ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
FMCW 전파고도계의 재밍 탐지 및 회피 알고리즘
Jamming Detection and Suppression Algorithm for an FMCW Radar Altimeter
이재환 ․장종훈․노진입․유경주*․최재현
Jae-Hwan
Lee ․Jong-Hun
Jang․Jin-Eep Roh․Kyung-Ju Yoo*․Jae-Hyun Choi 요 약본 논문에서는 주파수 변조 연속파(FMCW) 전파고도계의 재밍 환경에서의 강인한 고도 측정을 위한 재밍 탐지/회피 알고리즘을 제안한다. 전파고도계 재밍 탐지 알고리즘은 재밍 탐지를 위해 송수신 구간 앞에 노이즈 측정구간을 두어 노이즈 레벨을 측정하고, 샘플링한 노이즈파형에 대해 재밍 임계치를 넘는 포인트를 산출하여 재밍을 탐지한다. 재밍 회피 알고리즘으로 시간영역에서의 재밍 회피, 송신 출력 및 수신 이득 제어, 주파수 도약을 설계하였다. 제안한 알고리 즘은 실제적인 환경에서 평가하기 위한 야외시험을 통해 성공적으로 검증하였다.
Abstract
This paper presents a jamming detection and suppression algorithm of a frequency-modulated continuous-wave(FMCW) radar altimeter. The radar altimeter measures the noise level at the noise measuring period before the transmitting and receiving period and finds the number of sampled noise data over the jamming threshold for detecting the jamming. For a jamming suppression technique, we design the time domain jamming suppression, transmit/receive power control and frequency hopping methods. To assess more realistic operation, the radar altimeter was performed a field test. Through the field test, we verified the algorithms successfully.
Key words: FMCW, Radar, Altimeter, Jamming, Field Test
국방과학연구소(Agency for Defense Development)
*한화탈레스(주)(Hanwha Thales)
․Manuscript received October 15, 2015 ; Revised December 18, 2015 ; Accepted January 7, 2016. (ID No. 20151015-30S)
․Corresponding Author: Jae-Hyun Choi (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
전파고도계(radar altimeter)는 비행체와 지표면과의 상 대고도를 측정하기 위한 장비로 지면 및 해면을 향해 전 파를 송신하고 되돌아오는 반사파를 수신하여 두 전파사 이의 상호관계를 이용하여 고도를 측정하는 일종의 레이 다 시스템이다. 전파고도계의 방식 중 FMCW(Frequency-
Modulated Continuous-Wave) 전파고도계는 FM 변조 파형 을 송신하고, 송신파와 수신파를 주파수 혼합한 차 주파 수(beat frequency)를 측정하여 FFT(Fast Fourier Transform) 를 취함으로써 최대 세기의 차 주파수에 해당되는 고도 를 추적한다[1],[3]. FMCW 방식에서 삼각파 변조를 사용하 는 경우, 송신파와 수신파의 차 주파수는 식 (1)과 같다[4]. 식 (1)의 변조 대역폭 (∆())은 비트 주파수의 대역폭
을 제한하기 위해 고도()에 따라 제어되는 함수이다.
즉, 저고도에서는 고고도보다 상대적으로 더 큰 변조대역 폭을 사용한다[2]. 비트 주파수의 범위가 넓으면 바닥 잡 음(noise floor)이 높아져 수신기의 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio: SNR)가 저하되게 된다. 따라서 고도에 따라
∆을 가변하는 방법으로 비트주파수를 고정한다.
∆
(1) 여기서, ∆()(Hz)는 변조 대역폭, (Hz)는 변조 주 파수, (m/s)는 광속, (m)는 고도이다.
한편, 전파고도계는 고도 변화 및 지형의 RCS(Radar Cross Section) 변화에 따라 수신 전력이 변화한다. 이 크 기를 보상하지 않으면 허용된 송수신기 동적영역(dy- namic range)범위를 벗어나게 되고, 이 경우 저고도에서 수신 전력이 포화(saturation)되거나, 고고도에서 수신 전 력이 미약하게 되어 고도를 추적하지 못하게 된다. 이를 막기 위해 전파고도계는 고도 변화에 따라 송신 출력 및 수신 이득을 가변적으로 제어한다[2].
