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문제 정의
- 본 논문에서는 포구 속도를 산출하기 위해 도플러 주파수를 이용한 포구 속도 측정용 도플러 레이더 장비를 개 발하였다. 포구 속도 측정용 도플러 레이더를 구성하는 마이크로웨이브 송수신부, 안테나, 신호 처리부, 전원변환부 등을 설계/제작하였으며, 야전에서의 장비 운용 편리성과 각종 포탄 및 자주포, 함포 등, 포구에서의 비행 탄자 초기 이탈 속도 정밀 분석을 위해 운용/분석 프로그램을 개발하여, 포탄 장약 및 포신 개발 시 시험장비로도 사용이 가능하다.
- 본 논문에서는 포구에서 탄이 발사되는 순간의 속도 측정을 목적으로 CW 신호를 이용한 포구 속도 측정용 도플러 레이더를 개발하였으며, 비행중인 탄 자에 의해 발생하는 도플러 신호를 검출하여 포구에서의 탄자 초기 속도를 계산하여 기준 장비와 성능 비교를 하였다七
- 포구이탈 속도를 정확히측정하는 포구 속도 측정용 도플러 레이더 시스템의 설계 및 제작에 대해 연 포구 속도 측정의 목적은 포구 속도 측정기에서 획득된 탄의 비행 속도를 이용하여 사격 제원 계산기에서 정밀사격을 위한 자료로 활용하거나, 각종 포탄, 장약, 포신 등의 개발 성능 평가에 사용하기 위한 것이다. 이러한 포구 속도 측정 방법에는 전자광학방식, 전자 기계 방식 및 전자기 방식 등이 있으며, 전자기 방식인 도플러 레이더 방식이 최근 널리 사용된다.
제안 방법
- Base-band 증폭기에서 출력된 아날로그 도플러 신호는 신호 처리기 내에서 3배 주파수로 샘플링 된 후 비행 탄자의 동적 변화를 고려하여 N개 샘플에 대해 DFT(Discrete Fourier Transform) 변환을 하여 주파수 영역에서 속도 연산을 위한 도플러 주파수를 추정 한다. 이 경우 DFT는 고속 연산 처리를 위해 FFT (Fast Fourier Transform) 방법을 사용한다.
- 발진기는 Ring 또는 Hairpin 구조의 마이크로 스트립 발진기나 상용 칩 형태의 VCO에 비하여 우수한 위상 잡음 특성을 가지는 전압 제어형 유전체 발진기로 설계하였다. 공진부는 높은。값을 갖는 유전체 공진기(dielectric resonator)를 사용하였으며, 발진 부소 자는 NEC사의 NE52418 GaAsHBTt 사용하여 병렬 궤환형(parallel-feedback) 구조로 설계 제작하였다.
- 구현된 포구 속도 측정 장비를 표 6, 7과 같이 기준 장비와 개발 장비에 대하여 10발의 사격 결과를 비교하였다. 측정된 각 장비의 속도차를 계산하여 이를 백분율로 환산하여 기록하였고 장비 간 속도 오차는 두 가지 시험 방법에서 0.
- 2:1 이하로 측정되었으며, 동작 주파수 내에서 삽입 손실은 2 dB이하, 대역폭은 500 MHz 이하로 측정되었다. 대역 통과 여파기의 전단에 방향성 결합기를 삽입하여 레이 더 자체에서 발생되는 DDS(Direct Digital Synthesis) 신호와 기준주파수를 혼합하여 이를 수신 부에 인가하는 방법으로 자체 점검 회로를 구현하였다. 그림 10의 (b)는 수신 신호와 기준 신호를 혼합하여 도플러 신호를 검출해 내 기 위하여 제작된 혼합기이다.
- 호모다인 방식의 수신부에서 저잡음 증폭기를 사용하지 않는 경우 혼합기의 변환 손실을 최대한 작게 하는 것이 그만큼의 잡음지수를 줄여 必/비를 높일 수 있다. 또한, LO 포트에서 RF 포트로 누설되는 전력 또한 S/N 비에 영향을 미치기 때문에 가능한 높은 LO/RF 포트간 격리도가 요구된대司 제작된 혼합기는 180° 하이브리드 결합기를 이용하여 LO 포트와 RF 포트간의 높은 격 리도를 갖도록 하였고, 믹서 다이오드의 입출력 임피던스 정합을 통하여 낮은 변환 손실을 얻었다.
