KR20110029375A - 주파수변조-진폭변조 레이더 및 그 거리 측정 방법 - Google Patents

주파수변조-진폭변조 레이더 및 그 거리 측정 방법 Download PDF

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Abstract

주파수변조-진폭변조(FM-AM) 레이더 및 그 거리 측정 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 다른 FM-AM 레이더는 RF(Radio Frequency) 신호의 진폭이 일정하고 주파수가 선형적으로 변하는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호를 생성하고, 생성된 상기 FMCW 신호에 진폭이 조절된 변조주파수 신호를 결합하여 주파수변조와 진폭변조가 동시에 존재하는 주파수변조-진폭변조(FM-AM) 신호를 생성하는 신호 생성부; 상기 주파수변조-진폭변호 신호를 목표물로 송신하고, 상기 목표물로부터 반사되는 상기 주파수변조-진폭변조 신호의 반사 신호를 수신하는 송수신부; 상기 FMCW 신호와 상기 반사 신호를 혼합하여 검출된 비트신호로부터 비트주파수(fb)를 검출하는 비트주파수 검출부; 및 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호를 추출하고, 추출된 상기 포락선 신호와 상기 변조주파수 신호간의 위상지연을 검출하는 위상지연 검출부를 포함할 수 있다.
Figure P1020090087027
주파수변조-진폭변조(FM-AM) 레이더, 변조주파수, 위상지연, 비트주파수, FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave), 거리 측정

Description

주파수변조-진폭변조 레이더 및 그 거리 측정 방법{FREQUENCY MODULATION-AMPLITUDE MODULATION RADAR AND METHOD FOR MEASURING DISTANCE THEREOF}
본 발명은 주파수변조-진폭변조(FM-AM) 레이더에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주파수변조(FMCW: Frquency Modulated Continuous Wave) 레이더와 진폭변조(AM: Amplitude Modulation) 레이더 각각의 단점을 보완하여 제한된 주파수 대역을 사용하면서도 거리측정 정확도를 향상시킬 수 있는 주파수변조-진폭변조 레이더 및 그 거리 측정 방법에 관한 것이다.
레이더(Radar)는 전자파를 사용하여 목표물까지의 거리, 속도 및 방향을 탐지하는 무선센서로서, 기존의 레이더는 군사적 탐지, 항공, 선박 등의 용도로 주로 고가의 장비로서 사용되었고, 최근에는 차량용 충돌방지 레이더가 개발되어 일부 고가의 차량에 장착되어 사용되고 있다.
현재 고정밀 저가격의 레이더 센서에 대한 관심이 고조되고 있고, 다양한 응용분야에 적용될 수 있도록 보급화 레이더 센서의 개발에 전 세계적으로 많은 노력을 기울이고 있다.
일반적으로 많이 사용되는 레이더의 종류로는 펄스도플러 레이더, CW(Continuous Wave) 레이더, FMCW 레이더, 다중주파수 CW 레이더 및 펄스압축 레이더 등을 들 수 있다.
이러한 레이더는 송신 안테나를 통해 전자파를 목표물로 향해 전송하고, 목표물로부터 반사되는 전자파를 수신 안테나를 통해 수신하여 수신된 신호와 기준신호간의 차이에 의한 시간차, 위상지연 혹은 비트주파수(beat frequency) 등을 통하여 목표물까지의 거리를 결정할 수 있게 된다.
일반적인 레이더의 중요한 특성으로는 측정한 거리에 대한 정확도를 나타내는 거리측정 정확도(range accuracy), 다중 목표물이 존재할 때 타 목표물과 구분할 수 있게 하는 거리분해능(range resolution), 거리측정 모호성 이내의 거리측정 범위 및 속도측정의 정확성 등이 있다. 또한, 레이더의 수신단에 목표물 이외의 간섭 에코에 해당하는 전파장애물(clutter)에 의한 신호가 존재할 때, 이를 제거해 낼 수 있는 능력도 레이더의 매우 중요한 특성이라 할 수 있다.
일반적으로 거리측정의 정확도 및 거리분해능은 레이더가 사용하는 주파수 대역에 비례하게 된다. 즉, 레이더의 사용 주파수 대역이 넓으면 거리분해능이 향상되는데, 펄스 레이더 및 FMCW 레이더의 경우 거리분해능 ΔR은 c/(2B)로서 표현되며 여기서, c는 빛의 속도, B는 레이더의 주파수 대역을 의미한다.
그러나, 세계 각국 정부의 주파수 규제에 의해 거리측정을 위해 넓은 주파수 대역의 사용이 일반적으로 허락되지 않고 있으며, 우리나라에서는 현재 물체감지 무선센서용으로 24.05~24.25[GHz]의 200[MHz]의 대역폭이 허용되어 있는데, 이 경우 거리분해능은 75[cm] 정도이고, 거리측정 정확도도 비슷하게 얻어진다. 이렇 듯, FMCW 레이더는 각국에서의 주파수 제한에 의해 거리측정 정확도가 제한받게 된다.
물론, 응용분야에 따라 상술한 정도의 거리분해능으로도 충분한 경우도 많을 수 있지만, 레이더 센서를 차량 등에 적용하여 후방탐지 센서 혹은 주차보조 센서로 활용하거나, 고층빌딩의 움직임 혹은 교량의 움직임 등을 측정하고자 할 때에는 수[cm] 이내의 거리측정 정확도를 요구하게 된다.