전파고도계와 같이 무선주파수(radio frequency)를 사용 하는 장비는 고의적 혹은 비 고의적으로 발생되는 주위 RF 신호들에 영향을 받을 수 있다. 특히, 군사적 환경에 서 다양한 전자 공격(EA : Electronic Attack)중 하나인 재 밍(jamming)은 전파고도계의 운용 주파수 대역에 강한 전 력의 주파수 신호를 발생시킴으로 전파고도계의 성능을 발휘하지 못하도록 하는 심각한 위협이 될 수 있다. 이러 한 재밍 신호들은 공격 방법이나 공격 대상 등에 따라 여 러 종류가 존재하는데, 공격 방법에 따라 크게 광대역 (broad-band) 재밍과 협대역(narrow-band) 재밍으로 나눌
수 있다[3]～[6]. 광대역 재밍의 경우, 장비 운용 대역 전반에
걸쳐 재밍이 인가될 수 있으나, 대역폭이 커질수록 재밍 전력이 약해지기 때문에 그 영향이 미미하다[4]. 반면, 협 대역 재밍은 일정한 재밍 전력에 대하여 작은 재밍 대역 폭을 유지함으로 보다 강한 세기의 재밍 신호를 발생시 킬 수 있고, 재머(jammer)의 제작이 쉽고 용이하여 재밍 기법으로 주로 사용된다[5],[6].
일반적으로 재밍을 회피하기 위한 방법으로 주파수 도 약(frequency hopping)방식이 많이 사용되고 있다[8]～[10]. 재
밍이 인가된 경우, 주파수 도약 기법을 적용하면 확률적 으로 재밍에 대한 회피가 가능하나, 주파수 도약할 여유 대역이 제한적인 경우 도약하는 주파수 대역이 재밍이 들어오는 대역과 겹칠 수 있어 재밍 회피에 실패할 수가 있다.
본 논문에서는 전파고도계에 인가되는 협대역 재밍을 효과적으로 탐지하여 회피하는 알고리즘을 제시한다. 또 한, 실내 모의시험 및 더욱 실제적인 환경에서 제시한 알 고리즘을 평가하기 위한 야외 재밍 시험을 수행하여 전 파고도계의 재밍 탐지 및 회피 기능의 정상 작동 여부와 성능을 검증한다.
Ⅱ. 재밍 탐지 및 회피 알고리즘
2-1 협대역 재밍 신호 분석그림 1은 FMCW 전파고도계의 변조대역 내에 협대역 재밍 신호가 인가되었을 때, 시간영역에서의 IF 대역 (intermediate frequency in-band) 신호를 나타내고 있다. 그 림 1에서와 같이 재밍이 인가되면 IF 대역에서는 비트 주 파수 외에 송신파와 재밍이 혼합(mixing)된 신호가 나타 난다. 인가된 재밍 신호는 의 시간동안 나타나며, up/down-sweep 시간()에 비해 상대적으로 짧은 시 간동안 나타난다.
재밍이 발생한 시간 을 다음의 식 (2)～식 (6)을
그림 1. 협대역 재밍 신호가 인가된 FMCW 신호 Fig. 1. Narrow-band jamming applied in FMCW signal.
통해 수식적으로 나타내었다. 먼저, 삼각파 변조를 수행 하는 FMCW 변조에서 up-sweep 구간의 송신 주파수 ()는 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다[11].
∆
∆
(2)
여기서, (Hz)는 중심 주파수, ∆()(Hz)는 변조대역 폭, (sec)은 변조주기이고, 시간 는 ≤
이다.
송신 주파수()와 단일 톤(single tone)의 재밍 신호 주파수()가 혼합되어 하향 변환된 신호는 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.
