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가설 설정
- 이 때 해당 영역이 피시험체의 또 다른 명확한 산란 지점과 겹치거나 근접한 경우 거리 보정이 어려 우며 이에 따른 오차가 발생할 수 있다. 이 오차 요인은 피시험체의 특성에 따라 평가되어야 하며, 본 오차 분석에서는 거리 오차를 1 m로 가정하였다. 레이더와 피시험체 간 거리는 27 m이며, 식 (11)을 이용하면 오차는 약 0.
- 3D 측정의 경우에는 배경잡음 신호가 챔버 내에 균일하게 분포되어 있다고 가정하여 추정할 수 있고, 결국 3차원 레이더 이미지를 통해 피시험체 영역을 제외한 클러터 신호의 제거가 가능하기 때문에 2D ISAR 측정 보다 배경잡음 신호의 크기는 감소한다. 피시험체의 높이는 1 m, 지면으로부터 피시험체가 설치된 지점까지의 높이는 3.5 m, 수직 방향의 cross-range extension은 14 m, 잡음 신호는 전 체적에 대해 고르게 분포하고 있다고 가정하였다. 피시험체 부분을 제외한 나머지 영역의 신호를 제거한다고 가정하면, 3D 측정에서 배경잡음 신호 레벨은 2D ISAR 측정에서의 1/14로 추정할 수 있고, 이에 따라 3D 측정에서의 배경잡음 신호 레벨은 -45.
제안 방법
- IEEE Std. 1502-2007 문서에 RCS 측정 오차 요인으로 제시되지 않았지만 측정 환경 및 데이터 후처리 방식에 의해 본 측정 시스템만이 고유하게 가지고 있는 2가지의 오차 요인을 식별하고 이를 분석하였다.
- 본 측정 시설에서는 교정 데이터의 획득 및 검증을 위해 서로 다른 2개 이상의 교정 표적을 측정하며, 교정 표적의 RCS에 의한 오차를 분석하기 위해 크기가 다른 2종의 원통형 교정 표적을 활용하였다. 반지름 10 cm, 높이 30 cm의 원통형 교정 표적의 측정을 통해 교정 데이터를 얻었고, 반지름 20 cm, 높이 50 cm의 원통형 교정 표적의 RCS를 측정하여 교정 데이터가 적용된 측정값과 수식을 통해 구한 이론값의 비교를 통해 오차를 분석하였다. Fig.
- 본 논문에서는 실내 근전계 RCS 측정 시스템의 오차 요인을 식별하고, 10 GHz에서 2D ISAR 및 3D 측정의 불확도를 분석하였다. 배경잡음 신호, 교정 표적의 RCS, 레이더/안테나 및 피시험체 설치 관련 요인, 시스템 고유의 요인으로 구분하여 분석하였으며, 본 시스템만이 가지고 있는 고유한 요인으로 데이터 후 처리 과정에서의 거리 보정에 따른 오차와 레이더 펜스 상단 팁에서의 회절 성분을 찾을 수 있었다.
- 본 측정 시설에서는 교정 데이터의 획득 및 검증을 위해 서로 다른 2개 이상의 교정 표적을 측정하며, 교정 표적의 RCS에 의한 오차를 분석하기 위해 크기가 다른 2종의 원통형 교정 표적을 활용하였다. 반지름 10 cm, 높이 30 cm의 원통형 교정 표적의 측정을 통해 교정 데이터를 얻었고, 반지름 20 cm, 높이 50 cm의 원통형 교정 표적의 RCS를 측정하여 교정 데이터가 적용된 측정값과 수식을 통해 구한 이론값의 비교를 통해 오차를 분석하였다.
- . 본 측정 시설에서는 표적의 방향에 따른 오차를 최소화하기 위해 피시험체를 설치한 후 각도계, 레이저 등을 활용하여 수평, 수직 방향의 정렬 상태를 확인하고 있다. 이와 더불어 동적 측정 시설이거나 바람 등의 영향을 받는 야외 시험시설에서는 피시험체의 움직임에 따른 오차가 발생할 수 있으나, 본 측정 시설이 정적 측정 시설이고, 2D ISAR 등의 측정 시 피시험체를 매우 느린 속도로 움직이는 점을 고려하면 피시험체의 정렬 상태에 의한 오차는 무시할 수 있는 요인으로 판단할 수 있다.
