KR102641993B1 - Ｆｍｃｗ 변조방법을 이용한 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정방법 및 그 방법에 의한 레이더 - Google Patents

Ｆｍｃｗ 변조방법을 이용한 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정방법 및 그 방법에 의한 레이더 Download PDF

Info

Publication number
KR102641993B1
KR102641993B1 KR1020210094021A KR20210094021A KR102641993B1 KR 102641993 B1 KR102641993 B1 KR 102641993B1 KR 1020210094021 A KR1020210094021 A KR 1020210094021A KR 20210094021 A KR20210094021 A KR 20210094021A KR 102641993 B1 KR102641993 B1 KR 102641993B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
frequency
signal
modulation signal
frequency modulation
bit
Prior art date
Application number
KR1020210094021A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230013362A (ko
Inventor
김형걸
Original Assignee
주식회사 웨이브일렉트로닉스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 웨이브일렉트로닉스 filed Critical 주식회사 웨이브일렉트로닉스
Priority to KR1020210094021A priority Critical patent/KR102641993B1/ko
Publication of KR20230013362A publication Critical patent/KR20230013362A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102641993B1 publication Critical patent/KR102641993B1/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/34—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G01S13/343—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal using sawtooth modulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G01S13/583—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems using transmission of continuous unmodulated waves, amplitude-, frequency-, or phase-modulated waves and based upon the Doppler effect resulting from movement of targets
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/35—Details of non-pulse systems
    • G01S7/352—Receivers
    • G01S7/354—Extracting wanted echo-signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/40—Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/4052—Means for monitoring or calibrating by simulation of echoes
    • G01S7/4056—Means for monitoring or calibrating by simulation of echoes specially adapted to FMCW

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

본 발명은 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 변조방법을 이용한 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정방법 및 그 방법에 의한 레이더에 관한 것이다. 본 발명의 변조방법에 의하면, 변조 대역폭이 다른 두 개의 하향 톱니형 주파수 변조 파형을 이용하여 간편하게 도플러 편이에 의한 측정 오차를 보상하여 정확한 거리를 계산할 수 있다.

