[논문]수풀투과를 위한 초 광대역 레이더의 송수신기 설계

박규철; 선선구; 조병래; 이정수; 하종수

[국내논문] 수풀투과를 위한 초 광대역 레이더의 송수신기 설계
Design of Ultra Wide Band Radar Transceiver for Foliage Penetration 원문보기

통신위성우주산업연구회논문지 = The Journal of Korea Society of Communication and Sapce Technology, v.7 no.1, 2012년, pp.75 - 81

박규철 (국방과학연구소 국방신기술센터 융.복합기술연구부) , 선선구 (국방과학연구소 국방신기술센터 융.복합기술연구부) , 조병래 (국방과학연구소 국방신기술센터 융.복합기술연구부) , 이정수 (국방과학연구소 국방신기술센터 융.복합기술연구부) , 하종수 (국방과학연구소 국방신기술센터 융.복합기술연구부)

초록
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무인 차량의 야지 자율 주행을 위한 목적으로 수풀 뒤쪽에 가려져 있는 장애물을 탐지하고 회피하기 위해 수풀을 투과하여 차량의 전방을 고해상도로 영상화할 수 있는 근거리 초 광대역 영상 레이더의 송수신기를 설계한다. 송신기는 방위각 해상도를 향상시키기 위해 좌측과 우측으로 송신할 수 있도록 두 개의 송신기가 요구되며, 수신기의 경우는 영상을 합성하기 위하여 다채널 수신기가 요구된다. 송신기는 고 전력 증폭기와 채널 선택 스위치 및 파형 발생 모듈로 구성된다. 수신기는 16 채널 수신기, 수신 채널 변환기, 중간 주파수 하향 변환 모듈로 세분화 할 수 있다. 제안한 구조를 제작하기 전에 모델링 및 시뮬레이션 방법을 통해 여러 파라메타를 도출함으로서 가능성을 입증하였다. 그리고 제안한 송수신기를 산업용 부품을 이용하여 제작하고 성능 파라미터를 측정하여 모든 설계 요구 조건이 만족됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is to design the transmitter and receiver of short range UWB(Ultra Wide Band) imaging radar that is able to display high resolution radar image for front area of a UGV(Unmanned Ground Vehicle). This radar can help a UGV to navigate autonomously as it detects and avoids obstacles through foliage. The transmitter needs two transmitters to improve the azimuth resolution. Multi-channel receivers are required to synthesize radar image. Transmitter consists of high power amplifier, channel selection switch, and waveform generator. Receiver is composed of sixteen channel receivers, receiver channel converter, and frequency down converter, Before manufacturing it, the proposed architecture of transceiver is proved by modeling and simulation using several parameters. Then, it was manufactured by using industrial RF(Radio Frequency) components and all other measured parameters in the specification were satisfied as well.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이와 같은 레이더 개발에 있어서 주요 구성품인 송수신기의 구조 및 설계 방법을 제안하고, 산업용 RF 구성품을 사용하여 제작한 내용을 포함한다. 이 송수신기는 크게 송신기 결합체 및 수신기 결합체로 이루어진다.
이 논문에서는 무인 차량의 전방에 장착하여 야지 자율주행에 사용될 수 있는 전방 관측용 초 광대역 합성 개구 레이더의 송수신기 설계 및 실험에 대해 기술하였다. 레이더 센서의 경우 주파수에 따라 수풀을 투과하는 특성이 달라지므로 야지에 존재하는 수풀을 투과할 수 있는 레이더를 무인 차량에 장착할 경우, CCD 센서, IR 센서 및 Laser Radar 센서가 갖지 못하는 장점이 있어 자율 주행에 큰 기여를 할 수 있다.

