표적 도플러 속도와 클러터 스펙트럼 특성에 따른 레이더 신호 처리기의 탐지 성능 분석 Analysis of Detection Performance of Radar Signal Processor with Relation to Target Doppler Velocity and Clutter Spectrum Characteristics원문보기
MTI 필터는 대부분의 레이더 신호 처리에서 클러터로부터 표적을 분리하는데 이용된다. CFAR 검파 전 클러터를 제거됨으로써 탐지 성능이 개선될 수 있다. 레이더 시스템을 설계할 때, 일반적으로 설계자는 평균 SNR과 CNR을 고려하고 MTI 필터의 주파수 응답에 의한 영향은 포함되지 않는다. 실제의 경우, 클러터를 포함한 신호들이 필터를 통과할 때, SNR은 표적 속도에 따라 크게 변화하고, CNR 역시 클러터 중심 속도와 스펙트럼 퍼짐에 따라 변화하게 된다. 본 논문에서는 MTI 필터의 주파수 응답과 표적의 속도와 클러터의 스펙트럼 특성 간의관계를 유도하였다. 필터 출력의 SNR과 CNR의 변화에 의한 CFAR 탐지 성능을 시뮬레이션을 통해 분석하였고, 성능에 미치는 영향을 확인하였다.
MTI 필터는 대부분의 레이더 신호 처리에서 클러터로부터 표적을 분리하는데 이용된다. CFAR 검파 전 클러터를 제거됨으로써 탐지 성능이 개선될 수 있다. 레이더 시스템을 설계할 때, 일반적으로 설계자는 평균 SNR과 CNR을 고려하고 MTI 필터의 주파수 응답에 의한 영향은 포함되지 않는다. 실제의 경우, 클러터를 포함한 신호들이 필터를 통과할 때, SNR은 표적 속도에 따라 크게 변화하고, CNR 역시 클러터 중심 속도와 스펙트럼 퍼짐에 따라 변화하게 된다. 본 논문에서는 MTI 필터의 주파수 응답과 표적의 속도와 클러터의 스펙트럼 특성 간의관계를 유도하였다. 필터 출력의 SNR과 CNR의 변화에 의한 CFAR 탐지 성능을 시뮬레이션을 통해 분석하였고, 성능에 미치는 영향을 확인하였다.
MTI filter is used to separate target signal from clutter in many radar signal processing. By suppressing clutter before CFAR detection, the detection performance can be improved. As a radar system designed, a design engineer generally takes averaged SNR and CNR into account and does not include the...
MTI filter is used to separate target signal from clutter in many radar signal processing. By suppressing clutter before CFAR detection, the detection performance can be improved. As a radar system designed, a design engineer generally takes averaged SNR and CNR into account and does not include the effect of MTI filter's frequency response. In practice, when the signals including clutter are pass through the filter, SNR is widely varying according to target velocity and CNR is also varying according to clutter center frequency and spectrum spreading. In this paper, we have derived the relationship between the MTI filter's frequency response and a target's velocity and a clutter's spectrum characteristics. With the variation of SNR and CNR at the filter output, the detection performance of CFAR has been analyzed by the simulation and has made certain of their influences on the performance.
MTI filter is used to separate target signal from clutter in many radar signal processing. By suppressing clutter before CFAR detection, the detection performance can be improved. As a radar system designed, a design engineer generally takes averaged SNR and CNR into account and does not include the effect of MTI filter's frequency response. In practice, when the signals including clutter are pass through the filter, SNR is widely varying according to target velocity and CNR is also varying according to clutter center frequency and spectrum spreading. In this paper, we have derived the relationship between the MTI filter's frequency response and a target's velocity and a clutter's spectrum characteristics. With the variation of SNR and CNR at the filter output, the detection performance of CFAR has been analyzed by the simulation and has made certain of their influences on the performance.
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문제 정의
CUT가 기준창 내에 클러터와 잡음이 함께 존재하는 비균질 배경에서의 MTI 필터와 CFAR의 탐지 성능에 대해 생각해 보자.
MTI 필터의 주파수 응답 특성과 클러터의 스펙트럼 특성 간의 관계에 대해 살펴본다. 먼저 MTI 필터의 출력 CNR을 유도하기 위해 Levanon[8]이 MTI 필터의 클러터 감쇄 성능을 유도하는데 사용된 자기 상관 함수(autocorrelation function)을 이용하고, MTI 필터에 입력되는 클러터의 주파수 스펙트럼이 가우시안 함수로 주어진다고 가정한다.
레이더 시스템의 성능은 신호 처리기의 정확한 성능 예측으로부터 최적화될 수 있으며, 따라서 본 논문에서는 MTI 필터의 표적 속도에 따른 출력 SNR과 클러터 스펙트럼 퍼짐에 의한 출력 CNR 특성을 분석하고, CFAR 검파기의 탐지 성능에 미치는 영향을 이해함으로써 시스템 성능 예측의 신뢰성을 높일 수 있다.
