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문제 정의
- 본 논문에서는 SDR 기술을 적용한 다중대역, 다중모드의 SDR 레이다 플랫폼의 설계, 제작, 시험 결과를 제시한다. I장에서는 SDR 레이다에 대한 설계 개념을 설명한다.
- 본 논문에서는 다중 대역 및 다중 모드의 SDR 레이다 개발 내용과 성능 시험 결과를 제시하였다. 다중대역은 S대역, X대역 및 K대역으로 구현하였고, 다중모드는 CW, Pulse, FMCW and LFM Chirp의 파형을 이용하여 다양한 레이다 환경과 표적 특성에 적합한 신호처리 알고리즘을 라이브러리 소프트웨어로 구현하였다.
- 본 논문은 ⅡTP의 생활전파 레이다 센서 SDR 플랫폼 기술 개발 사업의 지원으로 수행되었습니다. 본 연구에 참여한 한국항공대학교 레이다연구소, 항공전자정보공학부 안테나연구실, 그리고 참여기업 KST, 인텍텔레컴, 메타빌드 등 여러분들에게 감사를 드립니다.
제안 방법
- CW 모드에서는 이동 표적의 도플러 성분만 측정이 가능하므로 활주로에서 자동차의 이동 속도를 가변하면서 S, X, K 밴드의 각 대역별로 표적의 도플러 속도를 측정하였다. 자동차의 속도는 도플러 주파수와 파장의 함수로 주어지므로 대역별 도플러 주파수는 표 7과 같이 측정 분석되었으며, 측정 오차 범위 내에서 설계 규격을 충족함을 확인하였다.
- 이동 표적과 고정 표적에 대한 반사 신호의 비트 주파수를 추출하여 측정한 결과는 표 9와 같고, 측정 오차범위 내에서 규격 성능을 확인하였다. LFM 모드에서는 펄스 압축 처리하여 거리와 속도를 측정하였다. 송신 파형은 대역폭이 넓은 X 및 K대역을 중심으로 이동 표적과 고정 표적에 대한 반사 신호의 펄스 압축을 통하여 CFAR 탐지와 도플러 처리를 하였다.
- Pulse 모드에서는 탐지거리를 측정하였다. 다중 대역별로 주어진 대역폭에 따라 S 대역에서는 25 MHz, X 대역은 50 MHz, K 대역은 150 MHz에 해당하는 펄스폭을 이용하여 표 8과 같이 측정 비교하였으며, 측정 오차범위 내에서 각 대역별로 규격 성능을 충족하였다.
- SDR 레이다 플랫폼의 성능을 검증하기 위하여 다양한 실시간 표적 탐지시험을 통하여 성능을 입증하였다. 다중 대역과 다중 모드의 성능을 검증하기 위하여 각 주파수와 파형 별로 SDR 플랫폼의 탐지거리와 속도를 측정하여 설계 규격과 비교 검증하였다.
- SDR 레이다 플랫폼의 시험 환경은 그림 6과 같이 대학 운동장에서 주로 고정표적을, 그림 7과 같이 활주로 시험장에서 이동 표적을 실시간으로 측정하여 거리 및 해상도, 도플러 속도를 검증하였다. 다중 대역의 기능을 검증하기 위하여 각 대역별로 S 대역, X 대역, K 대역에서 규정된 ISM 주파수와 대역폭으로 송신 출력을 방사하고, 지정된 거리에 위치한 삼각 반사기로부터 수신신호를 실시간 신호 수집 장치에 저장하여 분석하였다.
- 레이다 파형은 다중모드를 구현하기 위하여 CW(Continuous Wave), Pulse, LFM(Linear Frequency Modulation), FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 등의 4가지 파형을 생성할 수 있는 파형발생기와 레이다 주변 환경에 따라 신호처리 알고리즘을 선택할 수 있는 다중 모드 신호처리 기능을 적용하였다. SDR 레이다 플랫폼의 특징은 레이다 환경에 따라 시스템의 재구성이 가능하고, 소프트웨어의 유연성을 가질 수 있도록 RF 모듈의 아날로그 하드웨어는 최소화하고, IF 중간 주파수 대역에서 직접 디지털 영역으로 변환하도록 하였다. 호스트 PC는 사용자로부터 시스템의 설정과 소프트웨어 라이브러리를 업로드하고, 사용자의 제어명령과 알고리즘 라이브러리를 신호처리기 모듈에 전달하여 다양한 레이다 모드로 운용할 수 있도록 하였다.