Description

ＦＭＣＷ 변조방법을 이용한 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정방법 및 그 방법에 의한 레이더{Method for Calculating Distance to a Moving Object Approaching at High Speed By Using Plurality of Sawtooth Frequency-Down-Modulated Signals of FMCW with different Bandwidths, and Radar thereby}
본 발명은 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정에 사용되는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 변조방법에 관한 것으로서, 변조대역폭이 다른 복수의 톱니형 하향 주파수 변조신호를 이용하여 접근 중인 이동체에서의 도플러 편이에 불구하고 거리를 정확하게 측정할 수 있는 방법 및 그 방법에 의한 레이다에 관한 것이다.
표적과의 거리를 측정하는 방법 중 하나는 표적을 향해 전파를 쏜 다음 표적으로부터 반사된 신호를 수신하여 그 시간 지연을 기초로 거리를 측정하는 것이다. 고정된 거리(r)만큼 떨어진 표적에 전파를 송신하면, 송신된 전파가 표적에서 반사되어 다시 되돌아 오는데 다음의 수학식 1과 같은 시간 지연(Delay, τ)이 생긴다. 이 지연시간을 이용하여 표적과의 거리를 계산할 수 있다.
Figure 112021082833067-pat00001
여기서, τ는 전파가 표적까지 왕복한 시간이고, C는 광속이다.
FMCW 변조방식을 이용한 거리측정
발신하는 전파의 송출방식에 따라 펄스방식과 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식이 널리 사용된다. 그 중에서도 FMCW 변조방식은 송신 출력이 작고 사용 주파수 대역폭이 커서 외부 전파 간섭에 영향이 적고, 근거리에서 거리 측정 분해능이 우수하며, 시간에 따라 연속적으로 주파수가 변화되는 톱니(Sawtooth) 변조 회로를 구현하기 쉽다.
FMCW 변조파를 주기적으로 송신하면서 표적에서 반사되는 신호를 수신하면 도 1과 같은 형태가 된다. 발신하는 변조 신호 Tx의 주파수는 일정한 시간(T)간격으로 일정한 기울기로 증가하기를 반복하면서 시간축에 대해 톱니 형태가 된다. 도 1을 참조하면, 수신되는 신호 Rx는 다음 주기의 신호가 발신되기 전인 일정한 지연시간(τ) 후에 수신되면서 전체적으로 지연시간(τ)만큼 수평 이격되면서, 특정 시간에 발신 중인 신호 Tx와 수신되는 신호 Rx의 주파수 사이에는 일정한 차이가 생긴다. 이 차이를 비트(Beat)라고 한다. 비트는 다음의 수학식 2를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112021082833067-pat00002
여기서, fb는 비트, ΔF는 송신 주파수의 대역폭, 그리고 T는 송신시간이다. 따라서 FMCW 변조방식에 의할 때, 특정 시간에 발신되는 신호 Tx의 주파수와 수신되는 신호 Rx의 주파수를 측정하여 수학식 2에 따라 비트를 구할 수 있다. 비트는 지연시간(τ)에 비례하기 때문에, 비트를 이용하면 위치가 고정된 표적과의 거리를 계산할 수 있다.
움직이는 표적인 경우에는 수신되는 신호 Rx에 도플러 편이(Doppler Shift)가 포함되면서 비트가 왜곡될 수 있고 따라서 비트를 이용하더라도 거리를 정확하게 측정할 수 없게 된다. 특히 속도가 크거나 운용주파수가 높으면 도플러 영향이 더 커지면서 오차가 더 커진다. 우선 도플러 편이(fd)는 다음의 수학식 3을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112021082833067-pat00003
V는 표적과의 상대 속도이고, θ는 표적의 접근 각도, λ는 송신 신호의 파장이다. 도플러 영향에 의하면 접근 중인 표적에서 반사된 신호의 주파수는 높아진다.
도 2에서 (a)와 (b)는 동일한 지연시간(τ) 후에 도착한 수신신호를 이용한 것으로서 (a)와 (b)는 동일한 거리에 위치한 물체에서 반사된 신호에 대한 것이다. 다만, (a)는 고정된 표적에서 반사된 신호를 표시한 것이고 (b)는 접근 중인 이동체에서 반사된 신호를 표시한 것으로서 도플러 영향이 적용되었다. 도 2의 (b)를 참조하면, 접근 중인 표적에서 반사된 신호 Rx는 도 2의 (a)와 동일한 지연시간(τ)만큼 오른쪽으로 이동한 상태지만 다시 도플러 편이(fd)에 의해 전체적으로 위쪽으로 이동한 형태가 되면서, 이동체에서 구한 비트(fbm)가 고정된 위치의 표적에서 반사된 신호에서 구한 비트(fbs)보다 작아진다. 기하학적인 해석에 의하더라도, (a)에서 인식된 비트(fbs)에 비해, 접근 중인 이동체에 대한 (b)에서 인식된 비트(fbm)가 작아진다. 도플러 효과를 고려할 때 비트(fbm)는 다음의 수학식 4와 같이 바뀐다.
Figure 112021082833067-pat00004
따라서 접근 중인 이동체에서 반사된 신호를 이용하여 비트를 구할 경우에 지연시간(τ)이 실제보다 작아지고 실제보다 가까운 곳에 위치한 것으로 계산되는 오류가 생긴다. 이동 중인 표적의 상대 속도가 빠를수록 도플러 편이가 크기 때문에 오차도 그만큼 커진다.
도플러 효과에 의한 오차를 보상하는 종래의 방법 (도 3)
종래에도 도플러 효과에 의한 거리 측정 오차를 보상하기 위한 방법으로 여러가지의 변조 방식을 사용하였다. 그 중 하나는 도 3에서처럼 첫 구간은 상향 톱니 형태로 주파수를 변조하고 두 번째 구간은 하향 톱니 형태로 주파수를 변조하는 방법이다. 도 3의 (a)는 고정된 표적에서의 수신신호를 표시하였고, (b)는 접근 중인 이동체에서의 수신신호를 표시하였다.
위치 고정된 표적에 대해서는 (a)에서처럼 상향 구간에서 측정하는 비트(Beat_up1)와 하향 구간에서 측정한 비트(Beat_dn1)의 크기가 동일하지만, 도플러 효과가 생기는 접근 중인 표적에 대해서는 (b)에서처럼 상향 구간에서의 비트(Beat_up2)는 작아지고 하향 구간에서의 비트(Beat_dn2)는 반대로 커진다. 즉 수신 신호의 주파수가 도플러 주파수만큼 편이되면서, 상향 구간에서의 비트는 도플러 주파수(fd) 만큼 작아지고, 하향구간에서의 비트는 도플러 주파수(fd) 만큼 커진다. 따라서 다음의 수학식 5와 같이 하향 구간에서 측정된 비트(fb-dn)와 상향 구간에서 측정된 비트(fb-up)의 평균을 구하면 정상적인 비트를 구할 수 있게 되어, 도플러 효과를 보상할 수 있다.
Figure 112021082833067-pat00005
