Jet Engine Modulation (JEM) generated by the engine rotation in an aircraft has been used for radar-based Non-Cooperative Target Recognition (NCTR) purposes along with High Resolution Range Profile (HRRP) and Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR). Among several radar target recognition techniques, JEM is known as the first signature applied in the NCTR. Recognition by JEM uses Doppler characteristics generated by the rotating compressors which chop electromagnetic wave.
In this dissertation, I present scattering and feature analysis of JEM effect of aircraft engine models. There are three main parts which are scattering analysis, measurement and feature analysis, and applications.
In scattering analysis part, a novel hybrid adaptive iterative physical optics-method of moments (AIPO-MoM) technique is presented for the electromagnetic analysis of jet engine structures that are both electrically large and complex in both stationary and dynamic cases. In this technique, the AIPO method is used to analyze the electrically complex compressor region, including blades and a hub. It is efficient and accurate by virtue of combining the respective merits of both methods. In the dynamic case, a concept for modified impedance equation is proposed to reduce computational load. Numerical results are presented and verified through comparison with Mode-FDTD and measured and commercial simulation packages results.
In measurement and analysis part, a procedure for estimating the number of blades of jet engines using JEM is presented for radar target recognition. The peaks in the frequency spectrum are used to estimate the number of blades after calculating the spool rate by autocorrelation in the time domain. I devise harmonic rules to assign each peak to a specific blade rotation. This procedure is used with JEM data that is obtained by measurement and simulation. The result shows that the procedure can be used for radar-based NCTR.
In applications part, there are two applications which are joint-time frequency analysis (JTFA) application and high-resolution range profile-JEM (HRRP-JEM) application. In JTFA application, JTFA analysis of radar micro-Doppler signatures from aircraft engine models is presented. Micro-Doppler signatures from four CAD aircraft engine models and one experimental engine model are analyzed using JTFA. The signatures are obtained from shooting and bouncing rays (SBR) simulation for the CAD models and from measurement for the experimental model. The JTFA results give additional useful physical feature information regarding the respective engines, such as whether the number of blades is odd or even and the length of blades, in addition to the number of blades, which can be extracted by traditional spectrum analysis.
In HRRP-JEM application, an analysis of HRRP-JEM signatures of aircraft models is presented. Two types of aircraft models are designed and radar cross section (RCS) data is collected using a SBR technique, and then HRRP-JEM signatures are acquired using a two-stage Fourier transform-based signal process. For the radar target identification, the location information is estimated by an engine location extraction algorithm. The analysis results show that the estimation of the location information of the engine could be useful for radar target identification.
비협조 표적인식은 고해상도의 표적신호를 제공하는 기법 혹은 기술과 그를 이용해 감지한 표적의 종류에 관한 결정을 하는 분야이다. 이러한 과정은 관심 표적과의 협조 없이 이루어지며, 더 나아가 표적은 그것의 신호가 인식 목적으로 관측이 되고 있다는 사실조차 모르게 된다.
레이더는 비협조 표적인식을 위한 중요한 센서이며, 비, 안개, 구름을 포함한 날씨 혹은 밤/낮이나 계절에 관계 없이 원거리에서 레이더 신호를 빛의 속도로 입사시켜, 표적으로부터 되돌아오는 신호를 분석하여 정보를 얻는다. 적외선이나 광학을 이용한 센서는 날씨에 영향을 받으며 레이더보다 근거리에서 사용 가능한 단점이 있다.
레이더로부터 얻은 신호를 이용해 표적인식을 하기 위해서는 레이더 신호 측정, 표적 신호 추출, 특성 추출, 구분기 적용, 표적인식의 과정을 거치며 이 중 특성 추출과 구분기 적용이 주요한 과정이다. 구분기 적용을 위해 차별화된 특성 추출이 필요하며, 이를 특성 벡터라고 한다. 특성 벡터는 잡음과 임의의 변화에 대해 강인한 특성을 지녀야 한다. 그러한 특성 중 넓은 관측각도에서 추출 가능한 제트엔진 변조 성분이 있다.
