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문제 정의
- 본 논문에서는 능동 위상 배열 레이더의 아날로그 및 디지털 채널을 동시에 구현한 혼합형 부배열 채널 구조를 제시하였다. 또한, 아날로그 채널과 디지털 부배열 채널의 오차를 보정할 수 있는 채널 보정 방법을 제안하였다.
제안 방법
- 적응 빔 형성 시험을 위한 잡음 재머 신호가 1차 부엽에 위치하도록 별도의 혼 안테나를 구성하였다. AESA 시연기 안테나로 수신되는 지상 반사 신호를 최소화하기 boresight 고각을 5도로 설정하였다. 표 3의 시나리오 설정 항목에 따라 계산된 표적 신호 레벨을 모사하도록 RF 송수신 경로 레벨을 계산하여 모의 표적 장치에 적용하였다.
- 처리부 장치에서 4개 수신기 출력신호를 측정하고 보정값을 계산하여 적용하였다. SUM 채널을 기준 신호로 설정하고, 나머지 채널을 보정하였다. 보정에 사용한 보정값(calibration factor)은 식 (1)과 같다.
- 부배열 채널 신호로 형성된 디지털 모노펄스 채널은 별도로 구성된 아날로그 모노펄스 채널과 특성을 비교하였다. 각 수신 채널은 제안한 보정 방법을 통해 일정한 채널 특성을 유지하도록 보정하였다. 디지털 빔과 아날로그 빔을 이용하여 각각 모의표적에 대한 원전계 방사시험을 수행하였으며, 표적 탐지 추적시험 결과를 분석하였다.
- 그림 11과 같이 AESA 레이더 시연기를 제작하고, 모의표적장치를 연동하여 지상에서 원전계 시험을 수행하였다. 채널 보정후 아날로그 및 디지털 빔 형성 성능은 모의표적에 대한 탐지 및 추적 성능 시험을 통해 확인하였다.
- 각 수신 채널은 제안한 보정 방법을 통해 일정한 채널 특성을 유지하도록 보정하였다. 디지털 빔과 아날로그 빔을 이용하여 각각 모의표적에 대한 원전계 방사시험을 수행하였으며, 표적 탐지 추적시험 결과를 분석하였다.
- 본 논문에서는 능동 위상 배열 레이더의 아날로그 및 디지털 채널을 동시에 구현한 혼합형 부배열 채널 구조를 제시하였다. 또한, 아날로그 채널과 디지털 부배열 채널의 오차를 보정할 수 있는 채널 보정 방법을 제안하였다. 제작된 AESA 시연기에 계산된 채널 보정값을 적용하고, 모의표적을 이용한 실방사 원전계 시험을 수행하였다.
- 레이더 처리장치에서는 아날로그 채널 신호와 디지털 채널 신호를 선택하여 처리하도록 구성하였다. 아날로그 채널을 선택하면 신호처리기에서 적응 빔 형성 모듈을 거치지 않고 직접 펄스 압축을 수행한다.
- 안테나 면을 4등분(Q1, Q2, Q3, Q4)하여 각 사분면에서 4개의 출력 신호(A, B, C, D)를 만든다. 모노펄스 비교기는 A, B, C, D 입력 신호를 이용하여 4개의 모노펄스 채널 SUM, DEL_Az, DEL_El, SLB 신호를 생성한다. 아날로그 모노펄스 채널을 이용하면 단일 빔 (single beam) 형성만 가능하며, SLB(Sidelobe Blanking) 신호를 이용한 제한적인 재머 대응기능을 가질 수 있다.
- 아날로그 및 디지털 채널의 모노펄스 기울기 값을 계산하여 비교한 결과를 표 2에 정리하였다. 방위각에 따른 (DEL_Az/SUM)의 imaginary 값을 계산하였다. 빔폭 내 ±1도 범위에서 아날로그 채널과 디지털 채널값의 모노펄스 기울기 값을 비교할 때, 디지털 채널의 모노펄스 특성이 아날로그 모노펄스 특성과 거의 유사하게 보정되었음을 확인할 수 있다.
