전자파를 이용한 목표물의 특성 분석에 관한 연구

이종길,Lee, Jonggil 한국정보통신학회 2015 한국정보통신학회논문지 Vol.19 No.6

안테나에서 송출된 전자파 신호는 목표물로부터 반사되어져 수신된다. 이러한 반사 신호는 유전율 차이 등 목표물들의 물질 종류에 따라 서로 다른 특징들을 나타내게 된다. 따라서 이러한 반사 신호들의 특징들을 잘 활용하면 목표물들의 특성을 파악할 수 있다. 즉 위험 물질들의 분류 및 검사를 위하여 이러한 방법을 적용할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 실험을 통하여 획득한 이러한 반사파 신호들의 특징을 활용하여 상관성(correlation)을 도출함으로서 그 특성, 즉 위험 물질들을 판단할 수 있는 방법을 고찰하고자 한다. 이러한 상관성에 의한 판단 방법은 특정 목표물에 대한 기준 신호의 저장을 필요로 하지만 비교적 신뢰할 수 있는 결과들을 보여준다. 그러므로 이러한 수신신호들의 상관성을 이용한 방법을 적용한다면 위험물질들의 구별 및 분류 등에 폭 넓게 활용할 수 있을 것이다. Electromagnetic wave signals radiated from an antenna are reflected by targets and received through the same antenna. These received signals show different characteristics according to various target materials having different dielectric constants. Therefore, target characteristics can be recognized if we can utilize these return signals efficiently. this method can be applied for discrimination and classification of hazardous materials. In this paper, utilizing these experimentally obtained signals, correlation characteristics are obtained and analyzed for classification and discrimination purposes. Although the correlation method requires the storage of reference signals, it shows very promising results. this correlation method can be applied for classification and discrimination of hazardous materials.

ADCP에서의 스펙트럼 모멘트 추정에 관한 연구

이종길,Lee, Jonggil 한국정보통신학회 2013 한국정보통신학회논문지 Vol.17 No.8

ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler) 에서의 거리 별 유속이나 유체의 교란 정도 등에 관한 정보는 수신 도플러 스펙트럼의 첫 번째 및 두 번째 스펙트럼 모멘트를 추정함으로서 얻을 수 있다. 그러나 펄스페어(Pulse-pair) 방법으로 불리는 상관함수 추정에 의한 모멘트 추정 기법은 일반적으로 가장 많이 사용되고 있으나 수신 신호의 특성이 대칭형 도플러 스펙트럼이며 하나의 첨두치를 갖는 것을 전제 조건으로 한다. 유체의 교란정도가 심하게 나타나는 상황에서는 이러한 조건이 충족되지 않을 수 있기 때문에 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 분석하기 위하여 여러 가지 형태를 가지는 다양한 도플러 스펙트럼 수신 신호들을 모의 구현하였으며 이러한 신호들을 이용하여 펄스페어 추정 방법에 의하여 얻어진 결과 값들을 FFT(Fast Fourier Transform) 추정 방법에 의한 결과 값들과 비교하고 그 차이점을 분석하였다. 수신 신호가 도플러 주파수 영역에서 심하게 편이 되거나 다중 첨두치를 가지는 경우에는 펄스 페어 방법에 의한 추정치들은 무의미한 값들로 나타날 수 있음을 알 수 있다. The current velocity and turbulence information in each range cell can be obtained from the first and second Doppler spectrum moment estimates. However, the very widely used correlation method often called as the pulse-pair method has the inherent restrictions under the highly turbulent conditions since it does not satisfy the assumptions that the return Doppler spectrum should be symmetric and have a single peak value. Therefore, in this paper, the quality of pulse-pair estimates were compared with that of FFT estimates for problem analysis using various shapes of simulated Doppler spectra. It can be known that the pulse-pair method often yields meaningless results if the received signals are severely biased or multi-peak Doppler spectra in the Doppler frequency domain.

