3차원 다기능 레이더는 다수의 표적을 실시간으로 탐지, 추적하여 표적의 거리, 속도, 각도 정보를 추출하고 유도탄과의 교신을 통해 표적 위치 정보를 제공하는 최신 레이더이다. 본 논문에서는 다기능 레이더의 핵심 구성품이라 할 수 있는 고속 다중 DSP가 적용된 실시간 신호 처리기의 설계, 제작 및 성능 시험 결과에 대해 소개하였다. 기존의 CFAR 탐지 성능에 비해 열악한 클러터 환경에서 표적의 탐지 성능이 개선된 CFAR 알고리즘과 변별기 추정 방식을 이용한 정밀 표적 위치 측정 방법 및 최소값 추정 방식을 이용한 잡음 재밍 판단 알고리즘 등의 구현 결과들을 소개하였고, 성능 입증 시험을 통한 시험 결과들을 제시하였다.
3차원 다기능 레이더는 다수의 표적을 실시간으로 탐지, 추적하여 표적의 거리, 속도, 각도 정보를 추출하고 유도탄과의 교신을 통해 표적 위치 정보를 제공하는 최신 레이더이다. 본 논문에서는 다기능 레이더의 핵심 구성품이라 할 수 있는 고속 다중 DSP가 적용된 실시간 신호 처리기의 설계, 제작 및 성능 시험 결과에 대해 소개하였다. 기존의 CFAR 탐지 성능에 비해 열악한 클러터 환경에서 표적의 탐지 성능이 개선된 CFAR 알고리즘과 변별기 추정 방식을 이용한 정밀 표적 위치 측정 방법 및 최소값 추정 방식을 이용한 잡음 재밍 판단 알고리즘 등의 구현 결과들을 소개하였고, 성능 입증 시험을 통한 시험 결과들을 제시하였다.
A 3-D multi-function radar(MFR) is a modern radar to provide various target information, such as range, doppler, and angle by performing surveillance, multiple target tracking, and missile guidance. In this paper, we introduced a real-time radar signal processor(RSP), which is a crucial component of...
A 3-D multi-function radar(MFR) is a modern radar to provide various target information, such as range, doppler, and angle by performing surveillance, multiple target tracking, and missile guidance. In this paper, we introduced a real-time radar signal processor(RSP), which is a crucial component of MFR with its design, implementation using high-speed multiple DSP, and performance. Additionally, we verified that several advanced signal processing algorithms were well-performed in our RSP, such as MCA-CFAR algorithm for target detection in clutter environment, range and velocity measurement algorithm using discriminator estimation, and noise jammer detection algorithm using local minimum selection.
A 3-D multi-function radar(MFR) is a modern radar to provide various target information, such as range, doppler, and angle by performing surveillance, multiple target tracking, and missile guidance. In this paper, we introduced a real-time radar signal processor(RSP), which is a crucial component of MFR with its design, implementation using high-speed multiple DSP, and performance. Additionally, we verified that several advanced signal processing algorithms were well-performed in our RSP, such as MCA-CFAR algorithm for target detection in clutter environment, range and velocity measurement algorithm using discriminator estimation, and noise jammer detection algorithm using local minimum selection.
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문제 정의
앞서 언급한 주요 모듈들 외에 동기 및 시험 모듈 (STM: Synchronization and Test Module)은 레이더 통제기로부터 각종 동기 신호를 입력 받아 신호 처리기 하부 모듈들로 분배하는 역할을 수행한다. STM 에는 각각의 동기 신호의 상태를 감시할 수 있도록 로직이 설계되어 호스트 모듈의 제어에 따라 동기 신호의 오류를 보고한다. 또한, STM은 48 MHz에 동기된 500 kHz의 동기 신호를 생성하여 전원 모듈(PSM, Power Supply Module)의 스위칭 인버터 방식 전원 팩(IR사, AFL27012D[11])의 동기 신호로 제공한다.
다기능 레이더의 실시간 신호 처리를 수행하기 위해 개발된 레이더 신호 처리기의 하드웨어 설계및 제작 결과에 대해 앞 절에서 살펴보았다. 다기능 레이더 신호 처리기는 앞서 설명한 바와 같이 표적 탐지 목적으로 LFM, PT 신호와 추적 목적으로 PCM 신호 및 PT 신호를 이용한다.
