[논문]방향 탐지용 전파형 대공 근접 신관센서

최재현; 이석우; 안지연; 염경환

doi:10.9766/kimst.2013.16.5.613

문제 정의

탄두와 표적과의 상대적인 물리적 방위(또한 근접 속도)를 아는 것은 무기 효과를 극대화하기 위해 기폭 위치를 조정하는데 이용될 수 있다^[1]. 본 논문은 방향 탐지용 전파형 대공 근접 신관센서에 대해 기술한다. 신관센서는 송수신부와 안테나부 및 신호처리부로 구성되어 있다.

가설 설정

우선 표적이 확실하게 존재하지 않는다고 판단되는 구간에서 각 수신 채널에 대해 잡음의 크기를 측정한다. 가변 임계치 V_th는 표적 모델과 클러터는 서로 독립적인 랜덤 변수로 이들의 PDF(Probability Density Function)를 가우시안 분포라 가정 하고, 열잡음이나 회로의 검출기 잡음은 클러터에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정하여 계산하였다.
따라서 진행거리를 기준으로 상대속도에 따라 시간을 가변하는 탐지 알고리즘을 적용하였다. 최소표적의 길이를 2 m라고 가정하고 이 표적을 적어도 4번 탐지 확인토록 0.5 m 지나가는 시간 동안 판단하도록 하였다. 즉, 상대속도가 느린 경우 판단시간을 길게 하며, 상대속도가 빠른 경우 처리시간을 빠르게 하여 0.