다중주파수 CW 레이더의 일종인 AM 레이더는 목표물로부터 반사된 진폭변조 신호의 포락선 신호에 대한 위상과 기준 진폭변조 신호 간의 위상차를 측정함으로써 목표물까지의 거리를 정확히 측정할 수 있는데, 위상차 검출의 정밀도에 의하여 거리측정 정확도(range accuracy)가 결정된다.
이런 AM 레이더는 AM 레이더 신호를 구성하는 3개의 주파수 성분들이 동일한 목표물 지점으로부터 동시에 반사되기 때문에 도플러 주파수 천이에 대한 효과를 거의 없앨 수 있어, 순수하게 목표물까지의 거리를 측정할 수 있는 장점이 있는 반면, 다중 목표물이 있든지 전파장애물이 존재할 때 이를 구분하여 낼 수 있는 능력인 거리분해능이 매우 취약하여 많은 측정오차를 유발할 수 있고, 위상의 모호성에 의해 측정할 수 있는 최대 거리가 제한되어 단거리 및 원거리에서 거리측정의 정확도가 떨어질 수도 있다.
따라서, FMCW 레이더와 AM 레이더의 단점을 보완하여 제한된 주파수 대역에서도 원하는 목표물까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있는 레이더의 필요성이 대두된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명의 실시예에 따른 목적은, FMCW 레이더의 거리측정 정확도를 개선하고, AM 레이더의 거리측정에 대한 모호성을 해결하여 목표물까지의 거리를 정밀하게 측정할 수 있고, 나아가 목표물의 실시간 움직임을 추적할 수 있는 주파수변조-진폭변조 레이더 및 그 거리 측정 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다른 목적은, 고정된 구조물로부터 누설되거나 반사되는 불요신호를 제거하여 목표물로부터 반사되는 진폭변조 신호만을 검출하여 위상 왜곡을 최소화하고, 이를 통해 거리측정 정확도를 향상시켜 측정 오차를 줄일 수 있는 주파수변조-진폭변조 레이더 및 그 거리 측정 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 한 관점에 따른 주파수변조-진폭변조 레이더는 RF(Radio Frequency) 신호의 진폭이 일정하고 주파수가 선형적으로 변하는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호를 생성하고, 생성된 상기 FMCW 신호에 진폭이 조절된 변조주파수 신호를 결합하여 주파수변조와 진폭변조가 동시에 존재하는 주파수변조-진폭변조 신호를 생성하는 신호 생성부; 상기 주파수변조-진폭변호 신호를 목표물로 송신하고, 상기 목표물로부터 반사되는 상기 주파수변조-진폭변조 신호의 반사 신호를 수신하는 송수신부; 상기 FMCW 신호와 상기 반사 신호를 혼합하여 검출된 비트신호로부터 비트주파수를 검출하는 비트주파수 검출부; 및 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호를 추출하고, 추출된 상기 포락선 신호와 상기 변조주파수 신호간의 위상지연을 검출하는 위상지연 검출부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 위상지연 검출부는 상기 송수신부로부터 수신되는 신호에 대한 포락선 신호를 검출하고, 검출된 상기 포락선 신호와 기 측정된 불요신호에 대한 정보를 이용하여 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호만을 추출할 수 있다.
나아가, 상기 비트주파수 검출부에 의해 검출된 상기 비트주파수를 이용하여 상기 목표물까지의 거리를 추정하고, 추정된 상기 거리와 상기 위상지연 검출부에 의해 검출된 상기 위상 지연을 이용하여 상기 목표물까지의 실제거리를 계산하는 계산부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 위상지연 검출부는 상기 변조주파수 신호를 이용하여, 검출된 상기 포락선 신호로부터 상기 기 측정된 불요신호를 제거함으로써 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호만을 추출하거나, 상기 기 측정된 불요신호와 진폭이 같고 180도의 위상차를 갖는 신호를 검출된 상기 포락선 신호와 결합하여 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호만을 추출할 수 있다.
바람직하게, 상기 신호 생성부는 상기 FMCW 신호와 상기 진폭이 조절된 변조주파수 신호를 혼합하여 양측파대 신호를 생성하고, 생성된 상기 양측파대 신호와 상기 FMCW 신호를 결합하여 상기 주파수변조-진폭변조 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 한 관점에 따른 주파수변조-진폭변조 레이더의 거리 측정 방법은 RF(Radio Frequency) 신호의 진폭이 일정하고 주파수가 선형적으로 변하는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호를 생성하는 단계; 생성된 상기 FMCW 신호에 진폭이 조절된 변조주파수 신호를 결합하여 주파수변조와 진폭변조가 동시에 존재하는 주파수변조-진폭변조 신호를 생성하는 단계; 상기 주파수변조-진폭변호 신호를 목표물로 송신하고, 상기 목표물로부터 반사되는 상기 주파수변조-진폭변조 신호의 반사 신호를 수신하는 단계; 상기 FMCW 신호와 상기 반사 신호를 혼합하여 검출된 비트신호로부터 비트주파수를 검출하는 단계; 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호를 추출하는 단계; 추출된 상기 포락선 신호와 상기 변조주파수 신호간의 위상지연을 검출하는 단계; 및 검출된 상기 비트주파수와 상기 위상지연을 이용하여 상기 목표물까지의 실제거리를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 추출하는 단계는 상기 반사 신호를 포함하는 수신신호에 대한 포락선 신호를 검출하고, 상기 수신신호에 대한 포락선 신호로부터 기 측정된 불요신호를 제거하여 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호만을 추출할 수 있다.
