KR20000036154A - 이동하는 두 물체간의 상대 속도를 결정하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속 주파수 스위프를 갖는 선형 주파수 변조를 사용하여 반경 방향으로 이동하는 두 물체간의 상대 속도를 결정하는 방법에 관한 것이다. 이러한 상대 속도 결정 방법에 있어서는 위상차를 명확하게 결정할 수 없는 문제점이 있다. 본 발명에 따른 상대 속도의 명확한 결정은 연속 주파수 스위프에 대한 주기 길이를 변화시키고 상대 속도를 결정하는 데에 주기 길이 및 대응하는 위상 변화의 차이를 사용함으로써 실현될 수 있다.

Description

이동하는 두 물체간의 상대 속도를 결정하는 방법{PROCESS FOR DETERMINING THE RELATIVE VELOCITY BETWEEN TWO MOVING OBJECTS}

본 발명은 연속 주파수 스위프를 갖는 선형 주파수 변조를 이용하여 반경 방향으로 이동하는 두 물체간의 상대 속도를 결정하는 방법에 관한 것으로, 합성 수신 신호를 얻기 위해 송신된 신호를 수신된 신호와 승산하며, 상대 속도를 결정하기 위해 임의의 시간에 걸친 위상 변화를 사용하는 상대 속도 결정 방법에 관한 것이다.

선형 주파수 변조를 사용하여 상대 속도를 결정하는 방법에 있어서 위상차를 명확하게 결정할 수 없는 문제점이 있었다. 위상 변화는 일반적으로로 공지되어 있고, n은 양의 정수이다.

본 발명의 목적은 위상차를 명확하게 결정할 수 있는 방법을 실현하는데 있다. 본 발명의 목적은 연속 주파수 스위프에 대한 주기 길이를 변화시키고, 상대 속도를 결정하는데에 주기 길이 및 대응하는 위상 변화의 차이를 사용함으로써 실현될 수 있다. 주파수 스위프에 대한 주기 길이보다 확실히 더 짧아질 수 있는 시간 주기상의 위상 변화를 연구함에 따라, 위상 변화는 일정한 간격내에서 유지될 수 있다.

상대 속도 v는 다음의 수학식으로 계산된다.

x는 시간 ΔT동안의 위상차이다.

c는 대기중의 빛의 속도,

α는 주파수 스위프의 그래디언트,

t_c는 클럭 시간,

f₀는 신호의 캐리어 주파수를 나타낸다.

제1 주파수 스위프에서 제2 주파수 스위프까지의 주기 길이는 거리, 속도와 가속도에 대한 주어진 제한값을 기초로 한 위상 변화를 명확하게 결정하는데 요구되는 시간차보다 작거나 동일한 양으로 변화된다.

적어도 3개의 연속 주파수 스위프는 상이한 주기 길이로 편의상 정해진다.

속도 결정에서의 정확성을 증대시키기 위해, 위상 변화를 연구하는 동안의 시간 간격은 정확성을 떨어뜨리지 않고 점차적으로 증가된다. 이 방법은 주기 길이내의 차이 외의 위상 변화가 하나 이상의 주기 길이 및/또는 하나 이상의 추가의 주기 길이에 대해서 연구된다는 이점이 있다.

본 발명은 첨가된 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.

도 1은 선형 주파수 변조의 경우의 송신 및 수신된 신호의 예를 도시한 도면.

도 2는 일정한 주기 길이의 주파수 스위프의 예를 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 가변 주기 길이의 주파수 스위프의 예를 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 방법에서 사용될 수 있는 FMCW 레이더 장치의 도표.

첫번째로, 설명은 선형 주파수 변조에 대한 이론에 따른다. 상기 명세서는 "선형 FMCW"라고 불리우는 연속 주파수 스위프로 선형 주파수 변조에 대한 것이다.

선형 주파수 변조에서, 신호는 주파수 f_t(t)에서 이상적으로 송신된다;

f_t(t)=f₀+αt, t≥0

α는 주파수 스위프의 그래디언트이고, f₀는 신호의 캐리어 주파수이다.

송신된 주파수 스위프에 대해서, 전송된 신호에 대한 변수 Φ(t)는 다음과 같다.

시간 영역에서, 전송된 신호는 다음과 같다:

시간 τ후에 전송된 신호는 역반사되고 수신되어 다음과 같다:

시간 t에 대한 함수로서 주파수 f를 도시한 도 1에서, 송신된 신호는 도면 부호 1로 표시되고, 수신된 신호는 2로 표시된다. 송신기에서 수신기로의 전송 시간은 τ로 표시된다.

선형 FMCW 변조의 경우, 스위프는 절차가 반복된후 임의의 시간에 대해 처리된다. 도 2는 일정한 주기 범위의 주파수 스위프로 선형 FMCW 변조의 예를 도시한 도면이다. 송신된 스위프는 실선으로 표시되고, 회신 스위프는 점선으로 표시된다. 주파수 스위프는 지수 i로 계산된다. 각 스위프의 순간은 t로 표시되고 각 주파수 스위프의 시점에 대해 t=0일때 일부로 간주한다. 전체 시점의 실질적인 순간은 T로 표시한다. 주파수 스위프의 순간 t에서 주파수 스위프 i에 대해 신호 방향과 평행한 속도와 정가속도 α를 갖는 물체나 목표물은 다음식에 따라 변한다.

i는 고정된다.