유속 측정 레이다에서의 도플러 주파수 추정에 관한 연구

이종길,Lee, Jonggil 한국정보통신학회 2013 한국정보통신학회논문지 Vol.17 No.7

수자원 관리를 위하여 활용되고 있는 레이다 센서는 도플러 주파수를 추정함으로서 표면 유속을 측정한다. 따라서 도플러 주파수 추정치에서의 높은 신뢰성 및 정확도가 요구된다. 그러나 유속 관련 도플러 스펙트럼은 측정 환경 및 기상 상태에 따라 매우 다양한 형태를 나타낼 수 있다. 따라서 현재 레이다 센서에서 사용되는 기존의 유속정보 추출 알고리즘의 정확도 및 신뢰성에 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 기존의 방법을 개선할 수 있는 도플러 스펙트럼 첨두치 주파수 추정에 의한 유속 정보 추출 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 기존 방법에 비하여 더 정확한 유속의 측정이 가능함을 보여준다. A current velocity measurement radar estimates Doppler frequencies to extract the corresponding surface velocity information. Therefore, it is required to maintain the high degree of reliability and accuracy of Doppler frequency estimates. However, Doppler spectra of water surface return echoes can have very widely varying shapes according to measurement environments and weather conditions. Therefore, serious problems may arise in maintaining the reliability and accuracy of conventional velocity estimating algorithm in a radar sensor. Therefore, in this paper, a newly suggested algorithm is proposed for improvement using estimation of peak Doppler frequencies. The proposed method shows that the more accurate velocity measurement can be possible comparing with the conventional one.

수직 위상 배열 안테나 기반 기상 레이다에서의 해수면 클러터 제거 성능 분석

이종길,Lee, Jonggil 한국정보통신학회 2018 한국정보통신학회논문지 Vol.22 No.1

국지적인 기상 이변이나 강우 현상 등을 분석하고 예보하기 위해서는 지역별로 저고도 탐색이 가능한 다수의 단거리 기상 레이다들이 필요하다. 그러나 이러한 레이다들의 특성인 낮은 고각의 전자파 빔 때문에 지표면 및 해수면 클러터가 기상 반사 신호를 오염시킬 가능성이 매우 높다. 대부분의 지표면 클러터는 매우 낮은 도플러 주파수 부근에 집중되어 나타나므로 주파수 대역에서의 구분이 비교적 용이한 편이다. 그러나 해수면 클러터의 경우 도플러 주파수 점유대역이 기상조건에 따라 매우 넓게 나타날 수 있기 때문에 클러터의 제거가 매우 어려운 실정이다. 따라서 본 논문에서는 전자적인 고각 빔 조향을 위하여 수직 위상 배열 안테나 구조를 갖는 기상 레이다에서의 해수면 클러터 제거 성능 정도를 분석하였다. 또한 위상배열 안테나의 수신 빔 형성을 통하여 해수면 클러터의 제거가 적절하게 이루어질 수 있음을 보였다. Many short range weather radars with the low elevation search capability are needed for analysis and prediction of unusual weather changes or rainfall phenomena which occurs regionally. However, due to the characteristics of low elevation electromagnetic wave beam, it is highly probable that the received weather signals of these radars are contaminated by the ground and sea clutter. Since most of ground clutter appears around the very narrow low Doppler frequency region, it is somewhat easy to separate. However, the sea clutter removal is very difficult since it can occupy the broad Doppler frequency region according to weather conditions. Therefore, in this paper, the sea clutter removal capability is analyzed for a phased array weather radar which use vertical array elements for electronic elevation beam steering. Also, it is shown that the sea clutter removal can be achieved appropriately using the receiver beam forming technology in a phased array antenna.

