[논문]레이더 시스템 성능평가용 가상 레이더 표적신호 발생장치

양진모; 이민준; 김환우

레이더 시스템 성능평가용 가상 레이더 표적신호 발생장치
Simulated Radar Target Generation Equipment(SRTGE) for Evaluating Radar System Performance 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.11 no.3 = no.34, 2008년, pp.40 - 49

양진모 (국방과학연구소) , 이민준 (국방과학연구소) , 김환우 (충남대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have described a Simulated Radar Target Generation Equipment(SRTGE) for evaluating the performance of a developed radar system. In order to change a simulated target range(or time delay), the variable optical delay line structure is used in SRTGE, In addition, SRTGE is required to generate a target return signal which is composed of variable amplitude and Doppler velocity. The interference such as noise jamming and clutter is also produced from SRTGE for evaluating ECCM(Electronic-Counter-Counter Measure) capability of radar.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

개발된 레이더 시스템의 성능(탐지성능, 탐지거리 및 표적속도, 대전자전 능력 등)을 시험하고 분석하기 위해 레이더에서 방사된 신호를 이용하여 실제 표적과 유상한 특성을 갖는 가상의 표적 신호를 생성할 수 있는 가상 레이더 표적 발생장치의 개념 및 구현 결과에 대해 논하였다. 기존의 유사장비는 고정된 위치에 단일 표적 신호만을 생성할 수 있으므로 레이더의 성능시험평가 보다는 보정을 위한 장비로, 가변 특성을 갖는 표적을 생성할 수 없는 단점이 있다.
또한, 다양한 레이더 시스템의 성능시험을 위해서는 각각의 시스템마다 고유한 전기적 특성, 예를 들어, 송신 주파수 대역, 측정할 수 있는 표적의 도플러 범위 및 신호의 크기 변화 등을 가지고 있으므로 하나의 표적 발생장치로 여러 개의 시스템을 시험할 수 없는 단점이 있었다. 따라서 본 연구에서는 표적의 위치, 즉, 거리를 임의의 원하는 위치로 조정할 수 있도록 가변 광신호 지연선 개념을 적용하고 신호발생부의 안정된 국부 발진기를 레이더의 송신 주파수에 맞춰 변경함으로써 확장성을 갖는 새로운 개념의 표적 발생장치의 개발 내용을 기술하였다.
본 논문은 2장에서 표적 발생장치의 구성 개념, 개발 규격에 대해 살펴보고 도출된 개발 규격을 바탕으로 설계된 하드웨어 구조 및 모듈별 기능 및 성능에 대해 논하였다. 3장과 4장에서는 가상 레이더 표적 발생장치의 자체 시험 결과 및 레이더 시스템 성능 평가 결과에 대해 살펴보고 5장에서 결론을 맺었다.

