KR102170631B1 - 직접변환 방식 통신 rf칩을 활용한 계단 주파수 방식 광대역 레이더의 분해능 향상을 위한 신호처리 방법 - Google Patents

직접변환 방식 통신 rf칩을 활용한 계단 주파수 방식 광대역 레이더의 분해능 향상을 위한 신호처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계단 주파수(Stepped frequency) 방식의 광대역 레이더 시스템에 관한 것으로 구체적으로는 직접변환 방식의 통신용 RF칩 내 신호처리 알고리즘을 통해 목표 물체의 응답특성을 획득하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 레이더는 2채널의 수신부를 구비함으로써, 각각의 신호가 믹싱되지 않은 상태로, 각 신호에 포함된 DC 성분과 주파수 성분에 대한 필터링을 수행할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 레이더는 DC 성분이 혼재되지 않고도 효율적으로 제거될 수 있다는 효과가 있다.

Description

직접변환 방식 통신 RF칩을 활용한 계단 주파수 방식 광대역 레이더의 분해능 향상을 위한 신호처리 방법{A Signal Processing Method for Improving the Resolution of a Stepped Frequency Broadband Radar Using a Direct Conversion Method RF Chip}
본 발명은 계단 주파수(Stepped frequency) 방식의 광대역 레이더 시스템에 관한 것으로 구체적으로는 직접변환 방식의 통신용 RF칩 내 신호처리 알고리즘을 통해 목표 물체의 응답특성을 획득하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고분해능 레이더를 구현하기 위한 방법으로, 도 1a와 같이 연속파를 이용한 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식과 도 1b와 같이 계단 주파수(Stepped frequency) 방식이 있다. 상술한 두 방식 모두 RF 대역폭이 광대역(Broadband)이지만, 최종적인 기저대역(baseband) 신호는 협대역이다. 이에, 상술한 두 방식은 고속 펄스파를 이용하는 펄스 레이더에 비하여 구현이 용이하고 우수한 분해능을 가진다.
다만, FMCW 레이더는 대역폭이 넓어질수록 주파수 합성기 소자 특성상 비선형 특성이 나타나게 되고, 이로 인해 신호 수신 감도가 저하되는 문제가 있다. 반면, 계단 주파수(Stepped Frequency) 레이더는 주파수를 순차적으로 바꾸면서 측정하므로 FMCW 레이더와 같이 감도가 저하되는 단점을 피할 수 있는 장점이 있다.
한편, 주파수 합성기는 주파수의 범위가 넓어질수록 VCO이득(KVCO)과 분주비 N의 변화가 커지므로, 출력주파수에 따라 위상잡음(Phase Noise), 루프대역폭(Loop Band Width: LBW), 동기시간(Lock Time)이 크게 변한다. 따라서, 주파수 합성기의 대역폭이 넓어질수록 최적화 설계가 어렵고 비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 필요성에 따른 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, SF(Stepped Frequency) 방식의 광대역 레이더 시스템을 활용하여, 고비용의 광대역 주파수 합성기 대신에 저가의 직접변환 방식의 통신용 RF칩을 이용한 계단 주파수(Stepped Frequency) 방식의 레이더를 제공하는 것이다.
구체적으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 직접변환 방식의 RF칩의 DC 성분을 알고리즘 신호처리를 통해 효과적으로 제거하여 저가의 고분해능 계단 주파수 방식 광대역 레이더를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 2채널 수신부를 이용한 광대역 레이더는, 제1 주파수로 발진된 제1 신호를 목표물로 송신하는 송신부; 상기 제1 신호에 대하여 제2 주파수만큼 발진된 제2 신호를 수신하는 제1 수신부; 상기 제1 신호에 상기 목표물의 응답 특성이 반영된 제3 신호에 대하여 상기 제2 주파수로 발진된 제4 신호를 수신하는 제2 수신부; 및 상기 제2 신호 및 제4 신호에 대하여 저역 통과 필터링(Low pass filtering)을 수행하고, 상기 저역 통과 필터링된 제2 신호 및 제4 신호에 대해 상기 목표물의 응답 특성을 획득하는 적어도 하나의 신호처리부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2신호는 상기 제1 신호에 복소 컨쥬게이션(conjugation)이 수행된 후 상기 제2 주파수만큼 발진되어, 상기 제2 주파수와 상기 제1 주파수의 차이인 제3 주파수를 포함하는 신호이고, 상기 제4 신호는 상기 제3 신호에 복소 컨쥬게이션(conjugation)이 수행된 후 상기 제2 주파수만큼 발진되어, 상기 제2 주파수와 상기 제1 주파수의 차이인 제3 주파수를 포함하는 신호이고, 상기 신호처리부는 상기 제2 신호 및 제4 신호에 상기 제3주파수의 복소 컨쥬게이트 신호를 믹싱(mixing)하여 상기 제3 주파수 성분을 제거할 수 있다.
