KR101451788B1 - 디지털 방식의 fmcw 전파고도계 및 그것의 고도 탐색방법 - Google Patents

디지털 방식의 fmcw 전파고도계 및 그것의 고도 탐색방법 Download PDF

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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 주파수 변조된 연속파형을 이용하여 지형의 고도 또는 지표면까지의 거리를 측정하기 위한 디지털 방식의 FMCW 전파고도계 및 그것을 이용한 고도 탐색방법에 관한 것으로, 상기 FMCW 전파고도계는, 직접 디지털 합성기를 구비하며, 상기 직접 디지털 합성기를 이용하여 주파수 변조 연속파(FMCW)를 생성하고, 상기 생성된 주파수 변조 연속파를 송신신호로 지표면에 송신하는 송신부, 상기 지표면에 반사되어 되돌아오는 수신신호를 수신하고, 상기 수신신호와 상기 송신신호를 혼합하여 두 신호 간의 차 주파수를 가지는 비트주파수 신호를 생성하고, 상기 생성된 비트주파수 신호를 디지털 신호로 변환하는 수신부 및 상기 변환된 디지털 신호를 이용하여 상기 지표면과의 거리를 탐색하고, 탐색된 거리를 출력하는 신호처리부를 포함하고, 상기 신호처리부는, 최소거리에서부터 최대거리에 이르는 전체구간을 m개의 구간들로 구분하고, 상기 m개의 구간들에 대하여 서로 다른 기준거리를 설정하며, 상기 m개의 구간들 중 n번째 구간에 설정된 n번째 기준거리에 근거하여, 단위시간 동안 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭을 가지는 주파수 변조 연속파(FMCW)를 생성하도록 상기 직접 디지털 합성기를 제어하고, 상기 변환된 디지털 신호 및 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭을 이용하여 상기 지표면과의 거리를 탐색하며, 상기 지표면과의 거리가 탐색되도록 상기 n은 1부터 m까지인 것을 특징으로 한다.

Description

디지털 방식의 FMCW 전파고도계 및 그것의 고도 탐색방법{DIGITAL FREQUENCY MODULATED CONTINUOUS WAVE RADAR ALTIMETER AND ALTITUDE SEARCH METHOD THEREOF}
본 발명은 디지털 방식의 FMCW 전파고도계 및 그것을 이용한 고도 탐색방법으로, 보다 구체적으로 주파수 변조된 연속파형을 이용하여 지형의 고도 또는 지표면까지의 거리를 측정하기 위한 디지털 방식의 FMCW 전파고도계 및 그것을 이용한 고도 탐색방법에 관한 것이다.
전파고도계(Radar Altimeter)는 전파를 송신하고 지표면에서 반사되어 되돌아오는 반사파를 수신, 분석하여 지형에 대한 여러 가지 정보를 획득하는 장비이다. 예를 들어, 전파고도계는 비행 중인 항공기에 탑재되어 항공기에서 바로 밑의 지표면을 향해서 전파를 발사하고 그 반사파가 되돌아올 때까지의 전파에 소요된 시간을 측정함으로써 항공기와 지표면의 거리, 즉 고도를 측정할 수 있다. 전파고도계는 이런 점에서 항공기의 바로 밑에만 전파를 발사하는 일종의 레이더이며, 전파의 직진성(直進性)과 등속성(等速性)을 이용한 것이므로 그 지시는 대기압이나 온도의 영향을 받지 않는다.
전파고도계는 탑재되는 플랫폼에 따라 위성(spaceborne) 또는 비행기(airborne)용으로 분류할 수 있다. 위성에 탑재되는 전파고도계는 현재 해양학 및 지구물리학의 응용에 널리 이용되어 강수량 측정에 사용되기도 하며, 지표면의 반사계수를 측정하여 풍속, 파랑 주기(wave period) 등을 추론하는데 사용되기도 한다. 비행기에 탑재되는 전파고도계는 남극 해빙의 눈 두께를 측정하는데 사용되기도 하며, 주로 항법 응용에 있어서의 독립된 센서로 사용되어 지표면의 고도를 측정함으로써 지표면 충돌을 피하기 위한 착륙 보조 장치 또는 비행기, 미사일 또는 무인 항공기의 지형추적비행을 위한 용도로 사용되고 있다.
전파고도계에 사용되는 변조 방식에는 주파수 변조 연속파(FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave) 변조 방식과 펄스(pulse) 변조 방식이 있다. FMCW 변조 방식은 1938년 처음 개발되어 민간 항공기에 주로 이용되고 있으며, pulse 변조 방식은 1960년대에 개발되어 군용기에 더 많이 사용되고 있다. FMCW 변조 방식은 송신파와 수신파의 차 주파수(beat frequency)를 FFT(Fast Fourier Transform)를 취하여 최대 세기의 차 주파수에 해당되는 고도를 추적하며, pulse 변조 방식은 수신 pulse의 leading edge를 추적해 최근점 고도를 측정한다.
