무인항공기는 전투뿐만 아니라, 정찰, 관측 탐사 등 여러 분야에서 이용할 수 있고, 전천후 영상 수집이 가능한 SAR(Synthetic Aperture Radar) 기술과 함께 기존의 감시정찰 체계가 수행할 수 없던 임무영역까지로 그 능력이 확장될 것으로 보인다. 오늘날, 고효율 집적기술의 발전과 시스템 경량화 기술의 발전에 힘입어 무인항공기에도 경량의 SAR Sensor를 탑재하려는 연구와 수요가 증가하고 있다. 이에 따라, 본 논문에서는 SAR 시스템을 구성하는 핵심 모듈인 광대역 첩신호발생기를 DDS 디지털 소자 기반으로 개발하여 무인항공기용 신호 발생기와 송수신장비의 개발과정 및 결과를 기술하였다.
무인항공기는 전투뿐만 아니라, 정찰, 관측 탐사 등 여러 분야에서 이용할 수 있고, 전천후 영상 수집이 가능한 SAR(Synthetic Aperture Radar) 기술과 함께 기존의 감시정찰 체계가 수행할 수 없던 임무영역까지로 그 능력이 확장될 것으로 보인다. 오늘날, 고효율 집적기술의 발전과 시스템 경량화 기술의 발전에 힘입어 무인항공기에도 경량의 SAR Sensor를 탑재하려는 연구와 수요가 증가하고 있다. 이에 따라, 본 논문에서는 SAR 시스템을 구성하는 핵심 모듈인 광대역 첩신호발생기를 DDS 디지털 소자 기반으로 개발하여 무인항공기용 신호 발생기와 송수신장비의 개발과정 및 결과를 기술하였다.
UAVs(Unmanned Aerial Vehicle) can be used in variant fields fornot only combat, but also recon, observation and exploration. Moreover, UAVs capacity can be expanded to impossible missions for existing surveillance system such as SAR(Synthetic Aperture Radar) technology that collecting images from al...
UAVs(Unmanned Aerial Vehicle) can be used in variant fields fornot only combat, but also recon, observation and exploration. Moreover, UAVs capacity can be expanded to impossible missions for existing surveillance system such as SAR(Synthetic Aperture Radar) technology that collecting images from all weather conditions. In recent days, with development of highly efficient IC and lightened system technology, there are significant increase of researches and demands to make SAR sensor as a payload of UAV. Therefore, this paper contains development process and results of small signal generator and RF device as a core module of SAR system based on the digital device of DDS.
UAVs(Unmanned Aerial Vehicle) can be used in variant fields fornot only combat, but also recon, observation and exploration. Moreover, UAVs capacity can be expanded to impossible missions for existing surveillance system such as SAR(Synthetic Aperture Radar) technology that collecting images from all weather conditions. In recent days, with development of highly efficient IC and lightened system technology, there are significant increase of researches and demands to make SAR sensor as a payload of UAV. Therefore, this paper contains development process and results of small signal generator and RF device as a core module of SAR system based on the digital device of DDS.
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문제 정의
본 연구에서는 DDS로 생성된 파형 정보를 이용하여 SAR 점표적 시뮬레이션을 수행하였으며, 그림 8의 결과를 통해 생성된 신호의 SAR 구현 가능성을 검증하였다.
오늘날, 고효율 집적 기술의 발전은 디지털상에서 주파수를 합성하는 직접디지털합성(DDS : Direct Digital Synthesizer) 소자를 이용하여 첩 신호 발생기를 가볍고 저 전력에 구성할 수 있도록 하였다. 이에 따라, 본 논문에서는 SAR 시스템을 구성하는 핵심 모듈인 첩 신호 발생기를 DDS의 초소형 디지털 소자 기반으로 개발하여 무인항공기용 신호 발생기와 1.8 GHz, 7.7 GHz의 IF, RF LO로 구성되어 있는 X-Band 송수신 장비로 시스템을 구성하고, 그 과정 및 결과를 기술하였다.