- 본 측정 시설의 배경잡음 신호 레벨을 확인하기 위해 피시험체가 설치되지 않은 상태에서 2D ISAR 측정을 수행하였다. 측정 결과를 Fig.
- 본 측정 시스템 수신단의 선형성을 확인하기 위해 VNA 출력을 증가시키며 송신 안테나 앞단에서의 전력을 측정하였고, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 시스템 특성을 고려하여 수신단의 LNA(Low Noise Amplifier)에 입력될 것으로 예상되는 -93 dBm부터 -31 dBm 범위에 대해 분석하였으며, 오차는 0.
- 본 측정 시스템은 측정을 통해 레이더 이미지를 획득한 후 이를 활용하여 원전계 RCS 데이터를 도출한다. 항공기 엔진 덕트와 같이 다중 반사가 많이 발생하는 구조를 포함한 피시험체의 측정 시 레이더 이미지 상에는 실제 산란 지점이 아닌 다른 지점에 신호가 나타날 수 있다.
- 7에 나타내었다. 시스템 특성을 고려하여 수신단의 LNA(Low Noise Amplifier)에 입력될 것으로 예상되는 -93 dBm부터 -31 dBm 범위에 대해 분석하였으며, 오차는 0.1 dB 이내로 불확도 분석 시 0.1 dB를 적용하였다.
- 신뢰할 수 있는 측정 결과를 얻기 위해서는 측정 오차 분석이 필수적이며, 본 논문에서는 측정 주파수를 10 GHz로 가정하고 항공시험장에 구축된 실내 근전계 RCS 측정 시스템의 2D ISAR 및 3D 측정의 오차 요인 및 불확도를 분석하였다. 일반적으로 RCS 측정 시 발생할 수 있는 오차 요인을 제시하고 있는 IEEE recommended practice for radar cross section test procedure(IEEE Std.
- 이에 반해 3D 측정은 안테나를 수직 방향으로 움직이면서 각각의 안테나 높이마다 2D ISAR 측정을 수행하여 3D 데이터를 획득하며, 2D ISAR 측정을 여러 번 수행하기 때문에 측정 시간은 길어지지만, 입체 데이터를 얻을 수 있기 때문에 2D ISAR 측정에 비해 지면반사, 배경잡음 및 타겟 지지대 등 클러터 신호 제거가 용이하다. 이렇게 획득한 원시 데이터는 Fig. 2와 같이 레이더 이미지로 변환 후, 크기/위상 보상 및 안테나 패턴 보정 등의 데이터 후처리를 통해 최종 레이더 이미지를 얻으며, 이 최종 레이더 이미지를 활용하여 원전계 RCS를 추출한다.
- 항공기 엔진 덕트와 같이 다중 반사가 많이 발생하는 구조를 포함한 피시험체의 측정 시 레이더 이미지 상에는 실제 산란 지점이 아닌 다른 지점에 신호가 나타날 수 있다. 이를 보정하기 위해 본 측정 시스템에서는 데이터 후처리 시 레이더 이미지 상에서 해당 영역의 신호를 선택하여 거리에 대한 보상을 수행한다. 이 때 해당 영역이 피시험체의 또 다른 명확한 산란 지점과 겹치거나 근접한 경우 거리 보정이 어려 우며 이에 따른 오차가 발생할 수 있다.
- 이를 확인하기 위해 송·수신기를 폐루프로 구성하여 2시간 동안 레이더 시스템의 성능 변화를 확인하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다.
- 본 측정 시스템의 주요 구성 요소 중 하나인 레이더 시스템은 VNA(Vector Network Analyzer)를 비롯하여 증폭기, 안테나 등으로 구성된다. 주기적인 VNA 교정뿐만 아니라 시스템 내부 RF 루프에 대해서 매 측정 전 교정을 수행하지만, 안테나 또는 레이더 시스템의 특성에서 비롯된 오차가 존재하며, 본 절에서는 이러한 오차 요인에 대해 분석하였다.