- 안테나 사양은 표 3에 제시한 바와 같이, 대역별로 주파수 범위와 대역폭을 기준으로 안테나 이득과 빔 폭을 설정하였다. SDR 레이다의 실내 및 실외의 활용 용도에 따라 안테나 크기를 고려하여 소형의 패치 배열 안테나를 제작하였다. 안테나는 하나의 일체형(Mono-Static) 방식 또는 2개의 안테나를 사용할 수 있도록 분리형(Bi-Static) 방식으로 선택할 수 있다.
- 다중대역 다중모드의 SDR 레이다 플랫폼의 시스템 제작 형상은 그림 3과 같이 안테나, RF 모듈, 신호처리 모듈, 파형 발생 모듈, 전원 모듈로 구성되어 있다. SDR 플랫폼의 하드웨어 함체는 그림 4와 같이 통합형과 선택형의 두 가지 형태로 개발하였다. 선택형은 활용 목적에 따라 원하는 특정 주파수 대역의 RF 모듈을 선택하여 고정시키는 반면, 통합형은 다중대역을 시스템 제어에 의하여 레이다 환경에 따라 조정할 수 있도록 하였다.
- 기준 거리와 속도는 각각 표준 레이저 거리측정기와 속도 측정기로 측정한 결과와 상호 비교 분석하였다. SDR 플랫폼의 활용 시험으로써 대학 활주로 시험장에서 지상 이동 자동차 표적과 공중 이동 드론 비행 표적을 탐지하여 전시기에 표적정보를 실시간으로 지시하는 시험을 수행하였다. 각 단계별 시험 결과를 다음 절에서 제시한다.
- 공중 비행 드론시험은 활주로에서 그림 9와 같이 레이다 빔을 지면에서 고도 방향으로 10～20도 향하도록 설치하고, RCS가 0.01 dBsm 정도 크기의 소형 Quad-Copter Drone을 활주로 상공에서 레이다로 부터 지면 직선거리 30 m에서 50 m 구간을 왕복 비행하였다. 비행 드론 표적 탐지 시험에 대한 측정 결과는 표 14와 같다.
- 활용시험은 지상 도로 교통 감시 시험과 공중 경계 감시 시험으로 수행하였다. 교통감시 시험은 대학 활주로 노면에 차량을 이동 주행시키면서 실시간으로 차량의 거리와 속도를 측정하였고, 또한 공중 경계 감시 시험은 활주로 상공에 소형 무인 드론을 비행 이동시키면서 가상의 위협비행체의 거리와 속도를 실시간으로 측정하여 탐지 성능을 분석하였다.
- 다중 대역과 다중 모드의 성능을 검증하기 위하여 각 주파수와 파형 별로 SDR 플랫폼의 탐지거리와 속도를 측정하여 설계 규격과 비교 검증하였다. 그리고 SDR 플랫폼의 활용성을 검증하기 위하여 한국항공대학교 운동장 및 활주로 시험장에서 삼각 반사기와 이동 차량 및 활주로 상공에 소형 드론 비행체를 탐지하여 표적의 거리와 속도를 실시간으로 측정하여 탐지 성능을 분석하였다.
- SDR 레이다 플랫폼의 성능을 검증하기 위하여 다양한 실시간 표적 탐지시험을 통하여 성능을 입증하였다. 다중 대역과 다중 모드의 성능을 검증하기 위하여 각 주파수와 파형 별로 SDR 플랫폼의 탐지거리와 속도를 측정하여 설계 규격과 비교 검증하였다. 그리고 SDR 플랫폼의 활용성을 검증하기 위하여 한국항공대학교 운동장 및 활주로 시험장에서 삼각 반사기와 이동 차량 및 활주로 상공에 소형 드론 비행체를 탐지하여 표적의 거리와 속도를 실시간으로 측정하여 탐지 성능을 분석하였다.
