[논문]방향 탐지용 대공 근접 신관센서의 BPSK 송수신기 설계에 관한 연구

최재현; 이석우; 염경환

doi:10.9766/kimst.2013.16.1.081

방향 탐지용 대공 근접 신관센서의 BPSK 송수신기 설계에 관한 연구
Design of a BPSK Transceiver for the Direction Finding Proximity Fuze Sensor for Anti-air missiles 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.16 no.1, 2013년, pp.81 - 88

최재현 (국방과학연구소) , 이석우 (국방과학연구소) , 염경환 (충남대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the fundamentals, design, realization and test results of a BPSK(Bi Phase Shift Keying) transceiver for the direction finding proximity fuze sensor for anti-aircrafts or air missiles. The BPSK transceiver for the direction finding fuze sensor has been designed to detect a moving target by Doppler signal processing with the code correlation method and to distinguish direction by comparing received powers of each Doppler signal from adjacent three receiving antennas. The electrical and ESS(Environmental Stress Screening) tests of the BPSK transceiver showed satisfactory results and target detection and direction finding performances proved to be successful through dynamic operation tests by 155 mm gun firing.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 신관센서의 거리측정과 방향탐지의 개념과 송수신기 설계한 필요한 설계 파라미터 및 설계 결과들에 대해 기술하고, 제작된 송수신기의 전기적인 특성결과 및 환경시험 결과를 기술한다. 마지막으로 신관센서와 조우시험장치를 이용하여 수집된 표적 반사신호와 155 mm 포발사를 이용한 동적기능시험 결과를 기술한다.
본 논문에서는 중거리 지대공 유도무기인 천궁에 탑재된 방향 탐지용 전파형 대공 신관센서의 송수신기 설계 방법을 기술하였다. 신관센서의 표적 탐지와 방향 구분은 코드상관방식의 도플러 신호처리를 통해 이루어지며, 따라서 BPSK 변조 신호를 생성하도록 송신부를 설계하고, 수신안테나를 선택하고 하향주파수 변환을 통해 도플러 신호가 실린 수신 지연코드를 출력하도록 수신부를 설계하였다.
상기한 바와 같은 이유로 국내에서 지향성 탄두를 위한 방향 탐지용 대공 근접신관이 성공적으로 개발되어 중거리 지대공 유도무기인 천궁에 탑재되었다. 본 논문은 중거리 지대공 유도무기 천궁에 탑재한 방향 탐지용 전파형 대공 근접 신관센서의 BPSK 송수신기에 대해 기술한다. 신관센서는 표적과의 최대 상대속도 마하 5.
신관센서는 표적과의 최대 상대속도 마하 5.5, 이격거리가 약 10 m 이내인 항공기 표적을 탐지하며 원주방향에서 30° 이내로 표적을 구분하는 것을 목표로 한다.

가설 설정

편의상 코드 폭은 도플러 주파수의 2주기로 가정 하였고, 코드 폭의 1/2만큼 지연되어 수신되는 수신신호를 “수신 RF(근거리)”라 하고, 1 코드 폭 만큼 지연되어 수신되는 수신신호는 “수신 RF(중거리)”라 하였으며, 3/2 코드 폭 만큼 지연되어 수신되는 수신신호는 “수신 RF(원거리)”라 하였다.

