KR101083660B1 - 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 fmcw 레이더 탐지 장치 및 방법 - Google Patents

가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 fmcw 레이더 탐지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 미리 설정된 CW 신호를 생성하고, 생성된 CW 신호를 RF 송신부를 통해 송신하는 CW 신호 생성부와, 상기 RF 송신부를 통해 송신된 CW 신호가 반사되어 RF 수신부를 통해 수신되면, 상기 송신된 CW 신호와 상기 수신된 CW 신호의 주파수 차에 해당되는 비트 주파수를 이용하여 접근하는 표적을 탐지하는 표적 탐지부와, 상기 접근하는 표적이 탐지된 경우, 상기 접근하는 표적의 속도 및 거리를 산출하고 산출된 속도 및 거리에 따라 변조 대역폭을 설정하는 변조 제어부와, 상기 설정된 변조 대역폭이 적용된 CW-LFM 신호를 생성하고, 생성된 CW-LFM 신호를 상기 RF 송신부를 통해 송신하는 CW-LFM 신호 생성부를 포함하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치를 구성한다. 상기와 같은 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치 및 방법에 따르면, DDS(direct digital synthesizer)를 신호 발생원으로 이용한다. 이에, 접근하는 표적의 거리, 속도 및 크기에 따라 자유롭게 파형을 가변 제어함으로써, 원거리/소형의 표적 및 원거리/저속의 표적도 정확하게 탐지할 수 있는 효과가 있다.

Description

가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치 및 방법{FMCW RADAR APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING APPROACHING TARGET USING VARIABLE WAVEFORM}
본 발명은 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래에는 충돌 방지 장치가 개발되어 차량이나 로봇 등에 이용되고 있다. 충돌 방지 장치에서는 주로 접근하는 대상 내지 표적을 감지하기 위한 구성으로서 FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이더가 많이 이용되고 있다.
그런데, 종래의 충돌 방지 장치 중 주로 일률적인 주파수를 갖는 CW(continuous wave) 신호를 이용하여 감지하는 시스템의 경우에는 원거리의 대상을 감지하는 데 한계가 있으며, 대상의 속도가 변하는 경우에는 감지 확률이 더욱 낮아진다.
종래의 충돌 방지 장치 중에는 구형파의 듀티 사이클(변조 시간)을 변경함으로써, 원거리, 중거리 또는 근거리의 표적을 구별하여 감지하는 경우도 있다. 그러나, 이러한 충돌 방지 장치는 변조 시간만을 변경할 수 있을 뿐 변조 대역폭에는 변화가 없으며, 접근하는 표적의 크기나 거리에 대해서는 여전히 감지 확률이 낮을 수밖에 없다.
한편, 종래의 FMCW 레이더를 이용하는 충돌 방지 장치는 주파수 변조를 위해 주로 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator, VCO)를 사용한다. 전압 제어 발진기는 속도가 변화무쌍하거나 그 크기가 다양하거나 원거리에 있는 대상체를 감지해야 하는 경우에는 신속하게 파형을 가변적으로 제어하는 데 한계가 있다.
본 발명의 목적은 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 목적에 따른 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치는, 미리 설정된 CW(continuous wave) 신호를 생성하고, 생성된 CW 신호를 RF 송신부를 통해 송신하는 CW 신호 생성부와, 상기 RF 송신부를 통해 송신된 CW 신호가 반사되어 RF 수신부를 통해 수신되면, 상기 송신된 CW 신호와 상기 수신된 CW 신호의 주파수 차에 해당되는 비트 주파수를 이용하여 접근하는 표적을 탐지하는 표적 탐지부와, 상기 접근하는 표적이 탐지된 경우, 상기 접근하는 표적의 속도 및 거리를 산출하고 산출된 속도 및 거리에 따라 변조 대역폭을 설정하는 변조 제어부와, 상기 설정된 변조 대역폭이 적용된 CW-LFM(continuous wave-linear frequency modulation) 신호를 생성하고, 생성된 CW-LFM 신호를 상기 RF 송신부를 통해 송신하는 CW-LFM 신호 생성부를 포함하도록 구성될 수 있다. 