- 이러한 야외 시설은 보안 유지가 어렵고 기후, 주변 환경 등의 영향을 받기 때문에 시험장 운영에 제약사항이 많다. 컴팩레인지 시설은 이러한 원전계 측정 시설의 단점을 보완한 시설로 반사판을 활용하여 시험영역에 평면파가 도달하도록 설계한다. 컴팩레인지에서 반사판은 시설의 성능과 직결되는 요소이며, 모서리 부분 및 표면에 정밀한 설계 및 가공이 요구된다[5-7].
대상 데이터
- 본 측정 시설은 벽면에 전자파 흡수재가 부착되어 있고, 피시험체 지지대로 -40 dBsm(X band) 수준의 파일런을 사용한다. 이를 고려하면 피시험체와의 상호작용에 의한 오차를 발생시키는 부분은 파일런과 피시험체 간 체결부로 판단할 수 있다.
- 1과 같은 실내 근전계 RCS 측정 시설을 구축하였다. 본 측정 시설은 항공/유도무기체계의 RCS를 측정할 수 있는 모노스태틱 RCS 측정 시설로, 크게 레이더 시스템, 파일런, 스캐너로 구성되며, 주로 2D ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) 측정 및 3D 측정을 통해 원시 데이터(raw data)를 획득한다. 2D ISAR 측정은 안테나를 피시험체와 동일한 높이로 고정하고 피시험체를 방위각 방향으로 움직이면서 측정하는 방식이며, 획득한 데이터를 레이더 이미지로 변환하면 피시험체를 위에서 바라본 것 같은 평면 이미지를 얻는다.
- 본 측정 시스템의 주요 구성 요소 중 하나인 레이더 시스템은 VNA(Vector Network Analyzer)를 비롯하여 증폭기, 안테나 등으로 구성된다. 주기적인 VNA 교정뿐만 아니라 시스템 내부 RF 루프에 대해서 매 측정 전 교정을 수행하지만, 안테나 또는 레이더 시스템의 특성에서 비롯된 오차가 존재하며, 본 절에서는 이러한 오차 요인에 대해 분석하였다.
- RCS 측정의 경우 피시험체의 제작이 필요하지만, 해석 대비 비교적 짧은 시간에 다양한 주파수에 대한 RCS 특성 데이터를 획득할 수 있다. 측정 시설은 레이더와 피시험체 간 거리에 따라 원전계 측정 시설, 컴팩레인지 시설, 근전계 측정 시설로 구분할 수 있으며, 원전계 측정 시설은 레이더와 피시험체 간 거리가 식 (1)의 원전계 조건을 만족하는 시설을 의미한다. 식 (1)에서 R 은 레이더와 피시험체 간 최소 거리, D는 안테나 및 피시험체의 최대 크기, λ는 파장이다[5].
이론/모형
- 일반적으로 RCS 측정 시 발생할 수 있는 오차 요인을 제시하고 있는 IEEE recommended practice for radar cross section test procedure(IEEE Std. 1502-2007)를 참조하여 분석하였으며[9], 문서에 제시된 요인 외에 본 측정 시스템의 특성에 따른 고유한 오차 요인을 식별하였다.
성능/효과
- 9와 같다. 각 펜스 팁에 의한 오차는 0.02 dB, 0.05 dB로 이 중 큰 값을 불확도 추정에 활용하였으며, 실제 측정에 사용되는 레이더 펜스가 나무로 제작되고 전자파 흡수재를 부착한 구조임을 고려하면 실제 오차는 이보다 작을 것으로 예상할 수 있다.
- 본 논문에서는 실내 근전계 RCS 측정 시스템의 오차 요인을 식별하고, 10 GHz에서 2D ISAR 및 3D 측정의 불확도를 분석하였다. 배경잡음 신호, 교정 표적의 RCS, 레이더/안테나 및 피시험체 설치 관련 요인, 시스템 고유의 요인으로 구분하여 분석하였으며, 본 시스템만이 가지고 있는 고유한 요인으로 데이터 후 처리 과정에서의 거리 보정에 따른 오차와 레이더 펜스 상단 팁에서의 회절 성분을 찾을 수 있었다. 측정 불확도에 가장 크게 기여하는 오차 요인은 측정환경 내에서의 잡음 신호였으며, 잡음신호 레벨을 감소시킬 수 있도록 측정 환경을 개선하면 향후 수행하는 RCS 측정의 정확도가 향상될 수 있을 것으로 예상된다.
