[논문]FMCW 전파고도계의 재밍 탐지 및 회피 알고리즘

이재환; 장종훈; 노진입; 유경주; 최재현

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.2.147

FMCW 전파고도계의 재밍 탐지 및 회피 알고리즘
Jamming Detection and Suppression Algorithm for an FMCW Radar Altimeter 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.2, 2016년, pp.147 - 155

이재환 (국방과학연구소) , 장종훈 (국방과학연구소) , 노진입 (국방과학연구소) , 유경주 (한화탈레스(주)) , 최재현 (국방과학연구소)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 주파수 변조 연속파(FMCW) 전파고도계의 재밍 환경에서의 강인한 고도 측정을 위한 재밍 탐지/회피 알고리즘을 제안한다. 전파고도계 재밍 탐지 알고리즘은 재밍 탐지를 위해 송수신 구간 앞에 노이즈 측정구간을 두어 노이즈 레벨을 측정하고, 샘플링한 노이즈파형에 대해 재밍 임계치를 넘는 포인트를 산출하여 재밍을 탐지한다. 재밍 회피 알고리즘으로 시간영역에서의 재밍 회피, 송신 출력 및 수신 이득 제어, 주파수 도약을 설계하였다. 제안한 알고리즘은 실제적인 환경에서 평가하기 위한 야외시험을 통해 성공적으로 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a jamming detection and suppression algorithm of a frequency-modulated continuous-wave(FMCW) radar altimeter. The radar altimeter measures the noise level at the noise measuring period before the transmitting and receiving period and finds the number of sampled noise data over the jamming threshold for detecting the jamming. For a jamming suppression technique, we design the time domain jamming suppression, transmit/receive power control and frequency hopping methods. To assess more realistic operation, the radar altimeter was performed a field test. Through the field test, we verified the algorithms successfully.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

반면, 송신 출력 및 수신 이득 제어, 주파수 도약을 통한 재밍 회피는 고도에 따라 재밍 회피 효과가 떨어질 수 있다. 따라서 본 논문에서는 3단계의 재밍 회피 기법을 고도에 따라 순차적으로, 혹은 동시에 동작하도록 구성하여 재밍 회피의 신뢰성을 높인다.
앞서 설명하였듯이 재밍 신호는 IF 대역 전체구간에서 노이즈 형태로 분포하기 때문에 주파수 영역에서 재밍 신호의 발생 위치, 발생 구간 등의 탐지가 어렵다. 따라서 본 논문에서는 재밍 탐지방법으로 시간영역에서의 재밍 탐지기법을 설계하였다.
본 논문에서는 전파고도계에 인가되는 협대역 재밍을 효과적으로 탐지하여 회피하는 알고리즘을 제시한다. 또한, 실내 모의시험 및 더욱 실제적인 환경에서 제시한 알고리즘을 평가하기 위한 야외 재밍 시험을 수행하여 전파고도계의 재밍 탐지 및 회피 기능의 정상 작동 여부와 성능을 검증한다.
본 논문에서는 전파고도계의 고도 탐색 및 추적의 방해요소인 협대역 재밍이 인가되었을 때 재밍 탐지/회피 알고리즘을 제안하였다. 전파고도계는 재밍 탐지를 위해 송수신 구간 앞에 노이즈 측정구간을 두어 노이즈 레벨을 측정하고, 샘플링한 노이즈 파형에 재밍 임계치를 넘는 포인트를 산출하여 재밍을 탐지한다.