비트는 발신신호와 수신신호에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행한 결과를 이용하여 구한다. 문제는 근거리의 표적이 고속으로 접근 중일 때이다. 고속으로 접근 중인 표적에서의 도플러 편이는 그만큼 더 크기 때문에 상향 구간에서의 비트가 매우 작아지면서 거의 처리할 수 없는 크기(FMCW 시스템 구조 상 필연적으로 발생되는 내부의 송수신 신호 커플링 영역 또는 직류 영역)로까지 편이할 수 있다. 이런 경우에 도 3과 수학식 5를 이용해서는 정확한 비트를 구할 수 없다.
도플러 효과에 의한 오차를 보상하는 종래의 방법 2 (도 4)
도플러 효과를 보상하는 다른 방법으로, 종래에 제시된 것 중 하나는 도 4와 같이 상향 구간 이후에 주파수를 일정하게 유지하는 CW(Continuous Wave) 구간을 두는 것이다. 표적과의 거리는 상향 구간에서 측정하고, 도플러 편이는 CW 구간에서 측정하여 보상하는 방법이다. 그러나 도 4의 방법은 FMCW 변조 방식의 강점을 포기한 것이다. FMCW 변조방식은 변조신호의 대역폭이 넓어서 외부의 전파 간섭에 강한 특징이 있다. 도 4의 방법처럼, CW 구간에서 단일 주파수를 사용하면, 외부의 전파 방해나 간섭에 취약하여 실제 환경에서 사용하기 어려울 수 있다.
이상에서 설명한 것처럼, 종래에 거리측정에 사용하는 FMCW 변조방식을 사용해서는 특히 근거리에서 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리를 정확하게 측정하는 것이 쉽지 않다. 예를 들어, 유도탄의 자동 신관장치나 자동차의 에어백 작동 센서와 같이 근거리에서 고속으로 접근하는 표적과의 거리를 빠른 시간 내에 정확히 측정할 필요가 있는 경우에 사용할 수 있는 개량된 변조방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 변조방법을 이용하여 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리를 측정하는 방법 및 그 방법에 의한 레이더를 제공함에 있다.
특별히, 본 발명은 접근 중인 이동체에서의 도플러에 의한 편이를 보상하여 거리를 정확하게 측정할 수 있는 방법 및 그 방법에 의한 레이더를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 변조 방법을 이용한 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정방법은, 기준시간(T) 동안 제1 주파수에서 일정한 기울기로 주파수가 줄어드는 제1 주파수 변조신호(Tx1)를 발신하고 제2 주파수에서 일정한 기울기로 주파수가 줄어드는 제2 주파수 변조신호(Tx2)를 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 이어 상기 기준시간(T) 동안 발신하는 단계와; 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)가 상기 이동체에서 반사되어 수신되는 수신신호를 수신하여 상기 이동체와의 거리를 계산하는 단계를 포함한다. 여기서, 기준시간(T) 동안, 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)의 주파수 대역폭 ΔF1과 상기 제2 주파수 변조신호(Tx2)의 주파수 대역폭 ΔF2가 다르게 설정된다.
실시 예에 따라, FMCW 변조 방법에 의한 발신 신호는 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)를 주기적으로 발신하는 것이 좋다.
다른 실시 예에 따라, 상기 제1 주파수와 제2 주파수는 동일한 주파수이고 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 적용된 상기 기울기를 다르게 설정할 수 있다.
다른 방법으로, 상기 제1 주파수와 제2 주파수는 다른 주파수로 설정할 수 있다. 이 경우, 상기 기준시간(T) 경과 후에 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)의 주파수와 상기 제2 주파수 변조신호(Tx2)의 주파수를 동일하게 설정함으로써, 주파수 대역폭 ΔF1과 ΔF2를 다르게 설정한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 이동체와의 거리를 계산하는 단계는, 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 상기 수신신호의 주파수 차이인 비트(fb1)와 상기 제2 주파수 변조신호(Tx2)와 상기 수신신호의 주파수 차이인 비트(fb2)를 측정하는 단계와; 상기 측정한 비트(fb1)와 비트(fb2) 중 적어도 하나를 이용하여 도플러 효과가 제거된 비트를 다음의 수학식으로 계산하는 단계를 포함한다.
Figure 112021082833067-pat00006
또는
Figure 112021082833067-pat00007
여기서, fbr1은 도플러 편이가 제거된 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 상기 수신신호 사이의 비트이고, fbr2는 도플러 편이가 제거된 상기 제2 주파수 변조신호(Tx2)와 상기 수신신호 사이의 비트임.
본 발명은 위의 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 변조방법이 적용된 레이다에도 미친다. 본 발명의 레이다는 발신 안테나, 수신 안테나, 발신회로부, 수신회로부 및 신호처리부를 포함한다.
발신회로부는 기준시간(T) 동안 제1 주파수에서 일정한 기울기로 주파수가 줄어드는 제1 주파수 변조신호(Tx1)를 발신하고 제2 주파수에서 일정한 기울기로 주파수가 줄어드는 제2 주파수 변조신호(Tx2)를 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 이어 상기 기준시간(T) 동안 상기 발신 안테나를 통해 접근 중인 표적에 발신한다. 이때, 기준시간(T) 동안 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)의 주파수 대역폭 ΔF1과 상기 제2 주파수 변조신호(Tx2)의 주파수 대역폭 ΔF2가 다르게 설정한다.
수신회로부는 상기 표적에서 반사되어 상기 수신 안테나를 통해 수신된 수신신호와 상기 발신회로부로부터 수신한 발신신호로 수신하고, 신호처리부는 상기 수신회로부가 수신한 수신신호와 발신신호 사이의 주파수 차이인 비트(fb1, fb2)를 구한 다음, 도플러 편이에 의한 오차를 제거한 비트(fbr1, fbr2)를 구하여 상기 표적과의 거리를 계산한다.
본 발명의 변조방법에 의하면, 변조 대역폭이 다른 두개의 톱니형 하향 주파수 변조신호를 이용하여 간편하게 도플러 편이에 의한 측정 오차를 보상하여 비트(Beat)를 계산할 수 있다.
따라서 본 발명의 변조방법을 사용하면 고속으로 접근하는 근거리 표적과의 거리를 정확하게 계산할 수 있고, 종래처럼 하드웨어적인 방법으로 수신단에 지연소자를 사용하여 수신신호를 원거리 신호처럼 지연시키는 방법을 사용할 필요가 없다.
