Development of Comprehensive performance test equipment to confirm the performance of small radar systems

소형 추적 레이다 시스템 성능확인을 위한 종합성능시험 장비 개발

Abstract

The compact tracking radar system is a pulsed radar tracking system that searches, detects, and tracks targets in real time against aircraft targets with a small RCS(Radar Cross Section) maneuvering at high speed. This paper describes the development of comprehensive performance test equipment to verify the performance of the radar system in a anechoic chamber environment. Describes the design and manufacture of comprehensive performance test equipment to meet requirements, including the generation of simulated target signals to simulate aircraft target signals to verify performance in the laboratory environment of radar systems. It also describes a GUI(Graphic User Interface) program to check performance through a test in conjunction with the tracking radar system. Verify the comprehensive performance test equipment implemented through the performance test.

소형 추적 레이다 시스템은 고속으로 기동 중인 작은 레이다 단면적(RCS:Radar Cross Section)을 갖는 항공기 표적에 대하여 실시간으로 표적을 탐색, 탐지하여 추적하는 펄스 방식의 레이다 추적 시스템이다. 본 논문에서는 레이다 시스템 성능을 실험실 무반향 챔버 환경에서 확인하기 위한 종합 성능시험 장비 개발에 대하여 서술한다. 레이다 시스템의 실험실 환경에서 성능을 확인하기 위한 항공기 표적 신호를 모사하기 위한 모의 표적 신호 생성을 포함한 요구사항을 충족하기 위한 종합 성능 시험 장비의 설계 및 제작에 대하여 기술한다. 또한 추적 레이다 시스템과 연동 시험을 통하여 성능을 확인하기 위한 GUI(Graphic User Interface) 프로그램을 기술한다. 성능시험을 통해 구현한 종합 성능시험 장비를 검증한다.

Ⅰ. 서론

소형 추적 레이다 시스템은 항공기 표적을 탐지 및 추적 하기 위한 추적 시스템으로 기계적 성능, 전기적 성능, 전자전 대응 성능 등 다양한 규격을 충족시키기 위하여 오랜기간과 많은 비용으로 개발이 되어 진다. 개발되어진 레이다 시스템은 실제 항공기 표적을 대상으로 평가를 진행하여야 한다. 하지만, 평가를 통하여 모든 성능 항목을 실제 항공기 표적을 대상으로 확인 하기에는 기간, 비용 뿐만 아니라 다른 많은 제약조건들이 발생한다. 이를 보완하기 위하여 공중 환경과 유사한 무반향 챔버 환경에서 실 표적과 유사한 모의신호를 이용한 성능 시험이 이루어 진다.^[1][2][3]

대공 환경에서는 항공기 표적으로부터 반사되어 들어오는 레이다 반사 신호와 대지면 혹은 해수면으로부터 반사되어 들어오는 클러터 신호가 함께 추적레이다 시스템에 입력이 되므로 대지면 혹은 해수면으로부터 반사되는 클러터 신호를 모의 신호로 생성하여 클러터 환경에서의 추적성능을 확인하기도 한다.^[4][5]

항공기 표적은 스텔스 기능이 내장되어 있어서 레이다 시스템 반사면인 RCS(Radar Cross Section)가 매우 작고 또한 전자전(EW, Electronic Warfare) 시스템을 보유하고 있어서 끝까지 추적하기에 어려움이 있다. 추적 레이다 시스템이 항공기 표적을 끝까지 추적하기 위하여 항공기에서 운용하는 채프, 노이즈 재밍 등을 대응하기 위한 다양한 알고리즘을 보유하여야 한다. 각 알고리즘에 대한 성능을 분석하기 위해서 종합 성능시험 장비는 운영 파형별 반사되는 표적의 모의신호와 함정에서 운영하는 채프, 노이즈 재밍 등의 신호도 생성한다.^[6][7]

레이다 시스템 모의 표적 신호를 생성하기 위하여 DRFM (Digital Radio Frequency memory)를 적용하거나^[8][9][10], DDS(Direct Digital Synthesizer)를 이용하기도 한다. DRFM을 적용할 경우 여러채널에 대하여 다양한 모의신호를 생성할 수 있지만 비용이 많이 증가하는 단점이 있다.

