KR101336015B1 - 전파고도계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전파고도계에 관한 것으로서, 전파고도계의 신호 송신경로 또는 수신경로 상에 경로 연장부가 삽입 설치되고, 상기 경로 연장부는 RF 신호를 광신호로 변환하는 전광 변환기(E/O Converter)와, 광 경로 연장 을 위해 설정된 길이만큼 경로 상에 삽입되는 광케이블과, 상기 광케이블에서 출력되는 광신호를 다시 RF 신호로 변환하는 광전 변환기( O/E Converter)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 광케이블을 통해 충분한 경로 연장 길이를 제공함으로써 펄스폭 한계나 부품의 주파수 대역한계를 극복할 수 있을 뿐 아니라, 측정 방식에 관계없이 어떤 방식의 전파고도계를 사용하더라도 단거리부터 중,장거리까지 넓은 측정 범위를 효과적으로 제공할 수 있게 되어 측정기기의 범용성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전파고도계{Radio Altimeter}
본 발명은 전파고도계에 관한 것으로서, 전파고도계의 송신 또는 수신 경로 상에 일정한 길이를 갖는 광케이블을 삽입하여 경로의 길이를 연장함으로써 측정 동적 범위를 현저하게 감소시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
전파고도계는 항공기, 헬기를 비롯한 이동체에 장착되어 지면으로부터의 고도(the height Above Ground Level ; AGL)를 측정하는 장비로 레이더와 마찬가지로 지면을 향해 전파를 송신하고 반사되어 수신된 전파의 고도에 따른 시간지연을 이용하여 고도를 측정하는 장비이다.
전파고도계는 크게 진폭변조 방식에 해당하는 펄스 레이더 방식과 주파수 변조 방식에 해당하는 FM-CW 방식이 있다. 펄스 레이더 방식의 전파고도계를 도 1과 도 2를 통해, FM-CW 방식의 전파고도계를 도 3과 도 4를 통해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 펄스 레이더 방식의 전파고도계의 구성 블럭도이고, 도 2는 도 1의 펄스 레이더 방식을 이용하여 고도를 계산하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
펄스 레이더 방식은 좁은 펄스폭을 갖는 펄스신호를 지면에 송신하고 지면으로 부터 반사되는 펄스신호를 검출하여 송신 펄스신호와 수신 펄스신호 간의 전파 지연시간을 이용하여 비행체와 지면 간의 거리 즉, 고도를 계산하는 방식이다.
도 1를 참조하여 펄스 레이더 방식의 전파고도계의 동작을 간단하게 설명하면 다음과 같다.
고주파 발진기(100)에서 발생된 로컬 신호는 방향성 결합기(105)에 의해 변조 스위치(110)과 믹서(140)로 나누어 입력되고, 변조 스위치(110)에 의해 일정 펄스폭으로 변조된 RF 펄스 신호가 파워 증폭기(115)에 의해 증폭된 후 RF 안테나(125)를 통해 지면으로 송신된다.
RF 안테나(125)를 통해 지면으로부터 반사된 RF 펄스신호가 입력되면, RF 펄스신호가 서큘레이터(120) 및 게이트 스위치(130)를 통해 수신단으로 입력되고, 수신단으로 입력된 신호는 저잡음 증폭기(135)에서 증폭된 후 믹서(140)로 입력되며, 믹서(140)는 방향성 결합기(105)로부터 입력된 로컬 신호와 저잡음 증폭기(135)로부터 입력된 RF 신호를 혼합하여 중간 주파수 대역의 신호를 출력하게 된다.
중간 주파수 대역 신호는 대역통과 필터(145)에 의해 송신 펄스폭에 의해 정해진 대역폭의 신호만을 걸러내고, 이 여과된 신호가 중간주파수 증폭기(150)에서 증폭된 후 포락선(Envelope)을 검출하는 검출기(155)를 거쳐 비디오 신호로 출력된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 송신 펄스신호의 전송 시점과 수신 펄스신호의 수신 시점의 시간차(Td)를 이용하여 하기 수학식 1에 의해 고도가 계산된다. 여기서, C는 광속을 나타낸다.
Figure 112012048274765-pat00001
이러한 펄스 레이더 방식의 전파고도계는 일반적으로 송신펄스폭 만큼의 거리분해능을 가지므로 송신 펄스폭의 역수에 해당하는 대역폭이 요구되고, 기본적으로 펄스간격에 해당하는 거리까지 고도측정이 가능하다.
