KR100426863B1 - 두 개이상의 기준선로를 사용한 마이크로파 거리 측정장치 - Google Patents

두 개이상의 기준선로를 사용한 마이크로파 거리 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각종 산업 현장에서 공정 자동화를 위하여 마이크로파를 이용한 FM-CW(Frequency Modulated-Continuous Wave)레이더로서 물체나 제품의 거리 또는 이동속도 등을 측정하기 위한 두 개이상의 기준선로를 사용한 마이크로파 거리 측정장치에 관한 것으로,
즉, FM-CW 레이더의 원리를 사용한 마이크로파 거리 측정장치에 적용하여 근접 거리를 측정할 경우 정밀도를 높일 수 있도록 하고, 상대적인 주파수 편이 비교법을 사용하여 전압제어 오실레이터가 어느 정도 비선형적인 경우에도 거리 정보를 정확하게 찾아낼 수 있으며, 측정장치의 구성을 비교적 간단하고 저렴한 가격으로 제작할 수 있도록 한 것이다.

Description

두 개이상의 기준선로를 사용한 마이크로파 거리 측정장치{Microwave level meter using more than two reference delay line}
본 발명은 두 개이상의 기준선로를 사용한 마이크로파 거리 측정장치, 보다 상세하게는 각종 산업 현장에서 공정 자동화를 위하여 마이크로파를 이용한 FM-CW(Frequency Modulated-Continuous Wave)레이더로서 물체나 제품의 거리 또는 이동속도 등을 측정하기 위한 거리 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, FM-CW레이더의 원리를 사용한 마이크로파 거리 측정장치는 산업 현장의 공정 자동화에 활용 및 응용되고 있으며, 산업현장에 적용된 거리계는 일반적인 원거리용 레이더와 달리 주로 근거리 측정용으로 많이 사용된다.
마이크로파 거리계가 근거리용으로 사용될 경우, 송신기에서 발사된 마이크로파 에너지가 수신기로 되돌아오는 시간이 매우 짧으므로 거리계의 해상도를 높이기 위해서는 매우 정밀한 전압제어 오실레이터가 사용되어야 한다.
여러 문헌에서 잘 알려진 바와 같이 전압제어 오실레이터(VOC)는 그 주파수 스위프의 선형성이 우수하지 않을 경우 거리 정보를 담고 있는 비트 신호의 주파수가 일정하게 되지 않으므로, 아날로그 방식의 주파수 계수법이나 디지털 방식의 퓨리에 변환방식으로도 거리 정보를 정밀하게 추출할 수가 없게 된다.
따라서, 상기 문제에 대한 해결 방법으로 선형성이 매우 우수한 전압제어 오실레이터를 사용하는 것이 필수적이었으나, 실제적으로 선형성이 우수한 전압제어오실레이터를 제작하는 것이 용이하지 않았으며, 그 가격이 고가이므로 장치제작에 많은 비용이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명은 위와 같은 종래의 마이크로파를 이용한 거리측정계의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 그 목적은 구조가 간편하고 거리측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 두 개이상의 기준선로를 사용한 마이크로파 거리 측정장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, FM-CW 레이더를 구성하는 블록 다이어그램에 거리 측정용 송신 안테나와 병렬로 분기된 두 개의 기준 지연선로를 부가하며, 이에의한 시간 영역 비트 신호를 주파수 영역으로 변환하는 장치, 그리고 미지의 측정 거리에 의한 중간 주파신호와 기준 지연선로에 의한 중간주파신호 사이의 주파수 편이를 계산하는 장치로 구성함에 따라, 근접 거리를 측정할 경우 정밀도를 높일 수 있도록 하고, 상대적인 주파수 편이 비교법을 사용하여 전압제어 오실레이터가 어느 정도 비선형적인 경우에도 거리 정보를 정확하게 찾아낼 수 있으며, 측정장치의 구성을 비교적 간단하고 저렴한 가격으로 제작할 수 있도록 함을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로파 거리 측정장치의 일실시예 구조도,
도 2a 내지 2f는 종래의 선형도가 낮은 전압제어 오실레이터에 의한 중간주파 신호를 여러 조건에서 각각 나타낸 그래프,
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 중간주파 신호의 상대적 주파수 편이에 따른 상관도 계산식에 의한 특성 선형도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 변조장치 20 : 오실레이터
30 : 안테나 31 : 서큘레이터
32 : 스위치 33, 34 : 제1, 제2 지연선로
40 : 믹서 50 : 저역통과 필터
60 : 변환기 70 : 이산 퓨리에 변환장치
80 : 기억장치 90 : 상관도 계산기
100 : 신호처리장치 110 : 디스플레이
이하, 본 발명의 두 개이상의 기준선로를 사용한 마이크로파 거리 측정장치를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 마이크로파 거리 측정장치에 대한 블럭 구성도로서, 변조장치(10)의 스위프 제어 신호가 입력되는 전압제어 오실레이터(20)는 스위프 주기동안 거의 직선적으로 주파수가 증가하는 마이크로파 신호를 출력하고, 이 신호는 서큘레이터(31)를 거쳐 제 1접점(S1)에 과 제 2접점(S2) 및 제 3접점(S3)의 어느 하나에 선택적으로 스위칭되는 스위치(32)를 매개로 제 1접점(S1)에 연결된 안테나(30)로 나가게 된다.
상기 제 2접점(S2) 및 제 3접점(S3)에는 거리 측정용 송신 안테나와 병렬로 분기된 적어도 두 개의 제1, 제2 지연선로(33)(34)가 연결되어 있다.
안테나(30)로부터 복사된 전자파 에너지는 장애물에 반사되어 장애물 까지의 거리에 비례하는 전파지연 시간후에 안테나로 되돌아 오게 되며,안테나(30)로 돌아온 반사 신호가 서큘레이터(31)를 통하여 믹서(40)에 도달되면, 커플러(21)를 거쳐서 직접 입력되는 오실레이터 출력신호와는 전파지연 시간과 오실레이터 변조율의 곱에 해당하는 값 만큼의 주파수 차를 가진다.