제안 방법

가상 레이더 표적 발생장치는 레이더로부터 송신된 초고주파 신호를 수신하여 도플러 변화, 신호 크기의 가변 및 크기와 정합된 시간 지연된 신호를 레이더로 재 송신함으로써, 레이더의 최대/최소 탐지거리 및 표적 속도 등의 시스템 성능을 평가할 수 있도록 개발되었다. 표적 발생장치는 크게 원격 제어부와 신호 발생부로 나누어져 있으며, 원격 제어부는 원거리에 설치된 신호발생부의 신호레벨 및 시간지연, 클러터 신호 On/Off, 재밍 신호 On/Off 등의 제어 및 하드웨어의 상태를 자체 점검하여 운용자에게 알려주도록 GUI를 이용하여 이동형 PC로 구현되었다.
표적 발생장치는 이러한 레이더의 요구사항에 적합하도록 위상잡음 특성이 우수한 TCXO를 기준 주파수로 사용하였으며, 기준주파수 신호의 위상잡음 특성을 유지할 수 있는 PLDRO를 이용하여 자체 국부발진 신호를 생성하였다. 또한 주경로 상에 수신단으로부터 송신단으로의 LO 누설(Leakage)를 통한, Zero Time Delay 신호의 재송신을 막기 위하여 LO신호를 Power Divider를 통해 분주한 후 S₂₂ 특성이 우수한 증폭기를 양 포트에 두었다. 상대적으로 위상잡음 특성과 무관한 재밍 채널의 경우 LO신호로 위상잠금루프(PLL)을 사용하여 낮은 주파수를 생성한 후, 주파수 체배를 통하여 반송파 주파수를 구현하였다.
본 논문에서 제안된 표적 발생장치는 가변 광지연선 구조를 이용하여 표적을 원하는 위치(거리)에 임의로 형성할 수 있으며, 가변감쇄기와 LUT(LookUp Table)을 이용하여 거리와 레이더 유효 단면적 특성에 정합된 표적 반사 신호 크기를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 표적의 기동특성을 주입하기 위해 위상변위기를 이용하여 도플러 주파수를 인가할 수 있도록 구현되었다. 또한, 표적의 탐지 성능과 더불어 별도의 채널을 이용하여 클러터 및 재밍과 같은 외부간섭 신호를 생성하여 표적 신호와 함께 재송신함으로써 레이더의 대전자전 능력을 시험할 수 있도록 구성하였다.
레이더에서부터 수신된 신호를 표적 발생장치가 수신하여 레이더의 시험에 적합하도록 신호를 가공, 생성하여 레이더로 되돌려주며, 이때 레이더는 지연된 시간과 검출된 파워 및 도플러의 양상으로 가상 목표물에 대한 거리, 속도, 방위에 대한 정보를 추출한다. 그림 2는 표적 발생장치를 이용하여 레이더를 시험하기 위한 운용 개념도를 나타낸다.
기존의 유사장비는 고정된 위치에 단일 표적 신호만을 생성할 수 있으므로 레이더의 성능시험평가 보다는 보정을 위한 장비로, 가변 특성을 갖는 표적을 생성할 수 없는 단점이 있다. 본 논문에서 제안된 표적 발생장치는 가변 광지연선 구조를 이용하여 표적을 원하는 위치(거리)에 임의로 형성할 수 있으며, 가변감쇄기와 LUT(LookUp Table)을 이용하여 거리와 레이더 유효 단면적 특성에 정합된 표적 반사 신호 크기를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 표적의 기동특성을 주입하기 위해 위상변위기를 이용하여 도플러 주파수를 인가할 수 있도록 구현되었다. 또한, 표적의 탐지 성능과 더불어 별도의 채널을 이용하여 클러터 및 재밍과 같은 외부간섭 신호를 생성하여 표적 신호와 함께 재송신함으로써 레이더의 대전자전 능력을 시험할 수 있도록 구성하였다.