크기, 무게와 전력이 제한되는 무인항공기 플랫폼에 SAR 시스템을 적용하기 위한 기반기술 확보 연구로서 본 논문에서는 DDS 소자와 FPGA, PC, RF 송수신단으로 구성된 SAR 시스템 송수신 장비를 개발하였다. 무인기 환경을 고려하여 저전력, 고효율의 상용 DDS 소자를 사용하였고, 50 MHz 대역의 첩 신호를 생성한 후 실제 송수신 테스트를 거쳐 그 결과를 기술하였다.
제안 방법
DDS에서 생성한 신호의 성능을 분석하기 위해 송신신호와 수신 신호의 펄스압축을 수행하였다. 그림 7은 DDS 출력 신호와 수신 신호의 펄스 압축 결과를 나타낸다.
또한, 펄스 레이더 신호 수신과 증폭기 Enable 신호를 위해 FPGA 내에서 펄스와 동기된 트리거 신호를 생성하였다. 그림 2에서 확인할 수 있듯이, 증폭기가 포화영역에 도달하는 시간을 고려하여 트리거 신호에 1 us의 시간만큼 Guarding time을 설정하여 신호 손실을 최소화 하도록 하였다.
본 논문에서는 I/Q 2채널 50 MHz의 첩 신호를 10 us의 펄스폭과 1 kHz의 PRF를 갖는 첩 펄스 신호로 생성하였다. 또한, 펄스 레이더 신호 수신과 증폭기 Enable 신호를 위해 FPGA 내에서 펄스와 동기된 트리거 신호를 생성하였다. 그림 2에서 확인할 수 있듯이, 증폭기가 포화영역에 도달하는 시간을 고려하여 트리거 신호에 1 us의 시간만큼 Guarding time을 설정하여 신호 손실을 최소화 하도록 하였다.
크기, 무게와 전력이 제한되는 무인항공기 플랫폼에 SAR 시스템을 적용하기 위한 기반기술 확보 연구로서 본 논문에서는 DDS 소자와 FPGA, PC, RF 송수신단으로 구성된 SAR 시스템 송수신 장비를 개발하였다. 무인기 환경을 고려하여 저전력, 고효율의 상용 DDS 소자를 사용하였고, 50 MHz 대역의 첩 신호를 생성한 후 실제 송수신 테스트를 거쳐 그 결과를 기술하였다. 신호에 많은 왜곡이 생기고 부엽신호가 증가하는 문제가 발생하였지만, DDS 출력 신호의 대역폭이 유지되고 I/Q 위상의 직교성이 유지되는 것을 확인하였다.
여기서 θ는 빔의 입사각, c는 빛의 속도, B는 펄스 대역폭을 의미한다. 본 논문에서는 아래와 같은 요구사항을 갖는 첩 신호 발생기를 설계하였다.
수신된 SAR 신호를 시간, 주파수 영역에서 측정하기 위해 오실로스코프와 스펙트럼 분석기를 이용하였고, 50 MHz의 첩 신호를 100 Msps의 속도의 샘플링을 적용하여 분석하였다. 그림 5와 그림 6은 각각 DDS에서 생성한 기저대역 신호와 직접수신 후 복원된 신호를 측정한 결과이다.
이상적인 첩 신호와 유사한 형태의 송신신호를 확인하였고, 스펙트럼 분석기의 출력을 통해 실제 발생된 신호의 50 MHz의 대역폭을 검증하였다. 수신된 신호의 경우, 성분의 손실이 발생되지만 송신신호와 유사한 형태로 수신됨을 확인할 수 있다.
대상 데이터
DDS를 이용하여 첩 펄스 신호를 만들기 위해 Altera사의 Cyclone IV FPGA를 이용하였다. 1개의 PLL Logic을 이용, 기준 클럭 10 MHz를 체배하여 DDS에 공급하는 50 MHz의 클럭 신호를 만들고, 8-bit data, 6-bit address, 그리고 Mode 선택, Reset, 누적기 초기화 등을 위한 5-bit의 제어 신호를 포함하는 총 20-bit의 병렬신호를 DDS의 레지스터에 전달하여 첩 신호를 생성하게 된다.
