KR101359344B1 - Ｆｍｃｗ 기반 거리 측정 장치 - Google Patents

Ｆｍｃｗ 기반 거리 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 실시예의 FMCW 기반 거리 측정 장치는, 인가되는 전압에 의해 발진 주파수를 제어하는 전압 제어 발진기; 상기 전압 제어 발진기로부터 출력되는 발진 신호를 물체로 송신하고, 상기 물체로부터 반사된 신호를 수신하는 송수신부; 상기 발진 신호와, 상기 송수신부를 통하여 수신된 수신 신호를 합성하는 제 1 주파수 합성기; 상기 제 1 주파수 합성기를 통하여 출력된 신호를 디지털 신호로 출력하는 아날로그-디지털 변환기; 상기 아날로그-디지털 변환기로부터 출력되는 신호로부터 비트 주파수를 연산하는 시그널 프로세서; 및 상기 발진 신호를 이용하여 상기 아날로그-디지털 변환기로 트리거 신호를 전달하는 딜레이 회로부;를 포함한다.

Description

ＦＭＣＷ 기반 거리 측정 장치{Distance measuring apparatus based on ＦＭＣＷ}
본 발명은 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더에 관한 것으로서, FMCW 레이더 시스템에서 보다 정확한 거리를 측정할 수 있는 장치에 대해서 개시한다.
FMCW 레이더 시스템은 구조가 단순하고, 소형화된 크기를 갖는다는 장점이 있어, 군용 소형 레이더와 민수 측정용 레이더 및 차량 충돌 방지 시스템 등에 널리 사용된다.
FMCW 레이더 시스템에서 객체(타겟)의 위치에 대한 추정 범위는, 송신되는 RF 신호의 주파수를 체계적으로 변화시켜가면서 측정된다. 통상적으로, 레이더 시스템은 송신된 신호의 주파수가 시간에 따라 선형적으로 변경되도록 배치된다.
이때, 송신된 타겟으로부터 복귀된 신호(즉, 반사되거나 수신된 신호) 사이의 주파수 차이는 상기 타겟의 위치에 대한 추정 범위를 측정하는데 사용될 수 있다. FMCW 레이더 시스템에서 제공되는 타겟에 대한 범위 정보에 대한 정확성은 주파수 스위프(sweep)의 선형성에 의존한다.
그러나, 일반적으로 VCO(Voltage Controlled Oscillator, 전압 제어 발진기)의 출력 및 레이저 다이오드의 주파수 변조 응답이 변조 주파수에 대해 일정하지 않으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 주파수 스위프가 비선형적인 특성을 갖게 된다.
도 1은 비선형적인 주파수 스위프 현상을 보여주기 위한 도면이며, 도 1(a)는 이상적인 경우에 있어서의 주파수 스위프를 보여주고 있으며, 도 1(b)는 VCO에 의한 주파수 스위프에 있어서 비선형적 특성이 발생하게 되는 것을 보여주고 있다.
결국, 실제의 FMCW 레이더 시스템에 있어서는, 도 1(b)에서와 같이, VCO에 의한 주파수 스위프에서 비선형적 특성이 발생되고, 타겟(객체)로부터 반사된 신호 역시 비선형적 특성을 갖고 있기 때문에, 거리 측정을 위해 연산되어야 할 비트 주파수(beat frequency, fb)가 가변되어 정확한 신호의 왕복 시간을 연산하기가 어렵게 된다.
결국, 주파수 스위프에 의한 비선형 특성을 발생으로 인하여, FMCW 레이더 시스템에 의하여 측정된 거리에 대한 신뢰가 떨어지게 된다.
본 실시예는, 주파수 스위프의 비선형적 특성에 대해서, 추가적인 딜레이 회로를 구성하고, 상기 딜레이 회로에서 출력되는 신호를 트리거 신호로 이용하여 거리 측정/연산을 위한 샘플링 신호로 사용함으로써, 주파수 스위프에 따른 비선형적 특성으로부터 발생하게 되는 오차를 보상할 수 있는 장치를 제안한다.
