Removal of Clutter from Doppler Radar Signal to Measure Accurate Muzzle Velocity

도플러 레이더를 이용한 포구속도 계측 시 클러터 제거 방법

Abstract

Muzzle Velocity is one of the most important measurement items for evaluation of ammunition. The muzzle velocity is defined as the velocity when the projectile leaves the muzzle. Particularly, since the muzzle velocity is closely related to the performance of the propellant, precise measurement of muzzle velocity is required. Doppler radar is used to measure the muzzle velocity, but the quality of Doppler radar signal depends on the test site environment. In this paper, a method to remove the clutter that degrades the signal quality of Doppler radar by improving the structure of the test site and the signal processing method is suggested. For the application of the improved signal processing method, a program for acquiring Doppler radar's raw Doppler data was created. Statistical verification of the velocity data obtained through the improvement of the test site structure and signal processing method proved that the proposed method is effective for the removal of clutter as compared with the existing method.

포구속도는 총포탄약의 평가에 있어 가장 중요한 계측항목들 중 하나이다. 포구속도는 포탄이 포구를 떠나는 시점의 속도로 정의된다. 특히, 포구속도는 추진제의 성능과 밀접하게 관련이 있기 때문에 정확한 측정이 요구된다. 포구속도의 측정에는 도플러 레이더가 사용되나, 도플러 레이더 신호의 품질은 시험장 환경에 의존한다. 따라서 본 논문에서는 도플러 레이더의 신호 품질을 악화시키는 클러터를 시험장 구조 및 신호처리 방법의 개선을 통해 제거하는 방법을 제시하였다. 개선된 신호처리 방법의 적용을 위해 도플러 레이더의 원시 도플러 데이터를 획득하는 프로그램을 작성하였다. 시험장 구조 및 신호처리 방법의 개선을 통해 얻어진 속도 데이터에 대한 통계적인 검증으로 제안하는 방법이 기존에 사용하던 방법에 비해 클러터 제거에 효과가 있음을 증명하였다.

그림 1. 와이벨사의 도플러 레이더 Fig. 1. Doppler radar of Weibel. Co.

그림 2. 도플러 효과를 이용한 속도 계측 Fig. 2. Velocity measure using Doppler effect.

그림 3. 시간에 따른 도플러 신호의 변화 Fig. 3. Time profile of Doppler signal.

그림 4. 중첩 기법 Fig. 4. Principle of overlap.

그림 5. 주파수에 따른 도플러 신호의 변화 Fig. 5. Frequency profile of Doppler signal.

그림 6. 탄의 진행경로에 있는 클러터 Fig. 6. Clutter in the path of projectile.

그림 7. 초기 데이터에 대한 화염과 진동의 영향 Fig. 7. Influence of flame and vibration on initial data.

그림 8. 벽과 탄에 반사된 신호의 전력 비교 Fig. 8. Comparison of reflected signal power between the wall and the projectile.

그림 9. 고각 사격에서 계측된 속도 데이터와 곡선 적합을 거친 속도 데이터의 차이 Fig. 9. Difference between measured and fitted velocity data in high-angle fire.

그림 10. 탄받이 사격에서 계측된 속도 데이터와 곡선 적합을 거친 속도 데이터의 차이(경사면을 쌓기 전) Fig. 10. Difference between measured and fitted velocity data in low-angle fire(before the slope is piled up).

그림 12. 옹벽을 따라 흙으로 쌓은 경사면 전경 Fig. 12. The slope piled up along the wall with dirt.

그림 14. 탄받이 사격에서 계측된 속도 데이터와 곡선 적합을 거친 속도 데이터의 차이(경사면을 쌓은 후) Fig. 14. Difference between measured and fitted velocitydata in low-angle fire(after the slope is piled up).

그림 15. 탄받이 사격에서 새로운 신호처리 방식을 통하여 계측된 속도 데이터와 곡선 적합을 거친 속도 데이터의 차이(경사면을 쌓은 후) Fig. 15. Difference between measured and fitted velocity data in low-angle fire with new signal processing method(after the slope is piled up).

그림 11(a). 신호의 방향 분석을 위한 삼각형(좌측) 그림 11(b). 기하학적 분석(우측) Fig. 11(a). Triangle to analyze the direction of signal(left). Fig. 11(b). Geometric analysis(right).

그림 13(a). 경사면 쌓기 전 전파의 진행경로(좌측) 그림 13(b). 경사면 쌓은 후 전파의 진행경로(우측) Fig. 13(a). Propagation of wave before the slope is piled up(left). Fig. 13(b). Propagation of wave after the slope is piled up(right).

표 1. 도플러 레이더(SL-520PE)의 규격 Table 1. Specification of Doppler radar(SL-520PE).

표 2. 분산 비교 결과(경사면 쌓기 전, 후) Table 2. Variance comparison result (before vs. after).

표 3. 포구속도 비교 결과 Table 3. Muzzle velocity comparison result.

표 4. 분산 비교 결과(새로운 신호처리 방식, 기존 신호처리 방식) Table 4. Variance comparison result(new method vs. old method).