- 레이더에서 안테나는 비, 눈, 먼지 및 기타 오염물질로 인한 산화와 외부 충격 등으로 인한 손상을 예방하고 레이돔 역할을 부여하기 위해 설계된 안테나와 동일한 유전율을 갖는 Teflon 기판을 제작하여 안테나 방사면에 부착하였다. 안테나는 하나의 기판에서 송신부와 수신부를 구현하였으며, 송수신 안테나 간 격리도를 향상시키기 위하여 안테나간 거리를 파장(人) 이상만큼 이격시켰다可
- 수신 신호 枷비를 개선하기 위해서는 레이더 신호원으로 사용되는 유전체 발진기 위상 잡음과 전력 증폭기에서 증폭되어 안테나로 전달되는 출력 전력 크기가 중요한 파라미터이다. 발진기는 Ring 또는 Hairpin 구조의 마이크로 스트립 발진기나 상용 칩 형태의 VCO에 비하여 우수한 위상 잡음 특성을 가지는 전압 제어형 유전체 발진기로 설계하였다. 공진부는 높은。값을 갖는 유전체 공진기(dielectric resonator)를 사용하였으며, 발진 부소 자는 NEC사의 NE52418 GaAsHBTt 사용하여 병렬 궤환형(parallel-feedback) 구조로 설계 제작하였다.
- 본 논문에서는 도플러 효과를 이용하여 탄자의 구하였다.
- 삼각대 장착 시험은 그림 18과 같이 포구가 향하는 방향과 동일하게 기준 장비와 개발 장비의 방향이 일치되도록 삼각대에 장착하고 실험을 실시하였다. 삼각대에 장착하여 포구 속도를 측정할 때에는 포구와 장비간의 X, y, Z 방향의 거리를 운용 프로그램에 사전에 입력하여 포탄이 발사되는 시점으로부터 레이다에 충격 음압이 전달되는 시간을 계산하여 포구와의 이격거리에 의한 계산 속도 오차를 보정하였다.
- 삼각대에 장착하여 포구 속도를 측정할 때에는 포구와 장비간의 X, y, Z 방향의 거리를 운용 프로그램에 사전에 입력하여 포탄이 발사되는 시점으로부터 레이다에 충격 음압이 전달되는 시간을 계산하여 포구와의 이격거리에 의한 계산 속도 오차를 보정하였다. 삼각대에 장착하여 시험한 방법 외에 개발 장비를 포신에 장착하고 기준 장비를 삼각대에 장착하여 포구 속도 측정 비교 시험을 실시하였다.
- 실시하였다. 삼각대에 장착하여 포구 속도를 측정할 때에는 포구와 장비간의 X, y, Z 방향의 거리를 운용 프로그램에 사전에 입력하여 포탄이 발사되는 시점으로부터 레이다에 충격 음압이 전달되는 시간을 계산하여 포구와의 이격거리에 의한 계산 속도 오차를 보정하였다. 삼각대에 장착하여 시험한 방법 외에 개발 장비를 포신에 장착하고 기준 장비를 삼각대에 장착하여 포구 속도 측정 비교 시험을 실시하였다.
- 송신부는 동작 주파수를 발생시키는 전압 제어 유전체발진기(voltage-controlled DRO), 전력 증폭을 위한 전력증폭기, 전파 방사를 위한 송신 안테나로 구성되며, 수신부는 탄자로부터 반사된 신호를 수신하여도플러 주파수를 추출하기 위한 수신 안테나, 대역 통과 여파기 및 혼합기와 추출된 저전력 도플러 신호를 신호 처리부에 내장된 AD 변환기가 충분히 인식할 수 있는 신호로 증폭하는 baseband 증폭기로 구성된다. 송신부와 수신부의 격리도를 높이기 위하여 송신 안테나와 수신 안테나는 별도로 구성하였다.
- 따라서, 계 산, 도출된. 시스템 최소 요구 성능과 현재 포구 속도 측정 및 분석용으로 사용되고 외국 제품 등을 비교하여본 논문에서는 표 1과 같은 포구 속도 측정용 도플러 레이더 설계 규격을 도줄하였다.
- 신호 처리부는 직 렬(inter IC control) 버스 방식과 CPLD를 이용하여 필요 기능을 구현, 최소 부품으로 제작하였다. DSP 는 1, 600 MIPS 이상의 부동소수점연산이 가능하며, 연산 프로그램은 4 메가바이트 크기의 플래시 메모리에 내장되어 16 메가바이트 크기의 외부 RAM으로 로딩되어 동작한다.