본 논문에서는 클러터와 표적을 분리하는데 적용되는 MTI 필터가 CFAR 검파기 탐지 성능에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. 대부분의 레이더 신호 처리기 탐지 성능은 신호 처리기 전단에 적용된 필터의 전기적 성능과 후단의 검파기 구조에 의해 결정된다.
MTI 필터의 주파수 응답 특성은 구현 방법에 따라 차이가 있으며, 대표적으로 지연선(delay-line)을 이용한 N-펄스 상쇄기가 많이 사용된다. 본 장에서는 표적 신호의 도플러 속도와 클러터 스펙트럼의 퍼짐 및 오프셑에 따른 N-펄스 MTI 필터의 출력 SNR과 CNR에 대해 살펴본다.
가설 설정
CUT가 클러터 내에 존재할 때, MTI 필터를 통과한 후 남겨진 클러터 전력은 필터의 차수와 클러터 중심 주파수 및 스펙트럼 퍼짐에 따라 다르게 나타나며, 그림 3의 (a)와 (b)에서처럼 0 m/s일 때의 필터 출력에서의 CNR 감쇄는 10 m/s일 때의 CNR 감쇄에 비해 스펙트럼 퍼짐이 작을수록 커진다. 다시 말해, 클러터 중심 속도 성분이 0 m/s일 때, 출력 CNR의 감쇄는 스펙트럼 퍼짐이 클수록 작아지고, 중심 속도 성분이 10 m/s인 경우에는 출력에서의 CNR은 덜 감쇄된다.
CFAR의 성능은 일반적으로 SNR에 대한 탐지 확률을 고정 문턱 검파기(fixed threshold detector)에 대해 상대적으로 비교함으로써 성능을 평가하게 된다. 균질 배경의 경우, 잡음만이 존재한다고 가정하며, 표적의 속도 성분과 MTI 필터의 차수에 의한 영향만이 있다고 가정한다. 비균질 배경의 경우, 기준창의 대부분은 클러터라 가정하고 클러터에 의한 중심 주파수, 스펙트럼 퍼짐 및 MTI 필터의 영향만이 있다고 가정한다.
로 표현할 수 있다. 대부분의 신호 처리기 설계 과정에서 입력-출력 신호의 전력비는 표적의 도플러 속도를 알지 못한다고 가정하고 필터의 대역 내에 균일하게 분포한다고 가정한 후 평균값을 취하게 된다.
MTI 필터의 주파수 응답 특성과 클러터의 스펙트럼 특성 간의 관계에 대해 살펴본다. 먼저 MTI 필터의 출력 CNR을 유도하기 위해 Levanon[8]이 MTI 필터의 클러터 감쇄 성능을 유도하는데 사용된 자기 상관 함수(autocorrelation function)을 이용하고, MTI 필터에 입력되는 클러터의 주파수 스펙트럼이 가우시안 함수로 주어진다고 가정한다.
균질 배경의 경우, 잡음만이 존재한다고 가정하며, 표적의 속도 성분과 MTI 필터의 차수에 의한 영향만이 있다고 가정한다. 비균질 배경의 경우, 기준창의 대부분은 클러터라 가정하고 클러터에 의한 중심 주파수, 스펙트럼 퍼짐 및 MTI 필터의 영향만이 있다고 가정한다. 오경보 확률이 10-6, 기준창(reference window) 길이는 24, MTI 필터에 입력되는 잡음의 확률 밀도 함수는 가우시안 함수이며, MTI 필터와 SQL 검파기를 통과한 후 CFAR 검파기에 입력되는 잡음 분포는 지수 함수 분포(exponential distribution)을 가진다고 가정한다.
비균질 배경의 경우, 기준창의 대부분은 클러터라 가정하고 클러터에 의한 중심 주파수, 스펙트럼 퍼짐 및 MTI 필터의 영향만이 있다고 가정한다. 오경보 확률이 10-6, 기준창(reference window) 길이는 24, MTI 필터에 입력되는 잡음의 확률 밀도 함수는 가우시안 함수이며, MTI 필터와 SQL 검파기를 통과한 후 CFAR 검파기에 입력되는 잡음 분포는 지수 함수 분포(exponential distribution)을 가진다고 가정한다. 표적은 Swerling I 모델이며, Rayleigh 분포를 가진다고 가정한다.
오경보 확률이 10-6, 기준창(reference window) 길이는 24, MTI 필터에 입력되는 잡음의 확률 밀도 함수는 가우시안 함수이며, MTI 필터와 SQL 검파기를 통과한 후 CFAR 검파기에 입력되는 잡음 분포는 지수 함수 분포(exponential distribution)을 가진다고 가정한다. 표적은 Swerling I 모델이며, Rayleigh 분포를 가진다고 가정한다.
제안 방법
MTI 필터의 주파수 응답 특성과 출력 SNR과 CNR값의 관계를 이용하여 CFAR 탐지 성능을 비교하고 분석한다.