DDS를 이용하는 경우 DDS 자체 가격은 저렴하지만 DDS 이용하여 시나리오별 원하는 신호를 생성하기 위한 별도의 제어보드와 RF 보드가 필요하고 DDS에서 생성된 신호가 레이다 시스템과의 동기를 위하여 동기된 별도의 신호를 입력해 주어야 한다.^[11]

DDS를 제어하여 계획된 모의 표적 신호를 생성하기 위한 제어보드는 모의 표적 신호를 생성하기 위하여 추적 레이다 시스템으로부터 별도의 동기신호와 주파수 정보를 받아서 운용된다.

성능시험의 편리를 위하여 GUI 프로그램을 통하여 추적 레이다 시스템과 연동하여 모의신호를 발생시키고, 추적레이다 시스템에서 신호처리된 표적의 정보[거리, 각도, 속도]와 추적레이다 시스템 상태정보를 표시하고 또한 시험 후에 성능시험 결과를 분석한다.^[6][12]

본 논문에서는 레이다 시스템과 연동되는 제어부, DDS를 이용하여 동기된 모의신호를 생성하기 위한 모의 신호제어부 및 생성된 신호를 제어하여 원하는 모의표적을 발생하는 모의표적생성부를 포함한 종합 성능 시험 장비 개발에 대하여 설명한다. 전체 모의 표적 신호 생성은 단계별 레이다 시스템으로부터 운영되는 동기화된 신호를 받으며 그 정보를 이용하여 제어보드에서 DDS를 제어하여 원하는 신호가 생성되고 모의표적 생성부에서 증폭, 필터링, 스위칭, 믹싱 등을 통하여 원하는 시나리오의 모의표적 신호를 생성하는 방법을 설명한다. 끝으로 모의신호의 측정을 통하여 시험 결과를 제시한다.

II. 종합 성능 시험 장비

소형 추적 레이다 시스템 성능시험 SET의 주요 구성은 그림 1과 같다.

그림 1. 레이다 시스템 성능시험 SET

Fig. 1. Radar System Performance Test SET

소형 초고주파 추적 레이다 시스템의 실험실환경 성능시험은 주변의 영향을 최소화하기 위하여 무반향 챔버에서 수행된다. 시나리오별 표적의 이동과 능동레이다 시스템의 송신신호가 표적을 맞고 반사되어 들어오는 신호를 생성하기 위한 레이다 시스템 점검장비 캐비닛이 있고 캐비닛 내부에 모의신호 발생장치가 포함되어 있다.

종합성능시험장비는 해당 레이다 시스템에 최적화되어 설계 및 제작되기 때문에 무반향 챔버에서 종합성능시험 장비만 교체하여 다른 목적의 추적 레이다 시스템을 시험하는 성능시험 SET의 일부이다. 종합 성능시험장비는 2개의 캐비닛과 인터페이스 케이블로 이루어져 있다. 캐비닛T1은 생성환 모의표적 신호의 특성을 분석하는 신호분석부, 추적 레이다 시스템에서 오는 동기화된 타이밍 신호를 확인하기 위한 오실로스코프부, 추적 레이다 시스템에 전원을 공급하기 위한 전원공급부, 정전시 장비를 보호하고 안정적인 전원을 공급하기 위한 무정전 전원공급부, 이더넷을 통하여 자동으로 제어하기 위한 이더넷 스위치로 구성된다. 캐비닛T2는 종합성능시험장비를 제어하기 위한 GUI 프로그램이 탑재되어 있는 전시제어 컴퓨터부, 레이다 시스템 출력 신호를 측정하기 위한 첨두전력측정부, 모의 표적 신호를 생성하기 위한 모의신호제어부, 발생된 모의 표적 신호를 RF 신호로 발생시켜 주는 RF 신호 발생부, 모의신호제어부와 RF 신호 발생부에 전원을 공급하기 위한 모의신호전원공급부로 구성된다.

