3차원_다기능_레이더_고속_실시간_신호_처리기_개발

韓國電磁波學會論文誌第 22 卷第 12 號 2011年 12月論文 2011-22-12-01

http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2011.22.12.1045

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국방과학연구소(Agency for Defense Development) *삼성탈레스(Samsung Thales) ․논 문 번 호 : 20110704-064․교 신 저 자 : 노지은(e-mail : [email protected])․수정완료일자 : 2011년 11월 2일

3차원 다기능 레이더 고속 실시간 신호 처리기 개발

Development of 3-D Multi-Function Radar High-Speed Real-Time Signal Processor

노지은․최병관․이희영․양진모․이광철*․이동휘*․정래형*․김태환*․이민준

Ji-Eun Roh․Byung-Gwan Choi․Hee-Young Lee․Jin-Mo Yang․Kwang-Chul Lee*․Dong-Hwi Lee*․Rae-Hyung Jung*․Tae-Hwan Kim*․Min-Joon Lee

요 약

3차원 다기능 레이더는 다수의 표적을 실시간으로 탐지, 추적하여 표적의 거리, 속도, 각도 정보를 추출하고

유도탄과의 교신을 통해 표적 위치 정보를 제공하는 최신 레이더이다. 본 논문에서는 다기능 레이더의 핵심 구

성품이라 할 수 있는 고속 다중 DSP가 적용된 실시간 신호 처리기의 설계, 제작 및 성능 시험 결과에 대해 소개

하였다. 기존의 CFAR 탐지 성능에 비해 열악한 클러터 환경에서 표적의 탐지 성능이 개선된 CFAR 알고리즘과

변별기 추정 방식을 이용한 정밀 표적 위치 측정 방법 및 최소값 추정 방식을 이용한 잡음 재밍 판단 알고리즘

등의 구현 결과들을 소개하였고, 성능 입증 시험을 통한 시험 결과들을 제시하였다.

Abstract

A 3-D multi-function radar(MFR) is a modern radar to provide various target information, such as range, doppler, and angle by performing surveillance, multiple target tracking, and missile guidance. In this paper, we introduced a real-time radar signal processor(RSP), which is a crucial component of MFR with its design, implementation using high-speed multiple DSP, and performance. Additionally, we verified that several advanced signal processing algorithms were well-performed in our RSP, such as MCA-CFAR algorithm for target detection in clutter environment, range and velocity measurement algorithm using discriminator estimation, and noise jammer detection algorithm using local minimum selection.

Key words : Multi-Function Radar, Radar Signal Processor, High-Speed DSP, MCA-CFAR, Discriminator Estima-tion, Noise Jammer Detection

Ⅰ. 서 론

3차원 다기능 레이더(MFR: Multi-Function Radar)는 실시간으로 다수의 표적을 탐지, 추적하여 거리

및 각도 정보를 제공하는 최신 레이더 시스템이다. 표적의 탐지부터 추적까지 실시간 신호 처리를 위해

빔 조향이 용이한 위상 배열 안테나 기술 및 효율적

인 빔 스케줄링 기술과 같은 첨단 레이더 기술과 함

께 복잡하고 다양한 신호 처리 과정을 효과적으로

구현하고, 높은 정밀도를 갖는 표적 정보를 실시간

으로 제공할 수 있는 레이더 신호 처리기가 요구된

다. 또한, 급속도로 발전하고 있는 전자전(ECM) 환경에서도 레이더의 요구 성능을 발휘할 수 있는 신

호 처리 기술의 개발도 함께 요구된다.

韓國電磁波學會論文誌第 22 卷第 12 號 2011年 12月

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이러한 다양한 요구 조건을 만족하기 위해서는

과거에 적용되었던 레이더 신호 처리의 개념, 예를

들어 아날로그 형태의 펄스 확장 및 압축 기법이나

고정 임계치를 이용한 CFAR 탐지 기술들로는 다기

능 레이더에서 요구하는 성능을 만족할 수 없다. 본 논문에서는 다수의 표적을 탐지 및 추적하고

전자전 능력을 보유한 다기능 레이더용 실시간 레이

더 신호 처리기의 설계 및 제작, 시험 결과에 대해

기술하였다. 개발된 고속 병렬 실시간 레이더 신호

처리기는 100 MHz 클럭의 디지털 신호 처리용 DSP (Analog Device사의 ADSP-21160)가 탑재된 신호 처

리기로 다중처리가 가능하고 레이더에서 사용되는

파형별 신호 처리 알고리즘이 최적화되도록 설계, 제작되었다. 제안된 레이더 신호 처리기에는 레이더

운용 환경의 변화에 적응하여 오경보율을 일정하게

유지하면서 표적을 탐지할 수 있는 적응형 MCA (Modified Cell-Averaging)-CFAR 알고리즘, 변별기 추

정 방식을 이용한 표적 거리/속도 측정 알고리즘 및

최소값 선택 방식을 이용한 잡음 재밍 추정 알고리

즘 등이 구현되었다. 본 논문의 Ⅱ장에서는 다기능 레이더 시스템에서

요구하는 레이더 신호 처리기의 요구 기능 및 성능

에 대해 설명하고, Ⅲ장에서는 DSP를 이용한 레이더

신호 처리기 하드웨어 구성 및 설계, 제작된 내용과

개발된 신호 처리 알고리즘과 함께 성능 시험을 통

한 검증 결과에 대해 기술하였으며, Ⅳ장에서 결론

을 맺는다.