펄스 레이더 방식의 전파고도계는 근거리의 경우 송신펄스와 수신펄스가 오버랩되어 전파 지연시간을 계산할 수 없는 경우가 발생하며, 이러한 오버랩이 없이 근거리 탐지를 할 수 있기 위해서는 송신 펄스폭이 매우 좁 아야 하고 이는 대역폭이 넓어지는 단점으로 작용하므로 이 방식은 주로 중ㅇ장거리 탐지에 주로 이용되고 있다.
도 3은 일반적인 FM-CW 방식의 전파고도계의 구성 블럭도이고, 도 4는 도 3의 FM-CW 방식을 이용하여 고도를 계산하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
FM-CW 방식의 전파고도계는 시간에 대해 송신신호의 주파수를 선형적으로 변화시켜 송신하면 표적에 반사되어 돌아온 신호는 고도에 해당하는 만큼의 시간지연이 있는데, 이로 인한 송수신 신호 간의 차주파수(Beat frequency)를 측정하여 거리를 산출하는 방식이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 FM-CW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식의 전파고도계의 동작을 간단하게 설명하면 다음과 같다.
파형 발생기(300)에서 발생된 신호는 VCO(305)에 의해 주파수가 선형적으로 가변되는데, 이러한 선형적 주파수 가변 신호가 방향성 결합기(310)에 의해 파워 증폭기(315)과 믹서(335)로 나누어 입력되고, 파워가 증폭된 선형적 주파수 가변 신호가 RF 송신 안테나(320)를 통해 지면으로 송신된다.
RF 수신 안테나(325)를 통해 지면으로부터 반사된 선형적 주파수 가변 신호(RF 신호)가 입력되면, RF 펄스신호가 저잡음 증폭기(330)에서 증폭된 후 믹서(335)로 입력되며, 믹서(335)는 방향성 결합기(310)로부터 입력된 로컬 신호와 저잡음 증폭기(135)로부터 입력된 RF 신호를 혼합하여 이 두 신호 사이의 주파수 차에 해당하는 비트 주파수 신호를 출력하게 된다.
비트 주파수 신호는 대역통과 필터(340)에 의해 정해진 대역폭의 신호만을 걸러내고, 이 여과된 신호가 중간주파수 증폭기(345)에서 증폭 된 후 비트 주파수 식별기(350)로 입력되며, 비트 주파수 식별기(350)는 수신된 신호 내에서 비트 주파수(Fb)를 찾아내고 찾아낸 비트 주파수를 통해 고도를 계산하게 된다.
이때 고도에 비례해서 나타나는 차주파수를 일정하게 유지시키는 closed loop를 구성하고 이때의 시간에 따른 주파수 변화율을 측정하여도 고도를 알 수 있는데, 이 방식을 사용하는 경우는 IF amp의 대역폭을 좁게 제한할 수 있기 때문에 S/N비를 상당히 높일 수 있어 작은 송신출력으로도 높은 거리측정 정밀도를 얻을 수 있다.
반면에 송신 출력을 높인다 할지라도 송신단에서 수신단으로 바로 누설되는 신호성분에 의해 목표물의 탐지거리가 제한되기 때문에, 일반적으로 작은 송신출력으로 탐지거리가 비교적 짧은 근거리센서에 주로 이용된다.
거리에 따른 차주파수(Fb : Beat Frequency)를 이용하여 고도를 계산하는 방법은 하기 수학식 2와 같다. 여기서, 도 4에 도시된 바와 같이 Tm은 선형적 주파수 가변 신호의 주기이고, ΔF는 선형 적 주파수 가변 신호의 주파수 변화량을 나타낸다.
Figure 112012048274765-pat00002
그러나, 종래 전파 고도계들은 각각 근거리 또는 중장거리용으로 용도가 구분되는 것이 일반적이며, 측정고도의 범위가 근거리부터 원거리까지 광범위하게 요구되는 경우에는 다음과 같은 문제점이 존재한다.
예를 들어, 측정고도의 범위가 1 ~ 10,000m로 넓게 요구되는 경우를 가정한다.
이러한 경우, 펄스 레이더 방식 의 경우에는 1m의 근거리 탐지를 위해 송신 펄스 폭이 6.67 nsec 이하가 되어야만 하는데, 이와 같이 좁은 펄스의 송수신을 위해서는 넓은 대역폭이 요구되고, 이는 수신기의 MDS(Minimum Detectable Signal) level을 높이게 되어 작은 수신신호가 입력되는 경우 측정을 어렵게 하는 요소로 작용하므로, 10,000m의 고도 측정을 위해서는 상당히 큰 전력의 송신을 해야만 하는 문제가 존재한다.