본 실시예의 FMCW 기반 거리 측정 장치는, 인가되는 전압에 의해 발진 주파수를 제어하는 전압 제어 발진기; 상기 전압 제어 발진기로부터 출력되는 발진 신호를 물체로 송신하고, 상기 물체로부터 반사된 신호를 수신하는 송수신부; 상기 발진 신호와, 상기 송수신부를 통하여 수신된 수신 신호를 합성하는 제 1 주파수 합성기; 상기 제 1 주파수 합성기를 통하여 출력된 신호를 디지털 신호로 출력하는 아날로그-디지털 변환기; 상기 아날로그-디지털 변환기로부터 출력되는 신호로부터 비트 주파수를 연산하는 시그널 프로세서; 및 상기 발진 신호를 이용하여 상기 아날로그-디지털 변환기로 트리거 신호를 전달하는 딜레이 회로부;를 포함한다.
본 실시예의 FMCW 기반 거리 측정 장치에 의해서, VCO의 비선형 특성에도 불구하고, 추가적인 회로의 간단한 구성으로 보다 정확한 거리를 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 비선형적인 주파수 스위프 현상을 보여주기 위한 도면.
도 2는 본 실시예에 따른 거리 측정 장치의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 실시예에 따라 비선형 특성을 개선하는 원리를 설명하는 도면.
도 4는 본 실시예에 따라 제 1 주파수 합성기로부터 출력되는 신호와 제 2 주파수 합성기로부터 출력되는 신호를 측정한 예를 보여주는 도면.
도 5 내지 도 7은 도 1에서 딜레이 회로부가 구성되지 않은 상태인 일반적인 FMCW 기반 거리 측정 장치로 거리를 측정한 결과의 도면들.
도 8 내지 도 10은 본 실시예의 딜레이 회로부가 구성된 경우에 거리를 측정한 결과의 도면들.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
그리고, 이하의 설명에서, 단어 '포함하는'은 열거된 것과 다른 구성요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다.
도 2는 본 실시예에 따른 거리 측정 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
본 실시예는, 주파수 변조된 연속파형(Frequency Modulated Continuous Wave, 이하 FMCW)을 이용하여 물체(object)와의 거리 또는 물체의 속도를 탐지하는 FMCW 레이더에 대한 것으로서, 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator, 이하 VCO)의 고유특성으로 인하여 발생되는 주파수 변화의 비선형 특성에도 불구하고 물체와의 거리 또는 속도를 보다 정확히 측정할 수 있는 딜레이 회로를 구성하는 것을 특징으로 한다.
전압 변화를 대응하는 주파수 변화로 변환하기 위하여 사용되는 VCO는 전압 변화를 대응하는 주파수 변화로 변환하기 위해 사용되는데, 고품질의 선형 전압 변화(예를 들면, 삼각 또는 톱니 파형)를 생성하기 위한 노력들이 있으나, 고품질의 선형성을 유지하는 것은 용이하지 않다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, VCO로부터 비선형 특성을 갖는 주파수가 생성되더라도, 물체와의 거리 또는 속도를 측정하기 위하여 결정되어야 할 비트 주파수(fb)의 연산시에, 비선형 특성이 반영된 트리거 신호를 이용함으로써, 보다 정확한 비트 주파수를 연산하는 것이 가능하다.
도 2를 참조하면, 실시예의 거리 측정 장치는, 인가되는 전압에 의해 발진 주파수를 제어하는 VCO(110)와, VCO(110)로부터 출력되는 발진 신호를 대상 물체로 송신하는 송신부(120, 예를 들면, 레이저 다이오드)와, 물체로부터 반사된 신호를 수신하는 수신부(130, 예를 들면, 포토 다이오드)와, VCO(110)로부터 출력되는 발진 신호와 수신부(130)를 통하여 수신된 수신 신호를 합성하는 주파수 합성부(140)와, 합성된 신호로부터 송신 신호와 수신 신호의 주파수 차이로 표현되는 비트 주파수를 연산하는 시그널 프로세서(180)를 포함한다.