그림 2. 종합성능시험장비 구성

Fig. 2. Comprehensive performance test equipment Configuration

표1은 종합성능시험장비의 주요 사양이다. 소형 추적레이다 시스템 시스템의 성능시험을 위한 모의표적 신호를 생성하기 위한 사양으로 이루어져 있다.

표 1. 종합성능시험장비 주요 사양

Table 1. Comprehensive performance test equipment Main Spec.

1. 모의표적신호 생성

모의표적신호를 생성하기 위해서는 캐비닛T2의 모의 신호 제어부, RF 모의 신호 발생부, 모의신호 전원공급부를 기반으로 전시제어 컴퓨터에서 GUI 프로그램을 동작시켜 생성하게 된다. 그림 3은 모의표적신호 생성을 위한 구성도를 보여주고 있다. 전시제어컴퓨터의 GUI프로그램을 통하여 모의신호제어보드를 제어하여 원하는 거리와 속도를 가진 신호를 주파수합성기를 통하여 RF 신호를 생성하게 된다. 이때 주파수 변조된 신호가 추적 레이다에서 생성되어 방사되는 신호와 동기화를 위하여 생성된 신호와 일치성을 확인 한다.

그림 3. 모의표적신호 생성 구성도

Fig. 3. Simulated Target Signal Generation Configuration

2. 모의신호제어부

모의신호제어부는 레이다 시스템에서 운영되고 있는 주파수정보를 제어보드에서 UART 통신으로 받아서 주파수합성기의 DDS를 제어하여 모의신호를 생성한다.

그림 4는 제어보드의 구성이다. 레이다 시스템으로부터 UART 통신으로 연결되어 실시간으로 레이다 시스템에서 운영되는 주파수정보를 받는다. 또한 동기를 위하여 레이다 시스템에서 운영되는 펄스반복주파수와 동기 주파수신호를 받는다. 받은 정보를 활용하여 모의 표적의 거리와 속도정보를 추가하여 RF 신호를 생성하게 된다. 주파수합성기의 DDS를 제어하여 빠르게 신호를 생성하기 위하여 CPU는 AMR 9 계열, 클럭 속도는 300MHz 이상으로 선정하였다. FPGA는 여러 외부 인터페이스 제어 및 도플러 주파수 생성을 위한 연산을 위하여 XILINX 사의 Vertex 4로 선정하였다.

그림 4. 제어보드 구성

Fig. 4. Control Board Configuration

그림 5의 제어보드는 GUI 통신부, 전원부, CPU, FPGA, 주파수생성부, 기준 클럭, 제어신호출력 으로 구성되낟. GUI 통신부는 통제제어 PC로 LAN으로 연결되어 GUI 프로그램을 통하여 시나리오별 정해진 정보를 받아서 모의신호를 위한 주파수와 펄스신호 및 제어신호를 생성한다. 전원부는 사용되는 부품들과 파형을 생성하는 주파수합성기에 전원을 공급한다. CPU는 통제제어 PC의 GUI 화면에서 명령을 받아서 필요한 각종 신호생성과 제어 신호 생성을 수행한다. FPGA는 신호생성에 필요한 각종 타이밍 신호 및 펄스 신호들을 생성하고 주파수합성기에 주파수정보를 전달하는 역할을 수행한다. 모의신호 발생 장치는 소형 추적 레이다로부터 기준 클럭을 받아서 동기된 신호를 생성하게 된다. 하지만 자체 점검을 위해서는 별도의 기준클럭이 필요하다. 자체 점검용 기준클럭은 레이다로부터 받는 신호와 동일한 규격이 생성되도록 설계한다. 주파수 생성부는 HPRF 파형에서 모의표적의 도플러 주파수 생성과 협대역 재밍 모의신호를 생성하기 위한 DDS로 구성된다. 속도정보를 가진 모의표적 신호를 생성하기 위하여 모의신호제어부의 제어보드에서 속도정보의 도플러 신호를 포함하여 주파수합성기의 DDS에서 생성된다.

