In this dissertation, online self-calibration of an active uniform linear array (ULA) for a multi-beam search radar systems and a technique to estimate the elevation angle of the detected targets accurately by compensating the error caused by multipath effect is proposed. Since the error between the array elements in the active ULA is the main cause of the degradation of the side lobe level and the angle estimation, it is important to effectively calibrate the array error during the radar operation. Also, for naval search radar, the elevation angle error is increased due to the multipath effect occurring in the marine environment. That is, it is difficult to estimate the angle of the direct path and the indirect path separately due to the interaction of the two signals coming from the target. In this paper, we propose the two methods of the online self-calibration and the accurate estimation of the target elevation angle, using the characteristics of the multiple receive beams.
In the first part, a novel self-calibration method for an active uniform linear array (ULA) of a multi-beam surveillance radar is proposed. The approach utilizes the radar returns containing the clutter and the opportunity targets, which requires no additional hardware and time for the calibration. The array error is estimated from the phase gradient of the active ULAs and the Fourier property of ULA beamforming. To correct the estimation error, several range bins used as the estimation sources are selected according to entropy value. The linear phase component in the phase error is eliminated using both the center shifting and the matched filter, thus enhancing the calibration performance. The effectiveness of the proposed method against that of conventional ones is demonstrated with a computer simulation and a field experiment.
Next, a hybrid compensation scheme for the elevation angle error of a low altitude target in a multipath radar environment is proposed. The proposed method can be applied to multi-beam radar systems. Among various low angle estimation algorithms, the beam space domain maximum likelihood (BDML) can simply find the direction of arrival (DOA) of a target from a quadratic equation. However, when the BDML-based method is applied to the target angle estimation of the search radar, it has a drawback in that the estimation error increases as the phase difference between the direct path and the indirect path approach a zero degree, and the performance deteriorate in the region where the specular reflection coefficient is large. To overcome these problems, the hybrid angle compensation method is proposed. If the multi-beam formed pattern is simi-lar to the ideal beam pattern, then the estimated target angle by monopulse processing is corrected using the ratio of the horizon beam and the lower beam, else the BDML-based method is applied. Simulation results performed with various sea states are provided to prove the angle estimation performance.
본 학위논문에서는 능동 균일 선형 배열로 구성된 다중 빔 탐색레이더를 위한 온라인 자동 보정 및 다중경로현상에 의해 발생한 표적의 탐지 각도 오차를 보상하여 정확하게 추정하는 방안을 다루고자 한다. 능동 선형위상배열에서 배열소자간의 오차는 다중 빔의 부엽 성능 및 각도추정성능을 저하시키는 주요 원인이므로 레이더를 운용 중에 이 오차를 효과적으로 제거하는 것이 중요하다. 또한 함정 용 탐색레이더의 경우 해상환경에서 발생하는 다중 경로 현상으로 인해 탐지 각도의 오차가 커진다. 즉, 표적으로부터 두 경로로 들어오는 신호의 상호 작용으로 인해 직접 경로의 신호와 간접 경로의 신호의 각도를 분리하여 추정하기 어렵기 때문이다. 본 논문에서는 다중수신빔의 특성을 이용하여 온라인 자동보정방법과 다중 경로 현상에 의한 탐지 각도 오차를 보정하는 다음의 두가지 방안에 대해 제안한다.
첫 번째, 레이더에서 송신한 신호의 반사 신호를 이용하여 능동 선형위상배열레이더를 자동 보정하는 방법이다. 이 방법은 표적 탐지를 위해 수신한 신호 (클러터 및 기회표적들을 포함) 들을 직접 이용하여 자동 보정 함으로써 별도의 온라인 보정을 위한 하드웨어 및 추가 시간을 필요로 하지 않는다. 각 배열 소자의 오차는 균일선형배열의 위상 기울기와 빔 형성의 푸리에 (Fourier) 특성을 이용하여 추정된다. 추정 오차를 보정하기 위해 엔트로피 (entropy) 값에 따라 단일 도래 각을 포함한 것으로 판단되는 거리 셀들을 선별하여 추정 소스로 사용하며, 위상 오차의 선형 기울기 성분은 중심 이동과 정합 필터 방법을 사용하여 제거함으로써 보정 성능을 높인다. 제안한 방법의 성능은 기존 방법과 비교하여 시뮬레이션과 현장실험을 통해 입증되었다.
두 번째, 해상환경에서 다중 경로 현상에 의해 왜곡된 표적의 탐지 각도 오차를 보정하는 방법이다. 기존 BDML (beamspace domain maximum likelihood) 방법은 탐색레이더의 표적 각도 추정에 적용하면 직접 경로와 간접 경로의 위상 오차가 0도에 가까워질 수록 오차가 증가하고 거울 반사 계수가 높아질수록 성능이 저하되는 문제가 있다. 이러한 부분들을 극복하기 위해 하이브리드 각도 보상 방법이 제시된다. 형성된 다중수신빔 패턴이 이상적인 빔 패턴과 유사하면 수평 빔과 그 아래 빔의 비율을 이용하여 모노펄스 결과를 보정하고, 그렇지 않다면 BDML 기반 방법을 적용하는 방법이다. 제안한 방법의 각도 추정 성능을 입증하기 위해 다양한 해상환경에서 시뮬레이션한 결과를 첨부하였다.
