[논문]완전 디지털 능동배열 레이다의 적응형 부엽제거 알고리즘에 관한 연구

양우용; 박민규; 홍성원; 김찬홍

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.5.375

초록
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레이다는 강한 재밍신호를 제거하기 위해 부엽제거 알고리즘을 이용하여 상대적으로 약한 표적신호를 획득한다. 본 논문에서는 완전 디지털 능동배열 레이다에서 적용 가능한 새로운 적응형 부엽제거 알고리즘을 제안한다. 먼저 부엽제거 빔 신호를 이용하여 공분산 행렬을 구한다. 그리고 부엽제거 빔 신호와 주빔 신호와의 상관행렬을 산출한 후, 적응형 부엽제거 빔 형성 계수를 획득한다. 그 후 수신되는 주빔 신호와의 연산을 통해 최종적으로 재밍신호가 제거된 표적신호를 구한다. 시뮬레이션 신호로의 적용 결과를 통해 제안된 알고리즘이 부엽제거에 효과적임을 확인하였고, 실제 레이다에 적용하기 위한 여러 고려사항들을 분석하여 체계 적용성을 높였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To eliminate strong jamming signals, a radar acquires a relatively weak target signal by using a side-lobe canceller (SLC) algorithm. This paper presents a novel adaptive SLC algorithm that is applicable to a fully digital active array radar. First, a covariance matrix is obtained from the SLC beam....

To eliminate strong jamming signals, a radar acquires a relatively weak target signal by using a side-lobe canceller (SLC) algorithm. This paper presents a novel adaptive SLC algorithm that is applicable to a fully digital active array radar. First, a covariance matrix is obtained from the SLC beam. Then, an adaptive SLC coefficient is extracted after calculating the correlation matrix between the main beam signal and the SLC beam signal. Finally, the target signal is estimated and the jamming signal is removed through the operation with the main beam signal. The application results from simulated radar signals demonstrated that the proposed algorithm is effective in an SLC system. Moreover, we analyzed various considerations and improved systematic usability.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 완전 디지털 능동배열 레이다에 적용가능한 부엽제거 알고리즘을 제시하였다. 기존의 다른 부엽제거 알고리즘과는 달리 본 논문에서 제시된 기법은 디지털 신호단에서 형성된 부엽제거 수신빔만을 이용하여 적응빔 계수를 구하고, 수신 빔 신호와 형성된 부엽제거 빔의 차 연산을 통해 최종 빔 신호를 형성하였다.
본 절에서는 완전 디지털 능동위상배열 레이다에 적용 가능한 적응형 부엽제거 알고리즘을 소개한다. 각 디지털 송수신 블록은 다수의 다중빔 형성이 가능하며, 그 중 일부를 부엽제거 수신빔으로 할당하여, 빔 형성 과정에서 단순 행렬 연산만으로도 재밍신호를 제거할 수 있다.
본 절에서는 제안된 적응형 부엽제거 알고리즘을 검증하기 위해 재밍 및 표적신호를 모사하여, 최종 수신빔으로부터 표적신호가 추출 가능한지 여부를 확인하였다. 표 1에는 표적 및 재머의 시뮬레이션 변수를 정리하였다.
이에 본 논문에서는 이러한 단점들을 극복하기 위해서 완전 디지털 능동위상배열 레이다^[6]에서 적용 가능한 적응형 부엽제거 알고리즘 방식을 제안한다. 완전 디지털 능동위상배열 레이다는 탐색자원 절약을 위한 디지털 다중빔 형성이 가능하며, 소자 단위의 빔 형성으로 별도의 부엽제거 안테나 소자가 필요 없이 부엽제거 빔 형성이 가능하다.

가설 설정

즉, 부엽제거수신빔의 개수를 결정한다는 것은, 부엽제거 수신빔을 만들 디지털 송수신 블록의 개수를 결정한다는 것이다. 4-1 알고리즘 검증단계에서는 4개의 디지털송수신 블록을 가정하였고, 4개의 재머신호를 모사하여 알고리즘이 효과적으로 동작함을 확인하였다. 4-2절에서는 추가적으로 표 1의 표적 및 재머 시뮬레이션 변수에 7.

