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수직 위상 배열 안테나 기반 기상 레이다에서의 해수면 클러터 제거 성능 분석
Analysis of Sea Clutter Removal Capability in a Weather Radar Based on a Vertical Phased Array Antenna 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.22 no.1, 2018년, pp.155 - 161  

이종길 (Department of Information and Telecommunication Engineering, Incheon National University)

초록
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국지적인 기상 이변이나 강우 현상 등을 분석하고 예보하기 위해서는 지역별로 저고도 탐색이 가능한 다수의 단거리 기상 레이다들이 필요하다. 그러나 이러한 레이다들의 특성인 낮은 고각의 전자파 빔 때문에 지표면 및 해수면 클러터가 기상 반사 신호를 오염시킬 가능성이 매우 높다. 대부분의 지표면 클러터는 매우 낮은 도플러 주파수 부근에 집중되어 나타나므로 주파수 대역에서의 구분이 비교적 용이한 편이다. 그러나 해수면 클러터의 경우 도플러 주파수 점유대역이 기상조건에 따라 매우 넓게 나타날 수 있기 때문에 클러터의 제거가 매우 어려운 실정이다. 따라서 본 논문에서는 전자적인 고각 빔 조향을 위하여 수직 위상 배열 안테나 구조를 갖는 기상 레이다에서의 해수면 클러터 제거 성능 정도를 분석하였다. 또한 위상배열 안테나의 수신 빔 형성을 통하여 해수면 클러터의 제거가 적절하게 이루어질 수 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Many short range weather radars with the low elevation search capability are needed for analysis and prediction of unusual weather changes or rainfall phenomena which occurs regionally. However, due to the characteristics of low elevation electromagnetic wave beam, it is highly probable that the rec...

주제어

#해수면 클러터   #위상 배열 기상 레이다   #빔 형성   #클러터 제거  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 따라서 이러한 경우 일반적인 주파수 대역 필터로는 클러터의 억제가 매우 어렵다. 그러므로 앞장에서 언급한 수신 빔 형성 기법을 적용하여 어느 정도의 클러터 억제가 가능한지 분석 하고자 한다. 기상신호는 0도 방향으로 해수면 클러터는 수평 아래쪽 15도로 수신되고 있으며 신호 대잡음 전력 비는 10dB, 신호 대 해수면 클러터 전력비가 – 5dB인 경우의 모의 수신 도플러 전력 스펙트럼을 그림 2에 표시하였다.
  • 이러한 시스템에서의 해수면 클러터 제거 성능을 분석하기 위해서는 우선 기상 현상에 따른 다양한 해수면 클러터들의 모의 구현이 선행되어야 한다. 따라서 먼저 적절한 해수면 클러터 모델 및 모델 파라미터를 변경함으로서 다양한 클러터들을 얻을 수 있는 방법에 관하여 고찰하였다. 이러한 시간 영역의 해수면 클러터, I, Q 데이터들은 낮은 고각 빔의 부엽에 의하여 발생하게 되므로 기상신호의 수신방향과는 다르게 나타난다.
  • 따라서 수신시 수직 위상 배열 안테나에서의 위상을 조정하여 수신 빔 패턴을 바꾸면 방향성 필터의 역할을 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 수신 빔 형성 기법으로 불리는 이러한 방법을 적용하였을 때 다양한 해수면 클러터에 대한 제거 성능이 어느 정도인지 분석하고자 한다. 또한 이러한 해수면 클러터의 제거를 통하여 오염된 기상신호로부터 클러터들을 적절하게 분리할 수 있는지를 검증하고 그 결과들을 비교하고 고찰하였다.
  • 따라서 본 논문에서는 수신 빔 형성 기법으로 불리는 이러한 방법을 적용하였을 때 다양한 해수면 클러터에 대한 제거 성능이 어느 정도인지 분석하고자 한다. 또한 이러한 해수면 클러터의 제거를 통하여 오염된 기상신호로부터 클러터들을 적절하게 분리할 수 있는지를 검증하고 그 결과들을 비교하고 고찰하였다.
  • 본 논문에서는 기상 레이다에서의 기상 정보추출에 심각한 문제점을 야기할 수 있는 해수면 클러터의 효율적인 제거 방법에 관하여 고찰 하였다. 이러한 목적으로 해수면 클러터의 특성을 감안하여 다양한 경우의 해수면 클러터들을 모의 구현 하였으며 이러한 클러터가 수신 단 출력에서 도플러 주파수 영역에서 기상 신호와 중첩되어 나타나는 현상을 표시하였다.
  • 본 논문에서는 기상 레이다에서의 기상 정보추출에 심각한 문제점을 야기할 수 있는 해수면 클러터의 효율적인 제거 방법에 관하여 고찰 하였다. 이러한 목적으로 해수면 클러터의 특성을 감안하여 다양한 경우의 해수면 클러터들을 모의 구현 하였으며 이러한 클러터가 수신 단 출력에서 도플러 주파수 영역에서 기상 신호와 중첩되어 나타나는 현상을 표시하였다. 앞장의 결과로 부터 확인 할 수 있는 것처럼 비교적 간단한 구조인 수직 배열된 4개의 안테나 소자를 이용하여 수신 빔 형성을 효과적으로 수행 할 수 있음을 알 수 있다.