FMCW 변조 방식 중에서 아날로그 전파고도계는 송신용 주파수 발진기로 아날로그 방식의 전압제어발진기를 사용하는데 주파수 변조의 선형성 및 위상 잡음 특성이 좋지 않다. 이러한 원인은 전압제어발진기가 온도 변화나 전압 불안정과 같은 외부 요인의 영향에 취약하여 발진 주파수가 원하는 주파수에 고정되지 않고 흔들리기 때문이다. 따라서 주파수 변조의 비선형 특성에 의해 비트주파수가 퍼짐 현상이 발생하여 고도 오차가 증가되고, 고도 분해능도 저하된다. 또한 전압제어발진기에서 발생하는 위상잡음은 비트주파수 신호를 오염시켜 전파고도계의 고도 오차 및 고도 분해능의 저하를 가져온다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 단점을 해결하고자 제안된 것으로 직접 디지털 합성기(Direct Digital Synthesizer, DDS)를 이용하여 FMCW 신호를 생성하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계 및 그것의 고도 탐색방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 전파고도계의 동적영역 및 감도를 향상시키면서도 지표면과의 거리를 정확히 탐색할 수 있는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계 및 그것의 고도 탐색방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시 예와 관련된 디지털 방식의 FMCW 전파고도계는, 직접 디지털 합성기를 구비하며, 상기 직접 디지털 합성기를 이용하여 주파수 변조 연속파(FMCW)를 생성하고, 상기 생성된 주파수 변조 연속파를 송신신호로 지표면에 송신하는 송신부, 상기 지표면에 반사되어 되돌아오는 수신신호를 수신하고, 상기 수신신호와 상기 송신신호를 혼합하여 두 신호 간의 차 주파수를 가지는 비트주파수 신호를 생성하고, 상기 생성된 비트주파수 신호를 디지털 신호로 변환하는 수신부 및 상기 변환된 디지털 신호를 이용하여 상기 지표면과의 거리를 탐색하고, 탐색된 거리를 출력하는 신호처리부를 포함하고, 상기 신호처리부는, 최소거리에서부터 최대거리에 이르는 전체구간을 m개의 구간들로 구분하고, 상기 m개의 구간들에 대하여 서로 다른 기준거리를 설정하며, 상기 m개의 구간들 중 n번째 구간에 설정된 n번째 기준거리에 근거하여, 단위시간 동안 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭을 가지는 주파수 변조 연속파(FMCW)를 생성하도록 상기 직접 디지털 합성기를 제어하고, 상기 변환된 디지털 신호 및 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭을 이용하여 상기 지표면과의 거리를 탐색하며, 상기 지표면과의 거리가 탐색되도록 상기 n은 1부터 m까지인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 송신부는, 상기 직접 디지털 합성기, 상기 직접 디지털 합성기에서 생성된 상기 주파수 변조 연속파를 수신하여 출력신호를 생성하고, 상기 생성된 출력신호를 주파수 분주하여 상기 주파수 변조 연속파와 상기 출력신호의 위상을 고정시키는 주파수 합성부 및 상기 주파수 합성부의 출력신호를 상기 송신신호로 상기 지표면에 송신하는 송신 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 제2 항에 있어서, 상기 송신 제어부는, 상기 송신신호가 상기 n번째 기준거리에 도달하도록, 상기 출력신호의 출력전력(output power)을 상기 n번째 기준거리에 근거하여 가변시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 수신부는, 상기 n번째 기준거리에 근거하여 상기 수신신호의 수신 이득을 가변시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 신호처리부는, 상기 단위시간이 지나면, 상기 송신신호의 송신을 중지시키고, 상기 송신이 중지된 상태에서 잡음레벨을 측정하고, 상기 측정된 잡음레벨을 이용하여 임계치를 설정하며, 상기 설정된 임계치와 상기 변환된 디지털 신호의 비교 결과에 근거하여 상기 탐색된 거리의 출력 여부를 결정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 신호처리부는 수학식 1에 근거하여 상기 지표면과의 거리를 탐색하며, 상기 수학식 1은,
Figure 112014070449610-pat00001
이고, fb는 상기 차 주파수(Hz)이고, ΔF는 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭(Hz)이고, fm은 삼각파의 변조 주기(Hz)이며, c는 광속이고, R은 상기 지표면과의 거리인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 n은 상기 단위시간이 지나면 1씩 증가하고, 상기 n이 상기 m보다 커지면 1로 리셋 되며, 상기 n번째 기준거리는 n이 증가할수록 증가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계를 이용하여 지표면과의 거리를 탐색하는 고도 탐색방법으로, 상기 고도 탐색방법은, 탐색범위의 기준이 되는 최소거리와 최대거리를 설정하는 단계 상기 최소거리에서부터 상기 최대거리에 이르는 전체구간을 m개의 구간들로 구분하고, 상기 m개의 구간들에 대하여 서로 다른 기준거리를 설정하는 단계 및 상기 m개의 구간들에 대하여 순차적으로, 각 구간에 설정된 기준거리에 따라 가변되는 주파수 변조 연속파(FMCW)를 이용하여 상기 지표면과의 거리를 탐색하는 단계를 포함하고, 상기 지표면과의 거리를 탐색하는 단계는, 상기 m개의 구간들 중 n번째 구간에 설정된 n번째 기준거리에 근거하여, 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭을 