[논문]관심영역 스캐닝기법을 이용한 레이더 펄스 발생원 위치 추정기법

최경식; 김종필; 원현권; 박재현; 김인규

doi:10.5139/jksas.2011.39.9.889

관심영역 스캐닝기법을 이용한 레이더 펄스 발생원 위치 추정기법
Source Localization Technique for Radar Pulse Emission by Using Scanning Method of Interest Area 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.39 no.9, 2011년, pp.889 - 895

최경식 (한국항공우주산업(주) 항공ES팀) , 김종필 (한국항공우주산업(주) 항공ES팀) , 원현권 (한국항공우주산업(주) 항공ES팀) , 박재현 (한국항공우주산업(주) 항공ES팀) , 김인규 (한국항공우주산업(주) 항공ES팀)

초록
AI-Helper

최신의 항공기는 상대 항공기의 레이더에 검출되지 않기 위해 다양한 방법을 적용하고 있다. 레이더를 통해 감지가 어려운 적기의 존재 유무를 파악하고 적기와의 상대적인 거리 차이와 방위를 추정하기 위해 레이더 경보 수신기(RWR, Radar Warning Receiver)가 이용될 수 있다. 기존의 레이더 경보 수신기는 도달 각(AOA, Angle Of Arrival)을 구하고, 도달 각의 방향성으로 레이더 펄스가 발산된 위치를 추정하였다. 따라서 보다 정확한 위치를 추정하기 위해서 보다 정확한 도달 각을 구하는데 초점을 두었다. 반면 도달 각을 정확하게 구하더라도 레이더 펄스를 발산한 상대 항공기가 빠른 속도로 이동하는 경우 정확한 위치 추정은 어렵다. 본 논문에서는 레이더 펄스가 발산된 정확한 위치를 추정하기 위하여, 초고주파의 레이더 펄스 신호에서 저주파수 신호의 위상지연차를 이용하여, 관심 영역에 대한 스캐닝 기법으로 레이더 펄스가 발산된 위치를 추정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent days, some techniques to prevent from radar detection have been applied on aircraft system. RWR(Radar Warning Receiver) can be used for estimating the source location of the aircraft which emits radar pulse. Current existing method of localizing radar pulse emission source is using AOA(Angle Of Arrival) and most techniques are focused on finding exact AOA to find exact location. In this case, however, the exact AOA does not always result in finding exact source location while target aircraft is moving fast. In this paper, a localization method using the phase delay of the radar pulse's low frequency applies and so a scanning method for the interest area does in order to estimate exact source location by using phase delay.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 레이더 펄스 신호에서 저주파수 신호를 이끌어내어 위상지연차를 구한 후 관심영역에 대한 스캐닝 기법으로 위치를 추정 하였다. 본 논문에서는 레이더 펄스 신호에서 저주파수 신호를 얻기 위해 보다 간단한 방법으로 전파 정류회로와 평활회로를 이용하여 저주파수 신호를 이끌어 내었으며, 이 신호에 대해 위상지연차를 구하였다. 실시간으로 한 지점을 찾기 위한 방법으로 스캐닝 기법을 이용하여 레이더 펄스가 발산된 위치를 추정하였으며, 컴퓨터 모사 테스트에서 관심 영역을 좁혀가는 방법으로 수십 Km 범위까지 정확한 위치 추정이 가능함을 보였다.
^(1,2) 하지만 최신의 스텔스 항공기는 상대 레이더 경보 수신기에 노출되지 않기 위해 다양한 기법들을 적용하고 있으며, 기존의 방법으로는 상대 항공기의 위치를 추정하기 어렵다. 본 논문은 기존의 레이더 펄스 발생원 위치 추정 기법을 개선하여 보다 정확하게 위치추정을 하기 위한 방법으로 레이더 펄스 폭의 위상지연차를 이용한 위치 추정 기법을 적용하였다.
본 논문은 항공기에 장착되는 항공전자 장비(LRUs, Line Replaceable Unit) 중에서 레이더 경보 수신기(RWR, Radar Warning Receiver)의 레이더 펄스 발생원 위치 추정에 관한 것이다. 레이더 경보 수신기는 기본적으로 레이더와 비슷하지만, 레이더가 능동적으로 전파를 발산하여 그 반사파를 받아들이는 반면, 레이더 경보 수신기는 모든 주파수의 레이더 전파를 수신하지만 능동적으로 레이더 전파를 발산하지는 않으며, 적의 레이더에서 나오는 레이더 전파를 받아 들여 피아식별(IFF, Identification Friend or Foe)을 수행하고 적기의 거리와 방위 등을 알려주는 장치이다.
본 연구의 목적은 기존의 레이더 펄스 발생원 위치 추정 기법을 개선하여, 보다 정확하게 레이더 펄스가 발산된 위치를 추정하는데 있다. 기존의 방법은 방위각(Azimuth Angle)과 상하각(Elevation Angle)의 방향성을 이용하여, 항공기가 이동하는 동안 지시하는 하나의 지점을 역으로 추정하였다.

