Ambiguity Function (AF) is well known in radar system as a key tool for determining target resolution capability and presents the nature of the optimal detector. Bistatic configuration play an important role in the shape of the ambiguity function. In general, because the transmitter and the receiver are fixed, position of the target affects the shape of the ambiguity function. In this thesis, we extend the concept of the Range-Velocity Ambiguity Function (RVAF) to replace the traditional ambiguity function in delay-Doppler ambiguity function in order to evaluate the radar system performance. Range resolution and Velocity resolution deduced from the RVAF. Because the shape of RVAF for the Bistatic ULA-MIMO radar is related to position of the target, a new algorithm for adaptively designing the orthogonal Frequency-Hopping waveforms according to the position of the target is used. The simulated annealing (SA) algorithm is suitable for locating a good approximation to the global optimum of a given function in a large search space. We can know that the range resolution and velocity resolution and Integrated Sidelobe Level (ISL) of the matched filter output at the corresponding position of the target from a new algorithm for adaptively designing the orthogonal Frequency-Hopping waveforms.
본 논문은 스텔스와 같은 낮은 레이더 반사면적을 가지는 표적을 탐지하기 위해서 선형으로 배열한 다중안테나를 사용하는 바이스태틱 레이더 시스템에서의 송신 파형 설계에 대해서 다루고 있다. 스텔스 기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 첫 번째 방법은 전파 흡수 물질을 이용하여 적이 송신한 파형을 흡수하여 반사되는 파형을 이용하지 못하게 혹은 그 파형의 크기를 줄이는 방법이다. 이를 통해 레이더 반사면적을 줄일 수 있다. 두 번째 방법은 형상 설계를 통하여 난반사가 일어나게 하여 레이더에서 보낸 파형을 다른 방향으로 반사시킴으로써 레이더 반사면적을 줄여서 적에게 탐지될 확률을 낮출 수 있다. 스텔스 기술의 중요성이 커짐에 따라서 이에 대응하기 위해서 각국에서는 스텔스 탐지 확률을 높이는 방법에 대해서 많은 연구를 진행하고 있다. 그 중에 하나는 VHF (Very High-Frequency : 0.03 - 0.3 GHz), UHF (Ultra High-Frequency : 0.3 - 1.0 GHz), L-band (1.0 - 2.0 GHz) 등의 낮은 주파수 대역을 사용하여 파형을 보냄으로써 스텔스의 전파흡수 물질의 영향을 무력화 시키는 것이고, 또 다른 방법은 송신기와 수신기의 위치를 떨어뜨려 놓고 한 개 혹은 여러 개의 수신기를 스텔스에 맞고 나오는 방향에 설치함으로써 레이더 반사면적을 높이는 방법이다. 이 때 수신기를 하나 사용하면 바이스태틱 레이더라 하고, 여러 개를 사용하면 멀티스태틱 레이더라고 하는데 본 논문에서는 바이스태틱 레이더 시스템에 대해서 고려한다. 기존에 사용하는 위상 배열 레이더 시스템 (Phased array radar system)에서는 한 번에 하나의 파형만을 시간 지연 시키거나 상수 배 하여 송신하지만, 다중안테나를 사용하는 레이더 시스템 (Multiple Input Multiple Output, MIMO radar system)에서는 서로 직교하는 여러 개의 빔을 각각의 송신 안테나에서 동시에 송신할 수 있기 대문에 그에 따른 자유도가 증가하게 된다. 따라서 일반적으로 다중안테나를 사용하는 레이더 시스템을 사용하면 기존에 사용하는 위상 배열 레이더 시스템을 사용하는 것보다 표적에 대한 탐지 확률이 증가하며, 그에 대한 영상 정보 획득 및 파라미터 추정에 유리한 효과를 얻을 수 있다. 레이더 시스템의 성능을 평가하기 위해서는 모호성 함수 (Ambiguity Function, AF)의 개념이 사용되는데, 이는 보내는 파형에 따라서 형태가 변하게 된다. 모노스태틱 레이더 시스템에서는 표적에 파형을 송신했을 대 맞고 반사되어 돌아오는 시간과 그에 대한 도플러 효과를 알고 있으면 바로 표적에 대한 거리와 속도 정보를 알 수 있다. 하지만 바이스태틱 레이더 시스템에서는 이러한 관계가 선형성을 가지지 않고 비선형 관계로 나타나기 때문에 시간 지연-도플러 효과에 대해서 나타낸 모호성 함수의 개형을 보고 곧바로 표적에 대한 거리와 속도 정보를 파악하는 것은 불가능하다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 선형 배열 다중안테나를 사용하는 바이스태틱 레이더 시스템에서의 거리-속도 모호성 함수 (Range-Velocity Ambiguity Function, RVAF)를 이용하여 서로 다른 거리와 속도를 가지는 두 개의 표적에 대한 거리 분해능 (Range Resolution, RR)과 속도 분해능 (Velocity Resolution, VR)에 대한 정보를 모호성 함수를 통해서 바로 파악할 수 있음을 보인다. 선형 배열 다중안테나를 사용하는 바이스태틱 레이더에 대한 모호성 함수의 성질에 따르면 최대의 크기를 가지는 지점 주변으로 뾰족한 형태를 가질 수록 좋은 탐지 성능을 얻을 수 있기 때문에, 송신 파형을 최적으로 설계하는 것은 레이더 사용자나 공학자들에게 아주 중요한 문제가 된다. 각각의 레이더 시스템에서의 송신 파형 설계 방법은 여러 가지가 제안되고 있지만, 여기서는 약간 다른 접근 방법을 이용하여 송신 파형을 설계하려 한다. 일반적으로 송신 파형 설계하는 방법은 최적화 문제를 해결하는 것이기 때문에 높은 수학적 지식을 필요로 하기 때문에 문제 해결에 많은 어려움이 따른다. 그러므로 본 논문에서는 각각의 안테나에서 직교하도록 송신하는 파형을 생성하기 쉽고, 동일한 크기를 갖도록 하는 주파수 도약 파형을 이용하여 송신 파형을 생성해준다. 그러면 송신 파형을 설계하는 문제는 주파수 도약 파형을 이루는 직교 코드를 설계하는 문제로 간략화 될 수 있다. 우리는 뾰족한 형태를 가지는 거리-속도 모호성 함수를 얻는 것이 목표이기 때문에, 최대값을 가지는 부분을 제외한 나머지 부분을 이용하여 비용 함수를 만들고 이를 최소화하는 알고리듬을 적용하면 최적의 탐지 성능을 얻을 수 있는 파형을 설계할 수 있다. 본 논문에서는 시뮬레이티드 어닐링 (Simulated annealing, SA) 알고리듬을 적용하였으며, 모의 실험 결과를 통해서 표적이 위치한 곳에서의 정합 필터 (Matched Filter, MF)의 출력에 대한 통합된 부엽 수준 (Integrated Sidelobe Level, ISL)을 낮출 수 있고, 두 개의 표적에 대한 거리 분해능과 속도 분해능이 향상 된다는 것을 확인할 수 있다.