도 1은 종래의 FMCW 변조신호를 설명하는 시간-주파수 그래프,
도 2는 종래의 FMCW 변조신호에 포함된 도플러 효과를 설명하는 그래프,
도 3은 종래의 FMCW 변조신호를 설명하는 시간-주파수 그래프,
도 4는 종래의 다른 FMCW 변조신호를 설명하는 시간-주파수 그래프,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 변조신호를 도시한 그래프,
도 6은 도 4의 변조신호에 도플러 영향이 적용된 수신신호를 도시한 그래프,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 변조신호를 도시한 그래프, 그리고
도 8은 본 발명의 변조방법을 이용한 변조회로 또는 레이다의 블록도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 FMCW 변조방법은 접근 중인 이동체의 거리 측정에 사용된다. 본 발명의 FMCW 변조방법이 적용된 레이더(Radar)는 접근 중인 이동체와의 거리를 측정하기 위한 발신신호를 본 발명의 FMCW 변조방법을 사용하여 생성함으로써 도플러(Doppler) 영향에 불구하고 정확하게 비트(Beat)를 측정하고 거리를 계산할 수 있다. 본 발명은 비트를 측정하기 위한 발신신호의 변조방법과 그것에 따른 거리측정방법을 제안하는 것으로서, 본 발명에 따라 오차 보정된 비트를 이용하여 표적과의 거리를 최종적으로 계산하는 방법은 종래에 알려진 다양한 방법을 그대로 사용할 수 있다.
본 발명의 FMCW 변조방법은 제1 주파수 변조신호(Tx1)를 기준시간(T) 동안 발송한 다음 연이어 제2 주파수 변조신호(Tx2)를 기준시간(T) 동안 연속하여 발송하되, 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)는 시간 축에 대해 발신 주파수가 점점 줄어드는 톱니형 하향 주파수 변조 신호(Sawtooth Frequency-Down-Modulated Signals)이면서 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)의 주파수 변조 대역폭(ΔF)을 다르게 설정하는데 특징이 있다.
제1 주파수 변조신호(Tx1)는 기준시간(T) 동안 제1 주파수에서 일정한 기울기로 주파수가 줄어드는 톱니형 하향 주파수 변조신호이고 제2 주파수 변조신호(Tx2)도 기준시간(T) 동안 제2 주파수에서 일정한 기울기로 주파수가 줄어드는 톱니형 하향 주파수 변조신호이다. 제2 주파수 변조신호(Tx2)는 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 연이어 발송된다. 이때, 기준시간(T) 동안, 제1 주파수 변조신호(Tx1)의 주파수 대역폭 ΔF1과 상기 제2 주파수 변조신호(Tx2)의 주파수 대역폭 ΔF2가 다르게 설정되면서, 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)의 주파수 변화 기울기가 달라진다.
실시 예에 따라, 제1 주파수 변조신호(Tx1)가 유지되는 기준시간과 제2 주파수 변조신호(Tx2)가 유지되는 기준시간을 서로 다르게 설정할 수 있으나, 이런 경우에 본 발명에서 구하게 될 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fbr1) 또는 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fbr2)의 계산이 너무 복잡해지므로 바람직하지 않다.
한편, 이론적으로 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)를 1회씩 연이어 발송하는 것으로 표적과의 거리측정이 가능하지만, 거리측정의 실효성과 이동 중인 표적과의 거리를 계속 추적하는 등의 목적을 달성하기 위해서는 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)를 주기적으로 계속 발신하는 것이 바람직하다. 예를 들어 FMCW 변조 방법에 의한 레이다는 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)를 주기적으로 발신(즉, 발신 주기는 2T가 됨)함으로써 접근 중인 이동체와의 거리를 계속 추적할 수 있다.
도 5에 도시된 변조신호(500)는 제1 주파수와 제2 주파수를 동일하게 f1으로 설정하고, 동일한 기준시간(T)에 ΔF1과 ΔF2는 다르게 설정하기 위해 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 적용된 주파수가 줄어드는 비율(기울기)을 다르게 설정한 예이다. 제1 주파수 변조신호(Tx1)는 t0에서 제1 주파수(f1)로 출발하여 기준시간(T)이 경과한 t1 시점에서 중간 주파수(fm, fm<f1)가 될 때까지 일정한 기울기로 주파수가 줄어들도록 변조된다. t1시점에서 제2 주파수 변조신호(Tx2)가 출력된다. 제2 주파수 변조신호(Tx2)는 t1 시점에서 제1 주파수(f1)로 출발하여 기준시간(T)이 경과한 t2 시점에서 주파수 fs(0<fs<fm)이 될 때까지 일정한 기울기로 주파수가 줄어들도록 변조된다.
도 6는 도플러 편이가 작용 중인 수신신호 Rx를 함께 도시한 그래프로서, 수신신호 Rx는 지연시간(τ)만큼 지연된 상태에서 fd만큼의 도플러 편이가 작용한 상태로 수신된다.
도플러가 없는 경우, 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fbr1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fbr2)는 수학식 1 및 수학식 2를 통해 구할 수 있으며 다음의 수학식 6 및 수학식 7과 같다.
Figure 112021082833067-pat00008
Figure 112021082833067-pat00009
수학식 6 및 수학식 7을 정리하면, 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fbr1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fbr2) 사이에 다음의 수학식 8 및 수학식 9와 같은 관계를 도출할 수 있다.
Figure 112021082833067-pat00010
Figure 112021082833067-pat00011
