[논문]ESA 레이다의 빔폭 특성을 고려한 적정 PRF 설계 기법

박준용

doi:10.5515/kjkiees.2019.30.6.498

초록
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본 논문에서는 ESA 레이다의 성능을 향상시키기 위하여, 간섭이 예상되는 PRF를 회피하여 효과적으로 PRF(Pulse Repetition Frequency)를 설계하는 방법을 제시하고 있다. 본 논문에서 제안하는 기법은 기존의 기법에서 고려하던 송신신호 및 직하방신호(nadir)와의 간섭 이외에 빔폭과의 간섭을 새롭게 고려하고 있으며, 특히 ESA 레이다의 조향각 변화에 따른 빔 넓어짐 효과를 고려함으로써, 기존의 방법에서 회피할 수 없었던 부적절한 PRF를 회피하여 ESA 레이다의 파형설계가 가능하다. 시뮬레이션 결과를 통해 본 논문에서 제시하는 PRF 설계 기법이 기존의 방법에서 회피할 수 없었던 ESA 레이다의 간섭들을 회피하여 PRF가 설계가 가능함을 정량적 및 정성적으로 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a PRF design method to improve the performance of the ESA radar, by excluding the interference from an improper PRF. Like the conventional method, the proposed method also considers the interference between the transmitted signal and the nadir signal, but additionally analy...

In this paper, we propose a PRF design method to improve the performance of the ESA radar, by excluding the interference from an improper PRF. Like the conventional method, the proposed method also considers the interference between the transmitted signal and the nadir signal, but additionally analyzes the relationship between the interference and the signal beamwidth. The simulation results show that the proposed method quantitatively and qualitatively excluded interference from the PRF and additionally dealt with the beamwidth broadening effect of an ESA radar.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. 원형 지구 모델 Fig. 1. Earth model used.
그림 그림 2. 송신 신호와의 간섭 Fig. 2. The case of the trasmit interference.
그림 그림 3. 직하방 신호와의 간섭 Fig. 3. The case of the Nadir interference.
그림 그림 4. 빔폭 내 신호와의 간섭 Fig. 4. The case of the beamwidth interference.
표 표 1. 시뮬레이션 파라미터 Table 1. Simulation parameter
표 표 2. 간섭율 ƞ의 비교 Table 2. Comparison of the interference index.
그림 그림 5. ESA 레이다의 PRF 설계 기법에 대한 시각적인 평가 Fig. 5. The visual evaluation of ESA radar using.
표 표 3. 신호 대 간섭비 Ψ의 비교 Table 3. Comparison of the interference index

AI 본문요약
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문제 정의

은 서론에서도 밝혔듯이 관측각 및 PRF의 변화에 따른 관심영역과 두 가지 간섭, 송신 신호 및 직하방 신호에 의한 간섭을 회피하여 PRF를 설계하는 것이 목적이다. 먼저 송신 신호에 의한 간섭을 회피하는 방법을 살펴보자. 본 방법은 표적 신호가 원거리에 있는 경우의 간섭을 회피할 수 있다.
본 논문에서는 ESA 레이다를 사용하는 경우를 가정하여, 빔폭 및 지구 모델 등을 고려하여 간섭이 예상되는 PRF를 배제하여 적절한 PRF 설계하기 위한 파형 설계 기법을 제시하고 있다. 본 기법은 특히 거리 영역의 정보가 중요한 LPRF의 경우에 유용하게 사용될 수 있다.
본 논문에서는 ESA 레이다의 성능 향상을 위하여 간섭을 회피하기 위한 개선된 PRF 설계 기법을 제시하였다. 또한 시뮬레이션 결과를 통해, 본 논문에서 제시하는 기법을 사용하면 기존의 방법이 배제하지 못하는 부적절한 PRF의 범위를 효과적으로 회피하여 PRF를 설계할 수 있음을 분석할 수 있었다.

