[논문]레이다 수신 신호 분석을 이용한 기상 클러터 환경 내 지상 레이다 탐지성능 개선

오현석

doi:10.5515/kjkiees.2019.30.1.79

레이다 수신 신호 분석을 이용한 기상 클러터 환경 내 지상 레이다 탐지성능 개선
Improvement of Detection Performance of a Ground Radar in the Weather Clutter Using Radar-Received-Signal Analysis 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.30 no.1, 2019년, pp.79 - 87

초록
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강우 환경에서 레이다는 기상 클러터 반사 신호에 의해 신호처리기 내 잡음레벨 증가와 적응형 CFAR의 탐지 임계값 증가로 표적에 대한 탐지거리가 감소하게 된다. 또한, 강우 클러터에 의해 발생한 고속클러터는 기존의 클러터 제거기법의 제거범위를 벗어나 사라지지 않는다. 이로 인하여 강우시 레이다는 맑은 날에 비해 고속 클러터의 추적을 방지하기 위한 확인횟수가 증가되어 표적 탐지 기회가 감소된다. 이에 본 논문은 강우에 의한 레이다 탐지성능 저하를 해결하기 위해 레이다 수신 신호 저장장치를 이용하여 비정상 수신 신호를 획득하였다. 이들에 대한 분석을 바탕으로 신호처리기 앞단에서 최적감쇄값을 결정하고, 강우 시 감쇄적용결과 레이다 탐지성능이 개선됨을 모의시험 및 수신신호 분석을 통해 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Radar detection range is decreased with an increase in the noise levels and detection thresholds in adaptive CFAR of a radar signal processor to the weather clutter reflection signal in the rain. When a high-velocity plot is generated in weather clutter, what are detected are not targets but false plots. Detection opportunity is reduced by radar time resource consumption from additional confirmations regarding the false plots. In this paper, the received signals are saved using a radar-received signal storage device. Based on the analysis of the received signals from weather clutter, the influence of the rainfall reflection has been mitigated by front-end attenuation of the signal processor. The improvement in the detection performance is verified through received signal and simulation results.

주제어

표/그림 (14)

표 표 1. X-밴드에서 강우량에 따른 반사도^[1] Table 1. Reflectivity^[8] of rain clutter un X-band.
그림 그림 1. 강우 시 레이다 수신 신호 특성 Fig. 1. Radar-received-signal characteristics at a rainy day.
표 표 2. 클러터 신호크기에 따른 탐지거리 감소^[2] Table 2. Detection range reduction for clutter signal amplitude^[2].
그림 그림 2. 강우 시 레이다 운용 결과 Fig. 2. Radar operation result through raining.
표 표 3. 강우 클러터 환경에서의 도플러 영역 특성 Table 3. Doppler characteristics from weather clutter.
표 표 4. 지상 레이다에서 사용 중인 PT 파형 파라미터^[7] Table 4. PT waveform parameters available at groundradar^[7].
그림 그림 3. 고속 클러터 플롯의 수신 신호 특성 Fig. 3. Received signal’s characteristics of high velocity plot from rain clutter.
표 표 5. 강우 클러터에서 플롯 신호의 크기와 속도 Table 5. Amplitude and velocity of plots in rain clutter.
그림 그림 4. ADC 전단부에서 감쇄 적용 시 수신 신호 Fig. 4. Received signal of attenuation in the RSP front.
그림 그림 5. 빔 송신 잡음과 신호처리기 자체 잡음 수신 신호에 대한 ADC 감쇄 적용 Fig. 5. ADC attenuation of received signals for a noise of radiation and self noise of RSP.
표 표 6. 잡음모의시 감쇄적용 후 PT신호 플롯 수 Table 6. Number of plots by simulated noises after atte-nuation.
그림 그림 6. 부가잡음 탐지거리 감소율 및 감쇄값에 따른 탐지 거리 감소율 비 Fig. 6. Range reduction by additional simulated noises and range reduction range by attenuations.
그림 그림 7. 강우 감쇄 후 수신 신호형상 및 속도 스펙트럼 Fig. 7. Received signal and velocity spectrum after attenua-tions.
그림 그림 8. 펄스 누적을 통한 표적 신호 크기 개선 Fig. 8. Improvement of target amplitude from pulse inte-gration.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 강우 시 잡음증가로 인한 탐지거리 감소율 증가와 강우 레이다 수신 신호에서 고속 클러터 발생을 확인하였다. 강우에 의한 탐지성능 저하를 개선하기 위해 신호처리기 앞단 감쇄를 적용하고, 수신 신호 분석을 통해 감쇄값의 최적 범위를 도출하였다.
본 논문에서는 강우 클러터 환경 내 운용 중인 레이다에서 기존 PT 파형 송신 후 클러터 반사 수신 신호를 실시간 저장장치로 저장하고 저장된 수신 신호에서 도플러 영역의 비정상 현상을 확인하였다. 수신신호분석을 이용하여 강우 시 하드웨어 변경없이 신호처리기 앞단 감쇄 적용으로 탐지거리 개선을 확인하고, 강우 시 획득한 수신 신호에 감쇄를 적용하여 결과를 입증하였다.