한편, 상기 표적 탐지부는, CFAR 알고리즘에 의해 접근하는 표적을 탐지하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 표적 탐지부는, 하나의 변조 시간(T)의 데이터를 신호 처리하고, 신호 처리된 데이터에 CFAR 알고리즘을 적용하여 접근하는 표적을 탐지하되, 접근하는 표적이 탐지되지 않는 경우에는 적어도 둘 이상의 연속된 변조 시간(2T 이상)의 데이터를 신호 처리하고, 신호 처리된 데이터에 CFAR 알고리즘을 적용하여 접근하는 표적을 탐지하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 변조 제어부는, 상기 비트 주파수가 소정의 임계치 이하인 경우에는 상기 소정 임계치 이상일 경우보다 축소된 변조 대역폭을 설정하도록 구성될 수 있다. 상기 소정의 임계치는, 상기 접근하는 표적의 최초 탐지 시에는 다음의 수학식에 의해 정해지고
Figure 112010031789700-pat00001
, 여기에서, BW0는 기설정된 변조 대역폭이고, T는 변조 시간, R0 max는 기설정된 최대 탐지 거리이고, c는 빛의 속도이며, 상기 접근하는 표적이 탐지된 이후에는 다음의 수학식에 의해 정해지고
Figure 112010031789700-pat00002
, 여기에서, BW1은 상기 접근하는 표적이 탐지된 이후에 운용되는 변조 대역폭이고, T는 변조 시간, R0는 탐지된 표적의 거리이고, c는 빛의 속도로 구성될 수 있다. 한편, 상기 CW-LFM 신호 생성부는, 2 개의 국부 발진기를 이용하여 상기 변조 대역폭을 2배로 확대하도록 구성될 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적에 따른 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 방법은, CW 신호 생성부가 미리 설정된 CW 신호를 생성하고, 생성된 CW 신호를 RF 송신부가 송신하는 단계와, 상기 RF 송신부를 통해 송신된 CW 신호가 반사되어 RF 수신부를 통해 수신되면, 표적 탐지부가 상기 송신된 CW 신호와 상기 수신된 CW 신호의 주파수 차에 해당되는 비트 주파수를 이용하여 접근하는 표적을 탐지하는 단계와, 상기 접근하는 표적이 탐지된 경우, 변조 제어부가 상기 접근하는 표적의 속도 및 거리를 산출하고 산출된 속도 및 거리에 따라 변조 대역폭을 설정하는 단계와, CW-LFM 신호 생성부가 상기 설정된 변조 대역폭이 적용된 CW-LFM 신호를 생성하고, 상기 RF 송신부가 상기 생성된 CW-LFM 신호를 송신하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 RF 송신부를 통해 송신된 CW 신호가 반사되어 RF 수신부를 통해 수신되면, 표적 탐지부가 상기 송신된 CW 신호와 상기 수신된 CW 신호의 주파수 차에 해당되는 비트 주파수를 이용하여 접근하는 표적을 탐지하는 단계는, 상기 표적 탐지부가 CFAR 알고리즘에 의해 접근하는 표적을 탐지하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 RF 송신부를 통해 송신된 CW 신호가 반사되어 RF 수신부를 통해 수신되면, 표적 탐지부가 상기 송신된 CW 신호와 상기 수신된 CW 신호의 주파수 차에 해당되는 비트 주파수를 이용하여 접근하는 표적을 탐지하는 단계는, 상기 표적 탐지부가 하나의 변조 시간(T)의 데이터를 신호 처리하고, 신호 처리된 데이터에 CFAR 알고리즘을 적용하여 접근하는 표적을 탐지하되, 접근하는 표적이 탐지되지 않는 경우에는 적어도 둘 이상의 연속된 변조 시간(2T 이상)의 데이터를 신호 처리하고, 신호 처리된 데이터에 CFAR 알고리즘을 적용하여 접근하는 표적을 탐지하도록 구성될 수 있다. 한편, 상기 접근하는 표적이 탐지된 경우, 변조 제어부가 상기 접근하는 표적의 속도 및 거리를 산출하고 산출된 속도 및 거리에 따라 변조 대역폭을 설정하는 단계는, 상기 비트 주파수가 소정의 임계치 이하인 경우에는, 상기 변조 제어부가 상기 소정 임계치 이상일 경우보다 축소된 변조 대역폭을 설정하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 소정의 임계치는, 상기 접근하는 표적의 최초 탐지 시에는 다음의 수학식에 의해 정해지고
Figure 112010031789700-pat00003
, 여기에서, BW0는 기설정된 변조 대역폭이고, T는 변조 시간, R0는 기설정된 최대 탐지 거리이고, c는 빛의 속도이며, 상기 접근하는 표적이 탐지된 이후에는 다음의 수학식에 의해 정해지고
Figure 112010031789700-pat00004
