콘크리트 벽의 비파괴검사를 위한 초광대역 레이더의 2차원 FDTD 시뮬레이션에서 안테나 모델링의 영향

주정명(Jeong-Myeong Joo),홍진영(Jin-Young Hong),신상진(Sang-Jin Shin),김동현(Dong-Hyeon Kim),오이석(Yisok Oh) 한국전자파학회 2013 한국전자파학회논문지 Vol.24 No.1

본 논문에서는 초광대역 벽 투과 레이더를 이용한 벽 내부 진단에 대한 유한차분 시간영역(finite-difference time-domain, FDTD) 시뮬레이션과 데이터 처리 기술에 대한 연구를 소개한다. 본 연구에서는 2차원 FDTD 기법을 이용하여 실제 측정과 유사한 조건으로 시뮬레이션을 수행하기 위해 우선 전파의 감쇄, 투과 특성, 해상도 등을 고려하여 0.3∼7 ㎓의 초광대역을 갖는 반대 극성 비발디 안테나(anti-podal vivaldi antenna)를 설계/제작하였다. 다음으로 제작된 안테나의 방사 패턴을 측정한 후 이것을 FDTD 시뮬레이션의 소스로 사용하여 콘크리트벽 경계면과 벽 내부의 금속으로부터 반사된 데이터를 얻었다. 다음으로 이 데이터를 처리하고 레이더 영상을 생성하여 벽 내부를 관찰하였다. FDTD 시뮬레이션에서는 일반적으로 사용되고 있는 등방성 점 소스와 다항식으로 측정된 방사 패턴을 근사화하여 소스로 적용한 2가지 경우에 대해 비교하였으며, 그 결과, 안테나 패턴을 적용했을 경우 등방성 점 소스를 사용한 경우에 비해 최대 약 2.5 ㏈ 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 있었다. This paper presents a finite-difference time-domain(FDTD) simulation and a data processing technique for radar sensing of the internal structure of a wall using an ultra-wide band antenna. We first designed an ultra-wide band anti-podal vivaldi antenna with a frequency range of 0.3∼7 ㎓ which is chosen to be relatively low after considering the characteristics of wave attenuation, wall penetration, and range resolution. In this study the two-dimensional FDTD technique was used to simulate a wall-penetration-radar experiment under practical conditions. The next, the measured radiation pattern of the practical antenna is considered as an equivalent source in the FDTD simulation, and the reflection data of a concrete wall and targets are obtained by using the simulation. Then, a data processing technique has been applied to the FDTD reflection data to get a radar image for remote sensing of the internal structure of the wall. We compared the two different source excitations in the FDTD simulation; (1) commonly-used isotropic point sources and (2) polynomial curve fitting sources of the measured radiation pattern. As a result, when we apply the measured antenna pattern into the FDTD simulation, we could obtain about 2.5 ㏈ higher signal to noise level than using a plane wave incidence with isotropic sources.

C-밴드 완전 편파 측정용 스캐터미터 시스템 보정 기술 검증

박신명(Sin-Myeong Park),고주석(Joo-Seoc Go),주정명(Jeong-Myeong Joo),김희영(Hee-Young Kim),김주희(Ju-Hui Kim),황지환(Ji-Hwan Hwang),권순구(Soon-Gu Kwon),신종철(Jong-Chul Shin),오이석(Yisok Oh) 한국전자파학회 2012 한국전자파학회논문지 Vol.23 No.10