가설 설정

반면, 빔방사 후 잡음감쇄는 RSP 전단 15 dB 이상 감쇄값에 대하여 선형적으로 감쇄되지 않음을 모의시험을 통해 확인하였다. 그림 5(b)에서 보인 잡음은 그림 5(c) 붉은색 선에서 감쇄를 적용하더라도 신호처리기 자체 잡음으로 앞서 더 이상 잡음전력이 1 dB이상 감소되는 않는다. 이상의 결과에서 신호처리기 앞단에서 감쇄 0 dB에서 15 dB가 적절 한 값임을 알 수 있다.
그림 4(b)는 표적에 대하여 ADC 앞단 감쇄 적용 전 후 수신 신호 속도 스펙트럼으로 감쇄 전후 S/N값 변화가 없는 것을 알 수 있다. 다시 말해 ADC 앞단에서 적용한 감쇄는 시스템 S/N에 크게 영향을 주지 않는다. 이는 감쇄가 신호와 잡음에 적용되며, 탐지 임계값(탐지 임계값-2)도 낮아지므로 탐지능력은 크게 차이가 없게 된다.
이러한 도플러 성분들은 도플러 영역에서 가우시안 분산형태를 갖는다. 또한 도플러 영역에서 협대역 레이다 신호로 가정하면, 클러터 중심에서 떨어진 속도에서는 백색 형태^[6]로 가정할 수 있다.