여기서 c는 대기중의 빛의 속도이다.

τ_i로 대체되는 합성 수신 신호는 다음과 같다.

합성 수신 신호에 대해 수신된 스위프 i, f_i의 주파수는 다음과 같다.

t의 작은 값에 대해서, 주파수 f_i의 수학식은 대체적으로 실제 주파수로부터 벗어나는것 없이 단순화될 수 있다. 다음의 주파수의 단순화된 식은 다음과 같다.

(ar_i/c)f₀가 작은 값을 갖는다는 것을 알 수 있으므로, 간단하게 합성 수신 신호가 인에이블된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일정한 클럭 시간 t_c후에, 복수의 샘플중 첫번째가 신호를 받는다. 합성 수신 신호에 대한 인수 Θ_i는 위상으로 언급되고 다음과 같다.

두개의 스위프 i,j사이의 위상 차가 있으면 다음과 같다.

순간 T_i와 T_j사이의 평균 속도는 다음의 식에 따라 표현될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 상이한 주기 범위를 갖는 연속 주파수 스위프를 사용하는 본 발명에 따른 처리 방법은 이하에서 설명된다.

순간 T에 대한 속도 v의 정확한 결정을 얻는 것이 목적이다. 본 발명에 따라 속도 v에 대한 양호한 측정은 속도가 한정된 가속도를 기초로 한 기본적인 상수로 고려될 수 있는 동안 시간 주기를 초과하는 평균 속도를 결정하는 대신에 얻을 수 있다.

도 3은 상이한 주기 범위를 갖는 5개의 송신된 연속 FMCW 스위프(1.1-1.5)와 결합된 회신 스위프(2.1-2.5)를 나타낸다. 검출된 물체에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)는 5개의 연속 FMCW 스위프와 5개의 인접 베어링을 갖는다. 이들 5개의 FET에서, 주파수 슬롯은 FFT의 절대값이 가장 크다고 고려되도록 설정된다. 주파수 슬롯에서, Θ_i에 근접한 각각의 위상값 Ψ_i를 갖는다.

FFT에서 5개의 위상값이 얻어진다.

Ψ₁, Ψ₂, ....Ψ₅,-π≤Ψ₁≤π,1≤i≤5

순간에 따라

T₁,T₂,,,T₅

두개의 근접한 지점사이의 위상차는 다음과 같다.

ΔΨ₁=(Ψ₂-Ψ₁)_mod2πΔT₁=T₂-T₁

ΔΨ₂=(Ψ₃-Ψ₂)_mod2πΔT₂=T₃-T₂

ΔΨ₃=(Ψ₄-Ψ₃)_mod2πΔT₃=T₄-T₃

ΔΨ₄=(Ψ₅-Ψ₄)_mod2πΔT₄=T₅-T₄

mod 2π는 간격 [-π,π]상의 단위 계산을 나타낸다.

시간차 ΔT_i, 1≤i≤4는 4개의 PRI(펄스 반복 간격) 시간과 동일하다. FMCW스위프에 대한 시간은 약 500㎲로 측정될 수 있는 가장 작은 PRI 시간 예를 들어, 370㎲일 수 있다. 일반적인 조건에 따라 위상차를 명확하게 결정할 수 있기 위해, 약 10㎲의 동일한 시간 차가 요구된다. 이러한 테스크는 본 발명에 따라 복수의 상이한 PRI 시간을 사용함으로써 이루어지고 이들 사이의 차가 발생한다. 수학적으로 예를 들어, PRI 시간의 가장 작은 차는 8㎲이다.

짧은 시간 주기에서 위상 값의 에러를 측정하는 것은 높은 영향력을 가질 것이다. 속도 결정의 정확성을 향상시키기 위해서, 위상차는 더 긴 시간 주기로 측정되는 반면에, 동시에 명확성을 잃지않도록 주의해야 한다. PRI 시간은 명확성이 속도 결정에서 양호한 정밀성으로 결합되도록 선택된다.

실시예에 따라 PRI 시간은 다음의 값을 갖는다.

ΔT₁= 512 ㎲

ΔT₂= 520 ㎲

ΔT₃= 544 ㎲

ΔT₄= 640 ㎲

특히, 이하에서 다음의 차가 생성될 수 있다.

ΔΔT₁= ΔT₂-ΔT₁8㎲

ΔΔT₂= ΔT₃-ΔT₁32㎲

ΔΔT₃= ΔT₄-ΔT₁128㎲

ΔΔT₄= ΔT₁512㎲

ΔΔT₅= ΔT₃+ΔT₄1184㎲

ΔΔT₆= ΔT₁+ΔT₂+ΔT₃+ΔT₄2216㎲

예측비는 다음과 같이 될 수 있다.

q₁=ΔΔT₂/ΔΔT₁=4

q₂=ΔΔT₃/ΔΔT₂=4

q₃=ΔΔT₄/ΔΔT₃=4

q₄=ΔΔT₅/ΔΔT₄=2.3125

q₅=ΔΔT₆/ΔΔT₅=1.8716...

