KR20170000835A - 포탄의 오폭이 방지되는 fmcw근접센서 탑재신관 및 이를 이용한 포탄고도 탐지방법 - Google Patents

Abstract

FMCW근접센서 탑재신관과 이를 이용한 포탄고도 탐지방법이 개시된다. 이 발명은 근접센서의 탐지 오류에 효과적으로 대처할 수 있는 지능적인 포탄 고도탐지 기술에 관한 것으로서 포탄의 비행특성과 신관의 구조에 적합한 안테나 배치고정 구조를 가진 FMCW방식의 근접센서안테나(14)와 신호처리부(17)를 바탕으로 아래의 고도탐지방법을 수행한다.
먼저 도플러효과가 제거된 IF신호 중 N개의 시간영역 샘플링 데이터 x(n)을 고속푸리에 변환하여 주파수 영역의 실수부 1개 채널의 입력데이터 X(k)로 변환하고 이를 실수부 고속푸리에 변환하여 절대값을 구하며 이로부터 스펙트럼 파형을 구한다.
다음으로 상기 스펙트럼 파형에서 소정의 단위시간 동안 폭발고도 신호가 없었던 스펙트럼 파형 중 구간별 최대 피크값을 문턱값(Threshold)으로 저장한다.
그 다음으로 산출 중인 현재의 스펙트럼 파형과 상기 문턱값을 비교하여 문턱값 이상의 최대 피크값을 그 시점의 유효 비트주파수 값으로 정하여 이를 유효고도 값으로 환산한다. 이때 노이즈제거를 위해 칼만필터를 추가 적용하여 필터링된 유효고도를 구할 수 있다.
본 발명에 따르면 다양한 포 발사체에 탑재 가능한 경량 소형의 지능화된 FMCW 근접센서를 구현할 수 있으며, 지상과 해상을 모두 포함한 다양한 전장 환경에서 순간적인 감지신호 유입으로 인한 오폭 작동이 방지되는 고성능의 근접 폭발탄을 제공할 수 있다.

Description

포탄의 오폭이 방지되는 FMCW근접센서 탑재신관 및 이를 이용한 포탄고도 탐지방법{FMCW proximity fuse and Shell height detecting methods that prevent shell from wrong explosion}

이 발명은 목표지점 상공의 일정 고도에서 폭발하도록 설계된 포탄의 신관에서 포탄 비행 중에 언제 발생될지 모르는 근접센서의 탐지 오류에 효과적으로 대처할 수 있도록 구성한 지능적인 포탄 고도탐지 기술에 관한 것이다.

FMCW(주파수변조 연속파) 송수신 방식을 이용한 근접센서는 안테나로부터 송출된 전파와 지형지물에 반사되어 수신되는 전파의 주파수 차이를 측정하여 센서와 반사물체 사이의 상대 거리와 상대 속도를 측정할 수 있는 장비로서 장애물 감지기나 속도계 등 다양한 용도로 널리 이용되는 장비이다.

FMCW 근접센서는 단일 안테나를 송수신에 활용하는 간단한 구성일 경우에 목표물의 방위각 측정은 어렵지만 목표물과의 거리 측정에는 비교적 우수한 정확도를 보여주며 수~수십 GHz 대역의 마이크로파를 사용할 경우에 안테나의 크기를 비롯하여 전체 장치의 소형, 경량 및 저전력화가 가능하고 내구성도 뛰어나기 때문에 포탄 신관에 탑재되는 소형의 근접센서로도 적극 활용되고 있다.

상술한 근접센서를 탑재하여 구성되는 근접신관(proximity fuse)은 적진의 광역제압을 위한 집속탄(cluster bomb)이나 항공기 요격용 대공포탄, 해상의 파도 위를 낮은 직사탄도로 비행하는 함포탄, 그리고 관통효과보다는 산탄효과를 의도하는 모든 종류의 소구경 파열탄 등 많은 종류의 공중 폭발탄에서 포탄의 기폭용으로 사용될 수 있다.

신관에 탑재된 근접센서는 폭발고도 탐지용, 또는 적 함선과 같은 대형 목표물 탐지 역할을 수행하며 보통은 포 발사 전 입력된 설정고도와 탄착점 근처에서 탐지되는 고도가 일치하는 조건에서 기폭신호를 발생시켜 포탄을 폭발시킨다.

이때 근접신관이 반응하는 폭발고도란 해수면으로부터의 절대고도가 아닌 센서안테나와 전파를 반사시킨 지형지물과의 상대적 거리를 의미하며, 탐지한 상대 거리값이 설정된 폭발 고도값을 만족하는지의 여부만을 따질 뿐 탐지물체의 정체나 방위각, 상대속도 정보는 보통 무시된다.

이는 달리 말하면 비행경로 상에 예기치 못한 장애물이 불쑥 나타날 경우에 근접센서가 이를 지형지물로 인식하여 잘못된 탐지신호를 송출할 수 있고 결과적으로 신관이 임무목적에 반하여 오작동될 수 있음을 의미한다.

최근에는 높은 고도에서 하강 활공하면서 저고도에서 장거리를 유도 비행하는 사거리 연장탄(주로 공중폭발형 집속탄 형태)도 개발 중에 있어 탑재되는 근접센서의 오작동 위험은 점차 커지고 있다.