제안 방법

변환된 IF 신호는 아날로그-디지털 변환을 거쳐 디지털 I/Q 데이터로 저장된다. 강우 환경에서 수신 신호를 분석하기 위해 LFM 또는 PT 파형을 선택 저장하고, 신호처리기 모의 S/W로 분석한다.
본 논문에서는 강우 시 잡음증가로 인한 탐지거리 감소율 증가와 강우 레이다 수신 신호에서 고속 클러터 발생을 확인하였다. 강우에 의한 탐지성능 저하를 개선하기 위해 신호처리기 앞단 감쇄를 적용하고, 수신 신호 분석을 통해 감쇄값의 최적 범위를 도출하였다. 레이다 빔방사 후 예상 잡음입력에 대한 다표적 탐지 모의시험결과 감쇄 후 탐지거리 감소율이 개선됨을 확인하고 강우 시 감쇄된 수신 신호를 통해 고속플롯이 제거됨을 확인하였다.
본 논문에서는 강우 클러터 환경 내 운용 중인 레이다에서 기존 PT 파형 송신 후 클러터 반사 수신 신호를 실시간 저장장치로 저장하고 저장된 수신 신호에서 도플러 영역의 비정상 현상을 확인하였다. 수신신호분석을 이용하여 강우 시 하드웨어 변경없이 신호처리기 앞단 감쇄 적용으로 탐지거리 개선을 확인하고, 강우 시 획득한 수신 신호에 감쇄를 적용하여 결과를 입증하였다.
이에 Roueltte^[4] 연구팀은 탐색 레이다를 360도 회전 운용하고, 방위각에 대한 클러터에 대한 수신 신호를 장시간 중복 저장하고, 저장결과에 대하여 지형 클러터 제거 기능을 적용 후 기능이 지형환경에 맞추어 제거성능을 최적화하였다. 얻어진 신호처리 결과는 거리와 방위각으로 위치에서 클러터 신호를 가시적으로 도시하고 클러터 제거기술 적용 전후 결과를 공간의 위치에 대한 2차원으로 가시적 제시하였다. 이와 유사하게 최근에 지형 클러터 중 풍차 날개에 의한 도플러를 수신 신호에서 확인하고, 레이다 영향을 최소화 기법^[5]을 제시한 바 있다.
그림 7(b)는 감쇄 15 dB를 적용한 수신 신호 결과로 R-V 매트릭스에서 2개의 선(C-1, C-2)에서 속도 스펙트럼을 그림 7(b) 에 표시하였다. 여기에 감쇄 값을 적용 전 수신 신호의 속도 스펙트럼을 검정색 실선으로 도시하였다.
그림 5(b)는 레이다 신호처리기 자체잡음 수신 신호를 도시한 결과이다. 외부에서 안테나 유입 신호를 배제하기 위해 안테나 입력 경로를 개방하였다. 이는 그림 5(a)에 비해 매우 작은 값이며, 이러한 잡음은 외부환경과 관계없이 신호처리기 내에 잡음으로 항상 일정하게 작용하게 된다.
이러한 현상은 기존 클러터 제거 방법인 도플러 신호 처리로는 제거가 어려운 예외사항으로서 강우 시 수신 신호에 의해 탐지 플롯 중 고속특성을 보이는 것을 선택 적으로 저장하여 수신 신호상 특성을 분석하였다.

대상 데이터

레이다 수신 신호는 레이다가 공간에 실제 송신 후 안테나를 통해 표적이나 클러터에서 반사되어 돌아온 신호로 정의한 다. 지상 레이다는 내 수신 신호 저장장치^[7]로 클러터에 대한 수신 신호를 획득한다. 레이다에서 빔 방사 후 클러터나 표적에서 반사된 RF 신호가 레이다의 배열안테나와 수신기를 거쳐 수신된 후 아날로그 IF 신호로 변환된다.

