MTI(Moving Target Indicator) 방식으로 구현된 레이더에 있어서 안테나 고속 회전시 발생되는 지형 특성에 따른 고정 클러터의 도플러 주파수 스펙트럼 확산 현상에 대해 신호 처리 파라메터값(MTI 필터 단수, M/N Detector 비율, CFAR(Constant False-Alarm Ratio)의 K-factor 및 offset값)을 조정하여 지형 클러터의 제거 능력을 최적화하였다. 최적화 구현은 지형 클러터의 유형별 데이터 수집을 위한 치구를 설계 및 활용하여 유형별 지형 클러터 데이터를 수집하였으며, 이의 유형별 분석 및 제거 능력 최적화를 위해 Matlab시뮬레이션을 통하여 test case를 만들고, 레이더 실내 시험 및 지형별 야외 시험을 통한 반복 검증을 수행하여, 진화적 개발 모델과 같이 반복, 점진적인 과정으로 병행되는 최적화를 수행하였다. 연구 결과, 기존 레이더 시스템에 비해 7.5 dB(5.6배) 이상의 지형 클러터 제거 능력 향상 효과를 거두었다.
MTI(Moving Target Indicator) 방식으로 구현된 레이더에 있어서 안테나 고속 회전시 발생되는 지형 특성에 따른 고정 클러터의 도플러 주파수 스펙트럼 확산 현상에 대해 신호 처리 파라메터값(MTI 필터 단수, M/N Detector 비율, CFAR(Constant False-Alarm Ratio)의 K-factor 및 offset값)을 조정하여 지형 클러터의 제거 능력을 최적화하였다. 최적화 구현은 지형 클러터의 유형별 데이터 수집을 위한 치구를 설계 및 활용하여 유형별 지형 클러터 데이터를 수집하였으며, 이의 유형별 분석 및 제거 능력 최적화를 위해 Matlab 시뮬레이션을 통하여 test case를 만들고, 레이더 실내 시험 및 지형별 야외 시험을 통한 반복 검증을 수행하여, 진화적 개발 모델과 같이 반복, 점진적인 과정으로 병행되는 최적화를 수행하였다. 연구 결과, 기존 레이더 시스템에 비해 7.5 dB(5.6배) 이상의 지형 클러터 제거 능력 향상 효과를 거두었다.
To reject the Doppler frequency spectrum dispersion of clutter caused by high-speed antenna rotation of MTI radar system due to terrain characteristics, signal processing parameters(MTI filter constant, M/N detector ration, K-factor and offset of CFAR) are adjusted for the optimal elimination of the...
To reject the Doppler frequency spectrum dispersion of clutter caused by high-speed antenna rotation of MTI radar system due to terrain characteristics, signal processing parameters(MTI filter constant, M/N detector ration, K-factor and offset of CFAR) are adjusted for the optimal elimination of the ground clutter. For this investigation, logging equipment is designed and utilized for the collection of classified ground clutter data. Test case is devised through Matlab simulation for the classified analysis and optimization of clutter rejection. Then indoor radar test and outside test in accordance with terrain characteristics are repeatedly performed for the verification of the test. This whole process is through the evolutional development model and repeated for the optimization. Final result is that ground-clutter rejection capability is 5.6 times(7.5 dB) better than that of existing radar system.
To reject the Doppler frequency spectrum dispersion of clutter caused by high-speed antenna rotation of MTI radar system due to terrain characteristics, signal processing parameters(MTI filter constant, M/N detector ration, K-factor and offset of CFAR) are adjusted for the optimal elimination of the ground clutter. For this investigation, logging equipment is designed and utilized for the collection of classified ground clutter data. Test case is devised through Matlab simulation for the classified analysis and optimization of clutter rejection. Then indoor radar test and outside test in accordance with terrain characteristics are repeatedly performed for the verification of the test. This whole process is through the evolutional development model and repeated for the optimization. Final result is that ground-clutter rejection capability is 5.6 times(7.5 dB) better than that of existing radar system.