제안 방법

1에 나타내었다. BPSK 송수신기는 Fig. 1과 같이 송신부는 연속파 주파수 F₀를 생성하는 DRO(Dielectric Resonator Oscillator), BPSK 변조기 및 3개의 전력증폭기(AMP2)로 구성하여, 3개의 송신안테나에 송신신호를 동시에 최대로 출력하도록 설계하였다. 또한 수신부는 각 채널에 스위치(SP2T)를 사용하여 6개의 안테나 중 3개를 선택할 수있도록 크기를 축소하여 3채널로 설계하였다.
. 동적기능시험은 Fig. 17과 같이 구성하여, 시험 시 수신부 각 채널에서 추출한 도플러 신호로부터 Log Amp 출력 신호를 수집하여 시험 후 결과 분석이 가능토록 하고, 표적방향에 해당되는 플래시가 점등되도록 하였으며, 고속 비디오카메라를 이용하여 조우시의 탐지위치를 정확히 측정하였다.
11과 같이 거리 창에 대한 영향과 더불어 부엽에 2차 첨두치가 나타나고 spiky ripple이 더해지게 되어 원치 않는 거리의 range rejection이 나빠지는 결과를 초래한다. 따라서 BSPK 변조기, 복조기 및 코드 발생기의 대역폭이 충분히 넓도록 설계한다.
1과 같이 송신부는 연속파 주파수 F₀를 생성하는 DRO(Dielectric Resonator Oscillator), BPSK 변조기 및 3개의 전력증폭기(AMP2)로 구성하여, 3개의 송신안테나에 송신신호를 동시에 최대로 출력하도록 설계하였다. 또한 수신부는 각 채널에 스위치(SP2T)를 사용하여 6개의 안테나 중 3개를 선택할 수있도록 크기를 축소하여 3채널로 설계하였다.
신관센서의 송수신기는 원하는 거리를 벗어난 원치 않는 신호를 억제하고 송수신 안테나간의 커플링(coupling)에 의해 수신감도가 떨어지지 않도록 하기 위해, 반송파를 BPSK 변조하여 송수신하고 코드상관에 의한 코드상관 계수를 포함하는 도플러 신호를 추출하도록 설계하였다. 또한 원주방향으로의 방향 구분을 위해, 동시에 3개의 송신신호를 출력하도록 송신부를 설계하였고, 6개의 수신 입력을 스위칭하는 방법으로 크기를 축소하여 수신부를 3채널로 설계하였다.
본 논문에서는 신관센서의 거리측정과 방향탐지의 개념과 송수신기 설계한 필요한 설계 파라미터 및 설계 결과들에 대해 기술하고, 제작된 송수신기의 전기적인 특성결과 및 환경시험 결과를 기술한다. 마지막으로 신관센서와 조우시험장치를 이용하여 수집된 표적 반사신호와 155 mm 포발사를 이용한 동적기능시험 결과를 기술한다.
방향 구분은 서로 인접한 3개 안테나의 수신전력을 비교하여 판단하며, 방향 구분 분해능을 30°로 하기 위해 6개의 수신안테나가 필요하다. 방향 탐지 시안테나 스위칭 잡음으로 인해 임계치를 넘는 도플러 신호가 있는 것처럼 동작하는 오탐지 현상이 발생할 수 있으므로, Fig. 1과 같이 동시 송신방식으로 설계하였고 수신부의 스위칭은 한 번만 하도록 알고리즘을 설계하였다.
상기와 같이 표적의 크기를 고려하여 거리 창의 폭을 6 m로 하고, 요구되는 코드 폭은 20 ns이므로 송수신기에 사용되는 필터 대역폭 및 안테나 대역폭 또한 약 1 GHz 이상으로 설계하였다. 필터 대역폭에 대한 영향을 시뮬레이션 해보면, 1 GHz 이상일 경우 코드의 모양이 왜곡되지 않으나, 필터 대역폭이 좁을 경우 변, 복조에 사용되는 코드의 상승시간(rise time) 및 하강시간(fall time)이 증가한다.
