KR20070065413A

KR20070065413A - 향상된 주파수 스위프 선형성을 갖는 ｆｍｃｗ 레이더

Info

Publication number: KR20070065413A
Application number: KR1020077009723A
Authority: KR
Inventors: 페트릭 데이비드 로렌스 베아스레이
Original assignee: 키네티큐 리미티드
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-06-22
Also published as: AU2005288732A1; EP1794615A1; KR101116599B1; CN101031814B; GB0421520D0; AU2005288732B2; CA2580510A1; CN101031814A; US7592943B2; US20080088503A1; ZA200702439B; WO2006035199A1; CA2580510C

Abstract

FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이더는 스웹트 주파수 신호를 생성하기 위해 주파수 스위프 생성기(42)를 포함한다. 판별기(52)는 상기 스웹트 주파수 신호의 일부를 수신하고 기준 차 주파수 신호를 생성한다. 상기 판별기(52)는 상기 차 주파수 신호가 얻어지는 시간 변위된 주파수 스웹트 신호를 생성하기 위해 레이저 다이오드(72), 광 섬유(74), 및 검출기(76)를 포함할 수 있는 광학 지연 수단을 포함한다. 송수신기(50)는 또한 상기 스웹트 주파수 신호로부터 상기 레이더에 의해 송신될 신호를 생성하고 타겟 차 주파수 신호를 생성하는 것으로 기술되어 있다. 아날로그 디지털 변환기(80)는 기준 차 주파수 신호의 주파수로부터 얻어지는 레이트에서 타겟 차 주파수 신호를 샘플링한다. 공항 활주로상의 외부 물체 파편을 검출하는 것과 같은, 다양한 애플리케이션들에서 상기 레이더의 사용 또한 기술되어 있다.

FMCW, 스웹트 주파수 신호, 주파수 스위프 생성기, 판별기, 광학 지연 수단

Description

향상된 주파수 스위프 선형성을 갖는 ＦＭＣＷ 레이더{Frequency Modulated Continuous Wave(FMCW) radar having improved frequency sweep linearity}

본 발명은 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 향상된 주파수 스위프 선형성(frequency sweep linearity)을 갖는 FMCW 레이더 장치 및 그러한 장치를 동작시키는 방법에 관한 것이다.

FMCW 레이더 시스템들은 공지되어 있고 여러 해 동안 널리 사용되어 왔다. 그러한 시스템들에서, 타겟에 대한 범위는 송신되는 RF(radio frequency) 신호의 주파수를 체계적으로 변경함으로써 측정된다. 통상적으로, 레이더는 송신된 주파수가 시간에 따라 선형적으로 변경하도록 배치되고, 예를 들어 삼각형 또는 톱니형 주파수 스위프가 구현된다. 이러한 주파수 스위프는 매 순간마다 송신된 신호상에 "타임 스탬프(time stamp)"를 효율적으로 위치시키며, 송신된 신호와 타겟으로부터 복귀된 신호(즉, 반사되거나 수신된 신호) 사이의 주파수 차는 타겟 범위의 측정을 제공하도록 사용될 수 있다. 또한, FMCW 레이더에 의해 제공되는 범위 정보의 정확성이 주파수 스위프의 선형성에 의존한다는 것은 당업자들에게 공지되어 있다. 따라서, 당업자들은 FMCW 레이더 시스템들의 주파수 스위프 선형성을 향상시키기 위해 여러 해에 걸쳐 다양한 테크닉들을 제안하여 왔다.

통상적인 FMCW 레이더에서, VCO(voltage controlled oscillator)는 전압 변화를 대응하는 주파수 변화로 변환하도록 사용된다. 고품질 선형 전압 변화(예로써, 삼각 또는 톱니 파형)를 생성하는 것이 사소한 것일지라도, VCO에 의한 대응하는 주파수 변화에 따른 변환은 종종 FMCW 레이더의 범위 분해능을 심각하게 격하시키는 현저한 비선형성들의 도입을 결과적으로 나타낸다. 고유하게 선형적인 VCO들을 생성하기 위한 시도들이 있었다. 예를 들어, YIG 발진기들은 미세 조정 코일이 고작 0.1%의 선형성을 생성하는 USA, 캘리포니아, 프리몬트, Micro Lambda Wireless에 의해 생산되고 있다. 그러나, 그러한 디바이스들은 통상적으로 빈약한 대역폭을 제공하며 현재 비교적 고가이다.

VCO 응답 특성들에서 어떠한 선형성에 대해 보상하기 위해 VCO에 적용되는 전압 튜닝 신호를 수정 또는 사전에 왜곡시키는 것 또한 공지되어 있다. 아날로그 사전 왜곡은 파형이 약 2 내지 5% 내에서 선형적으로 생성되도록 허용하지만, 그 테크닉은 온도 영향 및 노화에 민감하다. VCO 튜닝 신호의 디지털 사전 왜곡 또한 공지되어 있으며 룩업 테이블(look-up table)을 생성하도록 VCO의 주파수 튜닝 특징을 측정하는 단계를 포함한다. 룩업 테이블의 사용은 VCO에 적용되는 튜닝 신호가 임의의 VCO 비선형성들을 보상하기 위해 수정되는 것을 가능하게 한다. 이러한 테크닉들은 약 1% 이상으로 선형성을 향상시킬 수 있고, 디지털 사전 왜곡 테크닉들은 그에 따라 저비용 FMCW 레이더 애플리케이션들에서 일부의 성공을 통해 사용되어 왔다. 그러나, 그 테크닉은 VCO를 변조하는 원치않는 디지털 노이즈를 피하기 위한 신중한 디자인을 요구한다.

현재, 고성능 FMCW 레이더들을 제공하기 위해 가장 공통적으로 사용되는 테크닉은 폐쇄된 루프 피드백이다. 폐쇄된 루프 피드백 테크닉은 다양한 방식들에 따라 구현되어 왔지만, 그것들은 기준 신호와 함께 믹싱될 때 "비트(beat)" 주파수를 생성하는 인공적인 타겟을 생성하는데 모두 기초한다. 완전하게 선형화된 FMCW 레이더에서, 고정된 범위 타겟은 일정한 "비트" 주파수를 생성한다. 그러므로, 실제의 FMCW 레이더에서, "비트" 주파수가 희망되는 일정한 주파수 값으로부터 드리프팅하는 경우, 에러 신호는 일정한 "비트" 주파수를 유지하도록 VCO를 미세 튜닝하기 위해 생성될 수 있다. 이러한 피드백 테크닉은 레이더의 최종 RF 주파수 또는 하위의 하향 변환된 주파수에서 구현될 수 있다. 0.05%보다 더 양호한 선형성을 갖는 파형들이 설명되었지만, 그 시스템이 매우 양호하게 디자인되지 않는 경우, 상기 테크닉은 불안정하기 쉬우며 약 600MHz로 대역폭에서 제한되는 것이 대표적이다. 또한, VCO가 직접적으로 변조되기 때문에, 결과적인 송신 신호의 위상 노이즈 신호가 절충될 수 있다. 그러한 피드백 루프 장비의 예는 1997년 6월, IEEE MTT-S International Microwave Symposium Prague에서 M Nalezinski, M Vossiek, P Heide(Siemens AG, 뮌헨)에 의한 문서 "고정밀 거리 측정들에 대해 2.45 GHz SAW 기준 경로를 갖는 독창적인 24 GHz FMCW 프론트 엔드(Novel 24 GHz FMCW Front End with 2.45GHz SAW Reference Path for High-Precision Distance Measurements)"에 제시되어 있다.

또한, 비선형 주파수 스위프 효과들이 비선형 방식에 따라 리턴된 신호를 샘플링함으로써 감소될 수 있는 방법이 GB2083966 및 GB1589047에서 이전에 개시되어 있다. 특히, GB2083966 및 GB1589047은 샘플링 펄스들의 스트림이 얻어질 수 있는 "비트" 주파수를 인공적인 고정된 범위 타겟이 생성하도록 사용될 수 있는 방법을 기술하고 있다. 그러한 샘플링 펄스들 사이의 간격은 완전하게 선형적인 주파수 스위프에 대해 일정할 것이지만, 주파수 스위프가 비선형인 경우 변경될 것이다. 리턴된 신호(즉, 실제 타겟에 의해 리턴된 신호)를 샘플링하기 위한 샘플 및 홀드(sample-and-hold) 회로의 사용은 송신된 신호의 주파수 스위프에서 어떠한 비선형성들에 대해서도 보상한다. 그러나, GB2083966 및 GB1589047에 기술된 시스템들은 단거리 동작에서만 적절하며 제한된 감도를 제공한다. 당업자들이 FMCW 시스템들에서 사용하기 위해 그러한 장비들을 고려하지 않고 상기 기술된 사전 왜곡 및 폐쇄된 루프 피드백 장비들에 그들의 노력을 집중하는 것은 이러한 이유 때문이다.

본 발명의 제 1 측면에 따라, FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이더는 스웹트 주파수 신호를 생성하기 위한 주파수 스위프 생성기와, 상기 스웹트 주파수 신호의 일부를 수신하고 상기 스웹트 주파수 신호의 주파수와 상기 스웹트 주파수 신호로부터 얻어지는 시간 변위된 스웹트 주파수 신호의 주파수를 사이의 차이와 같은 주파수의 기준 차 주파수(difference-frequency) 신호를 생성하기 위한 판별기와, 상기 스웹트 주파수 신호로부터 상기 레이더에 의해 송신될 신호를 생성하기 위한 송수신기로서, 상기 레이더에 의해 송신되는 신호의 주파수와 원격 타겟(들)으로부터 상기 레이더에 리턴되는 신호의 주파수 사이의 차이와 같은 주파수의 타겟 차 주파수 신호 또한 생성하는 상기 송수신기와, 상기 기준 차 주파수 신호의 주파수로부터 레이트에서 상기 타겟 차 주파수 신호를 샘플링하기 위한 ADC(analogue-to-digital converter)를 포함하며, 상기 판별기가 상기 시간 변위된 주파수 스웹트 신호를 생성하기 위한 광학적 지연 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, FMCW 레이더는 스웹트 주파수 신호, 예를 들어 톱니형 또는 삼각형 주파수 변형 신호를 생성하기 위해 주파수 스위프 생성기를 갖는 것으로 제공된다. 상기 레이더는 또한 스웹트 주파수 신호의 일부를 수신하고 그 레이더에 의한 송신을 위해 FMCW 신호를 그로부터 생성하도록 배치된다. 상기 송수신기는 또한 원격 타겟 또는 타겟들로부터 레이더로 리턴된 신호(리턴 신호)와 함께 레이더에 의해 송신되는 스웹트 주파수 신호(송신 신호)를 믹싱함으로써 타겟 차 주파수 신호를 생성하도록 배치된다.

