[논문]X 밴드 레이더의 아날로그 - 디지털 신호 변환

김박사; 권병혁; 김민성; 윤홍주

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.3.497

X 밴드 레이더의 아날로그 - 디지털 신호 변환
Converting Analog to Digital Signals on the X-band Radar 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.13 no.3, 2018년, pp.497 - 502

김박사 (부경대학교 지구과학연구소) , 권병혁 (부경대학교 환경대기과학과) , 김민성 (부경대학교 지구과학연구소) , 윤홍주 (부경대학교 공간정보시스템공학과)

초록
AI-Helper

선박용 X 밴드 레이더의 영상 신호를 추출하고 디지털 신호로 처리하여 강우 정보를 생산하는 변환기(Analog to Digital Converter, ADC)를 설계하였다. X 밴드 기상 레이더는 국지적 범위에 대한 강우의 시공간적 고해상도 관측에 적합하지만 가격이 매우 비싸고 전문적인 관리가 필요하다. 이에 비해 10-2 비용의 선박용 레이더는 경제적인 이득뿐만 아니라 자료 수집 및 관리를 용이하게 한다. 개발한 변환기의 유용성을 검증하기 위해 단기 강수 사례에 대한 기상 레이더와 비교 관측을 수행하였다. 선박용 레이더의 강우 관측 결과는 반경 15 km 이내에서 기상 레이더와 일치하였다. 이를 통해 선박용 레이더의 강우 관측 활용성을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An analog to digital converter(: ADC) has been designed to extract video signals of marine X-band radar and convert to digital signals in order to produce rainfall information. X-band weather radars are suitable for high temporal-spatial resolution observations of rainfall over local ranges but they are very expensive and require professional management. The marine radars with 10-2 cost facilitate data collection and management as well as economic benefits. To validate the usefulness of the developed ADC, comparative observations were made with weather radar for short term precipitation cases. The rainfall distribution of marine radar observations are consistent with that of weather radar within a radius of 15 km. This demonstrates the usability of marine radar for rainfall observations.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 강우 현상에 대한 X 밴드 선박용 레이더의 신호를 추출하고 디지털 신호로 처리하여 강우 정보를 생산하는 ADC를 설계하였다. 관측 강우의 분포를 기상 레이더 강우 분포와 비교하여 변환기의 유용성을 검증한다.
관측 강우의 분포를 기상 레이더 강우 분포와 비교하여 변환기의 유용성을 검증한다. 본 연구의 성과는 우리나라의 지형적 특성과 관측 장비의 고비용에 따른 강우 관측의 한계를 극복할 수 있는 강우 관측 시스템 구축의 초석이 될 수 있을 것이다.

제안 방법

Head, Bearing, Trigger, Video를 서로 논리적으로 연결 처리하도록 하여 신호 손실 가능성을 방지하고, ADC 샘플링 주파수를 40MHz로 해서 정밀도와 정확도를 극대화하였다.
선박용 레이더의 신호처리를 위한 ADC는 안테나 부와 모니터 부 사이에 일어나는 신호 전송에 영향을 주지 않으면서 위의 Head, Bearing, Trigger, Video 신호를 인식할 수 있도록 설계하였다(그림 2). 개발한 ADC는 Head, Bearing, Trigger 신호가 활성화된 상태 조건과 함께 동기된 Video 신호를 12 bit 레벨, 40 MHz 샘플링 주파수로 변환하여 DRAM에 저장한다. DRAM에 저장된 신호 조건과 디지털화된 신호는 RS-232C 또는 RS-422 또는 USB로 출력 가능하다.
본 연구에서는 강우 현상에 대한 X 밴드 선박용 레이더의 신호를 추출하고 디지털 신호로 처리하여 강우 정보를 생산하는 ADC를 설계하였다. 관측 강우의 분포를 기상 레이더 강우 분포와 비교하여 변환기의 유용성을 검증한다. 본 연구의 성과는 우리나라의 지형적 특성과 관측 장비의 고비용에 따른 강우 관측의 한계를 극복할 수 있는 강우 관측 시스템 구축의 초석이 될 수 있을 것이다.
선박 레이더의 구조적 특징으로 고도각의 허용 범위가 커서 아래로 향하는 빔을 물리 적인 방법으로 차단하였다. 또한 관측 거리가 멀어지면서 관측 부피가 확장되기 때문에 발생하는 오차를 줄이기 위해서 부피 보정을 하였다. 파장이 약 3 cm인 X 밴드 빔은 수증기나 물방울에 의해 감쇄되는 단점이 있지만 관측 반경 15 km 이내에서 기상 레이 더의 강우 관측 결과와 일치하는 결과를 보였다.
MHz의 샘플링 속도로 12 bit 레벨로 AD 변환을 시켜 출력함으로써 레이더의 Video는 그 전압 레벨에 따라 양자화 변환되는 디지털 반사정보로 변환된다. 또한 호스트 컴퓨터의 인터페이스 사양에 제약을 두지 않기 위해서 RS-232C, RS422, USB의 인터페이스가 가능하도록 설계하였다.
레이더의 안테나와 모니터 간에 전송되는 Heading, Bearing, Trigger는 모두 +12V, 0V 레벨로 온/오프되는 신호이기 때문에 전압을 분배하여 TTL 레벨로 만든 다음 7414 LOGIC을 거쳐 FPGA로 온/오프 상태를 나타내도록 설계하였고, Video 신호는 반사 정도에 따라 0∼-6 V 레벨로 스윙하기 때문에 반전 연산증폭기 OP AMP를 써서 위상을 반전시킨 다음 ADS800 소자에 입력되게 하였다.
안테나에서 모니터로 전송되는 아날로그 신호를 받아서 디지털 신호로 성공적으로 변환하였다. 선박 레이더의 구조적 특징으로 고도각의 허용 범위가 커서 아래로 향하는 빔을 물리 적인 방법으로 차단하였다. 또한 관측 거리가 멀어지면서 관측 부피가 확장되기 때문에 발생하는 오차를 줄이기 위해서 부피 보정을 하였다.
선박용 X 밴드 레이더 영상을 강우 정보로 변환하기 위하여 ADC를 개발하였다. 안테나에서 모니터로 전송되는 아날로그 신호를 받아서 디지털 신호로 성공적으로 변환하였다.
선박용 X 밴드 레이더를 이용하여 2017년 9월 6일 단기 강수 사례에 대한 관측을 수행하였다. 부경대학교 용당 캠퍼스에서 선박용 레이더 관측 시스템의 시범운용을 실시하였고, 운용 결과의 검증을 위하여 관측 반경 내에서 운용 중인 13대의 자동기상관측소 자료를 사용하였다.
반사 또는 산란된 신호에 해당되는 Video는 트리거 펄스에 의하여 기동되어 안테나 부로부터 모니터 부로 전송된 다. 선박용 레이더의 신호처리를 위한 ADC는 안테나 부와 모니터 부 사이에 일어나는 신호 전송에 영향을 주지 않으면서 위의 Head, Bearing, Trigger, Video 신호를 인식할 수 있도록 설계하였다(그림 2). 개발한 ADC는 Head, Bearing, Trigger 신호가 활성화된 상태 조건과 함께 동기된 Video 신호를 12 bit 레벨, 40 MHz 샘플링 주파수로 변환하여 DRAM에 저장한다.
선박용 X 밴드 레이더 영상을 강우 정보로 변환하기 위하여 ADC를 개발하였다. 안테나에서 모니터로 전송되는 아날로그 신호를 받아서 디지털 신호로 성공적으로 변환하였다. 선박 레이더의 구조적 특징으로 고도각의 허용 범위가 커서 아래로 향하는 빔을 물리 적인 방법으로 차단하였다.

