 추정치를 억제함으로써 잡음 억제된 레이더 데이터의 일부를 제공하기 위한 억제기를 포함하는 잡음 억제 모듈.
30. 제29항에 있어서, 상기 억제기와 통신하여, 레이더 데이터를 저장하기 위한 저장 수단을 더 포함하는 잡음 억제 모듈.
31. 제29항에 있어서, 상기 제1 처리 모듈은

    a) 상기 전처리된 레이더 데이터와 통신하여, 정합 범위-펄스-센서 데이터를 생성하기 위한 정합 필터 모듈;

    b) 상기 정합 필터 모듈과 통신하여, 정합 범위-도플러-센서 데이터를 생성하기 위한 제1 도플러 처리 모듈; 및

    c) 상기 제1 도플러 처리 모듈과 통신하여, 주어진 센서에 대한 정합 범위-도플러 데이터를 선택하기 위한 센서 선택기를 포함하는 잡음 억제 모듈.
32. 제29항에 있어서, 상기 제2 처리 모듈은

    a) 상기 전처리된 레이더 데이터와 통신하여, 부정합 범위-펄스-센서 데이터를 생성하기 위한 부정합 필터 모듈;

    b) 상기 부정합 필터 모듈과 통신하여, 부정합 범위-도플러-센서 데이터를 생성하기 위한 제2 도플러 처리 모듈; 및

    c) 상기 제2 도플러 처리 모듈과 통신하여, 가상 보조 센서 어레이를 구성하고 상기 가상 보조 센서 어레이에 부정합 범위-도플러-센서 데이터를 제공하기 위하여 상기 복수의 센서 중 적어도 일부를 선택하기 위한 보조 어레이 선택기를 포함하는 잡음 억제 모듈.
33. 제29항에 있어서, 상기 제2 처리 모듈은

    a) 상기 전처리된 레이더 데이터와 통신하여, 부정합 범위-펄스-센서 데이터를 생성하기 위한 부정합 필터 모듈;

    b) 상기 부정합 필터 모듈과 통신하여, 가상 보조 센서 어레이를 구성하고 상기 가상 보조 센서 어레이에 부정합 범위-펄스-센서 데이터를 제공하기 위하여 상기 복수의 센서 중 적어도 일부를 선택하기 위한 보조 어레이 선택기; 및

    c) 상기 보조 어레이 선택기와 통신하여, 상기 가상 보조 센서 어레이를 위한 부정합 범위-도플러-센서 데이터를 생성하기 위한 제2 도플러 처리 모듈을 포함하는 잡음 억제 모듈.
34. 제29항에 있어서, 상기 제2 처리 모듈은

    a) 상기 전처리된 레이더 데이터와 통신하여, 가상 보조 센서 어레이를 구성하고 상기 가상 보조 센서 어레이에 상기 전처리된 레이더 데이터를 제공하기 위하여 상기 복수의 센서 중 적어도 일부를 선택하기 위한 보조 어레이 선택기;

    b) 상기 보조 어레이 선택기와 통신하여, 상기 가상 보조 센서 어레이를 위한 부정합 범위-펄스-센서 데이터를 생성하기 위한 부정합 필터 모듈; 및

    c) 상기 부정합 필터 모듈과 통신하여, 상기 보조 센서 어레이를 위한 부정합 범위-도플러-센서 데이터를 생성하기 위한 제2 도플러 처리 모듈을 포함하는 잡음 억제 모듈.
35. 제29항에 있어서, 상기 적응성 빔성형기는

    a) 상기 제2 처리 모듈과 통신하여, 부정합 레이더 데이터의 상기 일부의 자동상관 행렬을 계산하기 위한 자동상관 행렬 계산기;

    b) 상기 자동상관 행렬 계산기와 통신하여, 자동상관 역행렬을 제공하기 위한 행렬 역변환기;

    c) 상기 처리 모듈들과 통신하여, 부정합 레이더 데이터의 상기 일부와 정합 레이더 데이터의 상기 일부의 교차상관을 제공하기 위한 교차 상관기;

    d) 상기 행렬 역변환기 및 상기 교차 상관기와 통신하여, 상기 자동상관 역행렬과 상기 교차상관에 기초하여 적응성 가중 벡터를 계산하기 위한 가중치 계산기; 및