도시되지는 않았으나, 시그널 프로세서와 같은 제어부로부터 출력되며 송신 신호의 주파수 변조에 대한 정보를 가지고 있는 FMCW에 대응되는 신호를 생성하는 파형 발생기와, VCO로부터 생성된 발진 신호를 증폭하는 전력 증폭기 등을 더 포함할 수 있음은 물론이다.
실시예의 거리 측정 장치는, 상기 시그널 프로세서(180)에 의한 비트 주파수 연산시에, 동작 계기 신호인 트리거 신호를 발생시키는 딜레이 회로부(200)를 더 포함한다. 즉, 본 실시예에서, 상기 시그널 프로세서(180)는 딜레이 회로부(200)의 출력 신호를 트리거 신호로 이용하여 송신 신호와 수신 신호가 합성된 신호를 읽어들인다. 왜냐하면, 종래의 경우처럼, 시그널 프로세서(180)가 비트 주파수를 연산하기 위하여, 일정한 클럭 단위로 합성 신호를 읽어들일 경우에는, VCO의 주파수 스위프로 인하여 발생하게 되는 비선형 특성에 의하여 연산되는 비트 주파수가 일정하지 않게 되기 때문이다.
한편, VCO(110)로부터 출력된 발진 신호를 송신 및 수신하여 비트 주파수 생성을 위한 신호 처리 구성으로서, 제 1 주파수 합성부(140)로부터 출력되는 합성 신호 중 저주파수 대역의 신호만 필터링하여 고주파수 성분의 잡음을 제거하는 제 1 저역 통과 필터(150)와, 제 1 아날로그-디지털 변환기(170)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 거리 측정 장치는, 시그널 프로세서(180)로 트리거 신호를 제공하기 위한 딜레이 회로부(200)를 갖고, VCO(110)로부터 출력되는 발진 신호에 대해 시간 지연(delay)을 부여하는 딜레이부(210)와, VCO(110)에서 출력되는 발진 신호와 딜레이부(210)에 의하여 딜레이된 신호를 합성하는 주파수 합성부(220)를 포함한다. 여기서, 딜레이 회로부(200)의 주파수 합성부(220)와 도면부호 140의 주파수 합성부를 구분하기 위하여, 제 1 주파수 합성부(140)와 제 2 주파수 합성부(220)로 구분하기로 한다.
그리고, 딜레이 회로부(200)는 제 2 저역 통과 필터(230)와 비교기(250)를 포함할 수 있다.
소정의 구성요소로부터 출력되는 신호에 대해서 디지털 프로세싱하기 위하여 저역 통과 필터와 아날로그-디지털 변환기를 시그널 프로세서(180)와는 별도의 구성요소인 것처럼 설명되었으나, 저역 통과 필터, 아날로그-디지털 변환기, 비교기 및 시그널 프로세서 모두 신호 처리 블록으로 이해하여도 좋다.
실시예의 딜레이 회로부(200)는 시간 지연을 부여하는 딜레이부(210)를 포함하며, 상기 딜레이부(210)는 중간 주파수의 생성시와 같이 실시예의 거리 측정 장치가 측정할 수 있는 최대 거리까지의 신호의 왕복 시간의 적어도 2배의 지연을 부여한다. 참고로, 첨부되는 도 8 내지 도 10의 실험 데이터는, 딜레이부(210)에 의한 지연을 측정 최대 거리까지의 신호의 왕복 시간의 4배를 부여한 것이다.
특히, VCO(110)에 의한 주파수 스위프에 의하여 발생되는 비선형 특성이 반영되도록 VCO(110)로부터 출력된 발진 신호는 상기 딜레이부(210)와 제 2 주파수 합성기(220)로 전달되고, 상기 제 2 주파수 합성기(220)에 의하여 합성되는 신호는 상기 비교기(250)로 전달되며, 상기 비교기(250)에 의하여 생성되는 트리거 신호는 아날로그-디지털 변환기(170)로 전달된다.