표적 발생장치는 크게 원격 제어부와 신호 발생부로 나누어져 있으며, 원격 제어부는 원거리에 설치된 신호발생부의 신호레벨 및 시간지연, 클러터 신호 On/Off, 재밍 신호 On/Off 등의 제어 및 하드웨어의 상태를 자체 점검하여 운용자에게 알려주도록 GUI를 이용하여 이동형 PC로 구현되었다. 신호 발생부는 실질적으로 표적신호를 모사하는 기능을 하도록 구성되어 있으며, 시간지연의 구현방법에 따라 하드웨어의 구성 차이가 있으나, 본 개발에서는 구현의 편리성 및 레이더 시스템과의 호환성, 비용 등을 고려하여 초고주파 신호를 안정된 국부 발진 신호(Local Oscillation Signal)로 1차 주파수 하향변환 후, 가변 광신호 지연 블록에 입력하여 원하는 표적의 위치를 설정한 후, 신호 가변 및 도플러 변위 주입 및 재송신을 위해 동일한 LO를 이용하여 주파수 상향 변환하여 레이더로 송신하는 구조를 가진다. 그림 1은 가상 레이더 표적 발생장치의 구성을 나타낸다.
2장에서 분석된 바와 같이 가상 레이더 표적 발생 장치는 입력된 레이더 신호를 전기적으로 손상하지 않은 상태에서 표적신호의 크기 조정, 시간지연 및 도플러 주파수를 인가할 수 있어야 하므로, 표적 발생장치의 주파수 상향-하향변환 과정에서 사용된 LO의 위상잡음에 의한 영향이 최소화되어야 한다. 코히런시 특성은 인가된 CW신호를 I/Q 신호로 분리한 후, I-Q 다이아그램상에 나타난 신호특성을 분석하였다. 사용된 I-Q검파기의 특성을 고려했을 때, 가상표적 발생장치의 LO 신호는 레이더 신호의 코히런시 유지에 영향을 주지 않음을 알 수 있다.
표적 발생장치는 14개의 모듈로 구성되었으며, 주경로의 전단 부분만을 교체함으로써 다른 주파수 대역을 사용하는 레이더의 시험에 적용이 가능하도록 설계되었다.
그림 14는 개발된 레이더 가상 표적 발생장치를 나타낸다. 표적 발생장치는 시험환경에 따라 설치가 용이하도록 19인치 표준 크기를 갖도록 기구적으로 설계되었으며, 사용된 소자들의 발열량과 소모전력을 고려하여 전원모듈의 용량을 결정하고 방열이 쉽게 될 수 있도록 제작되었다.
. 표적 발생장치는 이러한 레이더의 요구사항에 적합하도록 위상잡음 특성이 우수한 TCXO를 기준 주파수로 사용하였으며, 기준주파수 신호의 위상잡음 특성을 유지할 수 있는 PLDRO를 이용하여 자체 국부발진 신호를 생성하였다. 또한 주경로 상에 수신단으로부터 송신단으로의 LO 누설(Leakage)를 통한, Zero Time Delay 신호의 재송신을 막기 위하여 LO신호를 Power Divider를 통해 분주한 후 S₂₂ 특성이 우수한 증폭기를 양 포트에 두었다.
가상 레이더 표적 발생장치는 레이더로부터 송신된 초고주파 신호를 수신하여 도플러 변화, 신호 크기의 가변 및 크기와 정합된 시간 지연된 신호를 레이더로 재 송신함으로써, 레이더의 최대/최소 탐지거리 및 표적 속도 등의 시스템 성능을 평가할 수 있도록 개발되었다. 표적 발생장치는 크게 원격 제어부와 신호 발생부로 나누어져 있으며, 원격 제어부는 원거리에 설치된 신호발생부의 신호레벨 및 시간지연, 클러터 신호 On/Off, 재밍 신호 On/Off 등의 제어 및 하드웨어의 상태를 자체 점검하여 운용자에게 알려주도록 GUI를 이용하여 이동형 PC로 구현되었다. 신호 발생부는 실질적으로 표적신호를 모사하는 기능을 하도록 구성되어 있으며, 시간지연의 구현방법에 따라 하드웨어의 구성 차이가 있으나, 본 개발에서는 구현의 편리성 및 레이더 시스템과의 호환성, 비용 등을 고려하여 초고주파 신호를 안정된 국부 발진 신호(Local Oscillation Signal)로 1차 주파수 하향변환 후, 가변 광신호 지연 블록에 입력하여 원하는 표적의 위치를 설정한 후, 신호 가변 및 도플러 변위 주입 및 재송신을 위해 동일한 LO를 이용하여 주파수 상향 변환하여 레이더로 송신하는 구조를 가진다.