- 운용/분석 프로그램은 개발된 포구 속도 측정용도플러 레이더가 외부 컴퓨터와의 통신 기능을 수행하고, 신호 처리기에서 연산 처리된 속도 데이터를 분석하기 위한 프로그램으로서, 탄자가 비행하는 순간의 데이터를 파일로 저장하고, 내부 설정값을 GUI 환경으로 설정할 수 있도록 제작하였으며, 프로그램 기능은 다음과 같다.
- 그림 7은 VC-DRO의 채널별 출력 전력을 나타내고, 그림 8은 중심 주파수 /。에서 측정된 위상 잡음을 나타낸다. 전압 제어 유전체 발진기에서 생성된 CW 신호를 송신에 적합한 신호 레벨로 증폭하기 위해 그림 9와 같은 전력 증폭기를 제작하였다. 높은 출력 전력은 표적에 의해 되돌아오는 신호의 수신 감도를 향상시킨다.
- 비교 대상 장비는 성능이 입증되어 현재 포탄의 시험 평가 목적으로 운용 중인 외산 장비를 기준으로 하였다. 측정 방법은 각각의 장비를 삼각대에 장착하여 포구 속도를 측정하는 방법과 개발 장비를 자주포 등의 포신에 장착하고 기준 장비를 삼각대에 장착하여 즉정하는 두 가지 방법으로 진행하였다.
- 포구 속도 측정 소프트웨어는 이벤트 방식으로 수행되는 구조로서 기존의 순차 루프펌웨어 구조보다 서브 프로그램이 단순하면서 구조적으로 되어 있으며, 속도 연산 및 운용을 위해 운용 시스템(OS)이 이식된 구조로 설계하였다同
- 장비를 개 발하였다. 포구 속도 측정용 도플러 레이더를 구성하는 마이크로웨이브 송수신부, 안테나, 신호 처리부, 전원변환부 등을 설계/제작하였으며, 야전에서의 장비 운용 편리성과 각종 포탄 및 자주포, 함포 등, 포구에서의 비행 탄자 초기 이탈 속도 정밀 분석을 위해 운용/분석 프로그램을 개발하여, 포탄 장약 및 포신 개발 시 시험장비로도 사용이 가능하다. 제작된 포구 속도 측정용 도플러 레이더는 부분적인 기술 변경을 통해 고속도로 과속 단속용도플러 레이더, 선박 충돌 방지용 레이더 등의 민간산업용으로도 응용이 가능할 뿐만 아니라, 우주정거장에서 우주왕복선 정밀 도킹 시 유도 레이더로도 변용이 가능하다.
- 주요 규격은 표 2와 같다. 포구 속도 측정용 도플러 레이더를 탑재한 자주포 등의 야전 운용 시 인접한 레이더 전자파 간섭에 의한 포구 속도 측정 오류를 예 방하기 위해 동작 주파수는 X-band에서 3 MHz step으로 5개 채널이 선택 가능하도록 구성하였다. 그림 3은 설계된 포구 속도 측정용 CW 도플러 레이더의 마이크로웨이브 송수신부 구성도이다.
- 포구 속도 측정을 위한 레이더는 CW를 송신하여 비행 중인 탄자에서 반사된 신호로부터 도플러 주파수를 추출, 탄자의 비행 속도를 측정한다. 이러한 방식은 고속 비행중인 탄자와의 물리적인 접촉 없이 연속적으로 속도 측정이 가능해야 할 뿐만 아니라, 높은 정확도言 신뢰성 및 내구성이 요구된다.
대상 데이터
- 마이크로스트립 패치 안테나 설계는 EM 설계 툴을 사용하였으며, 안테나 제작은 방사 이득과 구현손실 등을 고려하여 Taconic사의 TLY-5A기판을 사용하였다. 제 작된 안테 나는 전자파 무반사실에서 측정하였으며, 측정 결과 이득 23 dBi, 수평 빔 폭 7.
- 실 사격을 실시하였다. 비교 대상 장비는 성능이 입증되어 현재 포탄의 시험 평가 목적으로 운용 중인 외산 장비를 기준으로 하였다. 측정 방법은 각각의 장비를 삼각대에 장착하여 포구 속도를 측정하는 방법과 개발 장비를 자주포 등의 포신에 장착하고 기준 장비를 삼각대에 장착하여 즉정하는 두 가지 방법으로 진행하였다.
