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무인기 탐지를 위한 멀티모드 레이다 신호처리 프로세서 설계
Design of Multi-Mode Radar Signal Processor for UAV Detection 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.23 no.2 = no.95, 2019년, pp.134 - 141  

이승혁 (한국항공대학교 항공전자정보공학부) ,  정용철 (한국항공대학교 항공전자정보공학부) ,  정윤호 (한국항공대학교 항공전자정보공학부)

초록
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레이다 시스템은 송신 파형에 따라 크게 PD (pulse Doppler) 레이다와 FMCW (frequency modulated continuous wave) 레이다로 구분되며, 송수신 특성에 따라 PD 레이다는 장거리 표적 검출에 유리한 반면, FMCW 레이다는 단거리 표적 검출에 적합한 특성을 갖는다. 이에 본 논문에서는 중/장거리 뿐 아니라 단거리 무인기 탐지를 위해 PD 레이다 시스템과 FMCW 레이다 시스템을 모두 지원 가능한 멀티모드 레이다 신호처리 프로세서 (RSP; radar signal processor)를 제안한다. 제안된 레이다 신호처리 프로세서는 Verilog-HDL을 이용하여 RTL 설계 후, Altera Cyclone-IV FPGA를 이용하여 구현 및 검증 되었다. 구현 결과, 총 19,623개의 logic elements, 9,759개의register, 그리고 25,190,400의 memory bit로 구현 가능함을 확인하였으며, 기존의 PD 레이다와 FMCW 레이다 신호처리 프로세서를 개별 구현한 경우에 비해 logic elements와 register 요구량이 약 43%와 39% 감소됨을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Radar systems are divided into the pulse Doppler (PD) radar and the frequency modulated continuous wave (FMCW) radar depending on the transmission waveform. In particular, the PD radar is advantageous for long-range target detection, and the FMCW radar is suitable for short-range target detection. I...

주제어

표/그림 (14)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 최근 무인기는 군수 분야를 넘어 민간 분야에 적용되어 다양한 환경 속에서 운용되고 있다. PD 레이다는 장거리에 위치한 표적 검출에 용이한 장점이 있으며, FMCW 레이다는 단거리에 위치한 표적 검출에 적합한 특성을 지니고 있으므로, 여러 환경에서 운용되고 있는 무인기의 탐지 성능을 높이기 위해 본 논문에서는 PD 레이다 파형과 FMCW 레이다 파형을, 그리고 각레이다의 신호처리 방식을 모두 지원할 수 있도록 MATLAB 기반의 멀티모드 레이다 신호처리 시스템을 구성하였다.
  • 본 논문에서는 24GHz 대역에서 탐지 거리에 따라 PD 레이다와 FMCW 레이다를 유동적으로 선택 가능한 무인기 탐지용 멀티모드 레이다 신호처리 프로세서 (RSP: radar signal processor)의 설계 및 구현 결과를 제시한다. 특히, PD 레이다와 FMCW 레이다의 신호처리 프로세서 각각을 개별적으로 구현 하면 하드웨어 면적 측면에서 비효율적이므로 단일 프로세서로 PD 레이다와 FMCW 레이다의 신호처리를 모두 가능하게 하기위해, PD 레이다와 FMCW 레이다의 신호처리에 공통으로 요구되는 FFT 프로세서와 메모리를 공유해 저복잡도로 설계 하였으며, FPGA(field programmable gate array)를 이용하여 구현 및 검증을 하였다.
  • 본 논문에서는 PD 레이다와 FMCW 레이다를 모두 지원하여 장거리와 단거리 표적을 모두 탐지하는 멀티모드 레이다 신호처리 프로세서를 제안한다. Post-processing은 각 프로세서에서 동일한 구조로 설계가 가능하며 또한, 2D 메모리도 동일한 크기로 설계가 가능하다.
  • 본 논문에서는 단일 하드웨어에 장거리 표적 검출이 가능한 PD 레이다와 단거리 측정에 강인한 FMCW 레이다가 지원되는 무인기 탐지용 멀티모드 레이다 신호처리 프로세서의 설계 및 구현 결과를 제시하였다. 제안된 레이다 신호처리 프로세서는 PD 레이다와 FMCW 레이다 방식이 거리에 따라 유동적으로 선택되어 FMCW 레이다의 높은 거리해상도로부터 단거리 표적 탐지 및 FMCW 레이다로 탐지 불가능한 장거리 표적을 PD 레이다의 동작으로 탐지가 가능하도록 설계되었다.

