전자전 미약신호 환경에서 미상 위협 신호원의 검출 성능 향상을 위한 가중 에너지 검출 기법 Weighted Energy Detector for Detecting Uunknown Threat Signals in Electronic Warfare System in Weak Power Signal Environment원문보기
위협의 핵심정보 추출을 위해 활용되는 전자전 지원시스템은 경로손실 등의 환경 상 제약으로 인해 수신신호의 전력이 낮은 미약신호 환경 하에서 운용될 수 있다. 이러한 상황에서 위협신호를 신속하고 정확하게 검출하기 위해서는 기존의 단일 샘플 에너지 검출 기법이 아닌 수신 신호의 전체 에너지를 최대한 활용함으로써 검출 성능을 향상시키는 기법이 요구된다. 하지만 신호원에 대한 사전정보가 존재하지 않는 전자전 환경에서 신호의 전체 에너지를 활용하기 위해서는 모든 신호원의 길이를 고려할 수 있도록 크기가 다양한 다수의 윈도우를 가지는 검출기를 설계해야 하므로 연산량이 과도하게 증가하는 문제점이 존재한다. 이러한 문제를 현실적으로 해결하기 위해 적은 수의 대표 윈도우를 사용하여 윈도우의 수를 줄이는 방법이 활용되지만 결과적으로 하나의 윈도우가 일정 구간의 미상신호를 고려해야 하므로 수신되는 신호의 길이와 검출기의 윈도우 크기의 불일치로 인해 검출 성능이 저하되는 문제점이 여전히 존재한다. 따라서 본 논문에서는 수신신호의 길이와 검출기의 윈도우 길이가 일치하지 않을 경우의 성능 저하를 분석하고, 성능향상이 가능한 상황인 수신신호의 길이가 검출기의 윈도우 길이보다 작은 경우에는 검출성능을 향상시킬 수 있고, 이외의 상황에는 기존의 에너지 검출기의 성능과 유사한 가중에너지 검출기를 제안하고 그 성능을 분석한다.
위협의 핵심정보 추출을 위해 활용되는 전자전 지원시스템은 경로손실 등의 환경 상 제약으로 인해 수신신호의 전력이 낮은 미약신호 환경 하에서 운용될 수 있다. 이러한 상황에서 위협신호를 신속하고 정확하게 검출하기 위해서는 기존의 단일 샘플 에너지 검출 기법이 아닌 수신 신호의 전체 에너지를 최대한 활용함으로써 검출 성능을 향상시키는 기법이 요구된다. 하지만 신호원에 대한 사전정보가 존재하지 않는 전자전 환경에서 신호의 전체 에너지를 활용하기 위해서는 모든 신호원의 길이를 고려할 수 있도록 크기가 다양한 다수의 윈도우를 가지는 검출기를 설계해야 하므로 연산량이 과도하게 증가하는 문제점이 존재한다. 이러한 문제를 현실적으로 해결하기 위해 적은 수의 대표 윈도우를 사용하여 윈도우의 수를 줄이는 방법이 활용되지만 결과적으로 하나의 윈도우가 일정 구간의 미상신호를 고려해야 하므로 수신되는 신호의 길이와 검출기의 윈도우 크기의 불일치로 인해 검출 성능이 저하되는 문제점이 여전히 존재한다. 따라서 본 논문에서는 수신신호의 길이와 검출기의 윈도우 길이가 일치하지 않을 경우의 성능 저하를 분석하고, 성능향상이 가능한 상황인 수신신호의 길이가 검출기의 윈도우 길이보다 작은 경우에는 검출성능을 향상시킬 수 있고, 이외의 상황에는 기존의 에너지 검출기의 성능과 유사한 가중에너지 검출기를 제안하고 그 성능을 분석한다.
Electronic warfare systems for extracting information of the threat signals can be employed under the circumstance where the power of the received signal is weak. To precisely and rapidly detect the threat signals, it is required to use methods exploiting whole energy of the received signals instead...
