Development of a Comprehensive Performance Test Facility for Small Millimeter-wave Tracking Radar

소형 추적 레이다용 종합성능시험 시설 개발

Abstract

The small tracking radar targets the target in a real-time, fast-moving, fast-moving target against aircraft with a large RCS that is maneuvering at low speed and a small RCS aircraft maneuvering at high speed (fighters, drones, helicopters, etc.) It is a pulsed radar that detects and tracks. Performing a performance test on a tracking radar in a real environment is expensive, and it is difficult to quantitatively measure performance in a real environment. Describes the composition of the laboratory environment's comprehensive performance test facility and the main requirements and implementation of each configuration.Anechoic chambers to simulate the room environment, simulation target generator to simulate the signal of the room target, target It is composed of a horn antenna driving device to simulate the movement of a vehicle and a Flight Motion Simulatior (FMS) to simulate the flight environment of a tracking radar, and each design and implementation has been described.

소형 추적 레이다는 저속으로 기동 중인 큰 RCS를 갖는 바다위의 함정 표적 및 고속으로 기동하는 작은 RCS를 갖는 항공기(전투기, 무인기, 헬기 등)에 대하여 빠른 김발구동으로 표적을 향하고 실시간으로 표적을 탐색/ 탐지 하여 추적하는 펄스 방식의 레이더이다. 추적 레이다를 실제 환경에서 성능시험을 수행하는 것은 많은 비용이 발생을 한다. 또한 실제 환경에서는 성능을 정량적으로 측정하기가 어렵다. 본 논문에서는 소형 추적 레이다의 성능을 확인하기 위한 실험실 환경의 종합성능시험 시설의 구성과 각 구성의 주요 요구사항 및 구현에 대하여 설명한다. 실 환경을 모사하기 위한 무반향 챔버, 실 표적의 신호를 모사하기 위한 모의표적발생부, 표적의 이동을 모의하기 위한 혼안테나 구동장치, 추적레이다의 비행환경을 모사하기 위한 FMS(Flight Motion Simulatior)로 구성되며 각각의 설계와 구현에 대하여 설명하였다.

Ⅰ. 서론

소형 추적 레이다 시스템은 표적에 대한 탐재 추적 성능, 전자전 대응 성능 등 다양한 요구사항을 충족시키기 위해서 개발에 많은 비용과 기간이 소요된다. 또한 개발된 추적 레이다 시스템의 성능은 실 표적을 대상으로 시험평가를 받게 된다. 평가전 모든 요구사항에 대한 충족을 확인하기 위하여 자체 성능 확인이 필요하다. 자체성능평가를 저 비용으로 짧은 기간 내에 완료하기 위하여 추적 레이다용 종합성능시험 시설은 필수적이다.^[1][2][3]