, 여기에서, BW1은 상기 접근하는 표적이 탐지된 이후에 운용되는 변조 대역폭이고, T는 변조 시간, R0은 기설정된 최대 탐지 거리이고, c는 빛의 속도로 구성될 수 있다. 그리고 CW-LFM 신호 생성부가 상기 설정된 변조 대역폭이 적용된 CW-LFM 신호를 생성하고, 상기 RF 송신부가 상기 생성된 CW-LFM 신호를 송신하는 단계는, 2개의 국부 발진기를 이용하여 상기 변조 대역폭이 2배로 확대되어 적용된 CW-LFM 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치 및 방법에 따르면, DDS(direct digital synthesizer)를 신호 발생원으로 이용한다. 이에, 접근하는 표적의 거리, 속도 및 크기에 따라 자유롭게 파형을 가변 제어함으로써, 원거리/소형의 표적 및 원거리/저속의 표적도 정확하게 탐지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 장치에서 생성되는 CW 신호와 CW-LFM 신호를 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 장치에서 생성되는, 대형 표적을 탐지하기 위한 CW-LFM1 신호 및 CW-LFM2 신호를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 장치에서 생성되는, 소형 표적을 탐지하기 위한 CW-LFM3 신호 및 CW-LFM4 신호를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 국부 발진기를 구비하는 FMCW 레이더 탐지 장치에서 생성되는, CW-LFM5 신호 및 CW-LFM6 신호를 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 방법에서 접근하는 표적의 탐지에 대한 세부 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 방법에서 대형 표적의 탐지에 대한 세부 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 방법에서 소형 표적의 탐지에 대한 세부 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 장치의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치(100)(이하, 'FMCW 레이더 탐지 장치'라고 함)는 CW 신호 생성부(110), RF 송신부(120), RF 수신부(130), 표적 탐지부(140), 변조 제어부(150), CW-LFM 신호 생성부(160)를 포함하도록 구성될 수 있다.
FMCW 레이더 탐지 장치(100)는 종래와 달리 신호 발생원으로서 전압 제어 발진기 대신 DDS(direct digital synthesizer)를 이용한다. 이에, 접근하는 표적의 거리, 속도 및 크기에 따라 자유롭게 파형을 가변 제어할 수 있다. 표적이 원거리에 있거나 그 크기가 소형이어서 반사되는 신호의 세기가 미약할 때는 좀 더 많은 변조 시간의 데이터를 처리하여 반사되는 신호의 평균 전력을 높임으로써, 탐지 확률을 높인다. 한편, 접근하는 표적이 저속으로 움직일 때는 접근 여부를 판단하기 어려운데, 변조 시간을 줄여 변조 대역폭을 줄임으로써 표적의 탐지 확률을 높인다. 다른 한편, CW-LFM 신호를 생성할 때 국부 발진기를 2개를 이용함으로써 변조 대역폭을 두 배로 크게 설정할 수 있고, 이로 인해 탐지할 수 있는 표적의 속도 범위가 더 넓어질 수 있다.
이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
먼저 CW 신호 생성부(110)는 미리 설정된 CW 신호를 생성하고, 생성된 CW 신호를 RF 송신부(120)를 통해 송신하도록 구성된다. CW 신호는 DDS(direct digital synthesizer)에 의해 설정된 파형으로 생성될 수 있다.
다음으로 RF 송신부(120)는 CW 신호 또는 그 변조된 신호인 CW-LFM 신호를 송신하도록 구성된다.
다음으로 RF 수신부(130)는 RF 송신부(120)를 통해 송신된 CW 신호가 표적으로부터 반사되어 돌아오는 CW 신호를 수신하도록 구성된다. 표적이 접근하거나 멀어지는 경우에는 도플러 효과에 의해 주파수에 변화가 생긴다. 그러나, 본 발명은 차량이나 로봇의 충돌 방지를 위한 응용 분야와 군수 분야에서 차량에 접근하는 위협체(로켓탄, 유도탄) 탐지/추적하기 위한 것으로, 반사된 신호의 주파수가 표적의 접근에 의해 증가된 경우에만 의미가 있다. 표적이 원거리에 있거나 그 크기가 작은 경우에는 반사되어 수신되는 신호의 세기가 미약할 수 있다.