또한, FM-CW Radar 방식의 경우에는, 고도가 1 ~ 10,000m 로 만 배가 변화하면, 비트주파수(Fb) 또한 만 배가 변화하는데 이러한 정도의 주파수 범위를 정확히 측정하는 데에는 상당한 어려움이 있으며, 실제 구현에 있어서 수신단의 대역폭 또한 상당히 넓어져야만 하며 이는 펄스 레이더 방식과 동일한 문제를 야기 시킨다. 특히, 피드백을 통해 고도에 따른 비 트 주파수(Fb)를 일정하게 유지시켜야 하는 경우에는 Δf (혹은 fm)가 만 배 차이로 변화할 수 있어야 하는 데 이 또한 실제 구현이 거의 불가능한 문제점이 있다.
일본공개특허 2006-266788호에는 이러한 문제점 을 해결하기 위해 수신회로와 수신단 증폭기 간에 수신되는 신호를 일정 시간 지연시키는 지연선을 설치하는 기술이 제안된 바 있다. 또한, 이와 유사한 기술로서, 일본공개특허 2001-116837호에는 변조기와 송신 안테나와의 사이에 지연 케이블을 설치하는 기술이 제안된 바 있다.
그러나, 이러한 종래 기술들은 코일과 콘센서 등을 이용하여 신호 전송 또는 수신을 일정시간 지연시키는 것으로서, 측정 고도의 동적 범위를 축소하는 범위에 한계가 있고, 소자 특성에 따라 측정 오차가 발생할 수 있는 단점이 있다. 또한, 이러한 지연 케이블이 동축 케이블 등의 RF 전송선이 사용되는 경우 전송선에서의 신호 감쇄가 너무 커서 시간 지연 정도 의 제약이 큰 단점이 있어 종래에 비해 개선이 있음에도 불구하고, 여전히 광범위한 측정 고도 범위를 요구 하는 경우에는 적용할 수 없는 문제점이 있어 펄스 레이더 방식은 중장거리 탐지에, FM-CW 방식은 단거리 탐지 용도로만 사용되고 있으며, FM-CW 방식에서도 초단거리 탐지 용도로는 사용되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명의 이러한 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전파고도계의 송신 또는 수신 경로 상에 일정한 길이를 갖는 광케이블을 삽입하여 경로의 길이를 연장함으로써 측정 동적 범위를 현저하게 감소시킬 수 있도록 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 전파고도계의 신호 송신경로 또는 수신경로 상에 경로 연장부가 삽입 설치되고, 상기 경로 연장부는 RF 신호를 광신호로 변환하는 전광 변환기(E/O Converter)와, 광 경로 연장을 위해 설정된 길이만큼 경로 상에 삽입되는 광케이블과, 상기 광케이블에서 출력되는 광신호를 다시 RF 신호로 변환하는 광전 변환기(O/E Converter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전파고도계가 제공된다.
여기서, 상기 전광 변환기는 레이저 다이오드의 출력을 RF 신호를 이용하여 진폭 변조 하는 아날로그 방식의 변조 방식이 사용되고, 상기 광전 변환기는 광센서를 이용하여 입력되는 광량을 검출 하여 신호로 출력하는 아날로그 방식의 AM 복조 방식이 사용되는 것이 가능하다.
그리고, 상기 광케이블 은 상기 전파고도계의 송수신단 부품의 주파수 대역을 1/10 ~ 1/1,000로 감소시킬 수 있는 길이로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전파고도계가 펄스 레이더 방식인 경우, 상기 경로 연장부는 설정된 펄스 폭을 갖는 펄스 신호를 출력하는 변조 스위치의 후단에 삽입되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전파고도계가 FM-CW 방식인 경우, 상기 경로 연장부는 선형적 주파수 가변 신호를 출력하는 전압 제어 변조기(VCO)의 출력신호를 분할하는 방향성 결합기의 후단에 삽입되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 광케이블을 통해 충분한 경로 연장 길이를 제공함으로써 펄스폭 한계나 부품의 주파수 대역한계를 극복할 수 있을 뿐 아니라, 측정 방식에 관계없이 어떤 방식의 전파고도계를 사용하더라도 단거리부터 중,장거리까지 넓은 측정 범위를 효과적으로 제공할 수 있게 되어 측정기기의 범용성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 펄스 레이더 방식의 전파고도계의 구성 블럭 도이다.