    e) 상기 제2 처리 모듈 및 상기 가중치 계산기와 통신하여, 상기 적응성 가중 벡터와 부정합 레이더 데이터의 상기 일부에 기초하여 상기 외부 간섭의 추정치를 제공하기 위한 보조 빔 생성기를 포함하는 잡음 억제 모듈.
36. 제29항에 있어서, 상기 억제기는

    a) 상기 제1 처리 모듈 및 상기 적응성 빔성형기와 통신하여, 감산 신호를 제공하기 위하여 정합 레이더 데이터의 상기 일부로부터 상기 외부 간섭의 추정치를 감산하기 위한 감산기; 및

    b) 상기 감산기 및 상기 제1 처리 모듈과 통신하여, 상기 감산 신호와 정합 레이더 데이터의 상기 일부에 기초하여 상기 잡음 억제된 레이더 데이터의 일부를 제공하기 위한 최소화기를 포함하는 잡음 억제 모듈.
37. 제29항에 있어서, 상기 제1 처리 모듈과 통신하여, 순서 통계 필터링된 정합 레이더 데이터를 생성하기 위한 순서 통계 필터 모듈을 더 포함하는 잡음 억제 모듈.
38. 제37항에 있어서, 상기 순서 통계 필터 모듈은 중간값 필터링을 수행하는 잡음 억제 모듈.
39. 제37항에 있어서, 상기 적응성 빔성형기는

    a) 상기 제2 처리 모듈과 통신하여, 부정합 레이더 데이터의 상기 일부의 자동상관 행렬을 계산하기 위한 자동상관 행렬 계산기;

    b) 상기 자동상관 행렬 계산기와 통신하여, 자동상관 역행렬을 제공하기 위한 행렬 역변환기;

    c) 상기 순서 통계 필터 모듈 및 상기 제2 처리 모듈과 통신하여, 부정합 레이더 데이터의 상기 일부와 상기 순서 통계 필터링된 정합 레이더 데이터의 일부의 교차상관을 제공하기 위한 교차 상관기;

    d) 상기 행렬 역변환기 및 상기 교차 상관기와 통신하여, 상기 자동상관 역행렬과 상기 교차상관에 기초하여 적응성 가중 벡터를 계산하기 위한 가중치 계산기; 및

    e) 상기 제2 처리 모듈 및 상기 가중치 계산기와 통신하여, 상기 적응성 가중 벡터와 부정합 레이더 데이터의 상기 일부에 기초하여 상기 외부 간섭의 추정치를 생성하기 위한 보조 빔 생성기를 포함하는 잡음 억제 모듈.
40. 전처리된 레이더 데이터 내의 외부 간섭을 억제하기 위한 방법에 있어서,

    a) 정합 레이더 데이터를 생성하기 위하여 상기 전처리된 레이더 데이터를 처리하는 단계;

    b) 부정합 레이더 데이터를 생성하기 위하여 상기 전처리된 레이더 데이터를 처리하는 단계;

    c) 정합 레이더 데이터의 상기 일부 내의 외부 간섭의 추정치를 생성하기 위하여 상기 정합 레이더 데이터의 일부와 상기 부정합 레이더 데이터의 일부를 선택하여 적응성 빔성형을 수행하는 단계; 및

    d) 정합 레이더 데이터의 상기 일부로부터 상기 외부 간섭의 추정치를 억제함으로써 잡음 억제된 레이더 데이터의 일부를 생성하는 단계를 포함하는 외부 간섭 억제 방법.
41. 제40항에 있어서,

    e) 잡음 억제된 레이더 데이터의 상기 일부를 저장하는 단계를 더 포함하는 외부 간섭 억제 방법.
42. 제40항에 있어서, 상기 단계 (a)는

    i) 정합 범위-펄스-센서 데이터를 생성하기 위하여 상기 레이더 데이터를 정합 필터링하는 단계;

    ii) 정합 범위-도플러-센서 데이터를 생성하기 위하여 상기 정합 범위-펄스-센서 데이터를 도플러 처리하는 단계; 및

    iii) 주어진 센서에 대해 정합 범위-도플러 데이터의 일부를 선택하는 단계를 포함하는 외부 간섭 억제 방법.
43. 제40항에 있어서, 상기 단계(b)는

    i) 부정합 범위-펄스-센서 데이터를 생성하기 위하여 상기 전처리된 레이더 데이터를 부정합 필터링하는 단계;