제안 방법

20 ns의 코드 폭을 갖는 211-bit Legendre sequence로 약 40 dB의 out-of-range rejection 값을 얻었고, 코드열의 반복거리는 약 633 m로 클러터의 수신전력이 표적탐지 레벨 보다 낮아지게 하여 반복거리에서의 오 탐지가 나타나지 않도록 하였다. 20 ns, 211-bit Legendre sequence의 코드상관에 의한 거리 창 특성은 Fig.
신관센서와 조우시험장치를 사용하여 수집된 데이터는 MATLAB을 이용하여 분석하였다. 거리에 따른 수집신호를 신관센서의 budget을 고려하여 센서 입력 전력으로 환산하고 이로부터 표적 탐지 여부를 판별함으로써 탐지 가능 거리를 확인하였다. F-4D Fhantom에대해서 수행한 분석내용의 한 예로써, 이격 거리가 약 3 m인 경우의 수집된 신호를 Fig.
이로 인한 상승 시간과 하강 시간의 불균형이 레이더에서 오 경보(false alarm)를 유발하는 자기상관 함수(auto correlation function)에 불요 부엽(side lobe) 쌍과 spiky ripple을 만들기 때문에^[7], 코드 폭을 줄여 거리 분해능을 향상시키는 데에는 제약이 따른다. 따라서 신관센서에서는 대역폭을 고려하여 20 ns의 코드 폭을 선정하였고 이에 따른 거리 창의 폭은 6 m가 되며, 3개의 거리 창을 겹치게 사용하여 12 m까지 측정이 가능하도록 하였다.
만일 single detection 방식으로 한 번의 신호만으로 표적의 유무를 판단하는 경우, 정전기(ESD : Electrostatic Discharge) 등의 우연한(inadvertent) 잡음이 신관센서에 영향을 미치는 경우 이를 표적 신호로 판단하여 잘못된 기폭 신호를 출력시킬 수 있다. 따라서 신호처리가 0.5 m 단위마다 표적을 판단하지만 예기치 않은 잡음으로부터 둔감하기 위하여, 2 구간 동안 탐지 레벨을 넘는 도플러 신호가 같은 방향 및 같은 거리 창에서 두 번 연속으로 검출되어야만 표적을 탐지 완료하도록 설계 하였다. 2 out of 2 알고리즘은 레이더 등에서 오 탐지율을 낮추는데 많이 적용된다.
표적탐지에 적용되는 수신신호의 임계치(threshold) 레벨은 단순잡음 수준을 예측 계산하여 수식으로 정할 수 있으나 비행환경에서의 여러 예측하기 힘든 상황에서 임계치를 상수화하여 고정 임계치 방식을 적용하면 오탐지할 확률이 높아 질 수 있다. 따라서 잡음이나클러터 환경 등에 따라 임계치를 가변하여 오경보율(false alarm rate)을 유지하는 적응 임계치 방식을 적용하여 표적을 탐지토록 하였다. 우선 표적이 확실하게 존재하지 않는다고 판단되는 구간에서 각 수신 채널에 대해 잡음의 크기를 측정한다.
1에 기준할 경우 상대속도가 빠른 경우에는 표적이 지나간 후 판단하는 상황이 발생한다. 따라서 진행거리를 기준으로 상대속도에 따라 시간을 가변하는 탐지 알고리즘을 적용하였다. 최소표적의 길이를 2 m라고 가정하고 이 표적을 적어도 4번 탐지 확인토록 0.
또한 Fig. 1과 같이 3개의 송신 안테나를 동시에 사용하고, 6개의 수신 안테나를 스위칭 하여 이중 3개의 수신 안테나의 수신레벨을 비교함으로써 방향 구분을 수행한다. Fig.
3과 같이 수신 안테나는 60° 간격으로 6개가 배치되어있고, 기폭 포인트는 12개가 있다. 방향 구분을 위해, 우선 세 개의 수신 안테나(RX Ant1, RX Ant3, RX Ant5)로 수신하고, Fig. 1의 9개 신호(CH1_RG1, ..., CH3_RG3)를 비교하여 최대 수신전력을 갖는 세부 안테나와 최대 수신전력을 갖는 거리 창을 찾는다. 이후 한 번의 안테나 스위칭을 한 후 상기 최대 수신전력을 갖는 세부 안테나와 좌, 우 인접안테나로 수신신호를 재 수신하고, 재수신한 수신전력을 비교하여 표적의 방향을 결정한다.
신관센서가 동작하는 근거리 내의 표적 반사신호의 변화를 예측하기는 매우 어려우므로, 신관센서를 움직이고 데이터를 자동으로 수집할 수 있는 조우모의시험 장치를 무인전동차량 위에 만들었다. 조우모의시험을 통해 표적 반사신호를 수집하여 분석하였고 이를 통해 표적 탐지 및 방향 구분 특성을 검증하였다^[5].
9의 뷰어 프로그램을 만들어 나타내었다. 신관센서가 무인전동 차량에 탑재된 상태에서 운행 중에 신관센서의 운용 및 신호 획득이 가능하도록 하였으며, 시험조건 및 환경을 기록하기 위해 영상카메라와 레이저 거리 측정기를 별도로 장착하여 표적과의 거리 및 조우 상황을 기록하였다.