성능/효과

그림 2(a)는 강우 시 발생한 플롯에 대한 방위각 상에 플롯의 신호 크기와 고각 방향에서 플롯이 분포하는 각도를 동시에 보였다. 그림 2(a) 상단은 방위각에서 신호 크기가 큰 플롯은 허상추적이 발생한 위치와 유사하며, 그림 2(a) 하단에서 고각 방향에서의 플롯의 수를 보면 고각 0～10도에 그 수가 주로 분포하는 것을 알 수 있다. 그림 2(b)는 정해진 시간 내 발생한 총 639개에 대하여 속도 특성 (가로축)에 대한 플롯수(세로축)를 도시하였다.
PT 파형은 도플러 처리 결과로 강우 클러터의 제거 속도(<30 m/s)를 적용할 경우, 이상적으로는 플롯 상에 30 m/s 이상의 성분은 존재할 수 없으나, 운용 결과로는 제거 속도 이상의 성분(200 m/s, 400 m/s, 800 m/s)이 있는 것을 알 수 있다.
PT 파형에 대한 탐지거리는 모호성 을 배제하기 위해 최초 추적거리 값을 기준으로 정의하였다. 감쇄 12 dB에 대한 탐지거리 감소율이 5 % 이내임을 다수 진입 표적 생성 후 탐지 모의시험을 통해 확인하였다. 부가잡음에 대하여 감쇄를 적용하면 탐지거리 감소율이 부가잡음에 대하여 거리감소율이 개선되는 것을 확인하였다.
따라서 80 km에서 잡음은 반사 신호가 거의 없는 영역으로 볼 수 있고, 여기서 얻어진 잡음을 맑은 날의 값으로 고려한다. 따라서 30 km 영역에서의 탐지할 수 있는 신호크기와 80 km 영역에서 탐지할 수 있는 표적 신호 크기는 탐지 임계값 기준(red-line)으로 판단하면 20 dB 이상이 되며, 이것으로 강우 시 탐지거리는 30 km에서 줄어듦을 알 수 있다.
선 C-2의 경우 감쇄 전 수신 신호 속도 스펙트럼에서의 잡음 레벨에 비해 낮아진 것을 확인하였다. 따라서 강우 수신 신호에 감쇄값 15 dB 적용하면 강우 클러터에 의한 탐지거리 감소를 최소화하고 고속플롯을 제거함을 보였다. 본 논문에서 신호처리기 앞단에서 감쇄 18 dB까지 적용될 수 있음을 확인하였다.
81개가 발생되고, 점차 감쇄를 추가함에 따라 초당 플롯수가 줄어들고, 9 dB 감쇄 적용시 상대입력잡음 0 dB로 허상 플롯이 거의 측정되지 않는다. 따라서 추가 입력 잡음은 적절한 감쇄를 이용하면 레이다에서 허상 플롯이 제거됨을 확인하였다.
그러나 탐색시간이 5 배 증가되므로 누적 탐지거리 감소에 대한 절충(trade off)이 필요하다. 또한 기존 연구 사례^[4]와 비교하면 기존 연구는 MTI를 수신 신호 결과를 이용하였으나, 속도 성분이 없는 지형 클러터만 배제됨을 레이다에 적용하였으나, 본 논문은 속도 성분이 있는 지상 클러터 또는 속도 성분이 있는 허상의 클러터도 대응할 수 있어 클러터 경감기법으로써 보다 효과적으로 사료된다.
강우에 의한 탐지성능 저하를 개선하기 위해 신호처리기 앞단 감쇄를 적용하고, 수신 신호 분석을 통해 감쇄값의 최적 범위를 도출하였다. 레이다 빔방사 후 예상 잡음입력에 대한 다표적 탐지 모의시험결과 감쇄 후 탐지거리 감소율이 개선됨을 확인하고 강우 시 감쇄된 수신 신호를 통해 고속플롯이 제거됨을 확인하였다.
그림 5(c)의 검정색 선은 정상적으로 감쇄를 적용하여 동일한 상대잡음 전력은 동일한 값으로 직선의 형태로 감소된다. 반면, 빔방사 후 잡음감쇄는 RSP 전단 15 dB 이상 감쇄값에 대하여 선형적으로 감쇄되지 않음을 모의시험을 통해 확인하였다. 그림 5(b)에서 보인 잡음은 그림 5(c) 붉은색 선에서 감쇄를 적용하더라도 신호처리기 자체 잡음으로 앞서 더 이상 잡음전력이 1 dB이상 감소되는 않는다.
는 맑은 날 주어진 RCS로 결정된 탐지거리이며, 이는 레이다의 파라미터(송신출력 등)에 의해 결정된다. 본 논문에서 R₀는 표적 RCS가 충분히 큰 경우 (민항기 기준) 80 km 이상 만족한다. 강우 시 SNR은 표 2에서 보는 바와 같이 강우 클러터 신호조건에 따라 감소되고, 이로 인하여 탐지거리가 감소되고, 그 비율은 항상 1보다 작게 된다.
따라서 강우 수신 신호에 감쇄값 15 dB 적용하면 강우 클러터에 의한 탐지거리 감소를 최소화하고 고속플롯을 제거함을 보였다. 본 논문에서 신호처리기 앞단에서 감쇄 18 dB까지 적용될 수 있음을 확인하였다.