- Pulse 모드에서는 탐지거리를 측정하였다. 다중 대역별로 주어진 대역폭에 따라 S 대역에서는 25 MHz, X 대역은 50 MHz, K 대역은 150 MHz에 해당하는 펄스폭을 이용하여 표 8과 같이 측정 비교하였으며, 측정 오차범위 내에서 각 대역별로 규격 성능을 충족하였다.
- 다중 모드의 RF 주파수는 사용자의 편의를 위하여 전파법상 별도의 허가 없이 사용 가능한 ISM(Industry, Science, Medical) 대역을 이용하였다. 다중 대역의 S, X 및 K대역의 주파수 별로 허용된 EIRP(Effective Isotropically Radiated Power)와 대역폭에 따라 최대 탐지거리와 분해능규격으로 설계하였다. SDR 레이다 시스템의 블록 다이어그램은 그림 2와 같고, 모듈별 특징과 기능은 표 2에 요약하였다.
- SDR 레이다 플랫폼의 시험 환경은 그림 6과 같이 대학 운동장에서 주로 고정표적을, 그림 7과 같이 활주로 시험장에서 이동 표적을 실시간으로 측정하여 거리 및 해상도, 도플러 속도를 검증하였다. 다중 대역의 기능을 검증하기 위하여 각 대역별로 S 대역, X 대역, K 대역에서 규정된 ISM 주파수와 대역폭으로 송신 출력을 방사하고, 지정된 거리에 위치한 삼각 반사기로부터 수신신호를 실시간 신호 수집 장치에 저장하여 분석하였다. 또한 다중모드의 기능을 검증하기 위하여 4개의 송신 파형별로 각 대역에서 규정한 탐지 거리와 해상도 및 속도를 측정하였다.
- 본 SDR 레이다 플랫폼의 설계 사양은 표 1과 같다. 다중 모드의 RF 주파수는 사용자의 편의를 위하여 전파법상 별도의 허가 없이 사용 가능한 ISM(Industry, Science, Medical) 대역을 이용하였다. 다중 대역의 S, X 및 K대역의 주파수 별로 허용된 EIRP(Effective Isotropically Radiated Power)와 대역폭에 따라 최대 탐지거리와 분해능규격으로 설계하였다.
- 본 논문에서는 다중 대역 및 다중 모드의 SDR 레이다 개발 내용과 성능 시험 결과를 제시하였다. 다중대역은 S대역, X대역 및 K대역으로 구현하였고, 다중모드는 CW, Pulse, FMCW and LFM Chirp의 파형을 이용하여 다양한 레이다 환경과 표적 특성에 적합한 신호처리 알고리즘을 라이브러리 소프트웨어로 구현하였다. 개발한 SDR 레이다의 주요 기능을 검증하기 위하여 야외 시험장에서 다중 대역 및 다중 모드에 대한 성능시험을 측정하여 비교 분석하였다.
- 다중모드의 송신 파형 모드에 따른 주파수 대역별 탐지거리와 해상도 및 속도를 측정하였다.
- 다중밴드 및 다중모드의 SDR 레이다 플랫폼에 대한 활용성을 검증하기 위하여 주어진 다중 대역과 다중 모드의 기능 중에서 특정 활용 목적에 적합한 주파수 대역과 파형을 선정하였다. 본 탐지 성능 시험에 적용한 주파수는 다중 밴드 중에서 대역폭이 가장 넓어 해상도가 우수한 K 대역을 선정하였고, 다중 모드 중에서는 LFM 파형을 선정하여 펄스 압축 이득과 코히런트 누적 이득을 통하여 SNR을 향상시킴으로써 RCS가 작은 드론과 같은 소형 비행체를 탐지하는데 유리하도록 설정하였다.