그러므로 공중 폭발탄이 목표로 하는 임무를 완벽히 수행하도록 하기 위해서는 포 발사 전 신관의 장입 과정에서 단지 목표지점 상공의 폭발고도를 단순 획일적으로 설정하기 보다는 폭발지점까지의 탄도와 폭발지점 근처의 지형, 그리고 비행 중에 만날 수 있는 모든 종류의 고정 및 이동 장애물(절벽, 계곡, 파도, 대형함선, 비행기 등)을 사전에 충분히 고려한 폭발고도의 설정이 필요하다.

(1) 일본공개특허 특개평8-005300 액티브 근접신관 (2) 일본공개특허 특개평8-110200 액티브 근접신관 (3) 미국등록특허 US 6,741,202 3차원 합성개구 레이더 운용방법 (4) 미국등록특허 US 7,453,392 신관기폭을 위한 도플러레이더 시스템 및 방법 (5) 한국등록특허 KR 1239166 FMCW 근접센서

이 발명의 기술 목표는 포탄의 현재 고도를 오류 없이 빠르고 정확하게 탐지할 수 있는 FMCW 신호처리장비와 그 신호처리방법을 구현하는 것이다.

보다 구체적으로, 이 발명의 목적은 포탄이 고속으로 비행하는 상태에서 목표지점 도착 전에 예기치 않은 근접 장애물에 의해 오폭 작동하지 않도록 근접센서에 수신되는 (급변동성의 노이즈가 다수 포함된) 다양한 감지정보를 신뢰도 측정 기반에서 지능적으로 신호 처리할 수 있는 고성능의 포탄용 FMCW 근접센서를 구현하는 것이다.

이를 위해 먼저 구체적인 작동수단으로서 포탄신관의 몸체, 노즈콘 내부 공간에 배치되는 FMCW 근접센서안테나(14)와 그 아래에 배치되는 FMCW 신호처리부(17)를 기본으로 하는 FMCW 근접센서가 제시된다.

상기 FMCW 근접센서안테나(14)는, 포탄의 비행특성과 신관의 구조에 적합한 안테나 배치구조와 견고한 안테나 지지고정 구조 및 효율적인 전파 방사패턴을 가지며 이로부터 유입된 RF신호는 역시 본 발명만의 고유한 처리단계를 수행하는 FMCW 신호처리부(17)에 의해 충분히 신뢰할 수 있는 유효고도값을 기폭신호로 산출한다.

다음으로, 종래 기술과 차별화되는 구체적인 방법적 수단으로서 본 발명의 유효고도 신호는 다음과 같은 처리단계를 거쳐 구해진다.

먼저 비행궤도상에 갑자기 나타나는 지형지물의 영향까지 그대로 반영한 실시간 탐지값을 고속처리가 가능한 디지털 신호형태로 구하는 순간고도 탐지단계는 아래의 제1~제4단계로 이루어진다. 각 단계를 간단히 살펴보면,

도플러효과가 제거된 IF신호 중 N개의 시간영역 샘플링 데이터 x(n)을 고속푸리에 변환하여 주파수 영역의 데이터 X(k)로 변환하는 제1단계와,

상기 데이터 X(k)의 스펙트럼 누출을 억제하기 위해 샘플링데이터에 해닝 창함수(Hanning window)를 적용하는 제2단계,

그리고 해닝 창함수가 적용된 실수부 1채널 데이터 X(k)를 real(실수부) 고속푸리에 변환하고 이로부터 절대값을 계산하여 스펙트럼 파형을 구하는 제3단계 및,

위와 같이 구해진 스펙트럼 파형에서 유효한 크기의 비트주파수 신호를 검출하여 이를 순간고도 값으로 환산하는 제4단계를 거치게 된다.

다음으로 상기와 같이 탐지된 순간고도 값에 유입된 원치 않는 탐지오류정보를 걸러내기 위한 유효고도 탐지단계는 아래의 제5~제7단계로 이루어진다. 각 단계를 간단히 살펴보면,

상기 제3단계에서 구해진 스펙트럼 파형에서 한 블록의 소정의 단위시간(U) 동안 폭발고도를 만족하는 신호가 없었던 스펙트럼 파형 중 구간별 최대 피크값을 그 블록의 문턱값(Threshold)으로 저장하는 제5단계,

그리고 상기 제3단계를 통해 산출 중인 현재의 스펙트럼 파형과 상기 제5단계를 통해 구해진 문턱값들을 비교하여 문턱값 이상의 피크값 중 최대값, 즉 최대 피크값을 그 시점의 유효 비트주파수 값으로 정하여 이를 유효고도 값으로 환산하는 제7단계를 거치게 된다.

이때 상기 최대 피크값에 낙하속도에 따른 고도변화율을 고려하여 결정된 필터계수를 이용한 칼만필터로 필터링하는 제6단계를 상기 제7단계에 앞서 적용할 수 있다.

아래에는 상술한 FMCW 근접센서의 기본구성과 FMCW 신호처리단계를 더욱 상세히 뒷받침할 구체적인 내용이 추가된다.