Ⅱ. 다기능 레이더 시스템

다기능 레이더는 위상 배열 안테나, 고출력 송신

기, 신호 처리기 및 통제기 등으로 구성되며, 각각의

유니트들은 RS-485 통신 채널(Cmd/Data)을 통해 통

제기에 의해 제어된다. 안테나 유니트는 다수의 복

사소자로 이루어진 위상 배열 안테나, 송수신용 공

간 급전기 및 다채널 수신기로 구성되어 있으며, 고출력 송신기는 파형 발생기와 주파수 합성기로부터

낮은 수준의 RF 신호를 받아 고출력으로 변환하여

안테나에 공급한다. 다기능 레이더의 핵심 구성품

중의 하나인 신호 처리기(RSP)는 위상 배열 안테나

그림 1. 다기능 레이더 시스템 구성도

Fig. 1. Multi-function radar system configuration.

를 통해 수신된 반사 신호를 수신기로부터 입력받아

클러터, 재밍과 같은 불필요한 신호들로부터 표적

신호를 실시간으로 추출하고 표적의 거리, 속도 및

각도 정보 등을 통제기로 제공하는 역할을 한다. 이와 같이 구성된 다기능 레이더의 개략적인 구성은

그림 1과 같다.다기능 레이더 시스템은 표적 탐지 및 추적을 위

해 다양한 파형을 이용하며 제한된 빔 자원(beam re-source)을 효율적으로 활용할 수 있도록 빔 스케쥴러

를 이용하여 임무를 수행한다. 다기능 레이더를 구

성하는 여러 구성품 중 신호 처리기는 통제기로부터

빔 스케줄링에 따른 제어 명령 및 동기 신호를 받아

실시간으로 표적에 대한 정보를 제공할 수 있도록

설계되어야 한다. 또한, 시스템의 운용 조건인 빔 운

용고도, 지형 조건 등에 따라 다양한 형태의 파형을

처리할 수 있어야 하며, 탐지된 표적의 정밀 추적을

위한 측정값들(거리, 속도 및 각도 정보)의 오차를

추정하여야 한다. 이외에도 현대전의 개념이 전자전

양상을 띠게 됨으로써 재밍 신호를 효율적으로 억제

할 수 있는 기능 등을 보유하도록 설계되어야 한다. 다기능 레이더 시스템에서 정의한 신호 처리기의 주

요 임무를 수행하기 위해 요구되는 주요 요구사항은

다음과 같다.

∙ 표적 탐지 : 최적 필터링 기법, 도플러-필터링, MCA-CFAR[1,2] 탐지기 적용

∙ 표적 추적 : 모노펄스 처리 및 거리, 속도 측정

을 위한 변별기 추정 알고리즘[3] 적용

∙ 실시간 신호 처리 : 고속-다중 병렬 처리 DSP 아키텍처 적용[4]


1047

Ⅲ. 고속 병렬 실시간 신호 처리기

3-1 구성

다기능 레이더는 표적 반사 신호의 실시간 신호

처리를 목적으로 개발된 장비이며, 주파수 영역에서

최적 필터링을 통한 표적 탐지, 도플러 처리를 통한

표적 탐지 및 추적, 방위각/고각 에러값 측정, 레이

더 통제기에 실시간 신호 처리 결과를 제공하는 기

능을 수행한다. 그림 2는 신호 처리기의 구성도를

나타내며, 수신기로부터 입력된 중간 주파수 신호를

증폭-필터링 및 A/D(Analog-to-Digital) 변환하여 DDC (Digital Down Converter) 기능을 수행하는 아날로그

부와 통제기의 제어에 따라 실시간 신호 처리 연산

을 수행하는 디지털부로 되어 있다. 디지털부는 통

제기로부터 제어 명령을 수신하고 신호 처리기의 상

태 정보를 송신하는 호스트 모듈, 고속-다중 DSP들

이 병렬로 구성되어 여러 가지 신호에 대한 신호 처

리 연산을 수행하는 프로세싱 모듈, 시스템 동기를

유지하기 위한 동기 및 시험 모듈과 임의의 거리에

고정된 표적 정보를 모사하는 신호 모사 모듈, 통제

기로 신호 처리 결과를 동기에 맞추어 전송하는 출

력제어 모듈, 신호 처리기의 상태 및 점검 정보를 전

시하는 지시 모듈 등으로 구성되어 있다.다기능 레이더 신호 처리기는 입력 신호의 실시

간 신호 처리를 위해 고속-다중 병렬 처리 구조를 갖

도록 구성되었으며, 각각의 DSP에 탑재되는 신호 처

리 소프트웨어는 시스템의 운용 파형에 따라 최적의

성능을 갖도록 설계되었다. 다기능 레이더는 표적

탐지 목적으로 선형 주파수 변조 신호(LFM)와 펄스

그림 2. 신호 처리기 구성도

Fig. 2. RSP structure diagram.

그림 3. RSP 소프트웨어 처리 구성

Fig. 3. RSP software processing structure.

열(pulse train) 신호를 사용하고, 탐지된 표적의 추적

을 위해 위상 변조(PCM) 신호 및 펄스열 신호를 이

용한다. LFM 신호와 PCM 신호는 펄스 압축(또는 최

적 필터링)을 통해 표적 신호와 불필요한 신호들로

구분되며, PT 신호의 경우 동일한 거리 셀에서 획득

된 반사 신호들을 도플러-필터 뱅크(DFB)를 이용하

여 추출하게 된다. 펄스 압축 또는 DFB 결과는 자승

값을 취하여 적응 CFAR 탐지 알고리즘을 통해 예상

표적을 추출한다. CFAR 탐지기에서 표적으로 판단

되면 변별기 추정 알고리즘을 이용하여 표적의 거

리, 속도 및 각도 정보에 대한 오차값을 계산하게 된

다. 또한, 재밍 환경에서의 표적 탐지 성능을 보장하

기 위해 부엽(SLB) 채널과 합(SUM) 채널 신호는 최

소값 선택 추정 방식을 이용한 잡음 재밍 추정을 통

해 능동 잡음 재머 탐지 알고리즘을 수행하도록 설

계되었다. 그림 3은 다기능 레이더 신호 처리기에

적용된 신호 처리 소프트웨어 구성을 나타낸다.