- 다중 대역의 기능을 검증하기 위하여 각 대역별로 S 대역, X 대역, K 대역에서 규정된 ISM 주파수와 대역폭으로 송신 출력을 방사하고, 지정된 거리에 위치한 삼각 반사기로부터 수신신호를 실시간 신호 수집 장치에 저장하여 분석하였다. 또한 다중모드의 기능을 검증하기 위하여 4개의 송신 파형별로 각 대역에서 규정한 탐지 거리와 해상도 및 속도를 측정하였다. 기준 거리와 속도는 각각 표준 레이저 거리측정기와 속도 측정기로 측정한 결과와 상호 비교 분석하였다.
- 호스트 PC는 사용자로부터 시스템의 설정과 소프트웨어 라이브러리를 업로드하고, 사용자의 제어명령과 알고리즘 라이브러리를 신호처리기 모듈에 전달하여 다양한 레이다 모드로 운용할 수 있도록 하였다. 또한, Matlab이나 Labview와 같은 상용 툴과 연동하여 사용자의 요구에 따라 Open API(Application Program Interface)을 구현하고, 웹(Web) 기반에서 사용자 인터페이스를 지원하도록 하였다.
- 개발한 SDR 레이다의 주요 기능을 검증하기 위하여 야외 시험장에서 다중 대역 및 다중 모드에 대한 성능시험을 측정하여 비교 분석하였다. 또한, 활용 시험으로써 지상 이동 차량과 비행 드론을 이용한 실시간 탐지 활용 시험을 통하여 성능을 검증하였다. SDR 레이다 플랫폼은 사용자의 요구에 따라 다양한 형태로 재구성이 가능하므로 교통, 감시, 보안, 의료, 교육 등의 다양한 활용분야에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.
- 안테나와 RF 모듈은 대역별로 교체가 가능하도록 다중대역 기능을 부여하여 탐지 대상 표적에 따라 주파수를 선택하도록 하였다. 레이다 파형은 다중모드를 구현하기 위하여 CW(Continuous Wave), Pulse, LFM(Linear Frequency Modulation), FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 등의 4가지 파형을 생성할 수 있는 파형발생기와 레이다 주변 환경에 따라 신호처리 알고리즘을 선택할 수 있는 다중 모드 신호처리 기능을 적용하였다. SDR 레이다 플랫폼의 특징은 레이다 환경에 따라 시스템의 재구성이 가능하고, 소프트웨어의 유연성을 가질 수 있도록 RF 모듈의 아날로그 하드웨어는 최소화하고, IF 중간 주파수 대역에서 직접 디지털 영역으로 변환하도록 하였다.
- 다중밴드 및 다중모드의 SDR 레이다 플랫폼에 대한 활용성을 검증하기 위하여 주어진 다중 대역과 다중 모드의 기능 중에서 특정 활용 목적에 적합한 주파수 대역과 파형을 선정하였다. 본 탐지 성능 시험에 적용한 주파수는 다중 밴드 중에서 대역폭이 가장 넓어 해상도가 우수한 K 대역을 선정하였고, 다중 모드 중에서는 LFM 파형을 선정하여 펄스 압축 이득과 코히런트 누적 이득을 통하여 SNR을 향상시킴으로써 RCS가 작은 드론과 같은 소형 비행체를 탐지하는데 유리하도록 설정하였다. 활용 시험에 적용한 주요 파라미터는 표 12와 같다[7].
- LFM 모드에서는 펄스 압축 처리하여 거리와 속도를 측정하였다. 송신 파형은 대역폭이 넓은 X 및 K대역을 중심으로 이동 표적과 고정 표적에 대한 반사 신호의 펄스 압축을 통하여 CFAR 탐지와 도플러 처리를 하였다. 표적의 거리 및 해상도 측정 결과는 표 10과 같고, 이동 표적의 속도를 측정한 결과는 표 11과 같으며, 측정 오차범위 내에 성능을 충족하는 것을 확인하였다.
- 송수신단은 일체형과 분리형 구조로 선택적이다. 송신파형은 200 MHz의 중간주파수를 신호처리 모듈에서 받고, 수신파형은 RF 모듈별 사용대역에 관계없이 560 MHz의 중간주파수를 직접 디지털 신호처리기로 보냄으로써 디지털 신호처리 모듈을 공통적으로 사용할 수 있도록 하였다.