또한, 상기 송신부는 상기 제1 주파수로 신호를 발진하는 제1 주파수 합성기;를 더 포함하고, 상기 제1 신호 및 제3 신호는 상기 제1 주파수 합성기의 발진에 의한 제1 위상잡음을 포함하고, 상기 제1 수신부 및 제2 수신부는 상기 제2 주파수로 신호를 발진하는 제2 주파수 합성기;를 더 포함하고, 상기 제2 신호 및 제4 신호는 상기 제2 주파수 합성기의 발진에 의한 제2 위상잡음을 포함하고, 상기 신호처리부는 상기 제2 신호에 복소 컨쥬게이션을 수행 후 상기 제4 신호와 믹싱하여 상기 제1 위상잡음 및 제2 위상잡음을 제거할 수 있다.
또한, 상기 광대역 레이더는 계단 주파수(Step Frequency) 방식을 사용하고, 기설정된 시간 간격으로 상기 제1 및 제2 주파수를 순차적으로 변경하여 상기 목표물의 응답 특성을 획득할 수 있다.
또한, 상기 제1 신호 및 제3 신호는 상기 제1 주파수 합성기 발진에 따른 제1 위상 잡음을 포함하고, 상기 제2 신호 및 제4 신호는 상기 제1 위상 잡음 및 상기 제2 주파수 합성기 발진에 따른 제2 위상 잡음을 포함하고, 상기 신호처리부는 상기 저역 통과 필터링된 제2 신호 및 제4 신호에 포함된 상기 제1 위상 잡음 및 제2 위상 잡음을 제거하는 보정을 수행하여 상기 목표물의 응답 특성을 획득할 수 있다.
또한, 상기 신호처리부는 상기 획득한 목표물의 응답 특성에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)을 수행하여 상기 목표물의 시간 영역에서의 거리 특성을 획득할 수 있다.
또한,　상기 적어도 하나의 신호처리부는 FPGA(Field-programmable gate array)로 구현될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 수신부를 이용한 광대역 레이더의 신호처리 방법은, 상기 레이더에 포함된 송신부에 의해, 제1 주파수로 발진된 제1 신호를 목표물로 송신하는 단계; 상기 레이더에 포함된 제1 수신부에 의해, 상기 제1 신호에 대하여 제2 주파수만큼 발진된 제2 신호를 수신하는 단계; 상기 레이더에 포함된 제2 수신부에 의해, 상기 제1 신호에 상기 목표물의 응답 특성이 반영된 제3 신호에 대하여 상기 제2 주파수로 발진된 제4 신호를 수신하는 단계; 및 상기 레이더에 포함된 신호처리부에 의해, 상기 제2 신호 및 제4 신호에 대하여 저역 통과 필터링(Low pass filtering)을 수행하고, 상기 저역 통과 필터링된 제2 신호 및 제4 신호에 대해 상기 목표물의 응답 특성을 획득하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2신호는 상기 제1 신호에 복소 컨쥬게이션(conjugation)이 수행된 후 상기 제2 주파수만큼 발진되어, 상기 제2 주파수와 상기 제1 주파수의 차이인 제3 주파수를 포함하는 신호이고, 상기 제4 신호는 상기 제3 신호에 복소 컨쥬게이션(conjugation)이 수행된 후 상기 제2 주파수만큼 발진되어, 상기 제2 주파수와 상기 제1 주파수의 차이인 제3 주파수를 포함하는 신호이고, 상기 응답 특성을 획득하는 단계는 상기 제2 신호 및 제4 신호에 상기 제3주파수의 복소 컨쥬게이트 신호를 믹싱(mixing)하여 상기 제3 주파수 성분을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 신호 및 제3 신호는 제1 주파수 합성기의 발진에 의한 제1 위상잡음을 포함하고, 상기 제2 신호 및 제4 신호는 제2 주파수 합성기의 발진에 의한 제2 위상잡음을 포함하고, 상기 응답 특성을 획득하는 단계는 상기 제2 신호에 복소 컨쥬게이션을 수행 후 상기 제4 신호와 믹싱하여 상기 제1 위상잡음 및 제2 위상잡음을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 응답 특성을 획득하는 단계는 기설정된 시간 간격으로 상기 제1 및 제2 주파수를 순차적으로 변경하여 상기 목표물의 응답 특성을 획득하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 응답 특성을 획득하는 단계는 상기 저역 통과 필터링된 제2 신호 및 제4 신호에 포함된 제1 위상 잡음 및 제2 위상 잡음을 제거하는 보정을 수행하여 상기 목표물의 응답 특성을 획득하는 것일 수 있다.
