Pulse Repetition Interval Analysis - (4)

이번에는 레이다 PRI를 분석하는 기법에 대해 알아본다.

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PRI 분석 기법

PRI 분석은 PRI의 변화를 정량적으로 관측하는 것으로서 레이다의 기능적 사용과 RRI를 생성하는 기법적인 부분에서의 레이다의 동작 방식 예측을 할 수 있다.

 

역사적으로 평균 PRI를 정확하게 결정하는 방법으로서 자주 사용된 것은 합성하여 생성된 펄스 열의 PRI를 분석하고자 하는 미지의 신호와 일치시켜 보는 수동적인 방법이다.

합성된 신호는 오실로스코프를 트리거 시키고 분석될 신호는 오실로스코프의 수직 입력에 적용된다.

스윕 지속 시간은 PRI 보다 약간 작게 셋팅함으로써 스크린 상의 단일 펄스의 위치는 트리거의 발생 시간과 펄스의 TOA 간의 차이에 의해 결정된다.

만약 합성된 신호의 PRI가 관심있는 신호와 다르면 화면상의 펄스의 수평 위치는 움직일 것이며 만약 합성된 PRI가 너무 길면 오른쪽으로 너무 짧으면 왼쪽을 움직일 것이다.

이 합성기는 펄스의 위치가 고정될때까지 조정된다.

이후 합성된 PRI는 카운터를 이용하여 정확하게 측정된다.

이 방법은 측정이 매우 쉬운편인데 그 이유는 스캐닝이나 열적 잡음에 의한 영향을 받지 않기 때문이다.

이와 동일한 방법은 아래에서 얘기할 Raster 디스플레이에서도 사용된다. 

 

이 PRI 측정 방법은 다양한 요인으로 인해 측정 정확도에 영향을 받는다.

물론 합성 PRI는 매우 정확하게 측정될 수 있으며 때때로 알지 못하는 PRI를 측정한 정확도로 잘못 보고할 수도 있다.

기준 PRI를 알지 못하는 PRI와 일치시키는 방법에서의 실질적인 오류는 단일 PRI 측정을 하는 것과 비교해서 크게 줄어든다.

그 이유는 사실 많은 수의 펄스들이 측정 과정에서 평균화되기 때문이다.

첫 번째로는 잡음의 영향을 고려해야 한다.

만약 합성된 PRI가 알지 못하는 PRI와 정확하게 일치되었다면 관측자는 잡음과 크기가 변화하는 많은 수의 겹쳐진 펄스들을 보게 된다.

이 잡음은 정확한 펄스의 위치에 대한 불확실성을 만든다.

보통은 측정을 위해 활용할 수 있는 시간은 제한된다.

관측자는 펄스의 위치가 에지를 방해하는 잡음에 의해 움직였는지 여부 또는 합성기가 부정확하게 조정되었는지 여부등에 대한 불확실성을 갖게 된다.

따라서 측정 시간과 SNR 둘 모두 이 측정 방법에서의 정확도에 영향을 주게 된다. 

 

시간 도메인에서의 분석(오실로스코프를 이용한)은 가장 유용하고 널리 사용되는 방법이다.

Incidental jitter 및 일부 stagger 형태는 이중 시간 기반의 오실로스코프(B에 의해 지연된 A)를 이용하여 분석할 수 있다.

이 지연은 반드시 필요한데 그 이유는 jitter가 PRI에 비해 보통 매우 작기 때문이다.

일반적인 오실로스코프 디스플레이가 보여주는 단일 PRI는 예를 들면 대략적인 피크 간 jitter 측정을 PRI의 1%까지 허용한다.

지연 시간 기반의 사용은 오실로스코프 스크린의 전체 폭을 조절하여 PRI의 매우 작은 부분까지 보여줄 수 있으며 jitter를 분석하는데 훨씬 쉽게 만든다.

분석가들은 PRI의 여러 배수들을 통해 연속적인 지연을 조절하면서 jitter의 간격을 조사해야 한다.

Constant PRI의 랜덤한 교란이 포함된 jitter는 지연이 증가할수록 천천히 증가해야 한다.

만약 jitter가 지연과 상관없다면 jitter의 결정 요인은 레이다의 신호 생성 특성보다는 잡음에 의한 신호 크기 변화가 임계치를 넘는 것과 관련이 있을 수 있다. 

이러한 동일한 절차는 또한 stagger를 분석하는 데 있어서 역시 유용하다.

한 가지 공통적인 문제는 stagger PRI와 몇몇의 가능한 간격을 갖는 랜덤한 jitter 간의 구분이 힘들다는 것이다. Stagger 신호는 주기적이기 때문에 선택된 지연이 주기와 동일하다는 것을 알아내기가 쉽다.   

