[논문]도파관 슬롯 방식의 능동위상배열레이더 표적정보 오차보상기법 연구

유동길; 김덕환; 김한생; 이기원

doi:10.9766/kimst.2019.22.1.011

도파관 슬롯 방식의 능동위상배열레이더 표적정보 오차보상기법 연구
A Study on Waveguide Slotted Active Phased Array Radar Target Information Error Compensation Technique 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.1, 2019년, pp.11 - 19

유동길 (LIG넥스원(주) 감시정찰연구소 1팀) , 김덕환 (LIG넥스원(주) 감시정찰연구소 1팀) , 김한생 (LIG넥스원(주) 감시정찰연구소 1팀) , 이기원 (LIG넥스원(주) 감시정찰연구소 1팀)

Abstract ▼ AI-Helper

The waveguide slotted active phased array radar is characterized in that the beam is tilt in a specific direction when the feeding position of the antenna is not in the center of the antenna. If the beam deflection phenomenon is not properly compensated, error bias is generated in the target information collected by the radar, and the target accuracy is lowered. In this paper, we describe a technique to compensate the error of the target information that is collected in the active phased array radar of the waveguide slot type instead of the center of the antenna.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. An example of a waveguide slotted line array active phased array radar transceiver beam that performs power feeding from the antenna side
그림 Fig. 2. An example of Tx / Rx beam(u-v domain)
그림 Fig. 3. An example of azimuth / elevation angle of beem steering
그림 Fig. 4. Relation between azimuth, elevation and u, v, w of the antenna coordinate system
그림 Fig. 5. Change of azimuth by elevation angle(azimuth 8 degree steering)
그림 Fig. 6. Log data PPI screen(accumulated 10 scans)
그림 Fig. 7. Target information to be analyzed(PPI)
그림 Fig. 8. Target information to be analyzed(RHI)
그림 Fig. 9. Error compensation and target tracking simulation flowchart
표 Table 1. Tracker system information
표 Table 2. Simulation information(Compensation algorithm)
그림 Fig. 10. Result of simulation 1(No compensationalgorithm applied)
그림 Fig. 11. Result of simulation 1 azimuth error analysis(No compensation algorithm applied)
그림 Fig. 12. Result of simulation 2(Compensation 1 applied)
그림 Fig. 13. Result of simulation 2 azimuth error analysis(Compensation 1 applied)
그림 Fig. 14. Result of simulation 3(Compensation 1 & 2 applied)
그림 Fig. 15. Result of simulation 3 azimuth error analysis(Compensation 1 & 2 applied)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제안한 오차바이어스 보상 알고리즘을 입증하기 위해 레이더 시험 시 저장해놓았던 실제 표적정보가 담긴 로그데이터를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 로그데이터를 수집한 레이더는 본 논문에서 기술한 것과 동일한 안테나 측면에서 급전하는 도파관 슬롯 방식의 선배열 능동위상배열 레이더로써 제안하는 알고리즘을 입증하기 위한 목적으로만 로그 데이터를 이용한다. 식 (1)을 본 레이더에 적용하여 방위각 오차바이어스를 분석한 결과 안테나면 기준으로 고도 0도일 때 방위각으로 약 6도 정도 빔이 틀어짐을 확인하였다.
본 논문에서는 도파관 슬롯 방식의 선배열 능동위상배열레이더의 안테나 측면 급전 시 도파관 슬롯 간에 발생되는 위상차 때문에 방위각 오차바이어스가 생기는 현상에 대하여 기술하였고, 안테나가 빔을 송신하는 전 영역에 동일한 오차가 발생되는 것이 아니라 안테나 중앙으로부터 고각의 절대 값이 높아질수록 오차바이어스가 증가함을 기술하였다. 또한 이러한 현상을 해결하기 위해 안테나 정면에서 발생되는 오차바이어스로 고각에 따른 오차바이어스를 산출하는 알고리즘을 제안하였으며, 레이더 표적 탐지 & 추적의 실시간성을 고려하여 신호처리 이후 Raw 데이터를 보상하기 보다는 클러스터링 및 모호성제거를 수행한 이후 데이터를 보상하는 알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서는 안테나 측면에서 급전을 수행하는 도파관 슬롯 방식의 선배열 능동위상배열 레이더에서 발생되는 방위각 오차바이어스 현상에 대해 기술하고 해당 오차바이어스에 대한 보상을 표적 탐지 & 추적의 실시간성을 고려하여 신호처리 이후 획득되는 Raw 데이터를 보상하는 것보다 처리 데이터양이 가장 적은 데이터 처리 단계(클러스터링 및 모호성제거 수행 후)에서 수행하는 알고리즘을 제안한다.

