The ship-borne radar system has been faced with increasing demands for reacting against the evolved threats such as supersonic anti-ship missiles, low flying targets, and low radar cross
section targets. As a consequence, modern radar systems require numerous functionalities and
great flexibility in order to support dedicated missions and to protect ship from these threats,
thereby employing a phased array multifunction radar. Regarding ship self-defense, detection
and tracking of low altitude fast threats are of the greatest importance. However, since target
tracking over the sea surface is seriously affected by multipath, it is important to find efficient method to resolve the problem.
In this dissertation, three subjects will be considered to be involved in the enhancement of
performance for a phased array multifunction radar system. The subjects have close correlation
among them and are aimed at estimating the angle of arrival of a target and maintaining stable
communication link of a guided missile based on a phased array radar in realistic multipath
environments. The difficulty in angle estimation of a low altitude target over the sea comes from
highly correlated multipath signal which distorts wavefront of the target signal at the antenna
face. This problem also appears in the form of intersymbol interference when a multifunction
radar system establishes communication link for missile guidance. We shall, therefore, place
more emphasis on these problems and aim at proposing the solutions to the problems.
In the first part, wave propagation in the atmosphere is presented and analyzed to understand
atmospheric effects in angle estimation. Regarding radar problem, the atmospheric
conditions cause electromagnetic wave bending, thereby introducing erroneous target position
measurement. So it is critical to consider the atmospheric effects to correct the erroneous results. The normal and anomalous propagation conditions are considered and those e ects on
the angle estimation are given by the use of analytical and numerical methods. In addition, the
interaction of radio waves with the ionized regions of the atmosphere is shortly described.
Before proceeding with adaptive beamforming under multipath condition, the maximum
likelihood methods in array signal processing are discussed in the second part. The stochastic
and deterministic maximum likelihood are presented with their Cramer-Rao lower bound and numerical methods to solve the criterion functions. Although these methods are computationally
expensive, they are commonly used as the references for performance comparison to other
estimators in that they give accurate estimates. In this dissertation, we also use the ML method
for performance evaluation of the proposed algorithm.
In the third part, we present the angle of arrival estimation of a low altitude target over
the sea surface. A new monopulse technique utilizing an iterative interference cancellation
algorithm and a priori geometrical information is proposed based on the array antenna structure
to overcome performance degradation due to the multipath signal. To measure the performance
of the proposed algorithm, numerical simulation is carried out based on the effective earth model
to account for the bending of electromagnetic waves due to the atmospheric refraction. The
simulation results of the proposed method are compared with those of maximum likelihood
estimator and specular reflected error finding function and show that the performance of the
proposed method approaches the error performance of maximum likelihood estimator at the time varying angle of arrival condition.
In the last part of this thesis, the missile guidance for target engagements is considered.
Although there are several methods and key factors for missile guidance, the communication
link is the critical part of the missile guidance. Since missile communication links are also
affected by the multipath in the form of inter symbol interference, we need to draw up a way
to solve the problem and to secure missile communication link. The proposed method in this
thesis can also provide an effective means for nulling multipath interference of communication
link, and simulation results show that it can remove intersymbol interference while a stable
communication link is maintained.
