모노 펄스 레이더는 단일 송신 신호를 이용해 목표물의 위치를 예측해 내는 레이더이다. 본 논문은 9.41GHz의 X밴드 대역 주파수를 이용하여 해양 환경에서 선박용 레이더에 사용 될 각도 추정 기술로써 위상 비교 모노펄스 알고리즘에 대한 연구를 수행하였다. 또한, 위상 비교 모노펄스 알고리즘을 이용하여 안테나 간격과 타겟의 위치에 따른 평균 제곱근 오차를 계산해 보았다. 이를 이용하여 선형 배열 안테나를 사용할 때와 비선형 배열 안테나를 사용할 때의 위상 비교 모노펄스 알고리즘 성능을 비교 하였다. 마지막으로 본 논문에서 제안한 위상 비교 모노펄스 알고리즘과 MUSIC, BARTLETT 알고리즘의 성능 차이를 분석해 보았다.
모노 펄스 레이더는 단일 송신 신호를 이용해 목표물의 위치를 예측해 내는 레이더이다. 본 논문은 9.41GHz의 X밴드 대역 주파수를 이용하여 해양 환경에서 선박용 레이더에 사용 될 각도 추정 기술로써 위상 비교 모노펄스 알고리즘에 대한 연구를 수행하였다. 또한, 위상 비교 모노펄스 알고리즘을 이용하여 안테나 간격과 타겟의 위치에 따른 평균 제곱근 오차를 계산해 보았다. 이를 이용하여 선형 배열 안테나를 사용할 때와 비선형 배열 안테나를 사용할 때의 위상 비교 모노펄스 알고리즘 성능을 비교 하였다. 마지막으로 본 논문에서 제안한 위상 비교 모노펄스 알고리즘과 MUSIC, BARTLETT 알고리즘의 성능 차이를 분석해 보았다.
Monopulse RADAR is the radar which detects the range of the target using a single transmitted signal. In this paper, using 9.41GHz X-band radar, the research for the phase comparison monopulse algorithm used in the marine environment is conducted. In addition, by applying the phase comparison monopu...
Monopulse RADAR is the radar which detects the range of the target using a single transmitted signal. In this paper, using 9.41GHz X-band radar, the research for the phase comparison monopulse algorithm used in the marine environment is conducted. In addition, by applying the phase comparison monopulse algorithm, we calculate the RMSE for the various antenna spacings and the positions of the target. Based on that result, we compare the performance of the phase comparison monopulse algorithm in the uniform linear array with that in the non-uniform linear array. Finally, the differences in performance among the MUSIC algorithm, Bartlett method and the proposed phase comparison monopulse algorithm are analyzed.
Monopulse RADAR is the radar which detects the range of the target using a single transmitted signal. In this paper, using 9.41GHz X-band radar, the research for the phase comparison monopulse algorithm used in the marine environment is conducted. In addition, by applying the phase comparison monopulse algorithm, we calculate the RMSE for the various antenna spacings and the positions of the target. Based on that result, we compare the performance of the phase comparison monopulse algorithm in the uniform linear array with that in the non-uniform linear array. Finally, the differences in performance among the MUSIC algorithm, Bartlett method and the proposed phase comparison monopulse algorithm are analyzed.
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문제 정의
본 논문에서는 안테나 간격과 배열에 따라 위상 비교 모노 펄스 알고리즘의 성능이 어떻게 달라지는지에 관하여 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 타겟의 위치가 정면에 가까울수록 즉, 도래각이 작을수록 안테나 간격이 넓을 때 더 잘 추정해 냄을 알 수 있었고, 도래각이 클수록 안테나 간격이 좁을 때 더 잘 추정해 냄을 알 수 있었다.
가설 설정
f 는 각도 추정에 사용한 신호의 중심 주파수를 의미하고, λ는 신호의 파장을 의미한다. 또한, 타겟과 안테나는 정지 상태임을 가정하였다. 기본적으로 모노 펄스 알고리즘은 4개의 안테나를 이용해서 앙각 및 방위각을 측정하는데, 본 논문에서는 해양 환경 상황에 맞춰 앙각을 고려하지 않고 방위각만을 고려하여 모의실험을 진행하였다.