다음으로 표적 탐지부(140)는 상기 RF 송신부(120)를 통해 송신된 CW 신호가 반사되어 RF 수신부(130)를 통해 수신되면, 상기 송신된 CW 신호와 상기 수신된 CW 신호의 주파수 차에 해당되는 비트 주파수를 이용하여 접근하는 표적을 탐지하도록 구성된다. 여기에서, 상기 표적 탐지부(140)는, CFAR(constant false alarm rate) 알고리즘에 의해 접근하는 표적을 탐지하도록 구성될 수 있다. 수신된 CW 신호는 표적의 접근에 의해 주파수가 변경되어 있을 것이고, 송신된 CW 신호와 수신된 CW 신호의 주파수 차에 해당되는 비트 주파수를 이용하여 표적을 탐지할 수 있다.
비트 주파수는 다음의 수학식 1과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112010031789700-pat00005
Figure 112010031789700-pat00006
: LFM 구간
여기에서, v는 표적의 속도이고, λ는 파장이고, BW는 변조 대역폭이고, T는 변조 시간이고, R0는 표적까지의 거리이고, c는 빛의 속도이다.
그런데, 만약 표적이 너무 작거나 원거리에 위치하기 때문에 반사되어 수신된 CW 신호의 크기가 작으면, 표적을 탐지하지 못하는 오류가 발생할 수 있다. 이에, 표적 탐지부(140)는 하나의 변조 시간(T)의 데이터를 신호 처리하고, 신호 처리된 데이터에 CFAR 알고리즘을 적용하여 접근하는 표적을 탐지하되, 접근하는 표적이 탐지되지 않는 경우에는 적어도 둘 이상의 연속된 변조 시간(2T 이상)의 데이터를 신호 처리하고, 신호 처리된 데이터에 CFAR 알고리즘을 적용하여 접근하는 표적을 탐지하도록 구성될 수 있다. 즉, 변조 시간 2T 이상 즉, 2T, 3T, 4T 동안의 데이터를 이용할 경우에는 수신된 CW 신호의 평균 전력이 증가할 뿐만 아니라 신호 처리 이득이 확보되어 소형 표적의 탐지에 유리하게 된다.
다음으로 변조 제어부(150)는 상기 접근하는 표적이 탐지된 경우, 상기 접근하는 표적의 속도 및 거리를 산출하고 산출된 속도 및 거리에 따라 변조 대역폭을 설정하도록 구성된다. 여기에서, 상기 변조 제어부(150)는, 상기 비트 주파수가 소정의 임계치 이하인 경우에는 상기 소정 임계치 이상일 경우보다 축소된 변조 대역폭을 설정하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 표적의 속도가 저속인 경우에는 고속일 때보다 변조 시간을 길게 설정하여 변조 대역폭(BW)을 축소시킨다. 변조 대역폭을 축소시키면, 저속의 표적을 탐지하기 용이해진다. 이때, 상기 소정의 임계치는, 상기 접근하는 표적의 최초 탐지 시에는 다음의 수학식 2에 의해 정해진다.
Figure 112010031789700-pat00007
여기에서, BW0는 기설정된 변조 대역폭이고, T는 변조 시간, R0 max는 기설정된 최대 탐지 거리이고, c는 빛의 속도이다.
그리고 상기 접근하는 표적이 탐지된 이후에는 다음의 수학식 3에 의해 정해진다.
Figure 112010031789700-pat00008
여기에서, BW1은 상기 접근하는 표적이 탐지된 이후에 운용되는 변조 대역폭이고, T는 변조 시간, R0는 탐지된 표적의 거리이고, c는 빛의 속도이다.