또한 복잡한 형태의 전투기 표적의 경우 다중 반사에 의해 도플러 주파수가 넓게 퍼진다^[4]. 상대속도 1 m/s인 경우의 도플러 주파수가 약 30 ～ 60 Hz이므로 최대속도를 마하 6으로 하여, 최대 도플러주파수를 약 130 kHz로 설계하였다.
표적에 의해 반사된 수신신호는 신관센서와 표적과의 상대 속도에 의해 F_D 만큼의 도플러 편이가 일어나므로 주파수가 F₀+F_D로 변화되어 수신된다. 수신신호로부터 도플러 주파수를 검출하기 위해 송신단의 F₀를 분기하여 수신단 첫 번째 혼합기(mixer)의 국부(local)신호로 사용하여 수신신호와 혼합한다. 혼합기출력 신호는 상관기(correlator)에서 거리별로 지연된 여러 개의 송신코드와 상관을 취하여 상관코드와 도플러 신호가 혼합된 형태의 신호로 변환된다.
신관센서의 목표 성능을 확인하기 위해서는 실제로 이동 중인 항공기를 대상으로 시험해야 하나 이는 현실적으로 매우 힘들기 때문에 신관센서와 조우시의 포탄의 높이 및 각도를 변화시켜가며 155 mm 포탄을 발사하여 155 mm 탄 표적을 탐지하고 방향을 구별하는 동적기능시험으로 그 성능을 확인하였다^[9]. 동적기능시험은 Fig.
신관센서의 송수신기는 원하는 거리를 벗어난 원치 않는 신호를 억제하고 송수신 안테나간의 커플링(coupling)에 의해 수신감도가 떨어지지 않도록 하기 위해, 반송파를 BPSK 변조하여 송수신하고 코드상관에 의한 코드상관 계수를 포함하는 도플러 신호를 추출하도록 설계하였다. 또한 원주방향으로의 방향 구분을 위해, 동시에 3개의 송신신호를 출력하도록 송신부를 설계하였고, 6개의 수신 입력을 스위칭하는 방법으로 크기를 축소하여 수신부를 3채널로 설계하였다.
본 논문에서는 중거리 지대공 유도무기인 천궁에 탑재된 방향 탐지용 전파형 대공 신관센서의 송수신기 설계 방법을 기술하였다. 신관센서의 표적 탐지와 방향 구분은 코드상관방식의 도플러 신호처리를 통해 이루어지며, 따라서 BPSK 변조 신호를 생성하도록 송신부를 설계하고, 수신안테나를 선택하고 하향주파수 변환을 통해 도플러 신호가 실린 수신 지연코드를 출력하도록 수신부를 설계하였다. 제작된 송수신기는 전기적 시험, ESS 시험 결과 설계 요규 규격을 모두 만족하였고, 조우모의시험 및 동적기능시험을 통해 그 성능이 입증되었다.
5, 이격거리가 약 10 m 이내인 항공기 표적을 탐지하며 원주방향에서 30° 이내로 표적을 구분하는 것을 목표로 한다. 이를 위해, 최대 탐지 거리 내에 있는 표적과의 상대속도에 따른 도플러 신호를 추출하는 방식으로 표적탐지를 하게 되며, 방향 구분은 인접 3개 수신안테나의 수신전력을 비교한다.
제작된 BPSK 송수신기를 탑재한 방향 탐지용 전파형 근접 신관센서와 조우시험장치^[8]를 이용해 Fig. 15와 같이 표적(14인치 표준구)의 높이와 방향 등을 바꿔가며 신호를 수집하여 탐지 가능 거리 및 방향 구분 특성을 확인하였다.