신관센서는 BPSK 변조의 코드상관방식으로, 최대 탐지거리 내에 3개의 거리 창을 사용하여 표적과의 상대속도에 따른 도플러 신호를 추출하는 방식으로 표적탐지를 하게 되며, 방향 구분은 서로 인접한 3개 수신 안테나의 수신전력을 비교한다.
도플러 신호의 크기 및 위상은 표적이 거리 창 내에 있는지 또는 없는지를 결정하기 위해 사용되며 상기 정보들은 표적과 신관센서와의 상대속도, 표적 모양 및 조우 궤적 등에 따라 변화될 수 있다. 실제 미사일이 날아가는 동안 변화무쌍한 환경에서 표적을 더 정확하게 탐지하기 위해서 상대속도 가변 신호처리, 적응형 임계치 알고리즘 및 2 out of 2 탐지 알고리즘에 기초를 둔 적응형 표적탐지 알고리즘을 개발하였다^[4].
따라서 잡음이나클러터 환경 등에 따라 임계치를 가변하여 오경보율(false alarm rate)을 유지하는 적응 임계치 방식을 적용하여 표적을 탐지토록 하였다. 우선 표적이 확실하게 존재하지 않는다고 판단되는 구간에서 각 수신 채널에 대해 잡음의 크기를 측정한다. 가변 임계치 V_th는 표적 모델과 클러터는 서로 독립적인 랜덤 변수로 이들의 PDF(Probability Density Function)를 가우시안 분포라 가정 하고, 열잡음이나 회로의 검출기 잡음은 클러터에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정하여 계산하였다.
, CH3_RG3)를 비교하여 최대 수신전력을 갖는 세부 안테나와 최대 수신전력을 갖는 거리 창을 찾는다. 이후 한 번의 안테나 스위칭을 한 후 상기 최대 수신전력을 갖는 세부 안테나와 좌, 우 인접안테나로 수신신호를 재 수신하고, 재수신한 수신전력을 비교하여 표적의 방향을 결정한다.
즉, 표적과의 조우 시 안테나의 방사패턴, 표적과의 조우 상황 및 표적의 종류 등에 따라 표적 반사신호가 달라지고 표적 반사신호 변화의 예측이 매우 어려우므로 조우모의시험을 통해 근거리에서의 표적 반사신호를 수집하고 분석하였다. 조우모의시험 시의 상대속도가 약 1 m/s ～ 2 m/s로 이때 발생되는 도플러 대역이 매우 낮기 때문에 신호처리부의 도플러 필터 대역을 50 Hz ～ 1 kHz로 수정하여 사용하였다.
신관센서가 동작하는 근거리 내의 표적 반사신호의 변화를 예측하기는 매우 어려우므로, 신관센서를 움직이고 데이터를 자동으로 수집할 수 있는 조우모의시험 장치를 무인전동차량 위에 만들었다. 조우모의시험을 통해 표적 반사신호를 수집하여 분석하였고 이를 통해 표적 탐지 및 방향 구분 특성을 검증하였다^[5].
5 m 지나가는 시간 동안 판단하도록 하였다. 즉, 상대속도가 느린 경우 판단시간을 길게 하며, 상대속도가 빠른 경우 처리시간을 빠르게 하여 0.5 m 지나가는 시간을 기준으로 알고리즘을 처리하였다.
신관은 오직 하나 내지 또는 산란체의 작은 무리들을 보고 이러한 산란체들의 근역장(near field)에 위치하기 때문에, 신관은 감시 또는 추적 레이더와 같이 보통의 시나리오와는 아주 다른 상황으로, 표적의 레이더 특성을 나타내기 위해서는 신관 특유의 방법이 필요하다[5]. 즉, 표적과의 조우 시 안테나의 방사패턴, 표적과의 조우 상황 및 표적의 종류 등에 따라 표적 반사신호가 달라지고 표적 반사신호 변화의 예측이 매우 어려우므로 조우모의시험을 통해 근거리에서의 표적 반사신호를 수집하고 분석하였다. 조우모의시험 시의 상대속도가 약 1 m/s ～ 2 m/s로 이때 발생되는 도플러 대역이 매우 낮기 때문에 신호처리부의 도플러 필터 대역을 50 Hz ～ 1 kHz로 수정하여 사용하였다.
k와 j 값은 표적의 크기를 고려하여 정하는 상수이다. 표적 탐지를 위한 sampling에 사용되는 수신 신호는 세 개 방향 수신 안테나(RX1, RX3, RX5)에 대해 세 개의 거리 창별로 총 9개이며, 각각의 수신 신호들을 sampling하여 비교하는 과정에서 개별적인 가변 임계치를 적용한다. 따라서 동일한 하나의 임계치를 적용할 때에 비해 순간적인 노이즈가 비교/판단에 영향을 주는 현상을 배제할 수 있다.
10(b)의 F-4D Fhantom 실물 비행기를 사용하였다. 표적의 높이와 방향 등을 바꿔가며 신호를 수집하여 탐지 가능 거리, 거리 창 특성 및 방향 구분 특성을 확인하였다.