바람직하게, 상기 계산하는 단계는 상기 비트주파수를 이용하여 상기 목표물까지의 거리를 추정하고, 추정된 상기 거리와 상기 측정된 위상지연을 이용하여 상기 목표물까지의 실제거리를 계산할 수 있다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수변조-진폭변조 레이더 및 그 거리 측정 방법을 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수변조-진폭변조(FM-AM) 레이더에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, FM-AM 레이더는 신호 생성부(110), 송수신부(120), 비트주파수 검출부(130), 위상지연 검출부(140) 및 계산부(150)를 포함한다.
신호 생성부(110)는 RF(Radio Frequency) 신호의 진폭이 일정하고 주파수(f0t)가 선형적으로 변하는 FMCW 신호를 생성하고, 생성된 FMCW 신호에 진폭이 조절된 변조주파수(fm) 신호를 결합하여 주파수변조와 진폭변조가 동시에 존재하는 주파수변조-진폭변조(FM-AM) 신호를 생성한다.
FMCW 신호의 주파수 f0t는 주파수변조 전압 신호에 따라 가변하는 주파수로서, 시간에 따라 주파수변조 전압 신호에 의해 주파수가 가변하는 가변 주파수이다.
여기서, 신호 생성부(110)에 의해 생성된 FMCW 신호는 아래 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00001
여기서, SFM은 신호 생성부(110)에 의해 생성된 FMCW 신호를 의미하고, A는 FMCW 신호의 진폭을 의미한다.
신호 생성부(110)는 전압제어 발진기(VCO)에 주파수변조 전압 신호를 가하여 FMCW 신호를 발생시키고, 발생된 FMCW 신호를 전력분배기를 이용하여 3개의 경로로 분배하는데, 제1 경로는 비트주파수 검출부(130)로 출력되는 경로이고, 제2 경로는 FMCW 신호를 송신하기 위한 경로이며, 제3 경로는 FMCW 신호와 진폭이 조절된 변조주파수(fm) 신호를 혼합하여 양측파대 신호(f0t±fm)를 발생시키기 위한 경로이다.
여기에서 알 수 있듯이, 신호 생성부(110)에 의해 생성되어 송수신부(120)로 출력되는 신호는 주파수 변조된 RF 신호(FMCW 신호)가 진폭 변조된 형태의 신호인 것을 알 수 있다.
즉, 신호 생성부(110)는 전력 결합기를 통해 시간에 따라 주파수(f0t)가 가변하는 FMCW 신호와 진폭이 조절된 변조주파수(fm) 신호를 혼합하여 생성된 양측파대 신호(f0t ± fm)와 FMCW 신호를 결합하여 주파수변조-진폭변조(FM-AM) 신호를 생성한다.
신호 생성부(110)에 의해 생성되는 FMCW 신호의 반복 주기에 해당하는 주파 수(fk)는 변조주파수(fm)에 비하여 매우 작게 하는 것이 바람직하며, 일 예로 FMCW 신호의 주파수(f0t)를 24.05[GHz]에서 24.25[GHz]로 가변하도록 설정하고, fm을 20[MHz] 그리고 fk를 1[KHz]로 설정할 수 있다.
여기서, 변조주파수 fm의 안정도는 FMCW 신호의 주파수 f0t의 안정도에 비해 매우 중요하다.
송수신부(120)는 신호 생성부(110)에 의해 생성된 FM-AM 신호를 거리를 측정하기 위한 목표물로 송신하고, 목표물로부터 반사되는 FM-AM 신호를 수신한다.
이때, 송수신부(120)는 목표물로부터 반사되는 FM-AM 신호, 레이더에서 누설되거나 주변 다른 물질 예를 들어, 안테나(ANT) 전단의 보호 플라스틱 커버 등의 고정된 구조물에 의해 발생되는 불요신호를 포함할 수 있다.
즉, FM-AM 레이더는 목표물까지의 정확한 측정을 위해서는 이런 불요신호를 제거하여야 하고, 이를 위해 불요신호를 기 측정하여야 한다.
FMCW 신호의 경우, 송신된 레이더 신호를 반사하는 원하지 않는 구조물의 위치와 측정하고자 하는 목표물의 위치가 차이가 날 경우 수신된 신호로부터 발생시키는 비트주파수가 서로 다르게 나타나기 때문에 이러한 불요신호를 제거할 수 있는데, 이러한 사실은 이 기술 분야에 종사하는 당업자에게 있어서 자명하다.
AM 신호의 경우, 불요신호를 측정할 수 있는 방법은 다양할 수 있는데, 일 예로, 누설에 의한 불요신호는 송수신부(120)의 안테나 단자를 전송선의 특성 임피던스로 터미네이션(termination)시킨 상태에서 신호 생성부(110)에 의해 생성된 FM-AM 신호를 이용하여 측정할 수 있으며, 안테나 전면부 구조물에 의한 반사 등에 의한 불요신호는 송수신부(120)의 안테나 전면에 송신된 FM-AM 신호를 흡수할 수 있는 흡수체를 이용하여 측정할 수 있다.
이런 과정을 통해 FM-AM 레이더에서 FM-AM 신호에 대한 불요신호를 측정할 수 있고, 불요신호에 대한 정보는 수신단으로 수신되는 FM-AM 신호 중 목표물로부터 반사되는 FM-AM 신호에 대한 순수한 위상지연을 검출하기 위해 사용될 수 있다.