가설 설정

(9) 식에서와 같이 두 센서로부터 거리 차가 일정한 지점은 쌍곡선을 이룬다. 본 논문에서 적용된 레이더 펄스 발생원 위치추정 기법은, 다수 개의 센서 N개 존재하는 경우 _NC₂ 개의 쌍곡선을 얻을 수 있고, 쌍곡선이 교차되는 지점을 레이더 펄스 발생원 위치로 잡았다.

제안 방법

2.1 기존 위치추정 기법

기존의 레이더 경보 수신기는 레이더 펄스 발산 위치를 추정하기 위하여, 안테나에 수신된 레이더 펄스의 수신강도 세기 차이를 거리에 따른 감쇄율을 고려하여 대략적인 거리와 방위를 추정하거나, 두 센서 유닛에 도달한 위상지연차에서 방위각(Azimuth Angle)과 상하각(Elevation Angle)의 도달 각(AOA, Angle Of Arrival)을 구하여, 두 각이 지시하는 방향성으로 대략적인 위치를 추정하였다.^(2,3) 수신강도 세기 차이를 이용하여 위치추정을 하는 경우, 레이더 펄스가 발산된 강도를 알지 못하거나, 발산 강도가 수시로 바뀌는 경우 감쇄율을 고려한 상대적인 거리 차이를 추정할 수 없다.
6에서 세 개 이상의 수신기 센서를 이용하여, 정확히 한 지점 얻을 수 있다. 다음은 실제 항공기 형상을 고려하여 센서를 배치하고 관심영역을 좀 더 넓게 하여 모사하였다. Fig.
그러나 상호상관함수법의 경우 채널 잡음이 많이 포함되는 경우 두 센서 신호의 상관관계가 줄어들게 되어 오차가 커지게 된다. 따라서 본 논문에서는 상호스펙트럼 분석기법으로 위상지연차를 먼저 구한 후, 펄스폭의 주기를 곱하여 시간지연차를 구하는 방법을 적용하였다. 모든 신호는 사인(sine)과 코사인(cosine) 함수의 조합으로 이루어져 있다.
본 논문에서 적용된 레이더 펄스 발생원 위치추정 기법은, 다수 개의 센서 N개 존재하는 경우 _NC₂ 개의 쌍곡선을 얻을 수 있고, 쌍곡선이 교차되는 지점을 레이더 펄스 발생원 위치로 잡았다. 또한 쌍곡선이 교차되는 지점을 찾기 위해 본 논문에서는 관심 영역에 대한 스캐닝 기법을 적용하였다. Fig.
따라서 반지름 r이 커짐에 따라 정확한 위치추정을 위해서는 스캐닝 간격을 조밀하게 할 필요가 있다. 반면 스캐닝 간격을 조밀하게 하는 경우 계산해야 하는 데이터 량이 증가하므로, 본 논문에서는 처리 부하를 줄이기 위해, 적은 포인터로 스캐닝 하여 대략적인 방향성을 구하고, 그 방향성에 대해서 좀 더 조밀하게 스캐닝 하는 방법을 적용하였다. Fig 10에서 흰색 선은 스캐닝 지점들을 연결한 선으로, 스캐닝 지점들이 인접할수록 흰색 라인은 조밀하게 나타난다.
