[논문]잡음 감소 기법을 활용한 레이다의 최대 거리 향상 기법

이동효; 정대원; 신한섭; 양형모; 김상동; 김봉석; 진영석

doi:10.9723/jksiis.2019.24.6.001

초록
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본 논문에서는 수신신호에 신호처리 기법을 수행함으로써 잡음을 감소시켜 탐지가능 거리를 향상시키는 방법을 제안한다. 레이다의 탐지 거리를 증가시키기 위해서는 수신신호의 잡음성분을 감소시켜야 한다. 제안하는 방식에서는 두 가지 방법을 이용하여 잡음성분을 감소시킨다. 첫째, 다수의 펄스로 송수신된 레이다 신호를 하나로 누적시킨다. 이때 더해지는 횟수가 증가할수록 잡음의 무작위성으로 인해 점차 작아지지만, 신호 부분은 점차 커지는 특성을 이용한다. 둘째, 누적된 신호를 주파수 스펙트럼으로 변환한 후 LMS (Least mean square) 필터를 적용시킨다. 레이다 수신신호의 경우 대부분이 잡음 성분이므로, 시간 영역에서 LMS 필터를 적용할 경우, 오히려 잡음이 더 증가하게 된다. 이를 방지하기 위해 수신신호를 전체 주파수 스펙트럼으로 변환한 후 LMS 필터를 적용한다. 이후 LMS 필터 출력을 시간 영역으로 다시 변환하고, 거리 추정 알고리즘을 수행한다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안된 알고리즘을 적용함으로써 잡음 성분을 25 dB 개선시킴을 보였다. 실험은 국제우주정거장을 대상으로 한국항공우주연구원에서 보유중인 레이다의 기존 결과와 제안된 결과를 비교분석하여 최대 거리가 약 1,000 Km이상 측정됨을 관찰할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a method to improve the detectable distance by reducing noise to perform a signal processing technique on the received signals. To increase the radar detection range, the noise component of the received signal has to be reduced. The proposed method reduces the noise component by ...

This paper proposes a method to improve the detectable distance by reducing noise to perform a signal processing technique on the received signals. To increase the radar detection range, the noise component of the received signal has to be reduced. The proposed method reduces the noise component by employing two methods. First, the radar signals received with multiple pulses are accumulated. As the number of additions increases, the noise component gradually decreases due to noise randomness. On the other hand, the signal term gradually increases and thus signal to noise ratio increases. Secondly, after converting the accumulated signal into the frequency spectrum, a Least Mean Square (LMS) filter is applied. In the case of the radar received signal, desired signal exists in a specific part and most of the rest is a noise. Therefore, if the LMS filter is applied in the time domain, the noise increases. To prevent this, the LMS filter is applied after converting the received signal into the entire frequency spectrum. The LMS filter output is then transformed into the time domain and then range estimation algorithm is performed. Simulation results show that the proposed scheme reduces the noise component by about 25 dB. The experiment was conducted by comparing the proposed results with the conventional results of the radars held by the Korea Aerospace Research Institute for the international space station.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 TX Pulse Signal (v = 4 × 10^-6)
그림 Fig. 2 Structure of Proposed Algorithm
그림 Fig. 3 Probability of Detection accordingto SNR
그림 Fig. 4 Received Signal and Output of LMS Filter
표 Table 1 Main Specs of Tracking Radar System (Choi et al., 2015)
그림 Fig. 5 Comparison of the Received Signal in the Experiment; (a) Signal before Proposed Algorithm, (b) Signal after Proposed Algorithm at q = 15
그림 Fig. 6 Comparison of the Received Signal in the Experiment; (a) Signal before Proposed Algorithm, (b) Signal after Proposed Algorithm at q = 30
그림 Fig. 7 Noise Power according to the Number of Iterations at q = 30
그림 Fig. 8 Results of Conventional and Proposed LMS Algorithms at q = 30
그림 Fig. 9 Comparison of Range in the Experiment

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 수신신호에 두 가지 신호처리를 수행함으로써 잡음성분을 감소시켜 최대거리를 확장시키는 방식을 제안한다. 첫째, 다수의 펄스로 송수신된 레이다 신호의 진폭값을 누적시킴으로 펄스 간 위상차이가 존재하더라도 상쇄간섭이 발생하지 않도록 한다.
본 논문에서는 항우연에서 보유중인 추적레이 다의 파라미터를 변경하지 않고 획득한 수신신 호의 잡음을 감소시킴으로써 탐지 가능한 최대 거리를 향상시키는 방법에 대해 제안하였다. 레이다 탐지가능 거리 증가를 위해서는 수신신호의 잡음성분을 감소시켜야 한다.
본 절에서는 고려하는 레이다의 시스템 모델 및 항우연에서 보유 중인 추적레이다의 시스템및 사양을 분석한다.
본 절에서는 항우연 보유 추적레이다의 시스템파라미터를 변경하지 않고, 레이다에 수신된 신호를 신호처리 함으로써 잡음 전력을 감소시켜 최대 탐지 거리를 증가시키는 알고리즘을 기술한 다. 수식 (8)에서 분자의 파라미터 값을 증가시키 거나 분모의 파라미터 값을 감소시킴으로써 최대 탐지 거리를 증가시킬 수 있다.

