[논문]단일 빔 집속 LUT를 이용한 AESA 레이다의 근전계 시뮬레이션 기법

주혜선

doi:10.9709/jkss.2019.28.2.081

단일 빔 집속 LUT를 이용한 AESA 레이다의 근전계 시뮬레이션 기법
A Study on the Near-Field Simulation Method for AESA RADAR using a Single Beam-Focusing LUT 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.28 no.2, 2019년, pp.81 - 88

주혜선 (Aircraft Radar System PMO, The 3rd R&D institute, Agency for Defense Development)

초록
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능동배열안테나는 원전계에 있는 표적과 지형 등을 탐지/추적하기 때문에 개발 간 항공기 탑재 전 시험 수행을 위해 원전계 거리 조건을 만족하게 하는 수십 미터 이상의 지상 시험장이 필요하다. 따라서 빔 조향, 표적, 클러터 및 재밍 등의 시험 수행을 위해 지상에서 높은 곳에 실험실을 구축하는 야외 실험장을 구축하는 것이 일반적이다. 하지만 야외 실험장은 주변 지형, 날씨, 외부 신호등으로 인해 시험에 영향을 받으며, 시간/공간/비용적인 제약사항이 많다. 이러한 문제를 해결하기 위해 근전계에서 빔을 집속 시키는 이론적인 방안이 제시되었지만, 이를 실험실 환경으로 구축하기 위해서는 AESA 레이다 하드웨어의 변화를 초래한다. 본 논문에서는 관련 하드웨어와 소프트웨어의 변화 없이 AESA 레이다를 구성하는 안테나 송수신 모듈의 편차를 보정하기 위해 단일 LUT를 이용해 근전계의 빔 집속을 구현하는 기법을 제안한다. 제안한 기법은 원전계 실험 환경 및 다중 LUT를 이용한 근전계 빔 집속 구현 기법보다 실험 비용을 최소화하면서도 유사한 실험 결과를 도출할 수 있는 장점이 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since the AESA radar scans and tracks a distant targets or ground, it requires a test field which meets far-field condition before flight test. In order to test beam foaming, targeting, and availability from cluttering and jamming, it is general to build a outdoor roof-lab test site at tens of meters high. However, the site is affected by surrounding terrain, weather, and noise wave and is also requires time, space, and a lot of costs. In order to solve this problem, theoretical near-field beam foaming method has proposed. However, it requires modification of associated hardware in order to construct near-field test configuration. In this paper, we propose near-field beam foaming method which use single LUT in order to calibrate the variation of TRM(transmit-receive module) which consists AESA radar without modification of associated hardware and software. It requires less costs than far-field test and multiple LUT based near-field test, nevertheless it can derives similar experimental results.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Antenna array configuration
그림 Fig. 2. Beam-steering configuration (a) (Az, El)=(0°, 0°), Black (b) (Az,El)=(0°, 30°), Red
그림 Fig. 3. Beam-focusing simulation result where (Az, El)=(0°, 30°)
그림 Fig. 4. Concept of near-field beam focusing
그림 Fig. 5. Radiation characteristics from AESA antenna to focusing plane where (Az, El)=(0°, 0°), z_f=2m
그림 Fig. 6. Near-field beam focusing simulation result using calculated LUT where (Az, El)=(0°, 0°), z_f=2m
그림 Fig. 7. 3D graph of Eq. (5)
그림 Fig. 8. 3d graph of Eq. (6)
그림 Fig. 9. Beam-focusing simulation result
그림 Fig. 10. Concept of near-field beam focusing using a single LUT(phase gradient for near-field focusing)
그림 Fig. 11. Simulation results where z_f=2m
표 Table 1. Beam focusing simulation result comparison between near-field and far-field where (Az, El)=(0°, 30°) and (0°, 45°)
표 Table 2. Beam focusing simulation result comparison between near-field and far-field where (Az, El)=(20°, 20°) and (30°, 30°)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 단일 LUT를 이용하여, 기존 레이다의 하드웨어 변경 없이 근전계 빔 조향을 하는 알고리즘을 제안한다. 기존 원전계의 Roof-lab 환경에서는 원전계 빔의 조향을 위해(Aumann, 1995) 다음과 같이 진폭과 위상에 대한 보정값에 대한 LUT, 빔 모양에 따른 LUT, 온도와 주파수에 따른 LUT들이 각각 FPGA 내부 메모리에 저장되어 있다.
근전계 빔 집속 시험을 위해서는 근전계 변환에 따른 보정 값을 LUT로 구현해 기존 FPGA내에 있는 원전계용 LUT처럼 적용되어야 하지만, 일반적으로는 시험을 위한 별도 LUT를 저장할 수 있는 공간을 추가로 구성하지는 않는다. 본 논문에서는 이러한 한계를 극복하고 원전계 시험에 앞서 효율적으로 근전계 시험을 수행할 수 있도록, 단일 LUT를 이용하여 최소한의 비용으로 근전계 시험환경을 구현하는 기법을 서술한다. 기존 LUT(안테나 보정/온도/주파수에 따른 보정 값)에 빔 집속을 위한 극소량의 LUT 값을 추가하여 AESA 레이다 하드웨어의 큰 변화 없이 근전계빔 집속을 구현하는 방법을 제안한다.
본 논문은 실제로 레이다의 빔을 근전계에서 원전계 빔을 모사하기 위해 레이다의 안테나 송수신 모듈(TRM, Transmit-Receive module)들의 위상과 크기를 조절하는 LUT(Lookup Table)을 이용하여 빔 집속을 구현하며, LUT를 생성하는 방법을 제시하며, 이를 검증하기 위해 시뮬레이션을 통해 제안하는 LUT를 이용해 근전계 빔 집속을 원전계와 유사하게 이루어냄을 확인한다.
궁극적으로 원전계에서 활용할 레이다에 근전계 실험만을 위해 추가 FPGA를 장착하는 것은 효율적이지 못하며, 시간/자원/비용의 증가를 야기한다. 이러한 제약사항을 해결하기 위해 본 논문에서는 기존 FPGA의 극소 여유 자원을 이용해 적용할 수 있도록 단일 LUT만을 이용하여 빔을 조향하는 방법을 제안하고자 한다.