본 논문에서는 미소 뮬러 행렬 보정법(differential Mueller matrix calibration technique: DMMCT)을 이용하여 C-밴드의 지상운용용 HPS(Hongik Polarimetric Scatterometer) 시스템을 보정한 연구 결과를 선보인다. 스캐터미터 시스템 보정을 위해 금속구를 이용하여 안테나 주빔에서의 편파 측정한 안테나 패턴을 챔버에서 측정하고, DMMCT를 이용하여 지상운용용 HPS의 왜곡 정도를 분석하여 정확하게 보정한다. 단일 편파 시스템과는 다르게 완전 편파 시스템에서는 후방 산란 계수뿐만 아니라 위상 변수들도 중요하다. 보정된 지상운용용 HPS를 이용하면 논, 맨땅, 작물밭 등의 지표면에 대한 정확한 Mueller 행렬을 얻을 수 있으므로, 후방 산란 계수뿐만 아니라 동일 편파와 교차 편파의 위상 변수들도 정확하게 측정하게 된다. 보정의 정확도는 산란 모델을 이용해 계산한 후방 산란 계수와 측정한 후방 산란 계수의 비교로 확인할 수 있다. 따라서 측정으로 쟁기질 한 밭의 편파 응답특성을 얻었으며, 이 결과를 이론 모델로 얻은 편파 응답 특성과 비교하여 보정 기술을 검증하였다. This paper presents a study on the calibration of a C-band HPS(Hongik Polarimetric Scatterometer) system using the DMMCT(Differential Mueller Matrix Calibration Technique). For calibration of the polarimetric scatterometer system, a fully-polarimetric antenna pattern(magnitudes and phase-differences) of the antenna main-beam is measured using a conducting sphere at anechoic chamber. The polarimetric scatterometer system could be accurately calibrated after retrieving its distortions using the DMMCT. Unlike a single-polarimetric system, in a fully-polarimetric system, not only backscattering coefficients but also phase differences are important parameters. This calibrated HPS system can be used to measure accurate Mueller matrices of bare soil surfaces, rice paddies, and vegetation fields. The phase-difference parameters as well as the backscattering coefficients for co- and cross-polarizations can then be obtained. The accuracy of calibration was verified by comparing the measured backscattering coefficients with a scattering model. The measured polarization response of a plowed bare field was also compared with the polarization response which was synthesized using a polarimetric scattering model for verifying the calibration technique.

이동표적 탐지를 위한 77 GHz 차량레이더용 가상배열 설계

김두수(Doo-Soo Kim),홍동희(Dong-Hee Hong),주정명(Jeong-Myeong Joo),양진모(Jin-Mo Yang),이상인(Sang-In Lee) 한국전자파학회 2015 한국전자파학회논문지 Vol.26 No.5

본 논문에서는 시분할 송신과 근거리에서 이동표적 탐지가 가능한 77 GHz 차량레이더용 가상배열 구조 설계에 대해 다루었다. 본 논문에서 기술된 가상배열 구조는 하드웨어의 복잡도, 무게 및 비용 등을 줄일 수 있는 반면, 시분할 송신에 의해 이동표적 탐지 시 수신신호의 위상왜곡으로 안테나 빔의 부엽이 높게 형성된다. 이를 위해 위상이 동일한 부배열 수신신호를 이용하여 안테나 빔의 부엽을 최소 10 dB 이상 억압시켰다. 또한, 근거리에서도 운용되어야 하는 차량레이더는 구면파 형태로 신호가 형성되어 평면파를 가정하는 빔 형성을 통해서는 빔 왜곡이 발생한다. 이를 위해 각 표적거리에 대해 관심 빔 조향 영역(-30°~+30°)의 중심이 되는 정면 방향(?com=0°)의 신호를 각 수신신호에 보정하여 안테나 빔의 왜곡된 주엽 형태를 회복시키고, 10~15 dB 정도 부엽 성능을 개선하였다. This paper specifies on a virtual array design of a 77 GHz vehicle radar for detecting a moving target at a time division transmit and a near range. The virtual array designed reduces a hardware complexity, weight and price. However, a synthesized beam of the virtual array has a high side lobe by a phase distortion of receive signals when the moving target is detected at the time division transmit. For this, a subarray receive signal with a same phase is used and the side lobe of the synthesized beam is suppressed above at least 10 dB. Also the virtual array has a beam distortion by a spherical wave when the vehicle radar operates at near range. So a boresight receive signal of each target range is compensated at each receive signal. Therefore the synthesized beam with compensation recovers a normal main lobe and improves the side lobe about 10~15 dB.