가설 설정

본 논문에서는 레이다와 표적 간의 지리적인 정보를 원형 지구 모델(그림 1)을 가정하고 있다. 원형 지구 모델은 지구를 원으로 가정하여 2차원 상에서 레이다의 기하 구조를 분석하는 모델로서, 지구, 지면을 평면으로 가정하는 모델이 비하여 정확하면서도 크게 복잡하지 않아서 SAR의 설계와 같은 경우에, 자주 쓰이는 방법이다.
다음으로 신호 대 간섭비 Ψ를 이용하여 방법 1, 2, 3을 평가한 결과는 표 3과 같다. 이때, 계산의 단순화를 위하여 빔의 이득은 sinc 함수의 자승이라고 가정하였다.
이때, 식 (23)은 클러터의 특성이 동일한 지역에서 3 dB 빔폭으로 인한 간섭이 반드시 발생한 경우를 가정하였다. Ψ는 [0, 3] dB 범위의 값을 가지며, 값이 클수록 간섭이 심하게 발생하였음을 나타낸다.

제안 방법

방법 1～3에서 설계한 PRF에서 발생한 간섭의 평가는 다음의 세 가지 지표를 이용하여 평가하였다. 먼저 첫 번째로, 간섭이 예상되는 PRF를 회피하여 PRF를 설계한 것을 시각적으로 평가하였다. 해당 방법은 교재^[2]에 최초로 제안된 것으로 파악하며, 공식적인 명칭은 없으나 diamond diagram^[3],[6] 혹은 timing diagram^[4],[5], zeebra graph 등으로 표현되고 있다.
방법 1～3에서 설계한 PRF에서 발생한 간섭의 평가는 다음의 세 가지 지표를 이용하여 평가하였다. 먼저 첫 번째로, 간섭이 예상되는 PRF를 회피하여 PRF를 설계한 것을 시각적으로 평가하였다.
본 논문에서 제안하는 기법은 빔폭과의 간섭을 추가적으로 고려하고 있다. 레이다가 송신하는 전파는 운용자가 설정한 관심영역에 대해서만 수신이 이루어지는 것이 아니다.
실제로는 관심영역뿐만이 아니라, 송․수신 빔의 패턴에 따라 관심영역 밖의 신호도 수신이 될 수 있다. 본 논문에서는 실제로 의미있는 신호가 수신되는 기준을 3 dB 빔폭(이하 빔폭)으로 설정하여서, 식 (16)과 같이 빔폭에 해당하는 거리 영역(R_Near ～R_Far)이 관심 영역(R₁～ R_N)에 비하여 클 때, 발생할 수 있는 간섭인 빔폭과 관심 영역 간의 간섭을 새롭게 고려하고 있다.
시험은 MATLAB 2015 프로그램에서 ESA 레이다를 가정하여 수행하였으며, 시험 파라미터는 표 1과 같으며 관련 논문^[3],[5]들의 수치들을 일부 수정하여 차용하였다.

성능/효과

그림 5의 결과를 종합하면 본 논문에서 제안하는 방법 3이 포함하는 빔폭과의 간섭은 빔폭이 커짐에 따라 간섭의 영향이 커지며, 특히 ESA를 사용하는 레이다의 경우 간섭의 영향이 더욱 커짐을 알 수 있다. 즉, 본 논문에서 제안하는 방법 3을 ESA 레이다에 이용하면 방법 1, 2에서 구분하지 못 하는 간섭을 식별하여 배제할 수 있음을 알 수 있다.
즉, 방법 3을 이용했을 때, 더 많은 간섭을 식별할 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 방법 3을 이용하면 간섭이 예상되는 PRF의 범위를 효과적으로 제거하여 안정적인 PRF 설계가 가능함을 알 수 있다.
본 논문에서는 ESA 레이다의 성능 향상을 위하여 간섭을 회피하기 위한 개선된 PRF 설계 기법을 제시하였다. 또한 시뮬레이션 결과를 통해, 본 논문에서 제시하는 기법을 사용하면 기존의 방법이 배제하지 못하는 부적절한 PRF의 범위를 효과적으로 회피하여 PRF를 설계할 수 있음을 분석할 수 있었다. 추후 해당 설계 기법을 실제 개발에 활용하여, 예측한 만큼의 성능 개선이 이루어지는지 확인해 볼 필요가 있다.
종합하여 보면, 제안하는 기법은 기존의 교재^[2],^[4]에서의 방법과 비교하여, 직하방신호의 간섭에 대한 부분을 더욱 정확하게 고려하였으며, 빔폭에 의한 간섭 및 ESA에 의한 빔폭의 퍼짐(broadening) 효과를 추가적으로 고려하고 있다.
그림 5의 결과를 종합하면 본 논문에서 제안하는 방법 3이 포함하는 빔폭과의 간섭은 빔폭이 커짐에 따라 간섭의 영향이 커지며, 특히 ESA를 사용하는 레이다의 경우 간섭의 영향이 더욱 커짐을 알 수 있다. 즉, 본 논문에서 제안하는 방법 3을 ESA 레이다에 이용하면 방법 1, 2에서 구분하지 못 하는 간섭을 식별하여 배제할 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