    ii) 부정합 범위-도플러-센서 데이터를 생성하기 위하여 상기 부정합 필터링된 범위-펄스-센서 데이터를 도플러 처리하는 단계; 및

    iii) 가상 보조 센서 어레이를 구성하고 상기 가상 보조 센서 어레이에 부정합 범위-도플러-센서 데이터를 제공하는 단계를 포함하는 외부 간섭 억제 방법.
44. 제40항에 있어서, 상기 단계(b)는

    i) 부정합 범위-펄스-센서 데이터를 생성하기 위하여 상기 전처리된 레이더 데이터를 부정합 필터링하는 단계;

    ii) 상기 복수의 센서 중 적어도 일부로부터 가상 보조 센서 어레이를 구성하고 상기 가상 보조 센서 어레이에 부정합 범위-펄스-센서 데이터를 제공하는 단계; 및

    iii) 상기 가상 보조 센서 어레이를 위한 부정합 범위-도플러-센서 데이터를 생성하기 위하여 상기 가상 보조 센서 어레이로부터 상기 부정합 범위-펄스-센서 데이터를 도플러 처리하는 단계를 포함하는 외부 간섭 억제 방법.
45. 제40항에 있어서, 상기 단계(b)는

    i) 상기 복수의 센서 중 적어도 일부로부터 가상 보조 센서 어레이를 구성하고 상기 가상 보조 센서 어레이에 전처리된 레이더 데이터를 제공하는 단계;

    ii) 상기 가상 보조 센서 어레이를 위한 부정합 범위-펄스-센서 데이터를 생성하기 위하여 상기 가상 보조 센서 어레이로부터 상기 전처리된 레이더 데이터를 부정합 필터링하는 단계; 및

    iii) 상기 가상 보조 센서 어레이를 위한 부정합 범위-도플러-센서 데이터를 생성하기 위하여 상기 부정합 범위-펄스-센서 데이터를 도플러 처리하는 단계를 포함하는 외부 간섭 억제 방법.
46. 제40항에 있어서, 상기 단계(c)는

    i) 자동상관 행렬을 생성하기 위하여 부정합 레이더 데이터의 상기 일부를 자동상관시키는 단계;

    ii) 자동상관 역행렬을 생성하기 위하여 상기 자동상관 행렬을 역변환시키는 단계;

    iii) 교차상관 벡터를 생성하기 위하여 부정합 레이더 데이터의 상기 일부와 정합 레이더 데이터의 상기 일부를 교차상관시키는 단계;

    iv) 적응성 가중 벡터를 계산하는 단계; 및

    v) 상기 외부 간섭의 추정치를 생성하기 위하여 보조 빔을 발생시키는 단계를 포함하는 외부 간섭 억제 방법.
47. 제40항에 있어서, 상기 단계(d)는

    i) 감산 신호를 생성하기 위하여 정합 레이더 데이터의 상기 일부로부터 상기 외부 간섭의 추정치를 감산하는 단계; 및

    ii) 상기 감산 신호와 정합 레이더 데이터의 상기 일부에 기초하여 잡음 억제된 정합 레이더 데이터의 상기 일부를 생성하는 단계를 포함하는 외부 간섭 억제 방법.
48. 제40항에 있어서, 순서 통계 필터링된 정합 레이더 데이터를 생성하기 위하여 상기 정합 레이더 데이터에 대해 순서 통계 필터링을 수행하는 단계를 더 포함하는 외부 간섭 억제 방법.
49. 제48항에 있어서, 상기 순서 통계 필터링은 중간값 필터링인 외부 간섭 억제 방법.
50. 제48항에 있어서, 상기 단계(c)는

    i) 자동상관 행렬을 생성하기 위하여 부정합 레이더 데이터의 상기 일부를 자동상관시키는 단계;

    ii) 자동상관 역행렬을 생성하기 위하여 상기 자동상관 행렬을 역변환시키는 단계;

    iii) 교차상관 벡터를 생성하기 위하여 부정합 레이더 데이터의 상기 일부와 상기 순서 통계 필터링된 정합 레이더 데이터의 일부를 교차상관시키는 단계;

    iv) 적응성 가중 벡터를 계산하는 단계; 및

    v) 상기 외부 간섭 추정치를 생성하기 위하여 보조 빔을 발생시키는 단계를 포함하는 외부 간섭 억제 방법.