- 5는 측정에 사용되는 안테나의 패턴을 나타낸 것으로, 안테나의 HPBW은 방위각 방향으로 53°, 고각 방향으로 51°이다. 본 측정 시설에서 안테나와 피시험체 간 거리가 27 m임을 고려하면 안테나는 충분히 넓은 빔폭을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 이와 더불어 본 측정 시스템에서는 데이터 후처리 시 안테나 패턴을 이용하여 이득을 보정하는데, 이 때 방위각 방향으로만 보정을 수행하여 고각 방향에 대한 오차를 식 (8)을 이용하여 계산하였다.
- 오차 요인을 잡음신호 레벨, 교정 표적의 RCS, 레이더/안테나 특성 관련 요인, 피시험체 설치 관련 요인, 시스템 고유의 오차 요인으로 구분하여 분석하였을 때, 측정 불확도에 주로 영향을 주는 요인은 측정 환경 내 잡음 신호 레벨, 교정 표적의 RCS, 시스템 고유 오차 요인 중 거리 보정에 따른 오차이며, 이를 제외한 레이더/안테나 및 피시험체 설치 관련 요인은 무시할 수 있거나 크기가 0.1 dB 이하였다.
- 본 측정 시설에서는 표적의 방향에 따른 오차를 최소화하기 위해 피시험체를 설치한 후 각도계, 레이저 등을 활용하여 수평, 수직 방향의 정렬 상태를 확인하고 있다. 이와 더불어 동적 측정 시설이거나 바람 등의 영향을 받는 야외 시험시설에서는 피시험체의 움직임에 따른 오차가 발생할 수 있으나, 본 측정 시설이 정적 측정 시설이고, 2D ISAR 등의 측정 시 피시험체를 매우 느린 속도로 움직이는 점을 고려하면 피시험체의 정렬 상태에 의한 오차는 무시할 수 있는 요인으로 판단할 수 있다.
후속연구
- 반면에 측정환경 내 잡음 신호 레벨의 경우 측정 시설의 특성이 반영된 요소이다. 잡음 신호에 따른 오차를 줄이기 위해서는 피시험체 주변의 클러터 신호 제거에 용이한 3D 측정을 수행하거나 흡수재가 설치되지 않은 바닥면에도 흡수재를 설치하는 등 잡음 신호 감소를 위한 측정 환경의 개선이 필요할 것으로 생각된다. 측정 환경이 개선될 경우, 교정 표적 또한 개선된 환경에서 측정되기 때문에 교정 표적의 RCS 측정 정확도도 함께 향상될 것으로 기대된다.
- 배경잡음 신호, 교정 표적의 RCS, 레이더/안테나 및 피시험체 설치 관련 요인, 시스템 고유의 요인으로 구분하여 분석하였으며, 본 시스템만이 가지고 있는 고유한 요인으로 데이터 후 처리 과정에서의 거리 보정에 따른 오차와 레이더 펜스 상단 팁에서의 회절 성분을 찾을 수 있었다. 측정 불확도에 가장 크게 기여하는 오차 요인은 측정환경 내에서의 잡음 신호였으며, 잡음신호 레벨을 감소시킬 수 있도록 측정 환경을 개선하면 향후 수행하는 RCS 측정의 정확도가 향상될 수 있을 것으로 예상된다.
- 잡음 신호에 따른 오차를 줄이기 위해서는 피시험체 주변의 클러터 신호 제거에 용이한 3D 측정을 수행하거나 흡수재가 설치되지 않은 바닥면에도 흡수재를 설치하는 등 잡음 신호 감소를 위한 측정 환경의 개선이 필요할 것으로 생각된다. 측정 환경이 개선될 경우, 교정 표적 또한 개선된 환경에서 측정되기 때문에 교정 표적의 RCS 측정 정확도도 함께 향상될 것으로 기대된다.
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