수학식 8 및 수학식 9에 의하면, 도 5의 FMCW 변조신호를 표적을 발신한 다음 위치가 고정된 표적에서 반사된 수신신호로부터 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fbr1) 또는 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fbr2)를 측정하면, 나머지 비트도 측정할 수 있다. 표적과의 거리는 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fbr1) 또는 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fbr2) 중 하나를 사용하여 구할 수 있다. 다만, 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)의 주파수 대역폭이 다르고 주파수 하향 기울기가 다르기 때문에, 해당 위치 고정된 표적까지의 거리를 계산하는 방법이 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fbr1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fbr2)를 사용할 때 서로 달라질 수 있다. 이동 중인 표적의 거리를 측정하는 과정에서 도플러 편이에 의한 영향을 제거하여 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fbr1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fbr2)를 구할 수 있어야 정확한 거리 측정이 된다.
도플러의 영향을 받는 경우에, 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fb1)과 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fb2)에는 도 6에서처럼 정상적인 비트(fbr1, fbr2)에 도플러 성분(fd)이 포함되어 다음의 수학식 10 및 수학식 11과 같이 측정된다.
Figure 112021082833067-pat00012
Figure 112021082833067-pat00013
따라서 도플러 성분 fd는 동일하므로, 수학식 10에서 수학식 11을 빼고 정리하여 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fbr1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fbr2)를 구하면 수학식 12 및 수학식 13과 같다.
Figure 112021082833067-pat00014
Figure 112021082833067-pat00015
수학식 12 및 수학식 13에 수학식 8 및 수학식 9를 대입하여 정리하면, 다음의 수학식 14 및 수학식 15와 같다.
Figure 112021082833067-pat00016
Figure 112021082833067-pat00017
따라서 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fbr1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fbr2)는 다음의 수학식 16 및 수학식 17과 같이 구할 수 있다.
Figure 112021082833067-pat00018
Figure 112021082833067-pat00019
수학식 16 및 수학식 17에서, 비트 fb1과 비트 fb2는 측정할 수 있는 값이고변조대역폭 ΔF1과 ΔF2는 송신시에 이미 정해진 값이므로, 도플러 편이에 불구하고 비트 fb1과 비트 fb2를 측정하면 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fbr1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fbr2)를 구할 수 있다. 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fbr1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fbr2) 중 하나를 구하면 접근 중인 이동체까지의 거리를 정확하게 구할 수 있다.
앞서 설명한 것처럼, 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 의한 비트(fbr1) 또는 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 의한 비트(fbr2)를 수학식 2에 적용하여 이동체와의 거리를 구할 수 있다.
변조신호의 다른 실시 예
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 변조신호(700)는 도 5와 달리 제1 주파수(f1)와 제2 주파수(f2)가 서로 다르게 설정된다. 동일한 기준시간(T)에 ΔF1과 ΔF2는 다르게 설정하기 위해 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 적용된 주파수가 줄어드는 비율(기울기)을 다르게 설정되었다.
제1 주파수 변조신호(Tx1)는 t0에서 제1 주파수(f1)로 출발하여 기준시간(T)이 경과한 t1 시점에서 중간 주파수(fm)가 될 때까지 일정한 기울기로 주파수가 줄어들도록 변조된다. t1시점에서 제2 주파수 변조신호(Tx2)가 출력된다. 제2 주파수 변조신호(Tx2)는 t1 시점에서 제2 주파수(f2)로 출발하여 기준시간(T)이 경과한 t2 시점에서 중간 주파수(fm)가 될 때까지 일정한 기울기로 주파수가 줄어들도록 변조된다. 도 7에서 중간 주파수(fm)는 0(직류)보다 큰 주파수로 설정되어야 하며 당연히 fm<f1이고, 제2 주파수(f2)는 제1 주파수(f1)보다 높은 값으로 설정되었다. 다른 실시 예에 따라, 제1 주파수(f1)가 제2 주파수(f2)보다 높은 값으로 설정될 수도 있다.
본 발명의 변조신호를 사용하는 레이다
도 8을 참조하면, 본 발명의 FMCW 변조방법이 적용된 레이더(Radar)(800)는 발신 안테나(801), 수신 안테나(803), 발신회로부(805), 수신회로부(807) 및 신호처리부(809)를 구비하여, 접근 중인 이동체와의 거리를 측정할 수 있다.
발신회로부(805)는 톱니파 주파수 변조를 수행하여 도 5 또는 도 7과 같은 발신신호(Tx, 500 또는 700)를 생성하여 발신 안테나(801)를 통해 발신하며, 발신신호(Tx)를 수신회로부(807)에게도 실시간으로 제공한다. 수신회로부(807)는 표적에서 반사된 수신신호(Rx)를 수신 안테나(803)를 이용하여 수집하고 발신회로부(805)가 제공하는 발신신호(Tx)를 수신하여 잡음 제거, 퓨리에 변환 등의 수신 처리를 한 다음 신호처리부(809)에게 제공한다.
신호처리부(809)는 수신회로부(807)가 제공하는 신호를 이용하여 접근 중인 표적에 대한 비트(fb1, fb2)를 계산한 다음, 수학식 16 및/또는 수학식 17를 이용하여 도플러 효과에 의한 오차가 보상된 비트(fbr1, fbr2)를 계산하고, 수학식 2를 이용하여 표적과의 거리를 최종적으로 계산한다.
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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (10)

