Korean Institute of Information Technology
[ Article ]
The Journal of Korean Institute of Information Technology - Vol. 19, No. 4, pp.55-61
ISSN: 1598-8619 (Print) 2093-7571 (Online)
Print publication date 30 Apr 2021
Received 01 Feb 2021 Revised 19 Apr 2021 Accepted 22 Apr 2021
DOI: https://doi.org/10.14801/jkiit.2021.19.4.55

도파관 안테나를 이용한 3GHz 대역 소형 선박용 레이더 경보시스템 연구

안창엽* ; 한영환**
*상지대학교 정보통신소프트웨어공학과 박사수료
**상지대학교 정보통신소프트웨어공학과 교수(교신저자)
Study on the 3GHz Band Small Ship Radar Warning System using W/G Antenna
Chang-Yeop An* ; Yeong-Hwan Han**

Correspondence to: Yeong-Hwan Han Department of Information and Communication Eng., Sangji University Wonju, Korea, Tel.: +82-33-730-0485, Email: yhhan@sanji.ac.kr

초록

대형 선박은 해상 탐지용 레이더를 운영하여 항해 중 다른 선박과 충돌을 예방하고 있다. 본 논문에서는 이러한 레이더의 신호를 수신하여 선박의 위치 및 거리를 판단할 수 있다. 대형 선박들은 레이더가 설치되어 항해에 문제가 없으나, 소형 선박은 현실적으로 고가의 레이더를 구비하지 못하고 항해를 하는 것이 일반적인 상황이다. 이러한 대형 선박과 소형 선박간의 항해는 잦은 충돌로 인명 피해가 발생하는 요인으로, 소형 선박에서 대형 선박이 근접해 오는 것을 알려줄 수 있는 장치가 필요하다. 본 논문에서는 도파관 안테나를 이용한 3GHz 대역 소형 선박용 레이더 경보시스템 연구를 진행하였다. 본 논문에서 연구된 시스템은 상대 선박의 레이더 신호를 수신하여 상대 선박의 위치, 거리를 파악할 수 있으며, 추후 새로운 안테나 설계를 통하여 더욱 높은 신뢰도를 확보할 수 있다. 또한, 크기가 크고 고비용인 회전식 레이더 시스템을 대신하여 고정방식의 4방향 안테나로 설계하였다.

Abstract

Large ships operate radar for detecting sea, preventing collisions with other vessels during the voyage. In this paper, signals from these radars can be received to determine the location and distance of the ship. Large ships do not have navigation problems due to the installation of radar. However, it is common for small ships to sail without installing expensive radar. Therefore, small ships often do not have radar when sailing between large and small ships, so there are cases of frequent collisions, causing casualties. Therefore, we need a device that can tell us that a large ship is approaching from a small ship. In this paper, we proceed with A Study on the 3GHz Band Small Ship Radar Warning System Using Waveguide Antenna. The systems studied in this paper can receive radar signals from the coming ship to determine the location and distance of the coming ship, and subsequently increase reliability through the design of the new antenna design. It is designed with stationary 4-way antennas instead of large and expensive rotary radar systems.

Keywords:

4-way waveguide antenna, S-band, radar warning system

Ⅰ. 서 론

대양을 항해하는 대형 선박에는 원거리, 근거리 물체 탐지용 레이더를 운영하여 항해 중 선박의 충돌사고를 예방하는 시스템을 운용한다. 이러한 레이더의 신호를 활용하여 선박의 유, 무 및 움직임을 파악 할 수 있다. 대형 선박은 레이더가 설치되어있어 항해 시 안전에 문제가 없으나, 레이더의 크기가 크고 고가이므로 소형 선박은 레이더를 구비하지 못하고 항해를 하는 상황에 있다.

이러한 대형 선박과 소형 선박간의 항해는 잦은 충돌로 인명피해가 발생하는 요인으로, 소형 선박에서 대형 선박이 근접해 오는 것을 알려줄 수 있는 장치가 필요하다. 이러한 경보장치는 연근해에서 항해하는 어선과 낚싯배 등에 적용하여 소형 선박의 항해안전을 확보할 수 있다. 또한, 증가하는 해양 사고로 인하여 국제 해사 기구 등에서 해양 사고를 방지하고 안전한 운항을 보장하기 위해서 규제를 강화하는 경향이 있다.

일반적으로 사용되는 선박용 레이더는 마그네트론을 이용한 고출력 회전형 레이더이다. 이는 기계적 회전부의 고장 문제를 가지고 있으며 잦은 고장과 고출력 마그네트론의 교체주기로 인하여 유지보수의 어려움을 낳고 있다.