3-2 신호 처리기 설계 및 제작

신호 처리기는 4개 채널(합 채널, 두 개의 차 채널

및 SLB 채널)의 아날로그 신호를 수신기로부터 공

급받아 신호 증폭 및 대역 통과 필터링, ADC 및

DDC 기능을 갖도록 설계되었으며, 이를 이득 변환

모듈(GCM: Gain Conversion Module)이라 한다. GCM에 입력되는 신호는 중심 주파수 60 MHz, 신호 크기

의 변화 범위는 LFM, PCM의 경우 80 dB, PT 신호의

경우 105 dB의 범위를 갖는다. GCM은 신호 처리기

의 동적 영역을 안정하게 유지하기 위해 잡음 자동


1048

이득제어(NAGC, Noise AGC)[5],[6] 기능을 담당하는

DCA(Digitally-Controlled Atttenuator)와 신호 성분의

증폭으로 인한 ADC 포화를 방지하기 위한 DCA로

구성되어 있다. DCA는 31 dB의 감쇄 조정 범위를

갖는 6-비트 PE4302-51[7]을 적용하였다. NAGC와 ADC 간의 관계는 ADC 손실로 정의된

다. ADC 손실( )은 신호 처리기의 동적 영역을

제한하는 요소 중 하나로 ADC에 입력되는 잡음을

포함한 신호의 크기가 최소 양자화 수준보다 작을

때 ADC에 의한 손실[8]로 정의된다. ADC 손실을 적

정하게 유지하기 위한 방법으로 잡음 자동 이득 제어

를 이용한다. NAGC는 레이더 시스템의 성능을 안정

화하기 위해, 즉 ADC의 손실을 일정하게 유지하기

위해, 수신기로부터 유입되는 잡음의 크기를 일정하

게 유지하기 위한 기법으로 ADC에 입력되는 잡음

(), ADC의 양자화 수준( )과 간의 다

음 관계식[5]을 이용하여 결정되며, 주기적인 잡음수

준 측정을 통해 비를 일정하게 유지하도

록 신호 처리기에서 제어된다.

log

log

log

log

(1) 식 (1)에서 는 ADC 양자화 잡음(

)을 양자

화 수준( )로 정규화 값으로 이상적인 ADC의

경우, 의 값을 갖는다. GCM에 적용된 16-비트

80 MSPS ADC(LTC2206IUK)[9]에 대해 를

4～5로 설정하였으며, 이 때 ADC 손실은 0.4 dB 이하이다.

A/D 변환된 신호는 그림 4의 DDC 과정을 통해

기저 대역 신호로 변환된다. DDC로 입력된 신호는

디지털 믹서를 이용하여 입력 신호의 cosine 성분과

sine 성분을 분리된 후 저역 통과 필터링을 통해 A/D 변환 과정에서 발생된 불요 성분을 제거한다. 저역

통과 필터는 FIR 필터로 설계되었으며, 샘플율을 낮

추기 위해 resampler(또는 decimator, 간축)를 거쳐 프

로세싱 모듈로 전달된다. 그림 4(b)～(e)는 주파수 영

(a) DDC 구조

(a) DDC structure

(b) ADC 입력

(b) ADC input signal

(c) ADC 출력

(c) ADC output signal

(d) Digital mixer 출력

(d) Digital mixer output signal

(e) Re-sampler 출력

(e) Re-sampler output

그림 4. DDC 과정

Fig. 4. DDC sequence.

역에서 A/D 변환된 신호 성분이 기저 대역으로 변환

되는 과정을 나타낸다.


1049

디지털 국부 발진기의 출력 신호는 불필요한 다

른 주변의 신호들(얼라이어싱 성분)을 제거하기 위

해 FIR 필터로 구현된 저역 통과 필터와 간축 과정

을 거치게 되며 Fs가 48 MHz인 FIR 필터 출력은 간

축을 통해 원하는 샘플링 주파수를 가지는 신호로

변환된다. LFM과 PCM의 경우 8:1 간축을, PT의 경

우에는 4:1 간축을 수행하여 각각 샘플링 주파수가

6 MHz과 12 MHz인 복소 신호를 얻는다. LFM과

PCM 신호의 경우, 두 단으로 이루어진 FIR 필터를

거치게 되며, PT 신호의 경우 한 단으로 구성된 FIR 필터를 통과하도록 설계되었다. FIR 필터는 송신 신

호의 대역폭을 고려하여 설계되었다.LFM, PCM 신호의 경우, 1단 FIR 필터는 MHz 수

준의 통과 대역(fc)을 갖고, 통과 대역 내에서의 진폭

(a) LFM, PCM 신호에 대한 1단 FIR 필터

(a) 1st FIR filter(LFM, PCM)

(b) LFM, PCM 신호에 대한 2단 FIR 필터

(b) 2nd FIR filter(LFM, PCM)

(c) PT 신호에 대한 FIR 필터

(c) FIR filter(PT)

그림 5. DDC내 FIR 필터 주파수 응답

Fig. 5. Frequency response of FIR filter in DDC.

(a) 프로세싱 모듈 구조

(a) Processing module structure

(b) IDC 동작 시뮬레이션 결과

(b) IDC simulation result

그림 6. 프로세싱 모듈 구조

Fig. 6. Processing module configuration.