- 보정값 적용후 보정 효과를 확인하기 위해 특정 거리에 위치한 모의 표적 신호를 생성하여 부배열 채널로 입력하였다. 표적 신호를 이용하여 보정 전과 후의 채널 특성을 비교한 결과를 그림 10에 나타내었다.
- 배열 소자는 복사 소자와 TR 모듈(TRM)로 구성된다. 복사 소자는 X 대역에서 10 % 대역폭을 가지도록 설계하였다. TR 모듈은 복사 소자 중에서 500개에만 장착하였다.
- 본 논문에서는 디지털 채널 보정을 위해 그림 8과 같이 반복적인 random 보정값 생성 및 아날로그 채널 특성 비교에 의한 채널 보정값 계산방법을 제안하고 적용하였다.
- 본 논문에서는 아날로그 및 디지털 빔 형성을 수행할 수 있도록 그림 5와 같은 혼합형 부배열 구조를 설계하였다. 부배열 12개 채널은 디지털 빔 형성에 사용하고, 안테나 사분면에서 출력된 채널 신호는 아날로그 빔 형성에 사용하였다.
- 본 논문에서는 디지털 빔 형성을 위한 혼합형 12개 부배열 채널을 구성하였다. 부배열 채널 신호로 형성된 디지털 모노펄스 채널은 별도로 구성된 아날로그 모노펄스 채널과 특성을 비교하였다. 각 수신 채널은 제안한 보정 방법을 통해 일정한 채널 특성을 유지하도록 보정하였다.
- 부배열 채널의 성능을 분석하기 위해 능동 위상 배열(AESA) 레이더 시연기(demonstrator)를 설계하였다. 시연기의 기본 구성은 그림 3과 같으며, 수신 채널 경로만을 도시하였다.
- 우선 초기 채널 보정값을 유효 제한 범위 내에서 random search로 설정한다. 설정된 초기값을 적용하여 디지털 모노펄스 채널을 형성하고, 아날로그 채널로 형성된 데이터와 비교하여 측정한 디지털 수신 빔과 아날로그 수신 빔이 최대한 유사한지 확인한다. 또한, 적응 빔 형성시 표적 신호를 유지 여부를 보정 기준으로 판단한다.
- 아날로그 및 디지털 채널에 대한 모의 표적 탐지 및 추적시험 결과를 그림 14, 15에 각각 나타내었다. 시간에 따라 측정한 plot 데이터와 추적 데이터를 저장하여 도시하였다. 데이터의 붉은점은 plot 데이터이고, 파란점은 추적이 형성된 데이터를 의미한다.
- 표적 신호가 AESA 시연기의 주엽 boresight에 위치하도록 혼 안테나를 설치하였다. 적응 빔 형성 시험을 위한 잡음 재머 신호가 1차 부엽에 위치하도록 별도의 혼 안테나를 구성하였다. AESA 시연기 안테나로 수신되는 지상 반사 신호를 최소화하기 boresight 고각을 5도로 설정하였다.
- 또한, 아날로그 채널과 디지털 부배열 채널의 오차를 보정할 수 있는 채널 보정 방법을 제안하였다. 제작된 AESA 시연기에 계산된 채널 보정값을 적용하고, 모의표적을 이용한 실방사 원전계 시험을 수행하였다. 성능시험을 통해 기준 채널로 사용한 아날로그 채널과 비교하여 디지털 부배열 채널이 효과적으로 동작함을 확인하였다.
- 채널 보정을 위해 그림 6과 같이 송수신장치에서 CW(Continuous Wave) 신호를 생성하여 아날로그 4개 채널 수신기로 입력하였다. 처리부 장치에서 4개 수신기 출력신호를 측정하고 보정값을 계산하여 적용하였다.