본 논문에서는 3GHz대역의 레이더 신호를 수신하여 사용자에게 상대 선박 거리를 알려주는 시스템을 연구하였다. 본 논문에서 연구된 시스템은 비회전형 다중지향 안테나를 사용하여 회전구동이 필요 없는 시스템으로 구성하였다.


Ⅱ. 관련 연구

2.1 선박용 회전식 레이더

국내에서 사용되고 있는 소형 선박용 레이더는 기본적으로 마그네트론을 이용하여 높은 출력을 내는 회전형 레이더 형태로 구성되어있다. 회전형의 레이더는 회전부가 회전하면서 대상을 탐지하는 방식이다. 이 방식은 레이더 안테나가 회전하면서 좁은 빔폭으로 한정된 지역을 스캔하는 방식으로 정확도가 높으나 회전부의 고장이 발생할 수 있고 상대 선박에 대한 위치를 일정 시간동안 파악 할 수 없는 단점이 있다.

이를 극복하기 위하여 군용 선박 등에서는 위상배열 레이더를 사용하여 실시간으로 전방향을 탐색하는 방법을 사용하고 있다[1]-[3]. 위상배열 레이더는 시설물의 크기, 가격 등의 문제로 소형 선박에서 사용하기에는 어려움이 있다. 특히 소형 민간선박은 가격적인 문제로 인하여 위상배열 안테나 방식의 레이더를 사용하기 어렵다.

따라서 본 논문에서는 S-Band 레이더파를 수신하여 상대 선박의 거리와 방향을 예측할 수 있는 소형 선박용 경보시스템을 연구하였다. 안테나의 경우 소형 선박에 저예산으로 설치할 수 있도록 고정형 4방향 안테나를 적용하여 실험하였다[4].


Ⅲ. S-Band 레이더 수신용 안테나 설계

본 논문에서 연구한 S-Band 레이더 수신용 안테나는 회전식이 아닌 비회전식으로 설계하였다. 비회전식 안테나는 회전식에 비해 회전 모터가 없어 비용 및 유지보수와 성능 문제를 해결할 수 있다. 비용과 유지보수의 경우 회전 모터가 없어 비용을 절감하고 유지보수 빈도를 줄여준다. 성능 면에서는 회전식은 안테나가 회전하면서 탐지사각이 발생하는 시간이 길어지지만 고정식의 경우 시스템 구성에 따라서 탐지사각 발생시간을 현저히 줄이거나 없앨 수 있다. 실험을 위해서 S-Band 주파수 대역폭을 수신하는 최적의 형태로 설계되었다[5]. 안테나는 각 4개로 이루어진 도파관 형태로 제작하여 4방향의 레이더 신호를 동시에 수신하도록 설계하였다.

각각의 도파관은 EIA 표준 중 WR284 규격의 도파관으로 설계하여 2.6~3.95GHz의 주파수대역에서 최적의 성능을 가지도록 설계하였다.

Fig. 1.

4-way waveguide antenna

그림 2와 같이 WR284 규격에 맞춰 H-plane(B)의 길이는 72mm, E-plane(A)의 길이는 34mm로 구성하였다. 피드(F)와 백쇼트(D)의 길이는 파장(λ)의 1/4 값인 20mm의 길이를 가진다.

Fig. 2.

Waveguide antenna schematic

3.1 안테나 시뮬레이션

설계된 안테나의 시뮬레이션을 위해 HFSS 시뮬레이션 툴을 이용하여 안테나의 디자인 및 시뮬레이션을 진행하였다[6]. 안테나 구조는 그림 3과 같다.

Fig. 3.

Antenna structure(HFSS)

시뮬레이션 결과 그림 4와 같이 안테나 최대이득은 개구부 방향으로 7dB이며 방사패턴은 개구부 방향으로 최대방사가 일어난다.

Fig. 4.

Simulation Results(HFSS), (a) Antenna gain, (b) Radiation pattern

3.2 안테나 측정 실험

Network Analyzer를 통하여 제작된 안테나의 S파라미터의 값과 스미스차트를 확인하였다.

실험용 안테나의 반사손실은 S-band 레이더 대역인 2.9GHz~3.1GHz 대역에서 15dB 이하의 반사손실을 기준으로, 임피던스 대역폭은 100MHz로 나타났다.

Fig. 5.

Return loss of antenna and Smith chart

안테나 실외측정 1차 실험은 실제 S-Band 레이더의 신호 수신 가능 유무를 실험하였다. 실험 장소는 인천항 연안부두에 접안하는 선박을 대상으로 실험을 진행하였다.

