[논문]잔향환경에 강인한 Generalized Sinusoidal Frequency Modulated 펄스 생성 기법

김근환; 윤경식; 이동화; 조점군; 홍정표; 이균경

doi:10.9723/jksiis.2019.24.5.095

초록
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본 논문에서는 잔향 환경에 강인한 GSFM(Generalized sinusoidal frequency modulated) 펄스를 설계하는 기법을 제안하였다. GSFM 펄스는 SFM(Sinusoidal frequency modulated) 펄스의 일반화한 형태로써 거리와 도플러 분해능이 모두 우수한 압정형태의 모호성 함수를 가지는 장점이 있다. 하지만 일반화를 하는 과정에서 주기성이 사라지기 때문에, 빗살형태의 스펙트럼을 가지는 SFM 펄스에 비해 잔향환경에서 탐지 성능이 저하된다. 본 논문에서는 GSFM 펄스의 파라미터 ${\rho}$를 적절히 변화시켜 SFM 펄스의 잔향 제거 성능과 GSFM 펄스의 거리 분해능 성능 간에 트레이드오프(Trade-off)관계를 분석하고, 비교적 높은 성능을 동시에 만족할 수 있는 ${\rho}$ 값을 제안하였다. 제안한 GSFM 펄스의 성능을 검증하기 위해 잔향환경을 모의하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 제안한 GSFM 펄스가 저속의 도플러 표적을 탐지하면서 우수한 거리 분해능을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a method to design a generalized sinusoidal frequency modulated(GSFM) pulse that is robust to reverberation environment. GSFM pulses are a generalized form of SFM(Sinusoidal frequency modulated) pulses, which have the advantage of having a thumbtack ambiguity function with ...

In this paper, we propose a method to design a generalized sinusoidal frequency modulated(GSFM) pulse that is robust to reverberation environment. GSFM pulses are a generalized form of SFM(Sinusoidal frequency modulated) pulses, which have the advantage of having a thumbtack ambiguity function with excellent range and Doppler resolution. However, the periodicity disappears during the generalization process, therefore, the detection performance is reduced in reverberation environment compared to SFM pulse with comb spectrum. In this paper, the trade-off relationship between the reverberation suppression performance of the SFM pulse and the range resolution performance of the GSFM pulse is analyzed by appropriately changing the parameter ${\rho}$ of the GSFM pulse. In order to verify the performance of the proposed GSFM pulse, the simulation was performed and it was confirmed that the proposed GSFM pulse has excellent distance resolution while detecting the slow Doppler target.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 Reverberation Zone in Doppler-Bearing Plane
그림 Fig. 2 SFM Pulse
그림 Fig. 3 GSFM Pulse
그림 Fig. 4 3-dB Contour of GSFM Pulse
그림 Fig. 5 Q Function of GSFM Pulse
그림 Fig. 6 Ray-Tracing Result
표 Table 1 Q Value and Range Resolution of GSFM (Q Function Value of CW Pulse at 4m/s = 5.099 dB)
그림 Fig. 7 Doppler-Bearing Display of Matched Filter Results