상기 레이더는 또한 스웹트 주파수 신호의 일부와 함께, 인위적인 타겟으로부터 리턴 신호에 대응하도록 고려될 수 있는 시간 변위된 스웹트 주파수 신호를 믹싱함으로써 기준 차 주파수 신호를 생성하는 판별기를 포함한다. 상기 송수신기에 의해 생성되는 타겟 차 주파수 신호는 기준 차 주파수 신호의 주파수에 응답하여 동적으로 변경되는 샘플링 레이트에서 ADC에 의해 샘플링된다. 다시 말해서, 기준 차 주파수 신호는 타겟 차 주파수 신호를 샘플링하는 ADC를 클록킹하기 위해 사용된다. 이러한 장비는 주파수 스위프 생성기에 의해 생성되는 주파수 스웹트 신호에서 어떠한 비선형성에 대해서도 보상하며, ADC는 타겟 범위(들)에 직접적으로 관련되는 주파수 구성요소들을 갖는 디지털화된 신호를 출력한다.

GB2083966에 기술된 시스템과는 달리, 본 발명의 레이더 장치는 주파수 스웹트 신호의 일부로부터 시간 변위된 주파수 스웹트 신호를 생성하기 위한 광학 지연 수단을 포함하는 판별기를 포함한다. 상기 광학 지연 수단은 적어도 하나의 광 섬유 지연 라인을 포함하는데 바람직하며, 이것은 물리적으로 밀집되고 견고한 광학 장비를 제공한다. 사용에 있어서, 상기 광학 지연 수단은 바람직하게는 적어도 하나의 레이저 다이오드를 사용하여 전기적으로 스웹트 주파수 신호의 일부를 대응하는 세기 변조된 광학 신호로 변환한다. 상기 광학 신호는 다시 전기 신호로 변환되기 이전에 광 섬유의 길이와 같은 광 경로 또는 도파로를 따라 건네진다. 상기 광학 지연 수단은 그 광학 신호를 다시 전기 신호로 변환하기 위해 적어도 하나의 광검출기를 포함한다. 광검출기에 의해 출력되는 전기 신호(즉, 시간 변위된 스웹트 주파수 신호)는 따라서 주파수 스위프 생성기에 의해 출력되는 스웹트 주파수 신호와 관련하여 지연된다(시간 변위된다). 그 다음으로, 시간 변위된 스웹트 주파수 신호는 기준 차 주파수 신호를 생성하도록 지연되지 않은 스웹트 주파수 신호의 일부와 믹싱된다.

본 발명의 광학 지연 수단을 포함하는 레이더와 연관된 많은 장점들이 존재한다. 예를 들어, 상기 광학 지연 수단은 긴 길이(예로써, 수 십 또는 수 백 미터 또는 심지어 수 킬로미터)의 저손실 광 섬유를 포함할 수 있다. 이것은 긴 지연들이 어떠한 감지가능한 신호 손실 없이 시간 변위된 스웹트 신호로 나누도록 하여 레이더 장치가 동작의 긴 최대 범위를 갖는 것으로 제공되도록 허용한다. 더욱이, 광학 섬유 기반 지연 수단은 분산의 매우 낮은 레벨들을 제공하고 넓은 온도 범위에 걸쳐 안정적인 도파로 속성들을 가지며 시간에 걸쳐 현저히 변경되지 않는다. 이것은 레이더의 동작 환경이 변경될 때나 장비가 노화됨에 따라 유입되는 지연의 지속기간에 따른 원치않고 예측 불가능한 변화들을 방지한다.

본 발명의 레이더 장치, 특히 전기적 지연 수단 대신에 광학 지연 수단의 설비가 시간 변위된 주파수 스웹트 신호를 생성하도록 고손실 극초단파 지연 라인들을 사용하는 GB2083966에 기술된 디바이스들에 걸쳐 중요하고 전혀 예상되지 않는 장점들을 제공한다는 것을 다시 강조한다. 게다가, 본 발명의 레이더는 개방 루프 제어 메카니즘을 사용하므로, 상기 기술된 종래의 폐쇄된 루프 피드백 테크닉들보다 선천적으로 더 안정적이고 견고하다. 그 결과가 FMCW 레이더 디자인에서 전례가 없는 큰 RF 대역폭에 걸쳐 선형성을 달성하는 FMCW 레이더이다.

상기 광학 지연 수단은 주파수 스웹트 신호와 관련하여 복수의 상이한 시간 변위들 중 어느 하나를 갖는 시간 변위된 주파수 스웹트 신호를 생성하도록 배치되는 것이 유리하다. 다시 말해서, 상기 광학 지연 수단은 시간 변위된 주파수 스웹트 신호로 주어지는 지연의 지속기간이 요구에 따라 선택될 수 있는 것과 같이 배치된다.

상기 광학 지연 수단은 멀티탭 광 섬유 지연 라인을 포함하는데 편리하다. 상기 광학 지연 수단은 광학 스위칭 및/또는 전기적 스위칭 테크닉들과 협력하여 멀티탭 광학 섬유 지연 라인을 사용하는 시간 변위된 주파수 스웹트 신호로 주어지는 지연을 변경하도록 배치될 수 있다.

예를 들어, 단일 레이저 다이오드는 멀티탭 광학 섬유로 변조된 광학 신호를 연결하기 위해 사용될 수 있다. 전기적 스위칭의 경우에, 전자 광검출기는 그에 따라 광학 탭 포인트들의 각각 또는 그 중 적어도 일부에서 제공될 수 있다. 그 다음으로, 전기적 선별기 스위치는 기준 차 주파수 신호를 생성하도록 주파수 스웹트 신호와 함께 믹싱을 위해 단지 희망되는 전자 광검출기만의 전기적 출력을 조작하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 레이저 다이오드는 광학 탭 포인트들의 각각 또는 그 중 적어도 일부에 제공될 수 있고, 단일 검출기가 광 섬유로 연결되는 방사(radiation)를 수신하게 제공된다. 그 다음으로, 적절한 레이저 다이오드로 주파수 스웹트 신호를 라우팅하거나 요구되는 레이저 다이오드에만 전력을 공급하는 것이 검출기에 의해 수신되는 신호로 주어지는 지연을 결정할 것이다.

광학 스위칭의 경우에, 레이저 다이오드의 출력 세기는 스웹트 주파수 신호에 의해 변조된다. 그 변조된 레이저 광은 그 다음에 광학 선별기 스위치로 공급되는 탭 포인트들의 각각 또는 그 중 적어도 일부의 출력 및 멀티탭 광 섬유로 연결된다. 그 다음으로, 상기 광학 선별기 스위치는 전기 신호로 변환하고 주파수 스웹트 신호와 차후에 믹싱하기 위해 전자 광검출기로 요구되는 지연을 나눠주는 광학 신호를 라우팅할 것이다. 다시, 대안적인 장비는 멀티탭 포인트들 중 어느 하나로 레이저 출력을 라우팅하기 위한 광학 선별기 스위치를 사용하는 것과 섬유에 따라 단일 탭 포인트에 광학적으로 연결되는 전자 광검출기를 갖는 것을 포함한다. 상기 논의된 바와 같이, 전자 및 광학 스위칭의 조합 또한 가능하다.

상기 광학 지연 수단은 길이가 상이한 복수의 광섬유들을 포함하는 것이 유리하다. 이러한 경우에, 각각의 광 섬유는 전자 광검출기와 전기적 스위칭이 요구되는 지연을 선택하도록 사용되게 하기 위해 그와 연관되는 레이저 다이오드를 가질 수 있다. 대안적으로, 레이저의 광학 출력은 선택된 섬유로 제 1 광학 스위치를 통해 라우팅될 수 있고, 그 섬유의 출력은 전자 광검출기로 제 2 광학 스위치를 통해 선택적으로 라우팅될 수 있다. 전기적 광학적 스위칭의 조합은 또한 멀티탭 광 섬유들과 관련하여 상기 기술되는 유사한 방식에 따라 가능하다.

상기에 따라서, 당업자는 본 발명의 광학 지연 수단이 시간 변위된 주파수 스웹트 신호 및 주파수 스웹트 신호 사이에 복수의 상이한 지연들을 나누기 위해서 배치될 수 있는 다양한 방식들을 이해할 것이다. 당업자는 또한 적절한 스위칭 장비를 구현하도록 사용될 수 있는 원격 통신 시스템들에서 사용되는 것들과 같은 다양한 광학 및 전기적 구성요소들을 인식할 것이다.