리플은 1.1 dB 이하, 저지 대역에서의 억제 수준

(suppression level)은 —59 dB 이하가 되도록 설계되

었다. 2단 FIR 필터 역시 MHz 수준의 통과 대역에

서, 통과 대역 내에서의 진폭 리플은 1.25 dB 이하, 저지 대역에서의 억제 수준은 59 dB 이하가 되도록

설계되었다. PT 신호를 위한 FIR 필터의 경우, MHz 수준의 통과 대역에서, 통과 대역 내에서의 진폭 리플

은 1.1 dB 이하, 저지 대역에서의 억제 수준은 98 dB 이하가 되도록 설계되었다. 그림 5(a)는 LFM과 PCM 신호에 대한 1단 저역 통과 필터, (b)는 LFM과 PCM 신호에 대한 2단 저역 통과 필터, (c)는 PT 신호에 대

한 저역 통과 필터의 주파수 응답 특성을 나타낸다. 이득 변환 모듈에서 기저 대역으로 변환된 신호 성

분(I신호, Q신호)은 32-비트 데이터 버스를 통해 프

로세싱 모듈로 전송된다. 프로세싱 모듈(PM, Pro-cessing Module)은 6개의 DSP(ADSP-21160)가 I/Q 데이터를 작업 사이클(working cycle) 단위로 나누어서

연산을 담당하며, 각각의 DSP는 FIFO(First-In First-


1050

Out)가 있어서 신호 처리 결과는 실시간으로 FIFO로

저장된다. 또한, 프로세싱 모듈의 모든 DSP는 호스

트 모듈의 제어 프로세서와 통신하여 데이터를 교환

할 수 있다. 그림 6(a)는 프로세싱 모듈의 구조를 나

타낸다. 프로세싱 모듈은 기본적으로 동일한 작업을 병렬

로 처리하여 정해진 시간 내에 신호 처리 결과를 제

공할 수 있도록 24개의 DSP칩으로 구성되어 있으며, 6개의 DSP칩이 장착된 전체 4장의 프로세싱 모듈이

다기능 레이더의 신호 처리를 담당하도록 설계되었

다. GCM의 ADC-DDC 처리된 반사 신호들은 PM 내의 IDC(Input Data Controller)에 의해 6개의 DSP로 분

배되는데, IDC는 통제기로부터 운용하는 파형 정보

를 받아 각각의 DSP가 처리해야 하는 데이터 시작

과 길이를 분석한 후 각각의 DSP가 처리할 데이터

를 분배한다. 그림 6(b)는 LFM 신호에 대한 IDC와

각 DSP간의 입력 데이터 분배 및 제어 방법에 대한

타이밍 시뮬레이션 결과이다. PM의 DSP는 공통적

으로 LFM, PCM 신호에 대한 펄스 압축 처리와 PT파형에 대한 도플러 처리 알고리즘이 탑재되어 파형

별 신호 처리 기능을 수행하고, SQR 검파, 임계값

설정 및 CFAR 탐지 알고리즘도 탑재되어 표적 탐지

기능을 병렬 처리하게 된다. PM내 24개 DSP에 의해 수행된 신호 처리 결과는

각각의 FIFO로 전달되고, 호스트 모듈(HM: Host Mo-dule)은 24개 DSP의 신호 처리가 완료되는 시점에서

출력 제어 모듈(OCM, Output Control Module)로 결과

를 전송하도록 제어한다. OCM은 HM로부터 내부

동기 신호를 입력 받아 타이밍에 맞춰 신호 처리기

결과를 레이더 통제기로 전송하는 역할을 담당한다. OCM은 GCM으로부터 수신한 디지털 I/Q 데이터에

대한 신호 처리 연산 결과(필터링 정보, 탐지 정보)를 PM들의 FIFO로부터 읽어 들여 고속 병렬 채널

제어기(FPC: Fast Parallel channel Controller)를 통해

레이더 통제기로 전송한다. 그림 7(a)는 OCM의 구조를 나타낸다. OCM은 한

장의 모듈로 구성되어 있으며, 두 개의 DSP(ADSP - 2183)[10]로 설계되었다. 그림 7(b)는 FPC의 동작 타이

밍 시뮬레이션 결과이다. 통제기와 신호 처리기 간의

연동은 RPIA(ENBL) 신호가 "LOW" 구간 동안 ISA (STRB) 신호에 동기되어 LSB부터 데이터 전송을 시

(a) 출력 제어 모듈 구조

(a) Output control module structure

(b) FPC 동작 시뮬레이션 결과

(b) FPC simulation result

그림 7. 출력 제어 모듈 구조

Fig. 7. Output control module configuration.