AI 본문요약
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문제 정의

펄스의 특성은 중심주파수와 대역폭, 펄스 길이에 따라 다른 성능을 나타내지만 이는 현재 관심사가 아니다. 따라서 본 논문에서는 이 값을 고정하여 f_c= 3kHz, B= 1kHz, T = 1s의 GSFM 펄스를 설계하는 것을 목표로 하였다. 또한 Blind Speed는 10m/s로 설정하였으며 이는 SFM 펄스에서 변조 주파수 f_m이 약 40Hz일 때를 의미한다.
본 논문에서는 GSFM 펄스의 파라미터를 적절히 조절할 경우 SFM 펄스와 유사한 특성을 가지는 것에 착안하여, 잔향에 강인하면서도 동시에 거리, 도플러 분해능이 우수한 GSFM 펄스를 설계하는 방법을 제안한다. 이는 GSFM펄스를 제안한 Hague and Buck(2017)의 논문에서 간략하게 언급한 바가 있으나 그들은 설계된 펄스가 양쪽의 성능을 모두 유지하지 못하는 열등한 펄스가 생성된다고 생각하였으며, 미묘한 파라미터의 변화로 급격한 특성 변화가 일어나기 때문에 차라리 한쪽의 특성을 제대로 사용하는 것이 좋다는 결론을 내렸다.
그러나 본 논문에서는 이러한 현상을 보다 자세히 분석하였으며, GSFM 펄스의 파라미터를 적절히 설정할 경우 근거리에서 잔향을 효과적으로 제거하여 탐지성능을 높이면서 거리 분해능을 향상시켜 근거리에서 표적 위치추정의 모호성을 최소화하는 펄스를 설계할 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서는 제안한 펄스를 검증하기 위해 잔향 환경을 모의한 시뮬레이션 수행하였으며, 실제 해상에서 활용될 수 있는 가능성을 확인하였다.
, 2009; Hague and Buck, 2017).본 논문은 그중에서 잔향에 강인한 펄스를 설계하는 기법에 대해서 논의한다.
본 논문은 잔향에 강인하면서도 거리, 방위 분해능이 뛰어난 능동펄스를 설계하는 기법을 제안하였다. 제안한 기법은 GSFM 펄스의 파라미터 ρ가 1일 때는 SFM 펄스의 특성을 가지고 값을 높여갈수록 GSFM 펄스의 특성이 나타나는 것을 이용하여 분해능과 잔향 환경에서의 탐지 성능을 트레이드오프하는 적절한 파라미터 ρ를 찾는 방식이다.
따라서 ρ를 1에 가깝게 설정하면서 GSFM 펄스의 특성을 최대한 유지하는 ρ를 찾아낸다면 잔향에 강인하면서 동시에 거리, 도플러 분해능 또한 우수한 능동펄스를 설계할 수 있을 것으로 예상할 수 있다. 즉 파라미터를 적절히 변경하여 잔향제거 성능과 분해능 사이의 적절한 트레이드오프(Tradeoff)를 찾는 것이 본 논문의 목적이다.

제안 방법

따라서 동일한 의미를 가지도록 만들기 위해GSFM 펄스의 C 를 40으로 맞춰주었다. GSFM펄스의 파라미터 p의 값은 1에서 1.1까지 0.001의 간격으로 변화시켜 얻어지는 결과를 분석하였다.
1까지 0.001의 간격으로 변화시켜 얻어지는 결과를 분석하였다.
그러나 본 논문에서는 이러한 현상을 보다 자세히 분석하였으며, GSFM 펄스의 파라미터를 적절히 설정할 경우 근거리에서 잔향을 효과적으로 제거하여 탐지성능을 높이면서 거리 분해능을 향상시켜 근거리에서 표적 위치추정의 모호성을 최소화하는 펄스를 설계할 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서는 제안한 펄스를 검증하기 위해 잔향 환경을 모의한 시뮬레이션 수행하였으며, 실제 해상에서 활용될 수 있는 가능성을 확인하였다.
제안하는 잔향에 강인한 GSFM 펄스의 성능을 검증하기 위해 모의 잔향신호와 표적신호를 생성하였다. 모의 잔향신호는 Fig.
제안한 기법은 GSFM 펄스의 파라미터 ρ가 1일 때는 SFM 펄스의 특성을 가지고 값을 높여갈수록 GSFM 펄스의 특성이 나타나는 것을 이용하여 분해능과 잔향 환경에서의 탐지 성능을 트레이드오프하는 적절한 파라미터 ρ를 찾는 방식이다.

대상 데이터

GSFM 펄스는 ρ에 따른 성능을 분석하기 위해서 1.007, 1.010, 1.100의 3가지 펄스를 사용하였다.
펄스는 CW 펄스, LFM 펄스, SFM 펄스, GSFM 펄스를 사용하였고 fc= 3kHz, B= 1kHz, T= 1s이다.

이론/모형

제안하는 잔향에 강인한 GSFM 펄스의 성능을 검증하기 위해 모의 잔향신호와 표적신호를 생성하였다. 모의 잔향신호는 Fig. 6과 같이 Ray-Tracing 기법(Urick, 1967)을 이용하여 여러 개의 다중경로의 합으로 표현하였으며, 방위별로자함의 속도가 8m/s일 때의 도플러를 고려하여 생성하였다. 표적의 신호는 방위 120^o(cosθ = 0.

