[논문]복소 EMD를 이용한 미약한 JEM의 관측 범위에서 JEM 성분의 추출

박지훈; 양우용; 배준우; 강성철; 김찬홍; 명로훈

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.6.700

초록
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제트엔진 변조(Jet Engine Modulation: JEM)는 회전하는 제트엔진 터빈으로부터의 전자기 산란에 따른 레이더 신호의 주파수 변조 현상이다. JEM은 표적의 고유한 정보를 제공하여 대표적인 레이더 표적 인식 수단으로 활용되나, JEM 성분이 미약하게 존재하는 레이더 관측 범위에서는 JEM에 의한 레이더 표적 인식 성능이 저하될 수 있다. 이에 본 논문에서는 복소 신호의 경험적인 모드분리법(Complex Empirical Mode Decomposition: CEMD)를 이용하여 레이더 신호를 여러 기본성분인 고유 모드 함수(Intrinsic Mode Function: IMF)로 분리하고, 신호의 이심률을 기반으로 이들 IMF를 조합하는 근거를 제공하여 JEM 성분을 추출하는 기법을 제시한다. 다양한 신호에 대한 적용 결과를 통하여 제안된 기법이 JEM의 명확성을 개선하는 한편, JEM 해석의 유효 관측 범위를 확장시킬 수 있음을 입증하였다.

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Jet engine modulation(JEM) is a frequency modulation phenomenon of the radar signal induced by electromagnetic scattering from a rotating jet engine turbine. Although JEM can be used as a representative radar target recognition method by providing unique information on the target, its recognition pe...

Jet engine modulation(JEM) is a frequency modulation phenomenon of the radar signal induced by electromagnetic scattering from a rotating jet engine turbine. Although JEM can be used as a representative radar target recognition method by providing unique information on the target, its recognition performance may be degraded in the observation range of weakly present JEM. Hence, this paper presents a method for extracting the JEM component by decomposing the radar signal into intrisic mode functions(IMFs) via complex empirical mode decomposition(CEMD) and by combining them based on signal eccentricity. Its application to various signals demonstrated that the proposed method improved the clarity of JEM analysis and could extend the effective observation range of JEM.

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문제 정의

본 논문은 JEM이 미약하게 존재하는 관측 범위에서 JEM 성분을 효과적으로 추출하기 위한 기법을 제시하였다. JEM의 관측가능 범위는 통상 제트엔진 터빈의 회전축을 기준으로 60° 내외로 알려져 있어, 그 이후의 범위에 대해서는 JEM 성분이 포착되지 않거나 미약하게 존재하게 된다.
이에 본 논문에서는 미약한 JEM 성분을 추출하기 위해 원 신호를 여러 단위성분들로 분리하고, 최소의 ε값을 갖도록 이들 단위성분들을 조합하는 방식으로 JEM 성분을 복원한다.

가설 설정

CEMD는 기본성분 IMF를 산출하기 위해 신호성분의 회전양상을 중요한 근거로 삼으며, 모든 복소 신호는 여러 회전성분들의 조합으로 구성되어 있음을 가정한다. 또한, IMF의 추출순서는 신호의 회전속도와 밀접한 연관을 갖는다.
그러나 여기서는 JEM이 미약하게 관측되는 범위에서 JEM 성분의 최대 진폭이 body 성분의 진폭에 비해 —15 dB 이상 작은 상황을 가정한다.