또한, 상기 응답 특성을 획득하는 단계는 상기 획득한 목표물의 응답 특성에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)을 수행하여 상기 목표물의 시간 영역에서의 거리 특성을 획득하는 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 기록매체는 상술한 2채널 수신부를 이용한 광대역 레이더의 신호처리 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 청구범위 및 발명의 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명에 따르면, 기저대역 신호를 RF(Radio Frequency)로 직접 변환하는 직접변환 방식을 사용하는 통신용 RF 송수신기를 이용하여 SF 방식의 광대역 레이더 시스템의 제작 비용 절감할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 레이더는 2채널의 수신부를 구비함으로써, 각각의 신호가 믹싱되지 않은 상태로, 각 신호에 포함된 DC 성분과 주파수 성분에 대한 필터링을 수행할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 레이더는 DC 성분이 혼재되지 않고도 효율적으로 제거될 수 있다는 효과가 있다.
도 1a 및 1b는 고분해능 레이더를 구현하기 위한 FMCW 방식 및 계단 주파수 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 직접변환 방식의 RF칩을 이용한 계단 주파수 방식의 레이더를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 별도의 장비 없이도 신호처리 알고리즘을 통해 목표물의 응답 특성을 획득함으로써, 직접변환 방식의 광대역 레이더 분해능을 향상시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
또한, 본 문서에서 사용된 "제 1," "제 2," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어((operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
이하에서, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1a 및 1b는 고분해능 레이더를 구현하기 위한 FMCW 방식 및 계단 주파수 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 1a와 같이 연속파를 이용한 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식과 도 1b와 같이 계단 주파수(Stepped frequency) 방식이 있다. 상술한 두 방식 모두 RF 대역폭이 광대역(Broadband)이지만, 최종적인 기저대역(baseband) 신호는 협대역이다. 이에, 상술한 두 방식은 고속 펄스파를 이용하는 펄스 레이더에 비하여 구현이 용이하고 우수한 분해능을 가진다.
다만, FMCW 레이더는 대역폭이 넓어질수록 주파수 합성기 소자 특성상 비선형 특성이 나타나게 되고, 이로 인해 신호 수신 감도가 저하되는 문제가 있다. 반면, 계단 주파수(Stepped Frequency) 레이더는 주파수를 순차적으로 바꾸면서 측정하므로 FMCW 레이더와 같이 감도가 저하되는 단점을 피할 수 있는 장점이 있다.
이에 따라, 본 발명의 광대역 레이더는 계단 주파수(Stepped Frequency) 방식을 이용한 것을 기반으로 설명하기로 한다.
도 2는 종래의 직접변환 방식의 RF칩을 이용한 계단 주파수 방식의 레이더를 설명하기 위한 도면이다.
일반적으로 계단 주파수 방식의 레이더에 포함된 광대역 주파수 합성기는 구현의 난이도가 높고 가격이 높다는 단점이 있다. 상술한 문제점 때문에, 본 발명의 레이더는 가격이 높은 광대역 주파수 합성기 대신에 저가의 직접 변환 방식의 통신용 RF칩을 이용하여 계단 주파수(SF, Stepped Frequency) 방식의 레이더를 구현하는 방법을 제시한다.