제안 방법

Table 2에서 확인할 수 있듯이 안테나 측면에서 안테나 급전 시 도파관 슬롯 방식에 의해 물리적으로 빔이 틀어지는 현상을 보상하기 위해 두 개의 보상알고리즘으로 구분했고, 제안하는 알고리즘의 성능을 입증하기 위하여 두 개의 보상 알고리즘을 수행하기 전과 후를 비교하였다.
연관이 된 PSR과 SSR은 연관된 트랙의 갱신에 사용되고, 트랙 관리 수행 후 최종 출력 데이터로 저장한다. 갱신이 된 트랙은 다음 스캔에서 PSR, SSR과 연관을 위해 예측을 수행한다.
본 논문에서는 도파관 슬롯 방식의 선배열 능동위상배열레이더의 안테나 측면 급전 시 도파관 슬롯 간에 발생되는 위상차 때문에 방위각 오차바이어스가 생기는 현상에 대하여 기술하였고, 안테나가 빔을 송신하는 전 영역에 동일한 오차가 발생되는 것이 아니라 안테나 중앙으로부터 고각의 절대 값이 높아질수록 오차바이어스가 증가함을 기술하였다. 또한 이러한 현상을 해결하기 위해 안테나 정면에서 발생되는 오차바이어스로 고각에 따른 오차바이어스를 산출하는 알고리즘을 제안하였으며, 레이더 표적 탐지 & 추적의 실시간성을 고려하여 신호처리 이후 Raw 데이터를 보상하기 보다는 클러스터링 및 모호성제거를 수행한 이후 데이터를 보상하는 알고리즘을 제안하였다. 마지막으로 실제 도파관 슬롯 방식의 선배열 능동위상배열레이더에서 수집한 표적 정보 로그데이터를 입력으로 한 시뮬레이션을 통해 제안하는 알고리즘의 기능 및 성능을 확인하였다.
로그데이터의 PSR에는 클러터가 다수 포함되어 있기 때문에 추적시스템에 로그데이터를 입력으로 사용하여 표적 추적을 수행함으로써 클러터를 제거하고, 추적에 사용된 PSR과 SSR의 방위각 오차바이어스를 분석하여 시뮬레이션 결과로 도출하였다.
먼저 빔 틀어짐 현상을 설명하기 위해 안테나 면에서 송신되는 빔에 대한 내용을 기술하고, 안테나 면에서 송신되는 빔과 빔 틀어짐 현상을 해석하기 위해서 안테나 좌표계에 대한 내용을 기술한다. 마지막으로 안테나 면에서 틀어진 빔이 실제 표적을 탐지 시 어떤 영향을 미치는지에 대한 분석내용을 기술한다.
2장에서는 도파관 슬롯 방식의 선배열 능동위상배열 레이더 안테나의 측면에서 안테나 급전을 수행하였을 때 빔 틀어짐 현상에 대한 내용을 기술한다. 먼저 빔 틀어짐 현상을 설명하기 위해 안테나 면에서 송신되는 빔에 대한 내용을 기술하고, 안테나 면에서 송신되는 빔과 빔 틀어짐 현상을 해석하기 위해서 안테나 좌표계에 대한 내용을 기술한다. 마지막으로 안테나 면에서 틀어진 빔이 실제 표적을 탐지 시 어떤 영향을 미치는지에 대한 분석내용을 기술한다.
본 논문에서 분석할 표적정보는 약 40 m/s의 속력으로 진북을 기준하여 시계방향으로 방위각 약 270도, 거리 약 10 km에서 비행을 시작하여 레이더 방향으로 접근 후 북쪽으로 퇴각하는 시나리오로 비행하였다. 표적은 Fig.
본 논문에서 제안한 오차바이어스 보상 알고리즘을 입증하기 위해 레이더 시험 시 저장해놓았던 실제 표적정보가 담긴 로그데이터를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 로그데이터를 수집한 레이더는 본 논문에서 기술한 것과 동일한 안테나 측면에서 급전하는 도파관 슬롯 방식의 선배열 능동위상배열 레이더로써 제안하는 알고리즘을 입증하기 위한 목적으로만 로그 데이터를 이용한다.
7에서 확인할 수 있듯이 로그데이터의 PSR은 본 논문에서 제안하는 방위각 오차보상을 수행하여 추적 시스템의 입력으로 들어가고 SSR은 별다른 보상 없이 입력으로 들어간다. 추적시스템에서는 입력받은 PSR, SSR을 이용하여 추적정보와 연관을 수행한다.
7, 8은 로그데이터에 포함되어있는 수많은 표적 정보 중 본 논문에서 분석할 표적 정보(거리-방위각 전시, 거리-고도 전시)만을 도시한 그림이다. 해당 표적 정보는 로그데이터에 포함되어 있는 수많은 표적 정보 중 레이더 기준으로 표적 이동 시 표적의 고각과 방위각 범위가 가장 다양한 정보를 선택하였다.