본 논문에서는 I/Q 2채널 50 MHz의 첩 신호를 10 us의 펄스폭과 1 kHz의 PRF를 갖는 첩 펄스 신호로 생성하였다. 또한, 펄스 레이더 신호 수신과 증폭기 Enable 신호를 위해 FPGA 내에서 펄스와 동기된 트리거 신호를 생성하였다.
5 GHz 대역으로 방사 후 수신하여 복원할 수 있도록 설계되었다. 송신 주파수인 9.5 GHz 대역의 신호를 만들기 위해 1.7 GHz의 IF, 7.7 GHz의 RF 주파수를 사용했다. 그림 4는 본 논문에서 구현한 DDS 모듈 및 RF 송수신 장비이며, 송수신 장비의 사양은 표 2와 같다.
표 1과 같은 요구사항을 만족하는 신호를 생성하기 위해 Analog Device사의 AD9854 DDS 소자를 사용하였다. DDS는 위상, 주파수 Accumulator와 DAC로 구성되어 있는데, 각각의 Accumulator를 통해 얻어진 위상 값을 Phase-to-Amplitude Converter [LUT]와 DAC를 사용하여 I/Q 2개의 채널의 아날로그 신호로 변환하는 구조를 갖는다.
성능/효과
무인기 환경을 고려하여 저전력, 고효율의 상용 DDS 소자를 사용하였고, 50 MHz 대역의 첩 신호를 생성한 후 실제 송수신 테스트를 거쳐 그 결과를 기술하였다. 신호에 많은 왜곡이 생기고 부엽신호가 증가하는 문제가 발생하였지만, DDS 출력 신호의 대역폭이 유지되고 I/Q 위상의 직교성이 유지되는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무인항공기는 어떤 분야에서 이용할 수 있는가?
무인항공기는 전투뿐만 아니라, 정찰, 관측 탐사 등 여러 분야에서 이용할 수 있고, 전천후 영상 수집이 가능한 SAR(Synthetic Aperture Radar) 기술과 함께 기존의 감시정찰 체계가 수행할 수 없던 임무영역까지로 그 능력이 확장될 것으로 보인다. 오늘날, 고효율 집적기술의 발전과 시스템 경량화 기술의 발전에 힘입어 무인항공기에도 경량의 SAR Sensor를 탑재하려는 연구와 수요가 증가하고 있다.
무인항공기의 능력이 확장되게 만든 기술은 무엇인가?
무인항공기는 전투뿐만 아니라, 정찰, 관측 탐사 등 여러 분야에서 이용할 수 있고, 전천후 영상 수집이 가능한 SAR(Synthetic Aperture Radar) 기술과 함께 기존의 감시정찰 체계가 수행할 수 없던 임무영역까지로 그 능력이 확장될 것으로 보인다. 오늘날, 고효율 집적기술의 발전과 시스템 경량화 기술의 발전에 힘입어 무인항공기에도 경량의 SAR Sensor를 탑재하려는 연구와 수요가 증가하고 있다.
SAR Sensor를 탑재하려는 연구와 수요가 증가함에 따라 본 논문에서는 어떤 개발과정 및 결과를 기술하였는가?
오늘날, 고효율 집적기술의 발전과 시스템 경량화 기술의 발전에 힘입어 무인항공기에도 경량의 SAR Sensor를 탑재하려는 연구와 수요가 증가하고 있다. 이에 따라, 본 논문에서는 SAR 시스템을 구성하는 핵심 모듈인 광대역 첩신호발생기를 DDS 디지털 소자 기반으로 개발하여 무인항공기용 신호 발생기와 송수신장비의 개발과정 및 결과를 기술하였다.
참고문헌 (3)
M. Y. Chua, V. C. Koo, "FPGA-based chirp generator for high resolution UAV SAR", Progress in Electro Magnetics Research, vol. 2, pp. 27-60, 2008.
J. E. Gonzalez, J. M. Pardo, A. A. Sensio, and M. Burgos, "Digital signal generation for LFM-LPI radars", Electronics Letters, vol. 39, no. 5, pp. 464-465, Mar. 2003.
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