∆ ∆
(3)하향 변환된 신호인 식 (3)은 대역통과필터를 통과하여 IF 주파수 대역이 제한되고, 그림 1에서 IF 주파수 대역의 상한과 하한을 각각 (Hz), (Hz)이라고 할 때, 이를 나타내면 식 (4)와 같다.
∆ ∆
(4)식을 간단하게 표현하기 위해 ∆ 라 하고, 식 (4)를 시간에 대해 정리하면 식 (5)와 같다.
∆
∆
(5) 식 (5)의 시간범위동안 재밍 신호가 IF 대역에 들어오 게 되고, IF 대역에서 재밍이 인가되는 전체 시간() 은 식 (6)과 같이 나타낼 수 있다.
∆
∆
(6) 일 예로, 전파고도계의 변조대역폭( ∆())이 500 MHz 이고, 변조주기()가 1 msec, IF 주파수 대역의 상한 ()이 4 MHz일 때, 재밍이 발생하는 시간은 식 (6)에 의 해 약 8 usec로, up-sweep 전체구간(500 usec)과 비교하여
매우 짧은 시간동안 나타난다는 것을 알 수 있다. 식 (6) 의 재밍 발생시간은 변조대역폭∆() 에 대한 함수로 써, 고도에 따라 변조대역폭이 반비례하게 제어되는 전파 고도계는 상대적으로 더 작은 변조대역폭을 사용하는 고 고도에서 재밍 발생시간이 길어진다. 식 (6)은 재밍 신호 의 세기나 대역통과필터의 스커트(skirt) 특성 등이 고려 되지 않았기 때문에 실제 재밍 발생시간과 차이가 있을 수 있다.
식 (3)의신호는 시간에 따라 주파수가 변화 하는 함수이다. 즉, 일정한 주파수로 나타나는 비트 주파 수와 달리 인가된 재밍 신호는 IF 대역 전체구간에 노이 즈 형태로 분포한다. 따라서 주파수 영역에서는 재밍 신 호의 발생 위치, 발생 구간 등의 탐지가 어렵다. 반면, 시 간 영역에서 재밍 신호는 앞서 식 (6)을 통해 계산한 결과 와 같이 sweep 구간과 비교하여 짧은 시간동안 나타난다.
따라서 이러한 시간 영역에서의 특성을 이용하면 효과적 인 재밍 탐지 및 회피가 가능하다.
전파고도계는 고도 측정을 위한 전파의 송신 이전에 노이즈 측정구간을 두어 노이즈 레벨을 측정한다. 노이즈 측정구간에서는 전파고도계의 송신을 끈(Tx off) 상태에 서 수신안테나로 입력되는 노이즈를 측정한다. 측정한 노 이즈 파형을 샘플링하면 재밍 신호는 식 (6)을 통해 확인 한 것처럼 짧은 시간동안 지속되는 형태로 나타나게 되 고, 측정한 데이터에서 재밍 임계치(threshold)를 넘는 포 인트를 산출함으로 재밍의 탐지가 가능하다.
2-2 전파고도계 재밍 탐지/회피 방법
앞서 설명하였듯이 재밍 신호는 IF 대역 전체구간에서 노이즈 형태로 분포하기 때문에 주파수 영역에서 재밍 신호의 발생 위치, 발생 구간 등의 탐지가 어렵다. 따라서 본 논문에서는 재밍 탐지방법으로 시간영역에서의 재밍 탐지기법을 설계하였다.
그림 2는 기존의 전파고도계 고도추적 알고리즘[2]에서 재밍의 탐지/회피 기능을 추가한 전파고도계의 고도추적 알고리즘이다. 전파고도계의 추적 모드가 시작되면 변조 대역폭, 송신 출력 및 수신이득이 고도에 따라 재설정되 고, 다음 단계로 재밍에 대한 탐지를 수행한다. 재밍 탐지 모드에서 전파고도계는 송수신에 앞서 노이즈 레벨을 측
그림 2. 추적에서의 재밍 탐지/회피 알고리즘
Fig. 2. Flow diagram of track mode with jamming detec- tion and suppression algorithm.