제안 방법

0 ㎓의 LFM 신호가 되는 방식으로 주파수를 설정하였다. 각각 2 체배할 때마다 체배 전 상위 주파수가 체배 배 후 하위 주파수보다 항상 작은 조건이 만족되도록 기본 LFM 주파수를 선정하였다. 그림 8의 (a)는 1.
6 ㎓인 채널과 대역폭이 2 ㎓인 채널 중에서 한 채널이 선택되면 이 초 광대역 신호를 그림 2와 같이 Tx DRV 증폭기로 신호를 증폭한 후 좌측이나 우측 경로를 결정하여 좌우 송신 채널을 결정한다. 만일 좌측 안테나로 송신할 때, 우측 안테나는 송신 신호가 없도록 송신기의 채널을 스위치로 선택할 수 있도록 설계하였다. 그래도 스위치의 isolation 값(대략 30 dB)만큼 감소된 신호가 우측 안테나로 송신이 된다.
방위각 해상도 B°를 만족하기 위해 두 개의 송신 안테나를 수신 안테나 좌우에 배치하여 격번으로 송신하는 구조로 설계하였다.
수신기 결합체는 지형으로부터 반사된 RF 대역의 신호를 낮은 잡음을 가지며 신호처리기에서 처리 가능한 크기의 신호로 하향 변환 및 증폭하여 ADC(Analog to Digital Converter)하는 기능을 갖도록 설계한다. 상용 소프트웨어로 각 구성품을 설계하고 Matlab simulink로 시뮬레이션을 수행하며, 구성품 제작 후 측정 결과를 분석하여 송수신기의 성능이 설계 규격을 만족하는지 확인한다.
설계된 송수신기를 산업용 부품을 사용하여 제작한 후 표 1과 같은 여러 가지 요구 조건을 만족하는지 여부를 실험을 통해 측정 및 분석한다. 제작된 송신 모듈의 제작 형상은 그림 7과 같다.
일반적인 SAR 시스템은 하나의 송신 안테나에 하나의 수신 안테나로 이루어진 monostatic radar인데, 본 논문의 레이더는 좌우의 두개의 송신 안테나에 수신 안테나가 32개로 이루어진 bistatic radar로 전방 관측 레이더(Forward Looking Imaging Radar)라고 부른다. 송신 안테나를 좌측에 하나만 사용하는 경우와 송신 안테나를 좌측 및 우측에 하나씩 사용하는 경우에 대한 거리와 방위각 분해능(식 (3), [8])을 분석하였다.
수신 결합체는 영상을 합성하기 위해 1 열에 32 개의 수신 안테나를 사용하고, 인터페로그램을 적용하기 위해 상열과 하열의 2 열 구조로 구성되며 이로 인하여 수신 안테나 개수는 총 64 개가 된다. 수신기의 개수를 줄이기 위해 64 개의 안테나에 4:1 스위치를 적용하여 16 개의 수신기 채널로 설계하였다. 수신 안테나 1^~4 번이 하나의 수신기에 연결되는데, 수신 안테나 1에서 들어오는 신호만을 탐지하기 위해서는 안테나 2, 3, 4에서 들어오는 신호는 60 dB 이상 억제해야 되는데 4:1 스위치가 정상 동작해도 30 dB 감쇠 특성 밖에 얻을 수 없기 때문에 수신 안테나 1에서 들어오는 신호에 안테나 2, 3, 4에서 30 dB 감쇠된 신호가 들어와 합성된 신호가 안테나 1에서 수신 신호가 된다.
그래도 스위치의 isolation 값(대략 30 dB)만큼 감소된 신호가 우측 안테나로 송신이 된다. 이를 방지하기 위하여 스위치가 선택되지 않은 채널의 고 전력 증폭기의 전원을 끊도록 하여 송신되는 신호가 거의 없도록 설계하였다. 그림 2에 송신기 블록도를 나타내었다.
0 ㎓인 LFM 파형을 얻었다. 채널 1은 기본 400 ㎒의 LFM 신호에 2 체배하여 800㎒의 LFM 신호가 되고 다시 2 체배하여 1.6 ㎓의 LFM 신호가 되는 방식으로 주파수를 설정하였다. 채널 2는 기본 250 ㎒의 LFM 신호에 2 체배하여 500 ㎒의 LFM 신호가 되고 다시 2 체배하여 1.
64 개의 수신 안테나를 통해 지상으로부터 반사된 수신 신호는 저 잡음 증폭기에 입력, 하향 변환되어 영상 신호처리 될 수 있도록 신호처리기에 제공된다. 초 광대역 송수신기는 모델링 및 시뮬레이션 과정을 통해 각 주요 구성품의 이득 및 잡음 특성 등을 예측하여 설계하였고, 산업용 RF 구성품들을 사용하여 설계된 송수신기를 제작하였으며 제작 후 각 모듈별로 요구조건을 만족하는지 여부를 측정 및 분석하였다. 이 연구 결과는 초 광대역 레이더에 적용되어 근거리 전방 관측 레이더를 위해 사용되었으며 그 효용성을 입증하였다.

대상 데이터

제작된 송신 모듈의 제작 형상은 그림 7과 같다. 제작된 송신 모듈은 4 체배 모듈, 8 체배 모듈, 송신 고 전력 증폭기 모듈로 구성되어 있다.