- 그림 11과 같이 AESA 레이더 시연기를 제작하고, 모의표적장치를 연동하여 지상에서 원전계 시험을 수행하였다. 채널 보정후 아날로그 및 디지털 빔 형성 성능은 모의표적에 대한 탐지 및 추적 성능 시험을 통해 확인하였다.
- 채널 보정을 위해 그림 6과 같이 송수신장치에서 CW(Continuous Wave) 신호를 생성하여 아날로그 4개 채널 수신기로 입력하였다. 처리부 장치에서 4개 수신기 출력신호를 측정하고 보정값을 계산하여 적용하였다. SUM 채널을 기준 신호로 설정하고, 나머지 채널을 보정하였다.
- AESA 시연기 안테나로 수신되는 지상 반사 신호를 최소화하기 boresight 고각을 5도로 설정하였다. 표 3의 시나리오 설정 항목에 따라 계산된 표적 신호 레벨을 모사하도록 RF 송수신 경로 레벨을 계산하여 모의 표적 장치에 적용하였다.
- AE- SA 시연기와 표적 발생 혼 안테나 간 거리는 사용주파수에서 far-field 거리 이상으로 설정하였다. 표적 신호가 AESA 시연기의 주엽 boresight에 위치하도록 혼 안테나를 설치하였다. 적응 빔 형성 시험을 위한 잡음 재머 신호가 1차 부엽에 위치하도록 별도의 혼 안테나를 구성하였다.
대상 데이터
- 12개 부배열 채널 신호와 4개 아날로그 모노펄스 채널 신호를 수신하기 위한 16채널 수신기를 구성하였다. 수신기에 입력된 16개 신호는 하향 주파수 변환 및 AD 변환되어 레이더 처리장치로 전달된다.
- . 배열면의 전체 지름은 650 mm이다. 부배열 형상에 따라 각 80, 184, 240개로 구성하였다.
- 본 논문에서는 디지털 빔 형성을 위한 혼합형 12개 부배열 채널을 구성하였다. 부배열 채널 신호로 형성된 디지털 모노펄스 채널은 별도로 구성된 아날로그 모노펄스 채널과 특성을 비교하였다.
- 본 논문에서는 아날로그 및 디지털 빔 형성을 수행할 수 있도록 그림 5와 같은 혼합형 부배열 구조를 설계하였다. 부배열 12개 채널은 디지털 빔 형성에 사용하고, 안테나 사분면에서 출력된 채널 신호는 아날로그 빔 형성에 사용하였다.
- 배열면의 전체 지름은 650 mm이다. 부배열 형상에 따라 각 80, 184, 240개로 구성하였다.
- 설계된 AESA 레이더 시연기는 배열 소자 1,000개 급으로 구성되어 있다. 배열 소자는 복사 소자와 TR 모듈(TRM)로 구성된다.
이론/모형
- 디지털 부배열 채널에 의한 잡음 재밍 신호 대응 적응빔 형성 시험 결과를 그림 16에 나타내었다. 시연기에는 적응 빔 형성 계수 연산(weight calculation)을 위해 MVDR(Minimum Variance Distortionless Beamformer) 방식을 사용하였다.
성능/효과
- 첫째, 디지털 빔 형성시 필요한 다중 빔의 수 또는 대응이 필요한 재머의 개수를 고려해야 한다. 둘째, 부배열 채널 신호를 수신하는 다채널 수신기가 장착되는 공간, 무게 및 소모 전력도 제한사항이 된다. 셋째, 부배열 채널 신호를 처리 하는 처리장치의 계산능력이 충분한 지 확인해야 한다[1].
- 성능시험을 통해 기준 채널로 사용한 아날로그 채널과 비교하여 디지털 부배열 채널이 효과적으로 동작함을 확인하였다. 또한, 디지털 부배열 채널의 주요 기능인 적응 빔 형성 기능을 잡음 재밍 신호 환경 하에서 실제 시험을 수행하여 정상적으로 동작함을 시험으로 확인하였다.