제안 방법

이후[k]의 LMS 출력[k]를 통해 잡음성분의크기를 더욱 감소시킨 후 다시 시간영역으로 변환하기 위해 IFFT를 수행한다. IFFT 출력의 첨두치 검출을 이용해 지연시간을 추정하고 추정한 지연시간으로 부터 타겟의 거리를 계산한다.
하지만, 주어진레이다 시스템의 파라미터들을 변경하는데 제한이 있으므로, 이 값들을 변경할 수 없다. 따라서, Ru의 ADC (Analog to digital converter) 신호 Rn에 Fig. 2와 같은 신호처리를 수행함으 로써 잡음 성분을 감소시키는 기법을 제안한다.
본 절에서는 제안된 신호처리 기법의 효용성을 검증하기 위한 실험을 수행하고 결과를 분석 한다. 실험을 위해서 항우연 제주추적소의 나로 우주센터 추적레이다 (Choi et.
본 절에서는 제안된 신호처리 기법의 효용성을 검증하기 위한 실험을 수행하고 결과를 분석 한다. 실험을 위해서 항우연 제주추적소의 나로 우주센터 추적레이다 (Choi et. al., 2015)를 이용하여 국제우주정거장(ISS)을 추적하기 위해 송신한 후 수신한 레이다 신호에 제안된 방식을 적용하였다. 실험은 국제우주정거장이 1,486 Km에 위치한 때부터 시작하여 최단 거리 455 Km까지 접근한 후, 다시 1,429 Km까지 멀어진경우에 대해 진행되었다.
누적횟수가 증가함에 따라 잡음전력이 감소함을알 수 있다. 이때 잡음전력은 펄스신호의 최대값을 1로 정규화한 후 잡음신호의 전력을 계산하였다. 누적횟수가 30회 이상인 경우 누적하지 않은경우에 비해 약 15 dB의 이득이 있음을 알 수있다.
레이다 수신신호의 경우 어느 특정 부분만 원하는 신호성분이고, 나머지 대부분은 잡음 성분이므로, 시간 영역에서 LMS 필터를 적용할 경우 오히려 잡음이 더 증가하게 된다. 이를 방지 하기 위해 FFT (Fast fourier transform)를 이용해 수신신호를 전체 주파수 스펙트럼으로 변환한 후 LMS 필터를 적용한다. 이후 IFFT (Inverse fast fourier transform)를 통해 시간 영역으로 역변환한다.
레이다 탐지가능 거리 증가를 위해서는 수신신호의 잡음성분을 감소시켜야 한다. 제안된 기법에 서는 다수의 펄스로 송수신된 레이다 신호를 하나로 누적하는 방법과 누적된 신호를 주파수 스펙트럼으로 변환한 후 LMS 필터를 적용시키는기법을 적용하였다. 제안된 기법의 성능 검증을 위해 항우연 제주 추적소에서 실험을 수행하였으며 제안된 알고리즘을 적용함으로써 잡음 성분을 25 dB 개선시킴을 보였다.

대상 데이터

, 2015)를 이용하여 국제우주정거장(ISS)을 추적하기 위해 송신한 후 수신한 레이다 신호에 제안된 방식을 적용하였다. 실험은 국제우주정거장이 1,486 Km에 위치한 때부터 시작하여 최단 거리 455 Km까지 접근한 후, 다시 1,429 Km까지 멀어진경우에 대해 진행되었다.

데이터처리

이후 IFFT (Inverse fast fourier transform)를 통해 시간 영역으로 역변환한다. 제안된 기법의 성능을 검증하기 위해,한국항공우주연구원(이하: 항우연)에서 보유중인 추적레이다(Choi et. al., 2015)로 국제우주정거장을 탐지 및 추적한 후 획득한 수신신호에 제안된 신호처리 기법을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 결과를 비교 분석하였다. 제안된 신호처리 기법을 적용한 경우, 적용하지 않은 경우에 비해 신호대 잡음비가 확연히 개선될 뿐 아니라 탐지거리 또한 증가됨을 보였다.