가지는 주파수 변조 연속파(FMCW)를 단위시간 동안 생성하는 단계, 상기 생성된 주파수 변조 연속파를 송신신호로 변환하고, 상기 변환된 송신신호를 상기 지표면으로 송신하는 단계, 수신 안테나를 이용하여 상기 지표면으로부터 반사되어 되돌아오는 수신신호를 수신하는 단계, 상기 송신신호와 상기 수신신호를 혼합하여 두 신호 간의 차 주파수를 가지는 비트주파수 신호를 생성하고, 생성된 비트주파수 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계 및 상기 변환된 디지털 신호 및 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭을 이용하여 상기 지표면과의 거리를 탐색하는 단계를 포함하며, 상기 n은 상기 단위시간이 지나면 1씩 증가하고, 상기 n이 상기 m보다 커지면 1로 리셋 되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 변환된 송신신호를 상기 지표면으로 송신하는 단계는, 상기 주파수 변조 연속파를 수신하여 출력신호를 생성하고, 상기 생성된 출력신호를 주파수 분주하여 상기 주파수 변조 연속파와 상기 출력신호의 위상을 고정시키는 단계 및 상기 출력신호를 상기 변환된 송신신호로 상기 지표면에 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 변환된 송신신호를 상기 지표면으로 송신하는 단계는, 상기 송신신호가 상기 n번째 기준거리에 도달하도록, 상기 출력신호의 출력전력(output power)을 상기 n번째 기준거리에 근거하여 가변시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 지표면과의 거리를 탐색하는 단계는, 상기 n번째 기준거리에 근거하여 상기 수신신호의 수신 이득을 가변시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 지표면과의 거리를 탐색하는 단계는, 상기 단위시간이 지나면, 상기 송신신호의 송신을 중지시키고, 상기 송신이 중지된 상태에서 잡음레벨을 측정하는 단계 및 상기 측정된 잡음레벨을 이용하여 임계치를 설정하는 단계를 포함하고, 상기 탐색된 거리의 출력은 상기 변환된 디지털 신호가 상기 설정된 임계치보다 큰 경우에 한하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 디지털 방식의 FMCW 전파고도계는 탐색하고자 하는 전체거리를 서로 다른 기준거리로 설정된 복수 개의 구간들로 구분하고, 상기 구간들에 대하여 순차적으로 고도 탐색을 수행한다. 상기 서로 다른 기준거리에 따라 FMCW 신호의 변조 대역폭, 송신전력 및 수신단 이득을 가변시켜 제어 운용하기 때문에, 전파고도계의 동적영역 및 감도를 향상시킬 수 있고, 지형의 고도를 정확히 탐색할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 아날로그 FMCW 전파고도계의 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도 탐색방법을 설명하기 위한 흐름도
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 FMCW 신호의 변조 대역폭을 나타내는 도면
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도 탐색 시퀀스를 나타내는 도면
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도 탐색 시의 FMCW 신호의 변조 대역폭을 나타내는 도면
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 디지털 방식의 FMCW 전파고도계의 구성도
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 종래기술에 따른 아날로그 FMCW 전파고도계의 구성도이다.
종래기술에 따른 아날로그 FMCW 전파고도계(10)의 구성도를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하면, 파형 발생기(Waveform Generator, 11)에서 삼각파(Triangular Wave) 변조 파형을 전압제어발진기(VCO: Voltage Controlled Oscillator, 12)에 인가하여 시간 변화에 따라 주파수가 선형적으로 변화하는 주파수 변조(FM: Frequency Modulation) 신호가 만들어지고 방향성 결합기(Directional Coupler, 13)를 거쳐 송신 안테나(14)를 통해 송신된다. 이 송신 신호가 지표면에서 반사되어 되돌아와 수신 안테나(15)를 통해 수신된다. 이 수신 신호는 주파수 혼합기(Mixer, 16)에서 송신 신호와 혼합되어 두 신호 간의 차 주파수에 해당하는 비트주파수의 신호가 만들어지게 된다. 삼각파 변조인 경우의 비트주파수(Hz)는 수학식 1로 표현된다.
Figure 112014070449610-pat00002
여기서, fb는 비트주파수(Hz)이고, ΔF는 주파수 변조 대역폭(Hz)이고, fm은 삼각파의 변조 주기(Hz)이며, c는 광속이고, R은 상기 지표면과의 거리(m)이다.
상기 비트주파수는 비트주파수 판별기(Beat Frequency Discriminator, 17)를 통해 고도 정보를 출력하게 된다.
아날로그 전파고도계는 송신용 주파수 발진기로 아날로그 방식의 전압제어발진기를 사용하는데 주파수 변조의 선형성 및 위상 잡음 특성이 좋지 않다. 이러한 원인은 전압제어발진기가 온도 변화나 전압 불안정과 같은 외부 요인의 영향에 취약하여 발진 주파수가 원하는 주파수에 고정되지 않고 흔들리기 때문이다. 따라서 주파수 변조의 비선형 특성에 의해 비트주파수가 퍼짐 현상이 발생하여 고도 오차가 증가되고, 고도 분해능도 저하된다. 또한 전압제어발진기에서 발생하는 위상잡음은 비트주파수 신호를 오염시켜 전파고도계의 고도 오차 및 고도 분해능의 저하를 가져온다.
