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문제 정의
- 본 논문에서는 항공기용 추적레이더를 시험하기 위한 시험장비의 설계 및 제작 방법을 소개하고자 한다. 2장에서는 실내 모의시험에서 사용되는 시험장비의 요구사항을 바탕으로 시험장비의 구성과 이를 이용한 시험장비의 개념을 수립하였으며, 3장 및 4장에서는 시험장비의 상세 설계 및 제작에 대하여 기술하였다.
- 본 논문에서는 항공기용 추적레이더의 실내 모의시험을 위한 시험장비의 설계 및 제작을 보였다. 가상표적에 대한 모의신호를 발생하여 표적의 속도, 거리, 표적 운동 정보를 모사하는 기능으로 시험장비의 요구사항을 정의하였으며, 이를 바탕으로 항공기용 추적레이더 시험장비의 구성과 실내 모의시험 환경에서의 시험 개념을 수립하였다.
제안 방법
- 기존에는 통제 제어부, 모의표적 제어부, 혼 안테나 제어부의 프로그램을 개별적으로 각자 구현하여 시험장비의 성능시험을 진행하였다.
- 가상표적에 대한 모의신호를 발생하여 표적의 속도, 거리, 표적 운동 정보를 모사하는 기능으로 시험장비의 요구사항을 정의하였으며, 이를 바탕으로 항공기용 추적레이더 시험장비의 구성과 실내 모의시험 환경에서의 시험 개념을 수립하였다.
- 9는 무반향 챔버 내에 제작된 혼 안테나 구동장치를 보인다. 다중 표적 운동 모사를 고려하여 여러개의 혼 안테나가 레일 및 구동기 위에서 좌우로 이동이 가능하도록 제작되었다.
- 두 번째는 수식 (2)에서 계산된 표적의 실제거리(Rt)로부터 수식 (3), 수식 (4), 수식 (5)를 적용하여 AR에 해당하는 시간인 거리변화율(TAR, Time of Apparent Range)을 계산하여 모의신호 제어부의 FPGA에 전송하였다.
- 추적레이더에서는 표적의 도플러 신호가 PRF(Pulse Repetition Frequency) 하모닉 신호와 겹치지 않으면서 레이더 일식을 회피할 수 있는 PRF 범위를 선정하도록 되어있으며[7], 표적의 종류와 속도를 고려하여 도플러의 범위를 설정하였다. 또한, 최대 도플러 변화율은 추적레이더가 추적할 수 있는 최대 표적의 가속도를 의미하며, 표적의 감 가속 능력을 고려하여 범위를 설정하였다.
- 레이더 통제제어기는 직렬 통신을 통해 추적레이더 시험장비의 하드웨어를 제어하였으며, 이를 바탕으로 표적 신호 모사에 관련된 속도, 거리, 각도 정보의 데이터를 실시간으로 저장하여 분석할 수 있도록 하였다.
- 레이더 통제제어기는 추적레이더와 정보교환을 하면서 추적레이더의 운용모드 제어와 실시간 모니터링 및 화면 디스플레이 등의 기능을 수행하였다.
- 마지막으로 모의신호 제어부의 FPGA에서는 추적레이더로부터 Fig. 5와 같은 송신펄스 신호를 입력신호받아 FPGA 내부에서 거리지연 신호를 카운터로 설계하여 RF신호 발생부의 거리 게이트 스위치(TS_RNG)를 제어하였다.
- 모의신호 발생기는 주파수의 정확도와 설계의 용이성을 높이기 위하여 DDS를 사용하여 RF 대역의 모의표적 신호를 발생하였으며, 모의신호 발생기의 동적범위를 만족하도록 디지털 가변 감쇄기를 이용하여 표적신호의 전력 레벨을 제어하도록 하였다. 레이더 통제제어기는 직렬 통신을 통해 추적레이더 시험장비의 하드웨어를 제어하였으며, 이를 바탕으로 표적 신호 모사에 관련된 속도, 거리, 각도 정보의 데이터를 실시간으로 저장하여 분석할 수 있도록 하였다.