L-밴드 대역 레이더 후방 산란 측정용 소형 직교 모드 변환기

황지환(Ji-Hwan Hwang),권순구(Soon-Gu Kwon),주정명(Jeong-Myeong Joo),오이석(Yisok Oh) 한국전자파학회 2011 한국전자파학회논문지 Vol.22 No.7

본 논문에서는 L-밴드 대역 레이더 후방 산란 측정용 도파관 직교 모드 변환기(orthomode transducer)의 소형화에 대한 설계 및 성능 분석 결과를 제시한다. 도파관 직교 모드 변환기는 테이퍼(taper) 구조를 기본으로 새롭게 설계된 접합 구조를 이용하여 별도의 테이퍼 구조 없이 표준 어댑터와 연결이 가능하도록 설계/제작되었다. 소형화된 L-밴드 직교 모드 변환기의 최대 길이는 약 1.2 λ?(310 ㎜)이며, 이는 기존의 동급 직교 모드 변환기 크기의 약 60 % 수준이 된다. 또한, 직교 모드 변환기의 포트 정합 특성과 편파 격리도 특성을 높이기 위해서 두 개의 금속봉을 구조 내부에 삽입하여 운용 주파수 대역 내 420 MHz의 대역폭(반사 손실←15 ㏈ 이하)과 약 40 ㏈의 높은 편파 격리도 성능을 얻을 수 있었다. 제작된 직교 모드 변환기, 혼 안테나, 네트워크 분석기 (Agilent社8753E)로 구성된 L-밴드 scatterometer를 이용한 레이더 후방 산란 측정의 정확도 분석을 위해 STCT(Single Target Calibration Technique) 보정 기법과 2DTST(2D Target Scanning Technique) 자동 측정 기법을 이용하였다. 보정된 scatterometer를 이용하여 측정된 시험용 목표물(55 ㎝ 삼각 수동 전파 반사기)의 RCS(Radar Cross Section)의 측정 오차는 수직/수평 편파 각각 ?0.2 ㏈와 0.25 ㏈이며, 유효 편파 격리도는 대역 내 평균 약 35.8 ㏈이다. 이때, 성능 측정을 위해 직교 모드 변환기와 함께 사용된 혼 안테나는 길이 300 ㎜, 개구면 크기 450×450 ㎟이며, E-평면 29.5°와 H-평면 36.5°의 반전력 빔 폭(HPBW)을 갖는다. A study of miniaturization of an L-band orthomode transducer(OMT) for field experiments of radar backscatter is presented in this paper. The proposed OMT is not required the additional waveguide taper structures to connect with a standard adaptor by the newly designed junction structure which bases on a waveguide taper. Total length of the OMT for L-band is about 1.2 λ0(310 ㎜) and it’s a size of 60 % of the existing OMTs. And, to increase the matching and isolation performances of each polarization, two conducting posts are inserted. The bandwidth of 420 ㎒ and the isolation level of about 40 ㏈ are measured in the operating frequency. The L-band scatterometer consisting of the manufactured OMT, a horn-antenna and network analyzer(Agilent 8753E) was used STCT and 2DTST to analysis the measurement accuracy of radar backscatter. The full-polarimetric RCSs of test-target, 55 ㎝ trihedral corner reflector, measured by the calibrated scatterometer have errors of ?0.2 ㏈ and 0.25 ㏈ for vv-/hh-polarization, respectively. The effective isolation level is about 35.8 ㏈ in the operating frequency. Then, the horn-antenna used to measure has the length of 300 ㎜, the aperture size of 450×450 ㎟, and HPBWs of 29.5° and 36.5° on the principle E-/H-planes.