성능/효과

레이더 성능평가를 위한 표적생성과정 및 코히런시 유지능력, 광/협대역 잡음 재밍 특성들을 측정하여 설계 개념 및 설계치와 일치함을 확인하였고 레이더와의 연동시험을 통해 레이더 성능평가에 적합하도록 제작, 구현되었음을 입증하였다.
그림에서 작은 점은 표적의 위치를 나타낸다. 표적은 최대 도플러 변위를 갖고 레이더로 접근하도록 설정되었으며, 설정된 방사구역 내에서 표적의 탐지가 원활히 됨을 알 수 있다.

후속연구

개발된 레이더 시스템의 성능평가는 개발의 최종 검증단계로 실제 운용환경 조건에서 실표적과 클러터를 포함한 재밍 환경의 시험 평가를 통해 성능을 입증할 필요가 있다. 그러나 실표적을 이용한 시험환경에서 레이더를 시험하기란 비용 등을 고려했을 때, 현실적으로 어려움이 많다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표적 발생장치는 어떻게 나뉘는가?	가상 레이더 표적 발생장치는 레이더로부터 송신된 초고주파 신호를 수신하여 도플러 변화, 신호 크기의 가변 및 크기와 정합된 시간 지연된 신호를 레이더로 재 송신함으로써, 레이더의 최대/최소 탐지거리 및 표적 속도 등의 시스템 성능을 평가할 수 있도록 개발되었다. 표적 발생장치는 크게 원격 제어부와 신호 발생부로 나누어져 있으며, 원격 제어부는 원거리에 설치된 신호발생부의 신호레벨 및 시간지연, 클러터 신호 On/Off, 재밍 신호 On/Off 등의 제어 및 하드웨어의 상태를 자체 점검하여 운용자에게 알려주도록 GUI를 이용하여 이동형 PC로 구현되었다. 신호 발생부는 실질적으로 표적신호를 모사하는 기능을 하도록 구성되어 있으며, 시간지연의 구현방법에 따라 하드웨어의 구성 차이가 있으나, 본 개발에서는 구현의 편리성 및 레이더 시스템과의 호환성, 비용 등을 고려하여 초고주파 신호를 안정된 국부 발진 신호(Local Oscillation Signal)로 1차 주파수 하향변환 후, 가변 광신호 지연 블록에 입력하여 원하는 표적의 위치를 설정한 후, 신호 가변 및 도플러 변위 주입 및 재송신을 위해 동일한 LO를 이용하여 주파수 상향 변환하여 레이더로 송신하는 구조를 가진다.
	가상 레이더 표적 발생장치는 무엇을 할 수 있도록 개발되었는가?	가상 레이더 표적 발생장치는 레이더로부터 송신된 초고주파 신호를 수신하여 도플러 변화, 신호 크기의 가변 및 크기와 정합된 시간 지연된 신호를 레이더로 재 송신함으로써, 레이더의 최대/최소 탐지거리 및 표적 속도 등의 시스템 성능을 평가할 수 있도록 개발되었다. 표적 발생장치는 크게 원격 제어부와 신호 발생부로 나누어져 있으며, 원격 제어부는 원거리에 설치된 신호발생부의 신호레벨 및 시간지연, 클러터 신호 On/Off, 재밍 신호 On/Off 등의 제어 및 하드웨어의 상태를 자체 점검하여 운용자에게 알려주도록 GUI를 이용하여 이동형 PC로 구현되었다.
	레이더 성능 평가를 위해 가상의 레이더 표적 반사 신호 발생 장치가 필요한 이유는?	개발된 레이더 시스템의 성능평가는 개발의 최종 검증단계로 실제 운용환경 조건에서 실표적과 클러터를 포함한 재밍 환경의 시험 평가를 통해 성능을 입증할 필요가 있다. 그러나 실표적을 이용한 시험환경에서 레이더를 시험하기란 비용 등을 고려했을 때, 현실적으로 어려움이 많다. 따라서 레이더 성능 평가를 위해 실제 환경을 모사할 수 있는 가상의 레이더 표적 반사 신호를 발생하는 장치가 필요하고, 가상의 표적은 레이더의 운용환경에서 나타나는 변수들을 모사할 수 있어야 한다.

참고문헌 (4)

Naval Sensor Calibration Systems, Fredwal Inc. http://members.aol.com/Fredwalinc
S. J. Goldman, Phase noise analysis in Radar Systems Using Personal Computers, Wiley, 1989
M. Skolnik, Radar Handbook, 2nd Ed. McGraw-Hill, Chap. 15
Z. Galani and R. A. Campbell, 'An Overview of Frequency Synthesizers for Radars', IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Vol. 39, No. 5, pp. 782-790, May 1991

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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