다음으로 CW-LFM 신호 생성부(160)는 상기 설정된 변조 대역폭이 적용된 CW-LFM 신호를 생성하고, 생성된 CW-LFM 신호를 상기 RF 송신부(120)를 통해 송신하도록 구성된다. 이때, 상기 CW 신호 생성부(160)는 CW 신호를 생성하기 위한 DDS(direct digital syntehesizer)를 구비하도록 구성될 수 있다. DDS(direct digital synthesizer)는 종래의 전압 제어 발진기와 달리 파형의 변경을 자유롭게 제어할 수 있다. 한편, 상기 CW-LFM 신호 생성부(160)는, 2개의 국부 발진기를 이용하여 상기 변조 대역폭을 2배로 확대하도록 구성될 수 있다. 이로 인해, 좀 더 매우 높은 속도의 표적이나 매우 낮은 속도의 표적도 적절하게 감지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 장치에서 생성되는 CW 신호와 CW-LFM 신호를 나타내는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 최초에는 주파수 fc의 CW 신호가 변조 시간 T 동안 송신되고, 다음 변조 시간 T 동안에는 변조된 주파수의 CW-LFM 신호가 송신되고 있음을 알 수 있다. 여기서, 변조 대역폭은 BW이다. CW 신호가 반사되어 수신될 때, 표적의 접근이 탐지되면, 표적의 거리나 속도 등에 따라 변조 대역폭이 결정되고, 이에 따라 CW-LFM 신호가 생성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 장치에서 생성되는, 대형 표적을 탐지하기 위한 CW-LFM1 신호 및 CW-LFM2 신호를 나타내는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 변조 대역폭이 BW0인 CW-LFM1 신호는 고속으로 접근하는 표적의 탐지에 유리하고, 변조 대역폭이 BW1인 CW-LFM2 신호는 저속으로 접근하는 표적의 탐지에 유리한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 장치에서 생성되는, 소형 표적을 탐지하기 위한 CW-LFM3 신호 및 CW-LFM4 신호를 나타내는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 변조 시간이 2T로 늘어난 것을 알 수 있다. 이러한 경우, 반사되어 수신되는 CW 신호의 평균 전력이 높아져서 작은 표적도 정확하게 탐지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 국부 발진기를 구비하는 FMCW 레이더 탐지 장치에서 생성되는, CW-LFM5 신호 및 CW-LFM6 신호를 나타내는 개념도이다.
도 5를 참조하면, 2 개의 국부 발진기를 이용하여 변조 대역폭을 BW0에서 2BW0, BW1에서 2BW1으로 두 배 확장시킨 것을 알 수 있다. 이에, CW-LFM5 신호와 CW-LFM6 신호의 기울기는 훨씬 증가되므로, 더 빠른 속도로 접근하는 표적도 쉽게 감지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 방법의 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 먼저 CW 신호 생성부(11)가 미리 설정된 CW 신호를 생성하고, 생성된 CW 신호를 RF 송신부(120)가 송신한다(S110). 여기에서, DDS(direct digital synthesizer)를 이용하여 신호를 발생시킬 수 있다.
다음으로, 상기 RF 송신부(120)를 통해 송신된 CW 신호가 반사되어 RF 수신부(130)를 통해 수신되면, 표적 탐지부(140)가 상기 송신된 CW 신호와 상기 수신된 CW 신호의 주파수 차에 해당되는 비트 주파수를 이용하여 접근하는 표적을 탐지한다(S120). 여기에서, 상기 표적 탐지부(140)가 CFAR 알고리즘에 의해 접근하는 표적을 탐지하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 표적 탐지부(140)가 하나의 변조 시간(T)의 데이터를 신호 처리하고, 신호 처리된 데이터에 CFAR 알고리즘을 적용하여 접근하는 표적을 탐지하되, 접근하는 표적이 탐지되지 않는 경우에는 적어도 둘 이상의 연속된 변조 시간(2T 이상)의 데이터를 신호 처리하고, 신호 처리된 데이터에 CFAR 알고리즘을 적용하여 접근하는 표적을 탐지하도록 구성될 수 있다. 이에, 소형의 표적도 용이하게 탐지 가능하다.
다음으로, 상기 접근하는 표적이 탐지된 경우, 변조 제어부(150)가 상기 접근하는 표적의 속도 및 거리를 산출하고 산출된 속도 및 거리에 따라 변조 대역폭을 설정한다(S130). 여기에서, 상기 비트 주파수가 소정의 임계치 이하인 경우에는, 상기 변조 제어부(150)가 상기 소정 임계치 이상일 경우보다 축소된 변조 대역폭을 설정하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 소정의 임계치는 상기 접근하는 표적의 최초 탐지 시에는 다음의 수학식 4에 의해 정해진다.
Figure 112010031789700-pat00009
여기에서, BW0는 기설정된 변조 대역폭이고, 2·T는 총 변조 시간, R0 max는 기설정된 최대 탐지 거리이고, c는 빛의 속도이다.
그리고 상기 접근하는 표적이 탐지된 이후에는 다음의 수학식 5에 의해 정해진다.
