[논문]계단 주파수 레이더에서 이동표적의 고해상도 거리 추정을 위한 코히어런트 펄스열 기반의 속도 추정 및 보상

심재훈; 배건성

doi:10.7471/ikeee.2018.22.2.309

초록
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계단 주파수 레이더(Stepped Frequency Radar: SFR)는 송신 펄스의 주파수를 점진적으로 증가시켜 넓은 합성 대역폭을 만듦으로써 높은 거리 해상도를 얻는 방식이다. 그런데 이동표적의 경우 거리-도플러 결합(range-Doppler coupling) 현상으로 정확한 거리 추정을 할 수 없게 되므로 정확한 속도 추정을 통한 보상이 필요하다. 본 논문에서는 코히어런트 펄스열(Coherent Pulse Train: CPT)을 갖는 계단 주파수 레이더 파형을 제안하고, 이를 이용한 속도 추정 및 파라미터에 따른 결과를 기존의 VMD(Velocity Measurement Data) 방식과 시뮬레이션을 통해 비교하고 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A Stepped Frequency Radar(SFR) is a method of achieving high range resolution by gradually increasing the frequency of a transmitted pulse to create a wide synthetic bandwidth. However, in the case of moving target, accurate range estimation can not be performed due to the range-Doppler coupling phe...

A Stepped Frequency Radar(SFR) is a method of achieving high range resolution by gradually increasing the frequency of a transmitted pulse to create a wide synthetic bandwidth. However, in the case of moving target, accurate range estimation can not be performed due to the range-Doppler coupling phenomenon, so it is necessary to compensate through accurate velocity estimation. In this paper, we propose a stepped frequency radar waveform with a Coherent Pulse Train(CPT), velocity estimation results according to parameters using this method and VMD(Velocity Measurement Data) were compared and analyzed by numerical simulations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이동표적의 속도 추정 시 속도추정 정확도를 가지면서 고해상도의 거리 추정이 가능한 코히어런트 펄스열을 갖는 계단 주파수레이더 파형을 제안한다. 이 방식은 코히어런트펄스열(CPT)을 계단 주파수 파형의 앞부분에 전송하는 방식으로, 수신신호가 도플러 주파수에 선형적인 위상 특성을 갖게 되므로 먼저 짧은 펄스열을 이용하여 이동표적의 속도를 추정하고, 추정된 속도 값을 이용하여 수신신호 처리가 된 계단주파수 파형의 거리-도플러 결합 현상을 보상함으로써 이동표적의 정확한 고해상도의 거리 추정을 가능하게 한다.

가설 설정

표 1은 실험에 사용된 파라미터 값을 나타내었다. N_SFR개의 계단 주파수 파형을 갖는 SFR을 가정하고, VMD 방식은 계단 주파수 파형의 N_SFR개펄스 신호가 모두 속도 추정에 사용되며 CPT 방식에서는 부가적인 8개(N_CPT)의 코히어런트 펄스열을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

제안 방법

SFR 레이더에서 이동표적의 속도 추정을 통해 고해상도의 정확한 거리 추정이 용이한 초기 코히어런트 펄스열을 갖는 계단 주파수 파형을 제안하였다. 제안한 CPT 방식을 이용한 속도 추정과정을 유도하고, 그 특성을 기존의 VMD 방식과 비교하여 그 우수성을 실험을 통해 검증하였다.
이동표적에 대한 속도 추정 시 기존의 VMD 방식으로 처리한 속도 추정결과와 본 논문에서 제안한 코히어런트 펄스열을 이용한 CPT 방식으로 처리한 속도 추정결과를 시뮬레이션을 통해 확인하고 최대 속도 범위, 속도 해상도 및 속도 추정정확도 등의 결과를 비교하였다. 또한 CPT 방식에서 송신주파수 f₀와 펄스 반복 주파수 F_p값의 변화에 따른 추정 가능한 최대 속도 범위 V_max를 시뮬레이션을 통해 확인하고 검증하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 VMD 및 CPT 각각의 파라미터는 주로 차량용 레이더에서 응용될 수 있는 파라미터 값들을 사용하였다. 예를 들면, 레이더로부터 이격된 표적의 거리는 250m, 표적의 속도는 +50m/s (=180km/h), 레인지 빈의 크기는 150m (#) 등으로 각각 설정하였다.

