- Shunichi Futatsumori, 일본 국립연구개발기관 전자항법연구소 (ENRI) 감시 및 통신 부서
고해상도 96 GHz 밀리미터파 레이더 프런트엔드의 GB/s 등급 레이더 데이터를 분석하고 표시하여 활주로에서 작은 파편 감지
NI PXI 플랫폼과 FlexRIO를 사용하여 데이터 처리 속도가 빠른 FPGA 하드웨어 클럭을 기반으로 리얼타임 레이더 신호를 처리하고 레이더 신호 처리에 LabVIEW 코드를 사용하여 기존 프로그래밍 방법에 비해 개발 시간을 90% 단축
최근 몇 년 간 활주로 표면의 이물질 (FOD) 자동 감지 수요가 급격히 증가했습니다. FOD는 부피와 크기는 작지만 항공기에 손상을 입힐 수 있습니다. 2000년 파리 샤를 드골 공항의 활주로에서 작은 금속판 때문에 발생한 콩코드기 추락 사고 이후 FOD 감지는 공항 관리에 있어 중요한 문제로 대두되었습니다. 안전 점검을 위한 활주로 가동 중단은 운영 효율성을 생각했을 때 간과할 수 없는 부분입니다. 일본 전자항법연구소 (ENRI)는 항공 감시 및 통신, 항공 교통 안전, 항로의 효율적인 운영을 위한 민간 기술 개발을 목표로 하는 국가 연구 기관입니다. NI는 민간 항공 안전 기술의 다양한 연구 주제 중 활주로에서 작은 FOD를 감지하는 밀리미터파 레이더 시스템을 개발하고 있습니다. 밀리미터파 레이더 시스템은 카메라 시스템보다 뛰어난 탐지 성능, 해상도, 내후성을 갖췄습니다. 그러나 이 시스템은 또한 활주로에서 고성능 FOD 감지 시스템을 구현하기 위해 밀리미터파 회로와 신호 처리 회로를 개발해야 하는 등 여러 과제를 안고 있습니다.
밀리미터파 레이더 시스템은 빔 스캐닝 안테나, 밀리미터파 송수신 회로, 신호 생성, 처리 회로, 동기화 회로, 제어 회로로 구성됩니다. FOD 감지 시스템의 연구개발 주제는 주로 96 GHz 밀리미터파 프런트엔드 회로 둘 다에 대한 내용입니다. 또한 수신 신호 처리 회로와 동기화 회로는 고성능 레이더 시스템의 핵심입니다. 밀리미터파 레이더 신호 처리와 신기술과의 동기화 연구를 시작하면서 NI는 다음과 같은 세 가지 과제에 직면했습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 NI PXI플랫폼, FlexRIO시스템, 디지타이저 어댑터 모듈을 사용하여 수신 신호 처리 회로는 물론 동기화 회로와 컨트롤 회로를 개발했습니다. 그림 1은 제안된 레이더 시스템이 Radio-over-Fiber (RoF) 기술을 기반으로 광학적으로 연결된 분산형 밀리미터파 레이더 시스템임을 보여줍니다. 여기서 ‘분산형’이란 레이더 시스템이 시설 내부의 중앙 유닛과 활주로 근처에 배치된 안테나 유닛 몇 개로 구성되어 있다는 뜻입니다. 각 안테나 유닛은 활주로의 각 감지 영역을 담당합니다. 전송 주파수는 92 GHz~100 GHz 사이입니다. 레이더 신호 전송 소스는 중앙 유닛에 있습니다. 전기 밀리미터파 전송 신호는 광신호로 바로 변환됩니다. 덕분에 변조된 밀리미터파 레이더 신호를 낮은 손실로 10 km 이상 전송할 수 있습니다. 또한 안테나 유닛에서 얻은 수신 신호는 광섬유를 통해 중앙 유닛으로 전송됩니다. 이 레이더 아키텍처로 중앙 신호의 생성과 처리 그리고 매우 간단한 안테나 유닛을 기반으로 하는 대규모 밀리미터파 레이더 시스템을 적은 비용으로 구성할 수 있습니다. 중앙 신호 처리는 분산형 레이더 시스템을 구현하는 핵심 기능입니다. 그러나 이를 위해서는 이전 섹션에서 설명한 대로 데이터 처리 속도가 높아야 하고 유연하게 구성할 수 있어야 합니다. 이 문제를 해결하기 위해 NI는 LabVIEW 소프트웨어, NI PXI 플랫폼, FlexRIO 하드웨어로 중앙 시스템을 구성했습니다. 그림 2와 그림 3은 각각 광학 연결 분산형 96 GHz 밀리미터파 레이더 시스템의 개요와 레이더 신호 처리 회로의 블록다이어그램을 나타냅니다. NI PXIe-7975R FlexRIO FPGA 모듈에는 FFT 분석, 신호 통합, 신호 동기화를 위한 충분한 플립플롭 슬라이스와 메모리 리소스가 있습니다. 또한 PXI Express 버스는 DMA FIFO를 사용하여 최대 8 GB/s의 처리 속도로 분석된 레이더 수신 데이터를 호스트 프로그램으로 전송할 수 있습니다. NI PXIe-7975R의 경우, 16비트에 250 MS/S인 FlexRIO용 NI Digitizer Adapter Module을 사용했습니다. 이 어댑터 모듈에는 12채널 디지털 I/O가 있으며, 이를 통해 빔 스캐닝 안테나를 제어하고 안테나 방향 정보를 얻을 수 있습니다. 이 디지털 I/O도 FPGA 회로에 직접 연결할 수 있어 하드웨어 클럭을 기반으로 정확하게 신호를 동기화할 수 있습니다. 또한 시간 지터가 낮은 FPGA 클럭을 기반으로 전송 신호 소스와 AD 변환기 간 신호를 동기화할 수도 있습니다.