본 발명에 따르면 다양한 포 발사체에 탑재 가능할 만큼 소형 경량화되고 뛰어난 내구성과 신뢰성을 보유한 포탄 고도탐지용 FMCW 근접센서와 그 확장 구성을 구현할 수 있으며, 폭발고도를 만족하는 탐지신호가 없었던 직전 탐지구간의 신호값을 현재 탐지되는 신호값에 의미있게 반영할 수 있다.

이에 따라 지상과 해상을 모두 포함한 다양한 전장 환경에서 순간적인 센서오류 등으로 비정상적인 감지신호가 유입되어도 이를 효과적으로 걸러낼 수 있으므로 의도치 않은 오폭 작동이 방지되는 고성능의 근접 폭발식 포탄을 제공할 수 있다.

도 1a, 1b는 각각 본 발명의 FMCW 근접신관에서 안테나 설치구조를 도시한 분해도와 안테나의 방사(빔)패턴을 전계강도로 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 FMCW 신호처리 방법을 전체적으로 도시한 작업 흐름도.
도 3은 도플러 효과가 있을 때의 FMCW 변조파형과 그것을 제거한 IF신호를 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 IF신호 샘플링 구간 예시.
도 5a는 본 발명에서 사용되는 스펙트럼누출 억제용 해닝 창함수 적용예.
도 5b는 창함수 적용된 샘플링데이터를 실수부 FFT하여 스펙트럼 파형으로 구한 다음, 유효 비트주파수 신호를 검출한 도시예.
도 6은 유효 비트주파수 결정을 위한 문턱값 결정과정을 도시한 그래프.
도 7은 칼만필터를 적용한 필터링 유효고도를 나타낸 그래프.

상술한 본 발명의 과제 해결수단을 구체적으로 뒷받침하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

다만 아래에 설명될 실시예에서 특정 전문용어로 표현된 구성요소들과 이들의 결합구조가 본 발명에 포괄적으로 내재된 기술사상을 제한하는 것은 아니다.

먼저 도 1은 본 발명의 FMCW 근접신관에서 안테나 설치부분을 상세히 도시한 분해사시도와 그에 따른 안테나 방사패턴을 도시한 그림이다.

FMCW 근접센서 안테나(14: 도면부호 14-n을 모두 포함하는 구성을 말한다)는 보통 신관몸체(10)의 맨 앞쪽에 배치되며 안테나가 지향하는 전방 쪽, 즉 신관몸체의 상단 쪽으로는 전파의 투과가 쉽도록 고분자수지 등 유전율이 낮은 재료로 된 노즈콘(11)이 씌워진다.

도 1a를 바탕으로 FMCW근접센서의 설치구조를 자세히 살펴본다.

노즈콘(11) 내부 공간에는 원판형의 바닥판(13-4)이 배치 고정되고 그 위에 FMCW 근접센서안테나(14)가 설치되며 노즈콘(11) 내부 공간에는 안테나를 포발사 충격으로부터 보호하기 위한 충전재(12: fixing form)가 채워질 수 있다.

FMCW 근접센서안테나(14)는, 바닥판(13-4)위에 수직으로 세워지는 사다리꼴 판 형태의 기립판(14-4)과, 상기 기립판(14-4)의 한쪽 표면에 형성되는 근접센서안테나 급전부(14-1)와, 상기 기립판(14-4)의 반대쪽 표면에 형성되는 근접센서안테나 상호결합부(14-2)와, 상기 기립판(12)의 좌우 모서리에 부착되는 2개의 근접센서안테나 폴(14-3)을 포함하여 구성된다.

수~수십GHz 대역 주파수에서 동작하는 근접센서안테나(14)는 바닥판의 중심점을 관통하여 z축 +방향(도면에서 윗방향)으로 세워지는 기립판(14-4)을 바탕으로 형성된다. 기립판은 위로 갈수록 좁아지는 사다리꼴 판 형태로 되어 위에서 내려다볼 때 텔레메트리안테나 폴(13-2)과 수직이 되도록 세워진다.

근접센서안테나 급전부(14-1)에 연결되는 근접센서안테나 폴(14-3)은 기립판(12)의 좌우측 모서리에 비스듬한 각도로 부착된다. 상세하게, 근접센서안테나 폴(14-3)은 상기 텔레메트리안테나 폴(13-3)보다 짧은 길이로 형성되어 상기 기립판(14-4)의 좌우 모서리에 파묻힌 형태로 지지 고정될 수 있다.

상술한 근접센서안테나의 구조는 개념적으로 보면 mutual coupling 방식의 급전구조와 Micro-strip line구조를 갖추고 노즈콘 공간에 맞추어 꺾여 굽어진 다이폴 안테나임을 알 수 있다.

위 구성에서 2개의 근접센서안테나 폴(14-3)은 상기 기립판(14-4)의 좌우 모서리 경사각도와 동일한 각도로 지지 고정되어 신관 진행방향으로 전방 60도 각도의 범위에서 isotropic 안테나 대비 5dBi의 방사 이득이 확보되도록 구성된다.

상술한 근접센서 안테나 구성은 반드시 신관, 즉 신관으로 구별되는 신관몸체(11)에 한해서만 구성 가능한 것이 아니라, 별도의 착탈식 신관이 아닌 기폭구조를 갖춘 포 발사체에도 노즈콘을 형성하여 구성할 수 있음을 밝혀둔다. 즉 본 발명의 적용범위는 신관에 국한된 것이 아니라 포 발사체에 이르는 확장적 개념으로 적용될 수 있음을 유의한다.