본 논문에 적용되는 소형 추적레이다의 표적은 크게 대양의 함정표적, 공중의 항공기 표적으로 분류된다. 함정표적은 RCS는 크지만 상대적으로 전자전(EW, ElectronicWarfare) 시스템이 잘 갖춰져 있기 때문에 종합성능시험 시설에서는 함정에서 운용하는 채프, 디코이, 노이즈 재밍 등을 대응하기 위한 다양한 알고리즘 및 운영 파형에 대한 성능을 시험하기 위한 성능사항들이 요구된다. 항공기표적은 RCS가 작고 빠르게 기동하는 특성을 고려하여 종합성능시험 시설에서는 빠르게 이동 및 높은 상대속도를 고려한 모의표적에 대한 성능사항들이 요구된다. ^[4][5][6] 또한 실제환경을 모사하고 주변의 영향을 최소화하기 위하여 무반향 챔버내에서 성능시험을 수행하게 된다. 표적을 모사하는 신호와 주변환경의 클러터신호 및 전자전 신호들은 DRFM(Digital Radio Frequencymemory)를 적용하거나^[7][8][9], DDS를 이용하기도 한다.DRFM을 적용할 경우 여러 채널에 대하여 다양한 모의신호를 동시에 생성할 수 있는 장점이 있지만 비용이 비싸다는 단점이 있다. 표적의 이동을 모사하기 위하여 위상어레이 방식과 레일구동방식이 있다. 위상 어레이 방식은 여러 혼안테나를 배치하여 위상을 제어하여 빠르게 표적을 이동할 수 있는 장점이 있지만 많은 혼안테나 채널을 구현해야 하므로 비용이 많이 든다. 반면에 몇 개의 채널을 이용하여 정해진 레일에서 이동하는 혼안테나 구조는 빠른 속도의 표적을 모사하는 데는 한계가 있지만 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 본 논문에서는 항공기 표적과 함정표적에 대한 추적 레이다의 종합 성능을 시험하기 위하여 레일에서 구동하는 혼안테나 형태로 설계/제작한다. 종합 성능시험은 무반향 챔버, 항공기 표적용 레이구동 장치, 함정표적용 레이구동장치 및 DRFM 구조의 레이다 모의신호 생성장치로 이루어진다. 모의신호 생성장치는 클러터 환경에서 먼거리의 표적신호를 구현하기 위하여 비선형성을 만들지 않고 감지 할 수 있는 가장 약한 신호와 가장 강한 신로로 정의되는 다이나믹 레이지를 충족할 수 있어야 한다. 수 많은 테스트 항목과 기록 및 분석 할 수 있는 대량의 테스트 데이터로 인해 수동 작업에 따라 기존의 테스트 및 제어 시스템은 더 이상이러한 유형의 애플리케이션에 적합하지 않고 자동 테스트 및 제어 시스템은 이 작업에 중요한 역할을 한다.

Ⅱ. 종합성능시험 시설 구

추적 레이다의 종합 성능시험을 위한 시험시설은 무반향 챔버, 모의표적 생성장치, 혼안테나 구동장치 및FMS(Flight Motion Simulator)로 구성된다.

그림 1은 종합성능시험 시설의 전체 구조에 대한 구성도이다. 두 가지 표적에 대한 각각의 혼안테나 레일구동장치와 추적 레이다가 장착되는 2축 FMS, FMS 구동장치, 모의표적 발생장치 및 무반향챔버로 구성된다.

그림 1. 종합성능시험 시설

Fig. 1. Comprehensivel Performance Test Facility

1. 무반향 챔버

무반향 챔버는 두 가지 표적의 레일구동시스템을 내부에 설치 가능한 공간에 신호를 흡수하는 흡수체로 이루어져 있으며 주요 규격은 표1과 같다.

표 1. 무반향 챔버 요구사항

Table 1. Anechoic Chamber Requirement

표1과 그림2와 같이 무반향 챔버는 Ku 밴드와 Ka 밴드를 동시에 운영할 수 있도록 Pyramidal FoamAbsorber와 Flat Absorber를 배치하였고 두 가지의 표적에 따른 혼안테나 구동장치의 배치를 위하여 8m ×6m × 6 m 의 직육면체 공간으로 설계하였다. 또한 전원 필터를 통하여 내부에 사용되는 전원에 대하여 전원잡음을 차폐하였다.

그림 2. 무반향 챔버 구성도

Fig. 2. Anechoic Chamber Configuration Diagram

2. 추적 레이다 FMS

유도탄의 비행에 따른 환경을 모사하기 위하여 추적레이다는 FMS에 장착이 된다. FMS는 요, 피치, 롤 축에 대하여 다양한 운동을 모사할 수 있도록 구현되며 회전축은 안테나의 중심축과 일치되도록 설계하였다. 표2는 FMS의 주요 요구사항에 대하여 나타내고 있다. 구동범위는 Yaw, Pitch, Roll 각 축에 대하여 구동이 가능해야 하고 구동각 정밀도는 0.1° 이하이어야 한다.

표 2. FMS 요구사항

Table 2. FMS Requirements

그림 3은 3축으로 설계된 레이다 장착을 위한 FMS이다. 대공 유도탄의 측추력기가 동작되어 큰 가속도를 받는 순간에 대하여 모사가 가능하다. 또한 시나리오별 FMS를 구동하기 위하여 별도의 구동제어장치를 구현하였다.

