[논문]순차적 샘플링 방식을 이용한 가상 잡음 레이더 개념 증명

김지훈

doi:10.5515/kjkiees.2015.26.6.546

순차적 샘플링 방식을 이용한 가상 잡음 레이더 개념 증명
Proof-of-Concept Research on Pseudo-Random Noise Radar Using Sequential Sampling Method 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.26 no.6, 2015년, pp.546 - 554

초록
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초 광대역 레이더는 숨겨진 물체를 찾는데 많은 장점을 가지고 있기 때문에, 지표 투과 레이더나 수풀 투과 레이더와 같은 투과레이더에 널리 이용되고 있다. 초 광대역 레이더의 종류 중에 하나인 잡음 레이더는 간섭 환경에 강한 특성을 가지고 있다. 그러나 일반적인 잡음레이더는 고속의 아날로그 디지털 변환기가 필요하여 광대역 레이더로 제작하는데 어려움이 있다. 본 논문에서는 간섭에 강한 특징을 가지면서 고속의 아날로그 디지털 변환기가 필요하지 않은 가상 잡음 레이더 시스템이 연구되었다. 또한, 초 광대역 시스템이 저주파에서 구현되었고, 이는 실험으로 성능이 검증되었으며, 제안된 가상잡음 레이더 시스템의 개념도 증명되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ultra-wideband(UWB) radar is widely used in many penetration radar applications, such as ground-penetrating radar and foliage-penetrating radar, because it has many advantages in detecting concealed objects. One type of UWB radar system is random noise radar, which many be robust to jamming environment. However conventional random noise radar requires high-speed analog-to-digital convertor(ADC) for matched filtering. In this thesis, a pseudo-random noise radar system that maintains anti-jamming characteristics but does not require high-speed ADC is researched. and The UWB system is implemented in a low frequency system, and its performance has been demonstrated by experiment, which proves the concept of the proposed pseudo-random noise radar system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 간섭에 강한 특징을 가지면서 고속의 아날로그 디지털 변환기가 필요하지 않은 가상 잡음 레이더 시스템이 연구되었다.

가설 설정

마지막으로 실제 신호를 이용한 목표물 탐지 시뮬레이션과 구현된 송신부 출력을 이용한 목표물 탐지 결과이다. 앞에서와 같이 목표물을 약 4 km(13.3 μs) 지점에 있다고 가정하고 시뮬레이션을 하였다. 오실로스코프 상에서 얻은 데이터는 허수부가 없고 실수부만 존재하기 때문에, 시뮬레이션 상에서도 실수부 만을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다.

제안 방법

신호원을 일반적으로 많이 사용하는 신호원이 아닌 잡음 신호원을 사용하였고, 저속의 아날로그 디지털 변환기로도 광대역 신호의 샘플링이 가능하도록 순차적 샘플링 방법을 적용하였다. 또한, 순차적 샘플링 방법이 적용 가능하도록 일반 잡음 신호가 아닌 반복적으로 생성 가능한 가상잡음 신호를 사용하였다. 메트랩으로 구현된 내용을 바탕으로 저주파에서 송신부를 실제 구현하여 테스트하였다.
디지털 신호는 안테나에서 방사하기 적합하지 않기 때문에, 디지털 아날로그 컨버터를 사용하여 신호를 변환해 주어야 한다^[10]. 본 논문에서는 디지털 아날로그 컨버터가 아닌 변조회로를 구성하여 안테나에 방사하기 적합한 신호로 변환하였다.
본 논문에서는 최근 지표 투과나 벽 투과 레이더 등에 널리 사용되는 초 광대역 레이더를 새로운 개념으로 접근하였다. 신호원을 일반적으로 많이 사용하는 신호원이 아닌 잡음 신호원을 사용하였고, 저속의 아날로그 디지털 변환기로도 광대역 신호의 샘플링이 가능하도록 순차적 샘플링 방법을 적용하였다.
본 장에서는 2장에서 메트랩을 이용하여 시뮬레이션한 연구내용을 바탕으로 저주파에서 송신부를 구현하였다. 그림 12는 본 실험의 구성도이다.
본 논문에서는 최근 지표 투과나 벽 투과 레이더 등에 널리 사용되는 초 광대역 레이더를 새로운 개념으로 접근하였다. 신호원을 일반적으로 많이 사용하는 신호원이 아닌 잡음 신호원을 사용하였고, 저속의 아날로그 디지털 변환기로도 광대역 신호의 샘플링이 가능하도록 순차적 샘플링 방법을 적용하였다. 또한, 순차적 샘플링 방법이 적용 가능하도록 일반 잡음 신호가 아닌 반복적으로 생성 가능한 가상잡음 신호를 사용하였다.
그림 12는 본 실험의 구성도이다. 저주파에서의 실험이기 때문에 실제 목표물을 위치시키지 않고, 변조회로를 통과하여 생성된 신호를 오실로스코프에서 저장하여 메트랩을 통해 가상 목표물을 설정하여 실험하였고, 실제 신호와 구성된 송신부 신호를 비교하였으며, 실제 송신부 신호를 샘플로 순차적 샘플링을 메트랩 상에서 구현하였다.
첫 번째 데이터를 샘플링한 후 딜레이를 301 스탭준 뒤 두 번째는 301번째, 세 번째는 302번째 데이터를 샘플링하였다. 즉, 300개의 데이터를 300번에 걸쳐서 샘플링한 후, 데이터를 합산하여 순차적 샘플링을 구현하였다. 그림에서 볼 수 있듯이, 일반 샘플링과 순차적 샘플링의 결과가 동일한 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 송신부만 구현을 하였기 때문에 순차적 샘플링은 직접 구현을 할 수 없었다. 하지만 송신부에서 출력된 신호를 가지고, 일반샘플링과 메트랩으로 구현된 순차적 샘플링을 비교하였다.