송수신부(120)는 송신 및 수신 안테나로 분리하여 사용할 수도 있고, 혹은 단일 안테나를 사용할 경우 안테나에 연결되어 송신 신호 및 수신 신호를 분리하기 위한 소자로서, 서큘레이터(circulator) 또는 하이브리드 결합기(hybrid coupler)를 사용할 수 있는데, 비용 절감을 위하여 하이브리드 결합기를 사용할 수 있고, 하이브리드 결합기를 사용하는 경우 송신단으로 진행되는 수신 신호의 크기를 전력감쇠기를 이용하여 조절할 수 있다.
이런 송수신부(120)로 수신되는 목표물로부터 반사된 FM-AM 신호 및 불요신호를 포함하는 신호를 전력 분배기를 통해 비트주파수 검출부(130) 및 위상지연 검출부(140)로 출력한다.
이때, 송수신부(120)를 통해 목표물로 송신되는 FM-AM 신호는 FMCW 신호(f0t), 상측파대 신호(f0t+fm) 및 하측파대 신호(f0t-fm)로 이루어지며, 이런 FM-AM 신호는 아래 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00002
여기서, STX는 송신되는 FM-AM 신호를 의미하고, B는 상수를 의미하고, m은 진폭변조 지수를 의미한다.
이런 FM-AM 신호는 목표물까지의 거리 R을 진행한 후 목표물로부터 반사되고, 반사된 FM-AM 신호 전력의 일부가 수신안테나를 통해 수신된다.
송수신부(120)로 수신되는 목표물로부터 반사된 FM-AM 신호는 목표물까지의 거리 R을 왕복으로 전파하는 동안 위상지연이 발생하게 되고, 이는 아래 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00003
여기서, SRX는 목표물로부터 반사되어 수신된 FM-AM 신호를 의미하고, C는 상수를 의미하고, td는 위상지연 시간을 의미한다.
비트주파수 검출부(130)는 비트신호 검출부(131) 및 주파수 검출부(132)를 포함하는데, 비트신호 검출부(131)는 신호 생성부(110)에 의해 생성된 FMCW 신호와 송수신부(120)를 통해 수신되는 신호 즉, 상기 <수학식 3>에 나타낸 목표물로부터 반사되는 FM-AM 신호를 포함하는 수신단으로부터 수신되는 신호를 혼합하여 비트신호를 검출하고, 주파수 검출부(132)는 비트신호 검출부(131)에 의해 검출된 비트신호로부터 비트주파수를 검출한다.
비트주파수 검출부(130)는 혼합기(mixer)를 통해 FMCW 신호와 목표물로부터 반사된 FMCW 신호를 혼합하여 검출된 비트신호로부터 비트주파수를 검출하는데, 비트 신호(νIF)는 아래 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00004
상기 <수학식 1>의 신호와 반사된 FMCW 신호의 위상 천이(phase shift)는 아래 <수학식 5>와 같이 표현할 수 있는데, 위상 천이(ΦIF)는 거리(R)와 주파수(f0t)에 비례함을 알 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00005
따라서, 상술한 수식들로부터 비트주파수 fb는 아래 <수학식 6>에 의해 구해질 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00006
여기서, 이때 Δf0t는 스윕(sweep)하는 FMCW 신호의 주파수 대역폭(예를 들어, FMCW 신호가 24.05~24.25[GHz]로 스윕하는 경우 200[MHz])을 의미하고, Δt는 스윕 시간을 의미한다.
비트주파수는 스윕하는 주파수 대역폭이 넓을수록 또는 스윕 시간이 짧을수록 높아지는데, 주파수의 스윕이 선형적이지 않다면 비트주파수는 시간에 따라 가변하게 된다. 또한, 목표물이 송신단으로부터 가까이 있으면 지연시간이 짧아져서 비트주파수가 낮아지는 반면, 목표물까지의 거리가 멀어지면 비트주파수가 높아지게 된다.
물론, 비트주파수는 목표물이 움직이는 경우 주파수 도플러효과에 의해 상향 스윕(up-sweep)과 하향 스윕(down-sweep)일 때 달라지는데, 상향 스윕일 때의 비트주파수와 하향 스윕일 때의 비트주파수는 아래 <수학식 7>, <수학식 8>과 같이 나 타낼 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00007
Figure 112009056700720-PAT00008
여기서, fbu는 상향 스윕에서의 비트주파수를 의미하고, fbd는 하향 스윕에서의 비트주파수를 의미하고, νr은 목표물의 상대속도를 의미하고, f0t는 복사된 주파수를 의미하고, fdoppler는 도플러 천이주파수를 의미하는데, 도플러 천이주파수는 fot가 변함에 따라 변하게 되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 비트주파수 검출부(130)는 상기 <수학식 6> 또는 <수학식 7>, <수학식 8>을 통해 비트주파수를 검출하여 목표물의 실제 거리를 계산하는 계산부(150)로 제공한다.
위상지연 검출부(140)는 제1 검출부(141), 불요신호 제거부(143) 및 제2 검출부(145)를 포함한다.
제1 검출부(141)는 송수신부(120)를 통해 수신되는 신호 즉, 상기 <수학식 3>에 나타낸 목표물로부터 반사되는 FM-AM 신호 및 불요신호가 포함된 신호에 대한 포락선 신호를 검출한다.
이때, 제1 검출부(141)는 전력 검파기를 이용하여 송수신부(120)를 통해 수신되는 수신 신호의 FM-AM 신호에 대한 포락선 신호를 검출할 수 있다.