그림 3. 종합성능시험용 FMS

Fig. 3. FMS for Comprehensive Performance Test

3. 대공용 모의표적 안테나 구동장치

대공용 모의표적 혼안테나 구동장치는 대공표적의 빠른 기동을 모사하기 위하여 30 degs 이상의 각속도를 가져야 하고 구동범위는 구현 각속도와 챔버 사이즈를 고려하여 ± 30°로 제한하였다. 또한 메인 표적과 각종 전자전 환경을 모사하기 위하여 이동표적 1개와 고정표적 2개, 총 3개의 표적을 위한 채널로 이루어져 있다. 그림4는 대공 표적 구동장치의 설계 모델이다. 기본적으로 Ku 밴드 혼안테나로 구성되어 있으며 Ka 밴드 추적레이다를 시험할 경우 혼안테나를 교체하여 수행한다.

표 3. 대공표적 구동장치 요구사항

Table 3. Anti-aircraft Targets Drive System Requirements

그림 4. 대공 표적 구동장치

Fig. 4. Simulated Aircraft Targets Drive System

4. 대함용 모의표적 혼안테나 구동장치

함정 표적용 모의표적 혼안테나 구동장치는 항공기가 운영하는 다양한 전자전환경과 복합센서를 갖는 추적시스템을 시험할 수 있도록 레이다 모의표적과 적외선 및가시광 센서에 대한 모의표적으로 이루어져 있다. 또한 복잡한 전자전환경에서 추적시스템의 성능을 확인하기 위하여 구동장치는 고각과 방위각으로 모두 이동이 가능해야 한다. 함정표적의 속도를 고려하여 구동속도는 최대10 deg/sec이어야 한다. 방위각과 고각의 2축으로 이동해야 하고 추적레이다의 안테나면과 같은 거리에서 혼안테나가 이동을 해야 하기 때문에 그림 5와 같이 혼안테나가 방위각 및 고각으로 이동을 하더라도 추적 레이다로 빔폭의 센터가 갈 수 있도록 설계되었다. 고각으로는 레일의 안테나가 움직이고 방위각으로는 고각 레일 전체가 움직이는 구조로 설계되었다. 방위각의 하중을 고려하여 두 개의 모터를 이용하여 구동각 정밀도를 만족하면서 이동하도록 설계했다.

표 4. 모의 대함표적 구동장치 요구사항

Table 4. Simulated Ship Targets Drive System Requirements

그림 5. 대함 표적 구동장치

Fig. 5. Anti-ship Targets Drive System

그림 6은 복합센서를 위한 표적으로 가운데 레이다 표적을 송신할 혼안테나와 적외선 영상표적과 가시광 영상표적을 모사하기 위한 열판과 LED 판으로 이루어져 있다. 먼거리의 함정표적의 적외선 영상과 가시광 영상은가로 × 세로 픽셀로 구현되므로 열판과 LED 판을 제어하여 표적 모사가 가능하다.

그림 6. 복합센서 모의 표적

Fig. 6. Complex sensor Simulated Targets

5. 모의표적 발생장치

모의표 방생장치는 DRFM 기반으로 설계되었다. 2채널의 표적신호, 클러터신호, 재밍신호를 발생시키고, 각 채널은 다이나믹 레인지를 고려하여 출력신호의 이득을 선형적으로 제어할 수 있도록 설계되었다. 주파수는 Ku 밴드, Ka 밴드를 기반으로 설계되었으며 W 밴드로의 확장성을 고려하여 모듈단위로 설계되었다. 또한 전자전 대응 능력에 대한 시험을 위하여 stand on jammer,stand off jammer, spot jammer 등 다양한 재밍기법을 포함하고 있고, RGPO, VGPO 등의 기만신호에 대한기법이 포함되어 있다.