통신용 RF 송수신기는 기저대역 신호를 RF로 직접 상향 및 하향 변환하는 직접변환 방식을 사용하기 때문에 제작 비용 절감할 수 있다.
도 2를 참조하면, 직접변환 RF 송신기는 f1의 주파수를 가지는 신호 ej2πf1t를 목표물로 송신할 수 있다. 이후 주파수 합성기를 통해 송신한 신호 ej2πf1t와 목표물에 반사되어 수신되는 신호 αej2πf1(t-τ)를 주파수 합성기를 통해 믹싱(mixing)할 수 있다. 이때, α와 τ는 목표물의 응답 특성일 수 있다.
도 2와 같이 SF 레이더에서 송신 주파수와 수신 주파수를 동일하게 설정하면 믹싱된 모든 주파수 신호는 기저대역에서 주파수 성분이 0인 DC 신호가 될 수 있다. 즉, 직접 변환 RF방식에서는 항상 기저대역에서 DC 성분이 존재하므로 이로 인한 오차가 발생할 수 있다.
구체적으로 도 2를 참조하면, 직접변환 RF 칩 자체에 내재된 DC 성분과 송신 주파수와 수신 주파수를 동일하게 한 결과 생성된 αej2πf1t(DC 성분)이 혼재하게 되며, 혼재된 DC 성분은 별도로 이를 분리하기 어렵다.
나아가, RF주파수를 IF주파수를 거치지 않고 기저대역(Baseband)로 직접 하향(Down Mixing)하면, RF주파수와 LO(Local Oscillator) 주파수가 같게 되며, 아무 신호가 실리지 않은 LO 주파수의 누수(leakage)가 발생할 수 있다. 특히 저잡음 증폭기(LNA, Low Noise Amplifier) 등을 거쳐서 증폭돼버린 LO 누수 신호가 믹서(mixer)에서 LO주파수와 믹싱 되면, DC 성분이 출력될 수 있다.
즉, RF 주파수에서 자체적으로 발생한 DC 성분과 안테나 수신 신호로 인한 DC 성분이 혼재하여 오차가 발생하여 시스템 성능이 저하될 수 있다. 따라서, DC 성분을 제거하기 위해서 다양한 방법들이 시도되고 있으며, 펄스 모드(pulsed mode) 통신에서는 통신이 이루어지지 않는 시간 중에 DC 전하를 방전시키는 방법, 무선랜에서는 DC 주파수 영역에 아예 신호를 싣지 않도록 고안된 OFDM방식을 이용하는 방법, CDMA의 경우는 자울 교정(self-calibration)방법 등이 이용되고 있다.
또는 RF 자체에서 발생하는 DC 성분의 제거는 네트워크 분석기(network analyzer)와 같은 고가의 정밀 장비를 이용한 복잡한 처리 방식이 필요한데 GPR(Ground Penetrating Radar) 시스템과 같이 이동형 장비의 경우에는 이러한 시스템을 구축하는 것이 쉽지 않다.
이에 따라, 상술한 해결 방법이 외에, 본 발명은 레이더 내 신호처리부에서 알고리즘 신호처리를 통한 위상 보정으로 DC 성분을 제거하는 방법을 제안한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 별도의 장비 없이도 신호처리 알고리즘을 통해 목표물의 응답 특성을 획득함으로써, 직접변환 방식의 광대역 레이더 분해능을 향상시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 레이더는 신호처리부(1000)를 포함하고 있을 수 있다. 신호처리부(1000)는 목표물을 탐지하기 위한 신호를 송신하도록 송신부를 제어할 수 있고, 수신부를 통해 수신한 신호에 대해 위상 보정을 수행하고 목표물에 대한 응답 특성 등 다양한 정보를 획득할 수 있다.
이때, 신호처리부(1000)는 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현된 것일 수 있으나, 이에 한정하지 않으며 별도의 프로세서(미도시)에 포함된 구성일 수 있다. 이때 프로세서(미도시)는 디지털 신호를 처리하는 디지털 시그널 프로세서(digital signal processor(DSP), 마이크로프로세서(microprocessor), TCON(Time controller)으로 구현될 수 있다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 중앙처리장치(central processing unit(CPU)), MCU(Micro Controller Unit), MPU(micro processing unit), 컨트롤러(controller), 애플리케이션 프로세서(application processor(AP)), 또는 커뮤니케이션 프로세서(communication processor(CP)), ARM 프로세서 중 하나 또는 그 이상을 포함하거나, 해당 용어로 정의될 수 있다.
