Investigation of the Performance of Frequency Diverse Array Radar using FDTD Method
- 주제어 (키워드) frequency diverse array , radar , FDTD , array factor , direction of arrival , frequency diverse array , radar , beam pattern , Cramér-Rao lower bound , frequency noise , target detection , phased array radar , symmetrical FDA , 주파수 다양성 배열 , 레이다 , 빔 패턴 , 주파수 잡음 , 표적 탐지 , 위상배열 레이다
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 Youngwook Kim
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079451
- UCI I804:11029-000000079451
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
This study comprehensively analyzes the performance of Frequency Diverse Array (FDA) radar by combining the Finite Difference Time Domain (FDTD) method and the Cramér-Rao Lower Bound (CRLB) to address various technical aspects. Unlike conventional phased arrays, FDA radar possesses a unique capability to focus energy in both range and angle, which offers significant potential for improving target detection and localization accuracy. Despite this potential, research addressing the various factors influencing FDA performance—especially the characteristics of wave propagation in complex environments and the effects of frequency noise—remains insufficient. To analyze FDA performance, this study adopts two main approaches. First, the FDTD method is used to simulate FDA wave propagation, examining the feasibility of time- invariant beam formation, clutter interference, Doppler shifts from moving targets, Direction of Arrival (DOA) estimation, and the impact of the ground plane. The FDTD method solves Maxwell's equations on a grid at each time step, allowing observation of wave characteristics. This simulation incorporates FDA sources, clutter, and ground effects, providing an in-depth analysis of FDA performance in heterogeneous media, where the theoretical array factor has limitations. Simultaneously, the impact of frequency noise on the FDA beam pattern is quantitatively assessed using the CRLB. In a symmetrical FDA, where frequency steps are symmetrically distributed, the effects of frequency noise on energy focusing in a specific region were investigated. The CRLB was employed to quantify the influence of noise on beam size and energy concentration. Simulation results revealed that increasing the standard deviation of frequency noise leads to greater variability in beam size; however, it also reduces the average beam size, enhancing FDA's energy-focusing capability. This intriguing phenomenon suggests the potential for leveraging frequency noise to achieve more precise energy concentration in specific applications. By combining the FDTD method and CRLB, this study offers a comprehensive understanding of FDA radar performance. It provides an integrated analysis of time- invariant beam formation, clutter and Doppler effects in complex environments, and the influence of frequency noise, contributing valuable insights to the design and implementation of FDA technology.
more초록 (요약문)
본 논문은 주파수 다양성 배열 (Frequency Diverse Array, FDA) 레이다의 성능을 심층적으로 이해하기 위해 유한 차분 시간 영역(Finite Difference Time Domain, FDTD) 기법과 크래머-라오 하한(Cramér-Rao Lower Bound, CRLB)을 결합하여 다양한 기술적 측면을 분석하였다. FDA 레이다는 기존의 위상 배열과 달리 거리와 각도 모두에서 에너지를 집중시킬 수 있는 독특한 특성을 가지며, 이는 목표 탐지와 위치 정밀도를 크게 향상시킬 가능성을 제공한다. 이러한 잠재력에도 불구하고 FDA 성능에 영향을 미치는 다양한 요인, 특히 복잡한 전파 환경에서의 특성과 주파수 노이즈의 영향을 규명하는 연구는 여전히 부족한 상황이다. FDA의 성능 분석을 위해 본 논문은 두 가지 주요 접근법을 사용하였다. 먼저, FDTD 기법을 통해 FDA의 전파 특성을 시뮬레이션하고, 시간 불변 빔 형성의 가능성, 클러터 간섭, 이동 표적에 의한 도플러 이동, 입사각(Direction of Arrival, DOA) 추정, ground에 의한 영향 등을 조사하였다. FDTD 기법은 시간 단계별로 격자에서 맥스웰 방정식을 해결하여 파동 특성을 관찰할 수 있도록 적용된다. 이 과정에서 FDA 소스, 클러터, 및 ground를 포함한 시나리오가 구현되었으며, 이론적 array factor로는 한계가 있는 비균질 매질 환경에서의 FDA 성능을 심층적으로 분석하였다. 동시에, 주파수 노이즈가 FDA 빔 패턴에 미치는 영향을 CRLB를 활용해 정량적으로 평가하였다. 주파수 step이 대칭적으로 분포되는 symmetrical FDA에서 주파수 노이즈가 존재할 경우, 특정 지역에 에너지를 집중시키는 특성을 확인하였으며, CRLB를 통해 노이즈가 빔 크기와 에너지 집중 정도에 미치는 영향을 정량화 하였다. 시뮬레이션 결과, 주파수 노이즈의 표준 편차가 증가할수록 빔 크기의 변동성이 증가하지만, 동시에 평균 빔 크기가 감소하여 FDA의 에너지 집중 능력을 강화하는 흥미로운 현상이 발견되었다. 이는 특정 응용에서 주파수 노이즈를 활용해 더욱 정밀한 에너지 집중을 구현할 가능성을 제시한다. 이와 같이, FDTD와 CRLB를 활용한 본 연구는 FDA 레이다의 전파 특성 및 성능에 대한 포괄적인 이해를 제공하며, 시간 불변 빔 형성, 복잡한 환경에서의 클러터와 도플러 효과, 노이즈의 영향을 아우르는 통합적인 분석을 통해 FDA 기술의 설계 및 구현에 실질적인 기여를 할 수 있는 새로운 관점을 제시한다.
more목차
1 Background 1
1.1 Operating Principle of FDA 1
1.2 FDTD 5
1.3 Cramr-Rao Lower Bound 6
2 Investigation of the Performance of Frequency Diverse Array Radar using FDTD Method 8
2.1 Introduction 8
2.2 FDTD Simulation Results 10
2.2.1 Wave Propagation from FDA as Energy Burst 13
2.2.2 Energy Concentration Performance of FDA 14
2.2.3 Time Modulated Frequency Offset 16
2.2.4 Impact of Clutter on FDA 22
2.2.5 DOA Estimation 24
2.2.6 Two-way propagation of FDA 27
2.3 Conclusion 37
3 Analysis of Beam Pattern Variation Due to Frequency Noise in Frequency Diverse Array using Cramr-Rao Bound and FDTD 39
3.1 Introduction 39
3.2 Analyzing the Energy Concentration Performance of FDA in Spatial Domain using Cramr-Rao Bound 43
3.2.1 Variance of the size of beam spot 43
3.2.2 Average size of beam spot 48
3.3 Verification using FDTD Simulation 51
3.3.1 Variance of the size of beam spot 53
3.3.2 Comparison of CRLB and Maximum Likelihood Estimator (MLE) Performance 57
3.4 Conclusion 59
Acknowledgement 60
Bibliography 61