가설 설정

  • 본 논문에서는 360도 전 방향 탐색을 위해서는 기계적인 회전에 의한 수평 빔 조향을 채택하고 고각 빔의 조향을 전자적으로 조정할 수 있는 안테나 시스템, 즉 수직 방향만 위상 배열 안테나를 적용하여 비교적 경제 적으로 구현 가능한 시스템을 가정하였다[3]. 이러한 시스템에서의 해수면 클러터 제거 성능을 분석하기 위해서는 우선 기상 현상에 따른 다양한 해수면 클러터들의 모의 구현이 선행되어야 한다.
  • 본 논문에서는 수직방향으로 반 파장 간격으로 slotted waveguide 4개를 배열하는 비교적 간단한 구조의 9GHz 대역 array antenna 를 가정하였다. 수직 배열 된 안테나 구조 및 수신 블록도를 그림 1에 간략하게 표시 하였다.
  • 식(4)에서의 N은 부가성 백색 가우시안 잡음의 전력밀도를 나타낸다. 이제 SCNR(signal to clutter plus noise ratio)에 따라 수신되는 반사전력을 실질적으로 나타내기 해서는 전파 채널에서의 랜덤 확률 특성을 고려하여야 하며 수신 채널, I, Q 에서 나타나는 크기(amplitude) 값이 일반적으로 Rayleigh 분포를 가진다고 가정할 수 있다. 따라서 수신 전력은 다음과 같이 지수함수 분포로 나타날 수 있게 모의 발생 시킬 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기상 정보의 신뢰도를 높이기 위한 방안은? 저고도 탐지가 필수적인 근거리 기상 레이다의 경우 강력한 해수면 클러터들이 정확한 기상 정보추출에 심각한 장애 요인이 될 수 있다. 따라서 이러한 문제점을 극복하기 위해서는 본 논문에서 분석, 고찰한 바와 같이 배열 안테나 구조를 활용한 수신 빔 형성을 통한 공 간 필터를 적용함으로서 이러한 강력한 클러터들을 기상신호로부터 분리, 제거함으로서 신뢰성 있는 기상 정보 추출이 이루어져야 할 것이다. 그러므로 본 논문에 서 분석, 고찰한 기법들을 적절하게 활용한다면 기상 레이다에서의 성능 열화의 원인인 강력한 클러터들을 효율적으로 제거함으로서 추출된 기상 정보의 신뢰도 를 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다.
기상 레이다의 역할은? 기상 레이다는 오랫동안 주로 비구름에 의한 반사 신호를 추정하여 기상 예보에 활용하여 왔다. 이러한 레이다 시스템은 중장거리용으로 넓은 지역에 걸친 전체 적인 기상 현상을 파악하는데 큰 도움이 된다[1, 2].
지역별로 저고도 탐색이 가능한 다수의 단거리 기상 레이다가 필요한 이유는? 국지적인 기상 이변이나 강우 현상 등을 분석하고 예보하기 위해서는 지역별로 저고도 탐색이 가능한 다수의 단거리 기상 레이다들이 필요하다. 그러나 이러한 레이다들의 특성인 낮은 고각의 전자파 빔 때문에 지표면 및 해수면 클러터가 기상 반사 신호를 오염시킬 가능성이 매우 높다.
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