제안 방법

FMCW 전파고도계의 재밍 탐지 및 회피 기능을 보다 실제적인 환경에서 입증하기 위한 야외시험을 수행한다.
이후 전파고도계의 정상 고도추적 상태에서 표준 혼(horn) 안테나를 이용한 재밍 신호를 방사하였을 때 전파고도계의 재밍 탐지 및 회피 기능이 정상 동작하는지 시험한다. 고고도에서는 재머를 이용한 직접적인 재밍 신호의 인가가 어렵기 때문에 재머가 영향을 줄 수 있는 저고도에서 시험을 수행한다.
모의 고도 신호와 모의 재밍 신호는 전파고도계 점검 장비 내부의 전력 결합기(power combiner)를 통해 더해져서 전파고도계로 인가된다. 구현한 재밍 탐지/회피 기능은 스펙트럼 분석기(spectrum analyser)와 통제 및 분석용 노트북을 이용하여 확인하였다.
본 야외 재밍 시험은 5 m의 저고도에서 수행한 시험으로 수신 이득의 가변범위가 작고, 주파수도약이 가능한 대역이 제한적이어서 재밍 회피를 위한 방법 중 송신 출력 및 수신 이득제어와 주파수 도약의 효과가 거의 없다. 대신, 시간영역에서의 재밍 제거가 유효하게 적용되어 재밍 회피를 수행하였다. 그림 8의 야외 시험 결과와 그림 4의 실내 시험 결과를 비교해 보면 시간영역에서의 재밍 제거가 이루어져 부엽이 일부 상승하였지만, 고도 산출에 충분할 만큼 노이즈 레벨이 줄어든 것을 알 수 있다.
본 논문에서는 전파고도계에 인가되는 협대역 재밍을 효과적으로 탐지하여 회피하는 알고리즘을 제시한다. 또한, 실내 모의시험 및 더욱 실제적인 환경에서 제시한 알고리즘을 평가하기 위한 야외 재밍 시험을 수행하여 전파고도계의 재밍 탐지 및 회피 기능의 정상 작동 여부와 성능을 검증한다.
대형 크레인에 장착된 시험 치구에는 전파고도계 본체 및 송수신 안테나를 포함하여 전원 공급을 위한 배터리가 탑재되어 고도 측정을 수행한다. 또한, 원격 제어되는 통제 및 분석용 노트북을 통해 측정 결과를 실시간으로 지상에서 계측한다. 장착된 시험 치구는 대형 크레인을 이용하여 바다 위 약 5 m 높이에 위치시키고, 전파고도계의 고도측정을 수행한다.
따라서 적절한 재밍 임계치를 설정하는 것이 필요하다. 본 논문에서 설정한 재밍 임계치는 재밍으로 인한 노이즈 상승이 고도 산출에 영향을 줄 수 있다고 판단되는 레벨을 실험적으로 설정하였다.
시험은 7 m의 모의 고도에서 재밍 신호의 세기를 가변하며 수행하였으며, 그림 4에서는 재밍 신호의 세기가 전파고도계 수신 입력단 기준으로 —20 dBm일 때 재밍 인가 전/후 및 회피 결과를 시간영역 신호와 주파수 영역에서의 스펙트럼으로 나타내었다.
. 이후 전파고도계의 정상 고도추적 상태에서 표준 혼(horn) 안테나를 이용한 재밍 신호를 방사하였을 때 전파고도계의 재밍 탐지 및 회피 기능이 정상 동작하는지 시험한다. 고고도에서는 재머를 이용한 직접적인 재밍 신호의 인가가 어렵기 때문에 재머가 영향을 줄 수 있는 저고도에서 시험을 수행한다.
또한, 원격 제어되는 통제 및 분석용 노트북을 통해 측정 결과를 실시간으로 지상에서 계측한다. 장착된 시험 치구는 대형 크레인을 이용하여 바다 위 약 5 m 높이에 위치시키고, 전파고도계의 고도측정을 수행한다. 전파고도계가 정상 고도추적을 수행하고 있을 때, 시험 치구의 약 5 m 떨어진 위치에서 혼 안테나를 통해 재밍 신호를 방사한다.
전파고도계는 재밍 탐지를 위해 송수신 구간 앞에 노이즈 측정구간을 두어 노이즈 레벨을 측정하고, 샘플링한 노이즈 파형에 재밍 임계치를 넘는 포인트를 산출하여 재밍을 탐지한다. 재밍이 탐지되면 재밍 회피모드가 동작하는데 시간영역에서의 재밍 회피, 송신 출력 및 수신 이득 제어, 주파수 도약 총 3단계의 재밍 회피 기법을 설계하여 고도에 따라 효과적인 재밍 회피를 수행하도록 하였다.
전파고도계의 재밍 회피 방법으로 시간영역에서의 재밍 회피, 송신 출력 및 수신 이득 제어, 주파수 도약과 같은 총 3단계의 재밍 회피기법을 설계하였다. 시간영역에서의 재밍 회피는 재밍 탐지 바로 다음 단계에서 이루어지며, 재밍 탐지 시 측정한 재밍 신호 발생 구간에 대해 해당 수신값을 0으로 대체(zero-padding)하여 발생한 재밍 신호를 제거한다.