감쇄 12 dB에 대한 탐지거리 감소율이 5 % 이내임을 다수 진입 표적 생성 후 탐지 모의시험을 통해 확인하였다. 부가잡음에 대하여 감쇄를 적용하면 탐지거리 감소율이 부가잡음에 대하여 거리감소율이 개선되는 것을 확인하였다. 그림 7(a) 및 그림 7(b)는 실제 강우 신호에 대하 여 감쇄 전후 적용하여 얻어진 수신 신호이다.
이러한 고속 클러터 플롯은 기존 클러터 경감기술 신호처리^[9]로는 제거될 수 없다. 이러한 플롯에 대하여 감쇄 적용 후 탐지거리 감 소의 최소화를 통해 고속 클러터의 원인인 부엽고조파 제거에 효과적임을 다음 장에서 확인하였다.
그림 5(b)에서 보인 잡음은 그림 5(c) 붉은색 선에서 감쇄를 적용하더라도 신호처리기 자체 잡음으로 앞서 더 이상 잡음전력이 1 dB이상 감소되는 않는다. 이상의 결과에서 신호처리기 앞단에서 감쇄 0 dB에서 15 dB가 적절 한 값임을 알 수 있다. 표적 S/N은 15dB 이상의 감쇄에서는 측정되는 잡음전력이 더 이상 감쇄되지 않아 표적 신호크기가 점차 감소된다.
그림 8은 신호처리기 감쇄 15 dB 이상에서 발생하는 탐지거리 감소에 대한 개선방안으로 PT 파형 펄스누적의 효과를 보였다. 펄스 누적 5개 사용 시 신호 크기는 대략 2～3 dB 개선되며, 이를 통해 감쇄 20 dB까지 탐지 거리 개선 확장이 가능하다. 그러나 탐색시간이 5 배 증가되므로 누적 탐지거리 감소에 대한 절충(trade off)이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	클러터란?	클러터(Clutter)는 레이다 신호 중 표적신호를 제외하고 표적 탐지를 방해하는 모든 반사 신호[1]를 의미한다. 이러한 반사 신호는 비, 눈과 같은 강우 환경에 의한 기상 클러 터, 산, 건물과 같은 고정 위치의 지형클러터로 구분된다.
	반사 신호는 어떻게 구분되는가?	클러터(Clutter)는 레이다 신호 중 표적신호를 제외하고 표적 탐지를 방해하는 모든 반사 신호[1]를 의미한다. 이러한 반사 신호는 비, 눈과 같은 강우 환경에 의한 기상 클러 터, 산, 건물과 같은 고정 위치의 지형클러터로 구분된다. 특히, 기상 클러터 중 강우 클러터는 공중에서 발생하여 체공 항공기의 표적 신호와 섞여 오인될 수 있고, 다양한 형태의 강우의 반사 신호가 잡음을 증가시켜 표적의 탐지 거리를 줄이거나 잡음에 의한 오플롯 제거과정이 늘어나 레이다 시간 자원 소모가 커지게 된다.
	강우 클러터의 단점은 무엇인가?	강우 클러터도 이동속도가 거의 없을 경우, 0속도 기준에서 구현된 MTI 필터나 펄스 도플러 처리[2]로 제거될 수 있다. 그러나 강우와 같은 이동형 클러터는 속도 성분이 단일하게 분포하지 않으며 클러터가 제거 속도 범위가 벗어난 경우 기존 클러터 제거 기법으로는 제거될 수 없으며 이로 발생한 잉여신호로 레이더 탐지성능이 열화하게 된다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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상세보기
이종길, "기상레이다에서의 클러터 영향 분석," 한국정보통신학회논문지, 20(9), pp. 1641-1648, 2016년 9월.

원문보기 상세보기
오현석, 김수근, "지상레이다의 PT-파형 수신 신호와 항공기 추적정보를 이용한 항공기 도플러 프로파일 추출," 한국전자파학회논문지, 28(2), pp. 129-138, 2017년2월.

원문보기 상세보기
D. K. Barton, Radar System Analysis and Modeling, Boston, MA, Artech House, 2005.
M. A. Richards, Fundamentals of Radar Signal Processing, 2nd ed. Chicago, McGraw-Hill, 2005.
노지은, 최병관, 이희영, 양진모, 이광철, 이동휘, 정래형, 김태환, 이민준, "3차원 다기능 레이다 고속 실시간 신호 처리기 개발," 한국전자파학회논문지, 22(12), pp. 1045-1059, 2011년 12월.

저자의 다른 논문 :

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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