도 2는 도 1의 펄스 레이더 방식을 이용하여 고도를 계산하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일반적인 FM-CW 방식의 전파고도계의 구성 블럭도이다.
도 4는 도 3의 FM-CW 방식을 이용하여 고도를 계산하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 펄스 레이더 방식의 전파고도계의 구성 블럭도이다.
도 6은 본 발명에 따른 FM-CW 방식의 전파고도계의 구성 블럭도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예들을 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 구체적인 적용례를 설명하기에 앞서 이하의 2가지 실시예들에 공통되는 본 발명의 특징적인 개념을 우선 설명하면 다음과 같다.
상술한 바와 같이, 측정고도의 범위가 아주 근거리부터 원거리까지 광범 위하게 요구되는 경우, 예를 들어 측정고도의 범위가 1 ~ 10,000 m 인 경우에 전파의 송신 (혹은 수신) 경로 상에 일정 거리만큼 경로를 추가하면 측정 동적 범위를 감소시킬 수 있다.
예를 들어 200 m 길이의 경로 (왕복거리이므로 이 경우 고도는 100 m임)를 송신 또는 수신 경로 상에 삽입하면 실제 측정고도의 범위는 101 ~ 10,100 m가 되고 이는 최소 고도에 대한 최대 고도의 동적 범위가 종래의 만 배(40 dB)에서 백 배(20 dB)로 줄어드는 효과가 있다.
이러한 관점에 따라 광 경로 삽입수단으로서 광케이블을 사용하는 경우 그 길이가 상당히 길다고 하더라도 손실이 1 dB/km 이하로 거의 없고 사이즈의 부담이 없기 때문에 수 십 Km의 길이를 삽입하는 것도 문제가 되지 않으며, 상기 예와 같이 200m 길이의 광케이블을 사용에는 경우만 하더라 도 측정 고도의 동적 범위가 20 dB 레벨로 감소하게 되는 효과가 있으며, 이하에서 구체적인 실시예를 참조 하여 광케이블 삽입에 따른 고도 측정의 효과적인 장점을 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 펄스 레이더 방식의 전파고도계의 구성 블럭도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 펄스 레이더 방식의 전파고도계는 변조 스위치(510)와 파워 증폭기(515) 간에 광 케이블을 포함하는 경로 연장부(700)가 삽입되는 구조 외에는 도 1의 종래 기술과 동일하므로 중복되는 부분 에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 5의 실시예에서는 변조 스위치(510)와 파워 증폭기(515) 간에 경로 연장부(700)가 설치되어 펄스 신호의 송신과 수신 간의 광 경로를 연장하는 역할을 수행하는데, 상기 예와 같이 연장된 광 경로가 200m인 경우 최소 측정고도가 101 m가 되어 최대 송신펄스의 폭이 종래 6.67ns에서 670 ns까지 증가시킬 수 있어 수신단의 대역폭을 1/100로 줄일 수 있고 이는 수신기의 MDS를 1/100 (=20dB) 만큼 낮출 수 있게 되는 것이다.
경로 연장부(700)는 변조 스위치(510)로부터 입력되는 RF 펄스 신호를 광신호로 변환하는 전광 변환기(710 : E/O Converter)와, 광 경로 연장을 위해 필요한 길이만큼 경로 상에 삽입되는 광케이블(720)과, 광케이블(720)에서 출력되는 광신호를 다시 RF 신호로 변환하는 광전 변환기(73 0 : O/E Converter)를 포함하여 구성된다.
여기서, 전광 변환기(710 : E/O Converter)는 레이저 다이오드의 출력을 RF 신호를 이용하여 진폭 변조하는 아날로그 방식의 변조 방식이 사용될 수 있고, 광전 변환기 (730 : O/E Converter)는 포토 다이오드 등의 광센서를 이용하여 입력되는 광량을 검출하여 신호로 출력하는 아날로그 방식의 AM 복조 방식이 사용될 수 있다.
전광 변환기(710 : E/O Converter)와 광전 변환기(73 0 : O/E Converter)는 측정 고도의 동적 범위에 따른 충분한 대역폭을 제공할 수 있는 소자 또는 부품을 이용하여야 하는 것이 중요하다.
도 5에서는 경로 연장부(700)가 변조 스위치(510)와 파워 증폭기(515) 사 이 즉, 송신단에 삽입되는 경우를 예시하였으나, 그 외에 수신단 예를 들면, ⓐ로 표시된 부분에 삽입되는 것도 가능하며, 이 외에 신호의 전송 경로 상의 임의의 지점에 삽입되도록 설치될 수 있음은 물론이다.