수위 측정 레이다에서의 비트 주파수 추정에 관한 연구

이종길,Lee, Jonggil 한국정보통신학회 2014 한국정보통신학회논문지 Vol.18 No.8

수자원 관리를 위하여 활용되고 있는 FMCW 레이다 센서는 비트 주파수를 추정함으로서 표면 수위를 측정한다. 따라서 비트 주파수 추정치에서의 높은 신뢰성 및 정확도가 요구된다. 그러나 수위에 따른 비트 스펙트럼은 시스템의 주파수 선형성 및 측정 환경, 기상 상태에 따라 매우 다양한 형태를 나타낼 수 있다. 따라서 현재 사용되는 기존의 수위정보 추출 알고리즘의 정확도 및 신뢰성에 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 기존의 방법을 개선할 수 있는 고 해상도 비트 스펙트럼 추정에 의한 수위 정보 추출 방법들을 분석하였다. 이러한 방법들은 SNR 이 일정 기준 이상인 경우 더 정밀한 수위의 측정이 가능함을 보여준다. 그러나 SNR 이 매우 낮은 상황에서는 절대적인 오차수준이 크게 나타나지만 오히려 기존의 방법이 상대적으로 더 높은 신뢰도를 보인다. A water level measurement radar estimates beat frequencies to extract the corresponding water level information for water resource management. Therefore, it is required to maintain the high degree of reliability and accuracy in beat frequency estimates. However, Beat spectra of water surface return echoes can have very widely varying shapes according to system frequency linearity, measurement environments and weather conditions. Therefore, serious problems may arise in maintaining the reliability and accuracy of the conventional level estimation method. Therefore, in this paper, high resolution spectrum estimates are analyzed for improvement of the conventional method. These methods show that the more accurate level measurement can be possible on the condition that SNR is higher than a certain required threshold. However, if SNR is too low, the conventional method shows that estimates are more reliable than the suggested method though absolute errors are too large.

항공기용 레이다를 위한 효율적인 클러터 모의 방법

이종길,Lee, Jonggil 한국정보통신학회 2019 한국정보통신학회논문지 Vol.23 No.9

Simulation of the strong clutter occurring from the airborne radar is essential in the efficient development and performance evaluation of the aircraft radar system. If the efficient simulation of the clutter can be successful, algorithms can be proved and analyzed and also the performance evaluation is possible in the laboratory environment. Therefore, development and implementation of the airborne radar system can be achieved very economically in the effective way. However, the clutter simulation procedure is very difficult and tedious since the clutter environment changes in numerous ways as it depends on the flight path, direction of antenna beam, reflectivity of the surface, etc.. Thus, in this paper, the general Doppler spectrum model is suggested for efficient simulation of the various clutter environment. Also, it is shown that the various type of clutter in time domain can be generated easily by changing and adjustment of parameters in the general Doppler spectrum model. 항공기용 레이다 시스템의 효율적인 개발 및 성능 시험을 위해서는 탑재된 레이다 시스템의 특성 때문에 발생하는 강력한 클러터들의 모의 구현이 필수적이다. 이러한 클러터들의 모의 구현이 효율적으로 이루어질 수 있다면 실험실내에서의 알고리즘 검증, 분석 및 성능 평가 등이 가능하다. 따라서 매우 경제적이면서도 효과적인 시스템 설계 및 구현이 이루어질 수 있다. 그러나 이러한 클러터들은 항공기의 비행경로 또는 안테나 빔의 조향 각도, 지표면 반사정도 등에 따라 매우 다양한 형태로 발생하게 되고 따라서 클러터의 모의 구현이 매우 까다롭고 번거롭다는 것이 가장 큰 문제점이다. 따라서 본 논문에서는 항공기용 레이다에서 발생하는 다양한 형태의 클러터들을 효율적으로 모의구현할 수 있는 범용 도플러 전력 스펙트럼 모델을 제안하였다. 또한 이러한 범용 스펙트럼 모델에서의 파라미터 값들의 변경 및 조정을 통하여 실제로 시스템에서 필요로 하는 시간영역에서의 다양한 클러터들을 가변적으로 용이하게 발생시킬 수 있음을 보였다.