이러한 아날로그 전파고도계의 문제점을 해결하기 위한 장치 및 방법으로써, 본원발명에 따른 디지털 방식의 FMCW 전파고도계와 그것의 고도 탐색방법에 대하여 도 2 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도 탐색방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 탐색범위의 기준이 되는 최소거리와 최대거리를 설정하는 단계가 진행된다(S210). FMCW 전파고도계는 메모리를 구비하고, 탐색범위의 기준이 되는 최소거리와 최대거리를 저장할 수 있다. 이러한 최소거리 및 최대거리는 전파고도계가 탑재된 항공기 또는 위성에 따라 다르게 설정될 수 있으며, 설정된 이후 사용자에 의하여 변경되는 것도 가능하다. 예를 들어, 민간 항공기의 경우, 최소거리는 0에서부터 최대거리는 12000m까지 설정될 수 있으며, 위성의 경우, 최소거리는 100km에서 500km까지 설정될 수 있다.
다음으로, 최소거리에서부터 최대거리에 이르는 전체구간을 m개의 구간들로 구분하고, 상기 m개의 구간들에 대하여 서로 다른 기준거리를 설정하는 단계가 진행된다(S220). 고도 탐색이 시작되면, 첫 번째 구간에서부터 마지막 구간에 이르기 까지 순차적으로 각 구간에 대한 고도가 탐색된다. 이때, 복수의 구간들은 서로 다른 기준 거리를 포함하며, 특정 구간에 대한 고도를 탐색하는 경우, 상기 특정 구간에 설정된 특정 기준 거리에 근거하여 고도를 탐색한다.
예를 들어, 최소거리가 500m이고 최대거리가 1000m로 설정되고, 전체구간이 두 개의 구간들로 구분되는 경우, 제1 구간(500m-750m)과 제2 구간(750m-1000m)으로 구분되고, 제1 구간에 대해서는 제1 기준거리(625m)가 설정되고, 제2 구간에 대해서는 제2 기준거리(875m)가 설정될 수 있다. 그리고, 제1 구간에 대한 고도를 탐색하는 경우, 500m에서 750m에 이르는 제1 구간의 전체범위에 대하여 탐색을 수행하고, 제1 기준거리에 근거하여 송신 출력 레벨 및 수신단 이득을 제어한다. 마찬가지로, 제2 구간에 대한 고도를 탐색하는 경우, 750m에서 1000m에 이르는 제2 구간의 전체범위에 대하여 탐색을 수행하고, 제2 기준거리에 근거하여 신 출력 레벨 및 수신단 이득을 제어한다.
전체구간은 실시 예에 따라 다양한 개수의 구간들로 구분될 수 있으며, 각각의 구간들은 서로 다른 기준거리와 서로 다른 탐색범위를 가지며, 상기 서로 다른 기준거리와 상기 서로 다른 탐색범위는 실시 예에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
다음으로, m개의 구간들 중 n번째 구간에 설정된 n번째 기준거리에 근거하여, 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조대역폭을 가지는 주파수 변조 연속파(FMCW)를 단위시간 동안 생성하는 단계가 진행된다(S230).
보다 구체적으로, 기준클럭신호 발생기는 기준클럭신호를 생성하며, 상기 기준클럭신호는 직접디지털합성기의 구동 클럭신호로 이용된다. 직접디지털합성기는 상기 기준클럭신호에 근거하여 주파수 변조 연속파, 즉 FMCW 파형(또는, FMCW 신호)을 생성한다. 이때, FMCW 파형의 변조 대역폭은 신호처리부의 제어를 받으며 고도에 따라 변조 대역폭을 가변한다. 즉, n번째 구간에 대한 고도 탐색이 이루어지는 경우, 상기 n번째 구간에 설정된 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭을 가지는 FMCW 파형을 생성한다.
예를 들어, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 FMCW 신호의 변조 대역폭(ΔF)이 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 변조 대역폭은 고도(R)에 따라 가변되고, 고도에 반비례하는 특징이 있다. 따라서 상술한 수학식 1에 의해 고도가 변화하더라도 비트주파수(fb)가 고정된다. 즉, 상기 고정된 비트주파수 대역만을 포함하도록 수신단의 대역폭을 좁힐 수 있고 이에 따라 열잡음 레벨을 줄일 수 있어 수신기의 감도를 향상시킬 수 있다.
한편, FMCW 파형은 주파수 합성부(또는, 위상잠금루프 주파수 합성기)에 의하여 주파수 잠금이 이루어진다. 보다 구체적으로, 주파수 합성부는 직접디지털합성기로부터 FMCW 파형을 수신하고, 출력신호를 출력하는데, 상기 출력신호를 주파수 분주하여 직접디지털합성기로부터 수신된 신호와 위상 비교하는 위상잠금루프(PLL, Phase Locked Loop)로 구성함으로써, 주파수 합성부의 출력신호가 낮은 위상잡음을 갖는 직접디지털합성기의 특성을 따라갈 수 있다.
계속해서, 주파수 합성부의 출력신호는 저역통과필터를 통해 의도하지 않은 주파수 신호를 억제하고, 송신 제어부에 입력된다. 송신 제어부는 저역통과필터를 통과한 신호를 가변 감쇠시키는 송신 출력 가변감쇠기와, 가변 감쇠된 신호를 증폭하기 위한 송신 증폭기 및 증폭된 신호를 on/off 할 수 있는 송신 스위치를 구비한다.