불요신호 제거부(143)는 제1 검출부(141)에 의해 검출된 FM-AM 신호에 대한 포락선 신호로부터 기 측정된 불요신호를 제거하여 목표물로부터 반사된 FM-AM 신호에 대한 포락선 신호만을 추출한다.
이때, 불요신호 제거부(143)는 목표물로부터 반사되어 수신된 FM-AM 신호에 대한 포락선 신호만을 추출하기 위해, 수신 신호에 포함된 불요신호를 제거하는 것으로, 기 측정된 불요신호와 진폭이 같고 180도의 위상차를 갖는 신호를 제1 검출부(141)에 의해 검출된 신호와 결합함으로써, 불요신호를 제거할 수 있다.
이때, 불요신호 제거부(143)는 신호 생성부(110)에서 FM-AM 신호를 생성하는데 사용되는 변조주파수 신호를 이용하여 불요신호를 제거할 수 있는데, 이를 위해 변조주파수 신호의 진폭을 기 측정된 불요신호와 동일하게 만들기 위한 전력 감쇠기와 180도 위상차를 만들기 위한 위상 지연기를 포함할 수 있다. 물론, 제거하고자 하는 불요신호의 개수에 따라 전력 감쇠기와 위상 지연기의 개수는 달라질 수 있다.
따라서, 불요신호 제거부(143)는 FM-AM 신호에 대한 포락선 신호로부터 불요신호를 제거함으로써, 목표물로부터 반사되는 FM-AM 신호에 대한 포락선 신호만을 추출할 수 있으며, 목표물로부터 반사된 FM-AM 신호가 상기 <수학식 3>과 같은 경우, 추출된 포락선 신호(SFE)는 아래 <수학식 9>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00009
여기서, D는 상수를 의미한다.
제2 검출부(145)는 불요신호 제거부(143)에 의해 추출된 포락선 신호와 기준 변조주파수 신호간의 위상지연를 검출하는데, 위상지연(Φm)는 아래 <수학식 10>과 같이 나타낼 수 있다.
이때, 위상지연을 검출하기 위해 비교되는 기준 변조주파수 신호는 변조주파수 신호를 의미하는 것으로, 변조주파수 신호 그대로를 사용할 수도 있지만, 상황에 따라 변조주파수 신호의 위상이 소정 조절될 수도 있다. 이하 사용되는 기준 변조주파수는 이와 같은 의미로 사용될 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00010
계산부(150)는 비트주파수 검출부(130)에 의해 검출된 비트주파수(fb)를 이용하여 목표물까지의 거리를 추정하고, 추정된 목표물까지의 거리와 위상지연 검출부(140)에 의해 검출된 위상지연(Φm)을 이용하여 목표물까지의 실제거리를 계산한다.
이는 비트주파수 검출부(130)에 의해 검출된 비트주파수만을 이용하여 목표물까지의 거리를 계산하는 경우에 발생될 수 있는 문제와 위상지연 검출부(140)에 의해 검출된 위상지연만을 이용하여 목표물까지의 거리를 계산하는 경우에 발생될 수 있는 문제를 제거하기 위함이다.
이에 대해 설명하면, 비트주파수만을 이용하여 거리를 계산하면 IF 신호 중 하나의 주기(2π)에 해당하는 측정오차가 있는 경우 계산된 거리에 대한 오차가 발생하여 거리측정 정확도가 떨어지게 된다.
여기서, 측정오차는 아래 <수학식 11>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00011
예컨대, 목표물까지의 거리가 50[m]라고 하고, FMCW 신호의 주파수 대역이 24.05 ~ 24.25[GHz]인 경우, Δf0t가 200[MHz]이므로, 거리측정 정확도 ΔR은 0.75[m]가 되고, 주파수 스윕의 대역폭이 좁아지면 거리측정 정확도는 더 낮아지게 된다.
또한, 위상지연만을 이용하여 거리를 계산하면 위상지연 검출부(140)에서의 측정오차가 거리측정 정확도로 나타나게 되는데 예를 들어, 위상측정 오차가 2도이고, 변조주파수가 10[MHz]라고 하면, 거리측정 오차는 아래 <수학식 12>와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00012
위상측정 오차가 일정하다고 할 때 거리측정 정확도를 높이기 위해서는 변조주파수를 높이면 된다. 예컨대, 변조주파수가 20[MHz]이고, 위상측정 오차가 2도이면 거리측정 정확도가 4.2[cm]가 된다.
도 2는 위상측정 오차가 1도 혹은 2도일 때 변조주파수에 따른 거리측정 오차를 나타낸 것으로, 도 2에서 알 수 있듯이, 거리측정 오차는 위상측정 오차에 비례하여 커지고, 변조주파수에 반비례하여 커지는 것을 알 수 있다. 즉, 위상측정 오차가 일정하다 가정할 때 거리측정의 정확도를 높이기 위해서는 변조주파수를 높 이면 되지만, 위상지연를 측정하는데 있어서 2π 불확실성에 의해 거리측정에 대한 모호성이 발생할 수 있는데, 송신신호와 수신신호에 대한 포락선 신호간의 위상지연이 2π를 초과하면 단일 주파수 진폭변조 신호의 포락선과 기준 변조주파수 신호간의 위상지연으로서는 거리를 정확하게 측정할 수 없게 된다.