데이터처리

또한 이러한 현상을 해결하기 위해 안테나 정면에서 발생되는 오차바이어스로 고각에 따른 오차바이어스를 산출하는 알고리즘을 제안하였으며, 레이더 표적 탐지 & 추적의 실시간성을 고려하여 신호처리 이후 Raw 데이터를 보상하기 보다는 클러스터링 및 모호성제거를 수행한 이후 데이터를 보상하는 알고리즘을 제안하였다. 마지막으로 실제 도파관 슬롯 방식의 선배열 능동위상배열레이더에서 수집한 표적 정보 로그데이터를 입력으로 한 시뮬레이션을 통해 제안하는 알고리즘의 기능 및 성능을 확인하였다.

이론/모형

필터를 사용하였다. 각 동역학 별 필터는 추적 상태변수와 플롯(PSR, SSR)의 위치 정보가 서로 선형이지 않으므로 EKF(Extended Kalman Filter)^[5] 방식으로 Track Update를 수행한다.
빔 틀어짐 현상을 분석하기 위해 방위-고각(Azimuth Over Elevation) 안테나 좌표계 시스템^[1]을 사용한다.
시뮬레이션에 사용한 추적필터는 2개의 동역학 모델^[2,3]을 이용한 IMM(Interacting Multiple Model)^[4] 필터를 사용하였다. 각 동역학 별 필터는 추적 상태변수와 플롯(PSR, SSR)의 위치 정보가 서로 선형이지 않으므로 EKF(Extended Kalman Filter)^[5] 방식으로 Track Update를 수행한다.
방식을 이용하여 트랙 유효게이트에 존재하는 모든 플롯을 사용하여 트랙을 갱신한다. 트랙 초기화는 연속된 스캔에서 수집한 두 개의 플롯으로 트랙을 생성하는 Two Point Initiation 알고리즘^[7]을 사용한다.
항적연관 알고리즘은 PDA^[6] 방식을 이용하여 트랙 유효게이트에 존재하는 모든 플롯을 사용하여 트랙을 갱신한다. 트랙 초기화는 연속된 스캔에서 수집한 두 개의 플롯으로 트랙을 생성하는 Two Point Initiation 알고리즘^[7]을 사용한다.