대상 데이터

시험 고도인 5 m에서 시간영역에서의 재밍 회피를 위해 전체 샘플 중 약 3.9 %의 샘플들이 제거되었다. 전파고도계의 송신 출력은 증폭 가능한 최대 출력인 —3 dBm으로 증폭되었고, 수신 이득은 최소 이득인 24 dBm으로 제어되었다.

데이터처리

제안한 알고리즘은 실내 모의시험을 통해 검증하였으며, 더욱 실제적인 환경에서 평가하기 위한 야외시험을 통해 구현한 재밍 탐지/회피 기능을 성공적으로 검증하였다.

성능/효과

(a)의 재밍 인가 전 노이즈 레벨이 약 —80 dBm에서 재밍 인가 후 약 —50 dBm으로 약 30 dB 상승 하여 정상적인 고도 추적이 불가능함을 알 수 있다.
그림 5에서 전파고도계 운용주파수 대역에 재밍이 탐지되면 주파수 도약을 수행하여 전파고도계의 변조주파수 대역이 운용주파수 대역의 상위대역으로 약 170 MHz 이동한 모습을 확인할 수 있다. 이와 동시에 전파고도계 송신 출력이 약 6.79 dBm 증폭되어 출력되었고, 이때의 수신 이득은 송신 출력이 증가한 만큼 감소하였다.
전파고도계의 송신 출력은 증폭 가능한 최대 출력인 —3 dBm으로 증폭되었고, 수신 이득은 최소 이득인 24 dBm으로 제어되었다.
전파고도계의 송신 출력은 증폭 가능한 최대 출력인 —3 dBm으로 증폭되었고, 수신 이득은 최소 이득인 24 dBm으로 제어되었다. 주파수 도약의 경우, 저고도에서 도약할 수 있는 구간이 제한적이기 때문에 도약 가능한 약 10 MHz 상위 대역으로 이동함을 확인하였다. 최종적으로 재밍 회피 전/후 SNR을 비교해 보면 재밍 회피 전 5 dB에서 회피 후 34 dB로 약 30 dB 이득을 가짐을 확인하였으며, 재밍 인가 전과 비슷한 수준의 충분한 SNR을 확보하여 정상고도추적이 가능함을 알 수 있다.
주파수 도약의 경우, 저고도에서 도약할 수 있는 구간이 제한적이기 때문에 도약 가능한 약 10 MHz 상위 대역으로 이동함을 확인하였다. 최종적으로 재밍 회피 전/후 SNR을 비교해 보면 재밍 회피 전 5 dB에서 회피 후 34 dB로 약 30 dB 이득을 가짐을 확인하였으며, 재밍 인가 전과 비슷한 수준의 충분한 SNR을 확보하여 정상고도추적이 가능함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전파고도계란?	전파고도계(radar altimeter)는 비행체와 지표면과의 상대고도를 측정하기 위한 장비로 지면 및 해면을 향해 전파를 송신하고 되돌아오는 반사파를 수신하여 두 전파사이의 상호관계를 이용하여 고도를 측정하는 일종의 레이다 시스템이다. 전파고도계의 방식 중 FMCW(FrequencyModulated Continuous-Wave) 전파고도계는 FM 변조 파형을 송신하고, 송신파와 수신파를 주파수 혼합한 차 주파수(beat frequency)를 측정하여 FFT(Fast Fourier Transform) 를 취함으로써 최대 세기의 차 주파수에 해당되는 고도를 추적한다[1],[3].
	주파수 영역에서는 재밍 신호의 발생 위치, 발생 구간 등의 탐지가 어려운 이유는?	식 (3)의 fIF -down신호는 시간 t에 따라 주파수가 변화 하는 함수이다. 즉, 일정한 주파수로 나타나는 비트 주파수와 달리 인가된 재밍 신호는 IF 대역 전체구간에 노이즈 형태로 분포한다. 따라서 주파수 영역에서는 재밍 신호의 발생 위치, 발생 구간 등의 탐지가 어렵다.
	FMCW 전파고도계의 원리는?	전파고도계(radar altimeter)는 비행체와 지표면과의 상대고도를 측정하기 위한 장비로 지면 및 해면을 향해 전파를 송신하고 되돌아오는 반사파를 수신하여 두 전파사이의 상호관계를 이용하여 고도를 측정하는 일종의 레이다 시스템이다. 전파고도계의 방식 중 FMCW(FrequencyModulated Continuous-Wave) 전파고도계는 FM 변조 파형을 송신하고, 송신파와 수신파를 주파수 혼합한 차 주파수(beat frequency)를 측정하여 FFT(Fast Fourier Transform) 를 취함으로써 최대 세기의 차 주파수에 해당되는 고도를 추적한다[1],[3]. FMCW 방식에서 삼각파 변조를 사용하는 경우, 송신파와 수신파의 차 주파수는 식 (1)과 같다[4].