상기 데이터를 기초로 하여, 속도는 PRI 시간의 가장 큰 차이(합)에 대한 위상차를 연속적으로 계산함으로서 얻어진다. 이러한 요구는 제1 위상 차가 정확하게 결정되는 것이다. 이는 속도량이 가장 크지 않는 경우이다. 각각의 단계에서, 첫번째로 위상 변화 2π,xt와 전체 위상 변화 x가 다음에 따라 계산된다.

1.x=(ΔΨ₂-ΔΨ₁)_mod2π

2.xt=(ΔΨ₃-ΔΨ₁)_mod2π

x=^integer((q₁x-xt+π)/2π)·2π+xt

3.xt=(ΔΨ₄-ΔΨ₁)_mod2π

x=^integer((q₂x-xt+π)/2π)·2π+xt

4.xt=(ΔΨ₁)

x=^integer((q₃x-xt+π)/2π)·2π+xt

5.xt=(ΔΨ₃+ΔΨ₄)_mod2π

x=^integer((q₄x-xt+π)/2π)·2π+xt

6.xt=(ΔΨ₁+ΔΨ₂+ΔΨ₃+ΔΨ₄)_mod2π

x=^integer((q₅x-xt+π)/2π)·2π+xt

여기서 integer(.)는 (.)의 정수 부분이다. 속도 v는 다음 식으로부터 v를 계산함으로써 얻어진다.

도 4에 도시된 본 발명에 따른 처리 방법을 실현시키는데 사용될 수 있는 레이더 장치(3)는 전송 부분(4)과 수신 부분(5)을 포함한다. 안테나(6)는 순환기(7)를 통해 전송 부분과 수신 부분으로 접속된다. 전송 부분은 가변 주파수를 갖는 오실레이터(9)에 결합된 오실레이터 제어 장치(8)를 포함한다. 오실레이터 제어 장치(8)로부터의 주파수 스위프는 주기적으로 변하는 주파수의 신호가 연속 주파수 스위프에 대한 가변 주기 범위를 갖도록 발생하는 오실레이터(9)를 제어한다. 발생된 신호는 안테나(6)상의 방향 결합기(10)와 순환기(7)를 통해 송신된다. 오실레이터는 기가 헤르즈, 즉 77㎓내에서 동작할 수 있다. 안테나(6)에 의해 수신된 역반사 신호는 순환기를 경유하여 혼합기(11)로 향하여 반사 신호는 송신된 신호와 혼합된다. 증폭기(12)내에서의 증폭과 필터(13)내에서의 필터링에 따라, 신호는 처리기 블록(14)에 공급되어 특히, 상대 속도의 결정에 상기 설명한 처리 방법에 따라 전송된다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않는다. 특허 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 범주내에서, 다수의 대안의 실시예가 존재한다. 예를 들어, 위상 변화의 다른 결합이 사용될수 있다.

Claims (5)

1. 연속 주파수 스위프를 갖는 선형 주파수 변조를 사용하여 반경 방향으로 이동하는 두 물체간의 상대 속도를 결정하는 상대 속도 결정 방법으로서, 합성 수신 신호를 얻기 위해 송신된 신호를 수신된 신호와 승산하며 상대 속도를 결정하기 위해 임의의 시간에 걸친 위상 변화를 사용하는 상대 속도 결정 방법에 있어서, 연속 주파수 스위프에 대한 주기 길이가 변화되고, 상대 속도를 결정하는 데에 주기 길이 및 대응하는 위상 변화의 차이가 사용되는 것을 특징으로 하는 상대 속도 결정 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 상대 속도 v는,

   v = k·x/ΔT (x는 시간 ΔT 동안의 위상차이다), 및

   (c는 대기중의 빛의 속도, α는 주파수 스위프의 그래디언트, t_c는 클럭 시간, f₀는 신호의 캐리어 주파수를 나타낸다)에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 상대 속도 결정 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 주파수 스위프에서 제2 주파수 스위프로의 주기 길이는 거리와 상관없이 속도와 가속도에 대한 주어진 제한값을 기초로 한 위상 변화를 정확하게 결정하는데 요구되는 시간차보다 적거나 동일한 양으로 변화되는 것을 특징으로 하는 상대 속도 결정 방법.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한항에 있어서, 적어도 3개의 연속 주파수 스위프는 상이한 주기 길이로 지정되는 것을 특징으로 하는 상대 속도 결정 방법.
5. 제1항 내지 제4항중 어느 한항에 있어서, 주기 길이내의 차이 외의 위상 변화는 하나 이상의 주기 길이 및/또는 하나 이상의 추가의 주기 길이로 연구되는 것을 특징으로 하는 상대 속도 결정 방법.