성능/효과

파란색은 PSR, 빨간색은 SSR 정보이고 총 1000스캔 중 10스캔만 누적하여 도시한 화면이다. PSR의 90 % 이상이 클러터 정보이기 때문에 10스캔만 누적하여도 화면을 클러터로 가득 채우는 것을 확인 할 수 있다.
Fig 14와 15는 시뮬레이션 3의 결과 및 방위각 오차 분석 결과로써 시뮬레이션 1 결과와 비교했을 때 방위각에 대한 오차바이어스가 많이 보상되었음을 확인할 수 있다. 또한, 시뮬레이션 2, 3의 방위각 오차 분석 결과 비교 시 표적 고각이 상승함에 따라 방위각 오차가 심해졌던 시뮬레이션 2에 비해 시뮬레이션 3에서는 표적 고각이 상승함에 따라 심해졌던 방위각 오차가 많이 개선됨을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 안테나 측면에서 급전을 수행하는 도파관 슬롯 방식의 선배열 능동위상배열 레이더에서 발생되는 방위각 오차바이어스 현상에 대해 기술하고 해당 오차바이어스에 대한 보상을 표적 탐지 & 추적의 실시간성을 고려하여 신호처리 이후 획득되는 Raw 데이터를 보상하는 것보다 처리 데이터양이 가장 적은 데이터 처리 단계(클러스터링 및 모호성제거 수행 후)에서 수행하는 알고리즘을 제안한다. 마지막으로 시험을 통해 획득한 실제 표적 데이터를 이용하여 시뮬레이션한 결과를 제시함으로써 제안하는 알고리즘의 성능을 입증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도파관 슬롯 방식의 능동위상배열레이더에서 각 슬롯으로 송신되는 빔의 위상이 틀어지는 이유는 무엇인가?	도파관 슬롯 방식의 능동위상배열레이더는 안테나 급전 시 도파관을 진행하는 전파의 관내 파장과 도파관 외부의 자유공간에서의 파장 차이가 발생하여 각 슬롯으로 송신되는 빔의 위상이 조금씩 틀어진다.
	빔 지향오차에 의한 표적정보 오차를 보상하지 않을 경우 레이더에 어떤 영향을 미치는가?	만약 빔 지향오차에 의한 표적정보 오차를 제대로 보상하지 않는 경우 레이더가 수집한 표적정보에 오차 바이어스가 포함 되어 표적 정확도가 떨어지게 된다. Fig.
	도파관 슬롯 방식의 선배열 능동위상배열레이더의 도파관 슬롯 간 발생되는 위상차로 인한 오차바이어스를 해결하기 위한 방법으로는 무엇이 있는가?	본 논문에서는 도파관 슬롯 방식의 선배열 능동위상배열레이더의 안테나 측면 급전 시 도파관 슬롯 간에 발생되는 위상차 때문에 방위각 오차바이어스가 생기는 현상에 대하여 기술하였고, 안테나가 빔을 송신하는 전 영역에 동일한 오차가 발생되는 것이 아니라 안테나 중앙으로부터 고각의 절대 값이 높아질수록 오차바이어스가 증가함을 기술하였다. 또한 이러한 현상을 해결하기 위해 안테나 정면에서 발생되는 오차바이어스로 고각에 따른 오차바이어스를 산출하는 알고리즘을 제안하였으며, 레이더 표적 탐지 & 추적의 실시간성을 고려하여 신호처리 이후 Raw 데이터를 보상하기 보다는 클러스터링 및 모호성제거를 수행한 이후 데이터를 보상하는 알고리즘을 제안하였다. 마지막으로 실제 도파관 슬롯 방식의 선배열 능동위상배열레이더에서 수집한 표적 정보 로그데이터를 입력으로 한 시뮬레이션을 통해 제안하는 알고리즘의 기능 및 성능을 확인하였다.

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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