- 모의신호 전원공급부는 주파수합성기, RF신호 발생부, 모의신호 제어부에 필요한 전원을 안정적으로 공급할 수 있도록 설계하였다.
- 모의신호 제어부는 주파수합성기의 DDS 제어, RF신호 발생부의 가변감쇄기, 잡음 신호원 및 거리지연 신호의 RF소자 스위치를 제어하는 인터페이스 역할을 수행하였다.
- 13에 나타내었다. 모의신호 제어부에서 1 msec 간격으로 표적의 거리 변화율을 구현하였다. 구현된 신호를 오실로스코프로 누적하여 측정해보면 거리지연 신호인 TAR 신호가 송신펄스신호로 가까이 접근하여 다가옴을 확인할 수 있었다.
- 모의표적 신호를 모의신호 제어부의 프로세서(ARM 9)에서 타이머 인터럽트를 사용하여 1 msec 간격으로 표적의 감/가속도 운동을 구현하였다. 스펙트럼 분석기로 최소 도플러 주파수에서 최대 도플러 주파수로 이동하는 주파수를 누적하여 측정한 시험결과를 Fig.
- 모의표적 신호의 전력제어 기능을 검증하기 위하여, RF신호 발생부의 출력단을 스펙트럼 분석기에 연결하고 모의표적 제어부 프로그램 화면에서 가변 감쇄량을 설정하여 출력전력의 차이를 측정하였다. 전력제어의 시험결과는 Fig.
- 모의표적 제어부는 사용자로부터 거리, 속도 정보등을 입력받아 시험 내용에 부합한 모의표적 신호를 모의신호 발생기가 발생하도록 운용하였다.
- 무반향 챔버 내에 설치된 혼 안테나 구동장치는 Fig. 6과 같이 레일 및 구동기, 혼 안테나, 구동모터 등으로 구성하였으며, 혼 안테나를 이동하여 표적운동을 모사하였다. 혼 안테나 제어부 프로그램은 혼 안테나의 이동속도 및 현재 위치정보를 화면에서 실시간으로 표시를 하여 표적운동의 정보를 파악할 수 있는 이점을 갖도록 구현하였다.
- 무반향챔버 내에 Fig. 9와 같이 혼 안테나 구동장치를 설치한 후에 혼 안테나 제어부 프로그램을 이용하여 표적 운동 시험을 수행하였다. 시험한 결과, 사용자가 요구하는 속도로 혼 안테나를 지정하는 위치에 연속적으로 혼 안테나를 구동함으로써 표적 운동을 모사하고 있음을 확인하였다.
- 주파수합성기의 송신 출력 주파수에 DDS로부터 생성된 도플러 신호를 혼 합하여 모의표적 신호를 발생하였다. 발생된 모의표적 신호는 모의신호 제어부의 ARM 프로세서에서 도플러 추적 성능시험을 모사할 수 있도록 하였다.
- 지연시킨 모의표적 신호는 무반향 챔버 안에서 혼안테나를 통하여 방사되어 추적레이더로 보내진다. 보내어진 모의표적 신호는 추적레이더에서 안테나를 통하여 수신하여 표적의 속도 및 거리 관련 성능시험을 수행할 수 있도록 하였다.
- 본 논문에서는 고 해상도 및 고 성능의 장점을 갖 고 있는 DDS와 ARM 프로세서를 적용하여 도플러 생 성 및 도플러 변화율의 정확도를 높였으며, 구현된 도 플러 모사 방법은 다음과 같다. 주파수합성기의 송신 출력 주파수에 DDS로부터 생성된 도플러 신호를 혼 합하여 모의표적 신호를 발생하였다.
- 시험장비의 설계 요구사항을 바탕으로 모의표적 신호 발생, 도플러 및 거리지연 신호 모사, 표적운동 모사, 레이더 통제제어기 프로그램에 대한 상세 설계를 기술하였다.
