[논문 리뷰] The Generalized Sinusoidal Frequency Modulated Waveform for Active Sonar Systems

David A. Hague|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 28.

Structural Health Monitoring Techniques인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 일반화된 사인파 주파수 변조(GSFM) 파형을 소개한다. 이는 기존의 사인파 주파수 변조(SFM) 파형이 유지하는 도플러 민감도를 그대로 유지하면서도, 채널의 주파수를 치프와 유사하게 수정함으로써 범위 잔상파를 극적으로 감소시키는 새로운 능동 수중 레이더 파형이다. 그 결과, 음향 불확실성 함수(Ambiguity Function, AF)가 마이크로스코프의 바늘 모양에 가까워져 표적 분辩 능력 향상과 반사파 억제 성능이 크게 향상된다.

ABSTRACT

Pulse Compression (PC) active sonar waveforms provide a significant improvement in range resolution over single frequency sinusoidal waveforms also known as Continuous Wave (CW) waveforms. Since their inception in the 1940's, a wide variety of PC waveforms have been designed using either Frequency Modulation (FM), phase coding, or frequency hopping to suite particular sonar applications. The Sinusoidal FM (SFM) waveform modulates its Instantaneous Frequency (IF) by a single frequency sinusoid to achieve high Doppler sensitivity which also aids in suppressing reverberation. This allows the SFM waveform to resolve target velocities. While the SFM's resolution in range is inversely proportional to its bandwidth, the SFM's Auto-Correlation Function (ACF) contains many large sidelobes. The periodicity of the SFM's IF creates these sidelobes and impairs the SFM's ability to clearly distinguish multiple targets in range. This dissertation describes a generalization of the SFM waveform, referred to as the Generalized SFM (GSFM) waveform, that modifies the IF to resemble the time/voltage characteristic of a FM chirp waveform. As a result of this modification, the Doppler sensitivity of the SFM is preserved while substantially reducing the high range sidelobes producing a waveform whose Ambiguity Function (AF) approaches a thumbtack shape. This dissertation describes the properties of the GSFM's thumbtack AF shape, compares it to other well known waveforms with a similar AF shape, and additionally considers some of the practical considerations of active sonar systems including transmitting the GSFM on piezoelectric transducers and the GSFM's ability to suppress reverberation. Lastly, this dissertation also describes designing a family of in-band nearly orthogonal waveforms with potential applications to Continuous Active Sonar (CAS).

연구 동기 및 목표

• 기존의 사인파 주파수 변조(SFM) 파형에서 높은 범위 잔상파 문제를 해결하여 능동 수중 레이더에서 표적 분辩 능력을 향상시키는 것.
• SFM의 도플러 민감도를 유지하면서도 마이크로스코프 형태의 음향 불확실성 함수를 달성하는 일반화된 파형을 개발하는 것.
• GSFM을 세라믹 압전 변환기에서 실용적으로 구현하고 반사파 억제 능력을 평가하는 것.
• 연속 능동 수중 레이더(CAS) 응용을 위한 밴드 내 거의 직교적인 GSFM 파형의 가족을 설계하는 것.
• 자주 표적 장면을 재방문할 수 있는 펄스 열 설계를 탐색하면서도 CPI, TBP 및 가속도 내성 간의 균형을 유지하는 것.

제안 방법

• SFM 파형을 일반화하기 위해 순간 주파수(IF)를 치프 유사 궤적을 따르도록 수정하여 주기성에 기인한 잔상파를 감소시키는 것.
• GSFM의 스펙트럼과 음향 불확실성 함수(AF)를 모델링하기 위해 위상 함수의 푸리에 급수 표현을 사용하는 것.
• 시간 및 주파수 테이퍼링을 적용하여 AF의 축 외부 잔상파를 억제하고 지연-도플러 공간에서의 분辩 능력을 향상시키는 것.
• 선형 주파수 허프드 펄스 열을 설계하여 펄스 간 상관관계를 감소시키고 범위 잔상파를 억제하는 것.
• 매 PRI마다 표적 장면을 재방문하는 처리 프레임워크를 구현하여 고 PRI 작동 시 범위 측정이 모호하지 않도록 하는 것.
• GSFM의 일정한 에너지와 낮은 피크 대 평균 전력 비율(PAPR)을 활용하여 실용적인 압전 변환기와의 호환성을 확보하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GSFM 파형은 SFM의 도플러 민감도를 유지하면서도 마이크로스코프 형태의 음향 불확실성 함수를 달성할 수 있는가?
• RQ2 GSFM의 AF 성능은 선형 FM 및 스텝 주파수 파형과 같은 잘 알려진 파형들과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ3 실제 수중 레이더 시스템에서 압전 변환기에 GSFM 파형을 전송할 때의 실용적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 GSFM 펄스 열 설계는 다중 표적의 범위 잔상파를 효과적으로 억제하면서도 고 PRI 작동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 GSFM 위상의 푸리에 급수 표현을 최적화하여 사용자가 정의한 스펙트럼 및 AF 특성을 갖는 파형을 합성할 수 있는가?

주요 결과

• GSFM 파형은 마이크로스코프 형태의 음향 불확실성 함수를 달성하여 기존의 SFM 파형에 비해 범위 잔상파를 극적으로 감소시켰다.
• GSFM는 높은 도플러 민감도를 유지하여 능동 수중 레이더에서 효과적인 속도 분辩 능력과 반사파 억제 성능을 제공한다.
• GSFM의 일정한 에너지와 낮은 PAPR는 왜곡 없이 압전 변환기에서 전송 가능하게 하여 실용성과 호환성을 확보한다.
• 선형 주파수 허프드 GSFM 펄스 열은 펄스 간 상관관계를 감소시켜 다중 표적의 범위 잔상파를 효과적으로 억제한다.
• GSFM 파형 설계를 통해 고 PRI 작동 시 모호하지 않은 범위 측정이 가능해져 펄스-도플러 레이더 및 초음파 시스템에서의 핵심 제약 조건을 극복한다.
• GSFM 위상의 푸리에 급수 표현은 체계적인 분석과 사용자 정의 스펙트럼 및 AF 응답을 위한 잠재적 최적화를 가능하게 한다.