- 실시간 시험 데이터는 신호수집 장치를 이용하여 분석하였고, 실시간으로 전시기 화면에 거리와 속도가 지시되는 것을 확인하였다. 그림 10에서 보는 바와 같이, 표적 탐지 CFAR 출력은 51 m에서 Hovering 하는 드론은 50.
- 본 SDR 레이다 안테나는 다중 대역을 구현하기 위하여 S, X 및 K 대역의 3개 안테나를 각각 제작하였다. 안테나 사양은 표 3에 제시한 바와 같이, 대역별로 주파수 범위와 대역폭을 기준으로 안테나 이득과 빔 폭을 설정하였다. SDR 레이다의 실내 및 실외의 활용 용도에 따라 안테나 크기를 고려하여 소형의 패치 배열 안테나를 제작하였다.
- SDR 레이다 시스템의 블록 다이어그램은 그림 2와 같고, 모듈별 특징과 기능은 표 2에 요약하였다. 안테나와 RF 모듈은 대역별로 교체가 가능하도록 다중대역 기능을 부여하여 탐지 대상 표적에 따라 주파수를 선택하도록 하였다. 레이다 파형은 다중모드를 구현하기 위하여 CW(Continuous Wave), Pulse, LFM(Linear Frequency Modulation), FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 등의 4가지 파형을 생성할 수 있는 파형발생기와 레이다 주변 환경에 따라 신호처리 알고리즘을 선택할 수 있는 다중 모드 신호처리 기능을 적용하였다.
- SDR 레이다 플랫폼의 소프트웨어 모듈은 활용 목적에 따라 사용자의 편의를 위하여 다양한 소프트웨어를 제공한다. 주요 기능은 신호처리모듈의 라이브러리 구성 및 각 라이브러리의 파라미터 설정, 표적 탐지 결과의 그래픽 도시 등이 포함되며, 인터페이스를 Open API 형태의 GUI(Graphic User Interface)로 구현하였다. 그림 5는 소프트웨어 플랫폼을 구현하기 위한 내부 구성과 기능을 정의하고 있다.
- 지상 이동 차량 탐지시험은 그림 8과 같이 활주로에서 레이다와 자동차의 주행 방향과 이루는 각도를 60도로 설정하고, 승용차의 속도를 가변하면서 30 m 거리에서 도플러를 측정하여 각도에 의한 환산 속도를 구하였다. 지상 이동 차량에 의한 탐지 성능에 대한 측정 결과는 표 13과 같다.
- SDR 신호처리 모듈의 제작 사양 및 주요 기능은 표 5와 같다. 파형발생기는 CW/Pulse/FMCW/LFM 등의 파형을 고성능의 DDS(Direct Digital Synthesizer)를 이용하여 구현하며, 신호처리기는 고속의 ADC와 다중 모드의 다양한 알고리듬을 선택적으로 사용할 수 있도록 고성능의 DSP(Digital Signal Processor)와 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구성된다. 또한, 신호처리 모듈은 호스트 PC와 Wi-Fi 및 Ethernet 통신 인터페이스가 가능하며, 실시간으로 I/Q(In-phase/Quadraturephase) 레이다 신호를 직접 저장하고 분석하는 DAQ(Data Acquisition) 기능이 있다.
- 활용시험은 지상 도로 교통 감시 시험과 공중 경계 감시 시험으로 수행하였다. 교통감시 시험은 대학 활주로 노면에 차량을 이동 주행시키면서 실시간으로 차량의 거리와 속도를 측정하였고, 또한 공중 경계 감시 시험은 활주로 상공에 소형 무인 드론을 비행 이동시키면서 가상의 위협비행체의 거리와 속도를 실시간으로 측정하여 탐지 성능을 분석하였다.
대상 데이터
- . 다중 대역의 하드웨어 플랫폼은 교체 가능한 RF 안테나 및 송수신기 모듈과 신호처리기 모듈로 구성하였다. 다중모드의 소프트웨어 플랫폼은 다양한 형태의 파형 발생과 활용도에 따른 신호처리 알고리즘 라이브러리와 개방형 소프트웨어 모듈로 구성하였다.