레이더파 측정 시 부두에 접안하는 선박과의 정확한 거리를 측정하는 데에는 어려움이 따르므로 지도상의 구조물에 대한 직선거리를 계산하고 이를 기반으로 대략적인 거리를 정하여 측정을 진행하였다.

그림 6과 같이 예측된 거리를 바탕으로 약 100m 거리상에서 접안해오는 선박의 레이더 파형을 측정할 수 있었다. 측정된 레이더파는 3.04GHz를 중심주파수로 하여 100MHz의 Bandwidth를 설정하고 측정을 진행하였다.

Fig. 6.

S-Band radar wave measurements

측정 결과 약 100m 거리상에서 접안해오는 선박의 레이더 신호는 –64.24dBm의 채널파워를 가진다. 그림 7의 데이터는 실제 선박의 S-band 레이더 파형을 측정한 것이므로 경보시스템 제작 시에 거리 예측을 위한 참고 값으로 활용하기 위해 선박별, 거리별 추가 측정을 진행하였다.

Fig. 7.

Measured radar waveform (100m)

3.3 방향성 측정 실험

2차 실험은 4방향 안테나가 방향성을 구분할 수 있는지 여부를 판단하기 위해 위치가 고정된 S-band 레이더 신호를 임의로 발생시키고 4방향 안테나의 각 방향별 수신강도 측정을 진행하였다. 측정 환경은 레이더파의 반사, 회절 등을 최소화하기 위하여 주변시설이 없는 평지에서 측정을 진행하였다.

그림 8과 같이 주변 전파환경이 적으며 특히 해안선과 떨어져있어 S-밴드 레이더파의 간섭이 없는 지역에서 측정을 진행하였다. 측정에 사용된 신호발생장치는 3GHz의 신호를 발생시킨다.

Fig. 8.

Orientation and distance measurement

측정 기준의 경우 거리는 100m부터 10m까지 측정을 진행하였다. 측정 결과 값은 표 1과 같다. 측정은 거리별 외에도 안테나 각도별 측정도 진행하였으나 0도 방향 이외에 거리에서는 계측기 세팅상의 최소 채널파워로 수신되어 시스템 상에서 접근선박의 방향을 판단하는 주요 데이터가 된다.

Channel power by distance

3.4 자유공간 손실모델

본 논문에서는 수신된 측정값을 가지고 상대 선박의 거리를 계산하기 위해서 자유공간 손실모델(FSPL, Free Space Propagation Loss)의 수학적 모델을 적용하였다. 이 모델은 송신기나 수신기 사이에 별 다른 장애물이 없는 지역(바다, 개활지 등)에서 거리에 따른 감쇄 량을 예측할 때 효과적으로 쓰이는 모델이다. 자유공간 손실모델의 수학적 모델은 다음 식 (1)과 같다[7].

LdB=92.45+20logfGHz+20logdKm(1) 

식 (1)에서 L은 Pathloss, 즉 자유공간에서의 경로손실이며 f는 레이더 신호의 대역, d는 전파강도에 상응하는 선박 간의 거리이다. 이를 통해 선박간의 거리를 산출하는 절차를 진행하게 된다. 이 경우, 각 전파강도는, 거리에 따라 감쇠되는 전파의 전송특성을 기준으로 하게 된다. 실제 선박의 거리를 계산할 때는 식 (1)에 일반적인 선박 레이더 출력인 44dB를 합산하고 자유공간 손실모델에서 정의된 해상 추가 감쇄 값 12dB를 차감하여 계산을 실시한다.


Ⅳ. 경보시스템 구현

테스트 프로그램은 스펙트럼 분석기에서 측정된 신호의 출력 값을 자유공간 손실모델 연산을 수행하여 화면상에 거리를 표시해준다. 이때 4개의 안테나 중 최댓값이 수신된 안테나의 방향을 출력하게 된다.

Fig. 9.

Test program implementation

본 실험에서는 4개의 안테나를 사용하여 정해진 4방향 외에 다른 위치에서 선박이 접근해 올 경우 접근 점의 양쪽에 위치한 안테나 방향의 신호강도를 통해 방향은 예측할 수 있지만 거리를 계산하는 것은 한계가 있다. 따라서 그림 10과 같이 안테나 구성을 6개 혹은 8개로 늘려 방향 정확성을 높일 수 있다.

Fig. 10.