Figure 112010031789700-pat00010
여기에서, BW1은 상기 접근하는 표적이 탐지된 이후에 운용되는 변조 대역폭이고, 2·T는 총 변조 시간, R0는 탐지된 표적의 거리이고, c는 빛의 속도이다.
다음으로, CW-LFM 신호 생성부(160)가 상기 설정된 변조 대역폭이 적용된 CW-LFM 신호를 생성하고, 상기 RF 송신부(120)가 상기 생성된 CW-LFM 신호를 송신한다(S140). 여기에서, 2개의 국부 발진기를 이용하여 상기 변조 대역폭이 2배로 확대되어 적용된 CW-LFM 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 이에, 더 높은 속도의 표적도 탐지 가능하다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 방법에서 접근하는 표적의 탐지에 대한 세부 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 먼저 CW 신호 생성부(110)가 CW 신호를 생성하고 생성된 CW 신호를 RF 송신부(120)가 송신한다(S210).
그리고 RF 수신부(130)가 표적으로부터 반사되어 돌아오는 CW 신호를 수신하여 신호를 획득한다(S220).
그러면, 표적 탐지부(140)가 n 번째 변조 시간(T)의 데이터를 신호 처리하고(S230), CFAR 알고리즘을 이용하여 표적 유무와 표적의 접근 여부를 탐지한다(S240).
탐지 결과 접근하는 표적이 있는 경우에는(S250), 도 8에 도시된 대형 표적의 표적 탐지 프로세스를 수행한다. 그러나, 탐지 결과 접근하는 표적이 없는 경우에는(S250), 표적 탐지부(140)가 n-1 번째 및 n 번째 변조 시간의 데이터를 신호 처리한다(S260). 그리고 CFAR 알고리즘을 통해 표적을 탐지한다(S270).
다시 탐지 결과 표적이 있는지 판단하되(S280), 표적이 있으면, 도 9의 소형 표적의 표적 탐지 프로세스를 수행한다. 그러나, 표적이 여전히 없는 것으로 판단되면, 다시 CW 신호를 송신하는 단계로 돌아가서 일련의 절차를 재수행한다(S210).
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 방법에서 대형 표적의 탐지에 대한 세부 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 변조 제어부(150)가 비트 주파수가 소정 임계치
Figure 112010031789700-pat00011
보다 큰 지 여부를 판단한다(S310).
판단 결과, 비트 주파수가 더 큰 경우에는 CW-LFM 신호 생성부(160)가 변조 제어부(150)에서 설정된 변조 대역폭에 따라 CW-LFM1 신호를 생성하여 RF 송신부(120)를 통해 송신한다(S320). 그리고 RF 수신부(120)가 반사되어 돌아오는 CW-LFM1 신호를 수신하여 획득한다(S330). 그리고 표적 탐지부(140)가 표적 정보를 추출한다(S340). 이러한 일련의 단계는 반복 수행된다. 이는 고속의 표적에 대한 탐지를 최적화하기 위한 구성들이다.
그러나, 판단 결과 비트 주파수가 더 작은 경우에는 CW-LFM 신호 생성부(160)가 변조 제어부(150)에서 설정된 변조 대역폭에 따라 CW-LFM2 신호를 생성하여 RF 송신부(120)를 통해 송신한다(S350). 그리고 RF 수신부(120)가 반사되어 돌아오는 CW-LFM2 신호를 수신하여 획득한다(S360). 그리고 표적 탐지부(140)가 표적 정보를 추출한다(S370). 이러한 일련의 단계는 반복 수행된다. 이는 저속의 표적에 대한 탐지를 최적화하기 위한 구성들이다. 다만, 비트 주파수와 임계치의 비교를 반복 수행하여 표적의 속도의 변화에 민첩하게 대응하도록 구성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 탐지 방법에서 소형 표적의 탐지에 대한 세부 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 변조 제어부(150)가 비트 주파수가 소정 임계치
Figure 112010031789700-pat00012
보다 큰 지 여부를 판단한다(S410).
판단 결과, 비트 주파수가 더 큰 경우에는 CW-FM 신호 생성부(160)가 변조 제어부(150)에서 설정된 변조 대역폭에 따라 CW-CW-LFM3-LFM3 신호를 생성하여 RF 송신부(120)를 통해 송신한다(S420). 그리고 RF 수신부(120)가 반사되어 돌아오는 CW-CW-LFM3-LFM3 신호를 수신하여 획득한다(S430). 그리고 표적 탐지부(140)가 표적 정보를 추출한다(S440). 이는 고속의 표적에 대한 탐지를 최적화하기 위한 구성들이다.