작하며, KMSA(EOT) 신호가 "HIGH"에서 "LOW"가

되면 전송을 종료한다. 전송률은 91 Mbps이다. 호스트 모듈(HM)은 신호 처리기 전체 동작을 제

어하는 모듈로 레이더 통제기로부터 매 작업 사이클

마다 레이더 운용 모드에 따른 제어 정보 및 데이터

를 수신하고, 레이더 통제기로부터 수신한 동기 신

호에 따라 신호 처리기 각 하부 모듈들에 대한 제어

정보를 생성하여 각 모듈들을 제어한다. HM은 개발

의 편의성을 고려하여 PM에 적용된 동일한 프로세

서(ADSP-21160)로 설계되었다. 앞서 언급한 주요 모듈들 외에 동기 및 시험 모듈

(STM: Synchronization and Test Module)은 레이더 통

제기로부터 각종 동기 신호를 입력 받아 신호 처리

기 하부 모듈들로 분배하는 역할을 수행한다. STM에는 각각의 동기 신호의 상태를 감시할 수 있도록

로직이 설계되어 호스트 모듈의 제어에 따라 동기

신호의 오류를 보고한다. 또한, STM은 48 MHz에 동

기된 500 kHz의 동기 신호를 생성하여 전원 모듈

(PSM, Power Supply Module)의 스위칭 인버터 방식

전원 팩(IR사, AFL27012D[11])의 동기 신호로 제공한

다. 신호 모사 모듈(SSM, Signal Simulation Module)은 신호 처리기의 소프트웨어 디버깅 및 알고리즘


1051

검증을 위해 다기능 레이더의 수신 신호를 수식적으

로 모사하여 진폭 샘플값들이 저장된 모듈로 통제기

의 점검 모드 또는 신호 처리기 자체의 디버깅 시 호

스트 모듈의 제어에 따라 디지털 I/Q 신호를 PM에

제공한다. 그림 8은 제작된 다기능 레이더 신호 처

리기의 주요 모듈들의 사진을 나타낸다.

3-3 레이더 신호 처리 알고리즘

다기능 레이더의 실시간 신호 처리를 수행하기

위해 개발된 레이더 신호 처리기의 하드웨어 설계

및 제작 결과에 대해 앞 절에서 살펴보았다. 다기능

레이더 신호 처리기는 앞서 설명한 바와 같이 표적

탐지 목적으로 LFM, PT 신호와 추적 목적으로 PCM신호 및 PT 신호를 이용한다. 그림 9에서 보는 바와

같이 입력된 수신 신호는 통제기의 운용 모드에 따

라 선택된 파형 정보를 바탕으로 DFB를 이용하여

PT 신호를 처리하고, 주파수 영역에서 펄스 압축을

수행하여 LFM 신호 및 PCM 신호를 처리하게 된다. 이 처리 결과들은 CFAR 처리 과정을 거쳐 예상 표

(a) 이득 변환 모듈 (b) 신호 발생 및 분배 모듈 (c) 프로세싱 모듈

(a) Gain conversion module (b) Signal generation and distribution module (c) Processing module

(d) 호스트 모듈 (e) 동기 및 시험 모듈 (f) 출력 제어 모듈

(d) Host module (e) Synchronization and test module (f) Output control module

그림 8. 주요 모듈 제작 사진

Fig. 8. Photograph of key modules.

적인지 아닌지 판단한다. 표적으로 분류된 정보는

거리 및 속도에 대한 정밀 측정 과정을 거친 후

OCM을 통해 통제기로 전송된다. 본 절에서는 개발

된 주요 신호 처리 알고리즘에 대해 간략히 살펴보

고, 기존의 알고리즘과의 비교 결과에 대해 기술하

였다.신호 처리기 하드웨어와 더불어 개발된 신호 처

리 핵심 알고리즘은 클러터, 재밍 등 다양한 레이더

환경에서 표적에 대한 높은 수준의 탐지 및 추적 성

능을 보장할 수 있는 변형된 CA-CFAR 알고리즘인

MCA-CFAR 알고리즘[1],[2], 모노 펄스 레이더의 각도

추정 알고리즘을 표적의 거리 및 속도 측정에 적용

한 변별기(discriminator) 추정 방식 알고리즘[3], 또한

대전자전 기능을 보유하기 위해 임계값 적용에 의한

표적 탐지 과정과 독립적인 프로세싱을 가능하게 함

으로써 병렬 신호 처리의 효율성을 크게 높이고, 동시에 재밍 크기 추정을 위한 신호 처리 수행 시간을

크게 줄일 수 있는 최소값 선택 추정 방식을 이용한

잡음 재밍 추정 알고리즘 등이 있다.


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그림 9. 신호 처리 소프트웨어 구조 및 흐름

Fig. 9. RSP SW architecture and flow.

3-3-1 펄스 압축 알고리즘

최적 필터링을 이용한 펄스 압축은 송신 신호를

기준 신호로 하여 수신된 신호와 시간 영역에서 컨

벌루션을 주파수 영역에서는 곱셈을 수행함으로써

출력 SNR을 최대화하는 필터링 과정을 의미하며, 다기능 레이더의 표적 탐지를 위해 사용된다. 최적 필

터링은 병렬, 실시간 신호 처리의 관점에서 입력 샘

플 수와 섹션 수를 고려한 계산량 및 알고리즘 및 하

드웨어의 구현 용이성 등을 고려하여 다양한 방식으

로 구현이 가능하다. 신호 처리기의 실시간 병렬 처

리 관점에서 주파수 영역에서의 DFT(Discrete Fourier Transform)-IDFT(Inverse DFT) 방식 (그림 10(a))으로

구현하였다. 입력 샘플이 ( 0, 1, …, 1)이라 할 때, 의 DFT 는 식 (2-a)와 같이 주어

지며, 주파수 영역에서 기준 신호( )과의 곱셈

을 수행한 후 식 (2-b)의 IDFT를 통해 시간 영역(거리축)에 대한 응답을 구하도록 설계되었다.

, ⋯

(2a)

,

⋯ (2b)

(a) 구조

(a) Processing structure

(b) 최적 필터링 결과(LFM)(b) LFM matched filtering result

그림 10. 주파수 영역에서의 최적 필터링

Fig. 10. Optimum filtering in the frequency domain.