- 다중대역 다중모드의 SDR 레이다 플랫폼의 시스템 제작 형상은 그림 3과 같이 안테나, RF 모듈, 신호처리 모듈, 파형 발생 모듈, 전원 모듈로 구성되어 있다. SDR 플랫폼의 하드웨어 함체는 그림 4와 같이 통합형과 선택형의 두 가지 형태로 개발하였다.
- 본 SDR 레이다 안테나는 다중 대역을 구현하기 위하여 S, X 및 K 대역의 3개 안테나를 각각 제작하였다. 안테나 사양은 표 3에 제시한 바와 같이, 대역별로 주파수 범위와 대역폭을 기준으로 안테나 이득과 빔 폭을 설정하였다.
데이터처리
- 다중대역은 S대역, X대역 및 K대역으로 구현하였고, 다중모드는 CW, Pulse, FMCW and LFM Chirp의 파형을 이용하여 다양한 레이다 환경과 표적 특성에 적합한 신호처리 알고리즘을 라이브러리 소프트웨어로 구현하였다. 개발한 SDR 레이다의 주요 기능을 검증하기 위하여 야외 시험장에서 다중 대역 및 다중 모드에 대한 성능시험을 측정하여 비교 분석하였다. 또한, 활용 시험으로써 지상 이동 차량과 비행 드론을 이용한 실시간 탐지 활용 시험을 통하여 성능을 검증하였다.
- 또한 다중모드의 기능을 검증하기 위하여 4개의 송신 파형별로 각 대역에서 규정한 탐지 거리와 해상도 및 속도를 측정하였다. 기준 거리와 속도는 각각 표준 레이저 거리측정기와 속도 측정기로 측정한 결과와 상호 비교 분석하였다. SDR 플랫폼의 활용 시험으로써 대학 활주로 시험장에서 지상 이동 자동차 표적과 공중 이동 드론 비행 표적을 탐지하여 전시기에 표적정보를 실시간으로 지시하는 시험을 수행하였다.
- FMCW 파형을 발생하기 위해서는 업 첩(Up-Chirp) 및 다운 첩(Down-Chirp)의 기울기와 파형의 반복 주기를 고려하여 X 및 K 대역별로 주어진 대역폭과 탐지범위에 따라 시스템 제어기를 통하여 적절한 레이다 파라미터를 설정한다. 이동 표적과 고정 표적에 대한 반사 신호의 비트 주파수를 추출하여 측정한 결과는 표 9와 같고, 측정 오차범위 내에서 규격 성능을 확인하였다. LFM 모드에서는 펄스 압축 처리하여 거리와 속도를 측정하였다.
성능/효과
- 75km/ h로 측정되었다. 실지 드론의 측정 고도와 거리의 관측오차를 고려한다면 기준 값과 비교하여 상대적으로 충분한 탐지 측정 결과를 얻을 수 있었다.
- CW 모드에서는 이동 표적의 도플러 성분만 측정이 가능하므로 활주로에서 자동차의 이동 속도를 가변하면서 S, X, K 밴드의 각 대역별로 표적의 도플러 속도를 측정하였다. 자동차의 속도는 도플러 주파수와 파장의 함수로 주어지므로 대역별 도플러 주파수는 표 7과 같이 측정 분석되었으며, 측정 오차 범위 내에서 설계 규격을 충족함을 확인하였다.
- 송신 파형은 대역폭이 넓은 X 및 K대역을 중심으로 이동 표적과 고정 표적에 대한 반사 신호의 펄스 압축을 통하여 CFAR 탐지와 도플러 처리를 하였다. 표적의 거리 및 해상도 측정 결과는 표 10과 같고, 이동 표적의 속도를 측정한 결과는 표 11과 같으며, 측정 오차범위 내에 성능을 충족하는 것을 확인하였다.
후속연구
- 또한, 활용 시험으로써 지상 이동 차량과 비행 드론을 이용한 실시간 탐지 활용 시험을 통하여 성능을 검증하였다. SDR 레이다 플랫폼은 사용자의 요구에 따라 다양한 형태로 재구성이 가능하므로 교통, 감시, 보안, 의료, 교육 등의 다양한 활용분야에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.
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