그리고 표적 신호 전력이 소정 임계치
Figure 112010031789700-pat00013
보다 큰 지 여부를 판단한다(S480). 판단 결과, 큰 경우에는 다시 도 8의 대형 표적의 표적 탐지 프로세스를 수행한다. 단계 S480은, 표적이 접근함에 따라 표적의 상대적인 크기도 커지므로, 이에 유연하게 대처하기 위한 것이다.
다시 위 단계 S410에서, 비트 주파수가 소정 임계치
Figure 112010031789700-pat00014
보다 큰 지 여부를 판단힌 결과 비트 주파수가 더 작은 경우에는 CW-LFM 신호 생성부(160)가 변조 제어부(150)에서 설정된 변조 대역폭에 따라 CW-CW-LFM4-LFM4 신호를 생성하여 RF 송신부(120)를 통해 송신한다(S450). 그리고 RF 수신부(120)가 반사되어 돌아오는 CW-CW-LFM4-LFM4 신호를 수신하여 획득한다(S460). 그리고 표적 탐지부(140)가 표적 정보를 추출한다(S470). 이는 저속의 표적에 대한 탐지를 최적화하기 위한 구성들이다.
그리고 표적 신호 전력이 소정 임계치
Figure 112010031789700-pat00015
보다 큰 지 여부를 판단한다(S480). 판단 결과, 큰 경우에는 다시 도 8의 대형 표적의 표적 탐지 프로세스를 수행한다. 앞서 설명한 바와 같이 단계 S480은, 표적이 접근함에 따라 표적의 상대적인 크기도 커지므로, 이에 유연하게 대처하기 위한 것이다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: FMCW 레이더 탐지 장치 110: CW 신호 생성부
120: RF 송신부 130: RF 수신부
140: 표적 탐지부 150: 변조 제어부
160: CW-LFM 신호 생성부

Claims (13)

  1. 미리 설정된 CW(continuous wave) 신호를 생성하고, 생성된 CW 신호를 RF 송신부를 통해 송신하는 CW 신호 생성부와,
    상기 RF 송신부를 통해 송신된 CW 신호가 반사되어 RF 수신부를 통해 수신되면, 상기 송신된 CW 신호와 상기 수신된 CW 신호의 주파수 차에 해당되는 비트 주파수를 이용하여 접근하는 표적을 탐지하는 표적 탐지부와,
    상기 접근하는 표적이 탐지된 경우, 상기 접근하는 표적의 속도 및 거리를 산출하고 산출된 속도 및 거리에 따라 변조 대역폭을 설정하는 변조 제어부와,
    상기 설정된 변조 대역폭이 적용된 CW-LFM(continuous wave-linear frequency modulation) 신호를 생성하고, 생성된 CW-LFM 신호를 상기 RF 송신부를 통해 송신하는 CW-LFM 신호 생성부를 포함하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이더 탐지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표적 탐지부는, CFAR 알고리즘에 의해 접근하는 표적을 탐지하는 것을 특징으로 하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 표적 탐지부는, 하나의 변조 시간(T)의 데이터를 신호 처리하고, 신호 처리된 데이터에 CFAR 알고리즘을 적용하여 접근하는 표적을 탐지하되, 접근하는 표적이 탐지되지 않는 경우에는 적어도 둘 이상의 연속된 변조 시간(2T 이상)의 데이터를 신호 처리하고, 신호 처리된 데이터에 CFAR 알고리즘을 적용하여 접근하는 표적을 탐지하는 것을 특징으로 하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 변조 제어부는, 상기 비트 주파수가 소정의 임계치 이하인 경우에는 상기 소정 임계치 이상일 경우보다 축소된 변조 대역폭을 설정하는 것을 특징으로 하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소정의 임계치는,
    상기 접근하는 표적의 최초 탐지 시에는 다음의 수학식에 의해 정해지고
    Figure 112010031789700-pat00016
    ,
    여기에서, BW0는 기설정된 변조 대역폭이고, T는 변조 시간, R0 max는 기설정된 최대 탐지 거리이고, c는 빛의 속도이며,
    상기 접근하는 표적이 탐지된 이후에는 다음의 수학식에 의해 정해지고
    Figure 112010031789700-pat00017
    ,
    여기에서, BW1은 상기 접근하는 표적이 탐지된 이후에 운용되는 변조 대역폭이고, T는 변조 시간, R0는 탐지된 표적의 거리이고, c는 빛의 속도인 것을 특징으로 하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 CW-LFM 신호 생성부는, 2 개의 국부 발진기를 이용하여 상기 변조 대역폭을 2배로 확대하는 것을 특징으로 하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 CW 신호 생성부는 CW 신호를 생성하기 위한 DDS(direct digital syntehesizer)를 구비하는 것을 특징으로 하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 장치.