본 논문에서는 다기능 레이더용 고속 병렬 실시간 신호 처리기의 설계, 제작 및 알고리즘 성능 시험 결과에 대해 기술하였다. 신호 처리기는 표적 반사 신호를 수신하여 실시간으로 다수의 표적을 탐지, 추적하고 거리 및 각도 정보를 제공하는 다기능 레이더의 핵심 구성품으로 ADSP-21160 DSP를 적용하여 구현된 하드웨어에 개발된 신호 처리 알고리즘을 탑재하여 성능 시험을 통해 다기능 레이더의 요구 성능 및 기능이 만족됨을 확인하였다.
본 논문에서는 다수의 표적을 탐지 및 추적하고 전자전 능력을 보유한 다기능 레이더용 실시간 레이더 신호 처리기의 설계 및 제작, 시험 결과에 대해 기술하였다. 개발된 고속 병렬 실시간 레이더 신호 처리기는 100 MHz 클럭의 디지털 신호 처리용 DSP (Analog Device사의 ADSP-21160)가 탑재된 신호 처리기로 다중처리가 가능하고 레이더에서 사용되는 파형별 신호 처리 알고리즘이 최적화되도록 설계, 제작되었다.
표적으로 분류된 정보는 거리 및 속도에 대한 정밀 측정 과정을 거친 후 OCM을 통해 통제기로 전송된다. 본 절에서는 개발된 주요 신호 처리 알고리즘에 대해 간략히 살펴보고, 기존의 알고리즘과의 비교 결과에 대해 기술하 였다.
가설 설정
기준 셀의 수(N)를 8에서 32까지 변화시켜가면서 ADT를 비교한 결과는 표 1과 같다. 이 때 오경보율은 10-6 라 가정하였으며, ADT 관점에서 MCA-CFAR 는 OS-CFAR와 유사한 값을 가지며, 클러터 및 다중 표적 환경에서 OS-CFAR보다 적은 계산량으로 표적을 탐지할 수 있다.
제안 방법
1 dB 이하, 저지 대역에서의 억제 수준 (suppression level)은 —59 dB 이하가 되도록 설계되 었다. 2단 FIR 필터 역시 MHz 수준의 통과 대역에서, 통과 대역 내에서의 진폭 리플은 1.25 dB 이하, 저지 대역에서의 억제 수준은 59 dB 이하가 되도록 설계되었다. PT 신호를 위한 FIR 필터의 경우, MHz 수준의 통과 대역에서, 통과 대역 내에서의 진폭 리플은 1.
LFM 신호의 최적 필터링 과정에 적용된 Hamming 윈도우 함수는 1.5 dB 이하의 손실, —40 dB 이상의 부엽 억제 수준을 갖도록 설계되었다.
PM내 24개 DSP에 의해 수행된 신호 처리 결과는 각각의 FIFO로 전달되고, 호스트 모듈(HM: Host Module)은 24개 DSP의 신호 처리가 완료되는 시점에서 출력 제어 모듈(OCM, Output Control Module)로 결과를 전송하도록 제어한다. OCM은 HM로부터 내부 동기 신호를 입력 받아 타이밍에 맞춰 신호 처리기 결과를 레이더 통제기로 전송하는 역할을 담당한다.
주어진 부엽 수준에 대해 최소의 주엽폭을 내는 Dolph-Chebyshev 함수 [12]를 사용하여 부엽의 수준을 제어하도록 설계되었다. PT 신호 처리 과정에 적용된 Dolph-Chebyshev 윈도우 함수는 처리 손실 3 dB 이하, 최대 부엽 수준 100 dB 이상, 걸침 손실은 0.3 dB 이하가 되도록 설계되었다.