제안 방법

구한 적응형 부엽제거 빔 형성 계수는 수신되는 재밍신호와 곱연산 후, 최종적으로 수신되는 다중빔 신호와의 차를 통해 최종 재밍신호가 제거된 최종빔 신호가 추출된다. 그리고 제안한 적응형 부엽제거 알고리즘을 이용하여 성능을 검증하고, 갖가지 경우에 따른 부엽제거 성능을 확인한다. Ⅱ절에서는 완전 디지털 능동위상배열 레이다 개요, Ⅲ절에서는 적응형 부엽제거 알고리즘을 다룬다.
본 논문에서는 완전 디지털 능동배열 레이다에 적용가능한 부엽제거 알고리즘을 제시하였다. 기존의 다른 부엽제거 알고리즘과는 달리 본 논문에서 제시된 기법은 디지털 신호단에서 형성된 부엽제거 수신빔만을 이용하여 적응빔 계수를 구하고, 수신 빔 신호와 형성된 부엽제거 빔의 차 연산을 통해 최종 빔 신호를 형성하였다. 제안된 알고리즘은 부배열기술을 이용한 부엽제거 방식보다 공분산 행렬의 개수가 훨씬 적어 계산시간과 연산량이 적다는 큰 장점이 있다.
제안 알고리즘은 제거하고자하는 재머의 개수를 고려하여 부엽제거 수신빔의 개수를 결정한다. 즉, 부엽제거수신빔의 개수를 결정한다는 것은, 부엽제거 수신빔을 만들 디지털 송수신 블록의 개수를 결정한다는 것이다.

대상 데이터

완전 디지털 능동배열 레이다의 배열구조는 세로 56개, 가로 48개의 소자개수를 가지며, 이 중 16개 소자로 이루어진 디지털 송수신 블록 4부분을 통해 부엽제거 수신빔을 생성하였다. 레이다는 먼저 트레이닝(training) 구간에서 레이다 방사 없이 재밍신호를 수신하여 부엽제거 수신빔 데이터를 저장하여 공분산 행렬을 구하게 되고, 그 후 #51～#1000 샘플로 들어온 표적 신호와 재밍신호와의 상관행렬을 구한다.

이론/모형

초기의 부엽제거 알고리즘은 가중치의 합이 가능한 부엽제거장치의 출력에서 평균전력을 최소화시킬 수 있도록 하는 Gradient 알고리즘을 적용하여 구현하기 쉽다는 장점이 있지만, 제거하기 위한 재밍신호의 개수에 따라 부엽제거 안테나가 추가로 제작이 필요하다는 단점을 가지고 있다^[1],[2]. 적응형 배열기술을 이용한 부엽제거 방식은 LCMV(Linear Constrained Minimum Variance)같은 알고리즘을 이용하여 선형의 제한조건을 만족시키면서 출력의 분산 또는 파워를 최소화하는 빔 형성계수를 계산하여 주파수 축에서 영점을 형성하는 방식을 적용한다. 이 방식은 간섭환경에서 적응빔 형성을 통해 재밍의 개수를 많이 제거할 수 있지만, 배열소자의 개수가 늘어날수록 빔조향 계수의 계산시간 및 연산량이 커져 실시간 적용이 어렵다^[3]～[5].