도 3은 변조주파수에 따른 거리측정의 모호성이 발생하지 않는 최대 측정거리를 나타낸 것으로, 도 3에서 알 수 있듯이, 단일 변조주파수를 사용하여 측정할 수 있는 최대 거리는 변조주파수가 커질수록 작아지는 것을 알 수 있다. 일 예로, 변조주파수가 10[MHz]인 경우 거리측정에 대한 모호성이 없는 최대측정거리는 15[m]가 되는데, 목표물이 이 거리보다 더 원거리에 위치한 경우에는 거리측정에 대한 모호성이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명의 FM-AM 레이더는 비트주파수 검출부(130)에 의해 검출된 비트주파수를 이용하여 목표물까지의 거리를 1차로 추정하고, 추정된 목표물까지의 거리와 위상지연 검출부(140)에 의해 검출된 위상지연을 이용하여 목표물까지의 실제거리를 2차로 계산함으로써, 목표물까지의 거리에 대한 측정오차를 줄여 거리측정 정확도를 향상시킬 수 있다.
계산부(150)에서 비트주파수를 이용하여 계산되는 목표물까지의 추정거리는 목표물이 정지 상태인 경우 상기 <수학식 6>을 이용하여 추정할 수 있고 목표물이 움직이는 경우에는 상기 <수학식 7>과 <수학식 8>을 이용하여 추정할 수 있는데, 이를 통해 정지 상태에 있는 목표물까지의 추정 거리는 아래 <수학식 13>에 의해 구해질 수 있으며, 움직이고 있는 목표물까지의 추정 거리 R은 아래 <수학식 14>에 의해 구해질 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00013
Figure 112009056700720-PAT00014
상기 <수학식 13> 또는 <수학식 14>에 의해 목표물까지의 거리가 추정되면, 위상지연 검출부(140)에 의해 검출된 위상지연(Φm)과 추정 거리(R)에 의해 계산된 위상지연(Φm)을 이용하여 실제거리를 계산한다.
이때, 계산된 위상지연은 상기 <수학식 10>에 추정 거리(R)를 대입하여 계산할 수 있으며, 아래 <수학식 15>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00015
따라서, 계산부(150)는 상기 <수학식 10>과 <수학식 15>를 이용하여 목표물까지의 실제 거리를 계산할 수 있는데, 실제 거리(R)는 아래 <수학식 16>과 <수학식 17>을 통해 계산될 수 있다.
Figure 112009056700720-PAT00016
Figure 112009056700720-PAT00017
즉, 계산부(150)는 비트주파수를 이용하여 계산된 추정 거리(R)와 위상지연 검출부(140)에 의해 검출된 위상 지연(Φm)을 통해 상기 <수학시 17>과 같이 목표물까지의 실제 거리를 계산할 수 있다.
일 예로서, 변조주파수 fm이 20[MHz]이고, 목표물까지의 실제 거리 R이 50[m]이며, 비트주파수에 의해 추정된 거리 R이 49.5[m]라고 할 때, 실제거리 R과 추정거리 R에 의한 변조주파수 fm에서의 위상차(ΔΦr)는 상기 <수학식 16>을 사용하여 구할 수 있으며 이 구해진 값을 상기 <수학식 17>에 대입하면 목표물까지의 실제거리(R)를 계산할 수 있다.
물론, 위상지연을 측정하는데 있어서 오차가 발생할 수 있기 때문에 본 발명의 FM-AM 레이더에 의한 거리측정은 위상지연 검출부(140)의 위상측정 오차에 의해 결정될 수 있고, 일 예로 변조주파수 fm이 20[MHz]이고 위상측정 오차가 2도라고 가정하면, 도 2를 통해 4.2[cm]의 측정오차를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 FM-AM 레이더는 협대역의 FMCW 레이더로서 측정할 수 있는 거리측정 오차를 개선할 수 있고, 단일 변조주파수의 AM 레이더에서 위상 모호성에 의해 제한되는 최대 측정거리를 개선하여 단거리 및 원거리에서 거리측정 정확도를 개선할 수 있으며 나아가, 목표물의 실시간 움직임을 추적할 수도 있다.
또한, 본 발명의 FM-AM 레이더는 위상지연을 검출할 때, 수신 신호로부터 기 측정된 불요신호를 제거함으로써, 위상지연을 정확하게 검출할 수 있고, 이를 통해 목표물까지의 거리 측정에 대한 정확도를 높일 수 있다.
이런 본 발명의 FM-AM 레이더는 단거리용으로 차량용 후방탐지 센서, 주차보조 센서, 사각지역 탐지센서, 로봇용 탐지 센서, 위치기반 서비스(LBS: Location-Based Service) 및 선박용 충돌방지 센서 등으로 활용할 수도 있고, 거리측정에 대한 모호성없이 원거리 측정이 가능하기 때문에 초고층 빌딩, 교량 및 경사면 등의 원거리에 대한 거리측정 및 움직임 감지용 센서 등의 다양한 분야에 활용할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수변조-진폭변조 레이더의 거리 측정 방법에 대한 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, FM-AM 레이더는 RF(Radio Frequency) 신호의 진폭이 일정하고 주파수가 선형적으로 변하는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호를 생성한다(S410).
FM-AM 레이더는 생성된 FMCW 신호와 진폭이 조절된 변조주파수 신호를 혼합하여 생성된 양측파대 신호와 FMCW 신호를 결합하여 주파수변조와 진폭변조가 동시에 존재하는 FM-AM 신호를 생성한다(S420).
FM-AM 레이더는 생성된 FM-AM 신호를 안테나를 통해 거리를 측정하고자 하는 목표물로 송신하고, 목표물로부터 반사되는 FM-AM 신호를 수신한다(S430, S440).