노즈콘 내부에 원하는 파장대역의 안테나 공간을 확보할 수 있는지는 근접센서용 안테나를 설계함에 있어서 가장 기초적으로 고려되어야 할 문제이지만, 그에 못지않게 일단 설치된 안테나가 급격한 발사충격과 탄체 회전에 따른 접선가속도나 원심력 등을 이겨내고 기폭 직전까지 정상 작동할 수 있도록 완전히 고정 지지되는 것도 중요하다.

도 1b에 구체적으로 도시되어 있듯이 포탄의 전방(비행방향)으로 방사패턴이 형성되는 안테나빔은 근접센서용 안테나빔이며 도면에 도시된 텔레메트리 안테나 폴(13-2)과 상기 폴의 그라운드 역할을 하는 바닥판(13-4) 등 텔레메트리 송신안테나 관련 구성은 관측지점과의 통신을 원활하게 하고 근접센서 안테나(14)를 방해하지 않도록 포탄의 후방(비행반대방향)으로 방사패턴이 형성되어야 한다.

바닥판(13-4) 아래에는 FMCW 신호처리부(17)와 상기 FMCW 신호처리부(17)에 의해 산출된 고도탐지신호에 의해 기폭되는 기폭부(18)가 배치되며 이때 FMCW 신호처리부(17)는 아래에 기술하는 고도탐지방법을 수행하도록 전자적으로 프로그래밍된다.

참고로 z축 방향은 포탄의 비행방향이자 신관몸체의 상방인 것으로, z축의 -방향이라 하면 포탄의 중심축에서 후방을 의미한다. 이에 따라 도 1a의 근접센서 안테나(14)에서 기립판(14-4)은 Y축에 수직한 평면이고 근접센서안테나 폴(14-3)은 X축의 +, - 방향으로 배열되며 도 1b의 방사패턴 측정그래프는 상기 X,Y,Z축 방향 기준에 의해 측정된 것이다. 전체적으로 보면 포탄의 비행방향을 축으로 하여 원뿔각 120°의 범위에서 충분한 FMCW전파의 송출강도가 확보됨을 알 수 있다. 이것은 지면과 약 30°~45°의 각도로 낙하하는 대부분의 야포탄과 해수면에 대해 약 5°~20° 의 각도로 천천히 낙하하는 함포탄을 모두 커버할 수 있는 빔 패턴으로서 지형을 훑기에는 유리하나 박격포탄과 같이 거의 수직으로 떨어지는 포탄을 제외하고는 계곡의 지형이나 해수면의 국지성 파도 등에 의해 반사파의 상대거리(포탄고도) 정보가 순간적으로 크게 변하는 탐지오류(노이즈)도 쉽게 수신할 수 있는 구조이다.

다음으로 상술한 FMCW 근접센서를 바탕으로 전파를 FMCW방식으로 송수신하여 수신시점에서의 목표물 또는 지형과의 상대고도(이하 편의상 "고도"라 한다)를 탐지하는 포탄고도탐지방법을 설명한다.

비행궤도상에 갑자기 나타나는 지형지물의 영향까지 그대로 반영한 실시간 탐지값을 고속처리가 가능한 디지털 신호형태로 구하는 순간고도 탐지단계는 아래의 제1~제4단계로 이루어진다. 이 중 기존 근접센서의 신호처리 기술과 공통되는 기본 처리과정은 제1단계이다.

먼저 RF신호를 원하는 대역폭만큼 선형 주파수변조(FM)하여 연속파(CW)형태로 송신하고, 목표물 또는 지형에서 반사되어 돌아오는 RF신호를 수신한다.

수신되는 RF신호는 송신에 비해 반사면과의 왕복거리만큼 시간지연이 발생하므로 거리에 비례하는 주파수 차이가 나타나게 된다. 이를 원래의 신호로 복조함으로서 반사면(목표물 또는 지형)과의 거리 정보를 담고 있는 IF신호(intermediate frequency: 중간주파수)를 획득한다.

상기 과정으로부터 시작하여 고속 데이터 처리 및 구간별 비교를 통한 판단과 노이즈 필터링 등이 유기적으로 결합된 본 발명의 고도탐지방법이 도 2에 전체적으로 도시되었다.

참고로 도 3 내지 도 5의 도시내용은 IF신호를 샘플링과 신호 처리하여 비트주파수(beat frequency:

)를 검출하고 이로부터 현재시점에 탐지된 순간고도를 계산하는 과정 까지를 보여준다.

즉 도 3~5를 바탕으로 설명되는 고도값은 앞서 설명한 바와 같이 주변의 상황에 따라 발생할 수 있는 고도값의 순간적인 급변화(노이즈)를 걸러내지 않은 순간 고도값이다.

도 3은 도플러 효과가 있을 때의 FMCW 변조파형을 나타낸 것이다.