송신 출력 가변감쇠기의 감쇠 값은 m개의 구간들 중 탐색중인 n번째 구간의 n번째 기준거리에 따라 가변된다. 즉, 출력신호의 출력전력(output power)이 상기 n번째 기준거리에 따라 가변된다. 예를 들어, 제1 구간에 대해서는 제1 기준거리(625m)가 설정되고, 제2 구간에 대해서는 제2 기준거리(875m)가 설정되고, 제1 구간에 대한 고도 탐색이 이루어지는 경우, 신호가 상기 제1 기준거리에 도달하도록 출력전력(또는, 출력레벨)을 제어하고, 제2 구간에 대한 고도 탐색이 이루어지는 경우, 신호가 상기 제2 기준거리에 도달하도록 출력전력(또는, 출력레벨)을 제어할 수 있다.
한편, 송신 스위치 또한 신호처리부의 제어를 받으며, 송신 스위치가 off되면, 신호처리부는 잡음레벨을 체크하여 임계치를 설정하는데 이용한다. 임계치와 관련된 내용은 S270 단계에서 후술한다.
송신 제어부는 송신 증폭기에 의하여 증폭된 신호를 송신안테나(Tx Ant)를 통해 방사한다.
다음으로, 수신 안테나를 이용하여 지표면으로부터 반사되어 되돌아오는 수신신호를 수신하는 단계가 진행된다(S250). 지형에 반사되어 되돌아온 신호는 수신 안테나(Rx Ant)를 통해 수신되고, 저잡음 증폭기를 통해 증폭된다.
저잡음 증폭기의 출력은 수신 이득 제어기에 입력된다. 상기 수신 이득 제어기는 상기 저잡음 증폭기의 출력신호를 증폭시키는 수신 증폭기와 상기 수신 증폭기의 출력을 가변 감쇠시키는 수신 이득 가변감쇠기를 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 수신 이득 가변감쇠기의 감쇠 값은 신호처리부의 제어를 받으며, 이에 따라 수신단의 이득이 고도에 따라 가변된다. 이에 따라, 고도에 따라 송신 출력 레벨 및 수신단 이득이 제어되기 때문에, FMCW 전파고도계의 동적 범위(Dynamic range)가 향상된다.
한편, 수신 이득 제어기의 출력은 하향 주파수 혼합기를 통해 무변조된 기저대역 신호인 비트주파수 신호로 변환된다. 이때, 상기 하향 주파수 혼합기의 국부 발진 신호로 저역통과필터로부터 출력된 신호를 사용한다.
다음으로, 변환된 디지털 신호 및 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭을 이용하여 지표면과의 거리를 탐색하는 단계가 진행된다(S260).
상기 하향 주파수 혼합기의 출력인 비트주파수 신호는 아날로그-디지털 변환기를 거쳐 디지털 신호로 변환되고, 신호처리부로 입력된다. 신호처리부는 입력된 디지털 신호를 이용하여 고도를 탐색한다.
다음으로, 신호처리부는 변환된 디지털 신호가 기 설정된 조건을 만족하는지를 판단하고(S270), 기 설정된 조건을 만족하는 경우, 고도가 정확하게 탐색된 것이므로 탐색된 고도를 출력하고(S280), 기 설정된 조건을 만족하지 않는 경우, n을 순차적으로 증가시켜 가면서 상술한 S230 내지 S270 단계들을 반복해서 수행한다. 즉, 상기 n은 단위시간이 지나면 1씩 증가하고, 상기 n이 상기 m보다 커지면 1로 리셋 되며, 상기 n번째 기준거리는 n이 증가할수록 증가한다.
n번째 구간에 대한 탐색이 시작되기 전에, 신호처리부는 송신 스위치를 오프시키고 잡음 레벨을 측정한다. 측정된 잡음 레벨을 기준으로 임계치를 설정한다. 예를 들어, 측정된 잡음 레벨보다 10db 높은 값을 임계치로 설정할 수 있다.
임계치가 설정되면(또는, 조건이 설정되면), 신호처리부는 송신 스위치를 온시키고 단위시간 동안 n번째 구간에 대한 탐색을 시작한다. 그리고, 변환된 디지털 신호와 상기 임계치를 비교하고, 비교결과에 근거하여 탐색된 고도의 출력여부를 결정한다. 보다 구체적으로, 상기 변환된 디지털 신호가 상기 임계치보다 높은 경우에는 탐색된 고도를 출력하고, 상기 변환된 디지털 신호가 상기 임계치와 동일하거나 상기 임계치보다 작은 경우에는 탐색된 고도를 출력하지 않고, n+1번째 구간에 대한 탐색을 시작한다.
한편, n번째 탐새구간과 n+1번째 탐색구간의 기준 거리는 상이하지만, 탐색범위는 중첩되도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 1번째 구간(또는, 고도 탐색구간 #1)과 2번째 구간(또는, 고도 탐색구간 #2)의 탐색범위는 중첩되도록 설정될 수 있다. 이는 고도 탐색의 정확도를 향상시키기 위함이다.