데이터처리

이동표적에 대한 속도 추정 시 기존의 VMD 방식으로 처리한 속도 추정결과와 본 논문에서 제안한 코히어런트 펄스열을 이용한 CPT 방식으로 처리한 속도 추정결과를 시뮬레이션을 통해 확인하고 최대 속도 범위, 속도 해상도 및 속도 추정정확도 등의 결과를 비교하였다. 또한 CPT 방식에서 송신주파수 f₀와 펄스 반복 주파수 F_p값의 변화에 따른 추정 가능한 최대 속도 범위 V_max를 시뮬레이션을 통해 확인하고 검증하였다.
SFR 레이더에서 이동표적의 속도 추정을 통해 고해상도의 정확한 거리 추정이 용이한 초기 코히어런트 펄스열을 갖는 계단 주파수 파형을 제안하였다. 제안한 CPT 방식을 이용한 속도 추정과정을 유도하고, 그 특성을 기존의 VMD 방식과 비교하여 그 우수성을 실험을 통해 검증하였다. 또한 CPT 방식의 속도 추정 및 보상을 통해 거리-도플러 결합 영향을 제거하고, 이동표적의 정확한 거리 검출이 가능함을 보였다.

성능/효과

이 방식은 코히어런트펄스열(CPT)을 계단 주파수 파형의 앞부분에 전송하는 방식으로, 수신신호가 도플러 주파수에 선형적인 위상 특성을 갖게 되므로 먼저 짧은 펄스열을 이용하여 이동표적의 속도를 추정하고, 추정된 속도 값을 이용하여 수신신호 처리가 된 계단주파수 파형의 거리-도플러 결합 현상을 보상함으로써 이동표적의 정확한 고해상도의 거리 추정을 가능하게 한다. 기존에 제안되었던 VMD 방식과 본 논문에서 제안한 CPT 방식에서 속도 추정 특성 등을 시뮬레이션을 통해 보이고, 제안한 방법의 타당성을 검증하였다.
제안한 CPT 방식을 이용한 속도 추정과정을 유도하고, 그 특성을 기존의 VMD 방식과 비교하여 그 우수성을 실험을 통해 검증하였다. 또한 CPT 방식의 속도 추정 및 보상을 통해 거리-도플러 결합 영향을 제거하고, 이동표적의 정확한 거리 검출이 가능함을 보였다.
시뮬레이션 결과에서와 같이 CPT 방식이 VMD 방식에 비해 상대적으로 높은 속도 정확도를 얻을수 있음을 확인하였다. 이동표적의 속도 추정 시 VMD 및 CPT 방식을 각각 사용하여 실험한 속도 파라미터 추정 결과를 요약하면 표 2와 같다.
실험 결과에서와 같이 두 방식은 속도 해상도, 최대 속도 범위 및 속도 추정 값에서 큰 차이를 보였다. 그 이유는 VMD 방식은 수신신호 V(m)와 수신신호를 일정한 값으로 지연시킨 V^*(m+α)와의곱을 통해 얻어지는 도플러 주파수에 선형 위상특성을 갖는 2αΔf를 구하고 이 값에 의해 최대속도, 속도 해상도 및 속도 추정 값 등을 구하는 반면에 CPT 방식은 그림 2와 같이 수신신호의 코히어런트 펄스열에서 최대값 인덱스를 구하고 그 구해진 값을 속도 범위 영역에 매핑하여 속도를 추정하며 펄스 반복 주파수 F_p 및 송신주파수f₀에 의해 속도 파라미터 값이 결정되기 때문이다.
의 관계를 보인 것이다. 펄스 반복 주파수 f₀ 가 100kHz, 송신 주파수 f₀가 각각 24GHz, 30GHz, 36GHz이면, 탐지 가능한 최대 속도 범위는 각각 312.5m/s, 250m/s, 208.3m/s로 계산됨을 확인할 수 있다. 즉, CPT 방식에서는 추정 가능 최대 속도 범위가 Δf에 큰 영향을 받는VMD 방식과는 달리 F_p와 f₀를 이용하여 사용 목적에 적합한 최대 속도 범위의 설정이 용이함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	계단 주파수 레이더란 무엇인가?	계단 주파수 레이더(Stepped Frequency Radar: SFR)는 송신 펄스의 주파수를 점진적으로 증가시켜 넓은 합성 대역폭을 만듦으로써 높은 거리 해상도를 얻는 방식이다. 그런데 이동표적의 경우 거리-도플러 결합(range-Doppler coupling) 현상으로 정확한 거리 추정을 할 수 없게 되므로 정확한 속도 추정을 통한 보상이 필요하다.
	도플러 영향으로 인한 비선형 위상 특성을 제거하여 오차를 감소시키는 방법으로 무엇이 제시되었는가?	[1,2,7,8] 따라서 이동표적의 속도 추정을 통한보상을 위해 수신신호로부터 도플러 영향으로 인한 비선형 위상 특성을 제거하고 도플러 주파수에 선형적인 위상 특성을 추출하는 방법이 제안되었었다.[3] 수신신호 처리를 통해 얻은 표적의 레인지 빈(range bin) 샘플 값 V(m)와 수신신호를 일정한 값으로 지연시킨 신호, V*(m+α)와의 곱을 통해 도플러 주파수에 선형적인 위상 특성을 갖는 VMD(Velocity Measurement Data)를 생성하고, 이 신호를 역 푸리에 변환(Inverse FastFourier Transform: IFFT)하여 속도를 추정하는 방식이다. 이 VMD 방식은 계산량도 많을뿐더러, 이동표적의 속도 추정 시 송신 주파수 f0와는 무관하고 Δf의 영향을 받으므로 일반적으로 탐지가능한 최대 속도 범위가 너무 넓어지기 때문에 N-point IFFT로 추정된 속도의 해상도가 저하된다는 단점이 있다.
	이동표적의 경우 정확한 거리 측정이 어려운 이유는 무엇인가?	계단 주파수 레이더(Stepped Frequency Radar: SFR)는 송신 펄스의 주파수를 점진적으로 증가시켜 넓은 합성 대역폭을 만듦으로써 높은 거리 해상도를 얻는 방식이다. 그런데 이동표적의 경우 거리-도플러 결합(range-Doppler coupling) 현상으로 정확한 거리 추정을 할 수 없게 되므로 정확한 속도 추정을 통한 보상이 필요하다. 본 논문에서는 코히어런트 펄스열(Coherent Pulse Train: CPT)을 갖는 계단 주파수 레이더 파형을 제안하고, 이를 이용한 속도 추정 및 파라미터에 따른 결과를 기존의 VMD(Velocity Measurement Data) 방식과 시뮬레이션을 통해 비교하고 분석하였다.