즉, 비트 주파수 생성을 위하여, 제 1 주파수 합성기(140)로 전달되는 VCO의 출력 신호와, 포토 다이오드(130)에 의하여 수신된 신호 각각은 제 2 주파수 합성기(220)로 전달되는 VCO의 출력 신호와, 딜레이부(210)에 의하여 딜레이된 신호에 대응된다고 할 수 있다.
상기 비교기(250)는 상기 아날로그-디지털 변환기(250)로 트리거 신호를 출력하는 역할을 하며, 제 2 저역 통과 필터(230)로부터 출력되는 신호를 상기 아날로그-디지털 변환기(250)가 읽어들일 수 있는 레벨로 출력시킨다.
그리고, 상기 아날로그-디지털 변환기(250)는 샘플링된 데이터를 메모리에 순서대로 저장하여 두고, 이후 상기 시그널 프로세서(180)는 아날로그-디지털 변환기(250)의 메모리에 저장된 데이터를 이용하여 FFT 연산 등의 방식을 통하여 주파수를 연산할 수 있다. 특히, FMCW의 비선형 특성으로 인하여, 상기 제 1 주파수 합성기(140)에 의하여 합성된 신호의 주파수 변화하는 경우라 하더라도, 동일한 변화율로 딜레이 회로부(200)의 트리거 신호가 변화하게 된다. 이에 따라, 아날로그-디지털 변환기(170)의 샘플링 주파수 역시 변화하기 때문에, 비선형적인 고유 특성으로 인한 신호의 주파수 성분의 변화에 관계 없이, 본 실시예의 거리 측정 장치는 일정한 주파수 성분을 얻을 수 있게 된다.
즉, 상기 아날로그-디지털 변환기(170)는 딜레이 회로부(200)로부터 출력되는 신호를 트리거 신호로 이용하게 되고, 상기 트리거 신호 역시 비선형 특성이 포함된 신호이기 때문에, 트리거 신호의 폴링 에지 때마다 제 1 주파수 합성기(140)로부터 출력되는 신호를 읽어들여 비트 주파수를 생성함으로써, 결국은 제 1 주파수 합성기(140)로부터 출력되는 신호에 포함된 비선형 특성을 개선할 수 있게 된다.
실시예에 따라 딜레이 회로부로부터 출력되는 신호를 트리거 신호로 이용하는 구성에 대해서, 도 3과 도 4를 참조하여 본다.
도 3은 본 실시예에 따라 비선형 특성을 개선하는 원리를 설명하는 도면이고, 도 4는 본 실시예에 따라 제 1 주파수 합성기로부터 출력되는 신호와 제 2 주파수 합성기로부터 출력되는 신호를 측정한 예를 보여주는 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, VCO에 의한 주파수 스위프에 의하여 발생되는 비선형 특성에 대해서, 비선형 특성이 포함되어 있는 신호를 트리거 신호로 이용함으로써, 측정 주파수가 선형적으로 나타나는 것을 보여준다.
또한, 도 4에는, 딜레이 회로부(200)의 딜레이부(210)에 의하여 시스템(장치)의 최대 측정 거리의 4배로 지연이 부여되는 경우에, 제 1 주파수 합성기(140)로부터 출력되는 신호(measured signal)와, 제 2 주파수 합성기(220)로부터 출력되는 신호(trigger signal)를 오실로스코우프로 측정한 파형이 도시되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 비트 주파수를 연산하기 위한 시그널 프로세서(180)는, 상기 트리거 신호의 폴링 에지때마다 비트 주파수를 읽어들인다. 이로써, VCO가 갖는 고유의 비선형 특성에도 불구하고, 보다 정확한 비트 주파수를 연산해낼 수 있게 된다.
도 5 내지 도 7은 도 1에서 딜레이 회로부가 구성되지 않은 상태인 일반적인 FMCW 기반 거리 측정 장치로 거리를 측정한 결과의 도면들이고, 도 8 내지 도 10은 본 실시예의 딜레이 회로부가 구성된 경우에 거리를 측정한 결과의 도면들이다.