본 논문에서는 다수의 표적을 탐지 및 추적하고 전자전 능력을 보유한 다기능 레이더용 실시간 레이더 신호 처리기의 설계 및 제작, 시험 결과에 대해 기술하였다. 개발된 고속 병렬 실시간 레이더 신호 처리기는 100 MHz 클럭의 디지털 신호 처리용 DSP (Analog Device사의 ADSP-21160)가 탑재된 신호 처리기로 다중처리가 가능하고 레이더에서 사용되는 파형별 신호 처리 알고리즘이 최적화되도록 설계, 제작되었다. 제안된 레이더 신호 처리기에는 레이더 운용 환경의 변화에 적응하여 오경보율을 일정하게 유지하면서 표적을 탐지할 수 있는 적응형 MCA (Modified Cell-Averaging)-CFAR 알고리즘, 변별기 추정 방식을 이용한 표적 거리/속도 측정 알고리즘 및 최소값 선택 방식을 이용한 잡음 재밍 추정 알고리즘 등이 구현되었다.
고속 병렬 신호 처리기의 하드웨어 및 알고리즘 성능을 확인하기 모의된 클러터 환경에서 임의의 거리 및 속도를 갖는 표적 신호를 신호모의기[14]를 통해 모사하였으며, LFM 신호를 이용한 표적 탐지 성 능을 확인하기 안테나 빔 폭내 3개의 표적을 각각 10, 25 및 38 km에 모사하여 펄스 압축 알고리즘과 CFAR 탐지 성능을 그림 10(b)와 같이 확인하였다.
다기능 레이더 신호 처리기는 입력 신호의 실시간 신호 처리를 위해 고속-다중 병렬 처리 구조를 갖도록 구성되었으며, 각각의 DSP에 탑재되는 신호 처리 소프트웨어는 시스템의 운용 파형에 따라 최적의 성능을 갖도록 설계되었다. 다기능 레이더는 표적 탐지 목적으로 선형 주파수 변조 신호(LFM)와 펄스열(pulse train) 신호를 사용하고, 탐지된 표적의 추적을 위해 위상 변조(PCM) 신호 및 펄스열 신호를 이용한다.
다기능 레이더 신호 처리기는 입력 신호의 실시간 신호 처리를 위해 고속-다중 병렬 처리 구조를 갖도록 구성되었으며, 각각의 DSP에 탑재되는 신호 처리 소프트웨어는 시스템의 운용 파형에 따라 최적의 성능을 갖도록 설계되었다. 다기능 레이더는 표적 탐지 목적으로 선형 주파수 변조 신호(LFM)와 펄스열(pulse train) 신호를 사용하고, 탐지된 표적의 추적을 위해 위상 변조(PCM) 신호 및 펄스열 신호를 이용한다. LFM 신호와 PCM 신호는 펄스 압축(또는 최적 필터링)을 통해 표적 신호와 불필요한 신호들로 구분되며, PT 신호의 경우 동일한 거리 셀에서 획득된 반사 신호들을 도플러-필터 뱅크(DFB)를 이용하여 추출하게 된다.
다기능 레이더용 고속 실시간 신호 처리기의 시험 구성은 그림 14에서 보는 바와 같이 통제기의 기능을 모사하여 제어 명령 및 데이터를 생성할 수 있는 시험 장치, 표적, 재밍 및 클러터를 모사하여 생성하는 신호 모의기, 신호 처리 결과를 측정, 저장하고 분석할 수 있는 로직분석기 및 일반 계측 장비들로 구성되었다.
CFAR 탐지기에서 표적으로 판단 되면 변별기 추정 알고리즘을 이용하여 표적의 거리, 속도 및 각도 정보에 대한 오차값을 계산하게 된다. 또한, 재밍 환경에서의 표적 탐지 성능을 보장하기 위해 부엽(SLB) 채널과 합(SUM) 채널 신호는 최소값 선택 추정 방식을 이용한 잡음 재밍 추정을 통해 능동 잡음 재머 탐지 알고리즘을 수행하도록 설계되었다. 그림 3은 다기능 레이더 신호 처리기에 적용된 신호 처리 소프트웨어 구성을 나타낸다.
본 신호 처리기에서는 널리 사용되는 CA-CFAR 알고리즘을 변형하여 다중 표적과 재밍 환경 하에서 성능이 상대적으로 우수한 MCA-CFAR 알고리즘을 개발하여 적용하였다.
그림 10(b)는 LFM 신호를 이용한 최적 필터링 결과를 나타낸다. 수신 신호를 18개의 섹션으로 구분하여 각각의 DSP에서 병렬 처리한 후 펄스 압축결과들을 합하여 CFAR 탐지를 수행하게 된다. 펄스 압축시 부엽에 의한 근접 표적 간섭을 최소화하기 위해 윈도우를 이용하여 부엽의 수준을 억제하도록 설계되 었으며, 사용된 원도우 함수는 Hamming 원도우[12]를이용하였다.