제트엔진 변조는 항공기 엔진의 회전에 의해 발생이 되며, 레이더 기반의 비협조 표적인식을 위해 HRRP와 ISAR와 함께 사용이 된다. 제트엔진 변조를 이용한 기법은 레이더 기반의 표적 기법 중 가장 첫 번째로 사용이 되며, 회전하는 압축기에 의해 생기는 도플러 특성을 이용한다. 제트엔진 변조를 이용한 기법은 그것의 단순한 인식 절차와 데이터베이스, 넓은 관측 각도에서 사용이 가능한 장점으로 인해 레이더 기반의 비협조 표적인식에서 광범위하게 사용이 되는 기법이다.
본 논문에서는 제트엔진 변조의 주요한 세 연구 분야인 산란 해석, 측정 및 특성 분석, 응용 분야에 대해 고유한 기법 및 내용을 제안한다.
산란 해석 분야에서는 새로운 하이브리드 AIPO-MoM 기법을 이용해 전기적으로 크면서 동시에 복잡한 제트엔진 구조에 대해 날개가 멈춘 경우와 회전하는 경우에 대한 산란 해석을 제시한다. AIPO기법을 이용해 비교적 부드럽게 변하는 엔진 입구 부분에 대한 해석을 하며, MoM 기법을 이용해 전기적으로 복잡한 날개와 허브를 포함한 압축기 부분에 대한 해석을 한다. 두 기법의 각각의 장점인 효율성과 정확성을 동시에 증가시키고, 특히 날개가 회전하는 경우 수정된 임피던스 방정식 개념을 도입해, 계산 효율성을 증가시킨다. 검증을 위해 수치결과를 제시하고, Mode-FDTD 기법, 측정 결과, 상용 시뮬레이션 결과와 비교한다.
측정 및 특성 분야에서는 레이더 표적인식을 위한 제트엔진 변조 신호를 이용한 제트엔진의 날개 특성 추정 알고리즘을 제시한다. 시간 축에서의 자기 상관 값을 이용해 회전축의 회전 속도를 계산하고, 주파수 축에서의 첨두치 정보를 이용해 날개 개수를 추정한다. 첨두치 정보를 이용해 날개 개수 추정을 하기 위해 하모닉 룰을 고안한다. 측정과 시뮬레이션을 통해 얻어진 제트엔진 변조 데이터를 사용해 알고리즘을 검증하고, 레이더 기반의 표적인식에 있어서 제안한 날개 특성 추정 알고리즘의 유용성을 제시한다.
응용 분야에서는 두 가지의 새로운 응용을 제시한다. 먼저 시간-주파수 분석을 이용한 항공기 엔진 모델의 마이크로 도플러 신호 분석 응용을 제시한다. 네 종류의 항공기 엔진 CAD 모델을 설계하여, SBR 기법 기반의 시뮬레이션을 통해 데이터를 추출하고, 제작한 두 종류의 항공기 엔진 모델로부터 AVRIS를 통해 데이터를 추출한다. 추출한 제트엔진 변조 신호 데이터를 시간-주파수 분석을 통해 해석하며, 이를 통해 물리적 의미를 가진 고유한 특성 추출 가능성을 제시한다.
다음으로 HRRP-JEM 분석을 이용한 항공기 모델의 산란 신호 분석 응용을 제시한다. 두 종류의 항공기 모델을 설계하여, SBR 기법 기반의 시뮬레이션을 통해 데이터를 추출한다. 추출한 산란 신호를 2단 Fourier 변환 기반의 신호 처리를 이용해 HRRP-JEM 신호를 추출한다. 레이더 표적 인식을 위해 제트엔진 위치 특성 추출 알고리즘을 이용해 위치 정보를 추정한다. 분석 결과를 통해 레이더 표적인식에 있어 엔진 위치 정보 추정의 유용성을 제시한다.