제안 방법

이를 통해 미약한 JEM의 관측 범위에서도 JEM에 의한 표적 인식이 유효함을 입증한다. Ⅱ절에서는 미약한 JEM 성분의 정의 및 추출기법을 다루며, Ⅲ절에서는 시뮬레이션 및 측정 신호를 이용하여 제안된 기법의 성능을 시험한다. Ⅵ절에서는 본 논문의 결론을 맺는다.
세부적인 정보표시를 위해 유효숫자를 늘렸으며, 비주기 body 성분이 차지하는 비율을 보이기 위해 신호 자체의 이심률 ε을 표시하였다.
를 이용한다. 시뮬레이션 변수는 레이더 주파수 10 GHz, PRF 80 kHz, 관측시간 20 ms이며, 제트엔진 자체의 움직임은 없는 상태에서 터빈을 6,000 RPM로 회전시켰다. 또한, 레이더 신호의 관측(입사)각은 10°에서 90°까지 10° 간격으로 부여하였다.
그러나 여기서는 JEM이 미약하게 관측되는 범위에서 JEM 성분의 최대 진폭이 body 성분의 진폭에 비해 —15 dB 이상 작은 상황을 가정한다. 이에 본 논문에서는 복소 신호의 경험적인 모드분리법(Com- plex Empirical Mode Decomposition: CEMD)^[5]을 통해 레이더 수신 신호를 여러 고유 모드 함수(Intrinsic Mode Function: IMF)로 분리하는 한편, 복소 신호의 이심률(eccentricity) 개념^[6]을 기반으로 JEM의 기여도가 가장 높은 IMF의 조합을 찾아냄으로써 JEM 성분을 복원한다. 이를 통해 미약한 JEM의 관측 범위에서도 JEM에 의한 표적 인식이 유효함을 입증한다.
JEM의 관측가능 범위는 통상 제트엔진 터빈의 회전축을 기준으로 60° 내외로 알려져 있어, 그 이후의 범위에 대해서는 JEM 성분이 포착되지 않거나 미약하게 존재하게 된다. 후자의 경우에 대하여 본 논문에서는 CEMD를 이용해 신호를 IMF로 분리하고, 복소 신호의 이심률 개념을 기반으로 IMF를 조합하여 JEM 성분을 추출 및 복원하였다. 다양한 신호를 이용한 검증 결과는 제안된 기법이 JEM의 표적 인식 성능을 제고할 수 있음을 입증하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 그림 1과 같은 제트엔진 CAD 모델 및 여러 관측각도에 대하여, 광선밀도(ray density)가 λ/10인 SBR(Shooting and Bouncing Rays) 전자기 시뮬레이션을 수행하여 얻은 시뮬레이션 신호[2]를 이용한다.
제안된 추출기법의 적용 가능성을 확인하기 위해 실험적으로 제작된 제트엔진 모델로부터 측정된 신호[2]를 이용하였다. 측정 변수는 레이더 주파수 10 GHz, PRF 1.
제안된 추출기법의 적용 가능성을 확인하기 위해 실험적으로 제작된 제트엔진 모델로부터 측정된 신호[2]를 이용하였다. 측정 변수는 레이더 주파수 10 GHz, PRF 1.8 kHz이며, 관측시간 2초에 해당하는 3,600개의 샘플을 이용하였다. 레이더 신호의 관측각은 10°에서 60°까지 10°간격으로 주었고, 제트엔진이 실험적으로 제작되었다는 점을 고려하여 회전속도는 비교적 느린 60.
획득된 측정 신호를 검토한 결과, 제트엔진 모델의 측면에 가까운 관측각 60°에서 측정 신호의 JEM 성분이 미약해짐에 따라(ρ=—15.95 dB, M=0.9823), 이 신호를 추출기법의 적용대상으로 선정하였다.

이론/모형

본 절에서는 제트엔진 CAD 모델의 시뮬레이션 신호에 추출기법을 적용한다. 표 1로부터, JEM 성분이 측면 관측 각에 의해 크게 약화된 경우를 각각의 제트엔진 모델에 대하여 표 2와 같이 선정하였다.
이에 본 논문에서는 미약한 JEM 성분을 추출하기 위해 원 신호를 여러 단위성분들로 분리하고, 최소의 ε값을 갖도록 이들 단위성분들을 조합하는 방식으로 JEM 성분을 복원한다. 여러 가지 신호분리 기법들 중에서 본 논문에서는 입력된 신호에 따라 단위성분(기저함수)을 적응적으로 산출하는(data-driven) CEMD를 채택한다.

성능/효과

추출 전의 자기상관도는 높은 body 성분의 비중에 의해 전체 자기상관도의 평균이 증대되어 JEM의 주기성이 미약하게 관측된다. 그러나 추출 후의 자기상관도는 앞서 검증된 바와 같이 JEM 특유의 주기성을 뚜렷하게 보여주며, 첨두치의 시간 간격을 이용하여 1회전 주기, 1단 날개개수 17개와 같은 표적 인식에 유용한 정보를 산출할 수 있다. 이상의 시뮬레이션 및 측정 신호로의 시험적용을 통해 JEM 성분이 미약한 관측 범위에서도 유효한 JEM 성분의 추출 및 명료한 해석이 가능함을 보였다.
후자의 경우에 대하여 본 논문에서는 CEMD를 이용해 신호를 IMF로 분리하고, 복소 신호의 이심률 개념을 기반으로 IMF를 조합하여 JEM 성분을 추출 및 복원하였다. 다양한 신호를 이용한 검증 결과는 제안된 기법이 JEM의 표적 인식 성능을 제고할 수 있음을 입증하였다. 본 논문에서 수행된 연구는 JEM 유효관측 범위를 확장시킬 수 있을 것으로 기대되며, 추후 10° 간격의 관측각도를 세분화하여 유효 관측 범위의 확장성에 대한 정량화를 수행할 필요가 있다.
성분분리 가능 영역을 나타내는 검정색 부분으로부터, CEMD가 충분히 큰 주파수 거리에 대해 타 성분보다 —20 dB 가량 낮은 진폭을 갖는 미세성분도 분리할 수 있다는 것을 알 수 있다.
그러나 추출 후의 자기상관도는 앞서 검증된 바와 같이 JEM 특유의 주기성을 뚜렷하게 보여주며, 첨두치의 시간 간격을 이용하여 1회전 주기, 1단 날개개수 17개와 같은 표적 인식에 유용한 정보를 산출할 수 있다. 이상의 시뮬레이션 및 측정 신호로의 시험적용을 통해 JEM 성분이 미약한 관측 범위에서도 유효한 JEM 성분의 추출 및 명료한 해석이 가능함을 보였다.