실제의 경우, MTI 필터의 주파수 응답 특성은 필터의 차수와 표적 속도 값에 따라 출력 SNR에 영향을 주며, CNR 역시 클러터 스펙트럼의 중심 속도와 퍼짐 정도에 따라 출력 CNR에 영향을 미친다. 따라서 MTI 필터의 출력에서 SNR과 CNR이 MTI 필터의 특성에 의해 영향을 보였으며, SNR과 CNR의 필터 주파수 응답에 따른 변화가 CFAR 탐지 성능에 미치는 영향에 대해 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
대부분의 레이더 신호 처리기 탐지 성능은 신호 처리기 전단에 적용된 필터의 전기적 성능과 후단의 검파기 구조에 의해 결정된다. 이때 필터의 출력 SNR은 표적의 속도값을 알지 못하기 때문에 DC에서부터 펄스 반복 주파수에 의해 결정되는 표적 최대 속도까지의 범위 내에서 정규화(속도에 대한 평균값)하여 설계 또는 성능 분석시 사용한다. 실제의 경우, MTI 필터의 주파수 응답 특성은 필터의 차수와 표적 속도 값에 따라 출력 SNR에 영향을 주며, CNR 역시 클러터 스펙트럼의 중심 속도와 퍼짐 정도에 따라 출력 CNR에 영향을 미친다.
성능/효과
MTI 필터를 사용할 때와 사용하지 않을 때의 CFAR 성능을 비교해 보면, 필터를 사용하지 않았을 때 클러터 전력은 CNR을 증가시키고, 따라서 탐지 확률이 감소한다. 반면, 필터를 사용하게 되면 CFAR의 탐지 성능은 MTI 필터를 사용하지 않았을 때에 비해 개선될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
균질 배경이란 무엇인가?
균질 배경은 클러터를 포함한 외부의 간섭이 없고 가우시안으로 표현되는 열잡음 환경을 의미한다. CUT가 균질 배경 내에 존재하는 경우, MTI 필터의 클러터 제거 성능은 CFAR 탐지 성능에 영향을 주지 않지만, 필터를 통과한 신호 성분은 필터의 차수에 따른 주파수 응답 특성과 표적의 속도에 따른 SNR 변화에 의해 CFAR 탐지 확률에 영향을 미친다.
MTI 필터의 표적의 속도 정보를 알 수 없는 단점을 보완하기 위해 어떤 방식이 사용되기도 하는가?
MTI 필터는 고정된 클러터와 이동 표적을 구분하기 위해 2, 3 또는 그 이상의 송신 펄스들로부터 반사되어 수신된 신호들을 처리하기 때문에 도플러 필터링에 비해 신호 처리기의 계산 부담이 적고 구현이 용이한 반면, 표적의 속도 정보를 알 수 없는 단점을 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해 MTI 필터와 도플러 필터링을 연속적으로 사용하는 MTD(Moving Target Detection)[2] 신호 처리 방식이 사용되기도 한다.
MTI 필터의 장단점은 무엇인가?
MTI 필터는 고정된 클러터와 이동 표적을 구분하기 위해 2, 3 또는 그 이상의 송신 펄스들로부터 반사되어 수신된 신호들을 처리하기 때문에 도플러 필터링에 비해 신호 처리기의 계산 부담이 적고 구현이 용이한 반면, 표적의 속도 정보를 알 수 없는 단점을 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해 MTI 필터와 도플러 필터링을 연속적으로 사용하는 MTD(Moving Target Detection)[2] 신호 처리 방식이 사용되기도 한다.
참고문헌 (10)
Robert D. Short, "An adaptive MTI for weather clutter suppression", IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, vol. AES-18, no. 5, pp. 552-562, Sep. 1982.
D. Curtis Schleher, MTI and Pulsed-Doppler Radar, Artech House, 1991.
Marks A. Richards, Fundamentals of Radar Signal Processing, Chapter 6. Detection, McGraw-Hill, 2005.
Eyung W. Kang, Radar System Analysis, Design, and Simulation, Chapter 11. Moving Target Indicator, Artech House, 2008.
D. K. Barton, Radar System Analysis, Chapter 7. MTI Techniques in Search Radar, Artech House, 1989.
F. E. Nathanson, Radar Design Principles, Chapter 9. Moving Target Indicators(MTI), McGraw-Hill, 2nd Ed., 1991.
Harlod R. Raemen, Radar System Principles, Chapter 9. Methods of Combatting Clutter, CRC Press Inc., 1997.
N. Levanon, Radar Principles, Chapter 11. Moving Target Indication(MTI), John Wiley and Sons, 1988.
Wilbur B. Davenport, Probability and Radom Processes, McGraw-Hill, 1970.
P. P. Gandhi, S. A. Kassam, "Analysis of CFAR processors in nonhomogeneous background", IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, vol. 24, no. 4, pp. 427-445, Jul. 1988.
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