시간 변위된 주파수 스웹트 신호로 복수의 지연들 중 어느 하나를 나눌 수 있는 광학 지연 수단의 설비는 GB2083966의 고정된 지연 종래 시스템들에 걸쳐 다수의 장점들을 갖는다. 예를 들어, 그것은 레이더의 최대 범위가 사용하는 동안 요구되는 바에 따라 쉽게 변경되도록 허용한다. 다시 말해서, (레이더의 범위 분해능에 역으로 관계되는) 레이더의 최대 범위는 사용하는 동안 요구되는 바에 따라 증가 또는 감소될 수 있다. 요구되는 바에 따라서 그리고 요구될 때 디바이스의 범위를 적응시키기 위한 능력은 다양한 위치들에 따른 사용 및/또는 다수의 상이한 애플리케이션들에 대해 쉽게 적응될 수 있는 보다 유연한 레이더 시스템을 제공한다. 광학 지연 수단에 의해 주어지는 지연에 대한 변경이 최적의 성능을 유지하도록 다른 레이더 파라미터들을 변경하기 위한 필요성을 결과로 나타낼 수 있고, 예를 들어 주파수 스위프의 대역폭 및/또는 주파수 스위프의 지속기간이 변경될 필요가 있다. 지연, 주파수 스위프 대역폭, 및 스위프 지속기간 사이의 관계의 보다 상세한 설명이 이하 제시된다.

광학 지연 수단에 의해 주어지는 지연은 최대 요구되는 레이더 범위에 타겟에 따라 송신된 신호의 비행 시간(time-of-flight)의 배수에 등가이도록 선택되는 것이 유리하다.

이하 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 주파수 스웹트 신호의 주파수 변형이 비선형적인 경우, 기준 차 주파수 신호는 주파수 스웹트 신호의 비선형성에 관한 방식에 따라 주파수에서 변경되는 사인파를 포함할 것이다. 분석기는 기준 차 주파수 신호의 주파수에 관련된 간격들에 따라 분리되는 일련의 타이밍 펄스들로 판별기에 의해 생성되는 기준 차 주파수 신호를 변환하기 위해 제공되며, 여기서 타이밍 펄스들은 ADC를 클록킹하기 위해 사용된다. 상기 분석기는 제로 크로싱 검출기(zero crossing detector)를 포함한다. 이러한 경우에, 클록킹 펄스는 기준 차 주파수 신호의 전압이 0에 교차할 때마다 생성될 것이다. 이하 논의되는 바와 같이, 제로 크로싱 검출기는 0이 양극 또는 음극 방향으로부터 교차될 때만 또는 신호의 모든 제로 크로싱에 대해 타이밍 펄스를 생성하도록 배치될 수 있다. 상기 분석기는 또한 제로 크로싱 검출기에 적용되는 신호의 주파수를 두 배로 하기 위해 주파수 더블러(frequency doubler)를 포함할 수 있다. 상기 기술된 형태의 분석기를 제공하는 것 이외에, 사인파에 의해 직접적으로 클록킹될 수 있는 ADC가 사용가 사용될 수 있다는 것에 주의한다.

주파수 스위프 생성기는 톱니 및 삼각파 스웹트 주파수 신호 중 어느 하나를 출력하도록 배치되는 것이 유리하다. 상기 주파수 스위프 생성기는 전압 제어 발진기를 포함하는데 편리하다. VCO가 정확한 튜닝 특징을 요구하지 않기 때문에, 예를 들어 모바일 원격 통신 산업에서 사용되는 형태와 같이 매우 저가일 수 있다.

바람직하게는, 상기 주파수 스위프 생성기는 전압 제어 발진기로 디지털적으로 사전에 왜곡된 튜닝 신호를 출력하기 위해 전압 신호 생성기를 포함한다. 이러한 방식에서, VCO의 선형성이 향상될 수 있다. 본 발명의 레이더가 어떠한 단조 스웹트 주파수 신호의 비선형성에 대해 보상할지라도, 특히 레이더 또한 안티 엘리어스(anti-alias) 필터를 포함하는 경우들에서 10% 이상의 선형성을 갖는 스웹트 주파수 신호를 출력하는데 바람직하다. 그러한 안티 엘리어스 필터의 포함은 나이키스트 주파수(Nyquist frequency) 보다 더 높은 어떠한 주파수들도 컷 오프(cut off)함으로써 레이더의 성능을 향상시킬 수 있지만, 스웹트 주파수 신호의 선형성이 약 10% 이상인 경우 최대 범위에 가까운 신호 검출 감도의 손실을 나타낼 수 있다.

본 명세서에서, 용어 "선형성"은 선형으로부터 떨어진 주파수 그라디언트(frequency gradient)의 퍼센트 편차를 의미한다. 이것은 최대 및 최소 변화들을 언급하도록 "±x%" 값이나, 단순히 "x%"의 평균 편차로 표현될 수 있다. 따라서, 적은 퍼센트 선형성 값은 높은 선형 신호(완전히 선형적인 0)를 의미하는 반면에, 높은 퍼센트 선형성 값은 불량한 선형성의 신호를 의미한다. 이러한 방식에 따라 선형성을 기술하는 것은 당업자에 의해 공통적으로 사용되고 있다.

유리하게는, 주파수 스위프 생성기에 의해 생성되는 스웹트 주파수 신호는 제 1 주파수 대역 내 주파수 범위를 갖고, 레이더에 의해 송신되는 신호는 제 2 주파수 대역 내 주파수 범위를 가지며, 상기 제 1 주파수 대역 내에 포함된 주파수들은 상기 제 2 주파수 대역 내에 포함된 주파수들보다 더 낮다. 상기 송수신기는 레이더에 의해 송신될 신호의 주파수로 스웹트 주파수 신호의 주파수를 증가시키기 위해 주파수 상향 변환기를 포함하는데 편리하다. 주파수 상향 변환기는 STALO(stable local oscillator)를 포함한다. STALO의 위상 노이즈는 이상적으로 주파수 스위프 생성기의 VCO의 위상 노이즈와 같은 순서이다.

따라서, 주파수 스위프 생성기가 레이더에 의해 최종적으로 송신되는 주파수보다 훨씬 더 낮은 주파수에서 동작하는 이른바 상향 변환 구조를 사용하여 본 발명을 구현하는데 바람직하다. 예를 들어, 상기 주파수 스위프 생성기는 레이더가 10 GHz로부터 100 GHz 이상의 어떠한 주파수를 갖는 신호를 송신하는 동안 UHF 대역(예로써, 수 백 MHz 내지 수 GHz)에서 동작할 수 있다. 저주파 대역에서 생성되는 스웹트 주파수 신호는 적절한 상향 변환기에의해 레이더 송신 주파수 대역으로 상향 변환된다. 또한, 원격 타겟으로부터 레이더로 리턴되는 신호가 송신된 신호와 같은 주파수 대역 내에 있는 것이 명확할지라도, 송신 및 수신 신호가 호모다인(homodyne) 믹싱될 때, 그것들은 기저대역 주파수들에서 타겟 차 주파수 신호를 생성한다. 따라서, 이러한 구조는 주파수 스위프 생성기, 판별기, ADC 등등이 하위 주파수, UHF, 대역에서 동작하도록 허용한다. 이것은 레이더의 복잡성 및 비용 모두를 감소시키며, 보다 양호한 위상 노이즈 성능으로 그 자체를 선천적으로 제공한다. 이것은 주파수 스위프가 최종 레이더 동작 주파수에서 직접적으로 생성되는 GB2083966에 기술된 것들과 같은 디자인들과 비교하여 향상된 레이더 감도를 나타낸다.

이러한 형태의 상향 변환 구조의 추가적인 장점은 대다수의 선형화 회로(즉, 주파수 스위프 생성기, 판별기, ADC)가 레이더 송신 주파수와 무관하다는 것이다. 따라서, 동일한 선형화 회로는 STALO와 같은 송수신기 구성요소들이 요구되는 레이더 출력 주파수를 생성하도록 명확하게 선택되어야 할지라도, 상이한 RF 주파수들에서 상이한 애플리케이션들에 대해 사용될 수 있다. 상기 선형화 회로는 94.5 GHz에서 동작하는 활주로 파편 모니터링 레이더들, 35 GHzd에서 동작하는 경계 보안 레이더들, 24 GHz에서 송신하는 레벨 측정 레이더, 17 GHz에서 작동하는 조류 검출 레이더들, 또는 9 GHz에서 동작하는 해양 항해 레이더에서 사용될 수 있다.

FMCW(frequcncy modulated continuous wave)는 따라서 스웹트 주파수 신호를 생성하기 위해 주파수 스위프 생성기와, 상기 스웹트 주파수 신호의 일부를 수신하고, 상기 스웹트 주파수 신호로부터 얻어지는 시간 변위된 스웹트 주파수 신호의 주파수 및 상기 스웹트 주파수 신호의 주파수 사이의 차와 같은 주파수를 갖는 기준 차 주파수 신호를 생성하기 위한 판별기와, 상기 스웹트 주파수 신호의 일부로부터 상기 레이더에 의해 송신될 신호를 생성하기 위한 송수신기로서, 원격 타겟(들)으로부터 상기 레이더에 의해 리턴되는 신호의 주파수 및 상기 레이더에 의해 송신되는 신호의 주파수 사이의 차와 같은 주파수를 갖는 타겟 차 주파수 신호 또한 생성하는 상기 송수신기와, 상기 기준 차 주파수 신호의 주파수로부터 얻어지는 레이트에서 상기 타겟 차 주파수 신호를 샘플링하기 위한 ADC(analogue-to-digital converter)를 포함하는 것으로 제공될 수 있으며, 상기 주파수 스위프 생성기에 의해 생성되는 스웹트 주파수 신호는 제 1 주파수 대역 내 주파수 범위를 가지고 상기 레이더에 의해 송신되는 신호는 제 2 주파수 대역 내 주파수를 가지며, 상기 제 1 주파수 대역의 중심 주파수는 상기 제 2 주파수 대역의 중심 주파수보다 더 낮다.

그러한 레이더에 있어서, 상기 송수신기는 스웹트 주파수 신호의 일부를 수신하도록 배치되는 것이 유리하며, 그 레이더에 의해 송신될 신호의 주파수로 스웹트 주파수 신호의 주파수를 증가시키기 위해 상향 변환기를 포함한다. 더욱이, 주파수 상향 변환기는 STALO(stable local oscillator)를 포함하는데 편리하다. 상기 판별기는 시간 변위된 주파수 스웹트 신호를 생성하기 위해 광학 지연 수단을 포함하는 것이 유리하다.