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문제 정의
따라서 고속 스캔 형태와 낮은 PRF(Pulse Repetition Frequency) 방식으로 설계된 MTI 레이더의 스파이크성 이산 지형 클러터 제거 능력을 보완하기 위해 신호 처리 알고리즘 파라메타 가운데 M/N detec- tor(디지털 이진-윈도우 적분기의 형태로 N개의 수신 신호 중 “개 이상의 표적신호 검출 시 유효 표적으로 산출하는 검출기) 적분계수 조정, CFAR의 K- factor(셀 평균 오경보유지기(cell-averaging CFAR) 의 전/후 평균값에 상수 K값을 곱하는 인자) 및 offset값 (CFAR 임계레벨의 하한치) 조정E으로 지형 클러터 신호가 크더라도 이동 표적으로 오인 처리되지 않고, 고정 표적으로 레이더 화면에 전시되도록 연구의 목표를 세웠으며, 지형 클러터를 제거하기 위해서 신호 처리 알고리즘의 파라메타를 최적화할 필요가 있다.
제안 방법
효과가 적었다. 또한, 3개의 테스트 케이스에 대해 실내 레이더 성능 시험을 수행한 결과 MDS (Minimum Detection Signal: 최소 탐지 신호)가 각각 1.8 dB, 1.0 dB, 0.7 dB 증가하여, 클러터 제거 개선 효과와 MDS의 성능 저하 측면을 고려하여 M/N-de- tector 적분계수 以16을 선택하고 CFAR의 K-factor 및 offset 값에 대해 테스트 케이스를 표 1과 같이 생성하여 실내 레이더 성능 시험 및 야전 수집 데이터를 이용한 시뮬레이션을 반복적으로 수행하여 최적의 6가지 테스트 케이스를 구하였다.
이 개선 연구를 통해 한국적 방공 레이더 설계 시실제 운용 환경을 고려한 지형 클러터 신호 처리 파라메타 값의 최적화가 필요하고, 이 최적화를 위해 짧은 기간에 완성도를 높이는 효과를 달성하는데, 시뮬레이션 및 장비의 성능 시험, 실제 야전 적용 운용시험을 병행 수행하는 진화적 개발 모델의 반복 점진적 과정을 제안한다.
이러한 신호 처리 알고리즘에 대한 검토 결과를 바탕으로 스파이크성 이산 지형 클러터가 신호 처리 과정에서 제거될 수 있도록 M/N detector 적분 계수를 조정할 필요가 있었고, 이로 인한 레이더의 탐지성능의 저하를 막기 위해 신호 처리 알고리즘 파라메타(CFAR의 K-factor 및 offset 값)를 최적화 하였다.
데이터처리
이러한 철탑에 의한 반사 신호의 성분 및 레이더 신호 처리 결과를 분석하기 위하여 그림 6의 신호처리 과정에 대해 Matlab을 이용한 시뮬레이션 프로그램团을 만들어 야전에서 수집한 클러터 데이터에 대한 분석을 수행하였다.
85)을 곱한 값이 offset 값(180)이나 표적 탐지 기준값 이상일 경우 표적신호로 저장된다. 탐지 신호의 방위 각(azimuth) 방향에 대한 방위 각 상관(azimuth correlation) 처리 과정은 송신 펄스 주기에 해당되는 평균 2, 800개의 픽셀에 대해 1픽셀 단위로 디지털 이진-윈도우 적분 검출 결과 일정 갯수 이상의 신호가 들어오면 표적으로 선택 저장해 주는 M/N detecter 기능을 수행한다.
성능/효과
개선된 각 테스트 케이스에 대한 레이더 체계 영향성 검증을 위해 야외 레이더 송신 시험 항목에 적용한 결과 체계 영향 없이 정상 동작됨을 확인하였다.
개선된 각 테스트 케이스에 대해 지형별 개선 효과 검증을 위한 야전 시험 결과 테스트 케이스 ②, ③ , ⑤의 클러터 제거 능력 개선 효과가 비교적 우수하였으며, 이 중 최적치라고 판단되는 테스트 케이스 ③의 야전 적용 시험 결과를 그림 10에서 보였다.
그러므로 철탑으로 인해 반사된 신호는 고정 표적임에도 불구하고, 안테나 스캔 변조에 의해 위상 변화가 크게 발생되는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 신호는 MTI 신호 처리 과정을 시뮬레이션한 결과 이동 표적으로 검출됨을 확인하였다.