레이더 처리 회로의 성능이 높으면 레이더 감도도 향상됩니다. LabVIEW 그래픽 프로그래밍 언어의 이점을 활용하기 위해 저희는 신호 처리 회로의 기본 알고리즘을 한 달 내에 구현했습니다. 이는 기존 프로그래밍 방법보다 90% 빠른 속도입니다. 주요 이점은 다음 세 가지 장점에서 비롯됩니다.
먼저 LabVIEW를 사용하여 FPGA와 호스트 PC 둘 다의 프로그램 코드를 개발할 수 있었습니다. 구축된 시스템은 8,192 포인트 FFT 계산이 가능하고 호스트 PC로 데이터를 손실 없이 초당 10,000번 이상 리얼타임으로 전송할 수 있습니다. 감도를 높이는 복잡한 신호 통합과 데시메이션 처리가 성공적으로 구현되었습니다.
두 번째로는 연구원들이 신호 처리를 유연하게 수정할 수 있고 기능 또한 추가할 수 있었습니다. 이는 그래픽 프로그래밍 방식의 장점입니다. 저희는 프로그래밍 코드를 아웃소싱하여 생성할 필요가 없었기 때문에 LabVIEW를 사용하여 저렴하지만 신속하게 코드를 작성할 수 있었습니다.
마지막인 추가 이점은 이전에 작성된 LabVIEW 코드를 재사용할 수 있다는 점입니다. NI는 FPGA 기반 NI CompactRIO 하드웨어를 기반으로 헬리콥터 충돌 방지 레이더를 개발해 왔습니다. FPGA 플립 플롭 슬라이스의 크기가 완전히 달라도 레이더 신호를 처리할 수 있는 기본 알고리즘을 거의 변경 없이 다시 사용할 수 있었습니다. 일반적으로 VHDL 프로그래밍은 규모가 다른 플랫폼을 도입할 때 클럭 타이밍을 세밀하게 조정하는 데 필요합니다. 그러나 저희는 시간이 많이 걸리는 클럭 조정 없이 LabVIEW FPGA 코드를 재사용할 수 있었는데, 이 또한 LabVIEW FPGA 프로그래밍의 중요한 장점 중 하나입니다.
저희는 LabVIEW와 FlexRIO를 사용하여 활주로용 FOD 감지 밀리미터파 레이더 시스템의 프로토타입 개발에 성공했습니다. 고성능 신호 처리 회로를 구축하기에는 연구개발 일정이 촉박했고 예산도 제한되어 있었습니다. 그러나 NI 솔루션은 시스템 타당성 테스트를 위한 프로토타입 레이더 시스템을 개발하는 데 적합했습니다. 4년의 연구 기간이 끝난 후에도 NI는 분산형 레이더 아키텍처의 효율성을 확인하기 위해 두 안테나 유닛의 조합을 계속 테스트하고 있습니다. 그림 4와 그림 5는 각각 개략적인 테스트 시스템 및 결합된 레이더 범위를 보여 줍니다. 활주로의 모든 영역을 감지하기 위해 앞으로 안테나 유닛 수가 증가할 것입니다. 저희는 NI PXI 플랫폼과 FlexRIO를 기반으로 하는 프로토타입 시스템을 수정하여 더 실용적인 FOD 감지 시스템을 구축할 계획입니다.
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