기존 근접센서에서 수신된 RF신호는 포탄의 속도, 즉 RF송신레이더와 정지된 지형지물과의 상대속도 차이에 따른 도플러 효과로 인해 주파수의 접근편이가 발생되는데 이를 이용하여 상대속도 정보를 얻을 수 있다. 그러나 본 발명에서는 이 같은 도플러 효과를 의도적으로 제거하여 상대속도 정보가 제거된 IF신호를 구한 다음 이로부터 비트주파수를 검출하여 고도값을 구하는 것이 특징이다.

도 3을 참조하면 접근할 때는 도플러 주파수가 Fd만큼 상승하고 멀어지는 경우는 Fd만큼 낮아진다. 보통 유도탄 등 각종 유도무기는 레이더센서가 감지하는 주요 정보로서 이 같은 주파수 편이(Frequency deviation)현상 자체를 이용하여 속도 정보로 산출 활용하는 경우가 많다.

그러나 본 발명에서와 같이 포탄의 속도 보다 발사 전에 설정된 폭발고도를 정확히 탐지하여 기폭하는 것이 중요한 근접센서에서는 위와 같은 도플러효과(주파수 편이)를 제거(또는 최소화)하는 것이 필요하다.

이때 주파수의 증가 감소가 일정한 선형 FMCW, 즉 주파수 그래프 상에서 톱니형 파로 나타나는 FMCW신호일 경우에 아래와 같은 식을 이용하여 도플러효과를 제거한 비트주파수(

: 아래첨자 t는 특정 시간영역에서의 값을 의미)와 고도관계를 구할 수 있다.

위 식에서 BW는 센서 송신전파의 밴드폭(주파수폭),

은 변조폭(주파수변화시간), F_up은 목표물(또는 지형)에 접근할 때의 RF반사신호의 주파수증가, F_dn은 목표물(또는 지형)에서 멀어질 때의 RF반사신호의 주파수감소, C는 전파속도(광속)이며 R은 도 3의 Rx(빨간선)에서 도플러효과가 제거된 비트주파수

(점선으로 표시된 IF frequency값)이다.

이

(비트주파수)값은 도 3 아래에서 점선으로 표시되는 구간의 Y축 값인데 보통 포탄 근접센서에서 송출후 수신되는 반사파는 접근파가 많으므로, 도플러효과가 제거된 비트주파수는 그래프상에서 보통 빨간색 점선의 Y축 값이 된다. 아래의 이산신호변환을 거치지 않을 때는 이 값이 RF신호의 BW값에 대응되는 고도값으로 환산된다.

참고로 상기 R값을 구하기 위해서는 먼저 IF신호를 효과적으로 샘플링하는 구간을 정할 필요가 있다.

도 4는 도플러효과가 제거된 IF신호를 샘플링하기 위한 효과적인 샘플링 구간을 참고로 예시한 것이다.(도면은 주파수 그래프상 톱니파는 아니므로 샘플링 구간을 참고만 한다.) 본 발명에서 IF신호는 주파수의 상승과 하강 구간에서 선형 변화가 이루어지지 않는 상승/하강 시작부분과 끝부분의 일부구간을 제외하고 나머지 선형적인 구간에서 샘플링이 이루어진다.

통상의 주파수변조는 변조구간의 상승 하강이 선형으로 계속 반복되는 톱니형 변조구간을 바탕으로 이루어진다. 본 발명에서도 도 4와 같이 평탄구간이 없는 선형 상승/하강 주파수변조방식을 채택한다. 따라서 상승구간 시간과 하강구간 시간은 각각 변조주기의 절반인

/2이고 이에 따라 샘플링 주파수 및 포인트를 결정할 수 있다.

다음으로, 샘플링된 IF신호로부터 비트주파수를 효과적으로 검출하기 위하여 디지털신호처리에서 유용하게 사용되는 FFT(고속푸리에변환) 과정을 수행하여 시간영역 개념의 IF샘플링 데이터를 주파수영역 개념의 실수데이터, 즉 이산시간신호인 X(k)로 변환한다.

주지하는 바와 같이 연속시간 신호인 IF신호를 변조폭(표본화주기)

의 간격으로 표본화 한 신호가 이산시간신호 X(k)이며 이를 위해 이산푸리에변환이 필요하다. 본 발명에서는 신관의 신호처리부(17)가 이를 빠르게 실행하기 위해 고속푸리에 변환으로 수행한다. 여기까지의 처리과정은 전형적인 디지털 신호처리의 단계라 할 수 있으며 본 발명에서는 제1단계에 해당한다.

이때 고속푸리에 변환 이후에 발생할 수 있는 스펙트럼 누출(Spectral leakage)이 있을 수 있다.

푸리에 변환은 무한 신호에 대한 실용적 처리를 위해 적분과정에서 스펙트럼이 크게 영향받지 않는 범위 밖을 잘라내는 것을 전제로 하는데 급격한 절단이 있을 시에 스펙트럼 누출이 일어난다. 이를 감소시키기 위해 부드러운 데이터 창

를 적용할 수 있다.

이를 달리 표현하면 시간영역 개념의 IF샘플링데이터에 해닝창함수(Hann window 또는 Raised cosine)를 적용할 수 있다. 해닝창함수 적용식은 아래와 같다.

해닝창은 스펙트럼 누출을 감소시켜 스펙트럼에 나타나는 파상(wave)을 상당히 감소시킨다. 이 처리과정은 본 발명에서 제2단계에 해당한다.