그림 1에서 제 2 코사인 법칙을 이용하여 식(1)과 같은 식을 유도 할 수 있다. 본 논문에서는 안테나로 부터 타겟이 100m 만큼 떨어져 있는 상황을 가정하여 시뮬레이션을 하였는데, 안테나 간격은 cm단위이기 때문에 d ≪ R 이라는 가정을 할 수 있다. 앞의 가정에 의해서 #항을 무시하고 근사하면 식 (1)은 아래의 식(2)와 같이 유도할 수 있다.
제안 방법
모노펄스 시스템은 4개의 수신 안테나를 이용하여 모노펄스 비교기를 통해 방위각 방향과 앙각 방향의 합신호 및 차신호를 이용하여 타겟의 3차원적 위치를 추정하는 시스템이다.[4] 본 논문에서는 해양환경을 적용하여 앙각은 고려하지 않고, 방위각만을 고려하였다. 모노펄스는 크게 진폭 비교 모노 펄스와 위상 비교 모노 펄스로 나뉘는데, 진폭 비교 모노 펄스는 서로 다른 각도로 들어오는 수신 신호들의 세기를 비교하여 타겟의 각도를 추정하는 방식이고, 위상 비교 모노 펄스는 같은 세기로 들어오는 수신 신호들의 각도를 비교하여 타겟의 각도를 추정하는 방식이다.
모노펄스는 크게 진폭 비교 모노 펄스와 위상 비교 모노 펄스로 나뉘는데, 진폭 비교 모노 펄스는 서로 다른 각도로 들어오는 수신 신호들의 세기를 비교하여 타겟의 각도를 추정하는 방식이고, 위상 비교 모노 펄스는 같은 세기로 들어오는 수신 신호들의 각도를 비교하여 타겟의 각도를 추정하는 방식이다.[5]본 논문에서는 두 가지 모노펄스 알고리즘 중 위상 비교 모노펄스 알고리즘을 사용하여 안테나 간격에 따른 성능 분석을 수행하고, 그 결과를 바탕으로 좀 더 효율적인 비선형 안테나 배열을 제안하였다.
그림 2에서 볼 수 있듯이, 총 6가지의 안테나 간격(0.5λ, 1λ, 1.5λ, 2λ, 2.5λ, 3λ)에 대해 시뮬레이션을 진행하였다.
또한, 타겟과 안테나는 정지 상태임을 가정하였다. 기본적으로 모노 펄스 알고리즘은 4개의 안테나를 이용해서 앙각 및 방위각을 측정하는데, 본 논문에서는 해양 환경 상황에 맞춰 앙각을 고려하지 않고 방위각만을 고려하여 모의실험을 진행하였다.
두 번째로 진행한 모의실험은 앞선 모의실험의 결과를 활용하여 진행하였다. 안테나 배열을 조절하여 각도 추정 성능을 개선하기 위해 4개의 안테나를 사용하여 안테나 배열이 선형 배열일 때와 비선형 배열일 때의 성능 차이를 분석 해보았다.
모노펄스 알고리즘은 두 번째 실험에서 제안한 비선형 안테나 배열을 사용하여 안테나 4개의 간격을 각각 0.5λ, 1.5λ, 1.0λ 로 두었고, MUSIC 과 Bartlett 알고리즘은 둘 다 선형 안테나 배열을 이용하여 안테나 4개의 간격을 전부 1.0λ로 두었다.
본 논문에서는 크게 3가지의 모의실험을 진행하였는데, 세 가지 모의실험에서 사용한 변수들의 값은 표 1과 같다.
비선형 배열 안테나에서는 안테나의 간격을 각각 0.5λ, 1.5λ, 1λ로 두고 시뮬레이션을 하였다.
두 번째로 진행한 모의실험은 앞선 모의실험의 결과를 활용하여 진행하였다. 안테나 배열을 조절하여 각도 추정 성능을 개선하기 위해 4개의 안테나를 사용하여 안테나 배열이 선형 배열일 때와 비선형 배열일 때의 성능 차이를 분석 해보았다.
첫 번째로, 안테나 간격에 따른 각도 추정 성능 변화를 알아보기 위해 두 개의 안테나를 사용하여 안테나 간격에 따라서 평균 제곱근 오차가 어떻게 달라지는지를 분석해 보았다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 총 6가지의 안테나 간격(0.