가설 설정

  • target1은 레이다로부터 200 m의 위치에서 40 m/s의 속도로 이동하는 상황을 가정하였고, target2는 170 m의 위치에서 15 m/s 속도, 그리고 target3은 80m의 위치에서 –10 m/s의 속도로 이동하는 상황을 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
레이다 시스템의 작동 방식은? 레이다 시스템은 전자기파 신호를 송신한 후 표적에 반사된 신호를 검출함으로써 표적의 거리, 속도를 측정하는 방식으로 주야 및 날씨 등의 환경에 거의 영향을 받지 않기 때문에 라이다, 카메라, 초음파, 적외선 센서 등의 센서에 비해 큰 장점을 지니고있다. 이에 최근 레이다 기술은 항공기, 선박 등의 방산분야 뿐만 아니라 드론, 자동차 및 의료 등에 응용되어 다양한 연구가 이루어지고 있다 [1],[2].
레이다 시스템의 응용분야는? 레이다 시스템은 전자기파 신호를 송신한 후 표적에 반사된 신호를 검출함으로써 표적의 거리, 속도를 측정하는 방식으로 주야 및 날씨 등의 환경에 거의 영향을 받지 않기 때문에 라이다, 카메라, 초음파, 적외선 센서 등의 센서에 비해 큰 장점을 지니고있다. 이에 최근 레이다 기술은 항공기, 선박 등의 방산분야 뿐만 아니라 드론, 자동차 및 의료 등에 응용되어 다양한 연구가 이루어지고 있다 [1],[2].
레이다의 전송 파형에는 어떠한 것이 있는가? 레이다의 전송 파형은 크게 PD (pulse Doppler) 레이다와 FMCW (frequency modulated continuous Wave) 레이다로 구분되며 전송 파형에 따라 시스템 동작 방식이 다르다. PD 레이다는 일정한 펄스를 송신하는 방식으로 수신된 펄스 신호로부터 표적의 정보를 산출한다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (14)

  1. Y. Fan, K. Xiang, J. An, and X. Bu, "A new method of multi-target detection for FMCW Automotive Radar," in Institution of Engineering and Technology International Radar Conference 2013, Xi'an: China, pp. 1-4, Apr. 2013. 

  2. T. Kishigami, K. Kobayashi, M. Otani, et.al., "Advanced millimeter-wave radar system using coded pulse compression and adaptive array for pedestrian detection," in 2013 IEEE Radar Conference, Ottawa: Canada, pp. 1-6, Apr. 2013. 

  3. I. S. Kim and K. N. Kim, "Development of two types of radar vehicle detectors," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 7, No. 2, pp. 108-117, Dec. 2003. 

  4. A. Klilou, S. Belkouch, P. Elleaume, et.al., "Real-time parallel implementation of pulse-doppler radar signal processing chain on a massively parallel machine based on multi-core DSP and serial rapidIO interconnect," European Association for Signal Processing Journal on Advances in Signal Processing, Vol. 2014, No. 1, pp. 1-22, Nov. 2014. 

  5. MI. Skolnik, Radar Handbook, 3rd ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2008. 

  6. W. Butler, P. Poitevin, and J. Bjomholt, "Benefits of wide area intrusion detection systems using FMCW radar," in 2017 41st Annual IEEE International Carnahan Conference on Security Technology, Ottawa: Canada, pp. 176-182, Oct. 2007. 

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  8. D. K. A. Pulutan, and J. S. Marciano, "Design trade-offs in a combined FMCW and pulse doppler radar front-end," in IEEE 2013 Technical Conference, Sydney: Australia, pp. 567-571, Apr. 2013. 

  9. S. Kim, I. Paek, M. Ka, "Simulation and test results of triangular fast ramp FMCW waveform," in 2013 IEEE Radar Conference, Ottawa: Canada, pp. 1-4, May. 2013. 

  10. K. S. Jung, S. Y. Kim, K. J. Lee, "Study on UAV flight patterns and simulation modelling for UTM," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 22, No. 1, pp. 13-19, Feb. 2018. 

  11. Spoorthi C, and Ramesh S, "FPGA implementation of liner frequency modulation (LFM) waveforms for radar," Journal of Digital Integrated Circuits in Electrical Devices, Vol. 2, No. 3, pp 1-8, 2017. 

  12. S. G. Qadir, J. K. Kayani, and S. Malik. "Digital implementation of pulse compression technique for X-band radar," in 2007 International Bhurban Conference on Applied Sciences & Technology, Islamabad: Pakistan, pp. 35-39, Jan. 2007. 

  13. Arya V. J, Subha .V "Implementation of pulse compression for space applications," International Journal of Advance Research, Ideas and Innovations in Technology, Vol. 3, No. 3, pp. 641-648, May 2017. 

  14. A. Orduyilmaz, G. Kara, M. Serin, et.al., "Real-time pulse compression radar waveform generation and digital matched filtering," in 2015 IEEE Radar Conference, Arlington: VA, pp. 426-431, May 2015. 

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