정하고, 측정한 데이터를 샘플링하여 재밍 임계치를 넘는 포인트 수가 개 이상일 때, 재밍 탐지를 알리고 재밍 회피모드로 동작한다. 재밍 임계치의 설정은 다양한 요소 들을 고려하여 결정해야 한다. 재밍 임계치가 너무 높게 설정되어 있으면 신호의 세기가 작은 재밍의 탐지가 불 가능하고, 재밍 임계치가 너무 낮게 설정되어 있으면 주 변 환경의 변화에 따라 실제 재밍 신호가 아님에도 재밍 으로 인식하는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 적절한 재 밍 임계치를 설정하는 것이 필요하다. 본 논문에서 설정 한 재밍 임계치는 재밍으로 인한 노이즈 상승이 고도 산 출에 영향을 줄 수 있다고 판단되는 레벨을 실험적으로 설정하였다.
한편, 앞서 식 (6)을 통해 설명하였듯이 전파고도계는 변조대역폭이 최대가 될 때 재밍 발생시간이 가장 짧으 므로 최대 변조대역폭을 가지는 저고도를 기준으로 재밍 임계치를 넘는 포인트 수를 실험적으로 설정하였다.
전파고도계의 재밍 회피 방법으로 시간영역에서의 재 밍 회피, 송신 출력 및 수신 이득 제어, 주파수 도약과 같
은 총 3단계의 재밍 회피기법을 설계하였다. 시간영역에 서의 재밍 회피는 재밍 탐지 바로 다음 단계에서 이루어 지며, 재밍 탐지 시 측정한 재밍 신호 발생 구간에 대해 해당 수신값을 0으로 대체(zero-padding)하여 발생한 재밍 신호를 제거한다. Zero-padding을 통해 샘플들을 제거하 면 주파수 스펙트럼의 부엽(sidelobe)이 증가하지만, 재밍 으로 인해 발생한 노이즈 레벨을 크게 줄일 수 있어 고도 추적에 충분한 SNR을 제공한다.
송신 출력 및 수신 이득 제어를 통한 재밍 회피는 재밍 이 탐지되면 전파고도계의 송신 출력은 증가시키고, 증가 된 만큼 수신 이득을 감소시키는 방법이다. 송신 출력 및 수신 이득 제어를 수행하면, 전파고도계의 고도신호는 송 신 출력이 증가된 만큼 신호의 세기가 커졌다가 수신 이 득이 감소된 만큼 신호의 세기가 줄어 일정한 신호의 세 기를 유지한다. 반면, 재밍 신호의 경우 전파고도계의 송 신 출력과 상관없이 수신 이득 감소로 인한 신호의 세기 가 줄어든다. 따라서 고도 신호의 세기는 유지하면서 재 밍 신호의 세기를 줄임으로 재밍에 대한 회피를 수행한 다. 전파고도계는 고도 변화에 따라 늘어나는 수신 전력 의 동적 범위를 보상하기 위하여 송신 출력 및 수신 이득 을 가변적으로 제어하며, 고고도에서 최대 출력과 최대 이득을 가진다. 재밍 회피를 위한 송신 출력 및 수신 이득 제어는 송신 출력이 증가한 만큼 수신 이득을 감소시키 기 때문에 송신 출력이 최대가 되는 고고도나 수신 이득 이 최소가 되는 저고도 일부 구간에서는 전력 제어에 제 약이 있어 재밍에 대한 회피효과가 떨어진다.
재밍을 회피하기 위해 사용되는 방법으로 널리 알려져 있는 주파수 도약은 전파고도계의 운용 주파수 대역에 재밍 신호가 인가될 경우, 변조주파수 대역을 운용 주파 수 대역의 상위 대역으로 이동함으로써 재밍 회피를 수 행한다. 주파수 도약할 여유 대역이 부족한 저고도에서는 효과가 떨어지지만, 여유 대역이 넓어지는 고고도에서는 신뢰성 있는 재밍 회피가 가능하다.