상기 레이더는 안테나를 추가로 포함할 수 있으며, 그 안테나는 개별적 송신 및 수신 안테나 요소들을 포함하는데 바람직하다. 다시 말해서, 양상태 안테나(bistatic antenna) 배열이 제공될 수 있다. 단상태 안테나(monostatic antenna)가 대안적으로 사용될 수 있다.

상기 레이더는 9 GHz 내지 150 GHz의 주파수 대역 내, 보다 바람직하게는 70-80 GHz 또는 90-100 GHz의 주파수 대역 내 신호를 송신하도록 배치되는데 바람직하다. 상기 레이더는 77 GHz 또는 94.5 GHz 근처의 주파수를 갖는 신호를 송신하도록 배치되는데 편리하고, 이러한 주파수들은 그것들이 대기 흡수에 따라 윈도우들에 포함됨에 따라 유리하다.

어떠한 상업적 레이더 시스템도 또한 ITU(International Telecommunications Union)에 의해 관리되는 국제간에 정해진 주파수 할당들 내에 있는 주파수들에서 동작하도록 배치되는데 바람직하다. 영국에서, 주파수 할당들은 통신 규제정책 단체, OFCOM에 의해 관리된다. 따라서, 범위들 76-81 GHz, 92-95 GHz, 또는 95-100 GHz 내 주파수를 갖는 신호를 송신하는 레이더를 제공하는데 편리하다.

대략 40 GHz 위의 주파수들에서, 통상적으로 극초단파 도파로들을 사용하여 신호들을 인도하는 것이 필요하다. 상기 레이더는 따라서 40 GHz 이상의 주파수를 갖는 신호를 송신하도록 배치되는데 편리하다. 본 발명의 상향 변환 측면은 그러한 레이더를 구현하기 위해 요구되는 극초단파 회로의 양을 감소시키므로, 그러한 시스템을 제공하는 비용을 감소시킨다.

상기 광학 지연 수단은 100m 이상, 500m 이상, 1km 이상, 2km 이상, 5km 이상, 10km 이상, 20km 이상, 또는 40km 이상의 자류로운 공간 경로 길이로 주어지는 지연과 등가인 지연을 생성하는 광 도파로들을 포함하는데 유리하다. 통상적으로 지연이 시뮬레이팅하도록 의도되는 등가의 자유 공간 경로 길이보다 광 도파로의 물리적 길이가 더 짧다는 것에 주의해야 한다. 다시 말해서, 광 섬유 코어의 효율적인 굴절 인덱스는 자유 공간의 굴절 인덱스보다 더 클 가능성이 높다. 따라서, 광 도파로의 물리적 길이는 어떠한 자유 공간 경로 길이를 트래버싱하도록 레이더 에너지에 대해 취해지는 시간에 따라 등가의 시간 지연을 생성하도록 선택된다.

따라서, 상기 광학 지연 수단은 수 백 미터 또는 심지어 수 십 킬로미터의 자유 공간 경로 길이와 등가인 것으로 지연이 생성되도록 인에이블하는 것으로 보일 수 있다. 이것은 동축 케이블의 길이들로부터 형성되는 전자식 지연 라인들을 포함하는 종래의 테크닉들과는 대조적이다. 그러한 장비에서 사용될 수 있는 동축 케이블의 길이는 통상적으로 장비의 전단 물리적 사이즈(shear physical size) 및RF 손실의 고레벨에 따라 약 50m로 제한된다. 동축 케이블 솔루션들은 또한 온도를 통한 주파수 분산에 따른 변형들을 경험한다. GB2083966에 기술된 것들과 같은 종래의 디바이스들이 위상 고정 루프등 등을 사용하여 동축 케이블 지연 라인으로부터 달성가능한 지연을 증가시키려 하였을지라도, 이것은 단순히 시스템의 성능을 저하시킨다. 따라서, 본 발명은 지연된 스웹트 주파수 신호가 이전에 가능한 것 보다 훨씬 더 큰 지연을 갖는 것으로 생성되도록 허용한다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 제 2 측면에 따라, 표면상에 물체를 검출하기 위한 장치는 본 발명의 제 1 측면에 따른 레이더를 포함한다. 그 물체는 FOD(foreign object debris)를 포함하며, 그 표면은 공항 활주로를 포함한다.

본 발명의 제 3 측면에 따라, 경계 보안 장치는 본 발명의 제 1 측면에 따른 레이더를 포함하는 것으로 제공된다.

본 발명의 제 4 측면에 따라, FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이더에 대한 주파수 선형화 모듈은 스웹트 주파수 신호를 생성하기 위한 주파수 스위프 생성기와, 상기 스웹트 주파수 신호의 일부를 수신하고 상기 스웹트 주파수 신호로부터 시간 변위된 스웹트 주파수 신호의 주파수 및 상기 스웹트 주파수 신호의 주파수 사이의 차와 같은 주파수의 기준 차 주파수 신호를 생성하기 위한 판별기를 포함하며, 상기 판별기가 상기 시간 변위된 주파수 스웹트 신호를 생성하기 위해 광학 지연 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 선형화 모듈은 본 발명의 제 1 측면에 따라 레이더에 사용되는데 바람직하다. 특히, 상기 주파수 선형화 모듈은 그것들의 선형 응답을 향상시키기 위해 기존 FMCW 레이더들에 부합될 수 있다.

유리하게는, 상기 선형화 모듈은 폐쇄된 루프 피드백 FMCW 레이더의 일부로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 판별기에 의해 생성되는 기준 차 주파수 신호는 피드백 제어기로 공급될 수 있다. 상기 피드백 제어기는 그에 따라 스위프 기간에 걸쳐 기준 차 주파수 신호의 주파수에서 어떠한 변형들에 응답하여 주파수 스위프 생성기의 VCO에 적용되는 전압 튜닝 신호의 속성들을 동적으로 변경하도록 배치될 수 있다. 다시 말해서, 상기 피드백 제어기는 일정한 기준 차 주파수 신호의 주파수를 유지하도록 전압 튜닝 신호를 변경한다. 상기 폐쇄된 루프 피드백 레이더는 최종 송신 주파수들에서 스웹트 주파수 신호를 생성하는 주파수 스위프 생성기를 포함할 수 있거나, 그것은 상기 기술된 형태의 상향 변환 구조를 사용하여 구성되는데 유리하다.

본 발명의 제 5 측면에 따라, FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이더를 동작하는 방법은, (i) 스웹트 주파수 신호를 생성하는 단계와, (ii) 상기 스웹트 주파수 신호로부터 얻어지는 시간 변위된 스웹트 주파수 신호의 주파수 및 상기 스웹트 주파수 신호의 주파수 사이의 차와 같은 주파수의 기준 차 주파수 신호를 생성하는 단계와, (iii) 상기 스웹트 주파수 신호로부터 상기 레이더에 의해 송신될 신호를 생성하는 단계와, (iv) 원격 타겟(들)으로부터 상기 레이더로 리턴되는 신호의 주파수 및 상기 레이더에 의해 송신되는 신호의 주파수 사이의 차와 같은 주파수의 타겟 차 주파수 신호를 생성하는 단계와, (v) ADC(analogue-to-digital converter)를 사용하여 상기 타겟 차 주파수 신호를 샘플링하는 단계로서, 상기 ADC 샘플링 레이트는 상기 기준 차 주파수 신호의 주파수로부터 얻어지는, 상기 샘플링 단계를 포함하며, 기준 차 주파수 신호를 생성하는 단계(ii)에서 사용되는 시간 변위된 주파수 스웹트 신호가 광학 지연 수단을 사용하여 생성되는 것을 특징으로 한다.

편리하게는, 상기 방법은 표면상에 물체를 검출하도록 레이더를 사용하는 단계를 더 포함한다. 유리하게는, 표면상에 물체를 검출하기 위해 레이더를 사용하는 단계는 공항 활주로상의 FOD(foreign object debris)를 검출하도록 레이더를 사용하는 단계를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 방법은 또한 경계 펜스와 같은 규정된 영역의 경계를 모니터링하도록 레이더를 사용하는 단계를 포함한다.

본 발명은 이제 다음의 도면들을 참조로 하여 단지 예로써 기술될 것이다.

도 1은 하향 변환 후에 수신된 시간 도메인 신호의 세기와, 시간의 함수에 따라 통상적인 FMCW 레이더의 출력 신호의 주파수를 도시한 도면.

도 2는 (a) FMCW 레이더의 송신 및 수신된 주파수 신호들과, (b) 상기 수신된 신호들의 차 주파수 구성요소들과, (c) 그 신호의 분해된 주파수 구성요소들을 도시한 도면.

도 3은 FMCW 레이더의 출력상에 비선형 주파수 스위프의 효과를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 FMCW 레이더를 도시한 블록도.

도 5는 도 4의 레이더 장치의 동작의 원리를 도시한 도면.

도 6은 공항 활주로상에 물체를 나타내도록 사용될 때 본 발명의 레이더의 출력의 이미지를 도시한 도면.

도 7은 공항 활주로의 경계를 나타내도록 사용될 때 본 발명의 레이더의 출력의 2개 이미지들을 도시한 도면.

도 1을 참조로 하면, 주파수에 따라 선형적으로 스위핑되는 FMCW 레이더의 기본적인 원리가 도시되어 있다. 도 1a는 도 1b가 시간의 함수에 따라 레이더 출력의 주파수에서 변화를 나타내는 반면에, FMCW 레이더에 대한 시간의 함수에 따라 (하향 변환 후) 수신된 신호의 진폭을 도시한 도면이다.