Electronic warfare systems for extracting information of the threat signals can be employed under the circumstance where the power of the received signal is weak. To precisely and rapidly detect the threat signals, it is required to use methods exploiting whole energy of the received signals instead of conventional methods using a single received signal input. To utilize the whole energy, numerous sizes of windows need to be implemented in a detector for dealing with all possible unknown length of the received signal because it is assumed that there is no preliminary information of the uncooperative signals. However, this grid search method requires too large computational complexity to be practically implemented. In order to resolve this complexity problem, an approach that reduces the number of windows by selecting the smaller number of representative windows can be considered. However, each representative window in this approach needs to cover a certain amount of interval divided from the considering range. Consequently, the discordance between the length of the received signal and the window sizes results in degradation of the detection performance. Therefore, we propose the weighted energy detector which results in improved detection performance comparing with the conventional energy detector under circumstance where the window size is smaller than the length of the received signal. In addition, it is shown that the proposed method exhibits the same performance under other circumstances.
Electronic warfare systems for extracting information of the threat signals can be employed under the circumstance where the power of the received signal is weak. To precisely and rapidly detect the threat signals, it is required to use methods exploiting whole energy of the received signals instead of conventional methods using a single received signal input. To utilize the whole energy, numerous sizes of windows need to be implemented in a detector for dealing with all possible unknown length of the received signal because it is assumed that there is no preliminary information of the uncooperative signals. However, this grid search method requires too large computational complexity to be practically implemented. In order to resolve this complexity problem, an approach that reduces the number of windows by selecting the smaller number of representative windows can be considered. However, each representative window in this approach needs to cover a certain amount of interval divided from the considering range. Consequently, the discordance between the length of the received signal and the window sizes results in degradation of the detection performance. Therefore, we propose the weighted energy detector which results in improved detection performance comparing with the conventional energy detector under circumstance where the window size is smaller than the length of the received signal. In addition, it is shown that the proposed method exhibits the same performance under other circumstances.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 논문에서는 고려하는 일정구간에 대해서 하나의 윈도우 길이를 가지는 에너지 검출기를 사용 할 때, 검출기의 윈도우 길이와 실제 신호의 길이가 일치하는 최적 검출 상황에 비해 일치하지 않을 경우의 성능이 열화되는 현상을 정량적으로 분석한다. 여기서 발생하는 성능 열화를 분석하면, 수신신호의 길이에 비해 검출기의 윈도우 길이가 긴 경우, 신호에 비해 잡음이 많이 포함되는 문제점이 있고, 윈도우 길이가 짧은 경우, 전체 신호를 전부 고려하지 못하게 되므로 이러한 현상으로 인해 성능 열화를 유발하게 된다.
여기서 발생하는 성능 열화를 분석하면, 수신신호의 길이에 비해 검출기의 윈도우 길이가 긴 경우, 신호에 비해 잡음이 많이 포함되는 문제점이 있고, 윈도우 길이가 짧은 경우, 전체 신호를 전부 고려하지 못하게 되므로 이러한 현상으로 인해 성능 열화를 유발하게 된다. 따라서 본 논문에서는 최종적으로 수신되는 잡음의 효과를 줄임으로써 윈도우 길이가 실제 신호의 길이보다 긴 경우에 검출 성능을 향상시킬 수 있도록 에너지 검출기에 가중치를 부여하는 가중 에너지 검출기를 제안하고 그 성능을 분석한다.
본 논문에서는 전자전 상황의 미약 신호 환경에서 미상 신호원을 검출하기 위하여 에너지 검출기를 사용할 때, 수신신호의 길이에 대한 사전정보의 미확보로부터 야기되는 검출 성능의 열화를 분석하고, 이러한 열화가 일어나는 요건 중에서, 검출기의 윈도우 길이에 비해 수신신호의 길이가 짧은 경우의 성능을 향상시키기 위하여 가중에너지 검출기를 제안하고, 성능 향상 정도를 분석하였다. 이러한 가중에너지 검출기는 에너지 검출기와 유사한 연산량을 가지면서도, 검출 확률이 높아지므로 추후 전자전 환경에 실용적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 장에서는 2장에서 기술한 에너지 검출기의 윈도우 길이가 실제 수신신호의 길이와 일치하지 않을 경우의 성능 분석을 기반으로 검출 성능을 향상시키기 위한 가중 에너지 검출기법을 제안한다.
가설 설정
여기서, N은 수집한 샘플의 개수, H0는 가우시안 잡음 ω[N]∼n(0,σ2)만 존재하는 경우의 가설, H1은 잡음환경에 경로감쇠가 포함된 위협의 송신신호 s[n]이 존재하는 가설을 나타낸다.
제안 방법
본 장에서는 모의실험을 통해 제안하는 가중에너지 검출기의 성능이 기존 에너지 검출기의 성능에 비해 향상되는 것을 정량적으로 분석하여 증명한다.