시간영역에서의 재밍 회피는 고도 측정구간 전 영역에 서 적용이 가능하다. 반면, 송신 출력 및 수신 이득 제어, 주파수 도약을 통한 재밍 회피는 고도에 따라 재밍 회피 효과가 떨어질 수 있다. 따라서 본 논문에서는 3단계의 재밍 회피 기법을 고도에 따라 순차적으로, 혹은 동시에
동작하도록 구성하여 재밍 회피의 신뢰성을 높인다.
재밍에 대한 회피가 성공하면 전파고도계는 유효한 고 도를 추적하며, 추적 고도를 전시(display)한다. 전파고도 계의 고도 탐색모드도 고도 추적모드와 동일한 방법으로 재밍 탐지/회피를 수행한다.
Ⅲ. 실내 모의 시험
앞서 구현한 각각의 재밍 회피 알고리즘을 시험하기 위하여 그림 3과 같은 구성으로 실내 시험을 수행한다.
전파고도계 점검 장비를 이용하여 모의 고도를 생성하고, 신호발생기를 통해서는 모의 재밍 신호를 발생시켰다. 모 의 고도 신호와 모의 재밍 신호는 전파고도계 점검 장비 내부의 전력 결합기(power combiner)를 통해 더해져서 전 파고도계로 인가된다. 구현한 재밍 탐지/회피 기능은 스 펙트럼 분석기(spectrum analyser)와 통제 및 분석용 노트 북을 이용하여 확인하였다.
그림 4는 실내 모의시험을 통해 수행한 시간영역에서 의 재밍 회피 알고리즘의 운용 결과를 나타내었다. 그림 4의 좌측 그림은 시간영역에서 측정한 신호이고, 우측 그 림은 주파수 영역으로 변환된 스펙트럼이다. 시험은 7 m 의 모의 고도에서 재밍 신호의 세기를 가변하며 수행하 였으며, 그림 4에서는 재밍 신호의 세기가 전파고도계 수 신 입력단 기준으로 —20 dBm일 때 재밍 인가 전/후 및 회피 결과를 시간영역 신호와 주파수 영역에서의 스펙트
그림 3. 실내 재밍 시험 구성 Fig. 3. Indoor test setup.
럼으로 나타내었다. 그림 4(b)의 시간영역에서의 신호를 보면 재밍에 해당하는 샘플들이 Impulse 형태로 나타나는 것을 알 수 있다. 이때, 재밍 임계치를 넘는 샘플의 개수 는 89개로, 10 MHz 샘플링에서 89개의 샘플은 약 8.9 usec 의 시간을 가진다. 식 (6)에 의해 계산한 재밍 발생 시간 은 약 6 usec로 실내 모의시험 결과와 차이를 보이는데, 실제 시험에서는 수식에서 고려되지 않은 재밍 신호의 세기나 대역통과필터의 스커트 특성 등의 영향으로 계산 값과 차이를 보인다. 그림 4(b)의 주파수 영역에서 스펙트 럼을 보면 그림 4(a)의 재밍 인가 전 노이즈 레벨이 약 —80 dBm에서 재밍 인가 후 약 —50 dBm으로 약 30 dB 상승
(a)
(b)
(c)
그림 4. 시간영역에서 재밍회피(모의고도 7 m). (a) 재밍 인 가 전, (b) 재밍 인가 후, (c) 재밍 회피 후 Fig. 4. The result of jamming suppression in time domain.
(a) before jamming, (b) after jamming, (c) after ja- mming suppression.