데이터처리

신관센서와 조우시험장치를 사용하여 수집된 데이터는 MATLAB을 이용하여 분석하였다. 이격거리 2 m, RX1 안테나 방향의 14" 표준구에 대한 수집 신호를 Fig.

성능/효과

13(a)로부터 BPSK 변조에 따라 스펙트럼이 정상적으로 확산(50 MHz null)되고 있음을 알 수 있고, power meter로 측정한 송신출력은 22 dBm 이상이며, Fig. 13(b), (c)로부터 수신부의 잡음지수는 약 4 dB, 이득은 25 dB를 나타내고, 시스템 지연은 측정에 포함된 케이블 지연(19 ns)을 제외하면 약 8.8 ns로 송수신기의 전기적 특성이 요구 규격을 모두 만족함을 알 수 있다.
따라서 수신부의 잡음 대역폭을 예측된 도플러 대역인 130 kHz로하고, 잡음지수를 약 4 dB로 설계하여 약-118 dBm의 noise floor를 얻었다. 이는 송신출력이 20 dBm이고 송수신안테나의 이득이 10 dB인 경우, 0.
신관센서의 표적 탐지와 방향 구분은 코드상관방식의 도플러 신호처리를 통해 이루어지며, 따라서 BPSK 변조 신호를 생성하도록 송신부를 설계하고, 수신안테나를 선택하고 하향주파수 변환을 통해 도플러 신호가 실린 수신 지연코드를 출력하도록 수신부를 설계하였다. 제작된 송수신기는 전기적 시험, ESS 시험 결과 설계 요규 규격을 모두 만족하였고, 조우모의시험 및 동적기능시험을 통해 그 성능이 입증되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도무기 시스템에서 탄도 기폭을 위해 필요한 것은?	유도무기 시스템은 탄두를 기폭시키기 위해 근접 신관을 필요로 한다. 대공 미사일 탄두의 효과적인 기능을 이끌어내는 신관의 정확한 작동은 표적과의 성공적인 교전에 결정적이다[1].
	상관코드의 폭 별 수신신호를 어떻게 명명하였는가?	1의 주요 부분의 신호파형으로 설명한다. 편의상 코드 폭은 도플러 주파수의 2주기로 가정 하였고, 코드 폭의 1/2만큼 지연되어 수신되는 수신신호를 “수신 RF(근거리)”라 하고, 1 코드 폭 만큼 지연되어 수신되는 수신신호는 “수신 RF(중거리)”라 하였으며, 3/2 코드 폭 만큼 지연되어 수신되는 수신신호는 “수신 RF(원거리)”라 하였다.
	원하는 거리를 벗어난 원치 않는 신호를 억제하고 송수신 안테나간의 커플링에 의해 수신감도가 떨어지지 않도록 하기 위해 신관센서의 송수신기는 어떻게 설계할 수 있는가?	신관센서의 송수신기는 원하는 거리를 벗어난 원치 않는 신호를 억제하고 송수신 안테나간의 커플링(coupling)에 의해 수신감도가 떨어지지 않도록 하기 위해, 반송파를 BPSK 변조하여 송수신하고 코드상관에 의한 코드상관 계수를 포함하는 도플러 신호를 추출하도록 설계하였다. 또한 원주방향으로의 방향 구분을 위해, 동시에 3개의 송신신호를 출력하도록 송신부를 설계하였고, 6개의 수신 입력을 스위칭하는 방법으로 크기를 축소하여 수신부를 3채널로 설계하였다.

참고문헌 (9)

Andrew Burdon, James Mountford and Adrian Garrod, "An Air Target Engagement Simulation for Radar Proximity Fuze Development and Performance Assessment", IEE Colloquium on Radar System Modelling(Ref No. 1998/459), pp. 3/1-3/7, 1998.
Michael D. Pollman, Peter Katzin, Brian Bedard, Vladimir Aparin, Wes Grammer, Robert Orgusaar, "A MMIC Radar Chip for Use in Air-to-air Missile Fuzing Applications", IEEE 1996 Microwave and Millimeter-Wave Monolithic Circuits Symposium, pp. 185-188.
George W. Stimson, "Introduction to Airborne Radar", 2nd Edition, SciTECH Publishing, INC., 1998.
이석우, 최재현, 정종철, "표적위치식별 신관센서 조우모의시험 결과", 국방과학연구소, 연구보고서, TEDC-519-030770, 2003.
M. I. Skolnik, "Radar Handbook", 2nd Edition, Ch10.24-10.25, McGraw-Hill, 1990.
Churchill, F. E., "Effect of Unequal Rise and Fall Times on the Autocorrelation Function of a PN Sequence", Electronics Letters 25th October 1990, Vol. 26, No. 22

상세보기
최재현, 정명숙, 이석우, 안지연, "철매-II 신관센서 송수신장치 최종시제 설계/제작", 국방과학연구소, 연구보고서, ADDR-519-110575, 2011.
최재현, 이석우, 정명숙, 안지연, "철매-II 신관센서 조우시험장치 설계", 국방과학연구소, 연구보고서, ADDR-519-110841, 2011.
최재현, 이석우, 정명숙, 안지연, 안근옥, 김완주, "철매-II 신관센서 동적기능시험 결과", 국방과학연구소, 연구보고서, ADDR-519-110691, 2011.

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표제어: PCR

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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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