본 장에서는 에너지 검출기의 윈도우 길이가 실제 수신되는 신호의 길이와 일치하지 않을 경우 발생하는 성능 열화를 분석한다. 이 때, 대부분의 레이더에서 활용되는 신호의 경우 주파수 변조, 위상 변조 등을 사용하고 진폭변조를 활용하지 않으므로 신호의 파워는 일정한 것으로 가정하였으며 분석의 편의를 위해서 2μs부터 16μs까지의 범위에서 길이가 두 배가 되는 신호인 2μs, 4μs, 8μs, 그리고 16μs 총 4가지 신호원에 대하여 모의실험을 수행하였다.
이 때, 대부분의 레이더에서 활용되는 신호의 경우 주파수 변조, 위상 변조 등을 사용하고 진폭변조를 활용하지 않으므로 신호의 파워는 일정한 것으로 가정하였으며 분석의 편의를 위해서 2μs부터 16μs까지의 범위에서 길이가 두 배가 되는 신호인 2μs, 4μs, 8μs, 그리고 16μs 총 4가지 신호원에 대하여 모의실험을 수행하였다.
이론/모형
, 아군의 수신기에서는 변조방식, 주파수등과 같은 신호형태에 대한 사전정보가 대부분 주어지지 않는 상황이다. 신호에 대한 사전 정보가 없는 환경에서 신호를 검출하기 위해서는 기본적으로 Neyman-Pearson 이론을 기준으로 고정된 오경보율(false alarm rate)에 대하여 최대 검출성능을 가지는 최적(optimal) 검출기에 미상 파라미터를 추정하여 대입하는 GLRT(generalized likelihood ratio test) 방법을 사용하며, 최종적으로 에너지 검출기로 귀결된다[5].
성능/효과
(a)에서 확인할 수 있듯이, 3장에서 설명한 바와 동일하게 기존 에너지 검출기가 8μs, 16μs 신호에 대한 검출 성능이 4μs의 검출성능과 일치하며, 가중에너지 검출기 또한 윈도우 길이보다 긴 신호에 대해서는 검출 성능이 기존 에너지 검출기와 거의 유사한 것을 확인할 수 있다.
(a)의 경우와 동일한 결과를 도출할 수 있으며, 2-8 μs(윗변-아랫변) 윈도우 길이를 사용할 경우 에너지 검출기에 비해 검출 성능이 약 1.5 dB(수신신호 길이: 2 μs) 및 1 dB (수신신호 길이: 4 μs) 향상되고, 2-16 μs 윈도우 길이를 사용할 경우 검출 성능이 약 2 dB(수신신호 길이: 2μs), 1.8 dB(수신신호 길이: 4μs), 및 1 dB(수신신호 길이:8μs)가 향상됨을 알 수 있다.
후속연구
본 논문에서는 전자전 상황의 미약 신호 환경에서 미상 신호원을 검출하기 위하여 에너지 검출기를 사용할 때, 수신신호의 길이에 대한 사전정보의 미확보로부터 야기되는 검출 성능의 열화를 분석하고, 이러한 열화가 일어나는 요건 중에서, 검출기의 윈도우 길이에 비해 수신신호의 길이가 짧은 경우의 성능을 향상시키기 위하여 가중에너지 검출기를 제안하고, 성능 향상 정도를 분석하였다. 이러한 가중에너지 검출기는 에너지 검출기와 유사한 연산량을 가지면서도, 검출 확률이 높아지므로 추후 전자전 환경에 실용적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 본 논문에서는 가중에너지 검출기의 윈도우 길이를 몇 가지로 나눈 경우만을 정확도 측면에서 분석하였으므로 구간 내의 평균적인 검출 성능 향상을 위한 최적 윈도우 길이에 대한 성능 분석 및 연산량에 대한 연구가 필요하며 잡음의 확률분포가 정상(stationary)적인 특성을 가지지 않을 경우 성능이 열화 될 수 있으므로 이에 대한 고려 또한 필요할 것으로 판단된다.
이러한 가중에너지 검출기는 에너지 검출기와 유사한 연산량을 가지면서도, 검출 확률이 높아지므로 추후 전자전 환경에 실용적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 본 논문에서는 가중에너지 검출기의 윈도우 길이를 몇 가지로 나눈 경우만을 정확도 측면에서 분석하였으므로 구간 내의 평균적인 검출 성능 향상을 위한 최적 윈도우 길이에 대한 성능 분석 및 연산량에 대한 연구가 필요하며 잡음의 확률분포가 정상(stationary)적인 특성을 가지지 않을 경우 성능이 열화 될 수 있으므로 이에 대한 고려 또한 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 전자전 지원 시스템의 신호 검출 기법은 무엇을 기반으로 수행되어 왔는가?