그러므로 수신기 모듈은 원하는 기저밴드 주파수 혹은 원하는 저주파수 신호를 얻기 위해 반송파의 주파수 크기에 따라 능동적으로 발진기 주파수를 조절하여 원하는 저 주파수를 얻어야 한다. 발진기 주파수를 조절하기 위한 방법으로 전압제어발진기(VCO, Voltage Controlled Oscillator) 등이 있지만,⁽⁶⁾ 본 논문에서는 발진기 주파수를 능동적으로 제어하지 않고 손쉽게 저주파수 신호를 얻을 수 있는, 전파정류회로(full wave rectification circuit)와 평활회로(smoothing circuit) 이용하였다. 전파정류회로의 간단한 구조는 Fig.
(9) 식에서와 같이 두 센서로부터 거리 차가 일정한 지점은 쌍곡선을 이룬다. 본 논문에서 적용된 레이더 펄스 발생원 위치추정 기법은, 다수 개의 센서 N개 존재하는 경우 _NC₂ 개의 쌍곡선을 얻을 수 있고, 쌍곡선이 교차되는 지점을 레이더 펄스 발생원 위치로 잡았다. 또한 쌍곡선이 교차되는 지점을 찾기 위해 본 논문에서는 관심 영역에 대한 스캐닝 기법을 적용하였다.
이 경우 항공기의 이동 경로가 짧거나, 상대항공기가 빠른 속도로 이동하거나 이동 경로를 예측할 수 없는 경우 위치추정 결과를 신뢰하기 어렵다. 본 논문에서는 레이더 펄스 신호에서 저주파수 신호를 이끌어내어 위상지연차를 구한 후 관심영역에 대한 스캐닝 기법으로 위치를 추정 하였다. 본 논문에서는 레이더 펄스 신호에서 저주파수 신호를 얻기 위해 보다 간단한 방법으로 전파 정류회로와 평활회로를 이용하여 저주파수 신호를 이끌어 내었으며, 이 신호에 대해 위상지연차를 구하였다.
기존에 레이더 경보 수신기는 레이더 펄스 발산 위치를 추정하기 위해 방위각과 상하각을 먼저 구한 후에 항공기가 이동하는 동안 지시하는 방향성으로 역으로 추정 하였다. 본 논문에서는 초고주파의 레이더 펄스 신호에서 저주파수 성분을 뽑아내어 위상지연차를 구하고, 이 위상지연차를 이용하여 관심 영역에 대한 스캐닝기법으로, 레이더 펄스 발생원 위치를 추정하였다. Fig.

대상 데이터

컴퓨터 모사를 위해 사용된 테스트 신호의 최대치 V_P는 1, 레이더 펄스 주파수 f는 2GHz, 샘플링 주파수는 20GHz으로 하였다. 레이더 펄스 신호 생성을 위해 초고주파로 샘플링 되었지만, 실 구현에서는 레이더 펄스 폭 T(=1/f_{duration-time})를 고려한, Nyquist 샘플링 이론을 만족하는 범위에서 적절히 조절될 수 있다.