신호 처리기는 4개 채널(합 채널, 두 개의 차 채널 및 SLB 채널)의 아날로그 신호를 수신기로부터 공급받아 신호 증폭 및 대역 통과 필터링, ADC 및 DDC 기능을 갖도록 설계되었으며, 이를 이득 변환 모듈(GCM: Gain Conversion Module)이라 한다. GCM 에 입력되는 신호는 중심 주파수 60 MHz, 신호 크기의 변화 범위는 LFM, PCM의 경우 80 dB, PT 신호의 경우 105 dB의 범위를 갖는다.
펄스열 에서의 신호 처리는 주파수 영역에서 처리함으로 인해 자연히 클러터 성분의 신호들을 확인하고 처리할수 있는 기반이 된다. 신호 처리기의 실시간 병렬 처리 관점에서 1개의 DSP에서 2개의 거리 채널 데이터를 처리하도록 구현하였다. 펄스열의 경우, 처리할 데이터량이 많은 관계로 거리 채널의 배치로 인해 야기되는 걸침 손실(straddling loss)은 최대한 줄이고, 거리 채널의 수가 불필요하게 늘어나지 않도록 거리 채널을 중첩되게 배치했으며, 또한 거리 채널에 펄스 적분 기법을 사용하였다.
표적의 거리 및 속도 측정 알고리즘은 거리 및 도플러 주파수 영역에서 등 간격으로 구성된 정합 필터 출력을 이용하여 정밀한 표적 위치를 추정하는 과정 으로 특히, 다기능 레이더에서와 같이 동시에 다수의 표적을 추적하는데 있어 기존의 측정 방법(최대값 추정, 무게중심 추정 등)과 비교하여 정밀도와 수행 시간 측면에서 유리한 알고리즘이다. 제안된 거리 및 속도 측정 알고리즘은 모노펄스(monopulse) 레이더 각도 추정에 사용되는 알고리즘을 거리 및 속도 측정에 적용한 것으로 변별기(discriminator) 추정 방식이라 불리며, 연결 구간 내 최대값을 갖는 셀을 기준으로 일정 간격 떨어진 거리 및 속도 셀값을 이용하여 거리 및 속도 값을 측정한다. 변별기 추정 방식의 거리 및 속도 측정 관계식[3]은
개발된 고속 병렬 실시간 레이더 신호 처리기는 100 MHz 클럭의 디지털 신호 처리용 DSP (Analog Device사의 ADSP-21160)가 탑재된 신호 처리기로 다중처리가 가능하고 레이더에서 사용되는 파형별 신호 처리 알고리즘이 최적화되도록 설계, 제작되었다. 제안된 레이더 신호 처리기에는 레이더 운용 환경의 변화에 적응하여 오경보율을 일정하게 유지하면서 표적을 탐지할 수 있는 적응형 MCA (Modified Cell-Averaging)-CFAR 알고리즘, 변별기 추정 방식을 이용한 표적 거리/속도 측정 알고리즘 및 최소값 선택 방식을 이용한 잡음 재밍 추정 알고리즘 등이 구현되었다.
클러터 환경에서 표적 탐지 및 추적에 사용되는 PT 신호의 성능을 보기 위해 2개의 표적 신호를 신호모의기를 통해 모사하여 펄스-열 처리 알고리즘을 검증하였다. 그림 16의 (a)와 (b)는 펄스-열 신호의 신호 처리 결과로 R-V 매트릭스에 도시한 것이며, 각각의 거리 게이트별로 CFAR 처리한 결과, 2개의 분리된 표적이 검출됨을 확인할 수 있다.
표적의 탐지 및 추적 정확도를 높이기 위해 재밍 신호와 같은 불요 신호들을 운용시간 및 신호 처리 시간 관점에서 효율적으로 제거할 수 있는 방법이 요구되며, 본 연구에서는 최소값 선택 추정 방식을 이용한 잡음 재밍 추정 기술을 적용하였다. 이 추정 방식은 이격된 두 개의 셀로부터 최소값을 선택하는 과정(그림 13(a))을 통해 재머 신호 평균값 계산시 입력 신호에서 표적 신호 성분을 효율적으로 제거하는 방식이다.