보다 구체적으로, n번째 구간에서 변환된 디지털 신호가 기 설정된 조건을 만족하는 경우, 고도가 탐색된 것이다. 하지만, 본 발명에 따른 전파고도계는 n+1번째 구간에서 변환된 디지털 신호가 기 설정된 조건을 만족하는 경우에 한하여 탐색된 고도를 출력할 수 있다. 즉, 서로 다른 탐색구간에서 연속해서 기 설정된 조건을 만족하는 고도가 탐색된 경우에 한하여, 탐색된 고도를 출력한다. 예를 들어, 1번째 구간에서 탐색된 고도가 1000m이고 기 설정된 조건을 만족하는 경우, 2번째 구간에 대한 탐색을 수행한다. 2번째 구간에서도 탐색된 고도가 1000m이고 기 설정된 조건을 만족하는 경우에 비로서 탐색된 고도에 대한 정보를 출력한다. 다른 예를 들어, 2번째 구간에서 변환된 디지털 신호가 기 설정된 조건을 만족하지 않는 경우에는 3번째 구간에 대한 탐색을 수행한다.
한편, 비행기에 전파고도계가 탑재되는 경우, 비행기의 이동속도에 대응하여 고도를 탐색해야하기 때문에, 전체구간에 대한 탐색은 1초보다 짧은 시간에 이루어진다. 즉, 상기 단위시간은 밀리초(millisecond)보다 짧게 설정될 수 있다.
한편, 고도를 탐색하는 방법에 대하여 도 4 내지 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도 탐색 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 고도를 탐색하기 위하여 최소거리에서 최대거리에 이르는 전체구간을 총 9개의 구간들로 구분한 실시 예가 도시되어 있다. 한 개의 탐색 주기(unit search cycle, 또는 하나의 탐색구간)은 동일한 처리 시간(unit processing time, ΔT)을 갖는다. 즉, 동일한 단위시간 동안 탐색구간에 대응되는 변조 대역폭을 가지는 주파수 변조 연속파를 생성한다. 제1 탐색구간(0 내지 ΔT) 동안에는 검정색 실선으로 표현된 기준고도(제1 기준고도)에 해당하는 변조 대역폭, 송신 출력 및 수신단 이득을 갖도록 신호들을 송수신하며, 고도를 탐색한다. 또한, 제2 탐색구간(ΔT 내지 2ΔT)에는 제1 기준고도보다 높은 고도를 갖는 제2 기준고도에 대응하는 변조 대역폭, 송신 출력 및 수신단 이득으로 신호들을 송수신하며, 고도를 탐색한다.
이렇듯 최소고도에서 최대고도까지를 총 9 단계의 구간들로 구분하고, 상기 구간들 각각에 대하여 서로 다른 기준고도를 설정하고, 단위시간별로 기준고도를 변화시키며 고도를 탐색하게 된다. 이때, n번째 구간과 n+1번째 구간에서 탐색되는 탐색범위를 중첩하도록 설정하고, 연속해서 2번 이상 기 설정된 조건을 만족하는 고도가 탐색되면, 탐색된 고도를 출력할 수 있다. 결국 2 of 3, 2 cycle의 탐색 방법을 통해 고도 탐색의 신뢰성을 높일 수 있다.
계속해서, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도 탐색 시의 FMCW 신호의 변조 대역폭을 나타내는 도면이다. 변조 대역폭은 상기 9 단계에 대한 단위시간(ΔT)에 따른 변조 대역폭을 나타낸 것이고, 상기 변조 대역폭의 변화는 도 3의 그래프를 따른다. 한편, 각 단위시간에 있어서 무변조 구간에서는 송신 스위치를 off하고 잡음 레벨을 측정한다. 제1 구간에서 측정된 잡음레벨을 이용하여 상기 제1 구간에 대한 임계치를 설정하는데, 상기 잡음레벨보다 10dB 크도록 임계치를 설정한다. 즉, n번째 구간에서 측정된 잡음레벨을 이용하여, 상기 n번째 구간에 대한 임계치를 설정한다.
신호처리부는 설정된 임계치에 근거하여 변환된 디지털 신호가 상기 임계치보다 큰 경우, 기 설정된 조건을 만족하는 것으로 판단하여 탐색된 고도를 출력한다.
상술한 고도 탐색방법을 수행하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계의 구성요소에 대하여 도 6을 참조하여 구체적으로 살펴본다. 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 디지털 방식의 FMCW 전파고도계의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 디지털 방식의 FMCW 전파고도계(100)는 기준클럭신호 발생기(110), 직접디지털합성기(120), 주파수 합성부(130), 저역통과필터(140), 송신 출력 제어기(150), 전력 증폭기(160), 저잡음 증폭기(170), 수신 이득 제어기(180), 하향 주파수 혼합기(190), 아날로그-디지털 변환기(200) 및 신호처리부(210)를 포함하여 구성할 수 있다. 이하 구성에 대해 세부적으로 설명한다.
먼저, 기준클럭신호 발생기(100)는 기준클럭신호를 발생하여 직접디지털합성기(120)의 구동 클럭신호로 사용된다. 직접디지털합성기(120)에서는 주파수 변조된 연속파형 즉, FMCW 파형을 발생한다. 이때, 상기 FMCW 파형의 변조 대역폭은 신호처리부(210)의 제어를 받으며 고도에 따라 변조 대역폭을 가변한다. 주파수 합성부(130)에서는 출력신호를 주파수 분주하여 상기 직접디지털합성기(120) 신호와 위상 비교하는 위상잡금루프(PLL, Phase Locked Loop)로 구성함으로써, 주파수 합성부(130)의 출력신호가 낮은 위상잡음을 갖는 직접디지털합성기(120) 특성을 따라갈 수 있도록 하였다. 따라서 디지털 FMCW 전파고도계(100)는 송신용 주파수 발진기로 직접디지털합성기와 위상잠금루프를 활용함으로써 주파수 변조의 선형성 확보할 수 있고, 위상 잡음을 크게 억제할 수 있다.