대상 데이터

근접거리에서의 표적과 클러터를 구분하기 위한 시험을 위해 Fig. 11과 같이 클러터 모사용 철망을 RG3(Range Gate 3)인 약 9 m에 설치하고 직경이 14 inch인 표준구를 RG1인 약 2 m에 설치하였다.

데이터처리

신관센서와 조우시험장치를 사용하여 수집된 데이터는 MATLAB을 이용하여 분석하였다. 거리에 따른 수집신호를 신관센서의 budget을 고려하여 센서 입력 전력으로 환산하고 이로부터 표적 탐지 여부를 판별함으로써 탐지 가능 거리를 확인하였다.

이론/모형

신관센서는 BPSK 변조의 코드상관방식으로, 최대 탐지거리 내에 3개의 거리 창을 사용하여 표적과의 상대속도에 따른 도플러 신호를 추출한다. Legendre sequence를 사용하여 out-of-range rejection을 최대화하고, 빠른 조우시간 내에서 오 경보율을 낮추며 정확히 표적을 탐지하기 위해 상대속도 가변 신호처리, 적응 임계치 표적탐지 및 2 out of 2 탐지 알고리즘을 적용하였다. 위와 같은 표적탐지 알고리즘과 수신전력 비교의 방향구분 알고리즘을 이용하여 고속으로 이동 중인 대공표적에 대해 거리범위 및 30° 분해능으로 방향을 구분할 수 있다.
의사무작위 잡음 코드(PN code : Pseudo random Noise code)의 일종인 Legendre sequence^[2]가 BPSK 방식으로 반송파를 변조시키기 위해 사용되며^[3], 송신/수신 코드는 교차상관(cross correlation)이 되어 상대속도에 해당하는 도플러 신호가 획득된다. 교차상관은 두 코드열 중 한 코드열에 적용된 시간 지연의 함수로써 두 코드열의 유사성 정도를 나타낸다.

성능/효과

도플러 대역은 예상되는 표적 종류 및 조우 시의 상대속도를 고려하여 설계되는데, 설계된 도플러 대역이 2 ～ 130 kHz라고 가정했을 때, Table 1에 나타낸 것과 같이 211-bit의 PRF(237 kHz) 및 PRF의 하모닉 성분들, PRF와 f_d간의 2차 IMD 모두가 도플러 대역 내에 포함되지 않음을 확인 할 수 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연속파 시스템이 좋은 out-of-range rejection을 갖기 위한 조건은 무엇인가?	연속파 시스템이 좋은 out-of-range rejection을 갖기 위해서는 반송파가 억압되어야 하는데 신관센서는 PN 코드로 변조되어 반송파가 억압되었기 때문에 좋은 out-of-range rejection을 얻을 수 있다.
	미사일에 탑재된 근접 신관센서는 무엇으로 구성되어있는가?	본 논문은 방향 탐지용 전파형 대공 근접 신관센서에 대해 기술한다. 신관센서는 송수신부와 안테나부 및 신호처리부로 구성되어 있다. 세 개의 송신 안테나와 여섯 개의 수신 안테나는 미사일의 원주방향으로 감싸져 있고, 이 수신 안테나로부터의 수신신호들은 분석되어 표적이 근접거리에 있는 경우, 최종적으로 적응형 표적 탐지와 방향 구분 알고리즘을 통해 표적의 방향 탐지가 이루어진다.
	미사일의 효과를 최적화하기 위해서 탑재된 장비가 갖춰야하는 능력은 무엇인가?	미사일의 효과를 최적화하기 위해서, 미사일에 탑재된 근접 신관센서 또는 표적탐지장치는 다가오는 미사일에 대해 표적의 상대적인 공간적 방위를 결정할 수 있는 능력이 있어야만 한다. 탄두와 표적과의 상대적인 물리적 방위(또한 근접 속도)를 아는 것은 무기 효과를 극대화하기 위해 기폭 위치를 조정하는데 이용될 수 있다[1].

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