국지적 기상 레이다에서의 기상 변화 탐지 방법 분석

이종길,Lee, Jonggil 한국정보통신학회 2021 한국정보통신학회논문지 Vol.25 No.10

Most of weather radar systems are used to monitor the whole weather situation for the very wide and medium-to-long range area. However, as the likelihood of occurrence of the local weather hazards is increased in recent days, it is very important to detect these wether phenomena with a local weather radar. For this purpose, it is necessary to detect the fast varying low altitude weather conditions and the effect of the ground surface clutter is more evident. Therefore, in this paper, the newly suggested method is explained and analyzed for detection of weather hazards such as the gust and wind shear using the fluctuation of wind velocities and the gradient of wind velocities among range cells. It is shown that the suggested method can be used efficiently in the future for faster detection of weather change through the simple algorithm implementation and also the effect of the ground clutter can be minimized in the detection procedure. 대부분의 기상 레이다 시스템은 중장거리용으로 매우 넓은 지역의 전체적인 기상 현상을 파악하는 목적으로 사용된다. 그러나 최근에 와서는 국지적인 재난현상의 빈발 가능성이 높아짐에 따라 국지적인 기상 레이다를 활용한 기상이변 현상의 탐지가 매우 중요한 문제이다. 따라서 이러한 국지적인 기상 이변 탐지목적의 기상 레이다는 저고도 탐지 및 급변하는 기상상황의 빠른 탐지가 필요하다. 또한 상대적으로 지표면 클러터가 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 본 논문에서에서는 풍속의 변화정도 및 거리에 따른 풍속의 변화율을 이용하여 돌풍 및 풍속 전단현상 등의 급변하는 기상 위험 등을 탐지할 수 있는 방법을 제안하고 분석하였다. 제안한 방법은 탐지과정에서의 지표면 클러터에 의한 영향을 최소화 할 수 있고 빠른 탐지를 위한 간단한 알고리즘 구현이 가능한 방식으로서 향후 기상변화 탐지에 유용하게 활용될 수 있음을 보였다.

저고도 기상 레이다에서의 도플러 스펙트럼 추정

이종길,Lee, Jonggil 한국정보통신학회 2020 한국정보통신학회논문지 Vol.24 No.11

기상 레이다 시스템은 일반적으로 강우 및 풍속 등과 관련된 기상 현상을 나타낸다. 이러한 시스템은 대부분의 경우 장거리용이며 비교적 높은 고도를 지향하고 있어 넓은 지역에서의 전체적인 기상 현상을 파악하는 목적으로는 매우 유용하다. 그러나 최근에 와서 국지적인 폭우나 또는 돌풍 등에 의한 재난현상이 빈번히 발생되고 있기 때문에 이러한 기상이변 현상의 탐지가 매우 중요한 문제이다. 국지적인 기상 이변 탐지목적의 기상 레이다는 저고도 탐지 및 급변하는 국지적인 기상상황의 빠른 탐지가 필요하다. 이러한 운용환경에서는 상대적으로 지표면 클러터가 큰 영향을 미치며 안테나의 신호 획득시간도 매우 짧아진다. 따라서 기존의 도플러 스펙트럼 추정방법에 심각한 문제가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 AR(autoregressive) 도플러 스펙트럼 추정 방법들을 적용하고 결과들을 고찰하였다. 적용된 방법들을 이용하면 기존의 FFT(Fast Fourier Transform) 방법에 비하여 향상된 도플러 스펙트럼 추정이 가능함을 보였다. A weather radar system generally shows the weather phenomena related with rainfall and wind velocity. These systems are usually very helpful to monitor the relatively high altitude weather situation for the wide and long range area. However, since the weather hazards due to the strong hail and heavy rainfall occurring locally are observed frequently in recent days, it is important to detect these wether phenomena. For this purpose, it is necessary to detect the fast varying low altitude weather conditions. In this environment, the effect of surface clutter is more evident and the antenna dwell time is much shorter. Therefore, the conventional Doppler spectrum estimation method may cause serious problems. In this paper, the AR(autoregressive) Doppler spectrum estimation methods were applied to solve these problems and the results were analyzed. Applied methods show that improved Doppler spectra can be obtained comparing with the conventional FFT(Fast Fourier Transform) method.