이때, FM-AM 레이더의 수신단에서 수신되는 신호는 목표물로부터 반사되는 반사신호 뿐만 아니라 레이더의 내부에서 누설되거나 레이더 외부의 고정된 구조물로부터 반사되는 불요신호를 포함할 수 있다.
FM-AM 레이더는 수신단으로부터 수신되는 신호와 FMCW 신호를 혼합하여 비트신호를 검출하고, 검출된 비트신호로부터 비트신호의 비트주파수(fb)를 검출한다(S450).
이때, 비트주파수는 목표물이 고정된 경우에는 상기 <수학식 6>을 이용하여 검출할 수 있고, 목표물이 움직이는 경우에는 상기 <수학식 7>, <수학식 8>을 이용 하여 검출할 수 있다.
또한, FM-AM 레이더는 수신단으로부터 수신되는 신호에 대한 포락선 신호를 검출하고, 검출된 포락선 신호에 포함된 불요신호를 제거하여 목표물로부터 반사되어 수신된 FM-AM 신호에 대한 포락선 신호만을 추출한다(S460, S470).
이때, 포락선 신호에 포함된 불요신호는 FM-AM 신호를 생성하기 위해 사용된 기준 변조주파수 신호를 이용하여 제거할 수 있는데, 불요신호와 동일한 진폭 및 180도의 위상차를 가지도록 변조주파수 신호의 진폭과 위상을 조절한 후 검출된 포락선 신호와 결합함으로써, 검출된 포락선 신호로부터 불요신호를 제거할 수 있다.
FM-AM 레이더는 목표물로부터 반사된 반사신호에 대한 포락선 신호가 검출되면, 검출된 반사신호에 대한 포락선 신호와 기준 변조주파수 신호간 위상지연을 검출한다(S480).
FM-AM 레이더는 단계 S450에서 검출된 비트주파수와 단계 S480에서 검출된 위상지연을 이용하여 목표물까지의 거리를 계산한다(S490).
여기서, 단계 S490은 도 5에 도시된 일 예의 단계를 통해 목표물까지의 실제 거리를 계산할 수 있다.
도 4에서 비트주파수를 검출하는 단계(S450)를 반사신호를 수신하는 단계(S440)에 수행하는 것으로 설명하였지만, 이에 한정하지 않고 반사신호를 수신하는 단계(S440)와 거리를 계산하는 단계(S490) 사이의 어느 단계에서도 수행될 수 있고, 위상지연을 검출하는 과정과 병렬적으로 수행될 수도 있다.
도 5는 도 4에 도시된 단계 S490에 대한 일 실시예 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 계산하는 단계(S490)는 단계 S450에서 검출된 비트주파수(fb)를 이용하여 목표물까지의 거리를 추정한다(S510).
이때, 목표물까지의 추정 거리(R)는 상기 <수학식 13> 또는 <수학식 14>를 이용하여 계산할 수 있다.
거리가 추정되면, 추정 거리(R)를 이용하여 위상지연을 계산하는데, 위상지연은 상기 <수학식 15>에 의해 계산될 수 있다(S520).
추정 거리에 의해 위상지연이 계산되면, 계산된 위상지연(Φm)과 단계 S480에서 검출된 위상지연(Φm)을 이용하여 목표물까지의 실제거리를 계산한다(S490).
이때, 목표물까지의 실제거리(R)는 상기 <수학식 17>에 의해 계산될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 FM-AM 레이더의 거리 측정 방법은 FMCW 레이더의 거리 측정 방법과 AM 레이더의 거리 측정 방법에 대한 장점을 이용하여 FMCW 레이더 및 AM 레이더 각각에서 발생될 수 있는 문제점을 해결함으로써, 거리측정 정확도를 개선시키고, 이를 통해 단거리 및 원거리에서 거리측정 정확도를 개선시킬 수 있다.
또한, 움직이는 목표물에 대한 거리측정 정확도를 높임으로써, 목표물의 실 시간 움직임을 추적할 수도 있다.
나아가, 위상지연을 검출하는데 있어서 영향을 줄 수 있는 불요신호를 제거함으로써, 위상 측정에 있어서 정확도를 개선시키고, 이를 통해 목표물까지의 거리측정 정확도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의한, 주파수변조-진폭변조 레이더 및 그 거리 측정 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수변조-진폭변조 레이더에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 위상측정 오차가 1도 혹은 2도일 때 변조주파수에 따른 거리측정 오차를 나타낸 것이다.