  1. FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 변조 방법을 이용한 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정방법에 있어서,
    기준시간(T) 동안 제1 주파수에서 일정한 기울기로 주파수가 줄어드는 제1 주파수 변조신호(Tx1)를 발신하고 제2 주파수에서 일정한 기울기로 주파수가 줄어드는 제2 주파수 변조신호(Tx2)를 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 이어 상기 기준시간(T) 동안 발신하는 단계; 및
    상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)가 상기 이동체에서 반사되어 수신되는 수신신호를 수신하여 상기 이동체와의 거리를 계산하는 단계를 포함하되,
    기준시간(T) 동안, 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)의 주파수 대역폭 ΔF1과 상기 제2 주파수 변조신호(Tx2)의 주파수 대역폭 ΔF2가 다르게 설정되고,
    상기 제1 주파수와 제2 주파수는 동일한 주파수이고 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 적용된 상기 기울기를 다르게 설정한 것을 특징으로 하는 FMCW 변조 방법을 이용한 이동체와의 거리 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)를 주기적으로 발신하는 것을 특징으로 하는 FMCW 변조 방법을 이용한 이동체와의 거리 측정방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이동체와의 거리를 계산하는 단계는,
    상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 상기 수신신호의 주파수 차이인 비트(fb1)와 상기 제2 주파수 변조신호(Tx2)와 상기 수신신호의 주파수 차이인 비트(fb2)를 측정하는 단계; 및
    상기 측정한 비트(fb1)와 비트(fb2)를 이용하여 도플러 효과가 제거된 비트(fbr1 및 fbr2) 중 적어도 하나를 다음의 수학식으로 계산하는 단계를 포함하되,
    Figure 112021082833067-pat00020
    또는
    Figure 112021082833067-pat00021