도 4a는 스펙트럼 누설을 억제하기 위한 해닝 창함수 적용예를 그림으로 나타낸 것이다.

본 발명에서 고속푸리에변환(Fast Fourier Transform)은 실수부 1채널에서 N개의 시간영역 샘플링 데이터 x(k)을 FFT 변환하여 주파수 영역의 입력데이터 X(k)로 변환하는 단계이다. 변환식은 아래와 같다.

도 4b는 앞서 도 4a와 같이 해닝창함수 적용된 주파수영역 샘플링데이터 X(k)를 실수부 고속푸리에변환(real FFT)하여 구한 스펙트럼 파형을 나타낸 것이다. 입력데이터가 실수부 1채널 이므로 위 식에 따라 실수부 고속푸리에변환을 수행하고 이로부터 절대값(magnitude)을 계산하여 스펙트럼 파형을 구한다. (제3단계의 처리과정이다.)

위 단계를 통해 IF샘플링된 신호에서 스펙트럼 파형에서 유효한 크기의 비트주파수 신호를 검출할 수 있으며 이로부터 송수신 신호간 거리차를 구하여 속도정보가 제거되지 않은 순간적인 고도값을 구할 수 있다. (제4단계의 처리과정이다.)

이때 비트주파수(

: 아래첨자 r은 이산시간 영역에서의 실수(real)값을 의미)를 구하기 위해 앞서 제시한 식을 재차 이용한다.

상술한 단계를 통하여 정교한 탐지값을 담고 있으면서도 신관의 소형 프로세서에서 매우 빠르고 간단하게 처리될 수 있는 순간 고도값들을 얻었다.

이제 이 순간 고도값들 중에서 신관의 기폭동작에 실질적으로 적용 가능하도록 포탄의 실전 환경에 적합한 유효 고도값을 추출할 필요가 있다.

참고로 앞서 소개한 비트주파수

이 시간영역의 신호라면 이산신호 변환을 거쳐 얻어지는

은 이산시간영역의 실수값(스펙트럼 파형)이다. 이 같은 실수형태의 비트주파수 값을 이용하면 아래와 서술한 바와 같이 이전 시간과 현재 시간에 얻어지는 비트주파수들을 서로 비교하는 논리회로의 설계가 매우 쉬워지며 그 처리속도 또한 빨라진다.

다음으로 상기와 같이 탐지된 순간고도 값에 유입된 원치 않는 탐지오류정보를 걸러내기 위한 유효고도 탐지단계는 아래의 제5~제7단계로 이루어진다. 각 단계를 간단히 살펴본다.

먼저 비트주파수로 구해진 순간고도 값들의 유효성을 누적된 비교로 논리적으로 판단하기 위해서 아래와 같은 문턱값(Threshold) 개념으로 축차 저장할 수 있다.

통상 문턱값(Threshold)이라 함은 어떤 동작이 개시되는 조건을 만족하는 한계값을 의미한다.

본 발명에서는 제3단계에서 구해진 스펙트럼 파형에서 한 블록의 소정의 단위시간(U) 동안 폭발고도를 만족하는 신호가 없었던 스펙트럼 파형 중 구간별 최대 피크값을 그 블록의 문턱값(Threshold)으로 저장한다.

문턱값은 탄속과 포발사각 및 탄체회전량에 따라 조절된 단위시간을 한 블록으로 하여 계산되며, 도 6의 실시예에서는 설명의 편의를 위해 단위시간을 1초로 하고 그 1초 동안의 스펙트럼 파형을 누적하여 그 중 최대값을 문턱값(Threshold)으로 정하였다. 이럴 경우에 앞서 배경기술과 해결과제에서 설명하였던 순간적인 장애물(계곡 지형이나 인접한 함선의 마스트, 근처 비행물체 등)에 대한 대응능력이 크게 높아진다.

포탄이 안정적으로 높은 고도에서 비행하고 있을 때 신관의 근접센서에는 유효고도 신호가 나타나지 않고 신호처리 시스템의 노이즈 파형이 나타나며 이때 안정적인 문턱값 레벨 확보를 위하여 단위시간(예: 1초) 동안의 스펙트럼 파형을 누적하여 최대값을 찾는다. 이는 스펙트럼 분석기의 Maxhold(최대값)와 같은 기능을 하고 누적된 스펙트럼은 예를 들어 목표로 하는 탐지고도(목표지점 지형과의 상대고도: HOB) + 2m를 기준으로 낮은 구간은 +5dB , 높은 구간은 +3dB 로 하여 문턱값으로 사용한다. (여기까지 제5단계의 처리과정이다.)

도 6은 유효고도 탐지시의 문턱값 파형을 예시한 그래프로서 제5단계와 제7단계를 설명하는 그림이다.

제1~제4단계의 신호처리를 통해 얻어진 원치 않는 급변값(noise)이 포함된 순간 고도값에서 유효한 고도정보와 노이즈를 구별하기 위한 방법으로, 스펙트럼파형을 통해 구해진 비트주파수, 즉 (환산전) 순간고도 값에서 외부요인으로 인해 원치 않게 발생되는 순간적인 급변화값을 효과적으로 1차 걸러내는 방법을 보여준다.