성능/효과

따라서 이 두 가지 분석을 조합한 결과 ρ가 1.007에서 1.010 사이의 값을 가지도록 GSFM 펄스를 설계하는 것이 우수한 거리, 도플러 분해능을 가지면서도 잔향 제거 성능이 우수한 펄스를 설계할 수 있다고 결론 내렸다.
5배에서 11배의 우수한 거리 분해능을 얻을 수 있었다. 또한 잔향 환경을 모의한 시뮬레이션을 통해 설계된 GSFM 펄스가 잔향 환경에서 우수한 탐지 성능을 보이는 것을 확인하였다.
제안한 기법은 GSFM 펄스의 파라미터 ρ가 1일 때는 SFM 펄스의 특성을 가지고 값을 높여갈수록 GSFM 펄스의 특성이 나타나는 것을 이용하여 분해능과 잔향 환경에서의 탐지 성능을 트레이드오프하는 적절한 파라미터 ρ를 찾는 방식이다. 모호성 함수와 Q-Function을 이용하여 분석한 결과 중심주파수 3kHz, 대역폭 1kHz, 길이 1s의 GSFM 펄스를 설계할 때ρ가1.007에서 1.01 사이의 값을 사용할 경우 SFM의 잔향제거 성능과 GSFM의 거리 분해능 사이의 적절한 트레이드오프를 이뤄낼 수 있었다. 설계된 GSFM 펄스는 CW 펄스에 비해 우수한 잔향제거 성능을 가지면서 SFM 펄스에 비해 5.
01 사이의 값을 사용할 경우 SFM의 잔향제거 성능과 GSFM의 거리 분해능 사이의 적절한 트레이드오프를 이뤄낼 수 있었다. 설계된 GSFM 펄스는 CW 펄스에 비해 우수한 잔향제거 성능을 가지면서 SFM 펄스에 비해 5.5배에서 11배의 우수한 거리 분해능을 얻을 수 있었다. 또한 잔향 환경을 모의한 시뮬레이션을 통해 설계된 GSFM 펄스가 잔향 환경에서 우수한 탐지 성능을 보이는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GSFM 펄스는 어떤 펄스를 일반화한 형태인가?	본 논문에서는 잔향 환경에 강인한 GSFM(Generalized sinusoidal frequency modulated) 펄스를 설계하는 기법을 제안하였다. GSFM 펄스는 SFM(Sinusoidal frequency modulated) 펄스의 일반화한 형태로써 거리와 도플러 분해능이 모두 우수한 압정형태의 모호성 함수를 가지는 장점이 있다. 하지만 일반화를 하는 과정에서 주기성이 사라지기 때문에, 빗살형태의 스펙트럼을 가지는 SFM 펄스에 비해 잔향환경에서 탐지 성능이 저하된다.
	GSFM 펄스의 장점은?	본 논문에서는 잔향 환경에 강인한 GSFM(Generalized sinusoidal frequency modulated) 펄스를 설계하는 기법을 제안하였다. GSFM 펄스는 SFM(Sinusoidal frequency modulated) 펄스의 일반화한 형태로써 거리와 도플러 분해능이 모두 우수한 압정형태의 모호성 함수를 가지는 장점이 있다. 하지만 일반화를 하는 과정에서 주기성이 사라지기 때문에, 빗살형태의 스펙트럼을 가지는 SFM 펄스에 비해 잔향환경에서 탐지 성능이 저하된다.
	잔향을 제거하여 탐지성능을 향상시키는 것이 능동소나 연구에서 핵심적인 연구주제 중 하나인 이유는?	그러나 능동소나는 표적의 반사파 외에도 해저면과 해수면 등에서 반사되는 잔향으로 인해 탐지성능이 저하되는 문제점이 발생한다. 잔향은 표적의 반사파와 유사한 특성을 가지는 유색잡음(Colored noise)이며, 능동소나에서 표적을 탐지하기 위해 사용하는 정합필터의 성능을 저하시킨다. 따라서 잔향을 제거하여 탐지성능을 향상시키는 것이 능동소나 연구에서 핵심적인 연구주제 중 하나이다.

참고문헌 (13)

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