[논문 리뷰] Self-calibration and antenna grouping for bistatic oceanographic High-Frequency Radars

Dylan Dumas, Charles‐Antoine Guérin|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 21.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 16인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 이방향 고주파 레이더(High-Frequency Radar, HFR)를 이용한 표면 전류 맵핑을 향상시키기 위해 자기 캘리브레이션과 안테나 그룹화를 도입한다. 수신 안테나의 복소 이득을 자동으로 보정하기 위해 원격 송신기의 직접 신호를 이용하며, 이 신호는 영도플러 및 최소 거리에서 관측되며, 다수의 하위어레이를 활용한 방향 도래(Directional Finding)를 통해 고해상도, 전체 영역 커버리지가 가능한 전류 맵을 얻는다. 이는 결함이 있는 안테나에 대해서도 강건한 성능을 보인다.

ABSTRACT

We propose two concepts for the significant improvement of surface current mapping with bistatic oceanographic High-Frequency Radars. These ameliorations pertain to the azimuthal processing of radar data with linear or quasi-linear antenna arrays. The first idea is to take advantage of the remote transmitter to perform an automatic correction of the complex gains of the receiving antennas based on the analysis of the signal received in the direct path. This direct signal can be found at the zero-Doppler and minimal range cell in the Range-Doppler representation. We term this adjustment as "self-calibration" of the receiving array, as it can be performed in real-time without any specific action from the operator. The second idea consists in applying a Direction Finding technique (instead of traditional Beam Forming) not only to the full array of antenna but also to subarrays made of a smaller number of sequential antennas, a method which we refer to as "antenna grouping". The combination of self-calibration and antenna grouping makes it possible to obtain high-resolution maps with full coverage, thereby combining the respective merits of Direction Finding and Beam Forming techniques. In addition the method is found robust to missing antennas in the array. These techniques are applied to and illustrated with the multistatic High-Frequency Radar network in Toulon.

연구 동기 및 목표

• 비스테이션 고주파 레이더 시스템에서 애자이멀 처리의 한계를 해결하기 위해, 특히 비스테이션 각도에서 빔 포밍 성능이 떨어지고, 방향 도래에 장시간 통합이 필요로 하는 문제를 해결한다.
• 기존의 캘리브레이션 방법(예: 선박 기반)이 비현실적인 이방향 구성에서 수신 어레이에 대한 신뢰할 수 있고 실시간으로 가능한 캘리브레이션 방법의 부재를 보완한다.
• 하위어레이 처리를 통해 빔 포밍의 강건성과 고해상도 방향 도래를 결합함으로써 표면 전류 맵핑의 공간 해상도와 커버리지를 향상시킨다.
• 원격 수신 지점에서 결함이 있거나 기능하지 않는 안테나로 인해 발생하는 하드웨어 고장에 대비해 시스템의 내구성을 확보한다. 이는 일반적으로 운영 레이더 네트워크의 기능 장애를 유발한다.

제안 방법

• 영도플러 및 최소 거리에서 관측되는 직접 경로 신호를 활용하여, 실시간으로 수신 안테나의 복소 이득을 추정하고 보정함으로써 자동 자기 캘리브레이션을 가능하게 한다.
• 전체 안테나 어레이 뿐 아니라, 연속된 안테나들로 구성된 다수의 겹치는 하위어레이에 대해 방향 도래(예: MUSIC 알고리즘)를 적용하며, 이를 '안테나 그룹화'라고 부른다.
• 모든 하위어레이에서 유도된 타원형 속도 맵을 조합하여 고해상도, 전체 영역 커버리지가 가능한 표면 전류 맵을 생성함으로써 개별 하위어레이의 오류로 인한 아티팩트를 완화한다.
• 직접 신호와 송신기에서 기대되는 신호 간 기하학적 제약과 위상 일치를 이용하여 안테나 이득의 위상 및 진폭 오차를 추정하고 보정한다.
• 하드웨어 수정 없이 소프트웨어 패치 형태로 실시간으로 모든 타임시리즈에 적용 가능한 자기 캘리브레이션 방법을 구현한다.
• 일부 안테나가 결함이 있더라도 유효한 하위어레이를 계속 처리함으로써 안테나 고장에 대한 강건성을 유지하며, 성능 저하가 급격히 악화되는 대신 점진적으로 악화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이방향 HFR 시스템에서 영도플러 및 최소 거리 셀에 존재하는 직접 신호를 신뢰성 있게 활용하여 실시간 자동 캘리브레이션을 수행할 수 있는가?
• RQ2 다수의 하위어레이(안테나 그룹화)에 대해 방향 도래를 적용할 경우, 전체 어레이 빔 포밍이나 표준 방향 도래에 비해 애자이멀 해상도와 커버리지가 현저히 향상되는가?
• RQ3 특히 이득이 잘못 캘리브레이션된 경우, 자기 캘리브레이션을 짧은 하위어레이에 적용했을 때 방향 도래의 정확성과 안정성이 얼마나 향상되는가?
• RQ4 자기 캘리브레이션과 안테나 그룹화의 조합이 원격 수신 어레이에서 결함이 있거나 기능하지 않는 안테나에 대해 얼마나 강건한가?
• RQ5 검증된 현장 드리프터 측정치와 비교했을 때, 결과로 도출된 전류 맵이 복잡한 이방향 기하학에서 높은 정확도를 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 원격 송신기에서 온 직접 신호를 이용한 자기 캘리브레이션은 외부 캘리브레이션 없이 실시간 자동 복소 안테나 이득 보정이 가능하게 하여 애자이멀 처리 정확도를 크게 향상시킨다.
• 안테나 그룹화—다수의 겹치는 하위어레이에 대해 방향 도래를 적용하는 기법—를 통해 모든 유효한 하위어레이의 결과를 조합함으로써 고해상도, 전체 영역 커버리지가 가능한 표면 전류 맵을 생성한다.
• 자기 캘리브레이션을 통해 잘못 캘리브레이션된 안테나 이득으로 인한 아티팩트(예: 맵의 회전)를 줄이며, 특히 짧은 하위어레이에서 문제가 되는 현상을 완화한다.
• 자기 캘리브레이션을 적용한 10개의 3안테나 하위어레이 조합은 그림 10에서 보듯이 보정되지 않은 버전에 비해 명확히 향상된 전류 맵을 제공한다.
• 최대 3개의 안테나가 결함이 있더라도 시스템은 기능을 유지하며 사용 가능한 전류 맵을 제공함으로써 하드웨어 고장에 대한 강건성을 입증한다.
• 현장 드리프터 측정치와의 검증 결과, HFR를 통해 유도된 타원형 속도와 측정된 표면 전류 간에 뛰어난 일치를 보였으며, 최상의 궤적에서 루트 평균 제곱 오차는 약 2.5 cm/s였다.