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[ Raster Display ]

Raster 디스플레이는 z축 변조를 이용하여 펄스의 존재를 알아내는 오실로스코프 기법이다.

x축은 일반적인 시간 sweep 이며 y축은 역시 시간과 연관되어 있어서 x축이 sweep 될 때마다 조금씩 변화한다.

이 기법의 공통된 사용법은 스크린의 맨 위쪽부터 시작하여 각 sweep은 아래의 방향으로 디스플레이되며 그렇기 때문에 이름이 “falling raster”라고 불린다.

이 Raster 디스플레이는 기존의 오실로스코프 디스플레이보다 훨씬 더 큰 간격의 PRI 변화를 관측하기가 용이하다.

이러한 종류의 디스플레이는 한 번에 수백 또는 수천개 펄스의 PRI 변화를 관측하기에 매우 유용하다.

시간 기반의 디지털화가 발전함에 따라 디지털적인 디스플레이가 가능해졌다.

그 결과로 PRI 측정 뿐만 아니라 펄스의 sorting과 deinterleaving을 전용으로 하는 특별한 프로세서의 개발이 가능해졌다.

이러한 장치들은 1 ns 만큼 작은 스텝으로 스크린을 걸쳐 시간 조정 기능을 제공하며 16,000개 수준의 이벤트 저장을 제공한다.

물론 만약 별도의 시간 기반 디지타이저를 통한 데이터 캡쳐가 가능하다면 일반적인 PC와 소프트웨어로 Raster 타입의 디스플레이 생성이 가능하다.

 

거의 모든 Raster 디스프레이 장치는 펄스 분석을 위해 설계되었으며 또한 시간에 대한 펄스의 크기를 디스플레이할 수이다.

시간 대 시간과 시간 대 신호 크기를 동시에 보여줌으로써 스캔과 PRI 간의 상관관계를 볼 수 있다.

이 Raster 디스플레이의 트리거 제어에는 여러가지 방법들이 있다.

한 모드에서는 신호는 추적의 시작을 제어한다.

추적이 완료되면 다음 추적은 다른 펄스가 수신되었을 때에만 시작된다.

Free-running 모드에서는 다음 추적은 하나가 진행되면 바로 시작된다.

이후 추적의 유지 기간은 평균 PRI와 동일하게 조절되며 펄스의 수직 라인들을 형성한다.

이 모드에서 평균 PRI는 PRI 합성에 의해 결정된다. 

 

[ PRI Sounds ]

펄스 열의 소리를 큰 스피커나 헤드폰을 통해 듣는 방법은 가장 오래된 PRI 분석 방법이지만 오늘날까지도 유용하게 사용된다.

낮은 듀티 사이클의 레이다 신호는 스트레치 회로를 중요한 도구로 만들어준다.

또한 넓게 변화하는 신호의 크기는 듣는 사람들을 혼란스럽게 만들기 때문에 일정한 크기의 펄스만이 사용될 수 있다.

가장 단순한 기법은 레이다 펄스 열과 함께 오디오의 발진음을 듣는 것이다.

분석가들은 음악가들이 악기를 튜닝하는 것처럼 생성되는 톤의 비트를 듣고 펄스 열과 일치시킨다.

경험이 적은 분석가들은 오디오 발진기를 하모닉이나 서브 하모닉에 일치시키는 경우가 종종 발생한다.

분석가들은 비트 노트가 들릴때 까지 볼륨을 높인다.

비트 노트의 주파수는 오디오 발진기 주파수와 PRF 간의 차이와 같다.

분석가들은 오디오 발진기를 비트 노트 주파수가 0이 될 때까지 조정한다.(즉, 비트가 사라질때까지)

 

이 기법에서 가장 좋은 환경에서의 오차는 약 +/-20 Hz이며 이는 인간이 들을 수 있는 가장 낮은 음역대이기 때문이다.

추가적인 오차는 스캐닝에 의해 발생할 수 있으며 이는 비트 노트를 듣는 것을 더 어렵게 만든다. 

 

최신의 ELINT 시스템은 PRF가 인간이 들을 수 있는 범위보다 위에 있을 때조차도 들을 수 있는 소리를 생성할 수 있도록 설계된다.

이는 실제 PRF를 합성 PRF 소리에 비선형적인 맵핑을 하기 때문에 가능하다.

예를 들면, PRF가 1 KHz까지는 있는 그대로 재생성되지만 1에서 200 KHz 범위는 1에서 20 KHz 범위로 맵핑되는 것이다.

 

다음에는 PRI 분석에 있어서 통계적인 방법과 히스토그램을 통한 분석에 대해 알아본다.

 

 

출처 : ELINT - The Interception and Analysis of Radar Signals

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