한편, 신호처리부(1000)는 목표물을 감지하기 위한 송신 신호를 생성할 수 있다. 구체적으로, 신호처리부(1000)는 DC 성분의 디지털 신호인 I(301)를 출력할 수 있고, DAC(Digital Analogue Converter)를 통해 아날로그 신호로 변환할 수 있다(S310). 신호처리부(1000)는 송신부(2000)에 포함된 제1 주파수 합성기의 발진을 통해 I(301)의 주파수를 f1으로 상향 변환(up mixing)할 수 있다. 즉, I(301)는 ej2πf1t의 주파수로 출력될 수 있다.
이때, 주파수 합성기는 저 위상잡음 특성과 안정된 출력 주파수를 얻기 위해 위상고정루프(Phase Locked Loop; 이하, PLL)를 구비할 수 있고, PLL에 의해 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator)는 안정적으로 고정된 주파수(또는 위상)의 신호를 발진할 수 있다.
특히, 저 위상잡음 특성을 갖는 고주파용 주파수 합성에서는 단일루프 구조로 체배기를 사용하여 고주파 대역 신호를 발진하거나 이중루프 또는 다중루프 구조인 업-믹싱(Up-Mixing) 혹은 다운-믹싱(Down-Mixing) 방식을 사용할 수 있다.
한편, I(301)는 제1 주파수 합성기를 통한 발진 결과로 Tx 위상 잡음 ejΦt(t)를 포함할 수 있다. 결과적으로 I(301)는 ej2πf1t+jΦt(t)(302)의 주파수만큼 상향 변환되어 ej2πf1t+jΦt(t)(303)의 송신 신호로 변환될 수 있고, 송신부(2000)는 ej2πf1t+jΦt(t)(303)의 송신 신호를 목표물로 송신할 수 있다.
신호처리부(1000)는 ej2πf1t+jΦt(t)(303)의 송신 신호를 곧바로 수신부로 전달할 수 있다. 구체적으로, 제1 수신부(3000)는 송신부(2000)로부터 전달된 ej2πf1t+jΦt(t)(303)의 송신 신호에 복소 컨쥬게이션(conjugation)을 수행할 수 있다(S311). 이후 제1 수신부(3000)는 컨쥬게이션된 신호를 제1 주파수 합성기의 f1에 Δf만큼 차이가 나는 f1+Δf 주파수만큼 이동하도록 변환할 수 있다. 이때, f1+Δf 주파수만큼 변환에는 제2 주파수 합성기가 사용되는데, 제2 주파수 합성기의 발진 시 Rx 위상 잡음 ejΦτ(t)이 발생할 수 있다. 즉, 컨쥬게이션된 송신 신호 ej2πf1t+jΦt(t)(303)는 ejΦτ(t)만큼 주파수 이동되어 ej2π(f1+Δf)t+jΦr(t)(304)로 주파수 이동될 수 있다. 한편, 제1 수신부(3000)는 수신부의 자체 DC 노이즈 값 d1을 가질 수 있고, 결과적으로 제1 수신부(3000)는 d1+ej2πΔft+j(Φr(t)-Φt(t))(305)의 신호를 수신할 수 있다.