도 2는 FMCW 레이더를 사용하여 범위 정보가 결정될 수 있는 방법을 도시한 도면이다. 도 2a의 라인(2)은 레이더의 송신된 신호의 톱니 주파수 변형을 나타내고, 라인(4)은 레이더로부터의 제 1 거리(d₁)에서 타겟으로부터 리턴되는 신호의 시간을 통한 주파수 변화를 나타내며, 라인(6)은 레이더로부터의 제 2 거리(d₂)에서 제 2 타겟으로부터 리턴되는 신호의 시간을 통한 주파수 변화를 나타낸다. 이러한 경우에, d₂에서 타겟은 d₁의 타겟으로 레이더로부터의 거리에 대략 2배이다.

라인(4)이 Δt1만큼 라인(2)으로부터 시간 시프팅되고(즉, 지연되고), 그 동안 라인(6)은 라인(2)으로부터 Δt2만큼 시간 시프팅되는 것을 알 수 있다. 이러한 시간 시프트는 관련된 타겟 및 뒤로 트래블링하도록 리턴 신호에 대해 취해지는 시간에 의존하며, 따라서 타겟에 대한 범위의 표시이다. 이론적인 예에서, 시간을 통한 주파수의 변형은 측정 윈도우(8) 내에서 완전히 선형이다. 따라서, d₁에서 타겟으로부터 리턴이 측정 윈도우(8)의 전체 내 주파수 Δf₁에 의해 송신된 신호로부터 주파수 시프팅된다. 마찬가지로, d₂에서 타겟으로부터 리턴은 주파수 Δf₂에 의해 송신된 신호로부터 주파수 시프팅된다.

FMCW 레이더에서, 레이더에 의해 수신되는 리턴 신호는 송신된 신호와 믹싱된다. 이것은 송신 및 수신된 신호 사이에 주파수에 따른 차와 같은(또는 다수의 주파수 구성요소들을 포함하는) 주파수의 차 또는 비트 신호를 생성한다. 도 2b는 d₁에서 타겟으로부터 리턴되는 신호와 송신된 신호를 믹싱함으로써 생성되는 주파수 구성요소(14)와, d₂에서 타겟으로부터 리턴되는 신호와 함께 송신된 신호를 믹싱함으로써 생성되는 주파수 구성요소(16)를 도시한 도면이다. FFT(Fast Fourier Transform) 테크닉은 측정 윈도우(8) 내에서 시간에 걸쳐 이러한 믹싱된 신호들의 주파수 분석을 제공하며, 도 2c에 도시된 바와 같이 주파수의 함수로 레이더 리턴 세기를 제공한다. 관찰된 주파수 시프트(또는 타겟 비트 주파수 f_b)는 방정식,

에 의해 타겟의 범위(R)에 관련되며, 여기서 c는 광의 속도이고, ΔF는 주파수 대역폭(즉, 최대 주파수 - 최소 주파수)이며, ΔT는 스위프 지속기간이다. 선형 주파수 스위프의 그라디언트(즉, ΔF/ΔT)가 알려져 있고, 그에 의해 타겟(들)에 따른 범위가 측정된 비트 주파수로부터 계산되도록 허용한다.

상기 논의된 바와 같이, 올바른 선형 주파수 스위프는 실제 레이더 시스템에서 얻기 어렵다. 이제부터 도 3을 참조로 하면, 비선형 스위프 주파수의 사용이 레이더에 의해 얻어지는 범위 정보의 정확성을 현저히 감소시킬 수 있는 방법을 알 수 있다. 특히, 도 3a는 비선형 주파수 스위프 신호(곡선 30)를 갖는 송신된 신호를 도시한 도면이다. 리턴 신호(곡선 32)가 일정한 지연 Δt₃에 의해 송신된 신호(곡선 30)로부터 시간 시프팅될지라도, 두 신호들 사이의 주파수 차는 시간에 따라 더이상 일정하지 않다. 이것은 주파수 차(즉, 송신 및 수신된 신호의 비트 주파수)가 시간의 함수로 나타나는 도 3b로부터 알 수 있다. 따라서, 주파수 스위프의 비선형성은 큰 에러를 범위 측정으로 끌어드리며, 선형성 주파수 스위프를 갖는 레이더를 제공하는 것이 왜 바람직한지를 알 수 있다.

이제부터 도 4를 참조로 하면, 본 발명의 FMCW 레이더(40)가 도시되어 있다.

레이더(40)는 UHF 주파수들에서 톱니 주파수 스위프 신호를 출력하기 위한 주파수 스위프 생성기(42)를 포함한다. 주파수 스위프 생성기(42)는 튜닝 신호 생 성기(46)로부터 전압 제어 신호를 수신하도록 배치되는 VCO(voltage controlled oscillator)(44)를 포함한다.

VCO(44)는 매우 낮은 위상 노이즈 VCO(voltage controlled oscillator)이다. 적절한 VCO들은 다수의 제조업자들로부터 저가에 상업적으로 사용가능하며, 모바일 원격통신 애플리케이션들 등에서 흔히 사용된다. VCO(44)는 단조 튜닝 특징을 갖지만, VCO의 튜닝 선형성은 중요하지 않다. 튜닝 신호 생성기(46)는 튜닝 신호를 디지털적으로 생성하고, 디지털 양자화 노이즈를 제거하기 위한 필터(도시되지 않음)를 포함한다. 이것은 VCO 튜닝 신호의 디지털 사전 왜곡을 허용하여, 그에 의해 VCO가 10% 이상의 선형성을 갖는 주파수 스위프를 출력하게 한다. 주파수 파형은 사실상 톱니형인 것이 바람직하고, 12.5cm 범위 분해능에 대응하는 적어도 1500 MHz의 대역폭들이 쉽게 달성된다.

디지털 튜닝 신호 생성기(46)가 기술될지라도, 당업자는 VCO 튜닝 신호가 단순한 아날로그 적분기 회로에 의해 대안적으로 생성될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 마찬가지로, 주파수 스위프 생성기는 대안적인 선형 파형들(예로써, 삼각 파형들 등)을 생성하도록 배치될 수 있다.

주파수 스위프 생성기(42)의 출력은 분배기(48)에 건네진다. 분배기(48)는 신호를 2개로 분리하고, 따라서 그 나눠진 신호는 레이더 송수신기(50) 및 지연 라인 판별기(52)에 공급된다.

레이더 송수신기(50)는 호모다인 구조(homodyne architecture)를 갖는다. 송수신기(50)는 분배기(48)로부터 수신되는 저주파 신호를 희망되는 RF 주파수(통상 적으로 약 94.5 GHz)로 상향 변환하는 제 1 주파수 믹서(56) 및 STALO(stable local oscillator)(54)를 포함한다. 측파대 거부 필터(59)는 RF 주파수 신호로부터 하위 측파대를 제거하도록 제공되며, 상위 측파대가 RF 신호로부터 대안적으로 제거될 수 있다는 것에 주의해야 한다. (이제 상위 측파대만을 포함하는) RF 신호는 그 후 RF 전력 증폭기(58)에 의해 증폭되며, 서큘레이터(circulator)(60)를 통해 안테나(62)로 건네진다. 이러한 테크닉에서, 키 요소는 낮은 위상 노이즈를 갖는 것이 바람직한 STALO(54)이다.

안테나(62)에 의해 수신되는 리턴 신호는 서큘레이터(60)를 통해 낮은 노이즈 증폭기(64)로 건네진다. 낮은 노이즈 증폭기(64)에 의해 출력되는 증폭된 리턴 신호가 다음으로 RF 신호 출력의 추출을 통해 IQ(In-phase Quadrature) 주파수 믹서기(66)를 사용하여 믹싱된다. 다시 말해서, 타겟(들)으로부터의 레이더 리턴들은 최근에 송신되는 신호의 샘플과 함께 IQ 주파수 믹싱함으로써 기저대역으로 직접적으로 변환된다. 그 다음으로, 기저대역 리턴 신호는 ADC(analogue to digital converter)(80)로 건네지기 이전에 안티 엘리어스 필터(86) 및 증폭기(84)를 포함하는 조절 회로(82)에 건네진다. 안티 엘리어스 필터(86)는 미리 결정된 레벨보다 더 큰 주파수를 갖는 신호의 어떠한 주파수 구성요소들도 거부하도록 배치된다. 안티 엘리어스 필터(86)는 통상적으로 나이퀴스트(Nyquist) 주파수보다 더 큰 주파수를 갖는 어느 것을 거부하도록 배치된다.

레이더가 송신 및 수신을 위해 동일한 안테나(즉, 단상태 장비)를 사용하는 단일 안테나 시스템이나 송신 및 수신을 위해 개별적인 안테나들을 갖는 이중 안테 나 시스템(즉, 양상태 장비)으로 구성될 수 있다는 것에 주의한다. 단상태 안테나 장비가 단순성을 위해 도 4에 도시될지라도, 양상태 장비는 그것이 수신기로부터 송신기 위상 노이즈의 최적 격리를 제공하는 장점을 갖는 것으로 바람직하다.

상기 요약된 바와 같이, 분배기(48)는 또한 지연 라인 판별기(52)로 주파수 램프 생성기(42)의 출력의 일부를 출력한다. 지연 라인 판별기(52)는 추가적인 분배기(68), 추가적인 주파수 믹서(70), 레이저 소스(72), 광 섬유 지연 라인(74), 및 광검출기(76)를 포함한다.

지연 라인 판별기(52)의 추가적인 분배기(68)는 수신된 VCO 신호를 2개 경로들로 분리한다. 제 1 경로는 추가적인 주파수 믹서(70)의 국부 발진기 포트로 곧장 신호를 통과시킨다. 제 2 경로는 레이저 소스(72)로 VCO 신호를 통과시킨다. 레이저 소스의 출력은 수신된 VCO 신호에 의해 세기 변조되고 광검출기(76)에 의해 전기적 신호로 다시 변환되기 이전에 광 섬유 지연 라인(74)에 따라 통과한다. 광검출기(76)에 의해 생성되는 전기 신호는 그에 따라 주파수 믹서(70)의 RF 입력 포트로 통과된다. 이하 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 광 섬유 지연 라인(74)의 길이는 레이더의 최대 기기 범위에서 타겟에 의해 생성되는 지연과 등가인 지연을 나누도록 선택되거나, 그 길이에 2배이다. 광 섬유 지연 라인(74)에 의해 주어지는 지연이 예를 들어 위상 고정 루프를 사용하여 전자적으로 차후에 증가될 수 있다는 것에 주의해야 한다.