주파수 영역에서의 DFT-IDFT 방식은 시간 영역

에서의 상호 결합 방식(correlation processing)에 비해

섹션 수가 많을 경우 계산량이 적어 병렬, 고속 신호 처

리 구조에서 구현하는데 더 효율적인 방식이다. 그림 10(b)는 LFM 신호를 이용한 최적 필터링 결과를

나타낸다. 수신 신호를 18개의 섹션으로 구분하여

각각의 DSP에서 병렬 처리한 후 펄스 압축결과들을

합하여 CFAR 탐지를 수행하게 된다. 펄스 압축시

부엽에 의한 근접 표적 간섭을 최소화하기 위해 윈

도우를 이용하여 부엽의 수준을 억제하도록 설계되

었으며, 사용된 원도우 함수는 Hamming 원도우[12]를

이용하였다. LFM 신호의 최적 필터링 과정에 적

용된 Hamming 윈도우 함수는 1.5 dB 이하의 손실, —40 dB 이상의 부엽 억제 수준을 갖도록 설계되

었다.


1053

3-3-2 펄스-열 처리 알고리즘

다기능 레이더에서는 클러터 환경에서의 표적 탐

지/추적 목적으로 펄스-열 신호를 이용한다. 펄스열

에서의 신호 처리는 주파수 영역에서 처리함으로 인

해 자연히 클러터 성분의 신호들을 확인하고 처리할

수 있는 기반이 된다. 신호 처리기의 실시간 병렬 처

리 관점에서 1개의 DSP에서 2개의 거리 채널 데이

터를 처리하도록 구현하였다. 펄스열의 경우, 처리할

데이터량이 많은 관계로 거리 채널의 배치로 인해

야기되는 걸침 손실(straddling loss)은 최대한 줄이고, 거리 채널의 수가 불필요하게 늘어나지 않도록 거리

채널을 중첩되게 배치했으며, 또한 거리 채널에 펄

스 적분 기법을 사용하였다. 이 기법을 사용하면 비

록 표적의 속도에 따라서 거리 채널에서의 손실이

발생할 수 있지만 미미한 것으로 분석되었고, 반면

연산량과 연산시간에서 이점을 가진다. p-번째 펄스

반복 주기(PRI)에서 획득한 i-번째 샘플을 라 하

면, 의 주파수 스펙트럼은

(3)

과 같이 주어지고, 는 처리되어야 하는 펄스 수, ( )는 펄스 반복 주기, 는 샘플링 주파수

를 나타낸다. 관측하고자 하는 k-번째 주파수, 와

PRF( )는 와 같은 관계를 가지며, 는 m-번째 인터벌을 나타낸다. 식 (3)에

대신 를 대입하여 정리하면

(4a)

(4b)

(4c)

와 같다. 식 (4-c)에서 는 (4-b)의 두 번째 합성분

을 나타내며, 입력 샘플 의 DFT를 의미한다. 펄스-열 처리 과정도 최적 필터링과 동일하게 부

엽 억제를 위해 가중 함수를 이용하였으며, 이동 표

(a) 구조

(a) Processing structure

(b) 펄스-열 처리결과(R_cell=25, V_cell=176)(b) Pulse Train processing result(R_cell=25, V_cell=176)

그림 11. 펄스-열 처리

Fig. 11. Pulse train processing.

적의 영역에서 클러터의 영향을 배제하기 위해서 상

당히 낮은 부엽 수준이 요구된다. 주어진 부엽 수준

에 대해 최소의 주엽폭을 내는 Dolph-Chebyshev 함수[12]를 사용하여 부엽의 수준을 제어하도록 설계되

었다. PT 신호 처리 과정에 적용된 Dolph-Chebyshev 윈도우 함수는 처리 손실 3 dB 이하, 최대 부엽 수준

100 dB 이상, 걸침 손실은 0.3 dB 이하가 되도록 설

계되었다. 그림 11(a)는 펄스-열 처리 알고리즘의 구조를 나

타내며, (b)는 거리 셀 25, 속도 셀 176번째에 표적

신호를 생성한 후 펄스-열 처리 과정을 통해 추출된

표적 신호의 R-V영역 결과를 나타낸다.

3-3-3 MCA-CFAR 알고리즘

본 신호 처리기에서는 널리 사용되는 CA-CFAR 알고리즘을 변형하여 다중 표적과 재밍 환경 하에서


1054

성능이 상대적으로 우수한 MCA-CFAR 알고리즘을

개발하여 적용하였다.그림 12(a)[1]는 MCA-CFAR 알고리즘에 대한 구성

도로 최적 필터 출력의 절대값으로 이루어진 배열 A가 MCA-CFAR에 입력된다. 시험 셀 A(i, j)를 판단하

기 위한 임계값 H(i, j)는 n개의 데이터(좌측 n/2개, 우측 n/2개)를 대상으로 m만큼 떨어진 두 셀의 최소

치 n개의 평균값에 h를 곱해서 구해지며, A(i, j)가

H(i, j)보다 크면 표적이라고 인식된다. MCA-CFAR의 탐지 확률()와 오경보 확률()은 다음과 같

이 주어진다[1].

(5a)

(5b)

여기서 는 에 의해 결정되는 상대적 문턱값을

나타내는 상수이고, (=2)는 기준셀의 1/2을, 는

신호-대-잡음비를 나타낸다. 는 식 (5-a)에서 신

호-대-잡음비()를 0으로 하여 유도된다. CFAR 탐지

기의 성능은 평균 검파 문턱값(ADT: Average De-tection Threshold)[13]의 관점에서 비교되며, MCA-CAR의 경우, ADT는 다음과 같다[1].