그림 5. 제어보드

Fig. 5. Control Board

주파수합성기는 제어보드에서 주파수, PRF(Pulse Repetition Frequency), 펄스폭, LFM 정보를 받아 거리정보, 속도정보를 가진 신호를 생성한다. 이때 레이다 시스템으로부터 받은 기준 펄스신호를 이용하여 생성하게 된다. 그림 6은 기준 펄스신호 대비 생성된 거리지연신호이다. 거리지연신호는 주파수합성기내부의 FPGA에서 생성하여 DDS 입력신호로 전달된다.

그림 6. 거리 지연 신호

Fig. 6. Delayed Range Signal

그림 7은 주파수합성기에서 생성된 모의신호의 LFM(linear Frequency Modulation) 결과이다. 주어진 펄스폭 내에서 시작주파수와 끝주파수의 선형성이 요구사항을 만족하고 있다.

그림 7. LFM 신호

Fig. 7. LFM Signal​​​​​​​

그림 8은 주파수합성기의 형상으로 DDS와 FPGA가 있는 하부와 RF 회로가 있는 상부로 나누어지며 모의표적신호와 ECM 신호의 두 개의 채널로 이루어져 있다.

그림 8. 주파수합성기 형상

Fig. 8. Frequency Synthesizer​​​​​​​

3. 모의신호생성부

모의신호생성부는 모의신호제어부에서 만들어진 모의신호와 각종 스위치들의 제어신호들을 이용하여 시나리오별 원하는 모의신호를 생성하게 된다. 추가적으로 추적 레이다 시스템의 일부 ECCM 기능을 확인하기 위한 ECM 신호를 생성한다.

그림 9는 모의신호생성부의 블록도이다. 모의신호생성부의 입력신호는 다음과 같다.

► 모의신호1,2 (주파수합성기로부터)

► 감쇄기제어신호 (제어보드로부터)

► 스위치 제어 신호(제어보드로부터)

그림 9. 모의신호생성부 블록도

Fig. 9. Simulated Signal Generation Part Block Diagram​​​​​​​

주파수합성기에서 생성된 도플러 신호는 HPRF 파형에서 속도정보를 모의하기 위하여 사용된다. 속도정보에 대한 잡음 재밍 신호를 생성하기 위해 별도의 잡음재밍을 위한 노이즈 소스가 사용된다. 신호를 증폭하여 별도의 채널을 이용하여 Stand off 재밍신호를 생성할 수 있고 생성된 모의신호에 합쳐서 하나의 채널로 Stand on 재밍신호를 생성할 수 있다.

4. 통제제어 소프트웨어

통제제어 소프트웨어는 종합 성능시험 장비를 통하여 성생된 모의표적신호를 추적레이다가 수신하여 표적 신호를 추적에 대한 시나리오별 성능을 확인하기 위한 소프트웨어이다. 모의표적신호 제어기와 연동을 하고 수신신호를 확인하고 추적레이다의 상태를 확인할 수 있도록 GUI 프로그램으로 구성된다. 그림 10은 통제제어 소프트웨어 개발 방안을 보여주고 있다. 통제 제어기 CSC에서 통신, 설정, 수신, 전시, 유틸리티 CSU로 구성이 된다.

그림 10. 통제제어 소프트웨어 개발방안

Fig. 10. Control Software development plan​​​​​​​

그림 11은 구현된 통제제어 소프트웨어의 GUI 화면을 보여주고 있다. 가운데 수신되는 표적신호의 FFT 처리된 전시화면이 있으며 왼쪽에 각종 설정을 위한 스위치들이 배치되어 있다. 전시화면 아래에는 추적레이다의 종합성능시험중 확인을 해야하는 각종 신호의 Flag들이 전시되고 있다.