레이저 소스(72)는 DFB(distributed feedback) 또는 DBR(distributed Bragg reflector) 레이저와 같은 고체 상태 반도체 레이저이다. VCO 신호는 레이저 다이 오드 전류 공급을 변조하도록 사용되고, 그에 의해 레이저 출력을 세기 변조한다. 레이저 다이오드들은 약 18 GHz까지의 레이트들에서 세기 변조될 수 있게 현재 상업적으로 사용가능하며, 레이저 다이오드들은 70 GHz까지의 레이트들에서 변조될 수 있는 것으로 보고되어 있다. 이러한 변조 레이트들에서 동작할 수 있는 광검출기들(76)은 또한 많은 소스들로부터 상업적으로 사용가능하다. 광학적 분산 효과들을 최소화하기 위해, 광 섬유 지연 라인(74)은 단일 모드 광 섬유로부터 형성되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명이 광학 반송파상으로 전기 신호를 변조하고, 그것을 섬유 광 지연 라인으로 계속해서 전하며, 다음으로 전기 신호로 다시 광학 신호를 복조함으로써 적절하게 긴 지연 시간을 제공한다는 것을 알 수 있다. 섬유 광 지연 라인의 사용은 수 기가헤르츠의 큰 대역폭들이 가정적으로 손실 없이 수 십 킬로미터들과 등가인 실제적인 기간들만큼 지연되도록 인에이블한다. 추가로, 섬유 광 지연 라인들은 특히 큰 온도 변화들에 걸쳐 RF 동축 라인들에서 제한 요소일 수 있는 매우 낮은 주파수 분산을 갖는다. 또한, 스위칭 가능한 광학 지연 라인들 또는 멀티탭핑된 광학 지연 라인은 레이더들이 스위칭 가능한 최대 기기 범위들을 갖는 것으로 생성되도록 허용한다는 것에 주의해야 한다.

따라서, 광 섬유 지연 라인의 사용은 동축 지연 라인들이 사용될 때 존재하는 범위 제한들을 제거한다. 게다가, SAW(surface acoustic wave) 지연 라인들을 활용하는 시스템들과는 달리, 최대 달성가능한 대역폭 및 지연의 길이 사이에 트레이드 오프(trade off)가 존재하지 않는다.

지연 라인 판별기(52)에 의해 출력되는 신호는 선택가능한 주파수 더블러(77)를 통해 제로 크로싱 검출기(78)로 공급된다. 광 섬유 지연 라인(74)의 길이가 레이더의 최대 기기 범위에 2배와 같게 이루어는 경우 최대 기기범위에서나, 광 섬유 지연 라인(74)의 길이가 레이더의 최대 기기 범위와 같게 이루어지는 그 범위에 1/2로 지연 라인 판별기(52)에 의해 출력되는 신호가 타겟으로부터의 리턴에 등가인 것에 주의해야 한다. 더욱이, 이하 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 지연 라인 판별기(52)에 의해 출력되는 신호의 주파수는 VCO 주파수 슬로프에서 변형에 따른 주파수 스위프 동안 변경될 것이다.

제로 크로싱 검출기(78)는 지연 라인 판별기(52)에 의해 출력되는 신호의 전압이 0과 교차할 때마다 클록킹 펄스를 생성하도록 배치된다. 이러한 클록킹 펄스는 실제 타겟들로부터 레이더 리턴들을 샘플링하도록 사용되는 ADC(analogue to digital converter)(80)의 샘플링 시간들을 규정하도록 사용된다. 제로 크로싱 검출기(78)는 지연 라인 판별기(52)의 출력을 심하게 제한하고 ADC 클록 신호를 생성하기 위해 비교기를 사용함으로써 구현될 수 있다. 대안적으로, ADC(80)가 사인파 클록을 수용하는 형태의 것인 경우들에서, 지연 라인 판별기(52)의 출력은 ADC(80)에 대해 요구되는 레벨로 단순히 증폭될 수 있다. 이러한 방식에 따라, 주파수 스위프 생성기(42)의 비선형 효과들이 보상되고 거의 완전한 주파수 선형성이 달성된다. 더욱이, 다시 ADC의 비선형 샘플링으로 인해, ADC들과 종종 연관되는 스퓨리어스 주파수 스퍼들(spurious frequency spurs)이 번지게 하여 효율적으로 제거된다.

ADC(80)의 디지털화된 출력은 리턴된 레이더 신호의 주파수 구성요소들을 추 출하는 디지털 신호 프로세서(88)로 공급된다. 이러한 주파수 구성요소들은 선형화 테크닉 때문에 범위에 직접적으로 관련된다.

리턴 신호가 주파수 스위프 생성기의 비선형성에 대해 보상하도록 샘플링되는 간격을 동적으로 변경하기 위해 비선형 샘플링을 사용하는 기초적 개념은 GB2083966 및 GB1589047에 보다 상세히 기술되어 있다. 그러나, 그 테크닉이 도 4의 장치를 사용하여 작동하는 방식의 간략한 요약은 도 5를 참조로 하여 이제부터 제시될 것이다.

도 5a를 참조로 하면, 인조적인 타겟에 의해 생성되는 지연된 주파수 스위프 신호(즉, 검출기(76)에 의해 출력된 신호) 및 주파수 스위프 신호 사이의 주파수 차(Δf)가 도시되어 있다. 광 섬유 지연 라인(74)에 의해 유입되는 지연이 고정적일지라도, 주파수 스위프의 비선형성이 스위프 기간에 걸쳐 지연된 주파수 스위프 신호 및 주파수 스위프 신호 사이의 주파수 차(Δf)에서 변형을 생성한다는 것을 알 수 있다. 이것은 도 3을 참조로 하여 기술되는 동일한 효과이다.

2개 신호를 믹싱하는 것이 그러한 2개 신호들 사이의 주파수 차아 같은 주파수를 갖는 신호를 생성한다는 것은 공지되어 있다. 따라서, 주파수 스위프 신호 및 지연된 주파수 스위프 신호를 믹싱하는 것이 도 5b에 도시된 방식에 따라 시간을 통해 변하는 주파수를 갖는 결과적인 "비트" 신호를 생성한다. 따라서, 도 5b에도시된 형태의 신호는 높은 비선형 주파수 스위프 신호의 수신 시에 지연 라인 판별기(52)에 의해 생성될 것이다.

제로 크로싱 검출기(78)는 도 5b에 도시된 신호를 취하고, 도 5c에 도시된 클록킹 펄스들을 그로부터 생성한다. 이러한 경우에, 지연 라인 길이는 최대 기기 범위에 등가이며, 주파수 더블러(77)가 활성화되어 그에 의해 판별기에 의해 출력되는 주파수를 두 배로 늘린다. 제로 크로싱 검출기는 샘플링 레이트가 나이퀴스트 기준을 만족시키도록, 즉 샘플링이 샘플링될 신호의 가장 높은 주파수 구성요소의 주파수에 2배인 주파수에서 발생하도록 음극 및 양극 제로 크로싱들 모두에 대해 클록 펄스들을 생성하도록 배치된다. 지연이 최대 기기 범위에 2배와 등가인 경우, 주파수 더블러(77)가 활성화되고, 그에 따라 단지 양극 또는 음극 제로 크로싱들만이 요구된다. 그러나, 최대 기기 범위에 2배에 등가인 지연에 대해, 주파수 더블러(77)를 비활성화(즉, 바이패스)하여 음극 및 양극 제로 크로싱들 모두에 대해 클록 펄스들을 생성하도록 제로 크로싱 검출기를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 클록 펄스들은 ADC(80)가 기저대역 리턴 신호를 샘플링하고 도 5에서 점선들(S₁ 내지 S₂₉)로 도시되는 시간에 따른 포인트들을 결정한다.

도 5d는 조절 회로(82)로부터 ADC(80)로 공급될 수 있는 기저대역 리턴 신호를 도시한 도면이다. 상기 기술된 바와 같이, 도 5d의 기저대역 리턴 신호는 송신될 신호의 일부와 함께 리턴 레이더 신호를 믹싱함으로써 생성된다. 리턴 신호는 도 5b의 인위적 타겟 신호와 유사한 방식으로 시간을 통해 변하는 주파수를 갖는 것으로 보일 수 있고, 이것은 다시 리턴 및 송신된 신호 사이의 주파수 차가 스위프 기간에 걸쳐 변경되도록 하는 주파수 스위프의 비선형성으로부터 발생한다. 도 5d의 파형은 제로 크로싱 검출기(78)에 의해 생성되는 간격 시간들(S₁ 내지 S₂₉)에 서 ADC(80)에 의해 샘플링된다.

도 5e는 고정된 샘플링 간격을 가정하여 다시 구성된 도 5d의 샘플링된 파형을 도시한 도면이다. 다시 말해서, 신호는 실 시간의 함수가 아닌 제로 크로싱 검출기(78)에 의해 결정되는 샘플링 시간(s)의 함수로 구성된다. 주파수 응답의 비선형성이 이러한 프로세스에 의해 제거되고 신호가 일정한 주파수를 갖는 DSP(88)로 건네진다는 것을 알 수 있다. 이것은 범위가 신호로부터 쉽고 명확하게 추출되도록 허용한다. 도 5d의 기저대역 리턴 신호가 단일 범위에서 타겟으로부터 레이더 리턴들을 갖는다는 것에 주의해야 하며, 실제로 많은 상이한 범위 구성요소들은 ADC(80)에 의해 출력되는 결과적인 선형화된 신호로부터 DSP(88)에 의해 각각이 분해될 수 있는 것으로 존재할 수 있다.