    여기서, fbr1은 도플러 편이가 제거된 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 상기 수신신호 사이의 비트이고, fbr2는 도플러 편이가 제거된 상기 제2 주파수 변조신호(Tx2)와 상기 수신신호 사이의 비트인 것을 특징으로 하는 이동체와의 거리 측정방법.
  6. 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정에 사용되는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이다에 있어서,
    발신 안테나와 수신 안테나;
    기준시간(T) 동안 제1 주파수에서 일정한 기울기로 주파수가 줄어드는 제1 주파수 변조신호(Tx1)를 발신하고 제2 주파수에서 일정한 기울기로 주파수가 줄어드는 제2 주파수 변조신호(Tx2)를 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)에 이어 상기 기준시간(T) 동안 상기 발신 안테나를 통해 접근 중인 표적에 발신하는 발신회로부. 기준시간(T) 동안 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)의 주파수 대역폭 ΔF1과 상기 제2 주파수 변조신호(Tx2)의 주파수 대역폭 ΔF2가 다르게 설정함;
    상기 표적에서 반사되어 상기 수신 안테나를 통해 수신된 수신신호와 상기 발신회로부로부터 수신한 발신신호로 수신하는 수신회로부; 및
    상기 수신회로부가 수신한 수신신호와 발신신호 사이의 주파수 차이인 비트(fb1, fb2)를 구한 다음, 도플러 편이에 의한 오차를 제거한 비트(fbr1, fbr2)를 구하여 상기 표적과의 거리를 계산하는 신호처리부를 포함하고,
    상기 제1 주파수와 제2 주파수는 동일한 주파수이고 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)에 적용된 상기 기울기를 다르게 설정한 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 제2 주파수 변조신호(Tx2)를 주기적으로 발신하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)의 비트(fb1)와 상기 제2 주파수 변조신호(Tx2)의 비트(fb2)를 이용하여 도플러 효과가 제거된 비트(fbr1, fbr2) 중 적어도 하나를 다음의 수학식으로 구하되,
    Figure 112021082833067-pat00022
    또는
    Figure 112021082833067-pat00023