대상 데이터

그림 6. 2017년 9월 6일 21:51 LST에 S 밴드 기상 레이더(왼쪽)와 선박용 X 밴드 레이더(오른쪽)의 강우 관측 영상.
강수 관측용으로 개량된 선박용 X 밴드 레이더는 안테나, ADC, 모니터 그리고 PC로 구성된다. 안테나 부와 모니터 부 사이에 ADC를 연결하고, ADC에 장착된 인터페이스(USB 포트 혹은 RS232 포트)를 통해서 디지털 신호로 변환된 레이더 정보를 PC로 전송하여 저장한다.
선박용 X 밴드 레이더를 이용하여 2017년 9월 6일 단기 강수 사례에 대한 관측을 수행하였다. 부경대학교 용당 캠퍼스에서 선박용 레이더 관측 시스템의 시범운용을 실시하였고, 운용 결과의 검증을 위하여 관측 반경 내에서 운용 중인 13대의 자동기상관측소 자료를 사용하였다. 그림 6과 그림 7에서 기상청이 현업에 운용하고 있는 S 밴드 레이더의 강우 관측 결과와 선박용 레이더의 강우 관측 결과를 비교하였다.
선박용 레이더 관측에 적합한 레이더 설치 지점은 모든 방향 또는 최소한 관심 영역에서 빔이 차폐되지 않는 곳이어야 한다. 선박용 소형 레이더 관측 시스템의 시범 운용을 위하여 부경대학교 내에 위치한 지구 과학연구소(위도 35.11˚, 경도 129.09˚, 고도 100 m)에 구축하였다. 선박용 소형 레이더의 관측 반경 내에 기상청에서 운용 중인 13대의 자동기상관측소가 있기 때문에 선박용 소형 레이더 시스템의 검증을 위한 우량계 개수는 적절하다.

성능/효과

고도각 0° 이하의 빔을 차단하기 위해 레이더 주위로 클러터 펜스를 설치하여 청천 사례에 대하여 클러터 펜스로 지형클러터를 제거하기 전과 후의 결과를 비교하였을 때, 지형클러터로 인하여 포화되었던 레이더 반사도 영역이 감소하였다.
또한 관측 거리가 멀어지면서 관측 부피가 확장되기 때문에 발생하는 오차를 줄이기 위해서 부피 보정을 하였다. 파장이 약 3 cm인 X 밴드 빔은 수증기나 물방울에 의해 감쇄되는 단점이 있지만 관측 반경 15 km 이내에서 기상 레이 더의 강우 관측 결과와 일치하는 결과를 보였다. 관측 자료가 축적되고 품질 관리 알고리즘을 개발하면 기상 레이더의 관측 사각 지역을 보완할 수 있고 국지적인 악기 예보에 일조할 것으로 기대된다.

후속연구

파장이 약 3 cm인 X 밴드 빔은 수증기나 물방울에 의해 감쇄되는 단점이 있지만 관측 반경 15 km 이내에서 기상 레이 더의 강우 관측 결과와 일치하는 결과를 보였다. 관측 자료가 축적되고 품질 관리 알고리즘을 개발하면 기상 레이더의 관측 사각 지역을 보완할 수 있고 국지적인 악기 예보에 일조할 것으로 기대된다.
북쪽의 강우 에코는 빔 차폐에 의해 탐지되지 않았고, 반경 15 km 이상의 영역에 내리는 강우 탐지율은 매우 낮다. 본 연구에서 개량한 선박 레이더의 전력은 4 kW로 약해서 멀리 송신되지 못하고 감쇄가 크기 때문에 25 kW 정도의 다른 모델의 선박 레이더 활용이 요구된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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