도 6을 참조하면 매 1초를 한 블록으로 하여 문턱값이 계산되고, n번째 시점의 고도탐지시 n-2 ~ n-1초 구간에서 구한 문턱값과 현재 스펙트럼 파형을 비교하여 문턱값 이상의 피크(Peak)값 중 최대값, 즉 최대 피크값을 구간(블록)별 유효고도값 환산용 비트주파수 값으로 판정하여 저장한다

즉 폭발고도(임무고도) 신호가 없는 이전 시간의 스펙트럼 파형을 문턱값(Threshold: 또는 작동한계값)으로 저장하여 현재의 스펙트럼 파형과 비교하는데 고도 20m를 비행중인 포탄에서 직전 1초 동안에 처리된 고도신호가 폭발고도인 7m~9m 범위에 들어오지 않았다면 현재 고도를 직전 문턱값인 20m 으로 계속 간주하고 있다. 이 경우 낮게 수평 비행하는 포탄의 종말 유도 단계에서 9m~20m 사이에서 감지되는 지상의 순간적인 장애물, 또는 해상의 순간적인 파도에 의한 오폭신호를 효과적으로 걸러낼 수 있다.

참고로 도 6에서 제시한 소정의 구간(한 블록)은 1초이나 이는 필요에 따라 적절히 조정될 수 있으며 그 조정기준은 포탄의 탄속과 하강각도(고도 변화율에 영향을 미치는 인자)와 포탄의 평균 비행고도(최대 피크값의 노이즈 발생확률), 그리고 포탄의 탄체회전량(송수신 전파의 위상차)이 될 수 있다.

한편 본 발명의 고도탐지방법에서는 예상 추이를 벗어나는 노이즈성 고도값을 배제하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.

이것은 실제로 포탄의 비행하는 과정에서 물리적으로 포탄의 고도가 급변하기 힘들고 지형의 추이를 따라 변화하는 특성을 감안한 것이다.

이를 위해 상기 문턱값 이상의 최대 피크값으로 판정한 구간별 고도값에 칼만필터를 추가 적용하였다. (제6단계에 해당한다.)

참고로 칼만필터의 관계식은 아래와 같다.

칼만 필터(Kalman filter)는 목표로 하는 데이터의 역동성을 반영하면서 예측과 측정 잡음을 정규분포로 반영하는 것이다. 많은 과학적인 실험모델을 칼만 필터링 백 테스터를 통해 확률과 위험을 검증하여 종합적으로 접근할 수 있다.

반복적인 연산을 통해 최적 값을 추적하는 칼만 필터는 잡음이 포함되어 있는 선형 역학계의 상태를 추적하는 재귀 필터로서의 칼만 필터는 시간에 따라 진행한 측정을 기반으로 한다.

관계식을 참조하면 필터를 통해 얻어진 값

은 현 시점 측정값

에 표준편차계수

를 곱한 값과 이전 단계의 필터링된 3개의 값들을 각각의 표준편차계수

과 곱한 값을 합해서 구하고 있음을 알 수 있다.

칼만 필터의 표준편차계수는 일차적으로 낙하속도에 따른 고도변화율을 고려하여 결정하는 것이 가장 바람직하며 입력 데이터수는 앞서 구간별 고도값 비교단계와 마찬가지로 고도변화율에 큰 영향을 미치는 포탄의 탄속과 하강 각도, 그리고 포탄의 평균 비행고도(노이즈 발생율), 그리고 포탄의 탄체회전량(송수신 전파의 위상차)에 따라 적절히 조절될 수 있다.

칼만필터링 단계를 거치고 나면 상기 제3단계를 통해 산출 중인 현재의 스펙트럼 파형과 상기 제5단계를 통해 구해진 문턱값들을 비교하여 최대 피크값을 그 시점의 유효 비트주파수 값으로 정하고 이를 필터링 된 유효고도 값으로 환산하는 제7단계를 거치게 된다.

즉 본 실시예에서 필터링 된 유효고도값은 이전 3회의 필터 유효고도값과 현재 유효고도값의 총 4개 데이터로 얻는다. 앞서 구간별 고도값 실시예가 직전 3개 스펙트럼 파형의 문턱값 비교를 통해 얻어진 것을 감안하면 본 실시예에서는 3표본 최대값 비교와 4표본 표준편차 비교가 이중으로 적용되고 있음을 알 수 있다.

자명하게, 데이터의 개수를 늘릴수록 필터링된 유효고도 변화는 둔감해지고 개수를 줄일수록 민감해진다.

도 7은 제6단계와 제7단계를 거쳐 얻어진 (필터링 된) 유효고도이다. 도면에서 파란색 그래프는 FMCW신호처리단계를 통해 탐지한 고도값, 빨간색 그래프는 상술한 칼만필터를 거친 유효고도값이며 그림과 같이 탐지고도에 특이값이 나타나는 경우 필터링 된 유효고도는 개선된 결과를 보여준다.

이상 본 발명의 기술사상을 구체적인 실시예를 통해 설명하였다. 덧붙여 본 실시예에서 미처 포함되지 않은 단순 변경 또는 간단 확장 사례가 있을 수 있겠으나, 본 발명의 기술사상은 실시예의 기술적 해석범주보다는 이하의 청구범위에서 기재되는 내용을 바탕으로 해석되어야 한다.