성능/효과

(a)는 재머가 부엽제거 수신빔의 null 방향이 아닌 곳으로 들어오는 경우로, 재머신호 방향으로 약 –140 dB 정도 영점을 형성하여 정확히 표적신호를 추출함을 확인하였다.
예를 들어 4개의 재머 신호에 의한 영향을 제거하기 위해서는 4개의 디지털 송수신 블록의 부엽제거 수신빔을 이용한다^[10]. 기존의 부배열 방식의 방법에서 부엽제거 알고리즘을 적용하는 방법은 모든 부배열의 개수에 따라 공분산을 계산해야 하며 연산량이 매우 크다는 단점이 있지만, 제안 방법은 재밍신호, 즉 부엽제거 수신빔에 대한 공분산 행렬을 계산하면 되므로 훨씬 효과적이다.
첫째, 완전 디지털 능동배열 레이다는 부배열 개념의 능동배열 레이다보다 감도가 크게 개선된다. 둘째, 여러 개의 아날로그 소자 신호를 합쳐서 디지털 변환하는 부배열 방식이 아닌, 소자 단위로 디지털 다중빔 빔 형성이 가능하기 때문에 다중빔성능의 열화 없이 다수의 다중빔을 만들 수 있다. 이러한 완전 디지털 능동배열 레이다는 각 소자마다 병렬적으로 동시에 디지털 신호로 변환되기 때문에 더 많은 시간이 소요되지 않으며, 최근 직접변환 칩의 발전으로 인해 실시간으로 구현이 가능하다는 것도 큰 장점이다.
그림 4는 표 1의 변수를 적용하여 적응형 부엽제거 알고리즘 적용 전/후의 시간축 신호 결과이다. 알고리즘 적용 전에는 재머신호의 영향으로 보이지 않던 표적신호가, 적용 후에는 정확히 #801～#805 샘플에서 표적신호가 추출됨을 확인할 수 있다. 즉, 알고리즘 적용 전에는 표적신호와 표적신호보다 20배 큰 재머신호가 동시에 들어와 원하는 표적신호를 추출할 수 없지만, 알고리즘 적용 후에는 큰 재머신호가 들어오더라도, 적응형 SLC 계수 획득 및 재머신호 제거를 통해 표적이 효과적으로 추출됨을 알 수 있다.
기존의 다른 부엽제거 알고리즘과는 달리 본 논문에서 제시된 기법은 디지털 신호단에서 형성된 부엽제거 수신빔만을 이용하여 적응빔 계수를 구하고, 수신 빔 신호와 형성된 부엽제거 빔의 차 연산을 통해 최종 빔 신호를 형성하였다. 제안된 알고리즘은 부배열기술을 이용한 부엽제거 방식보다 공분산 행렬의 개수가 훨씬 적어 계산시간과 연산량이 적다는 큰 장점이 있다. 또한 실제 레이다에 적용하기 위한 여러 고려사항을 분석하여 레이다 체계에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
알고리즘 적용 전에는 재머신호의 영향으로 보이지 않던 표적신호가, 적용 후에는 정확히 #801～#805 샘플에서 표적신호가 추출됨을 확인할 수 있다. 즉, 알고리즘 적용 전에는 표적신호와 표적신호보다 20배 큰 재머신호가 동시에 들어와 원하는 표적신호를 추출할 수 없지만, 알고리즘 적용 후에는 큰 재머신호가 들어오더라도, 적응형 SLC 계수 획득 및 재머신호 제거를 통해 표적이 효과적으로 추출됨을 알 수 있다.
완전 디지털 능동배열 레이다는 완전 디지털 빔 형성 방식을 이용하여 기존의 아날로그 방식의 변위기를 이용한 아날로그 빔 형성 방식, 디지털 변위기를 이용하고 부배열 개념을 적용한 디지털 빔 형성방식보다 많은 장점을 가지고 있다. 첫째, 완전 디지털 능동배열 레이다는 부배열 개념의 능동배열 레이다보다 감도가 크게 개선된다. 둘째, 여러 개의 아날로그 소자 신호를 합쳐서 디지털 변환하는 부배열 방식이 아닌, 소자 단위로 디지털 다중빔 빔 형성이 가능하기 때문에 다중빔성능의 열화 없이 다수의 다중빔을 만들 수 있다.