그림 11와 표 2에서 나타난 바와 같이 MDS 성능에 있어 60 rpm으로 회전하고 평균 2, 800 Hz의 펄스 반복 주파수 및 M/N-detector 6/12, CFAR의 K factor 2.85, offset 180을 적용하고 있는 저고도 탐지 레이더(MDS 규격 -103 dB 이내) 대비 개선된 테스트 케이스 ③, ④, ⑥의 MDS는 양호한 특성으로 확인되었고, 테스트 케이스 ②, ③, ⑤는 지형 클러터 제거 능력 개선도가 양호한 특성으로 확인되었다. 따라서 두 가지 성능에 있어 모두 양호한 특성을 보인 테스트 케이스 ③을 최적화 연구 결과로 얻게 되었고, 평균 MDS 성능 특성이 기존 장비 대비 동등 수준이며, 지형 클러터 제거 능력 개선도는 5.
85, offset 180을 적용하고 있는 저고도 탐지 레이더(MDS 규격 -103 dB 이내) 대비 개선된 테스트 케이스 ③, ④, ⑥의 MDS는 양호한 특성으로 확인되었고, 테스트 케이스 ②, ③, ⑤는 지형 클러터 제거 능력 개선도가 양호한 특성으로 확인되었다. 따라서 두 가지 성능에 있어 모두 양호한 특성을 보인 테스트 케이스 ③을 최적화 연구 결과로 얻게 되었고, 평균 MDS 성능 특성이 기존 장비 대비 동등 수준이며, 지형 클러터 제거 능력 개선도는 5.6배(7.5 dB) 이상으로 크게 향상되었다. 여기서 지형 클러터제거 능력 개선도 계수 과정에서 차량 이동 반사 신호가 이동 표적으로 포함 계산됨에 따라 실제 제거능력 개선도는 5.
결과는 그림 6과 같이 원좌표계로 클러터 형상을 나타낼 수 있다. 여기서 I채널/Q채널 신호의 진폭은 세로축 거리 10 km(677개 픽셀)까지 수집된 데이터를 처리한 것이며, 레이더 전시 화면과 시뮬레이션 결과가 일치함을 확인할 수 있다.
있다. 여기서 시뮬레이션 결과로 나타난 붉은 점은 레이더 전시 화면의 이동 표적에 해당하며, 레이더 전시 화면에서 노란색의 이동 표적과 유사한 분포로 나타남을 알 수 있다.
5 dB) 이상으로 크게 향상되었다. 여기서 지형 클러터제거 능력 개선도 계수 과정에서 차량 이동 반사 신호가 이동 표적으로 포함 계산됨에 따라 실제 제거능력 개선도는 5.6배(7.5 dB)보다 크게 향상될 것이다.
이러한 시뮬레이션 프로그램을 토대로 고속 스켄하는 MTI 레이더 전시 화면에 나타난 클러터 과다현상을 개선하기 위해 M/N-detector 적분계수를 기존 6/12에서 11/16, 10/16, 9/16로 변경하여 야전 적용 시험을 수행한 결과, 11/16과 10/16은 만족할만한 클러터 제거 능력 개선도를 보였으나, 9/16은 상대적으로 개선 효과가 적었다. 또한, 3개의 테스트 케이스에 대해 실내 레이더 성능 시험을 수행한 결과 MDS (Minimum Detection Signal: 최소 탐지 신호)가 각각 1.
5 dB) 이상으로 지형클러터 제거 능력. 향상 효과를 거두었다.
현재 양산중인 레이더는 개선도 효과 검증의 기준이 되며, 개선된 테스트 케이스 6개에 대한 시험 결과 테스트 케이스 ③, ④, ⑥은 기존 장비 대비 MDS 특성이 동등 이상이었으며, 테스트 케이스 ①, ② , ⑤는 MDS 특성이 저하됨을 알 수 있다.
참고문헌 (3)
Merrill Skolnik, Radar Handbook, 2nd Edition, McGraw-Hill, pp. 8_1-8_23, 15_1-15_34
David K. Barton, Sergey A. Leonov, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Boston. London, pp. 78-88, 120, 279-283
Bassem R. Mahafza, Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB, Chapman & Hall/CRC, pp. 307-338
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