도 6은 본 발명에 따른 FM-CW 방식의 전파고도계의 구성 블럭도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 FM-CW 방식의 전파고도계는 방향성 결합기(610)와 파워 증폭기(615) 간에 광케이블을 포함하는 경로 연장부(700)가 삽입되는 구조 외에는 도 3의 종래 기술과 동일하므로 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 5의 실시예와 마찬가지로 경로 연장부(700)는 송신과 수신 간의 광 경로를 연장하는 역할을 수행하는데, 상기 예와 같이 연장된 광 경로가 200m인 경우 최소 측정고도가 101 m가 되어 FM-CW radar방식에서는 고도에 따른 비트주파수, Fb가 백 배 변화하게 되고 이러한 정도의 주파수 범위는 정확한 측정이 충분히 가능하며, 실제 구현에 있어서 수신단의 대역폭 또한 상당히 줄일 수 있게 된다.
피드백을 통해 고도에 따른 Fb를 일정하게 유지시키는 경우에도 마찬가지로 Δf (혹은 fm)가 백 배 정도만 변화할 수 있게 설계하면 가능하므로 이 또한 실제 구현이 문제되지 않는다.
FM-CW 방식에서의 경로 연장 부(700) 또한, 펄스 레이더 방식과 동일하게 전광 변환기(710 : E/O Converter)와, 광케이블(720) 및 광전 변환기(730 : O/E Converter)를 포함하여 구성된다.
도 6에서는 경로 연장부(700)가 방향성 결합기(610 )와 파워 증폭기(615) 사이 즉, 송신단에 삽입되는 경우를 예시하였으나, 그 외에 수신단 예를 들면, ⓐ로 표시된 부분에 삽입되는 것도 가능하며, 이 외에 신호의 전송 경로 상의 임의의 지점에 삽입되도록 설치될 수 있음은 물론이다.
이상,본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 설명하였으나, 구체적인 구성은 본 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않은 범위에 있어서 설계 변경 등이 있어 도, 그것들은 본 발명에 포함되는 것이다.
500 : 고주파 발진기 505, 610 : 방향성 결합기
510 : 변조 스위치 515, 615 : 파워 증폭기
520 : 서큘레이터 525 : RF 안테나
530 : 게이트 스위치 535, 630 : 저잡음 증폭기
540, 635 : 믹서 545, 640 : 대역통과 필 터
550, 645 : 중간주파수 증폭기 555 : 검출기
600 : 파형 발생기 605 : VCO
620 : 송신 RF 안테나 625 : 수신 RF 안테나
650 : 비트 주파수 식별기 700 : 경로 연장부
710 : 전광 변환기 720 : 광케이블
730 : 전광 변환부

Claims (5)

  1. 전파고도계에 있어서 ,
    상기 전파고도계의 신호 송신경로 또는 수신경로 상에 경로 연장부가 삽입 설치되고,
    상기 경로 연장부는 RF 신호를 광신호로 변환하는 전광 변환기(E/O Converter)와, 광 경로 연장을 위해 설정된 길이만큼 경로 상에 삽입되는 광케이블과, 상기 광케이블에서 출력되는 광신호를 다시 RF 신호 로 변환하는 광전 변환기( O/E Converter)를 포함하되,
    상기 광케이블은 상기 전파고도계의 측정고도의 동적범위를 1/10 ~ 1/1,000로 감소시킬 수 있는 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 전파고도계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전광 변환기는 레이저 다이오드의 출력을 RF 신호를 이용하여 진폭 변조하는 아날로그 방식의 변조 방식이 사용되고, 상기 광전 변환기는 광센서를 이용하여 입력되는 광량을 검출하여 신호로 출력하는 아날로그 방식의 AM 복조 방식이 사용되는 것을 특징으로 하는 전파고도계.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전파고도계는 펄스 레이더 방식이고,
    상기 경로 연장부는 설정된 펄스폭을 갖는 펄스 신호를 출력하는 변조 스위치의 후단에 삽입되는 것을 특징으로 하는 전파고도계.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전파고도계는 FM-CW 방식이고,
    상기 경로 연장부는 선형적 주파수 가변 신호를 출력하는 전압 제어 변조기(VCO)의 출력신호를 분할하는 방향성 결합기의 후단에 삽입되는 것을 특징으로 하는 전파고도계.
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