기상 레이다에서의 도플러 주파수 추정 방법 개선에 관한 연구

이종길,Lee, Jonggil 한국정보통신학회 2015 한국정보통신학회논문지 Vol.19 No.9

A wind velocity is measured in a weather radar as well as the strength of return echoes from rain clouds. These wind velocities are obtained through estimation of Doppler frequencies in return signals. This kind of Doppler frequency estimation method is called as a correlation method. It is widely used in most weather radars because of less computation time. However, it may cause serious errors if a spectrum is not symmetric. Therefore, in this paper, it is shown that the improved method using 3^rd order phase estimation model yields the more accurate estimation of the average Doppler frequency using various simulated weather data. 기상 레이다에서는 비구름 등에 의한 전자파 반사 신호의 강도뿐만 아니라 풍속을 측정한다. 풍속은 반사 신호의 도플러 주파수를 추정하여 속도정보를 추출하게 된다. 도플러 주파수 추정을 위하여 상관(correlation) 방법이라 불리는 기법을 적용하고 있다. 이 방법은 상대적으로 계산 량이 적어 대부분의 기상 레이다에서 널리 활용되고 있다. 그러나 수신 신호의 스펙트럼이 비대칭형 형태로 나타나는 경우에는 도플러 주파수 추정에 심각한 오차가 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 기존의 방법을 개선하여 3차 위상추정 모델을 적용함으로서 더 정확한 평균 도플러 주파수 추정이 가능함을 다양한 모의실험 구현을 통하여 확인하였다.

ADCP에서의 유속 추정 방법 개선에 관한 연구

이종길,Lee, Jonggil 한국정보통신학회 2017 한국정보통신학회논문지 Vol.21 No.9

ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler) 는 초음파의 도플러 효과를 이용하여 수중에서 유속의 측정 및 교란 정도를 분석한다. 따라서 수신되는 각 공간 영역에 대한 속도 정보를 추출하기 위하여 수신 펄스 신호에 대한 자기 상관 함수나 FFT(Fast Fourier Transform) 스펙트럼을 추정한다. 그러나 자기 상관 함수 추정은 수신되는 반사 신호가 가우시안 형태의 대칭적인 도플러 스펙트럼을 가진다는 가정이 필요하며 이러한 조건이 만족 되지 않는 경우 추정치에서의 큰 편향오차가 발생할 수 있다. 또한 유속의 변화가 빠르게 나타나는 경우 신호 획득시간이 짧아 유속을 측정하기 위한 자기 상관 함수 나 FFT 스펙트럼의 정확한 추정이 어렵다. 따라서 본 논문에서는 반사 신호가 대칭형 또는 비대칭형 가우시안 형태의 스펙트럼을 보이면서 상대적으로 짧은 반사 획득 신호인 경우에도 정확한 유속 추정이 가능한 AR(Autoregressive) 스펙트럼 첨두치 추정 방법을 제안하였다. 이러한 방법을 이용하면 기존 방법에 비하여 그 정확도를 개선할 수 있음을 보였다. 제안된 방법의 평가를 위하여 다양한 환경에서의 모의 신호들을 구현하였으며 그 결과들을 비교하고 분석하였다. An Acoustic Doppler Current Profiler(ADCP) measures the current velocity and analyzes the degree of turbulence using Doppler effects of ultrasonic waves. Therefore, the autocorrelation or FFT spectrum estimates are obtained for extraction of current velocity in each spatial region. However, if the correlation method does not satisfy the assumption that the return signal spectra are symmetric Gaussian, the large bias errors can occur. Also, the accurate estimation of autocorrelation or FFT spectrum is difficult due to the short acquisition interval when the rapid changes of current velocity occur. Thus, in this paper, the estimation method of the autoregressive spectrum peak is suggested for the accurate current velocity measurement of both symmetric and asymmetric spectra. It is shown that estimation quality can be improved using the suggested method comparing with the conventional methods. Many return signals under the various environment are simulated and the results are compared and analyzed for evaluation of the suggested method.