또한, 주파수 합성부(130)의 출력은 저역통과필터(140)을 통해 원치 않는 주파수 신호가 억제되고, 송신 출력 제어기(150)에 입력된다. 상기 송신 출력 제어기(150)는 상기 저역통과필터(140)를 통과한 신호를 가변 감쇠시키는 송신 출력 가변감쇠기(151)와, 가변 감쇠된 신호를 증폭하기 위한 송신 증폭기(152) 및 증폭된 신호를 on/off 할 수 있는 송신 스위치(153)를 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 송신 출력 가변감쇠기(151)의 감쇠 값은 신호처리부(210)의 제어를 받으며, 이에 따라 송신 출력 레벨은 고도에 따라 가변된다. 상기 송신 스위치(153) 또한 상기 신호처리부(210)의 제어를 받으며, 주파수 변조 연속파의 송신을 중지시켜 잡음 레벨을 체크할 수 있도록 온 또는 오프된다.
또한, 상기 송신 출력 제어기(150)의 출력은 전력 증폭기(160)을 통해 증폭되고 다라서 FMCW 변조된 신호가 송신안테나(Tx Ant)를 통해 방사된다. 지형에 반사되어 되돌아온 신호는 수신 안테나(Rx Ant)를 통해 수신되고, 저잡음 증폭기(170)를 통해 증폭된다.
또한, 상기 저잡음 증폭기(170)의 출력은 수신 이득 제어기(180)에 입력된다. 상기 수신 이득 제어기(180)는 상기 저잡음 증폭기(170) 신호를 증폭시키는 수신 증폭기(181)와 상기 수신 증폭기(181)의 출력을 가변 감쇠시키는 수신 이득 가변감쇠기(182)를 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 수신 이득 가변감쇠기(182)의 감쇠 값은 상기 신호처리부(210)의 제어를 받으며, 이에 따라 수신단의 이득이 고도에 따라 가변된다. 따라서 고도에 따라 송신 출력 레벨 및 수신단 이득을 제어함으로써, 상기 디지털 FMCW 전파고도계(100)의 동적 범위(Dynamic range)를 향상 시킬 수 있다.
또한, 상기 수신 이득 제어기(180)의 출력은 하향 주파수 혼합기(190)을 통해 무변조된 기저대역 신호인 상기 비트주파수 신호로 변환된다. 이때, 상기 하향 주파수 혼합기(190)의 국부 발진 신호로 상기 저역통과필터(140)의 출력을 사용한다.
또한, 상기 하향 주파수 혼합기(190) 출력인 비트주파수 신호는 아날로그-디지털 변환기(200)를 거쳐 디지털 신호로 변환되고, 신호처리부(210)로 입력되어 고도를 탐색하게 된다. 상기 신호처리부(210)는 고도 계산 기능뿐만 아니라, 상기 직접디지털합성기(120), 상기 송신 출력 가변 감쇠기(151), 상기 송신 스위치(153) 및 상기 수신 이득 가변감쇠기(182)를 제어한다.
상술한 바와 같은 디지털 방식의 FMCW 전파고도계 및 그것의 고도 탐색방법에 따르면, FMCW 신호를 직접 디지털 합성기(direct digital systhesizer, DDS)로 생성하고 고도에 따라 FMCW 신호의 변조 대역폭, 송신전력 및 수신단 이득을 제어 운용함으로써, 전파고도계의 동적영역 및 감도를 향상시킬 수 있고 지형의 고도를 정확히 탐색할 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 전파고도계의 신호처리부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (12)

  1. 직접 디지털 합성기를 구비하며, 상기 직접 디지털 합성기를 이용하여 주파수 변조 연속파(FMCW)를 생성하고, 상기 생성된 주파수 변조 연속파를 송신신호로 지표면에 송신하는 송신부;
    상기 지표면에 반사되어 되돌아오는 수신신호를 수신하고, 상기 수신신호와 상기 송신신호를 혼합하여 두 신호 간의 차 주파수를 가지는 비트주파수 신호를 생성하고, 상기 생성된 비트주파수 신호를 디지털 신호로 변환하는 수신부; 및
    상기 변환된 디지털 신호를 이용하여 상기 지표면과의 거리를 탐색하고, 탐색된 거리를 출력하는 신호처리부를 포함하고,
    상기 신호처리부는,
    최소거리에서부터 최대거리에 이르는 전체구간을 m개의 구간들로 구분하고, 상기 m개의 구간들에 대하여 서로 다른 기준거리를 설정하며,
    상기 m개의 구간들 중 n번째 구간에 설정된 n번째 기준거리에 근거하여, 단위시간 동안 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭을 가지는 주파수 변조 연속파(FMCW)를 생성하도록 상기 직접 디지털 합성기를 제어하고,
    상기 변환된 디지털 신호 및 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭을 이용하여 상기 지표면과의 거리를 탐색하며,
    상기 지표면과의 거리가 탐색되도록 상기 n은 1부터 m까지인 것을 특징으로 하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 송신부는,
    상기 직접 디지털 합성기;
    상기 직접 디지털 합성기에서 생성된 상기 주파수 변조 연속파를 수신하여 출력신호를 생성하고, 상기 생성된 출력신호를 주파수 분주하여 상기 주파수 변조 연속파와 상기 출력신호의 위상을 고정시키는 주파수 합성부; 및
    상기 주파수 합성부의 출력신호를 상기 송신신호로 상기 지표면에 송신하는 송신 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 송신신호가 상기 n번째 기준거리에 도달하도록, 상기 출력신호의 출력전력(output power)을 상기 n번째 기준거리에 근거하여 가변시키는 것을 특징으로 하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 수신부는,