상기 주파수 차를 비트 주파수(beat frequency)라고 하며, 이 비트 주파수는 측정거리에 비례한다.
위에서 서큘레이터(31)를 사용하지 않고 두 개의 안테나를 송수신용으로 각각 사용하는 회로를 구성할 수도 있다.
믹서(40)의 출력이 저역통과 필터(50)를 거치면, 이 비트 주파수를 주파수로 갖는 중간 주파신호가 구하여 진다.
만약, 오실레이터(20)의 주파수 변조 특성이 완전히 직선이면, 스위프 시간 전 구간에서 이 비트 주파수가 일정하게 된다.
출력이 저역통과 필터(50)로부터 아날로그 디지털 변환기(60)를 거친 중간주파 신호는 이산 퓨리에 변환장치(70)에 의하여 주파수 영역으로 변환되고, 그 결과가 기억장치(80)에 저장된다.
상기 기억장치(80)는 미지의 측정 거리에 의한 중간 주파신호와 기준 지연선로에 의한 중간 주파신호 사이의 주파수 편이를 계산하는 상관도 계산기(90)에 연결되어 그 측정 결과가 신호처리장치(100)를 거쳐 디스플레이(110)에 표출된다.
따라서, 상기와 같은 본 발명은 FM-CW 레이더를 구성하는 블록다이어그램에 거리 측정용 송신 안테나와 병렬로 분기된 두 개의 기준 지연선로가 부가되며, 이에의한 시간 영역 비트 신호를 주파수 영역으로 변환하는 장치, 그리고 미지의 측정 거리에 의한 중간 주파신호와 기준 지연선로에 의한 중간주파신호 사이의 주파수 편이를 계산하는 장치로 구성된 것이다.
또한 본 발명의 원리는 오실레이터의 전압-주파수 출력 선형도 특성이 어느 정도 비선형성을 가지더라도 짧은 시간 구간내에서는 직선 특성을 가지게 되므로, 스위프 시간 내에서 중간주파 신호의 주파수 편이가 측정 거리에 비례한다는 성질을 이용하는 것이다.
즉, 마이크로파의 전파 지연시간이 알려진 두 개의 기준 지연선로에 의한 중간주파 신호의 상대적인 주파수 편이를 구하면, 측정 거리에 의한 중간주파 신호의 주파수 편이를 비례적으로 계산하여 전자파 전파지연 시간을 환산할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 있어서, 도 1에서와 같이 서큘레이터(31)에 연결된 스위치(32)가 제 1접점(S1)에 위치될 때, 회로도의 a 지점에서 관찰되는 중간주파 신호는 도 2a와 같은 파형을 갖는다.
또한 도 1의 b 지점에서 관찰되는 중간주파 신호의 주파수 스펙트럼 분포는 도 2b와 같이 되며, 만약 오실레이터(20)의 주파수 변조 특성이 완전히 직선이면 중간주파 신호의 주파수 스텍트럼 분포는 비트 주파수에서 하나의 첨두값만을 가지게 된다.
그러나 오실레이터의 주파수 특성이 완전히 직선이 되지 않으면, 도 2b에서와 같이 스펙트럼의 첨두값이 여러개 나타나므로, 단순히 이산 퓨리에 변환만으로는 비트 주파수를 결정할 수가 없다.
위와 같은 동일한 과정에 의하여 스위치(32)가 각각 제 2접점(S2) 및 제 3접점(S3)의 위치에 있을 때, 도 1의 a지점 및 b 지점에서 관찰되는 중간주파 신호의 시간영역 및 주파수영역 신호 파형 모양은 도 2c 내지 도 2f와 같이 각각 나타나게 되며, 마찬가지로 스펙트럼의 첨두값이 여러 개 나타난다.
따라서, 본 발명에서는 두 개 이상의 기준 지연선로를 이용하여 상기 문제점을 피하게 됨과 동시에 거리측정에 따른 정밀도를 높일 수 있도록 하였으며, 그 적용에 따른 실시예는 다음과 같다.
실시예
1. 스위치(32)를 제 2접점(S2)의 위치에 놓은 후 제1 지연선로(33)에 의한 중간주파 신호를 측정하여 이산퓨리에 변환장치(70)에 의해 변환된 결과를 기억장치(80)에 저장한다. 이때 제 1지연선로 마이크로파 전파 지연시간은 미리 측정할 수 있으며, 이것을 τ1이라고 가정하자.
2 . 스위치(32)를 제 3접점(S3)의 위치에 놓고 제 2지연선로(34)에 대하여 상기 1항의 절차를 반복하며, 제 2지연선로(34)의 마이크로파 전파 지연시간은 τ2라고 가정한다.
3 . 상기 1,2항의 절차에서 얻어진 중간주파 신호의 주파수 영역 데이터를 사용하여 상호 상관도(cross correlation)를 구한다. 이것은 상관도 계산기(90)에서 이루어지며, 그 계산식은 다음의 수학식 1과 같다.
따라서, 상기 상호 상관도에 의해 얻어진 모양은 도 3(a)와 같이 되며, 그 첨두치를 검출함으로써 제 1지연선로와 제 2 지연선로의 전파지연 시간차 Δτ12에 대한 주파수 편이 Δf12를 찾는다.
4. 이어서, 미지의 거리 R을 측정하기 위해서 스위치(32)를 제 1접점(S1)의 위치에 놓고 중간주파 신호를 측정하여 이산 퓨리에 변환한후 기억장치에 저장한다. 거리 R에 의한 전파 지연시간을 τＲ이라고 하면, τＲ=2R/νp의 관계식이 성립되며, 여기서 νp는 공기 중에서 전자파의 속도를 의미한다.
5. 상기 4항의 절차에 의한 주파수 영역 데이터와 1항의 절차에 의한 주파수영역 데이터를 사용하여 3항의 절차와 같이 상호상관도를 계산하며, 그 결과로부터 τ1과 τＲ의 시간차 Δτ1Ｒ에 의한 주파수 편이 Δf1R을 구한다.
6. 상기 3항의 절차와 5항의 절차 결과를 관계식 Δτ1R=Δf1R·Δτ12/Δf12를 이용하여 Δτ1R를 계산한다.
7. 최종적으로 관계식 R=τR·νp/2=(τ1+Δτ1R)·νp/2에 의하여 측정거리 R을 계산한다.
따라서, 상기와 같은 여러 단계의 계산을 상관도 계산기(90)에 처리하여 그 결과를 신호처리장치(100)를 거쳐 디스플레이(110)에 표출되게 하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 두 개이상의 기준선로를 사용한 마이크로파 거리 측정장치는 FM-CW 레이더를 구성하는 블록 다이어그램에 거리 측정용 송신 안테나와 병렬로 분기된 두 개의 기준 지연선로를 부가하며, 이에의한 시간 영역 비트 신호를 주파수 영역으로 변환하는 장치와, 그리고 미지의 측정 거리에 의한 중간 주파신호와 기준 지연선로에 의한 중간주파신호 사이의 주파수 편이를 계산하는 장치로 구성함에 따라, 근접 거리를 측정할 경우 정밀도를 높임과 아울러 상대적인 주파수 편이 비교법을 사용하여 전압제어 오실레이터가 어느 정도 비선형적인 경우에도 거리 정보를 정확하게 찾아낼 수 있는 효과가 있으며, 측정장치의 구성을 비교적 간단하고 저렴한 가격으로 제작할 수 있는 장점이 있다.