- 송수신 안테나는 마이크로스트립 패치 안테나 구조로 제작하였다. 일반적으로 마이크로스트립 패치 안테나는 제작 용이성, 경량화 및 비용 절감 면에서 우수한 장점을 가지고 있다피 제작된 마이크로 스트립 패치 안테나는 inset-fed 급전 방식으로 설계되었으며, 안테나 이득 요구 규격 및 레이더 크기를 고려해서 4x8 array 안테나로 설계 제작하였다.
- 포구 속도 측정용 도플러 레이더의 최종 성능 확인을 위하여 안흥 소재 국방과학연구소 종합시험장에서 실 사격을 실시하였다. 비교 대상 장비는 성능이 입증되어 현재 포탄의 시험 평가 목적으로 운용 중인 외산 장비를 기준으로 하였다.
이론/모형
- 높은 S/N 비를 얻기 위해, 주엽 레벨과 부엽 레벨 차가 큰 윈도우를 사용하여야 한다미 본 논문에서는 4-term 블랙만-해리스 윈도우(Blackmann-Harris Win- dow)를 사용하였으며, 그림 15에서 주엽 레벨과 가장 큰 부엽(side lobe) 레벨 차가 약 -92 dB로서, 구형 윈도우(rectangular window)보다 신호를 주엽(main lobe) 내에 잘 한정시킨다.
- 한다. 이 경우 DFT는 고속 연산 처리를 위해 FFT (Fast Fourier Transform) 방법을 사용한다. FFT 변환된도플러 신호 주파수는 DC를 중심으로 대칭인 ”/2~£/2 Hz로서, 실제 0~睥 Hz 주파수에서만도플러 주파수 추정에 이용된다.
- 포구 속도 측정용 도플러 레이더 마이크로웨이브송수 신부는 호모다인(homodyne) 방식을 적용하였으며, 주요 규격은 표 2와 같다. 포구 속도 측정용 도플러 레이더를 탑재한 자주포 등의 야전 운용 시 인접한 레이더 전자파 간섭에 의한 포구 속도 측정 오류를 예 방하기 위해 동작 주파수는 X-band에서 3 MHz step으로 5개 채널이 선택 가능하도록 구성하였다.
성능/효과
- 8°, 수직 빔 폭 17.2。을 얻었고, 부엽 레벨은 수평과 수직일 때 각각 -13.82 dB, -11.9 dB, 반사 손실은 중심주파수 九에서 -15 dB를 얻었다.
- 전압 제어 유전체 발진기 측정 결과 출력 전력은 5개 채널에서 평균 10 dBm으로, 위상 잡음은 100 kHz offset에서 평균 T20 dBc/Hz 측정되었다. 그림 7은 VC-DRO의 채널별 출력 전력을 나타내고, 그림 8은 중심 주파수 /。에서 측정된 위상 잡음을 나타낸다.
후속연구
- 포구 속도 측정용 도플러 레이더를 구성하는 마이크로웨이브 송수신부, 안테나, 신호 처리부, 전원변환부 등을 설계/제작하였으며, 야전에서의 장비 운용 편리성과 각종 포탄 및 자주포, 함포 등, 포구에서의 비행 탄자 초기 이탈 속도 정밀 분석을 위해 운용/분석 프로그램을 개발하여, 포탄 장약 및 포신 개발 시 시험장비로도 사용이 가능하다. 제작된 포구 속도 측정용 도플러 레이더는 부분적인 기술 변경을 통해 고속도로 과속 단속용도플러 레이더, 선박 충돌 방지용 레이더 등의 민간산업용으로도 응용이 가능할 뿐만 아니라, 우주정거장에서 우주왕복선 정밀 도킹 시 유도 레이더로도 변용이 가능하다.
- 포구 속도 측정용 도플러 레이더는 순수 국내 기술로 개발된 것으로서 기준 장비와 비교하였을 때 백분율 오차 0.05 % 미 만으로 동등한 성능을 나타내었으며, 지금까지의 도플러 레이더를 이용한 계측기술의 연구 개발 및 해외 기술 의존을 탈피하고, 외화지출 및 정비 문제를 해결하며, 나아가 민수 분야까지 응용 영역을 확대시킬 수 있을 것으로 기대된다.
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