프로세싱 모듈은 기본적으로 동일한 작업을 병렬로 처리하여 정해진 시간 내에 신호 처리 결과를 제공할 수 있도록 24개의 DSP칩으로 구성되어 있으며, 6개의 DSP칩이 장착된 전체 4장의 프로세싱 모듈이 다기능 레이더의 신호 처리를 담당하도록 설계되었다. GCM의 ADC-DDC 처리된 반사 신호들은 PM 내의 IDC(Input Data Controller)에 의해 6개의 DSP로 분배되는데, IDC는 통제기로부터 운용하는 파형 정보를 받아 각각의 DSP가 처리해야 하는 데이터 시작과 길이를 분석한 후 각각의 DSP가 처리할 데이터를 분배한다.
대상 데이터
GCM에 적용된 16-비트 80 MSPS ADC(LTC2206IUK)[9]에 대해 σin /hADC 를 4～5로 설정하였으며, 이 때 ADC 손실은 0.4 dB 이하이다.
이론/모형
다기능 레이더에서는 클러터 환경에서의 표적 탐지/추적 목적으로 펄스-열 신호를 이용한다. 펄스열 에서의 신호 처리는 주파수 영역에서 처리함으로 인해 자연히 클러터 성분의 신호들을 확인하고 처리할수 있는 기반이 된다.
최적 필터링은 병렬, 실시간 신호 처리의 관점에서 입력 샘플 수와 섹션 수를 고려한 계산량 및 알고리즘 및 하드웨어의 구현 용이성 등을 고려하여 다양한 방식으로 구현이 가능하다. 신호 처리기의 실시간 병렬 처리 관점에서 주파수 영역에서의 DFT(Discrete Fourier Transform)-IDFT(Inverse DFT) 방식 (그림 10(a))으로 구현하였다. 입력 샘플이 x(i) (i = 0, 1, …, N-1)이라 할 때, x(i) 의 DFT X(k)는 식 (2-a)와 같이 주어 지며, 주파수 영역에서 기준 신호(A*(m) )과의 곱셈을 수행한 후 식 (2-b)의 IDFT를 통해 시간 영역(거리축)에 대한 응답을 구하도록 설계되었다.
펄스-열 처리 과정도 최적 필터링과 동일하게 부엽 억제를 위해 가중 함수를 이용하였으며, 이동 표적의 영역에서 클러터의 영향을 배제하기 위해서 상당히 낮은 부엽 수준이 요구된다. 주어진 부엽 수준에 대해 최소의 주엽폭을 내는 Dolph-Chebyshev 함수 [12]를 사용하여 부엽의 수준을 제어하도록 설계되었다. PT 신호 처리 과정에 적용된 Dolph-Chebyshev 윈도우 함수는 처리 손실 3 dB 이하, 최대 부엽 수준 100 dB 이상, 걸침 손실은 0.
LFM 신호와 PCM 신호는 펄스 압축(또는 최적 필터링)을 통해 표적 신호와 불필요한 신호들로 구분되며, PT 신호의 경우 동일한 거리 셀에서 획득된 반사 신호들을 도플러-필터 뱅크(DFB)를 이용하여 추출하게 된다. 펄스 압축 또는 DFB 결과는 자승 값을 취하여 적응 CFAR 탐지 알고리즘을 통해 예상 표적을 추출한다. CFAR 탐지기에서 표적으로 판단 되면 변별기 추정 알고리즘을 이용하여 표적의 거리, 속도 및 각도 정보에 대한 오차값을 계산하게 된다.
수신 신호를 18개의 섹션으로 구분하여 각각의 DSP에서 병렬 처리한 후 펄스 압축결과들을 합하여 CFAR 탐지를 수행하게 된다. 펄스 압축시 부엽에 의한 근접 표적 간섭을 최소화하기 위해 윈도우를 이용하여 부엽의 수준을 억제하도록 설계되 었으며, 사용된 원도우 함수는 Hamming 원도우[12]를이용하였다. LFM 신호의 최적 필터링 과정에 적용된 Hamming 윈도우 함수는 1.