Claims (1)

  1. 변조장치(10), 전압제어 오실레이터(20), 서큘레이터(31), 스위치(32), 안테나(30), 커플러(21), 믹서(40), 저역통과 필터(50), 아날로그 디지털 변환기(60), 이산 퓨리에 변환장치(70), 기억장치(80), 신호처리장치(100) 및 디스플레이(110)를 구비하여 미지의 거리를 측정하기 위한, 두 개이상의 기준선로를 사용한 마이크로파 거리 측정장치에 있어서,
    상기 서큘레이터(31)에 상기 안테나(30)와 선택적으로 스위칭되는 제 1 및 제 2지연선로; 및
    상기 기억장치(80)로부터 출력되는 미지의 측정 거리에 의한 중간 주파신호와 상기 제 1 및 제 2 지연선로에 의한 중간 주파신호 사이의 주파수 편이를 계산하는 상관도 계산기(90)를 포함하되,
    상기 상관도 계산기(90)는,
    상기 제 1 및 제 2지연선로에 의한 중간주파 신호의 주파수 영역 데이터의 상호 상관도를 구하고, 이에 의해 상기 제 1 및 제 2지연선로의 전파지연 시간차에 대한 제 1주파수 편이를 결정하고,
    상기 제 1지연선로에 의한 중간주파 신호와, 미지의 측정 거리에 의한 중간주파 신호의 주파수 영역 데이터의 상호 상관도를 구하고, 이에 의해 상기 제 1지연선로 및 미지의 측정 거리의 전파지연 시간차에 대한 제 2주파수 편이를 결정하며,
    상기 제 1 및 제 2주파수 편이를 이용하여 미지의 측정거리를 결정하는 것
    을 특징으로 하는 두 개이상의 기준선로를 사용한 마이크로파 거리 측정장치.
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