10: 신관몸체
11: 노즈콘
12: 충전재
13-3: 텔레메트리안테나 폴
13-4: (텔레메트리 안테나 그라운드 용) 바닥판
14: 근접센서안테나
14-1: 급전부
14-2: 상호결합부
14-3: 근접센서안테나 폴
14-4: 기립판
17: 신호처리부
18: 기폭부

Claims (7)

1. 도플러효과가 제거된 IF신호 중 N개의 시간영역 샘플링 데이터 x(n)을 고속푸리에 변환하여 주파수 영역의 데이터 X(k)로 변환하는 제1단계;
   상기 데이터 X(k)를 실수부 고속푸리에 변환하여 절대값을 구하고 이로부터 스펙트럼 파형을 구하는 제3단계;
   상기 스펙트럼 파형에서 유효한 크기의 비트주파수 신호를 검출하여 이를 순간고도 값으로 환산하는 제4단계;
   상기 스펙트럼 파형에서 한 블록의 소정의 단위시간(U) 동안 폭발고도를 만족하는 신호가 없었던 스펙트럼 파형 중 구간별 최대 피크값을 그 블록의 문턱값(Threshold)으로 저장하는 제5단계;
   상기 제3단계를 통해 산출중인 현재의 스펙트럼 파형과 상기 제5단계를 통해 블록별로 저장된 문턱값들을 비교하여 문턱값 이상의 최대 피크값을 그 시점의 유효 비트주파수 값으로 정하여 이를 유효고도 값으로 환산하는 제7단계;를 포함하여 수행되는 FMCW 근접센서의 포탄고도탐지방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 소정의 단위시간(U)은 포탄의 탄속과 하강각도 및 단위시간별 평균 비행고도에 따라 조절되며,
   상기 단위시간이 1초일 때 n-2 ~ n-1초 구간에서 구한 상기 문턱값들과 현재 스펙트럼 파형을 비교하여 상기 문턱값 이상의 피크값 중 최대값을 n번째 블록의 문턱값으로 정하는 것을 특징으로 하는 FMCW 근접센서의 포탄고도탐지방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1단계와 상기 제3단계 사이에는 스펙트럼 누출을 억제하기 위해 상기 데이터 X(k)에 해닝 창함수를 적용하는 제2단계;를 더 포함하여 수행되는 FMCW 근접센서의 포탄고도탐지방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제5단계와 상기 제7단계 사이에는 포탄의 낙하속도에 따른 고도변화율을 고려하여 결정된 필터계수를 이용한 칼만필터로 상기 최대 피크값을 필터링하는 제6단계;를 더 포함하여 수행되는 FMCW 근접센서의 포탄고도탐지방법.
5. 신관몸체(10)와;
   상기 신관몸체(10) 상단에 결합되는 전파 투과성 노즈콘(11)과;
   상기 노즈콘(11) 내부 공간에 배치 고정되는 원판형의 바닥판(13-4)과;
   상기 바닥판(13-4) 위에 설치되는 FMCW 근접센서안테나(14)와;
   상기 바닥판(13-4) 아래에 설치되는 FMCW 신호처리부(17)와;
   상기 FMCW 신호처리부()에 의해 산출된 고도탐지신호에 의해 기폭되는 기폭부(18);를 포함하여 구성되고,
   상기 FMCW 신호처리부(17)는,
   제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 고도탐지방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 FMCW 근접센서탑재 신관.
6. 제5항에 있어서,
   상기 FMCW 근접센서안테나(14)는, 상기 바닥판(13-4)위에 수직으로 세워지는 사다리꼴 판 형태의 기립판(14-4)과, 상기 기립판(14-4)의 한쪽 표면에 형성되는 근접센서안테나 급전부(14-1)와, 상기 기립판(14-4)의 반대쪽 표면에 형성되는 근접센서안테나 상호결합부(14-2)와, 상기 기립판(12)의 좌우 모서리에 부착되는 2개의 근접센서안테나 폴(14-3)을 포함하여 구성되고,
   상기 2개의 근접센서안테나 폴(14-3)은 상기 기립판(14-4)의 좌우 모서리 경사각도와 동일한 각도로 지지 고정되어 신관 진행방향으로 전방 60도 각도의 범위에서 isotropic 안테나 대비 5dBi의 방사 이득이 확보되는 것을 특징으로 하는 FMCW 근접센서탑재 신관.
7. 신관몸체(10)와;
   상기 신관몸체(10) 상단에 결합되는 전파 투과성 노즈콘(11)과;
   상기 노즈콘(11) 내부 공간에 배치 고정되는 원판형의 바닥판(13-4)과;
   상기 바닥판(13-4) 위에 설치되는 FMCW 근접센서안테나(14)와;
   상기 바닥판(13-4) 아래에 설치되는 FMCW 신호처리부(17)와;
   상기 FMCW 신호처리부(17)에 의해 산출된 고도탐지신호에 의해 기폭되는 기폭부(18);를 포함하여 구성되고,
   상기 FMCW 신호처리부(17)는,
   제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 고도탐지방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 포 발사체.

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