데이터처리
마지막으로 진행한 모의실험에서는 두 번째 모의실험에서 제안한 비선형 안테나 배열을 이용한 위상 비교 모노펄스 알고리즘과 MUSIC 알고리즘 및 Bartlett 알고리즘의 성능을 분석하였다. 모노펄스 알고리즘은 두 번째 실험에서 제안한 비선형 안테나 배열을 사용하여 안테나 4개의 간격을 각각 0.
성능/효과
그림 5에서 나타나듯이, 목표물의 도래각이 0도에 가까울수록 모노펄스의 성능이 다른 알고리즘에 비하여 뛰어남을 알 수 있고, 목표물의 도래각이 –0.5도에서 0.5도 사이인 상황에서는 모노펄스 알고리즘이 다른 각도 추정 알고리즘들에 비해 성능이 우수함을 알 수 있다.
5도 사이인 상황에서는 모노펄스 알고리즘이 다른 각도 추정 알고리즘들에 비해 성능이 우수함을 알 수 있다. 또한 표 2에서 알 수 있듯이, 모노펄스 알고리즘이 각도 추정 계산 시간에 있어서 다른 두 알고리즘에 비해 월등히 뛰어남을 확인 할 수 있다.
이 결과를 활용해서 안테나 배열에 따른 위상 비교 모노펄스 알고리즘의 성능을 분석 해본 결과, 도래각이 ±5도 보다 큰 상황에서 선형 배열 안테나를 사용할 때 보다 비선형 안테나 배열을 사용했을 때, 좀 더 안테나를 효율적으로 사용하여 각도 추정 성능을 향상 시킬 수 있음을 확인 할 수 있다. 마지막으로 본 논문에서 제안한 비선형 안테나 배열을 사용한 위상 비교 모노펄스 알고리즘이 [-0.5, 0.5]도 구간의 도래각을 추정함에 있어서는 MUSIC, Bartlett 알고리즘과 비교했을 때, 정확도 및 계산속도 측면에서도 더 개선됨을 확인 할 수 있었다. 본 논문에서는 타겟이 정지 상태에 있고, 1개 밖에 존재하지 않는 상황을 가정하고 이뤄진 연구이기 때문에 상당히 제한 적인 측면이 있다.
모의실험 결과를 살펴보면, 도래각이 약 [–1, 1]도 정도 범위인 작은 각들에서는 2.5λ, 3λ와 같이 안테나 간격이 큰 상황에서 도래각을 좀 더 정확하게 추정하고, [-1, -5], [1, 5] 도 구간에서는 큰 차이가 존재하지는 않지만 약 1λ-2λ에서 가장 도래각을 잘 추정해냄을 확인 할 수 있다.
본 논문에서는 안테나 간격과 배열에 따라 위상 비교 모노 펄스 알고리즘의 성능이 어떻게 달라지는지에 관하여 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 타겟의 위치가 정면에 가까울수록 즉, 도래각이 작을수록 안테나 간격이 넓을 때 더 잘 추정해 냄을 알 수 있었고, 도래각이 클수록 안테나 간격이 좁을 때 더 잘 추정해 냄을 알 수 있었다. 이 결과를 활용해서 안테나 배열에 따른 위상 비교 모노펄스 알고리즘의 성능을 분석 해본 결과, 도래각이 ±5도 보다 큰 상황에서 선형 배열 안테나를 사용할 때 보다 비선형 안테나 배열을 사용했을 때, 좀 더 안테나를 효율적으로 사용하여 각도 추정 성능을 향상 시킬 수 있음을 확인 할 수 있다.
이 결과를 활용해서 안테나 배열에 따른 위상 비교 모노펄스 알고리즘의 성능을 분석 해본 결과, 도래각이 ±5도 보다 큰 상황에서 선형 배열 안테나를 사용할 때 보다 비선형 안테나 배열을 사용했을 때, 좀 더 안테나를 효율적으로 사용하여 각도 추정 성능을 향상 시킬 수 있음을 확인 할 수 있다.