후속연구

본 논문에서 수행된 연구는 JEM 유효관측 범위를 확장시킬 수 있을 것으로 기대되며, 추후 10° 간격의 관측각도를 세분화하여 유효 관측 범위의 확장성에 대한 정량화를 수행할 필요가 있다. 또한, JEM 성분이 항공기의 구조에 의해 약화되는 경우 및 CEMD기법의 백색잡음 취약성을 보완하기 위한 연구가 필요하다.
본 논문에서 수행된 연구는 JEM 유효관측 범위를 확장시킬 수 있을 것으로 기대되며, 추후 10° 간격의 관측각도를 세분화하여 유효 관측 범위의 확장성에 대한 정량화를 수행할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	JEM의 특성으로 인해 무엇이 가능한가?	제트엔진 변조(Jet Engine Modulation: JEM)란 레이더 신호가 항공기 표적에 장착되어 회전하는 제트엔진 터빈으로부터 산란되어 레이더 신호의 주파수 및 위상에 변조를 일으키는 현상으로서, 도플러 주파수가 시간에 따라 변화하는 마이크로 도플러의 특성을 갖는다[1],[2]. 이러한 JEM의 특성에는 제트엔진의 구조 및 회전정보가 반영되므로, 이를 통해 회전속도, 날개개수와 같은 항공기에 탑재된 제트엔진의 고유한 정보를 획득할 수 있다. 따라서 JEM은 레이더 영상이나 거리 측면도(range profile)와 같은 타 수단을 보완하는 동시에 대표적인 레이더 표적인식의 수단으로 활용된다.
	JEM에 의한 표적 인식 성능이 저하되는 이유는?	이는 제트엔진 터빈 날개(blade)가 제트엔진의 외벽에 둘러싸인 채 흡입구(intake)의 내부에 위치하기 때문이다. (X-band 기준 10 λ 이내) 관측각(회전축과 레이더 LOS가 이루는 각도)에 따른 JEM의 강도는 외벽의 깊이, 흡입구의 직경, 회전날개의 휘어짐 정도(skewness)등에 따라 달라질 수 있다. 그러나 일반적으로 관측각이 60°보다 커지면 레이더 신호가 제트엔진의 구조에 의해 일부 차단되어 터빈날개의 움직임을 포착하기 어려우므로, JEM 성분은 제트엔진 몸체의 산란성분(이하 body 성분)에 비해 매우 약화된다. 따라서 제트엔진을 장착한 항공기가 이러한 레이더의 관측 범위 내에 위치하면 JEM에 의한 표적 인식 성능이 저하될 우려가 있다.
	제트엔진 변조란?	제트엔진 변조(Jet Engine Modulation: JEM)란 레이더 신호가 항공기 표적에 장착되어 회전하는 제트엔진 터빈으로부터 산란되어 레이더 신호의 주파수 및 위상에 변조를 일으키는 현상으로서, 도플러 주파수가 시간에 따라 변화하는 마이크로 도플러의 특성을 갖는다[1],[2]. 이러한 JEM의 특성에는 제트엔진의 구조 및 회전정보가 반영되므로, 이를 통해 회전속도, 날개개수와 같은 항공기에 탑재된 제트엔진의 고유한 정보를 획득할 수 있다.

참고문헌 (8)

M. R. Bell, R. A. Grubbs, "JEM modeling and measurement for radar target identification", IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. 29, no. 1, pp. 73-87, Jan. 1993.

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H. Lim, J. H. Park, J. H. Yoo, C. H. Kim, K. I. Kwon, and N. H. Myung, "Joint time-frequency analysis of radar micro-Doppler signatures from aircraft engine models", J. of Electromagn. Waves and Appl., vol. 25, pp. 1069-1080, 2011.

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T. Thayaparan, S. Abrol, E. Riseborough, L. Stankovic, D. Lamothe, and G. Duff, "Analysis of radar micro-Doppler signatures from experimental helicopter and human data", IET Radar Sonar Navig., vol. 1, no. 4, pp. 289- 299, Aug. 2007.

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J. H. Park, H. Lim, and N. H. Myung, "Analysis of jet engine modulation effect with extended Hilbert-Huang transform", IET Electron. Lett., vol. 49, no. 1, pp. 215- 216, Jan. 2013.

상세보기
G. Rilling, P. Flandrin, P. Goncalves, and J. Lilly, "Bivariate empirical mode decomposition", IEEE Signal Process. Lett., vol. 14, pp. 936-939, Dec. 2007.

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A. Ahrabian, N. Rehman, and D. Mandic, "Bivariate empirical mode decomposition for unbalanced real-world signals", IEEE Signal Process. Lett., vol. 20, pp. 245- 248, Mar. 2013.

상세보기
Q. Zhang, T. S. Yeo, H. S. Tan and Y. Luo, "Imaging of a moving target with rotating parts based on the Hough transform", IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 46, pp. 291-299, Jan. 2008.

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G. Rilling, P. Flandrin, "One or two frequencies? The empirical mode decomposition answers", IEEE Trans. Signal Process,. vol. 56, pp. 85-95, Jan. 2008.

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