표 5. 모의표적 발생장치 요구사항

Table 5. Simulated Targets Generating System Requirements

6. 종합성능시험실 GUI 프로그램

추적 레이다 종합성능시험 시설의 여러 장비를 운용하여 추적 레이다의 성능을 종합적으로 확인하기 위해서는 운용 SW가 매우 중요하다. 특히 시나리오 베이스의 성능 시험을 위해서는 앞에서 소개된 각각의 장치들을 제어하여 원하는 시험을 수행하기 위해 자동화된 SW가 필수적이다. 그림 7은 종합성능시험 운용 SW CSCI를 보여주고 있다. 자체점검 CSC를 포함하여 5개의 CSC로 구성되며 전체 15개의 CSU로 구성된다. 특히 FMS의 정확한 위치를 제어하기 위하여 절대위치에 대한 점검은 매우 중요하다. 또한 모의표적신호가 정상적으로 생성이 되는지를 시험전에 확인이 되어야 한다. 또한 혼안테나 구동장치가 움직이면서 원하는 각도에서 표적 신호를 발생하여 송신하기 위하여 각각의 CSC의 자동화된 연동이 필요하다. 그림 8은 종합성능시험 GUI 프로그램을 보여 주고 있다.

그림 7. 모의표적 발생장치

Fig. 7. Simulated Targets Generating System

그림 8. 종합성능시험 운용SW CSCI

Fig. 8. Comprehensive Performance Test OperatingSW CSCI

그림 9. 종합성능시험 GUI 프로그램

Fig. 9. Comprehensive Performance Test GUI Program

Ⅲ. 종합성능시험 시설 구축

앞에서 언급된 종합성능시험 시설의 설계에 따라서 구축하였다. 무반향 챔버에 설치되는 혼안테나 구동 장치의 성능을 고려한 평평도를 유지하기 위하여 메탈 실드 후에 각관구조의 구조물로 지지대를 시공하고 판 격자로 마무리 시공을 하였다. 그림 10은 바닥시공을 보여주고 있다. 그림 11은 3축 FMS의 제작된 모습이다. 추적 레이다를 Roll 축에 장착을 한 후 두 개의 혼안테나 구동장치 중 하나를 선택하면 자동으로 원점 셋팅이이루어 진다. 그림 12는 추적 레이다 장착 후 운용 모습이다.

그림 10. 무반향 챔버 바닥 시공

Fig. 10. Anechoic Chamber Floor Construction

그림 11. 3축 FMS

Fig. 11. 3 Axis FMS

그림 12. 추적 레이다 장착 후 운용 모습

Fig. 12. Operation after mounting a tracking radar

모의 항공기 표적은 이동속도가 30 deg/sec 이상을 요구하기 때문에 거리가 멀면 더 큰 모터 토크가 필요해서 앞쪽에 가까이 설치를 하였다. 또한 뒤쪽의 모의 함정표적과의 간섭을 빔폭 안에서 피하기 위해서 아래 쪽에 설치를 하였다. 양쪽에는 고정된 혼안테나, 가운데는 움직이는 혼안테나로 제작되었다. 고정된 안테나를 이용하여 stand off jammer, towed decoy 등을 구현한다. 그림 13은 모의 항공기 표적 구동시스템의 제작된 모습이다.

그림 13. 모의 항공기 표적 구동시스템

Fig. 13. Simulated Aircraft Targets Drive System

다양한 전자전환경과 넓은 대양의 함정표적을 위하여 2축으로 구동되는 시스템으로 구현되었다. 적외선 영상 센서와 가시광영상센서의 모의표적 또한 구현되었다. 그림 14는 모의 함정 표적 구동시스템 제작을 보여주고 있다.

그림 14. 모의 함정 표적 구동시스템

Fig. 14. Simulated Ship Targets Drive System

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 추적 레이다의 성능시험을 위한 종합성능시험 시설을 개발하였다. 함정표적 및 항공기 표적에 대한 추적 레이다를 각각 시험할 수 있도록 별도의 모의표적 구동시스템으로 구현하였고 DRFM 구조의 모의표적신호 발생장치를 구현하였다. 또한 무반향 챔버를 통하여 주변환경의 영향없이 실제환경과 유사한 환경에서 성능을 확인할 수 있도록 구현하였다.