한편, 목표물로 송신된 송신 신호 ej2πf1t+jΦt(t)(303)는 목표물에 반사되어 응답특성 α 및 거리특성 τ이 반영될 수 있다. 구체적으로, 제2 수신부(4000)는 목표물로부터 반사된 αej2πf1(t-τ)+jΦt(t)(306)을 수신할 수 있다. 이후 제1 수신부(3000)는 컨쥬게이션된 신호를 제1 주파수 합성기의 f1과 상이한 주파수인 f1+Δf 주파수만큼 변환할 수 있다. 이때, f1+Δf 주파수만큼 변환에는 제2 주파수 합성기가 사용되는데, 제2 주파수 합성기의 발진 시 Rx 위상 잡음 ejΦτ(t)이 발생할 수 있다. 즉, 컨쥬게이션된 송신 신호 ej2πf1t+jΦt(t)(303)는 ej2π(f1+Δf)t+jΦr(t)(304)만큼 주파수 이동이 발생한다. 한편, 제2 수신부(4000)는 수신부의 자체 DC 노이즈 값 d2를 가질 수 있고, 결과적으로 제2 수신부(4000)는 d2+αej2πτej2πΔft+j(Φr(t)-Φt(t))(307)의 신호를 수신할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 수신부(3000)와 제2 수신부(4000)는 제1 주파수 합성기에서 발진된 주파수인 f1 주파수가 제거된 주파수를 각각 획득할 수 있다.
제1 수신부(3000)를 통해 수신한 d1+ej2πΔft+j(Φr(t)-Φt(t))(305)과 제2 수신수(4000)를 통해 수신한 d2+αej2πτej2πΔft+j(Φr(t)-Φt(t))(307)는 ADC(Analague digital converter)를 통해 디지털 신호로 변환될 수 있다(S313). 신호처리부(1000)는 디지털 신호로 변환된 각각의 신호에 대하여 Δf 주파수만큼 이동(shift)시켜 주파수 성분을 제거할 수 있다. 구체적으로, 신호처리부(1000)는 각각의 신호에 e-f2πΔft(308)만큼 하향 변환(down mixing)할 수 있다.
신호처리부(1000)는 e-f2πΔft(308)만큼 하향 변환(down mixing)된 각각의 신호를 저역 통과 필터(low pass filter)를 통해 필터링을 수행할 수 있다(S314).
신호처리부(1000)는 제1 수신부와 접속된 저역 통과 필터에서 출력된 ej(Φr(t)-Φt(t))(309)에 대해서 복소 컨쥬게이션을 수행할 수 있다. 또한, 신호처리부(1000)는 ej(Φr(t)-Φt(t))(309)를 제2 수신부(4000)와 접속된 저역 통과 필터에서 출력된 αej2πτej(Φr(t)-Φt(t))(310) 와 믹싱(mixing)할 수 있다.
즉, 신호처리부(1000)는 제1 수신부(3000) 및 제2 수신부(4000)의 2채널에서 수신된 각각의 신호가 포함하는 상대적인 위상을 보정하기 위해 하향 변환 및 필터링 등을 수행할 수 있고, 결과적으로 αej2πτ(311)를 획득할 수 있다.
신호처리부(1000)는 획득한 αej2πτ(311)로부터 응답 특성(α, τ)을 획득할 수 있다. 구체적으로 신호처리부(1000)는 획득한 αej2πτ(311)에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)을 수행하여 목표물의 거리 특성을 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이더는 2채널의 수신부를 구비함으로써, 제1 수신부(3000) 및 제2 수신부(4000)에 수신된 신호가 믹싱되지 않은 상태로, 각 신호에 포함된 DC 성분과 주파수 성분에 대한 필터링을 수행할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 레이더는 DC 성분이 혼재되지 않고도 효율적으로 제거될 수 있다는 효과가 있다.
즉, 본 발명의 레이더는 고가의 장비 없이도 직접상향 RF칩만을 이용하여 구현될 수 있다는 점에서 GPR(ground penetrating radar) 시스템과 같이 이동형 장비에도 장착될 수 있다는 효과가 있다.
한편, 상술한 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 방법들은, 기존 전자장치에 설치 가능한 어플리케이션 형태로 구현될 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 방법들은, 기존 전자장치에 대한 소프트웨어 업그레이드, 또는 하드웨어 업그레이드 만으로도 구현될 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 다양한 실시 예들은 전자 장치에 구비된 임베디드 서버, 또는 전자장치의 외부 서버를 통해 수행되는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 일시 예에 따르면, 이상에서 설명된 다양한 실시 예들은 소프트웨어(software), 하드웨어(hardware) 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터(computer) 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체(computer readable recording medium)에 저장된 명령어를 포함하는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 일부 경우에 있어 본 명세서에서 설명되는 실시 예들이 프로세서 자체로 구현될 수 있다. 소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시 예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 동작을 수행할 수 있다.