Antenna extension for direction accuracy

인접한 선박과의 거리가 가까워지면서 자유공간손실 계산에 의해 선박 거리가 가깝게 탐지되면 선외에 설치된 경보장치를 통하여 접근하는 선박의 거리, 방향을 알릴 수 있게 된다.

그림 11의 시스템 구성 중 스위치모듈은 4개 혹은 그 이상의 각각의 안테나에서 정해진 시간에 맞춰 한 번씩 신호를 수신하도록 하는 모듈이다[8]. 스위치모듈을 통해 시간대별로 수신된 신호는 스펙트럼보드에서 신호강도 분석을 거치고 메인 프로그램에서 자유공간손실 연산을 진행하여 최종 신호값을 출력하게 된다. 현재까지는 시험용으로 구현한 것으로 안테나와 스위치모듈, 스펙트럼보드를 제어하는 것은 PC를 통하여 제어하며 경보음도 PC로 출력되도록 구현하였으나, 추후에 실제 시스템 적용을 위한 단말 및 경보기를 추가적으로 구성할 계획이다.

Fig. 11.

System configuration chart

중‧대형 선박의 경우 선박자동식별장치(AIS), 레이더 등이 설치되어 조업 또는 해무 등의 기상악화 시에도 인접 선박을 탐지하고 대처할 수 있지만 150톤 이하의 소형 선박들은 관련법령, 비용 등의 문제로 이 같은 장비들을 비치하지 않는 경우가 더 많다. 따라서 본 논문에서 연구된 소형 선박용 레이더 경보시스템은 저비용이면서 설치면적 부담이 적어 소형 선박의 인접선박 탐지 및 대처문제를 해결할 수 있을 것으로 보인다.


Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 도파관 안테나를 이용한 3Ghz 대역 소형 선박용 레이더 경보시스템 연구를 진행하였다. 레이더파를 송출하고 반사된 신호로 사물을 탐색하는 레이더와 달리 선박에서 쏘아져오는 레이더파의 출력과 방향만을 가지고 사물의 위치를 판단할 수 있다. 본 논문에서 사용된 안테나는 4방향 도파관 형태의 안테나로 실험을 진행하였다. 접근선박과의 거리는 자유공간 손실모델의 수학적 모델을 적용하여 3GHz대역의 S-band 전파강도에 따른 거리를 측정할 수 있으며 접근선박의 방향은 각 안테나 중 전파강도가 가장 높게 측정되는 안테나의 방향으로 정하여 접근선박의 위치를 파악할 수 있다. 추후 방향정확성과 수신개선을 위해서 안테나의 수량을 추가하거나 혼안테나의 형식으로 제작을 하여 정확성을 높일 수 있다.

또한, 검파기, 연산기, 컨트롤러 전체 시스템을 제작하여 실제 소형선박에서 인접한 대형선박의 레이더파를 이용한 경보시스템으로 활용할 수 있으며, 선박에 설치되는 자동조타장치와 연동하여 선박 접근시 경로를 수정하는 알고리즘을 적용할 때 응용될 수 있다.

References

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저자소개
안 창 엽 (Chang-Yeop An)

1986년 2월 : 광운대학교 전자통신학과(공학사)

1994년 8월 : 광운대학교 전자전파학과(공학석사)

2018년 8월 : 상지대학교 정보통신공학과(박사수료)

관심분야 : 이동통신, 전파공학

한 영 환 (Yeong-Hwan Han)

1995년 8월 : 인하대학교 전자공학과(공학박사)

1996년 ~ 현재 : 상지대학교 정보통신소프트웨어공학과 교수

관심분야 : 영상처리, 의용공학, 생체신호처리, 임베디드시스템

Fig. 1.

Fig. 1.
4-way waveguide antenna

Fig. 2.

Fig. 2.
Waveguide antenna schematic

Fig. 3.

Fig. 3.
Antenna structure(HFSS)

Fig. 4.

Fig. 4.
Simulation Results(HFSS), (a) Antenna gain, (b) Radiation pattern

Fig. 5.

Fig. 5.
Return loss of antenna and Smith chart

Fig. 6.

Fig. 6.
S-Band radar wave measurements

Fig. 7.

Fig. 7.
Measured radar waveform (100m)

Fig. 8.

Fig. 8.
Orientation and distance measurement

Fig. 9.

Fig. 9.
Test program implementation

Fig. 10.

Fig. 10.
Antenna extension for direction accuracy

Fig. 11.

Fig. 11.
System configuration chart

Table 1.

Channel power by distance

Distance(m) Measured values (dBm)
100 -81.76
50 -76.02
30 -72.01
10 -61.98