    상기 n번째 기준거리에 근거하여 상기 수신신호의 수신 이득을 가변시키는 것을 특징으로 하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    상기 단위시간이 지나면, 상기 송신신호의 송신을 중지시키고, 상기 송신이 중지된 상태에서 잡음레벨을 측정하고, 상기 측정된 잡음레벨을 이용하여 임계치를 설정하며, 상기 설정된 임계치와 상기 변환된 디지털 신호의 비교 결과에 근거하여 상기 탐색된 거리의 출력 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 신호처리부는 수학식 1에 근거하여 상기 지표면과의 거리를 탐색하며,
    상기 수학식 1은,
    Figure 112014070449610-pat00003
    이고,
    fb는 상기 차 주파수(Hz)이고, ΔF는 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭(Hz)이고, fm은 삼각파의 변조 주기(Hz)이며, c는 광속이고, R은 상기 지표면과의 거리인 것을 특징으로 하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 n은 상기 단위시간이 지나면 1씩 증가하고, 상기 n이 상기 m보다 커지면 1로 리셋 되며,
    상기 n번째 기준거리는 n이 증가할수록 증가하는 것을 특징으로 하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계.
  8. 디지털 방식의 FMCW 전파고도계를 이용하여 지표면과의 거리를 탐색하는 고도 탐색방법에 있어서,
    탐색범위의 기준이 되는 최소거리와 최대거리를 설정하는 단계;
    상기 최소거리에서부터 상기 최대거리에 이르는 전체구간을 m개의 구간들로 구분하고, 상기 m개의 구간들에 대하여 서로 다른 기준거리를 설정하는 단계; 및
    상기 m개의 구간들에 대하여 순차적으로, 각 구간에 설정된 기준거리에 따라 가변되는 주파수 변조 연속파(FMCW)를 이용하여 상기 지표면과의 거리를 탐색하는 단계를 포함하고,
    상기 지표면과의 거리를 탐색하는 단계는,
    상기 m개의 구간들 중 n번째 구간에 설정된 n번째 기준거리에 근거하여, 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭을 가지는 주파수 변조 연속파(FMCW)를 단위시간 동안 생성하는 단계;
    상기 생성된 주파수 변조 연속파를 송신신호로 변환하고, 상기 변환된 송신신호를 상기 지표면으로 송신하는 단계;
    수신 안테나를 이용하여 상기 지표면으로부터 반사되어 되돌아오는 수신신호를 수신하는 단계;
    상기 송신신호와 상기 수신신호를 혼합하여 두 신호 간의 차 주파수를 가지는 비트주파수 신호를 생성하고, 생성된 비트주파수 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계; 및
    상기 변환된 디지털 신호 및 상기 n번째 기준거리에 대응되는 변조 대역폭을 이용하여 상기 지표면과의 거리를 탐색하는 단계를 포함하며,
    상기 n은 상기 단위시간이 지나면 1씩 증가하고, 상기 n이 상기 m보다 커지면 1로 리셋 되는 것을 특징으로 하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계의 고도 탐색방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 변환된 송신신호를 상기 지표면으로 송신하는 단계는,
    상기 주파수 변조 연속파를 수신하여 출력신호를 생성하고, 상기 생성된 출력신호를 주파수 분주하여 상기 주파수 변조 연속파와 상기 출력신호의 위상을 고정시키는 단계; 및
    상기 출력신호를 상기 변환된 송신신호로 상기 지표면에 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계의 고도 탐색방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 변환된 송신신호를 상기 지표면으로 송신하는 단계는,
    상기 송신신호가 상기 n번째 기준거리에 도달하도록, 상기 출력신호의 출력전력(output power)을 상기 n번째 기준거리에 근거하여 가변시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계의 고도 탐색방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 지표면과의 거리를 탐색하는 단계는,
    상기 n번째 기준거리에 근거하여 상기 수신신호의 수신 이득을 가변시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계의 고도 탐색방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 지표면과의 거리를 탐색하는 단계는,
    상기 단위시간이 지나면, 상기 송신신호의 송신을 중지시키고, 상기 송신이 중지된 상태에서 잡음레벨을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 잡음레벨을 이용하여 임계치를 설정하는 단계를 포함하고,
    상기 탐색된 거리의 출력은 상기 변환된 디지털 신호가 상기 설정된 임계치보다 큰 경우에 한하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디지털 방식의 FMCW 전파고도계의 고도 탐색방법.
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