  8. CW 신호 생성부가 미리 설정된 CW 신호를 생성하고, 생성된 CW 신호를 RF 송신부가 송신하는 단계와,
    상기 RF 송신부를 통해 송신된 CW 신호가 반사되어 RF 수신부를 통해 수신되면, 표적 탐지부가 상기 송신된 CW 신호와 상기 수신된 CW 신호의 주파수 차에 해당되는 비트 주파수를 이용하여 접근하는 표적을 탐지하는 단계와,
    상기 접근하는 표적이 탐지된 경우, 변조 제어부가 상기 접근하는 표적의 속도 및 거리를 산출하고 산출된 속도 및 거리에 따라 변조 대역폭을 설정하는 단계와,
    CW-LFM 신호 생성부가 상기 설정된 변조 대역폭이 적용된 CW-LFM 신호를 생성하고, 상기 RF 송신부가 상기 생성된 CW-LFM 신호를 송신하는 단계를 포함하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 RF 송신부를 통해 송신된 CW 신호가 반사되어 RF 수신부를 통해 수신되면, 표적 탐지부가 상기 송신된 CW 신호와 상기 수신된 CW 신호의 주파수 차에 해당되는 비트 주파수를 이용하여 접근하는 표적을 탐지하는 단계는,
    상기 표적 탐지부가 CFAR 알고리즘에 의해 접근하는 표적을 탐지하는 것을 특징으로 하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 RF 송신부를 통해 송신된 CW 신호가 반사되어 RF 수신부를 통해 수신되면, 표적 탐지부가 상기 송신된 CW 신호와 상기 수신된 CW 신호의 주파수 차에 해당되는 비트 주파수를 이용하여 접근하는 표적을 탐지하는 단계는,
    상기 표적 탐지부가 하나의 변조 시간(T)의 데이터를 신호 처리하고, 신호 처리된 데이터에 CFAR 알고리즘을 적용하여 접근하는 표적을 탐지하되, 접근하는 표적이 탐지되지 않는 경우에는 적어도 둘 이상의 연속된 변조 시간(2T 이상)의 데이터를 신호 처리하고, 신호 처리된 데이터에 CFAR 알고리즘을 적용하여 접근하는 표적을 탐지하는 것을 특징으로 하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 접근하는 표적이 탐지된 경우, 변조 제어부가 상기 접근하는 표적의 속도 및 거리를 산출하고 산출된 속도 및 거리에 따라 변조 대역폭을 설정하는 단계는,
    상기 비트 주파수가 소정의 임계치 이하인 경우에는, 상기 변조 제어부가 상기 소정 임계치 이상일 경우보다 축소된 변조 대역폭을 설정하는 것을 특징으로 하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 소정의 임계치는,
    상기 접근하는 표적의 최초 탐지 시에는 다음의 수학식에 의해 정해지고
    Figure 112010031789700-pat00018
    ,
    여기에서, BW0는 기설정된 변조 대역폭이고, 2·T는 총 변조 시간, R0 max는 기설정된 최대 탐지 거리이고, c는 빛의 속도이며,
    상기 접근하는 표적이 탐지된 이후에는 다음의 수학식에 의해 정해지고
    Figure 112010031789700-pat00019
    ,
    여기에서, BW1은 상기 접근하는 표적이 탐지된 이후에 운용되는 변조 대역폭이고, 2·T는 총 변조 시간, R0는 탐지된 표적의 거리이고, c는 빛의 속도인 것을 특징으로 하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    CW-LFM 신호 생성부가 상기 설정된 변조 대역폭이 적용된 CW-LFM 신호를 생성하고, 상기 RF 송신부가 상기 생성된 CW-LFM 신호를 송신하는 단계는,
    2개의 국부 발진기를 이용하여 상기 변조 대역폭이 2배로 확대되어 적용된 CW-LFM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 가변 파형을 이용하여 접근하는 표적을 탐지하기 위한 FMCW 레이더 탐지 방법.
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