성능/효과

2 이하에 존재함을 알 수 있다. 두기법의 잡음전력을 계산해 보면 기존 LMS 기법 대비 제안 기법이 약 16 dB의 SNR이 개선 됨을 알 수 있다. 또한, 제안 기법의 경우 LMS 를 적용하기 이전 대비 약 10 dB의 SNR이 개선되므로 제안기법은 총 25 dB의 SNR 향상을달성함을 알 수 있다.
두기법의 잡음전력을 계산해 보면 기존 LMS 기법 대비 제안 기법이 약 16 dB의 SNR이 개선 됨을 알 수 있다. 또한, 제안 기법의 경우 LMS 를 적용하기 이전 대비 약 10 dB의 SNR이 개선되므로 제안기법은 총 25 dB의 SNR 향상을달성함을 알 수 있다.
제안된 기법의 성능 검증을 위해 항우연 제주 추적소에서 실험을 수행하였으며 제안된 알고리즘을 적용함으로써 잡음 성분을 25 dB 개선시킴을 보였다. 또한, 제안된 기법을 적용함으로써 1,000 Km 까지의 국제우 주정거장을 탐지할 수 있음을 관찰하였다.
제안된 기법에 서는 다수의 펄스로 송수신된 레이다 신호를 하나로 누적하는 방법과 누적된 신호를 주파수 스펙트럼으로 변환한 후 LMS 필터를 적용시키는기법을 적용하였다. 제안된 기법의 성능 검증을 위해 항우연 제주 추적소에서 실험을 수행하였으며 제안된 알고리즘을 적용함으로써 잡음 성분을 25 dB 개선시킴을 보였다. 또한, 제안된 기법을 적용함으로써 1,000 Km 까지의 국제우 주정거장을 탐지할 수 있음을 관찰하였다.
, 2015)로 국제우주정거장을 탐지 및 추적한 후 획득한 수신신호에 제안된 신호처리 기법을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 결과를 비교 분석하였다. 제안된 신호처리 기법을 적용한 경우, 적용하지 않은 경우에 비해 신호대 잡음비가 확연히 개선될 뿐 아니라 탐지거리 또한 증가됨을 보였다.

후속연구

향후 연구 계획으로 국제우주정거장의 이동에 따른 도플러 효과에 의해 발생하는 위상변화량을 추정하여 보상함으로써 1,000 Km 이상의 타겟을 탐지하는 알고리즘을 연구하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	빛을 이용하는 센서의 한계점은?	최근 레이다 센서는 보안 및 국방의 분야를 넘어 교통 및 우주 등의 분야에 까지 활용되고 있다. 카메라 센서와 같이 빛을 이용하는 센서의 경우 안개나 폭우와 같은 환경에서 안정적으로 동작하지 못한다. 이에 반해 레이다 센서는 전파를 이용하여 타겟의 정보를 탐지하기 때문에 광을 이용한 센서의 단점을 극복할 수 있다.
	레이다 센서는 어떻게 정보를 탐지하는가?	레이다 센서는 송신 안테나를 통해 송신된 전파가 타겟에 반사된 후 수신 안테나로 수신되기 까지의 지연시간을 추정하여 타겟의 거리 정보를 탐지한다. 여기서, 탐지 가능한 최대거리는 송신 펄스 간의 주기나 송신 전력과 같은 다양한 파라 미터들에 의해 결정된다.
	수신신호에 두 가지 신호처리를 수행함으로써 잡음성분을 감소시켜 최대거리를확장시키는 방식은 어떻게 적용하는가?	본 논문에서는 수신신호에 두 가지 신호처리를 수행함으로써 잡음성분을 감소시켜 최대거리를확장시키는 방식을 제안한다. 첫째, 다수의 펄스로 송수신된 레이다 신호의 진폭값을 누적시킴으로 펄스 간 위상차이가 존재하더라도 상쇄간섭이발생하지 않도록 한다. 둘째, 누적된 신호를 주파수 스펙트럼으로 변환한 후 LMS 필터를 적용시 킨다. 레이다 수신신호의 경우 어느 특정 부분만 원하는 신호성분이고, 나머지 대부분은 잡음 성분이므로, 시간 영역에서 LMS 필터를 적용할 경우 오히려 잡음이 더 증가하게 된다. 이를 방지 하기 위해 FFT (Fast fourier transform)를 이용해 수신신호를 전체 주파수 스펙트럼으로 변환한후 LMS 필터를 적용한다. 이후 IFFT (Inverse fast fourier transform)를 통해 시간 영역으로 역변환한다. 제안된 기법의 성능을 검증하기 위해,한국항공우주연구원(이하: 항우연)에서 보유중인 추적레이다(Choi et.

참고문헌 (14)

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