성능/효과

모든 신호는 사인(sine)과 코사인(cosine) 함수의 조합으로 이루어져 있다.⁽⁹⁾ 안테나에 수신된 레이더 펄스 신호는 동일한 주파수 성분과 펄스폭을 가진다. Fig.
본 논문에서는 레이더 펄스 신호에서 저주파수 신호를 얻기 위해 보다 간단한 방법으로 전파 정류회로와 평활회로를 이용하여 저주파수 신호를 이끌어 내었으며, 이 신호에 대해 위상지연차를 구하였다. 실시간으로 한 지점을 찾기 위한 방법으로 스캐닝 기법을 이용하여 레이더 펄스가 발산된 위치를 추정하였으며, 컴퓨터 모사 테스트에서 관심 영역을 좁혀가는 방법으로 수십 Km 범위까지 정확한 위치 추정이 가능함을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 레이더 경보 수신기는 레이더 펄스 발산 위치를 어떻게 추정했는가?	기존의 레이더 경보 수신기는 레이더 펄스 발산 위치를 추정하기 위하여, 안테나에 수신된 레이더 펄스의 수신강도 세기 차이를 거리에 따른 감쇄율을 고려하여 대략적인 거리와 방위를 추정하거나, 두 센서 유닛에 도달한 위상지연차에서 방위각(Azimuth Angle)과 상하각(Elevation Angle)의 도달 각(AOA, Angle Of Arrival)을 구하여, 두 각이 지시하는 방향성으로 대략적인 위치를 추정하였다.(2,3) 수신강도 세기 차이를 이용하여 위치추정을 하는 경우, 레이더 펄스가 발산된 강도를 알지 못하거나, 발산 강도가 수시로 바뀌는 경우 감쇄율을 고려한 상대적인 거리 차이를 추정할 수 없다.
	레이더 경보 수신기란 무엇인가?	본 논문은 항공기에 장착되는 항공전자 장비(LRUs, Line Replaceable Unit) 중에서 레이더 경보 수신기(RWR, Radar Warning Receiver)의 레이더 펄스 발생원 위치 추정에 관한 것이다. 레이더 경보 수신기는 기본적으로 레이더와 비슷하지만, 레이더가 능동적으로 전파를 발산하여 그 반사파를 받아들이는 반면, 레이더 경보 수신기는 모든 주파수의 레이더 전파를 수신하지만 능동적으로 레이더 전파를 발산하지는 않으며, 적의 레이더에서 나오는 레이더 전파를 받아 들여 피아식별(IFF, Identification Friend or Foe)을 수행하고 적기의 거리와 방위 등을 알려주는 장치이다.(1) 최신의 항공기는 스텔스(Stealth) 기능을 보유하고 있으며, 이러한 스텔스기는 레이더를 통한 존재 유무 검출이 어렵고, 적기의 위치를 추정 할 수 없다.
	레이더 경보 수신기의 역할이 증대되고 있는 이유는 무엇인가?	레이더 경보 수신기는 기본적으로 레이더와 비슷하지만, 레이더가 능동적으로 전파를 발산하여 그 반사파를 받아들이는 반면, 레이더 경보 수신기는 모든 주파수의 레이더 전파를 수신하지만 능동적으로 레이더 전파를 발산하지는 않으며, 적의 레이더에서 나오는 레이더 전파를 받아 들여 피아식별(IFF, Identification Friend or Foe)을 수행하고 적기의 거리와 방위 등을 알려주는 장치이다.(1) 최신의 항공기는 스텔스(Stealth) 기능을 보유하고 있으며, 이러한 스텔스기는 레이더를 통한 존재 유무 검출이 어렵고, 적기의 위치를 추정 할 수 없다. 이런 이유로 레이더 경보 수신기의 역할이 점차 증대되고 있다.

참고문헌 (10)

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상세보기
Jae-Hoon Jung, Bo-Hyun Hwang, Shin-Nyoung Kim, Chan-Young Jeong, Mi-Young Lee, and Chang-Sik Yoo, "Cancellation method of Second Order Distortion and DC-Offset in Down-Conversion Mixer", IEEK Journal. 2006-43SD-10-13.
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