한편, 컴퓨터(computer) 또는 이와 유사한 장치는, 저장 매체로부터 저장된 명령어를 호출하고, 호출된 명령어에 따라 동작이 가능한 장치로서, 개시된 실시 예들에 따른 장치를 포함할 수 있다. 상기 명령이 프로세서에 의해 실행될 경우, 프로세서가 직접, 또는 상기 프로세서의 제어 하에 다른 구성요소들을 이용하여 상기 명령에 해당하는 기능을 수행할 수 있다. 명령은 컴파일러 또는 인터프리터에 의해 생성 또는 실행되는 코드를 포함할 수 있다.
기기로 읽을 수 있는 기록매체는, 비일시적 기록매체(non-transitory computer readable recording medium)의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장매체가 신호(signal)를 포함하지 않으며 실재(tangible)한다는 것을 의미할 뿐 데이터가 저장매체에 반영구적 또는 임시적으로 저장됨을 구분하지 않는다. 이때 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체의 구체적인 예로는, CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등이 있을 수 있다.
또한, 상술한 다양한 실시 예들에 따른 구성 요소(예: 모듈, 프로그램, 장치 등) 각각은 단수 또는 복수의 개체로 구성될 수 있으며, 전술한 해당 서브 구성 요소들 중 일부 서브 구성 요소가 생략되거나, 또는 다른 서브 구성 요소가 다양한 실시 예에 더 포함될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 일부 구성 요소들(예: 모듈, 프로그램, 장치 등)은 하나의 개체로 통합되어, 통합되기 이전의 각각의 해당 구성 요소에 의해 수행되는 기능을 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따른, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성 요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 적어도 일부 동작이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
따라서, 본 발명의 사상은 앞에서 설명된 실시예들에 국한하여 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위가 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1000: 신호처리부
2000: 송신부
3000: 제1 수신부
4000: 제2 수신부

Claims (14)

  1. 2채널 수신부를 이용한 광대역 레이더에 있어서,
    제1 주파수로 발진된 제1 신호를 목표물로 송신하는 송신부;
    제2 신호를 수신하는 제1 수신부;
    제4 신호를 수신하는 제2 수신부; 및
    상기 제2 신호 및 상기 제4 신호에 대하여 저역 통과 필터링(Low pass filtering)을 수행하고, 상기 저역 통과 필터링된 제2 신호 및 제4 신호에 대해 상기 목표물의 응답 특성을 획득하는 적어도 하나의 신호처리부;를 포함하고,
    상기 제2신호는 상기 제1 신호에 복소 컨쥬게이션(conjugation)이 수행된 후 제2 주파수만큼 발진되어, 상기 제2 주파수와 상기 제1 주파수의 차이인 제3 주파수를 포함하는 신호이고,
    상기 제4 신호는 상기 제1 신호에 상기 목표물의 응답 특성이 반영된 제3 신호에 복소 컨쥬게이션(conjugation)이 수행된 후 상기 제2 주파수만큼 발진되어, 상기 제2 주파수와 상기 제1 주파수의 차이인 제3 주파수를 포함하는 신호인 것을 특징으로 하는 광대역 레이더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리부는 상기 제2 신호 및 상기 제4 신호에 상기 제3주파수의 복소 컨쥬게이트 신호를 믹싱(mixing)하여 상기 제3 주파수를 제거하는 광대역 레이더.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송신부는 상기 제1 주파수로 신호를 발진하는 제1 주파수 합성기;를 더 포함하고,
    상기 제1 신호 및 제3 신호는 상기 제1 주파수 합성기의 발진에 의한 제1 위상잡음을 포함하고,
    상기 제1 수신부 및 제2 수신부는 상기 제2 주파수로 신호를 발진하는 제2 주파수 합성기;를 더 포함하고,
    상기 제2 신호 및 제4 신호는 상기 제2 주파수 합성기의 발진에 의한 제2 위상잡음을 포함하고,
    상기 신호처리부는 상기 제2 신호에 복소 컨쥬게이션을 수행 후 상기 제4 신호와 믹싱하여 상기 제1 위상잡음 및 제2 위상잡음을 제거하는 광대역 레이더.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광대역 레이더는 계단 주파수(Step Frequency) 방식을 사용하고, 기설정된 시간 간격으로 상기 제1 및 제2 주파수를 순차적으로 변경하여 상기 목표물의 응답 특성을 획득하는 광대역 레이더.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호 및 제3 신호는 제1 주파수 합성기 발진에 따른 제1 위상 잡음을 포함하고,
    상기 제2 신호 및 제4 신호는 상기 제1 위상 잡음 및 제2 주파수 합성기 발진에 따른 제2 위상 잡음을 포함하고,
    상기 신호처리부는 상기 저역 통과 필터링된 제2 신호 및 제4 신호에 포함된 상기 제1 위상 잡음 및 제2 위상 잡음을 제거하는 보정을 수행하여 상기 목표물의 응답 특성을 획득하는 광대역 레이더.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리부는 상기 획득한 목표물의 응답 특성에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)을 수행하여 상기 목표물의 시간 영역에서의 거리 특성을 획득하는 광대역 레이더.