대상 데이터

300개의 스탭으로 나누어서 진행한 이유는 오실로스코프에서 데이터로 저장 가능한 스탭이 총 300개였기 때문이다. 첫 번째 데이터를 샘플링한 후 딜레이를 301 스탭준 뒤 두 번째는 301번째, 세 번째는 302번째 데이터를 샘플링하였다. 즉, 300개의 데이터를 300번에 걸쳐서 샘플링한 후, 데이터를 합산하여 순차적 샘플링을 구현하였다.

성능/효과

잡음 신호원의 장점인 신호에 대한 기만(도청)특성은 유지되었기에 군사용으로 널리 사용가능 할 것으로 판단된다. 또한, 저속, 저가의 샘플러가 사용 가능하므로, 더 넓은 대역폭을 이용하여 분해능을 올리는 것에도 유리하다.
메트랩으로 구현된 내용을 바탕으로 저주파에서 송신부를 실제 구현하여 테스트하였다. 실제 테스트 결과, 분해능은 일반레이더보다 좋진 않았지만, 이는 고주파에서 더 넓은 대역폭을 사용하면 문제가 되지 않을 것으로 판단된다. 잡음 신호원의 장점인 신호에 대한 기만(도청)특성은 유지되었기에 군사용으로 널리 사용가능 할 것으로 판단된다.

후속연구

실제 테스트 결과, 분해능은 일반레이더보다 좋진 않았지만, 이는 고주파에서 더 넓은 대역폭을 사용하면 문제가 되지 않을 것으로 판단된다. 잡음 신호원의 장점인 신호에 대한 기만(도청)특성은 유지되었기에 군사용으로 널리 사용가능 할 것으로 판단된다. 또한, 저속, 저가의 샘플러가 사용 가능하므로, 더 넓은 대역폭을 이용하여 분해능을 올리는 것에도 유리하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	순차적 샘플링 방법은 무엇인가?	순차적 샘플링 방법은 시간 지연을 이용하여 저속의 아날로그-디지털 변환기로 고속의 아날로그-디지털 변환기의 효과를 낼 수 있는 방법이다.
	초 광대역 레이더가 숨겨진 물체를 찾는 지표 투과 레이더나 수풀 투과 레이더, 벽 투과와 같은 투과 레이더에서 널리 이용 될 수 있는 이유는 무엇인가?	초 광대역 레이더는 넓은 대역폭(UWB: Ultra Wide Band)을 사용하여 뛰어난 분해능(resolution)을 가지고 있기 때문에, 숨겨진 물체를 찾는 지표 투과 레이더나 수풀 투과 레이더, 벽 투과와 같은 투과 레이더에서 널리 이용 되고 있다[1]～[5]. 일반적인 초 광대역 레이더는 임펄스 신호원이나, 첩(chirp) 신호원와 같은 주파수 축에서 넓은 대역폭을 가지는 신호 즉, 시간 축에 짧은 신호를 사용한다[6].
	잡음 신호원을 사용하는 초 광대역 레이더가 대역폭의 신호를 한 번에 샘플링할 수 있는 고속의 아날로그 디지털 변환기가 필요한 이유는 무엇인가?	특별하게 잡음 신호원을 사용하는 초 광대역 레이더의 경우 신호 특성상 넓은 대역폭을 가지면서 다른 신호의 간섭에 강한 특성을 가지게 된다[7]. 하지만, 보통의 잡음 신호원은 일반적인 신호원과는 달리 잡음 신호원을 똑같이 반복적으로 생성해 내는 것이 불가능하다. 이러한 특성 때문에 잡음 신호원을 사용하는 초 광대역 레이더의 경우, 넓은 대역폭의 신호를 한 번에 샘플링할 수 있는 고속의 아날로그 디지털 변환기가 필요하다.

참고문헌 (13)

M. Ressler, L. Nguyen, F. Koenig, D. Wong, and G. Smith, "The army research laboratory synchronous impulse reconstruction forward-looking radar", Proc. SPIE, vol. 6561, 2007.
Daeman Kim, "Design of a resistive slot antenna for ultra-wideband ground-penetrating radar", GIST, 2010.
Nam-Koong, UP, "The study on high accurate calibration method for pulse compression radar", GIST, 2010.
Jihoon Kim, Woong Kang, and Kangwook Kim, "The resistive dipole antenna excited by an impulse generator for ultra-wideband radar applications", APS, 2010.
Jihyuk Cho, "Design of vivaldi antenna array and experimental performance verification for vehicular UWB forward looking radar", GIST, 2009.
Merrill Skolnik, Radar Handbook, 3rd ed., McGrawHill, 2008.
T. Thayaoaran, C. Wernik, "Noise radar technology basics", Defence Research and Develop Canada, 2006.
Bassem R. Mahafza, Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB, 2nd ed., Champman & Hall/CRC, 2005.
Kevin Roebuck, GPS-Global Positioning System, Emereo Publishing, 2012.
M. Ghavami, L. B. Michael, and R. Kohno, Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering, 2nd ed.. Wiley & Sons, Inc., 2007.
David M. Pozar, Microwave Engineering, 3rd ed., John Wiley & Sons, Inc., 2005.
George L. Matthaei, Leo young, and E. M. T. Jones, Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures, McGrawHill, 1980.
Randall W. Rhea, HF Filter Design and Computer Simulation, Noble Publishing Atlanta, 1994.

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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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