상기 언급된 바와 같이, 본 발명의 장치의 장점은 판별기가 다수의 스위칭 가능한 광학 지연 라인들 및/또는 멀티탭 광학 지연 라인을 포함할 수 있다는 것이다. 이것은 광 섬유 지연 라인에 의해 주어지는 지연이 사용 동안 변경될 수 있는 것으로 레이더가 제공되도록 허용한다. 그러나, 나눠진 지연의 변경이 레이더의 시스템 세팅들 및 성능 파라미터들에 대해 영향을 갖는다는 것에 주의해야 한다. 따라서, 레이더의 바람직한 사용에 의존하여 스웹트 주파수 신호로 나눠진 지연이 변경될 때, 레이더의 다른 속성들을 변경하는 것이 필요할 수 있다.

예를 들어, 다음의 방정식들(2) 내지 (5)은 레이더의 다양한 속성들을 규정하도록 사용될 수 있고, 여기서 R_max는 최대 레이더 기기 범위이고, 지연 라인 길이 는 R_max 또는 2R_max이며, ΔF는 스위프 대역폭이고 ΔT는 스위프의 지속기간이다.

범위 분해능(ΔR)은,

에 의해 기술될 수 있다.

요구되는 FFT 길이에 관련되는 시간 샘플들의 수(N)는,

에 따라 제시될 것이다.

샘플 레이트(S)는,

로 표현될 수 있다.

안티 엘리어스 필터 컷 오프 주파수(F_filter)는,

일 것이다.

방정식들(2) 내지 (5)에 따라서, 표 1은 지연 라인 길이(즉, 2R_max 내지 R_max) 주파수 스위프 또는 스위프 지속기간을 가질 때, 레이더 분해능, 요구되는 FFT 길 이, 요구되는 샘플 레이트, 요구되는 안티 엘리어스 필터 컷 오프, 및 최대 범위를 나타낸다.

	분해능	FFT 길이	샘플 레이트	필터 컷 오프	최대 범위
지연 라인 길이	변화 없슴	1/2	1/2	1/2	1/2
주파수 스위프	1/2	1/2	1/2	1/2	변화 없슴
스위프 지속기간	변화 없슴	변화 없슴	2배	2배	변화 없슴

표 1: 명시된 파라미터를 1/2로 나눈 결과

다양한 레이더 구성 및 성능 기준이 복잡한 상호 관계에 의해 관리되고 본 발명의 레이더 시스템이 다양한 상이한 방식들로 구성될 수 있다는 것을 알 수 있다.

표 2는 멀티탭 광학 지연 라인이 4개의 상이한 범위들 사이에서 스위칭 가능한 레이더를 구현하도록 사용될 수 있는 방법의 예를 제시한다. 레이더의 스위프 시간은 3.2768에 고정되어 있고, FFT 길이는 16k 포인트들에 고정되어 있고, 샘플링 주파수는 5Msps에 고정되어 있으며, 안티 엘리어스 필터 컷 오프는 2.5MHz에 고정되어 있다. 상기 논의된 바와 같이, 지연 라인 길이는 쉽게 변경될 수 있으며, 주파수 스위프는 주파수 스위프 생성기(42)의 VCO(44)에 적용되는 전압 튜닝 신호를 다시 프로그래밍함으로써 쉽게 변경가능하며, 클록 인자(즉, 제로 크로싱 검출기(78)가 사이클당 1번 제로 크로싱를 클록킹하거나 사이클당 2번 제로 크로싱들을 클록킹하는지 어떤지)는 주파수 더블러(77)를 활성화/비활성화함으로써 변경될 수 있다. 그러므로, 주파수 스위프, 광학 지연 라인 길이, 및 클록 인자의 변경은 약 0.5km, 1km, 2km, 또는 4km의 최대 범위를 통해 동작할 수 있는 레이더를 제공하기 위한 것으로 보여질 수 있다. 사용 동안 쉽게 변경될 수 있는 범위를 갖는 레이더 는 다음에 제공된다.

	1	2	3	4
주파수 스위프/MHz	2400	1200	600	300
지연 라인 길이/m	1024	1024	2048	4096
클록 인자	1	2	2	2
범위 분해능/m	0.0625	0.125	0.25	0.5
최대 범위/m	512	1024	2048	4096

표 2: 멀티탭 광 섬유 디바이스 구성들

상기 기술된 FMCW가 많은 애플리케이션들에서 사용될 수 있을지라도, 특히 높은 분해능 레이더 데이터가 요구되는 애플리케이션들에 대해 부합된다. 예들은 공항 활주로상의 파편 검출, 경계 보안, 구름 레이더, 자동차 충돌 회피, 측량 및 레벨 측정을 포함한다. 당업자는 본 발명의 레이더 시스템의 다양한 대안적인 잠재적 애플리케이션들을 이해할 것이다.

본 발명에 따른 레이더 시스템은 공항들에서 FOD(Foreign Object Debris)의 검출에 특히 적합한 것으로 나타난다. FOD는 부적절한 위치에 존재하는 결과로 장비에 손상을 주거나 비행기 또는 공항 직원에게 해를 입힐 수 있는 그러한 위치에서 발견되는 어떠한 물체도 포함한다. 결과적인 손상은 항공 산업에서 매년 4십억 달러를 소모하는 것으로 평가된다. 2000년 7월, 에어 프랑스 콩코드 참사, 활주로상에 16 인치 금속 피복에 의해 유발된 사건들의 연속 때문에, FOD를 검출하여 공항 작업들에 따란 최소의 혼란을 통해 어떤 날씨에도 적절한 때에 맞는 방식으로 그것을 제거하기 위한 향상된 테크닉들에 따른 관심이 현저히 증가되고 있다. 최근에, 수동적 검사들은 통상적으로 활주로의 길이에 따라 가동하여 4 시간마다 한번 수행된다. 효율성은 가시도 및 인간의 실수로 인해 제한되며, 그 테크닉은 어두운 데서 비효율적이다.

FOD 검출에 전용인 레이더의 디자인에 따른 키는 FOD에 대한 검출을 유지하는 동안 활주로 혼잡으로부터 리턴을 최소화하는데 있다. 이것은 (i) 방위각 빔의 폭을 최소화하고, (ii) 매우 높은 범위 분해능을 사용하고, (iii) 최적의 응시 각도르 위해 레이더를 배치하며, (iv) 직교 편광들을 수신하는 것을 통해 달성된다. 94.5 GHz의 중심 주파수에서 동작하는 본 명세서에 기술되는 형태의 FMCW 레이더는 필요한 범위 분해능을 달성하며, 또한 다른 모든 기준에 부합할 수 있다.

본 발명에 따른 레이더는 RHC(right hand circularly) 편광된 방사를 송신하고 LHC(left hand circularly) 편광된 방사 및 RHC 편광된 방사 모두를 수신하는 것으로 설명되고 있다. 수신 다이버시티는 FOD에 대한 검출 가능성을 향상시키고, 또한 강우에 따른 능력을 제공하도록 선택된다. 레이더는 360도 방위각 턴테이블(turntable)상에 장착되고, 통상적으로 3°/s에서 회전한다. 회전 레이트는 일시 운전 정지 당 충분한 "히트들(hits)"을 허용하기 위해 느리지만, 이상적으로 모든 이륙 또는 착륙 후에 업데이트를 제공하기에 충분히 빨라야 한다.

레이더의 위치기 중요하며, 공항 지형 및 활주로 표면 특징들에 매우 의존적이다. 활주로 표면들은 경사지거나 혼잡할 수 있으며, 물을 흘려보내기 위한 요구에 의존하여 홈이 파져 있을 수 있다. 활주로 표면과 관련하여 이상적인 응시 각도는 레이더가 활주로 표면을 검출하기 시작하는 포인트에 그것이 있는 긋이다.

본 발명에 따라 제작되는 FMCW 레이더는 표 3에 제시된 특징들을 갖도록 제공된다. 레이더는 2048m의 최대 표시된 범위를 제공하는 0.25m 분해능의 8192 범위 셀들을 포함한다. 600MHz의 스위프 대역폭과 결합되는 0.01% 이하의 주파수 스위프 선형성은 달성되는 다수의 범위 셀들을 결과로 나타낸다. 본 발명은 심지어 더 큰 스위프 대역폭들이 달성되도록 허용할 수 있고, 예를 들어 4 GHz까지의 대역폭이 쉽게 달성된다.

레이더의 성능은 수 개의 공항 위치들에서 평가되었다. 통상적으로, 레이더는 활주로 표면의 높이 위 5m와 활주로의 가장 가까운 부분으로부터 200m에 위치된다. 광대한 실험들은 활주로상의 상이한 방향들에 위치되는 FOD의 실제 아이템들에 대해서와 알려진 반사기들에 대해서 수행된 것이다.

중심 주파수	94.5GHz
변조	FMCW 600MHz 톱니형
송신 전력	150mW
스위프 시간	2.58ms
송신 편광	RHC
수신 편광	RHC 및 LHC
방위각 빔 폭	0.2°
고도 빔 폭	2.0°
스캔 시간	통상적으로 3°/s
범위 분해능	0.25m
기기 범위	2048m
수신기 노이즈 수치	6.5dB

표 3: FMCW 성능 파라미터들.

도 6을 참조로 하면, 1000m에서 활주로 표면상에 2m 떨어진 4개 물체들의 검출이 도시되어 있다. 좌로부터 우로의 아이템들은 (i) (참조 번호 102로 표기되는) 정면에 M12 볼트, (ii) (참조 번호 104로 표기되는) 콩코드 충돌을 일으킨 것과 유사한 금속 피복, (iii) (참조 번호 106으로 표기되는) 그것 측상의 유리병, 및 (iv) (참조 번호 108)로 표기되는) 그것 측상의 작은 플라스틱 병이다. (참조 번호 110으로 표기되는) 더 큰 타겟은 사람이다.