성능/효과

수신 안테나 1^~4 번이 하나의 수신기에 연결되는데, 수신 안테나 1에서 들어오는 신호만을 탐지하기 위해서는 안테나 2, 3, 4에서 들어오는 신호는 60 dB 이상 억제해야 되는데 4:1 스위치가 정상 동작해도 30 dB 감쇠 특성 밖에 얻을 수 없기 때문에 수신 안테나 1에서 들어오는 신호에 안테나 2, 3, 4에서 30 dB 감쇠된 신호가 들어와 합성된 신호가 안테나 1에서 수신 신호가 된다. 따라서 안테나 2, 3, 4에서 수신되는 신호를 억제하기 위해 각각의 안테나와 4:1 스위치 사이에 On/Off 스위치를 하나 추가하여 수신 안테나 1의 데이터를 수신할 때 안테나 2, 3, 4에 연결된 스위치는 Off시켜 30 dB 추가 감쇠를 얻을 수 있었다.
초 광대역 송수신기는 모델링 및 시뮬레이션 과정을 통해 각 주요 구성품의 이득 및 잡음 특성 등을 예측하여 설계하였고, 산업용 RF 구성품들을 사용하여 설계된 송수신기를 제작하였으며 제작 후 각 모듈별로 요구조건을 만족하는지 여부를 측정 및 분석하였다. 이 연구 결과는 초 광대역 레이더에 적용되어 근거리 전방 관측 레이더를 위해 사용되었으며 그 효용성을 입증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인 차량의 자율 주행을 위한 영상 레이더의 장점은?	무인 차량이 야지 자율 주행을 할 때 차량의 전방 및 주변에 대한 지형정보, 즉 장애물, 웅덩이 및 바위와 같은 지형에 대한 정보 획득을 위하여 여러 센서들 중 영상 레이더가 사용된다. 무인 차량에 장착된 영상 레이더는 다른 센서와 달리 주파수에 따라 수풀을 투과할 수 있어 다른 센서의 단점을 보완할 수 있고, 모래, 흙먼지 및 안개 등의 기상 조건이나 주, 야간에 관계없이 전천후로 영상을 획득할 수 있는 장점이 있다.[3-4]
	레이더는 언제 발명됐나요?	1940년대 레이더가 군사적 목적으로 발명된 이래 장거리 표적 탐지 및 추적 레이더 분야로 발전해 왔으며, 현재에는 합성 개구면 레이더뿐만 아니라 민수 분야에서의 차량 충돌 방지 레이더, 의료용 영상 레이더 및 무인 차량의 장애물 회피를 위한 영상 레이더 분야에 이르기까지 그 사용이 널리 확대되고 있다.[1-2]
	현재에는 레이더가 어떤 분야로 확대되고 있나요?	1940년대 레이더가 군사적 목적으로 발명된 이래 장거리 표적 탐지 및 추적 레이더 분야로 발전해 왔으며, 현재에는 합성 개구면 레이더뿐만 아니라 민수 분야에서의 차량 충돌 방지 레이더, 의료용 영상 레이더 및 무인 차량의 장애물 회피를 위한 영상 레이더 분야에 이르기까지 그 사용이 널리 확대되고 있다.[1-2]

참고문헌 (9)

B. Edde, Radar priciples, Technolgy, applications, NJ: Prentice Hall, 1993.
M.I Skolnik, Introduction to radar systems, 3rd Ed. McGraw-Hill, 2001.
J. C. Curlander, R. N. Mcdonough, Edde, Synthetic Aperture Radar: System and Signal Processing, John Wiley and Sons, New York, 1991.
곽영길,"위성 탑재 영상 레이더 기술 동향", 전자공학회지,34(11), pp. 61-74, 2007년 11월.

원문보기 상세보기
L. Nguyen, M. Sournekh, "System trade analysis for an ultra-wideband forward imaging radar", Proc. SPIE, vol. 623003-1-623003-11, 2007.
선선구, 조병래, 박규철, 남상호,"무인 차량 탑재형 전방 관측영상 레이다 가능성 연구",한국전자파학회논문지, 21(11), pp.1285-1294, 2010년 11월.

원문보기 상세보기
L. Nguyen, D. Wong, B. stanton and G. Smith, "Forward imaging for obstacle avoidance using ultra-wideband synthetic aperture radar", Proc. SPIE, vol. 5083, pp. 519-528, 2003.
G. Krieger, et. al. "Sector imaging radar for enhance vision", Aerospace science and technology, vol. 7, pp. 147-158, 2002.
박규철, 하종수, 이정수,"클러터와 송신 누설 전력 제거가 가능한 레이더", 특허청, 특허번호 10-0851888, pp. 1-7, 2008년 8월.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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