  7. 제1항에 있어서,　
    상기 적어도 하나의 신호처리부는 FPGA(Field-programmable gate array)로 구현된 광대역 레이더.
  8. 2채널 수신부를 이용한 광대역 레이더의 신호처리 방법에 있어서,
    상기 레이더에 포함된 송신부에 의해, 제1 주파수로 발진된 제1 신호를 목표물로 송신하는 단계;
    상기 레이더에 포함된 제1 수신부에 의해, 제2 신호를 수신하는 단계;
    상기 레이더에 포함된 제2 수신부에 의해, 제4 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 레이더에 포함된 신호처리부에 의해, 상기 제2 신호 및 제4 신호에 대하여 저역 통과 필터링(Low pass filtering)을 수행하고, 상기 저역 통과 필터링된 제2 신호 및 제4 신호에 대해 상기 목표물의 응답 특성을 획득하는 단계;를 포함하고,
    상기 제2신호는 상기 제1 신호에 복소 컨쥬게이션(conjugation)이 수행된 후 제2 주파수만큼 발진되어, 상기 제2 주파수와 상기 제1 주파수의 차이인 제3 주파수를 포함하는 신호이고,
    상기 제4 신호는 상기 제1 신호에 상기 목표물의 응답 특성이 반영된 제3 신호에 복소 컨쥬게이션(conjugation)이 수행된 후 상기 제2 주파수만큼 발진되어, 상기 제2 주파수와 상기 제1 주파수의 차이인 제3 주파수를 포함하는 신호인 것을 특징으로 하는 광대역 레이더 신호처리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 응답 특성을 획득하는 단계는 상기 제2 신호 및 상기 제4 신호에 상기 제3주파수의 복소 컨쥬게이트 신호를 믹싱(mixing)하여 상기 제3 주파수를 제거하는 단계;를 더 포함하는 광대역 레이더 신호처리 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 신호 및 제3 신호는 제1 주파수 합성기의 발진에 의한 제1 위상잡음을 포함하고,
    상기 제2 신호 및 제4 신호는 제2 주파수 합성기의 발진에 의한 제2 위상잡음을 포함하고,
    상기 응답 특성을 획득하는 단계는 상기 제2 신호에 복소 컨쥬게이션을 수행 후 상기 제4 신호와 믹싱하여 상기 제1 위상잡음 및 제2 위상잡음을 제거하는 단계;를 더 포함하는 광대역 레이더 신호처리 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 응답 특성을 획득하는 단계는 기설정된 시간 간격으로 상기 제1 및 제2 주파수를 순차적으로 변경하여 상기 목표물의 응답 특성을 획득하는 단계;를 더 포함하는 광대역 레이더 신호처리 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 응답 특성을 획득하는 단계는 상기 저역 통과 필터링된 제2 신호 및 제4 신호에 포함된 제1 위상 잡음 및 제2 위상 잡음을 제거하는 보정을 수행하여 상기 목표물의 응답 특성을 획득하는 광대역 레이더 신호처리 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 응답 특성을 획득하는 단계는 상기 획득한 목표물의 응답 특성에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)을 수행하여 상기 목표물의 시간 영역에서의 거리 특성을 획득하는 광대역 레이더 신호처리 방법.
  14. 상기 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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