함정용 레이더 시스템은 초음속 대함 미사일, 저고도 표적 및 낮은 레이더 반사 단면적을 갖는 표적과 같은 진보된 위협들에 대응해야 한다는 증가된 요구사항에 직면해 있다. 결론적으로, 현대의 레이더 시스템은 할당된 임무지원뿐만 아니라 이러한 위협들으로부터 함정을 보호하기 위해 수많은 기능들과 큰 유연성을 필요로 하고 이를 위해 위상배열 다기능레이더를 채택하고 있다. 자함 방어 측면에서는 저고도 고속 위협체의 탐지 및 추적이 무엇보다도 중요하다. 그러나 해면위로 비행하는 표적 추적의 경우 다중경로 신호에 의해 성능이 크게 영향을 받기 때문에 이 문제를 해결하기 위한 효율적인 방법이 필요하다. 본 학위논문에서는 위상배열 다기능레이더 시스템의 성능 향상에 관련된 세 가지 주제에 대해 다루고자 한다. 각 주제들은 서로 밀접한 상관관계를 가지고 있으며, 현실적인 다중경로 환경에서 위상배열 레이더에 기반한 표적의 도래각 추정 및 유도탄의 안정적인 통신링크 유지를 목적으로 한다. 해상에서 저고도 표적에 대한 각도 추정의 어려움은 안테나면에서 표적신호의 파면을 왜곡시키는 높은 상관관계를 갖는 다중경로 신호로부터 기인한다. 이 문제는 또한 다기능 레이더가 미사일 유도를 위해 통신 링크를 사용할 때 심볼간 간섭의 형태로도 나타난다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제들에 중점을 두어 해결방안을 제안 하고자 한다. 논문의 첫 번째 부분에서는 각도 추정에 있어서 대기가 미치는 영향을 이해하기 위해 대기중의 전파전파에 대해 기술 및 분석을 수행하였다. 레이더 관점에서 대기상태는 전자파의 굴절을 야기하여 표적의 위치측정 오차를 유발한다. 따라서 측정결과의 오류를 보정하기 위해 대기효과를 고려하는 것이 매우 중요하다. 정상 및 비정상 전파전파 조건이 고려되었으며 그로부터 각도추정에 미치는 영향을 이론 및 수치해석적 방법을 이용하여 제시하였다. 또한 대기의 이온화 영역과 전파의 상호작용에 대해서도 간략히 기술하였다. 다중경로 환경에서 적응빔 형성에 대한 기술에 앞서 두 번째 부분에서는 배열신호처리에서 Maximum likelihood (ML) 방법에 대해 다루었다. Stochastic ML 및 Deterministic ML이 Cramer-Rao lower bound 및 평가함수를 계산하기 위한 수치해석 방법과 함께 제시되었다. 비록 ML을 이용한 방법이 계산비용이 크다는 단점이 있지만 정확한 추정치 제공으로 다른 추정법에 대해 성능비교를 위한 지표로 많이 활용되며 본 논문에서도 제안된 알고리즘의 성능평가를 위해 사용하였다. 세 번째 부분에서는 해수면 위를 비행하는 저고도 표적의 도래각 추정에 대해 기술하였다. 다중경로 신호로 인한 성능열화를 극복하기 위해 배열안테나 구조에 기반한 반복적인 간섭 제거 알고리즘과 선험적 기하학적 정보를 이용한 새로운 모노 펄스 기법이 제시되었다. 제안된 알고리즘의 성능 측정을 위해, 수치해석적 시뮬레이션이 대기굴절에 의한 전자파의 휘어짐을 고려한 유효 지구모델에 기반하여 수행되었다. 제안된 방법의 시뮬레이션 결과를 ML 방법 및 Specular Reflected Error Finding Function (SREFF) 방법에 의해 도출된 결과와 비교하였으며 제안된 방법이 시변하는 도래각 조건에서 ML에 근접하는 성능을 보여줌을 확인하였다. 이 논문의 마지막 부분에서는 표적 교전을 위한 미사일 유도에 대해 기술하였다. 미사일 유도를 위한 여러 가지 방법 및 주요 요소들이 있지만 그중에서도 특히 통신 링크는 미사일 유도를 위한 핵심 부분으로 간주된다. 미사일 통신 링크 또한 다중경로로 인해 심볼간 간섭현상이 발생하기 때문에 이 문제를 해결하고 통신 링크를 확보할 수 있는 방법이 필요하게 된다. 본 논문에서 제안된 방법은 통신 링크에서 다중경로 간섭을 제거하기 위한 효과적인 수단을 제공할 수 있으며 제안된 방법을 이용한 시뮬레이션 결과를 통해 안정적인 통신 링크를 유지하면서 심볼간 간섭을 제거 할 수 있음을 확인하였다.