그림 11. 통제제어 소프트웨어

Fig. 11. Control Software​​​​​​​

그림 12는 모의표적신호 제어기에 대한 소프트웨어 개발방안을 보여주고 있다. 생성할 모의표적신호에 대하여 설정하기 위한 CSU와 모의신호를 제어하기 위한 CSU로 구성된다. 그림 13은 모의표적신호를 파형별로 설정하고 제어하기 위한 GUI 화면을 보여주고 있다.

그림 12. 모의표적신호 제어기 소프트웨어 개발방안

Fig. 12. Simulated Target Signal generation Software development plan

그림 13. 모의표적신호 제어기 소프트웨어

Fig. 13. Simulated Target Signal generation Software

그림 14는 표적신호를 추적레이다로 방사시키기 위한 혼안테나의 위치를 제어하기 위한 혼안테나 구동기 소프트웨어 개발방안을 보여주고 있다. 구현된 소프트웨어는 그림 15와 같다. 표적의 이동을 모사하기 위하여 혼안테나를 특정방향, 특정 각속도로 이동을 제어하게 된다.

그림 14. 혼안테나 구동기 소프트웨어 개발방안

Fig. 14. Horn antenna actuator Software development plan

그림 15. 혼안테나 구동기 소프트웨어

Fig. 15. Horn antenna actuator Software

Ⅲ. 시험 결과

상기의 설계 내용을 바탕으로 그림 16과 같이 모의신호발생장치를 제작하였다.

그림 16. 모의신호발생장치

Fig. 16. Simulated Signal Generator​​​​​​​

자체 성능확인은 레이다 시스템에서 오는 주파수 정보와 타이밍 정보 신호를 GUI 프로그램을 통하여 자체 점검 모드에서 정해진 주파수와 타이밍으로 성능 확인을 하였다. 그림 17은 펄스 신호에 대한 모의 표적 신호의 감쇄 TEST로 원하는 결과를 얻었다. 그림 18은 HPRF 파형에서 표적과의 상대속도 변화에 대한 추적 성능을 확인하기 위한 도플러 가변 시험으로 원하는 속도로 가변이 되고 있음을 확인할 수 있었다.

그림 17. 모의 표적 신호 감쇄 TEST

Fig. 17. Simulated Target Signal Attenuation TEST

그림 18. 도플러 신호 가변 TEST

Fig. 18. Doppler Signal Variable TEST

그림 19는 시험환경에 실제 적용하여 추적레이다의 성능 시험을 수행하는 장면이다. 무반향 챔버내에서 모의표적 신호는 이동이 가능한 혼안테나에 연결하여 모의표적 신호를 송신하여 시험이 수행된다. 그림 20은 레이다 시스템 성능 시험 후 결과 분석 결과로 GUI 프로그램을 통하여 시험 후 바로 성능을 확인할 수 있다.

그림 19. 무반향 챔버 레이다 성능시험

Fig. 19. Anechoic Chamber Radar Performance TEST

그림 20. 레이다 성능 결과

Fig. 20. Radar Performance Result

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 소형 추적 레이다 시스템을 실험실 환경에서 시험하기 위하여 소요되는 모의신호발생장치를 개발하였다. 저가 소형 랙 형태로 제작하기 위하여 파형 발생을 위하여 별도의 주파수합성기를 제작하고 내부에 DDS를 적용하였으며 레이다 시스템 시험을 위한 모의표적 신호를 생성하도록 설계 및 제작 하였다. 레이다 시스템에서 받은 운영 주파수 정보로 DDS를 제어하기 위한 제어보드는 ARM9 CUP와 XILINX FPGA를 적용하여 구현하였다. 표적의 속도정보인 도플러 신호를 생성하기 위하여 별도의 주파수합성기를 제작하여 내부의 DDS를 활용하여 구현하였다. 또한 노이즈 재밍신호를 위하여 별도의 광대역 노이즈 소스를 적용하여 시나리오별로 운영하였으며 전용 시험장비에 적용하여 레이다 시스템 성능시험을 통하여 결과를 확인하였다.