하여 정상적인 고도 추적이 불가능함을 알 수 있다. 그림 4(c)와 같이 시간영역에서의 재밍 제거를 통해 재밍 회피 를 수행하면 부엽이 상승되는 현상이 있지만, 평균 노이 즈 레벨이 재밍 인가 전과 유사한 약 —80 dBm 수준으로 내려가면서 고도 추적에 충분한 SNR을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
그림 5는 인가되는 재밍의 회피를 위해 전파고도계의 송신 출력 및 수신 이득 제어와 주파수 도약이 동시에 동 작하는 모습을 스펙트럼 분석기를 통해 나타낸 것이다.
이때 점검 장비를 통한 모의 고도는 200 m이며, 약 —34.4 dBm의 세기로 재밍 신호를 인가하였다. 그림 5에서 전파 고도계 운용주파수 대역에 재밍이 탐지되면 주파수 도약 을 수행하여 전파고도계의 변조주파수 대역이 운용주파 수 대역의 상위대역으로 약 170 MHz 이동한 모습을 확인 할 수 있다. 이와 동시에 전파고도계 송신 출력이 약 6.79 dBm 증폭되어 출력되었고, 이때의 수신 이득은 송신 출 력이 증가한 만큼 감소하였다.
그림 6은 모의고도 200 m에서 실내 재밍시험 결과를 나타낸 것으로 재밍 인가 전/후 및 회피 결과를 나타내었 다. 그림 6에서 재밍이 인가된 경우, 노이즈 레벨이 고도 신호레벨과 비슷한 약 —45 dBm까지 커져 있는데, 설계 한 알고리즘을 통해 재밍 회피를 수행한 결과, 노이즈 레 벨이 원래 수준인 약 —80 dBm 수준으로 내려감을 알 수 있다. 200 m 모의시험에서는 재밍 회피 기법 중 송신 출 력 및 수신 이득 제어와 주파수 도약이 유효하게 이루어 졌다. 그림 6의 재밍 회피 후 결과를 보면 시간영역에서 의 재밍 회피 시 부엽이 발생한 것과 대조적으로 재밍 인
그림 5. 전파고도계 송신 출력/수신 이득 제어 및 주파수 도약(모의 고도 200 m)
Fig. 5. Transmit/receive power control and frequency ho- pping.
그림 6. 실내 재밍시험 결과(모의고도 200 m) Fig. 6. Measured spectrum of indoor test.
가 전 스펙트럼과 유사한 결과를 보인다. 그림 5에서처럼 전파고도계의 송신 출력 및 수신 이득제어를 통해 재밍 신호의 세기를 줄이고, 주파수 도약을 통해 재밍이 인가 되는 대역을 완전히 벗어남으로써 재밍에 대한 회피가 성공적으로 이루어지는 것을 알 수 있다.
Ⅳ. 야외 재밍 시험
FMCW 전파고도계의 재밍 탐지 및 회피 기능을 보다 실제적인 환경에서 입증하기 위한 야외시험을 수행한다.
야외시험에서는 먼저 전파고도계의 고도 측정을 위해 비행체를 모사한 치구에 전파고도계를 탑재하고, 대형 크 레인을 이용하여 잔잔한 파도가 있는 바다를 상대로 고 도측정을 수행한다[2]. 이후 전파고도계의 정상 고도추적
그림 7. 야외 재밍 시험 구성 Fig. 7. Field test set up.
상태에서 표준 혼(horn) 안테나를 이용한 재밍 신호를 방 사하였을 때 전파고도계의 재밍 탐지 및 회피 기능이 정 상 동작하는지 시험한다. 고고도에서는 재머를 이용한 직 접적인 재밍 신호의 인가가 어렵기 때문에 재머가 영향 을 줄 수 있는 저고도에서 시험을 수행한다.