참고문헌 (11)

최재현, 장종훈, 노진입, "광 지연선 기반의 넓은 고도 범위를 갖는 고정밀 FMCW 전파고도계 송수신기 설계", 한국전자파학회논문지, 25(11), pp. 1190-1196, 2014 년 11월.
최재현, 장종훈, 이재환, 노진입, "FMCW 전파고도계의 신호처리 알고리즘 구현", 한국전자파학회논문지, 26(6), pp.555-563, 2015년 6월.

원문보기 상세보기
L. C. Palmer, "Coarse frequency estimation using the discrete fourier transform", IEEE Trans. on Information Theory, vol. 20, no. 1, pp. 104-109, Jan. 1974.

상세보기
H. D. Griffiths, "New ideas in FM radar", Electron. Commun. Eng. J., vol. 2, no. 5, pp. 185-194, Oct. 1990.

상세보기
Richard A. Poisel, Modern Communications Jamming Principles and Techniques, Artech House, 2004.
김진영, 김은철, 이종명, "군 통신에서의 재밍(Jamming) 기술", 한국통신학회지, 25(11), pp. 32-40, 2009년 2월.
이치호, 류정호, 조성진, 이광일, "주파수도약 시스템에 대한 추적재밍의 성능 및 민감도 분석", 한국통신학회 학술대회논문집, pp. 1225-1228, 2006년 7월.
M. K. Simon, J. K. Omura, R. A. Scholtz, and B. K. Levitt, Spread Spectrum Communications Handbook, Revised edt., McGraw-Hill, 1994.
Yijiang Pan, Xiaofeng Shen, Jiyan Huang, Zili Xu, and Chenyu He, "A novel low probability intercept radar altimeter bassed on FMCW and frequency hopping hybrid modulation", ICCCAS2013, vol. 2, pp. 569-273, Nov. 2013.
Guihua Liu, Youlin Fu, "The research of signal processing technique of continuous wave radar altimeter", Radio Science Conference 2004, pp. 173-176, Aug. 2004.
S. O. Piper, "Receiver frequency resolution for range resolution in homodyne FMCW radar", Telesystems Conference 1993, pp. 169-173, Jun. 1993.

저자의 다른 논문 :

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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