- RF신호 발생부는 주파수합성기의 출력신호를 증폭 및 감쇄하여 가상 표적에 의한 표적 신호를 발생할 뿐만 아니라, 가상 표적 신호에 잡음신호원에서 발생한 신호를 혼합하여 혼 안테나로 재밍신호를 출력하는 역할을 수행하였다. 이러한 RF 대역의 신호는 디지털 가변 감쇄기를 적용하여 표적 및 재밍신호의 전력 레벨을 각각 1 dB 단위로 제어할 수 있도록 하였다. 본 논문에서는 Fig.
- 그러하면 표적의 속도, 거리, 각도관련 정보를 서로 공유할 수 없는 한계를 가졌다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해서는 시험장비 운용 프로그램을 하나로 통합하여 표적 관련 정보를 서로 공유 및 연동 할 수 있도록 구현하였다. 이러한 통합프로그램은 보다 더 효율적으로 시험장비 요구 성능을 다양하게 점검할 수 있는 장점을 갖게 되었다.
- 또한, 모의표적 신호의 동적범위(dynamic range)는 표적 대상 및 표적 정보를 고려하여 50 dB 이상 확보하여야 한다. 이와 같은 조건을 만족하기 위하여, Fig. 3과 같이 주파수합성기, RF신호 발생부, 모의신호 제어부, 모의신호 전원공급부로 구성하여 모의신호 발생기를 설계하였다.
- 본 논문에서 구현된 거리지연 신호 발생의 절차는 다음과 같다. 첫 번째는 Fig. 3의 레이더 통제제어기에서 LAN 통신을 통해 전송된 표적 초기의 거리(R0), 속도(V0), 가속도(A0) 정보를 이용하여 표적의 실제 거리(Rt)를 계산하였다.
- 추적레이더에서는 표적의 도플러 신호가 PRF(Pulse Repetition Frequency) 하모닉 신호와 겹치지 않으면서 레이더 일식을 회피할 수 있는 PRF 범위를 선정하도록 되어있으며[7], 표적의 종류와 속도를 고려하여 도플러의 범위를 설정하였다. 또한, 최대 도플러 변화율은 추적레이더가 추적할 수 있는 최대 표적의 가속도를 의미하며, 표적의 감 가속 능력을 고려하여 범위를 설정하였다.
- 통제 제어부는 항공기용 추적레이더와 정보교환을 하면서 추적레이더의 운용 모드 제어 및 표적 정보를 제공한다. 추적레이더의 자체점검 결과와 화면 전시 등의 기능을 실시간으로 파악할 수 있도록 구현하였다.
- 기존 레이더의 특징을 응용하여 현재 보편적으로 사용하는 항공기용 추적레이더는 안테나를 통하여 전파를 송신하며 표적에서 반사된 신호의 도플러 주파수, 거리 및 표적과의 시선 각을 측정한다. 측정된 표적과의 상대속도, 거리 및 각도를 계산하여 표적에 대한 다양한 정보를 제공한다[1].
- 캐비닛 조립체 전면에는 전원단자 및 추적레이더의 신호를 입력받는 주 전원 입력부 단자를 배치하였으며, 조립체 후면에는 모의신호 발생기의 출력단자, 레이더 통제제어기의 제어프로그램과 통신을 위해 연결되는 LAN 단자를 배치하였다.
- 캐비닛조립체 T1은 추적레이더 장비에 전원을 공급하는 전원공급기, 표적신호 및 거리지연 신호를 측정하는 계측장비로 구성되었다. 캐비닛조립체 T2는 레이더 통제제어기, 모의신호 발생기(모의신호 제어부, 주파수합성기, RF신호 발생부, 모의신호 전원공급부)로 구성된 서랍형구조 캐비닛으로 제작하였다.