그림 7은 야외 재밍 시험의 구성과 실제 시험 장면을 나타낸다. 대형 크레인에 장착된 시험 치구에는 전파고도 계 본체 및 송수신 안테나를 포함하여 전원 공급을 위한 배터리가 탑재되어 고도 측정을 수행한다. 또한, 원격 제 어되는 통제 및 분석용 노트북을 통해 측정 결과를 실시 간으로 지상에서 계측한다. 장착된 시험 치구는 대형 크 레인을 이용하여 바다 위 약 5 m 높이에 위치시키고, 전 파고도계의 고도측정을 수행한다. 전파고도계가 정상 고 도추적을 수행하고 있을 때, 시험 치구의 약 5 m 떨어진 위치에서 혼 안테나를 통해 재밍 신호를 방사한다. 이때 방사되는 재밍 신호는 전파고도계 변조주파수 대역 내의 임의의 신호로 방사한다. 그림 7의 재머 구성을 살펴보면 신호발생기를 통해 전파고도계 변조주파수 대역 내의 신 호를 발생시키고, 발생한 재밍 신호를 전력 증폭기(power amp)를 통해 증폭시키며, 중간에 단계감쇠기(step attenua- tor)를 추가하여 방사되는 신호의 세기를 조절한다. 발생 시킨 재밍 신호는 혼 안테나를 통해 방사되어 전파고도 계에 인가된다.
표 1. 야외시험 결과
Table 1. The result of field test.
시험 고도 (m)
재밍 신호 (8dBm)
재밍시 간/샘플 링시간 (%)
송신 출력 (dBm)
수신 이득 (dBm)
주파수 도약
SNR (dB)
5
재밍 인가 전
3.9
—5 26
상위 약 10MHz대역으로
이동 44 재밍
인가 후 —5 26 5
재밍
회피 후 —3 24 34
표 1은 야외시험의 결과를 나타낸 것으로 전파고도계 운용고도가 약 5 m이고, 혼 안테나를 통해 약 8 dBm의 세기로 재밍 신호를 방사하였을 때 각 회피 알고리즘의 동작과 회피 성능을 나타내었다.
시험 고도인 5 m에서 시간영역에서의 재밍 회피를 위 해 전체 샘플 중 약 3.9 %의 샘플들이 제거되었다. 전파 고도계의 송신 출력은 증폭 가능한 최대 출력인 —3 dBm 으로 증폭되었고, 수신 이득은 최소 이득인 24 dBm으로 제어되었다. 주파수 도약의 경우, 저고도에서 도약할 수 있는 구간이 제한적이기 때문에 도약 가능한 약 10 MHz 상위 대역으로 이동함을 확인하였다. 최종적으로 재밍 회 피 전/후 SNR을 비교해 보면 재밍 회피 전 5 dB에서 회피 후 34 dB로 약 30 dB 이득을 가짐을 확인하였으며, 재밍 인가 전과 비슷한 수준의 충분한 SNR을 확보하여 정상 고도추적이 가능함을 알 수 있다.
그림 8은 야외 재밍 시험의 결과를 나타낸 것으로 재밍 인가 전/후 및 재밍 회피 결과를 주파수영역의 스펙트럼 으로 나타냈다. 본 야외 재밍 시험은 5 m의 저고도에서 수행한 시험으로 수신 이득의 가변범위가 작고, 주파수 도약이 가능한 대역이 제한적이어서 재밍 회피를 위한 방법 중 송신 출력 및 수신 이득제어와 주파수 도약의 효 과가 거의 없다. 대신, 시간영역에서의 재밍 제거가 유효 하게 적용되어 재밍 회피를 수행하였다. 그림 8의 야외 시험 결과와 그림 4의 실내 시험 결과를 비교해 보면 시 간영역에서의 재밍 제거가 이루어져 부엽이 일부 상승하 였지만, 고도 산출에 충분할 만큼 노이즈 레벨이 줄어든
그림 8. 야외 재밍 시험 결과 스펙트럼 Fig. 8. Measured spectrum of field test.