후속연구

제안된 알고리즘은 부배열기술을 이용한 부엽제거 방식보다 공분산 행렬의 개수가 훨씬 적어 계산시간과 연산량이 적다는 큰 장점이 있다. 또한 실제 레이다에 적용하기 위한 여러 고려사항을 분석하여 레이다 체계에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부엽제거 알고리즘의 역할은 무엇인가?	레이다는 원활한 표적 정보 획득을 위해 능동위상배열 안테나의 지향성 특성 및 시공간 처리 개념을 이용하여 부엽차단 및 부엽제거, 적응형 배열 기술을 개발하고 있다. 특히 강한 재밍신호 제거에 효과적인 부엽제거 알고리즘은 레이다의 주안테나와 보조안테나를 이용하여 주안테나의 부엽으로 인가되는 재밍신호와 똑같은 신호를 보조안테나를 통하여 획득하고, 이를 이용하여 재머방향에 빔 패턴의 영점이 형성될 수 있도록 안테나의 수신패턴을 변경한다. 초기의 부엽제거 알고리즘은 가중치의 합이 가능한 부엽제거장치의 출력에서 평균전력을 최소화시킬 수 있도록 하는 Gradient 알고리즘을 적용하여 구현하기 쉽다는 장점이 있지만, 제거하기 위한 재밍신호의 개수에 따라 부엽제거 안테나가 추가로 제작이 필요하다는 단점을 가지고 있다[1],[2].
	레이다란 무엇인가?	레이다(radar)는 무선탐지와 거리 측정(radio detecting and ranging)의 약어로, 클러터 및 재밍신호와 같은 원하지 않는 신호를 제거하고, 상대적으로 크기가 작은 표적에서 산란되는 전자파를 수신하여 정보를 획득하는 센서이다. 레이다는 원활한 표적 정보 획득을 위해 능동위상배열 안테나의 지향성 특성 및 시공간 처리 개념을 이용하여 부엽차단 및 부엽제거, 적응형 배열 기술을 개발하고 있다.
	적응형 배열기술을 이용한 부엽제거 방식을 이용했을 때 제한되는 점은 무엇인가?	적응형 배열기술을 이용한 부엽제거 방식은 LCMV(Linear Constrained Minimum Variance)같은 알고리즘을 이용하여 선형의 제한조건을 만족시키면서 출력의 분산 또는 파워를 최소화하는 빔 형성계수를 계산하여 주파수 축에서 영점을 형성하는 방식을 적용한다. 이 방식은 간섭환경에서 적응빔 형성을 통해 재밍의 개수를 많이 제거할 수 있지만, 배열소자의 개수가 늘어날수록 빔조향 계수의 계산시간 및 연산량이 커져 실시간 적용이 어렵다[3]～[5].

참고문헌 (10)

김선주, 안창수, 이종현, 홍윤석, "디지털 궤환회로를 갖는 하이브리드 방식의 부엽제거장치 설계," 한국군사과학기술학회 2009년 종합학술대회, pp. 731-734, 2009년.
D. P. Bertsekas, Nonlinear Programming, Belmont, Massachusetts, Athena Scientific, 1995.
김동환, 김은희, 박종헌, 김선주, "능동위상배열 레이다 적용을 위한 FPGA 기반 실시간 적응 빔 형성기 설계 및 구현," 한국전자파학회논문지, 26(4), pp. 424-434, 2015년 4월.
L. Griffiths, C. Jim, "An alternative approach to linearly constrained adaptive beamforming," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 30, no. 1, pp. 27-34, Jan. 1982.

상세보기
양은정, 한일탁, 송준호, 이희영, 염동진, "간섭환경에 강인한 적응형 부엽차단기," 한국전자파학회논문지, 26(3), pp. 317-325, 2015년 3월.

원문보기 상세보기
S. H. Talisa, K. W. O'haver, T. M. Comberiate, M. D. Sharp, and O. F. Somerlock, "Benefits of digital phased array radar," in Proceedings of the IEEE, Mar. 2016, vol. 104, no. 3, pp. 530-543.

상세보기
A. Farina, Antenna-Based Signal Processing Techniques for Radar System, Boston, Artech House, 1992.
L. S. Reed, J. D., Mallett, and L. E. Brennan, "Rapid convergence rate in adaptive arrays," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 10, no. 6, pp. 853-863, Nov. 1974.
C. H. Gierull, "Fast and effective method for low-rank interference suppression in presence of channel error," Electronic Letters, vol. 34, no. 6, pp. 518-520, Mar. 1998.

상세보기
김은정, 문성빈, 이병섭, 김진호, 홍동희, "적응 sidelobe canceller에서의 Spatio-temporal 처리 구조에 관한 연구," 한국전자파학회논문지, 11(3), pp. 329-336, 2000년 4월.

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