본 논문의 기법은 ESA 레이다의 PRF 설계에 유용하게 쓰일 수 있으며, 그 중 특히 거리 영역에 대한 정보가 중요한 LPRF의 설계에 효과적으로 사용될 수 있을 것이다.
또한 시뮬레이션 결과를 통해, 본 논문에서 제시하는 기법을 사용하면 기존의 방법이 배제하지 못하는 부적절한 PRF의 범위를 효과적으로 회피하여 PRF를 설계할 수 있음을 분석할 수 있었다. 추후 해당 설계 기법을 실제 개발에 활용하여, 예측한 만큼의 성능 개선이 이루어지는지 확인해 볼 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LPRF는 무엇인가?	PRF는 거리와 속도의 모호성의 유무에 따라 LPRF(Low PRF), MPRF, HPRF로 분류[1]할 수 있으며, LPRF는 거리에 대한 모호성이 없는 PRF로서 SAR(Synthetic Aperture Radar)와 같은 레이다 모드의 설계에 사용하는 파형이다. LPRF는 거리 영역으로의 정보를 주로 이용하므로 LPRF를 설계할 때에는 정확한 거리 정보를 얻는 것이 중요하다.
	파형을 설계할 때 PRF가 중요한 이유는?	파형을 설계할 때 고려할 중요한 요소 중 한 가지는 PRF이다. PRF의 선택에 따라 관심 영역의 표적에 대한 거리/속도 정보의 모호성(ambiguity)이나 간섭에 대한 영향성 등이 결정되기 때문이다.
	PRF는 거리와 속도의 모호성 유무에 따라 어떻게 분류되는가?	PRF는 거리와 속도의 모호성의 유무에 따라 LPRF(Low PRF), MPRF, HPRF로 분류[1]할 수 있으며, LPRF는 거리에 대한 모호성이 없는 PRF로서 SAR(Synthetic Aperture Radar)와 같은 레이다 모드의 설계에 사용하는 파형이다. LPRF는 거리 영역으로의 정보를 주로 이용하므로 LPRF를 설계할 때에는 정확한 거리 정보를 얻는 것이 중요하다.

참고문헌 (9)

M. I. Skolnik, Introduction to RADAR Systems, 3rd ed. Boston, MA, McGraw-Hill, pp. 171-182, 2001.
J. C. Curlander, R. N. Mcdonough, Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing, New York, NY, John Wiley & Sons, 1991.
K. R. Kim, M. W. Heo, T. H. Kim, S. B. Ryu, S. G. Lee, and H. C. Lee, et al., "Range design of pulse repetition frequency for removal of SAR residual image," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, vol. 41, no. 11, pp. 1653-1660, Dec. 2016.

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M. Villano, G. Krieger, and A. Moreira, "Nadir echo removal in synthetic aperture radar via waveform diversity and dual-focus postprocessing," IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, vol. 15, no. 5, pp. 719-723, May 2018.

상세보기
S. S. Yoon, J. W. Lee, T. K. Lee, S. B. Ryu, H. C. Lee, and S. G. Lee, "A modified SweepSAR mode with dual channels for high resolution and wide swath," Journal of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 18, no. 3, pp. 199-205, Jul. 2018.

원문보기 상세보기
M. Younis, S. Huber, A. Patyuchenko, F. Bordoni, and G. Krieger, "Performance comparison of reflector- and planar-antenna based digital beam-forming SAR," International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2009, p. 614931, May 2009.

상세보기
A. D. Brown, Electronically Scanned Arrays, Boca Raton, FL, CRC Press, pp. 6-8, 2012.
D. K. Barton, Radar Equations for Modern Radar, London, Artech House, p. 3, 2013.
G. W. Stimson, Introduction to Airborne Radar, 2nd ed. Raleigh, NC, Scitech, pp. 156-157, 1998.

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