것을 알 수 있다. 그림 8에서는 시험치구와 수면 사이의 다중 반사(multiple reflection)가 발생하였으나, 다중 반사 신호의 크기는 수면으로부터의 최대 크기(peak)에 비해 무시할 수 있으므로 고도 결정에 영향을 주지 않는다. 이 와 같은 야외 재밍 시험을 통해 설계된 재밍 탐지/회피 기능이 성공적으로 동작함을 알 수 있다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 전파고도계의 고도 탐색 및 추적의 방 해요소인 협대역 재밍이 인가되었을 때 재밍 탐지/회피 알고리즘을 제안하였다. 전파고도계는 재밍 탐지를 위해 송수신 구간 앞에 노이즈 측정구간을 두어 노이즈 레벨 을 측정하고, 샘플링한 노이즈 파형에 재밍 임계치를 넘 는 포인트를 산출하여 재밍을 탐지한다. 재밍이 탐지되면 재밍 회피모드가 동작하는데 시간영역에서의 재밍 회피,
송신 출력 및 수신 이득 제어, 주파수 도약 총 3단계의 재 밍 회피 기법을 설계하여 고도에 따라 효과적인 재밍 회 피를 수행하도록 하였다.
제안한 알고리즘은 실내 모의시험을 통해 검증하였으 며, 더욱 실제적인 환경에서 평가하기 위한 야외시험을 통해 구현한 재밍 탐지/회피 기능을 성공적으로 검증하 였다.
References
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[7] 이치호, 류정호, 조성진, 이광일, "주파수도약 시스템 에 대한 추적재밍의 성능 및 민감도 분석", 한국통신 학회 학술대회논문집, pp. 1225-1228, 2006년 7월.
[8] M. K. Simon, J. K. Omura, R. A. Scholtz, and B. K.
Levitt, Spread Spectrum Communications Handbook, Revised edt., McGraw-Hill, 1994.
[9] Yijiang Pan, Xiaofeng Shen, Jiyan Huang, Zili Xu, and Chenyu He, "A novel low probability intercept radar altimeter bassed on FMCW and frequency hopping hybrid modulation", ICCCAS2013, vol. 2, pp. 569-273, Nov. 2013.
[10] Guihua Liu, Youlin Fu, "The research of signal pro- cessing technique of continuous wave radar altimeter", Radio Science Conference 2004, pp. 173-176, Aug.
2004.
[11] S. O. Piper, "Receiver frequency resolution for range re- solution in homodyne FMCW radar", Telesystems Con- ference 1993, pp. 169-173, Jun. 1993.
이 재 환
2011년 2월: 금오공과대학교 전자공학과 (공학사)
2013년 2월: 금오공과대학교 전자공학과 (공학석사)
2013년 9월～현재: 국방과학연구소 [주 관심분야] FMCW 레이다 설계, 신호
처리 알고리즘 등
장 종 훈
2004년 8월: 포항공과대학교 전자전기공 학과 (공학사)
2007년 2월: 포항공과대학교 정보통신대 학원 (공학석사)
2007년 1월～2011년 10월: LG전자 MC연 구소
2011년 11월～현재: 국방과학연구소 [주 관심분야] 안테나 설계, FMCW 레이다 설계 등
노 진 입
1984년 2월: 울산대학교 전기공학과 (공학 사)
1993년 2월: 충남대학교 전자공학과 (공학 석사)
2007년 8월: 충북대학교 전파공학과 (공학 박사)
1984년 3월～현재: 국방과학연구소 [주 관심분야] 전파형 신관, 간섭계 고도계, 레이다 등
유 경 주
2001년 2월: 전북대학교 정보통신공학과 (공학석사)
2003년 11월～현재: 한화탈레스 ISR․PGM 연구소 전문연구원
[주 관심분야] Radar Altimeter System, 레 이다 신호처리 등
최 재 현
1995년 2월: 충남대학교 전자공학과 (공 학사)
1997년 2월: 충남대학교 전자공학과 (공 학석사)
2014년 2월: 충남대학교 전자전파정보통 신공학과 (공학박사)
1998년 3월～현재: 국방과학연구소 [주 관심분야] Proximity Fuze, Altimeter, Short-Distance Radar 등