먼저, 도 5 내지 도 7을 참조하면, 일반적인 FMCW 기반의 거리 측정 장치는, VCO에 의하여 고품질의 선형 전압 변화를 갖는 것이 어렵기 때문에, 시그널 프로세서에 의하여 측정되는 비트 주파수의 폭(span)이 커져 버리게 된다.
예를 들면, 거리가 0.96m 일 경우에는 폭이 132kHz이고, 5.63m 일 경우에는 폭이 265kHz로 나타났으며, 12.93m의 거리일 경우에는 460kHz의 폭이 나타났다. 즉, VCO에 의한 주파수 스위프시에 발생되는 비선형 특성을 고려하지 않은 채, 시그널 프로세서가 일정 주기의 클럭 단위로 읽어들이는 경우에는 그 폭이 넓어, 정확한 비트 주파수를 찾는 것은 어렵게 된다.
반면에, 본 실시예와 같이, 비선형 특성을 반영된 트리거 신호가 아날로그-디지털 변환기로 제공된다면, 읽어들이는 주파수 간격이 일정하게 되고, 이로부터 비트 주파수의 가변폭도 더 작게 될 수 있다. 실험 측정 데이터를 예로 들어보면, 거리가 각각 0.96m, 5.63m, 12.93m의 경우 강도(dB)가 피크값을 갖는 위치(즉, 비트 주파수)가 용이하게 식별할 수 있을 정도로 나타날 수 있으며, 이로부터 보다 정확한 거리의 측정이 가능해진다.
일반적으로, VCO에 주파수 스위프로 인하여 발생하게 되는 비선형 특성의 문제를 개선하기 위하여, 보다 고품질의 선형 전압 변화를 달성하기 위한 연구들이 많이 진행되고 있으나, 여전히 비선형 특성으로 인해 측정된 거리의 신뢰가 낮은 것이 현실이다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 고품질의 선형 전압 변화를 달성하지 않더라도, 합성 신호를 읽어들이기 타이밍을 제공하는 트리거 신호에 비선형 특성이 포함시킴으로써, 결국은 비선형 주파수 특성을 개선하는 효과를 달성할 수 있다.

Claims (4)

  1. 인가되는 전압에 의해 발진 주파수를 제어하는 전압 제어 발진기;
    상기 전압 제어 발진기로부터 출력되는 발진 신호를 물체로 송신하고, 상기 물체로부터 반사된 신호를 수신하는 송수신부;
    상기 발진 신호와, 상기 송수신부를 통하여 수신된 수신 신호를 합성하는 제 1 주파수 합성기;
    상기 제 1 주파수 합성기를 통하여 출력된 신호를 디지털 신호로 출력하는 아날로그-디지털 변환기;
    상기 아날로그-디지털 변환기로부터 출력되는 신호로부터 비트 주파수를 연산하는 시그널 프로세서; 및
    상기 발진 신호를 이용하여 상기 아날로그-디지털 변환기로 트리거 신호를 전달하는 딜레이 회로부;를 포함하고,
    상기 딜레이 회로부는, 상기 발진 신호에 대해 지연을 부여하는 딜레이부와, 상기 딜레이부로부터 출력되는 신호와 상기 발진 신호를 합성하는 제 2 주파수 합성기와, 상기 제 2 주파수 합성기로부터 출력되는 신호에 대해 고주파수의 잡음을 제거하기 위한 저역 통과 필터를 포함하는 FMCW 기반 거리 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 딜레이부는, 상기 거리 측정 장치의 최대 측정 거리와 비교하여 적어도 2배 이상의 거리에 해당되는 지연을 부여하는 FMCW 기반 거리 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 딜레이 회로부는,
    상기 아날로그-디지털 변환기로 신호의 출력 레벨을 변화시키는 비교기를 더 포함하는 FMCW 기반 거리 측정 장치.
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