(6) 기준 셀의 수(N)를 8에서 32까지 변화시켜가면서

ADT를 비교한 결과는 표 1과 같다. 이 때 오경보율

은 10—6라 가정하였으며, ADT 관점에서 MCA-CFAR는 OS-CFAR와 유사한 값을 가지며, 클러터 및 다중

표적 환경에서 OS-CFAR보다 적은 계산량으로 표적

을 탐지할 수 있다.그림 12(b)는 MCA-CFAR를 펄스 압축된 신호 처

표 1. 기준 셀 수에 따른 ADT 성능 비교

Table 1. ADT performance comparison with respect to reference cell number.

CFAR 형태 N=8 N=16 N=24 N=32CA-CFAR 36.9 21.9 18.7 17.3OS-CFAR 124.4 37.5 26.3 22.2

MCA-CFAR 122.4 36.9 25.9 21.9

(a) 구조[1]

(a) Processing structure[1]

(b) 표적 탐지 결과(b) Target detection result

그림 12. MCA-CFAR 알고리즘

Fig. 12. MCA-CFAR algorithm.

리 결과에 적용해 본 예이다. 세 종류의 다른 선들은

펄스 압축된 신호의 크기 변화, 잡음 레벨의 변화, MCA-CFAR를 적용했을 때의 문턱값 변화를 보여주

며, 두 개의 표적을 성공적으로 탐지하였다.

3-3-4 거리 및 속도 측정 알고리즘

표적의 거리 및 속도 측정 알고리즘은 거리 및 도

플러 주파수 영역에서 등 간격으로 구성된 정합 필터 출력을 이용하여 정밀한 표적 위치를 추정하는 과정

으로 특히, 다기능 레이더에서와 같이 동시에 다수

의 표적을 추적하는데 있어 기존의 측정 방법(최대

값 추정, 무게중심 추정 등)과 비교하여 정밀도와 수

행 시간 측면에서 유리한 알고리즘이다. 제안된 거

리 및 속도 측정 알고리즘은 모노펄스(monopulse) 레


1055

이더 각도 추정에 사용되는 알고리즘을 거리 및 속

도 측정에 적용한 것으로 변별기(discriminator) 추정

방식이라 불리며, 연결 구간 내 최대값을 갖는 셀을

기준으로 일정 간격 떨어진 거리 및 속도 셀값을 이

용하여 거리 및 속도 값을 측정한다. 변별기 추정 방

식의 거리 및 속도 측정 관계식[3]은

(7)

과 같이 주어지며, 는 추정 파라미터 (거리 또

는 속도)의 측정 후(a posterior) 값, 은 측정 전(a priori) 값을 나타낸다. 식 (7)에서 거리 또는 속도 편

차를 나타내는 와 변별기 기울기( ) 는 다음과

같이 주어진다.

(8a)

(8b)

(8c)

여기서 는 거리 채널 (또는 속도 채널) 간격, ･ 는 최적 필터의 출력 함수를 나타낸다. 변별기 기울

기를 구하는 식 (8-c)에서 는 기울기 근사화 구간

내에 간격을 갖는 시간을 의미하며, 은 구간

내 샘플 수를 나타낸다.

3-3-5 잡음 재밍 추정 알고리즘

표적의 탐지 및 추적 정확도를 높이기 위해 재밍

신호와 같은 불요 신호들을 운용시간 및 신호 처리

시간 관점에서 효율적으로 제거할 수 있는 방법이

요구되며, 본 연구에서는 최소값 선택 추정 방식을

이용한 잡음 재밍 추정 기술을 적용하였다. 이 추정

방식은 이격된 두 개의 셀로부터 최소값을 선택하는

과정(그림 13(a))을 통해 재머 신호 평균값 계산시 입

력 신호에서 표적 신호 성분을 효율적으로 제거하는

방식이다. 그림 13(b)에서 보는 바와 같이 임계값 적

용에 의한 표적 탐지과정과 독립적인 프로세싱을 가

능하게 함으로써 병렬 신호 처리의 효율성을 높일

수 있으며, 동시에 재밍 크기 추정을 위한 신호 처리

수행 시간을 크게 줄일 수 있다.

(a) 잡음 재밍 판단을 위해 표적 제거를 하기 위한 최소

값 선택 방법

(a) Minimum value selection method for detecting noise jammer

(b) 잡음 재밍 판단 알고리즘

(b) Noise jammer detection algorithm

그림 13. 최소값 선택을 이용한 잡음 재밍 추정

Fig. 13. Noise jamming estimation using minimum va-lue selection.

3-4 성능 시험 및 연동 시험

다기능 레이더용 고속 실시간 신호 처리기의 시

험 구성은 그림 14에서 보는 바와 같이 통제기의 기

능을 모사하여 제어 명령 및 데이터를 생성할 수 있

는 시험 장치, 표적, 재밍 및 클러터를 모사하여 생

성하는 신호 모의기, 신호 처리 결과를 측정, 저장하

고 분석할 수 있는 로직분석기 및 일반 계측 장비들

로 구성되었다.고속 병렬 신호 처리기의 하드웨어 및 알고리즘


1056

그림 14. 시험 구성 사진

Fig. 14. Photograph of test configuration.

(a) DSP별 신호 처리 결과(진폭 성분 및 문턱값) (a) Signal processing results for each DSP(amplitude and

threshold value)

(b) 신호 처리 출력 결과

(b) Signal processing result

그림 15. PCM 신호 처리 결과(R-V 매트릭스)Fig. 15. Result of PCM signal processing(R-V matrix).