제안 방법

3장에서 제시한 LUT 생성 수식을 통해 (Az, El)=(0°, 0°) 기준 LUT를 생성하고, 원전계 빔 조향의 각 경우에 따라 (방위각 –30°/0°/30° 및 고각 –30°/0°/30°인 총 9가지 경우) 생성된 원전계 LUT와 더하는 과정을 진행하였다.
본 논문에서는 이러한 한계를 극복하고 원전계 시험에 앞서 효율적으로 근전계 시험을 수행할 수 있도록, 단일 LUT를 이용하여 최소한의 비용으로 근전계 시험환경을 구현하는 기법을 서술한다. 기존 LUT(안테나 보정/온도/주파수에 따른 보정 값)에 빔 집속을 위한 극소량의 LUT 값을 추가하여 AESA 레이다 하드웨어의 큰 변화 없이 근전계빔 집속을 구현하는 방법을 제안한다.
는 디지털 위상 변위기의 최소 위상값으로 본 논문에서는 5bit를 적용하였다. 본 논문에서는 방위각 0도, 고각 0도, 빔 집속 거리 2m일 때의 배열 소자에 대한 근전계 빔 집속 위상값을 계산하고, 양자화하여 LUT를 생성하였다. id_re = n_x × n_y는 배열소자의 총 개수로 1280개(40×32개)이다.
본 장에서는 AESA 안테나의 원전계 빔 조향 시뮬레이션을 서술하며, Fig. 1과 같이 1280개(40×32)의 사각 평면배열 소자를 갖는 X-밴드 주파수의 AESA 안테나에 대한 모델을 해석하였다.
본 장에서는 단일 LUT를 적용할 경우 근전계 빔 조향 결과의 정확성에 대해 분석한다. (Ju, 2018)의 연구에서는 근전계 빔 집속 방법만을 사용 빔 조향 범위와 관계없이 원전계 빔을 모사할 수 있음을 확인하였다.
앞서 3장에서 서술한 근전계 빔 집속 기법은 빔 집속 좌표에 따라 위상 변위값을 계산해야하는 방법으로 FPGA 내에서 실시간으로 매번 계산을 수행하거나, 사전에 수많은 LUT값을 계산하여 FPGA 메모리에 저장해야 한다. 본 장에서는 원전계 빔 조향을 위한 LUT 값과 boresight 기준의 빔 집속 LUT 값을 더하여 단일 LUT 기반 근전계 빔 조향 시뮬레이션을 진행하였다. Fig.
Fenn은 근전계 영역에서 근전계 빔 집속(NFBF, Nearfield Beam Focusing) 기법을 제안하였다(Fenn, 1990). 이를 통하여 일정한 시험 조건을 가질 수 있는 챔버 안에서 근전계 영역에서 빔을 집속함으로써 원전계 빔을 모사하는 방법을 개념적으로 제안하였다.
초기 시험 단계에서 최종 비행 시험 단계로 갈수록 시험에 대한 비용이 증가하며, 문제 발생 시 이를 해결하는 데 필요한 비용도 개발 초기 단계 시험보다 더 큰 비용을 요구하게 된다. 일반적으로 능동배열안테나의 비행전 시험은 건물 옥상의 Roof-lab과 야외 시험장을 활용해 초기 시험을 수행하는 것이 일반적이지만, 본 논문에서는 그보다 앞서 근전계에서 시험을 하되, 하드웨어의 형상 변경 없이 극소량의 LUT를 이용해 근전계에서 시험을 할 방법을 제안하였으며, 이를 뒷받침하기 위해 제안하는 기법을 근전계에 적용하였을 경우 빔 집속이 제대로 이루어지는지를 시뮬레이션을 통해 확인해 보았다.
제안하는 방법을 통해 생성한 단일 LUT를 적용할 경우, 근전계에 빔 집속이 제대로 이루어지는지를 검증하기 위해 시뮬레이션을 진행하였다. 3장에서 제시한 LUT 생성 수식을 통해 (Az, El)=(0°, 0°) 기준 LUT를 생성하고, 원전계 빔 조향의 각 경우에 따라 (방위각 –30°/0°/30° 및 고각 –30°/0°/30°인 총 9가지 경우) 생성된 원전계 LUT와 더하는 과정을 진행하였다.