성능/효과
표적의 탐지 및 추적 성능을 확인하기 위해 신호 모의기로부터 2개의 독립된 표적을 생성한 후, 펄스 압축 및 CFAR 탐지 성능을 그림 15의 (a), (b)와 같이 확인하였다. 그림 15(a)는 PCM 신호 처리 결과를 R-V(Range-Velocity) 매트릭스에 도시한 것으로 각각의 거리 게이트별로 CFAR 처리한 결과, 2개의 분리된 표적이 검출되었다. 그림 15(a)에서 R, V 게이트 좌표로는 (R_cell=83, V_cell=3), (R_cell=203, V_cell=7)에서 가장 큰 신호를 포착할 수 있으며, 각각 거리 22 km 부근에서 300 m/s로 진입하는 표적과 거리 25 km 부근에서 1,000 m/s로 진입하는 표적을 의미 한다.
본 논문에서는 다기능 레이더용 고속 병렬 실시간 신호 처리기의 설계, 제작 및 알고리즘 성능 시험 결과에 대해 기술하였다. 신호 처리기는 표적 반사 신호를 수신하여 실시간으로 다수의 표적을 탐지, 추적하고 거리 및 각도 정보를 제공하는 다기능 레이더의 핵심 구성품으로 ADSP-21160 DSP를 적용하여 구현된 하드웨어에 개발된 신호 처리 알고리즘을 탑재하여 성능 시험을 통해 다기능 레이더의 요구 성능 및 기능이 만족됨을 확인하였다.
펄스열의 경우, 처리할 데이터량이 많은 관계로 거리 채널의 배치로 인해 야기되는 걸침 손실(straddling loss)은 최대한 줄이고, 거리 채널의 수가 불필요하게 늘어나지 않도록 거리 채널을 중첩되게 배치했으며, 또한 거리 채널에 펄스 적분 기법을 사용하였다. 이 기법을 사용하면 비록 표적의 속도에 따라서 거리 채널에서의 손실이 발생할 수 있지만 미미한 것으로 분석되었고, 반면 연산량과 연산시간에서 이점을 가진다. p-번째 펄스 반복 주기(PRI)에서 획득한 i-번째 샘플을 x ip 라 하면, xip 의 주파수 스펙트럼은
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3차원 다기능 레이더는 무엇인가?
3차원 다기능 레이더는 다수의 표적을 실시간으로 탐지, 추적하여 표적의 거리, 속도, 각도 정보를 추출하고 유도탄과의 교신을 통해 표적 위치 정보를 제공하는 최신 레이더이다. 본 논문에서는 다기능 레이더의 핵심 구성품이라 할 수 있는 고속 다중 DSP가 적용된 실시간 신호 처리기의 설계, 제작 및 성능 시험 결과에 대해 소개하였다.
본 논문에서 다기능 레이더 시스템에서 정의한 신호 처리기의 주요 임무를 수행하기 위해 요구되는 주요 요구사항은 무엇인가?
· 표적 탐지 : 최적 필터링 기법, 도플러-필터링, MCA-CFAR [1,2] 탐지기 적용
· 표적 추적 : 모노펄스 처리 및 거리, 속도 측정을 위한 변별기 추정 알고리즘 [3] 적용
· 실시간 신호 처리 : 고속-다중 병렬 처리 DSP 아키텍처 적용 [4]
다기능 레이더의 핵심 구성품은 무엇인가?
3차원 다기능 레이더는 다수의 표적을 실시간으로 탐지, 추적하여 표적의 거리, 속도, 각도 정보를 추출하고 유도탄과의 교신을 통해 표적 위치 정보를 제공하는 최신 레이더이다. 본 논문에서는 다기능 레이더의 핵심 구성품이라 할 수 있는 고속 다중 DSP가 적용된 실시간 신호 처리기의 설계, 제작 및 성능 시험 결과에 대해 소개하였다. 기존의 CFAR 탐지 성능에 비해 열악한 클러터 환경에서 표적의 탐지 성능이 개선된 CFAR 알고리즘과 변별기 추정 방식을 이용한 정밀 표적 위치 측정 방법 및 최소값 추정 방식을 이용한 잡음 재밍 판단 알고리즘 등의 구현 결과들을 소개하였고, 성능 입증 시험을 통한 시험 결과들을 제시하였다.
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