참고문헌 (9)

Yimin Liu, Tianyao Huang, Huadong Meng, XiqinWang, "Fundamental Limits of HRR Profiling and Velocity Compensation for Stepped-Frequency Waveforms," IEEE Transactions on Signal P rocessing, Vol. 62, No.17, pp. 4490-4504, 2014.DOI:10.1109/TSP.2014.2337279

상세보기
Gang Li, "Range and Velocity Estimation of Moving Targets Using Multiple Stepped frequency Pulse Trains," Sensors 2008, pp. 1343-1350, 2008.DOI:10.3390/s8021343

상세보기
Teruyuki Hara, Takashi Sekiguchi, "Doppler Frequency Tolerant Synthetic Bandwidth Radar," 2006 International Radar Symposium, 2006.
Donald R. Wehner, "High Resolution Radar," Artech House, MA, 1987.
Mark A. Richards, "Fundamentals of Radar Signal Processing," Second Edition, McGraw-Hill, New York, 2014.
Venceslav Kafedziski, "Implementation of a High Resolution Stepped Frequency Radar on a USRP," TELSIKS 2017, pp.236-239, 2017.DOI:10.1109/TELSKS.2017.8246271
Thomas Feuillen, Achraf Mallat and Luc Vandendorpe, "Stepped Frequency Radar for Automotive Application: Range-Doppler Coupling and Distortions Analysis," Milcom 2016 Track 1, -Waveforms and Signal Processing, 2016.
Caiyong Lin, Qinglong Bao, Dinghe Wang, Ruiqi Tian, Zengping Chen, "Target Detecting Method for Passive Bistatic Radar Using Stepped-Frequency Radar as the Transmitter," Proceedings of the 13th European Radar Conference, London, UK, pp.294-297, 2016.
J. H. Sim and K. S. Bae, "A Study on the Method of Moving Target Velocity Estimation through Doppler Analysis in Stepped Frequency Radar," 2017 IEIE Academic Symposium, pp. 21-22, 2017.

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