성능을 확인하기 모의된 클러터 환경에서 임의의 거

리 및 속도를 갖는 표적 신호를 신호모의기[14]를 통

해 모사하였으며, LFM 신호를 이용한 표적 탐지 성

능을 확인하기 안테나 빔 폭내 3개의 표적을 각각

10, 25 및 38 km에 모사하여 펄스 압축 알고리즘과

CFAR 탐지 성능을 그림 10(b)와 같이 확인하였다. 표적의 탐지 및 추적 성능을 확인하기 위해 신호

모의기로부터 2개의 독립된 표적을 생성한 후, 펄스

압축 및 CFAR 탐지 성능을 그림 15의 (a), (b)와 같

이 확인하였다. 그림 15(a)는 PCM 신호 처리 결과를

R-V(Range-Velocity) 매트릭스에 도시한 것으로 각각

의 거리 게이트별로 CFAR 처리한 결과, 2개의 분리

된 표적이 검출되었다. 그림 15(a)에서 R, V 게이트

좌표로는 (R_cell=83, V_cell=3), (R_cell=203, V_cell= 7)에서 가장 큰 신호를 포착할 수 있으며, 각각 거

리 22 km 부근에서 300 m/s로 진입하는 표적과 거리

25 km 부근에서 1,000 m/s로 진입하는 표적을 의미

한다. 클러터 환경에서 표적 탐지 및 추적에 사용되는

(a) DSP별 신호 처리 결과(진폭 성분 및 문턱값)(a) Signal processing results for each DSP(amplitude and

threshold value)

(b) 신호 처리 출력 결과

(b) Signal processing result

그림 16. PT 신호 처리 결과(R-V 매트릭스)Fig. 16. Result of PT signal processing(R-V matrix).


1057

PT 신호의 성능을 보기 위해 2개의 표적 신호를 신

호모의기를 통해 모사하여 펄스-열 처리 알고리즘을

검증하였다. 그림 16의 (a)와 (b)는 펄스-열 신호의

신호 처리 결과로 R-V 매트릭스에 도시한 것이며, 각각의 거리 게이트별로 CFAR 처리한 결과, 2개의

분리된 표적이 검출됨을 확인할 수 있다. 그림 16(a)에서 R-V 매트릭스 상의 표적 게이트 좌표로는 각각

(R_cell =11, V_cell=214), (R_cell=27, V_cell=72)에서

가장 큰 신호를 검출하였으며, 거리 992 m에서 200 m/s로 퇴각하는 표적과, 1,987 m에서 300 m/s로 진입

하는 표적에 대한 신호 처리 결과이다. 또한, zero도

플러 영역에 존재하는 클러터 신호를 그림 16(b)에서 확인할 수 있으며, zero 도플러 영역에 근접한 표

적의 탐지/추적 성능을 영향을 줄이기 위해 도플러

필터 뱅크 0을 기준으로 ±10개의 필터 출력을 제한

함을 확인할 수 있다.

Ⅳ. 맺음말

본 논문에서는 다기능 레이더용 고속 병렬 실시

간 신호 처리기의 설계, 제작 및 알고리즘 성능 시험

결과에 대해 기술하였다. 신호 처리기는 표적 반사

신호를 수신하여 실시간으로 다수의 표적을 탐지, 추적하고 거리 및 각도 정보를 제공하는 다기능 레

이더의 핵심 구성품으로 ADSP-21160 DSP를 적용하

여 구현된 하드웨어에 개발된 신호 처리 알고리즘을

탑재하여 성능 시험을 통해 다기능 레이더의 요구

성능 및 기능이 만족됨을 확인하였다.

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1058

노 지 은

2002년 2월: 포항공과대학교 컴퓨

터공학과 (공학석사)2006년 2월: 포항공과대학교 컴퓨

터공학과 (공학박사)2006년 2월～현재: 국방과학연구소

선임연구원

[주 관심분야] 레이더 신호 처리, 통제 알고리즘 등

최 병 관

1993년 2월: 경북대학교 전자공학

과 (공학석사)2006년 2월: 충남대학교 전자공학

과 (공학박사)2006년 2월～현재: 국방과학연구소

선임연구원

[주 관심분야] 신호 처리 알고리즘

등

이 희 영

2007년 2월: 포항공과대학교 전자

전기공학과 (공학석사)2007년 2월～현재: 국방과학연구소

선임연구원

[주 관심분야] 레이더 시스템 및 신

호 처리 등

양 진 모

1991년 2월: 아주대학교 전자공학

과 (공학석사)2011년 2월: 충남대학교 전자공학

과 (공학박사)1991년 2월～현재: 국방과학연구소

선임연구원

[주 관심분야] 레이더 시스템, 신호

처리 등

이 광 철

2000년 2월: 전북대학교 정보통신

공학과 (공학석사)2002년 1월～현재: 삼성탈레스 전

문연구원

[주 관심분야] 레이더 신호 처리 및

병렬 처리구조 최적화 등

이 동 휘

2007년 2월: 광운대학교 전자공학

과 (공학석사)2006년 12월～현재: 삼성탈레스 선

임연구원

[주 관심분야] 디지털 신호 처리 및

병렬구조처리 등

정 래 형

2001년 2월: 동아대학교 전기공학

과 (공학석사)2001년 1월～현재: 삼성탈레스 전무

연구원

[주 관심분야] 디지털 신호 처리 및

알고리즘 개발 등

김 태 환

2006년 2월: 한국항공대학교 정보

통신공학과 (공학석사)2005년 10월～현재: 삼성탈레스 선

임연구원

[주 관심분야] 초고주파, 레이더 신

호 처리 등


1059

이 민 준

1988년 2월: 서강대학교 전자공학

과 (공학석사)1999년 2월: 한국과학기술원 전기전

자공학과 (공학박사)1988년 2월～현재: 국방과학연구소

책임연구원

[주 관심분야] 레이더 시스템, 신호

처리 등

3차원_다기능_레이더_고속_실시간_신호_처리기_개발

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