성능/효과

따라서 빔 조향 범위에 따라 분석 분석을 진행한 결과 방위각을 조절하였을 때는 ±30°까지 원전계의 특성과 유사함을 확인하였다.
또한, 방위각, 고각을 모두 조절하여 대각방향으로 근전계 빔 조향 시뮬레이션을 한 결과 (Az, El)=(±20°, ±20°) 범위까지 오차율 약 3% 이내로 근전계에서 원전계 빔 모사가 가능함을 확인하였다.
제안하는 방법은 원전계 시뮬레이션 결과와 방위각 또는 고각방향으로 ±30° 범위 및 대각방향으로 ±20° 범위에서 약 3% 이내의 오차율을 보여줌으로써, 원전계 시험의 이전 단계 실험으로써 근전계 실험의 가능성을 보여주었다. 본 시뮬레이션 결과를 통해 확인된 단일 LUT 기반의 빔 조향 알고리즘을 근전계 시험에 적용할 경우 AESA 레이다의 최대 빔 조향 각도에 맞는 몇 개의 LUT를 적용할 수 있다. 따라서 원전계 시험이나 비행 시험 이전에 발생할 수 있는 오류를 조기에 확인하고 수정하여 이후 시험에서 발생할 수 있는 비용과 시간을 효과적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
11은 시뮬레이션 결과로서 AESA 안테나와 2m 떨어진 관찰 평면에서의 복사특성 값을 계산한 결과이다. 분석 결과, 원전계 빔 조향 LUT에 boresight 기준 근전계 빔 집속 LUT를 추가하면 여러 방향으로 근전계 빔 조향이 가능함을 확인하였다. 따라서, 원전계 빔 조향 각도만 설정하면 해당 각도에서 근전계 빔 집속이 가능하다.
제안하는 방법은 원전계 시뮬레이션 결과와 방위각 또는 고각방향으로 ±30° 범위 및 대각방향으로 ±20° 범위에서 약 3% 이내의 오차율을 보여줌으로써, 원전계 시험의 이전 단계 실험으로써 근전계 실험의 가능성을 보여주었다.

후속연구

본 시뮬레이션 결과를 통해 확인된 단일 LUT 기반의 빔 조향 알고리즘을 근전계 시험에 적용할 경우 AESA 레이다의 최대 빔 조향 각도에 맞는 몇 개의 LUT를 적용할 수 있다. 따라서 원전계 시험이나 비행 시험 이전에 발생할 수 있는 오류를 조기에 확인하고 수정하여 이후 시험에서 발생할 수 있는 비용과 시간을 효과적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	능동배열안테나의 시험 수행을 위해 수십 미터 이상의 지상 시험장이 필요한 이유는?	능동배열안테나는 원전계에 있는 표적과 지형 등을 탐지/추적하기 때문에 개발 간 항공기 탑재 전 시험 수행을 위해 원전계 거리 조건을 만족하게 하는 수십 미터 이상의 지상 시험장이 필요하다. 따라서 빔 조향, 표적, 클러터 및 재밍 등의 시험 수행을 위해 지상에서 높은 곳에 실험실을 구축하는 야외 실험장을 구축하는 것이 일반적이다.
	근전계 빔 집속이란?	근전계 빔 집속은 안테나 배열 소자들의 위상을 같게 적용하여 수 미터 이내에서 빔이 집속되도록 하는 기법이다. Fig.
	단일 LUT 기반의 빔 조향 알고리즘을 근전계 시험에 적용할 경우 AESA 레이다의 최대 빔 조향 각도에 맞는 몇 개의 LUT를 적용할 수 있게 되는데, 어떤 효과를 기대할 수 있는가?	본 시뮬레이션 결과를 통해 확인된 단일 LUT 기반의 빔 조향 알고리즘을 근전계 시험에 적용할 경우 AESA 레이다의 최대 빔 조향 각도에 맞는 몇 개의 LUT를 적용할 수 있다. 따라서 원전계 시험이나 비행 시험 이전에 발생할 수 있는 오류를 조기에 확인하고 수정하여 이후 시험에서 발생할 수 있는 비용과 시간을 효과적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

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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