    여기서, fbr1은 도플러 편이가 제거된 상기 제1 주파수 변조신호(Tx1)와 상기 수신신호 사이의 비트이고, fbr2는 도플러 편이가 제거된 상기 제2 주파수 변조신호(Tx2)와 상기 수신신호 사이의 비트인 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다.
KR1020210094021A 2021-07-19 2021-07-19 Ｆｍｃｗ 변조방법을 이용한 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정방법 및 그 방법에 의한 레이더 KR102641993B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210094021A KR102641993B1 (ko) 2021-07-19 2021-07-19 Ｆｍｃｗ 변조방법을 이용한 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정방법 및 그 방법에 의한 레이더

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210094021A KR102641993B1 (ko) 2021-07-19 2021-07-19 Ｆｍｃｗ 변조방법을 이용한 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정방법 및 그 방법에 의한 레이더

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230013362A KR20230013362A (ko) 2023-01-26
KR102641993B1 true KR102641993B1 (ko) 2024-02-28

Family

ID=85110744

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210094021A KR102641993B1 (ko) 2021-07-19 2021-07-19 Ｆｍｃｗ 변조방법을 이용한 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정방법 및 그 방법에 의한 레이더

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102641993B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100288448B1 (ko) 1998-07-29 2001-05-02 박태진 자동차충돌경보시스템용변조레이더및그방법
JP2004151022A (ja) * 2002-10-31 2004-05-27 Denso Corp Ｆｍｃｗレーダ装置
JP2006337223A (ja) 2005-06-03 2006-12-14 Toyota Central Res & Dev Lab Inc レーダ装置
JP2008128657A (ja) 2006-11-16 2008-06-05 Denso Corp 通信統合レーダ装置、通信統合レーダシステム
JP2015083931A (ja) 2013-10-25 2015-04-30 日本無線株式会社 周波数変調レーダ装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6492938B1 (en) * 2002-02-11 2002-12-10 Delphi Technologies, Inc. Method of associating target data in a multi-slope FMCW radar system
KR20170068950A (ko) * 2015-12-10 2017-06-20 김영욱 Fmcw 레이더 및 이를 이용한 fmcw 레이더의 간섭 회피 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100288448B1 (ko) 1998-07-29 2001-05-02 박태진 자동차충돌경보시스템용변조레이더및그방법
JP2004151022A (ja) * 2002-10-31 2004-05-27 Denso Corp Ｆｍｃｗレーダ装置
JP2006337223A (ja) 2005-06-03 2006-12-14 Toyota Central Res & Dev Lab Inc レーダ装置
JP2008128657A (ja) 2006-11-16 2008-06-05 Denso Corp 通信統合レーダ装置、通信統合レーダシステム
JP2015083931A (ja) 2013-10-25 2015-04-30 日本無線株式会社 周波数変調レーダ装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230013362A (ko) 2023-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3511734B1 (en) System and method to improve range accuracy in fmcw radar using fsk modulated chirps
EP1321775B1 (en) Fm-cw radar device
JP6818541B2 (ja) レーダ装置および測位方法
US10436890B2 (en) Method for finding the position of objects using an FMCW radar
US9470784B2 (en) Radar device
US7474255B2 (en) Target tracking method of radar with frequency modulated continuous wave
US8866668B2 (en) Radar apparatus with different operation modes
JP3575694B2 (ja) 走査型ｆｍｃｗレーダ
US7158076B2 (en) Method and apparatus for correcting velocity-induced range estimate phase errors in a two-tone monopulse CW radar
JPH08508573A (ja) Ｆｍｃｗレーダシステム
EP2189809A1 (en) Object ranging
CN110632587A (zh) 一种基于快速fmcw雷达的弱运动物体监测方法
CN111051913B (zh) 具有同步高频模块的fmcw雷达传感器
US8115668B2 (en) Object detecting apparatus for vehicle
CN104614723A (zh) 利用可变波形判别虚假目标的车辆用雷达及其判别方法
US11125857B2 (en) Moving object detection system and moving object detection method
JP2001524207A (ja) センサ装置作動方法とセンサ装置
JP2012042214A (ja) レーダ装置
CN114002654A (zh) 一种毫米波雷达解速度模糊方法
US8760341B2 (en) Radar device
US11914021B2 (en) Velocity measurement device, velocity measurement program, recording medium, and velocity measurement method
JP2020165810A (ja) レーダ装置およびレーダ装置の干渉推定方法
KR102641993B1 (ko) Ｆｍｃｗ 변조방법을 이용한 고속으로 접근 중인 이동체와의 거리 측정방법 및 그 방법에 의한 레이더
KR20200104913A (ko) Fmcw 레이더 센서
US20220214442A1 (en) Velocity Measurement Signal Transmission Method and Receiving Method

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right