후속연구
[1,2] 이 때, 주로 사용 되어지는 각도 추정 알고리즘에는 MUSIC 알고리즘과 Bartlett 알고리즘 등이 있는데, MUSIC 알고리즘은 도래각 추정 성능이 우수하고, 임의의 배열에도 적용할 수 있다는 장점이 있지만, 타겟이 인접해있는 상황에서의 분해능이 낮고, 고유값 분해를 하는데에 있어서 많은 계산량을 필요로 하기 때문에 도래각 추정을 위한 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.[3] 모노 펄스 알고리즘은 기존에 사용되고 있는 알고리즘에 비해 정확도는 조금 떨어지지만, 작은 도래각은 잘 추정해내는 장점이 있고, MUSIC 알고리즘이나 Bartlett 알고리즘에 비해 월등히 빠른 계산 속도를 낼 수 있기 때문에, 선박용 레이더에서 사용될 각도 추정 알고리즘으로써 연구되어질 필요가 있다.
본 논문에서는 타겟이 정지 상태에 있고, 1개 밖에 존재하지 않는 상황을 가정하고 이뤄진 연구이기 때문에 상당히 제한 적인 측면이 있다. 앞으로 진행될 연구에서는 실제 상황과 좀 더 유사한 상황을 적용하여, 타겟의 이동 속도도 고려하고, 여러 개의 타겟이 존재하는 상황에서의 각도 추정 방법에 대한 연구가 진행될 필요가 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
모노 펄스 레이더는 무엇인가?
모노 펄스 레이더는 단일 송신 신호를 이용해 목표물의 위치를 예측해 내는 레이더이다. 본 논문은 9.
펄스 레이더의 단점은 무엇인가?
펄스 레이더의 경우에는 송신과 수신을 동시에 할 수 없기 때문에 분해능이 떨어지며, 송신 펄스가 강하기 때문에 가까운 거리에 있는 물체를 측정하는데 어려움이 있는 단점이 있다. 반면에, FMCW 레이더의 경우에는 송신과 수신이 동시에 이루어지기 때문에 분해능이 좋고, 기존 펄스 레이더에 비해서 수백배 이상 낮은 전력을 사용하기 때문에 배터리의 부하도 적어서 요즘에는 FMCW 레이더에 관한 연구가 많이 진행되고 있다.
FMCW 레이더에 주로 사용되어지는 각도 추정 알고리즘은 어떤 것인가?
반면에, FMCW 레이더의 경우에는 송신과 수신이 동시에 이루어지기 때문에 분해능이 좋고, 기존 펄스 레이더에 비해서 수백배 이상 낮은 전력을 사용하기 때문에 배터리의 부하도 적어서 요즘에는 FMCW 레이더에 관한 연구가 많이 진행되고 있다.[1,2] 이 때, 주로 사용 되어지는 각도 추정 알고리즘에는 MUSIC 알고리즘과 Bartlett 알고리즘 등이 있는데, MUSIC 알고리즘은 도래각 추정 성능이 우수하고, 임의의 배열에도 적용할 수 있다는 장점이 있지만, 타겟이 인접해있는 상황에서의 분해능이 낮고, 고유값 분해를 하는데에 있어서 많은 계산량을 필요로 하기 때문에 도래각 추정을 위한 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.[3] 모노 펄스 알고리즘은 기존에 사용되고 있는 알고리즘에 비해 정확도는 조금 떨어지지만, 작은 도래각은 잘 추정해내는 장점이 있고, MUSIC 알고리즘이나 Bartlett 알고리즘에 비해 월등히 빠른 계산 속도를 낼 수 있기 때문에, 선박용 레이더에서 사용될 각도 추정 알고리즘으로써 연구되어질 필요가 있다.
참고문헌 (7)
J. Y. Kim, K. T. Chong, and T. Y. Kim, "X-Band FMCW RADAR Signal Processing for small ship," J. Korea Academia- Industrial Cooperation Soc., vol. 10, no. 11, pp. 3121-3129, 2009.
H. B. Lee, J. H. Choi, and S. C. Kim, "A study on the high-resolution based frequency estimation algorithms for automotive radar systems," in Proc. KICS Int. Conf. Commun., pp. 225-226, Pyeongchang, Korea, Jan. 2013.
Y. S. Choi, M. H. Jin, H. H. Choi, S. J. Lee, and C. S. Park, "Design of 2D MUSIC algorithm to reduce computational burden," J. KICS, vol. 37C, no. 11, pp. 1077-1083, Nov. 2012.
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