- 6과 같이 레일 및 구동기, 혼 안테나, 구동모터 등으로 구성하였으며, 혼 안테나를 이동하여 표적운동을 모사하였다. 혼 안테나 제어부 프로그램은 혼 안테나의 이동속도 및 현재 위치정보를 화면에서 실시간으로 표시를 하여 표적운동의 정보를 파악할 수 있는 이점을 갖도록 구현하였다.
- 혼 안테나 제어부는 혼 안테나 구동장치의 구동모터를 제어하여 움직이는 표적 이동을 모사하였다.
데이터처리
- 제작된 추적레이더 시험장비는 레이더 통제제어기의 프로그램을 적용하여 성능을 검증하였다.
성능/효과
- 모의신호 제어부에서 1 msec 간격으로 표적의 거리 변화율을 구현하였다. 구현된 신호를 오실로스코프로 누적하여 측정해보면 거리지연 신호인 TAR 신호가 송신펄스신호로 가까이 접근하여 다가옴을 확인할 수 있었다.
- 또한, 표적의 시험하고자 하는 특정 거리 구간 내에서 불연속 부분이나 신호의 튀는 현상 없이 정상적으로 거리 신호를 모사하고 있음을 확인하였다.
- 4의 (a), (b), (c)는 RF신호 발생부의 가변 감쇄기를 각각 0 dB, 30 dB, 60 dB로 부여 했을 때의 표적 신호 전력 결과이다. 시뮬레이션을 수행한 결과 모의신호 발생기의 동적범위(dynamic range)인 50 dB 이상의 요구규격을 만족할 수 있음을 확인하였다.
- 12(b)에서 보였다. 시험결과를 분석해 보면 도플러 주파수의 감/가속 구간내에서 불연속 부분이나 신호의 튀는 현상 없이 정상적으로 도플러 신호를 모사하고 있음을 확인하였다.
- 시험한 결과, 사용자가 요구하는 속도로 혼 안테나를 지정하는 위치에 연속적으로 혼 안테나를 구동함으로써 표적 운동을 모사하고 있음을 확인하였다.
- 위와 같은 설계를 바탕으로 제작된 항공기용 추적레이더 시험장비는 레이더 통제제어기의 프로그램을 적용하여 검증하였으며, 시험한 결과로 시험장비에서 요구하는 성능을 만족하였다. 향후에는 유사한 대공 및 대함 추적레이더의 실내 모의시험에 활용되어 추적레이더 시험장비의 개발 비용 및 개발 시간을 절감시킬 수 있을 것으로 예상된다.
- 모의표적 신호의 전력제어 기능을 검증하기 위하여, RF신호 발생부의 출력단을 스펙트럼 분석기에 연결하고 모의표적 제어부 프로그램 화면에서 가변 감쇄량을 설정하여 출력전력의 차이를 측정하였다. 전력제어의 시험결과는 Fig. 11 및 Table 1에서 보여준 바와 같이 1 dB 단위로 최소 50 dB 이상 선형적으로 감쇄량이 제어됨을 확인하였다.
후속연구
- 항공기용 추적레이더가 표적을 탐색하기 위해 표적에 접근하면 상대거리가 감소한다. 실제 표적과의 조우 상황에서 표적이 가까워지면서 발생할 수 있는 상황을 모사하여 항공기용 추적레이더가 적절하게 표적을 추적하고 있는지를 확인해야한다. 이와 같은 성능시험을 수행하기 위해서는 시험장비에서 Fig.
- 위와 같은 설계를 바탕으로 제작된 항공기용 추적레이더 시험장비는 레이더 통제제어기의 프로그램을 적용하여 검증하였으며, 시험한 결과로 시험장비에서 요구하는 성능을 만족하였다. 향후에는 유사한 대공 및 대함 추적레이더의 실내 모의시험에 활용되어 추적레이더 시험장비의 개발 비용 및 개발 시간을 절감시킬 수 있을 것으로 예상된다.
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