도 7a를 참조로 하면, 영역 300m x 400m가 경계 펜스 내 3개 토루들(earth mounds)을 포함하는 것으로 도시된다. 도로 트랙들은 명확하게 보이며, 목초가 잘린 방향을 포함하는 목초지의 윤곽들이 보여질 수 있다. 토루들 및 다른 물체들로 인한 그림자 또한 명백하다. 도 7b는 35m x 35m 경계 펜스를 확대한 도면이다. 3m 간격들에서 펜스 포스트들은 명확하게 구별가능하다.

따라서, 본 발명은 공항 활주로상에서 매우 작은 FOD(foreign objects and debris)를 검출하는데 특히 부합된다는 것을 알 수 있다.

Claims

스웹트 주파수 신호(swept frequency signal)를 생성하기 위한 주파수 스위프 생성기와,

상기 스웹트 주파수 신호의 일부를 수신하고, 상기 스웹트 주파수 신호의 주파수와 상기 스웹트 주파수 신호로부터 유도되는 시간 변위된 스웹트 주파수 신호(time displaced swept frequency signal)의 주파수간의 차와 동등한 주파수의 기준 차 주파수 신호(reference difference-frequency)를 생성하기 위한 판별기와,

상기 스웹트 주파수 신호로부터 레이더에 의해 송신될 신호를 생성하고, 상기 레이더에 의해 송신되는 신호의 주파수와 원격 타겟(들)으로부터 상기 레이더로 리턴되는 신호의 주파수간의 차와 동등한 주파수의 타겟 차 주파수 신호를 또한 생성하는 상기 송수신기와,

상기 기준 차 주파수 신호의 주파수로부터 유도되는 레이트로 상기 타겟 차 주파수 신호를 샘플링하기 위한 ADC(analogue-to-digital converter)를 포함하는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이더에 있어서,

상기 판별기는 상기 시간 변위된 주파수 스웹트 신호를 생성하기 위해 광학 지연 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, FMCW 레이더.
제 1 항에 있어서,

상기 광학 지연 수단은 적어도 하나의 광 섬유 지연 라인을 포함하는, FMCW 레이더.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 광학 지연 수단은 적어도 하나의 레이저 다이오드를 포함하는, FMCW 레이더.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 광학 지연 수단은 적어도 하나의 광검출기를 포함하는, FMCW 레이더.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 광학 지연 수단은 상기 주파수 스웹트 신호와 관련하여 복수의 상이한 시간 변위들 중 어느 하나를 갖는 시간 변위된 주파수 스웹트 신호를 생성하도록 배치되는, FMCW 레이더.
제 5 항에 있어서,

상기 광학 지연 수단은 멀티탭 광 섬유 지연 라인(multi-tap optical fibre delay line)을 포함하는, FMCW 레이더.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 광학 지연 수단은 길이가 상이한 복수의 광섬유들을 포함하는, FMCW 레 이더.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 광학 지연 수단에 의해 주어지는 지연은 최대 요구 레이더 범위에서 타겟으로 송신된 신호의 비행 시간(time-of-flight)의 배수에 등가이도록 선택되는, FMCW 레이더.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 판별기에 의해 생성되는 상기 기준 차 주파수 신호를 상기 기준 차 주파수 신호의 주파수에 관한 간격들(intervals)에 의해 분리되는 일련의 타이밍 펄스들로 변환하기 위해 분석기가 제공되며, 상기 타이밍 펄스들은 상기 ADC를 클록킹하기 위해 사용되는, FMCW 레이더.
제 9 항에 있어서,

상기 분석기는 제로 크로싱 검출기(zero crossing detector)를 포함하는, FMCW 레이더.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 주파수 스위프 생성기는 톱니 및 삼각파 스웹트 주파수 신호 중 어느 하나를 출력하도록 배치되는, FMCW 레이더.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 주파수 스위프 생성기는 전압 제어 발진기를 포함하는, FMCW 레이더.
제 12 항에 있어서,

상기 주파수 스위프 생성기는 상기 전압 제어 발진기에 디지털적으로 사전에 왜곡된 튜닝 신호를 출력하기 위한 전압 신호 생성기를 포함하는, FMCW 레이더.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,

상기 전압 제어 발진기는 10%보다 양호한 선형성을 갖는 스웹트 주파수 신호를 생성하는, FMCW 레이더.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 주파수 스위프 생성기에 의해 생성되는 상기 스웹트 주파수 신호는 제 1 주파수 대역 내 주파수 범위를 가지고, 상기 레이더에 의해 송신되는 신호는 제 2 주파수 대역 내 주파수 범위를 가지며, 상기 제 1 주파수 대역에 포함되는 주파수들은 상기 제 2 주파수 대역에 포함되는 주파수들보다 더 낮은, FMCW 레이더.
제 15 항에 있어서,

상기 송수신기는 상기 레이더에 의해 송신되는 신호의 주파수까지 상기 스웹 트 주파수 신호의 주파수를 증가시키기 위해 주파수 상향 변환기(frequency up-converter)를 포함하는, FMCW 레이더.
제 16 항에 있어서,

상기 주파수 상향 변환기는 STALO(stable local oscillator)를 포함하는, FMCW 레이더.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,

안테나를 더 포함하는, FMCW 레이더.
제 18 항에 있어서,

상기 안테나는 별개의 송수신 안테나 요소들을 포함하는, FMCW 레이더.
제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,

9GHz 내지 150GHz의 주파수 대역 내의 신호를 송신하도록 배치되는, FMCW 레이더.
제 20 항에 있어서,

70-80GHz 및 90-100GHz의 주파수 대역들 중 적어도 하나 내의 주파수를 갖는 신호를 송신하도록 배치되는, FMCW 레이더.
제 20 항에 있어서,

77GHz 및 94.5GHz 중 적어도 하나에 가까운 주파수를 갖는 신호를 송신하도록 배치되는, FMCW 레이더.
제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 한에 있어서,

40GHz보다 더 큰 주파수를 갖는 신호를 송신하도록 배치되는, FMCW 레이더.
제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 광학 지연 수단은 100미터 이상의 자유 공간 경로 길이에 의해 주어지는 지연과 등가인 지연을 생성하는 광 도파로(optical waveguide)를 포함하는, FMCW 레이더.
제 24 항에 있어서,

상기 광학 지연 수단은 500미터 이상의 자유 공간 경로 길이에 의해 주어지는 지연과 등가인 지연을 생성하는 광 도파로를 포함하는, FMCW 레이더.
제 25 항에 있어서,

상기 광학 지연 수단은 1킬로미터 이상의 자유 공간 경로 길이에 의해 주어지는 지연과 등가인 지연을 생성하는 광 도파로를 포함하는, FMCW 레이더.
제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 따른 레이더를 포함하는, 표면상의 물체를 검출하기 위한 장치.
제 27 항에 있어서,

상기 물체는 FOD(foreign object debris)이며, 상기 표면은 공항 활주로인, 검출 장치.
제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 따른 레이더를 포함하는 경계 보안 장치.
스웹트 주파수 신호를 생성하기 위한 주파수 스위프 생성기와, 상기 스웹트 주파수 신호의 일부를 수신하고 상기 스웹트 주파수 신호의 주파수와 상기 스웹트 주파수 신호로부터 얻어지는 시간 변위된 스웹트 주파수 신호의 주파수간의 차와 동등한 주파수를 갖는 기준 차 주파수 신호를 생성하기 위한 판별기를 포함하는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이더를 위한 주파수 선형화 모듈에 있어서,

상기 판별기는 상기 시간 변위된 주파수 스웹트 신호를 생성하기 위해 광학 지연 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 주파수 선형화 모듈.
(i) 스웹트 주파수 신호를 생성하는 단계와,

(ii) 상기 스웹트 주파수 신호의 주파수와 상기 스웹트 주파수 신호로부터 얻어지는 시간 변위된 스웹트 주파수 신호의 주파수간의 차와 동등한 주파수의 기준 차 주파수 신호를 생성하는 단계와,

(iii) 상기 스웹트 주파수 신호로부터 상기 레이더에 의해 송신될 신호를 생성하는 단계와,

(iv) 상기 레이더에 의해 송신되는 신호의 주파수와 원격 타겟(들)으로부터 상기 레이더로 리턴되는 신호의 주파수 사이의 차와 동등한 주파수의 타겟 차 주파수 신호를 생성하는 단계와,

(v) ADC(analogue-to-digital converter)를 사용하여 상기 타겟 차 주파수 신호를 샘플링하는 단계로서, 상기 ADC 샘플링 레이트는 상기 기준 차 주파수 신호의 주파수로부터 유도되는, 상기 샘플링하는 단계를 포함하는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이더를 동작시키는 방법에 있어서,

기준 차 주파수 신호를 생성하는 단계(ii)에서 사용되는 상기 시간 변위된 주파수 스웹트 신호는 광학 지연 수단을 사용하여 생성되는, FMCW 레이더 동작 방법.
제 31 항에 있어서,

표면상에 물체를 검출하기 위해 레이더를 사용하는 단계를 더 포함하는, FMCW 레이더 동작 방법.
제 32 항에 있어서,

표면상에 물체를 검출하기 위해 레이더를 사용하는 상기 단계는 공항 활주로상에 FOD(foreign object debris)를 검출하기 위해 상기 레이더를 사용하는 단계를 포함하는, FMCW 레이더 동작 방법.
제 31 항에 있어서,

규정된 영역의 경계를 모니터링하기 위해 레이더를 사용하는 단계를 더 포함하는, FMCW 레이더 동작 방법.
도 4 및 도 5를 참조하여 실질적으로 본 명세서에 이전에 기술된 바와 같은 레이더 장치.