기존의 전자전 지원 시스템의 신호 검출 기법은 에너지 검출기를 기반으로 수행되어 왔으며, 가장 기본적으로 수신기에서 순차적으로 획득되는 하나의 샘플의 에너지를 사전에 설정된 오경보 확률로부터 도출되는 임계값과 지속적으로 비교하여, 임계값을 상회하는 순간에 신호가 존재하는 것으로 판단하는 방법을 사용한다[6-8]. 하지만, 기술의 발달로 인해 피탐확률을 줄이는 다양한 방법의 변조방식이 활용되고 있고, 신속한 신호 정보의 획득을 위해서는 아군의 전자전 시스템이 위협 레이더에 비해 긴 탐지 거리가 요구되므로, 경로손실로 인한 수신 신호의 세기가 미약한 신호 환경에서 신호탐지를 수행해야 하는 어려움을 가지고 있다.
신호에 대한 사전 정보가 없는 환경에서 신호를 검출하기 위해서는 어떻게 해야 되는가?
전자전 환경에서 위협이 방사하는 신호는 펄스압축, 주파수 도약 등의 피탐확률을 줄이는 다양한 방법의 변조방식이 사용되고 있지만[3][4], 아군의 수신기에서는 변조방식, 주파수등과 같은 신호형태에 대한 사전정보가 대부분 주어지지 않는 상황이다. 신호에 대한 사전 정보가 없는 환경에서 신호를 검출하기 위해서는 기본적으로 Neyman-Pearson 이론을 기준으로 고정된 오경보율(false alarm rate)에 대하여 최대 검출성능을 가지는 최적(optimal) 검출기에 미상 파라미터를 추정하여 대입하는 GLRT(generalized likelihood ratio test) 방법을 사용하며, 최종적으로 에너지 검출기로 귀결된다[5].
전자전 지원 시스템을 통하여 위협 신호원의 제원 및 위치 등의 핵심정보를 추출하기 위해서는 무엇이 선행되어야 하는가?
전자전에서 기민한 전략 수립을 통해 아군의 전략적 우위를 확보하기 위해서는, 전자전 지원 시스템을 통하여 위협 신호원의 제원 및 위치 등의 핵심정보를 추출하는 과정이 요구된다. 이러한 핵심정보 추출을 성공적으로 수행하기 위해서는 위협으로부터 방사되는 통신 또는 레이더 신호를 신속하고 정확하게 탐지하는 것이 필수적으로 선행되어야 한다[1,2].
참고문헌 (10)
L. R. Paradowski, "Microwave emitter position location : Present and future," in Proc. Microwaves and Radar, vol. 4, pp. 97-116, 1998.
Y. S. Lee, J. S. Kim, E. G. Kim, and J. S. Lim, "Identification algorithm for up/down sliding PRIs of unidentified RADAR pulses with enhanced electronic protection," J. KICS, vol. 41, no. 6, Jun. 2016, J. Commun. Networks (JCN), vol. 13, no. 6, pp. 10-16, Dec. 2011.
A. Denk, "Detection and jamming low probability of intercept(LPI) RADAR," Naval Postgraduate School, Monterey CA, 2006.
Philip E. Pace, Detecting and Classifying Low Probability of Intercept Radar, 2003 : Artech House Remote Sensing.
S. Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory, 1993 : Prentice-Hall.
B. M. Albaker and N. A. Rahim, "Detection and parameters interception of a radar pulse signal based on interrupt driven algorithm," Scientific Res. and Essays, vol. 6, no. 6, Mar. 2011.
B. M. Albaker and N. A. Rahim, "Signal acquisition and parameter estimation of radio frequency pulse radar using novel method," IETE J. Res., vol. 55, no. 3, Jul. 2011.
G. R. Deeba Lakshmi, R. Gopalakrishnan, and Manjunath R. Kounte, "Detection and extraction of radio frequency and pulse parameters in radar warning receivers," ERCICA, 2013.
J. Tsui, Special design topics in digital wideband receivers, Artech House, 2010.
M. A. Richards, Fundamentals of Radar Signal Processing, McGraw-Hill, 2005.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.