- JNR, SNR 값을 고려할 떄 본 AESA 시연기의 재머 억압 능력은 약 20 dB 이상이다. 방위각 방향 거리 오차는 빔폭, 스캔 범위 및 탐지거리를 고려할 때 오차 범위 내에 존재함을 확인하였다.
- 빔폭 내 ±1도 범위에서 아날로그 채널과 디지털 채널값의 모노펄스 기울기 값을 비교할 때, 디지털 채널의 모노펄스 특성이 아날로그 모노펄스 특성과 거의 유사하게 보정되었음을 확인할 수 있다.
- 제작된 AESA 시연기에 계산된 채널 보정값을 적용하고, 모의표적을 이용한 실방사 원전계 시험을 수행하였다. 성능시험을 통해 기준 채널로 사용한 아날로그 채널과 비교하여 디지털 부배열 채널이 효과적으로 동작함을 확인하였다. 또한, 디지털 부배열 채널의 주요 기능인 적응 빔 형성 기능을 잡음 재밍 신호 환경 하에서 실제 시험을 수행하여 정상적으로 동작함을 시험으로 확인하였다.
- 일정 시간 경과후 1차 부엽에 해당하는 잡음 재밍 신호를 on하게 되면 표적신호가 잡음 신호에 의해 사라진다. 시연기를 디지털 채널로 전환시킨 후 적응 빔 형성 기능을 수행하게 되면, 부엽 잡음 신호 레벨이 낮아지면서 표적 신호가 나타나게 되어 추적이 재형성됨을 확인할 수 있다. JNR, SNR 값을 고려할 떄 본 AESA 시연기의 재머 억압 능력은 약 20 dB 이상이다.
- 방위각 방향 거리 오차는 디지털 채널에서 더 작게 측정되었으나, 빔폭 내에 존재하는 거리 오차 범위 내에 있어 성능에 영향을 주는 차이는 아니다. 시험 결과, 부배열 채널에 보정된 값을 적용한 디지털 모노펄스 빔이 정상적으로 형성되어 동작하고 있음을 확인할 수 있다.
- 수신기의 아날로그 채널 및 부배열 채널은 운용 주파수, 온도 및 시간에 따라 크기와 위상이 변화할 수 있다. 아날로그 채널로 사용하는 4개 채널간 크기와 위상 차이를 보정해 주어야 정확한 모노펄스 특성을 얻을 수 있다. 부배열 12개 채널도 상호 크기와 위상을 보정해 주어야 정확한 디지털 빔 형성이 가능하다.
- 측정한 탐지 및 추적 형성 거리는 설계값을 기준으로 정규화(normalization)하여 단위 없이 표시하였다. 제작한 AE- SA 시연기의 아날로그 채널로 측정한 표적 탐지 및 추적 형성 거리는 설계값의 90 % 정도 성능을 만족하고 있다. 디지털 채널로 측정한 탐지 및 추적 형성 거리는 아날로그 채널보다 감소하였으나, 거의 유사한 성능을 가짐을 볼 수 있다.
- 모노펄스 SUM 채널(a)에는 설정한 range bin(82)에 표적 신호가 존재하고, DEL_El(b), DEL_Az(c) 채널에는 표적 신호가 없음을 볼 수 있다. 표적 신호가 boresight에 위치하기 때문에 SUM 채널에만 표적 신호가 나타나고, DEL 채널에는 표적 신호가 없으므로 모노펄스 채널이 정상적으로 보정되어 동작함을 확인할 수 있다.
후속연구
- 제안한 디지털 부배열 채널 보정 방법은 기본적인 보정 효과는 있지만, 수많은 반복 측정을 통해 보정값을 계산해야 하기 때문에 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 향후 부배열 수신 채널간 오차를 발생시키는 IF 필터의주파수 응답에 의한 영향과 부배열 수에 따른 채널 보정효과에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.