도 3은 변조주파수에 따른 거리측정의 모호성이 발생하지 않는 최대 측정거리를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수변조-진폭변조 레이더의 거리 측정 방법에 대한 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 5는 도 4에 도시된 단계 S490에 대한 일 실시예 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110: 신호 생성부
120: 송수신부
130: 비트주파수 검출부
131: 비트신호 검출부
132: 주파수 검출부
140: 위상지연 검출부
141: 제1 검출부
143: 불요신호 제거부
145: 제2 검출부
150: 계산부

Claims (14)

  1. RF(Radio Frequency) 신호의 진폭이 일정하고 주파수가 선형적으로 변하는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호를 생성하고, 생성된 상기 FMCW 신호에 진폭이 조절된 변조주파수 신호를 결합하여 주파수변조와 진폭변조가 동시에 존재하는 주파수변조-진폭변조(FM-AM) 신호를 생성하는 신호 생성부;
    상기 주파수변조-진폭변호 신호를 목표물로 송신하고, 상기 목표물로부터 반사되는 상기 주파수변조-진폭변조 신호의 반사 신호를 수신하는 송수신부;
    상기 FMCW 신호와 상기 반사 신호를 혼합하여 검출된 비트신호로부터 비트주파수를 검출하는 비트주파수 검출부; 및
    상기 반사 신호에 대한 포락선 신호를 추출하고, 추출된 상기 포락선 신호와 상기 변조주파수 신호간의 위상지연을 검출하는 위상지연 검출부
    를 포함하는 주파수변조-진폭변조 레이더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상지연 검출부는
    상기 송수신부로부터 수신되는 신호에 대한 포락선 신호를 검출하고, 검출된 상기 포락선 신호와 기 측정된 불요신호에 대한 정보를 이용하여 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호만을 추출하는 주파수변조-진폭변조 레이더.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 비트주파수 검출부에 의해 검출된 상기 비트주파수를 이용하여 상기 목표물까지의 거리를 추정하고, 추정된 상기 거리와 상기 위상지연 검출부에 의해 검출된 상기 위상 지연을 이용하여 상기 목표물까지의 실제거리를 계산하는 계산부
    를 더 포함하는 주파수변조-진폭변조 레이더.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 위상지연 검출부는
    상기 변조주파수 신호를 이용하여, 검출된 상기 포락선 신호로부터 상기 기 측정된 불요신호를 제거함으로써 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호만을 추출하는 주파수변조-진폭변조 레이더.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 위상지연 검출부는
    상기 기 측정된 불요신호와 진폭이 같고 180도의 위상차를 갖는 신호를 검출된 상기 포락선 신호와 결합하여 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호만을 추출하는 주파수변조-진폭변조 레이더.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 계산부는
    다음의 수학식을 통해 상기 목표물까지의 실제거리를 계산하는 주파수변조-진폭변조 레이더.
    Figure 112009056700720-PAT00018
    Figure 112009056700720-PAT00019
    여기서, R은 실제거리, R은 상기 비트주파수를 이용하여 추정된 거리, fm은 상기 변조주파수, Φm은 상기 위상지연 검출부에 의해 검출된 위상 지연, Φm은 상기 R에 의해 계산된 위상 지연, c는 빛의 속도를 의미한다.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 신호 생성부는
    상기 FMCW 신호와 상기 진폭이 조절된 변조주파수 신호를 혼합하여 양측파대 신호를 생성하고, 생성된 상기 양측파대 신호와 상기 FMCW 신호를 결합하여 상기 주파수변조-진폭변조 신호를 생성하는 주파수변조-진폭변조 레이더.
  8. RF(Radio Frequency) 신호의 진폭이 일정하고 주파수가 선형적으로 변하는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호를 생성하는 단계;
    생성된 상기 FMCW 신호에 진폭이 조절된 변조주파수 신호를 결합하여 주파수변조와 진폭변조가 동시에 존재하는 주파수변조-진폭변조(FM-AM) 신호를 생성하는 단계;
    상기 주파수변조-진폭변호 신호를 목표물로 송신하고, 상기 목표물로부터 반사되는 상기 주파수변조-진폭변조 신호의 반사 신호를 수신하는 단계;
    상기 FMCW 신호와 상기 반사 신호를 혼합하여 검출된 비트신호로부터 비트주파수(fb)를 검출하는 단계;
    상기 반사 신호에 대한 포락선 신호를 추출하는 단계;
    추출된 상기 포락선 신호와 상기 변조주파수 신호간의 위상지연을 검출하는 단계; 및
    검출된 상기 비트주파수와 상기 위상지연을 이용하여 상기 목표물까지의 실제거리를 계산하는 단계
    를 포함하는 주파수변조-진폭변조 레이더의 거리 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 추출하는 단계는
    상기 반사 신호를 포함하는 수신신호에 대한 포락선 신호를 검출하고, 상기 수신신호에 대한 포락선 신호로부터 기 측정된 불요신호를 제거하여 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호만을 추출하는 주파수변조-진폭변조 레이더의 거리 측정 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는
    상기 비트주파수를 이용하여 상기 목표물까지의 거리를 추정하고, 추정된 상기 거리와 상기 위상지연을 이용하여 상기 목표물까지의 실제거리를 계산하는 주파수변조-진폭변조 레이더의 거리 측정 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 추출하는 단계는
    상기 변조주파수 신호를 이용하여, 상기 수신신호에 대한 포락선 신호로부터 상기 기 측정된 불요신호를 제거함으로써 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호만을 추출하는 주파수변조-진폭변조 레이더의 거리 측정 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 추출하는 단계는
    상기 기 측정된 불요신호와 진폭이 같고 180도의 위상차를 갖는 신호를 상기 수신신호에 대한 포락선 신호와 결합하여 상기 반사 신호에 대한 포락선 신호만을 추출하는 주파수변조-진폭변조 레이더의 거리 측정 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는
    다음의 수학식을 통해 상기 목표물까지의 실제거리를 계산하는 주파수변조- 진폭변조 레이더의 거리 측정 방법.
    Figure 112009056700720-PAT00020
    Figure 112009056700720-PAT00021
    여기서, R은 상기 목표물까지의 실제거리, R은 상기 비트주파수를 이용하여 추정된 거리, fm은 상기 변조주파수, Φm은 검출된 상기 위상지연, Φm은 상기 R에 의해 계산된 위상지연, c는 빛의 속도를 의미한다.
  14. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 주파수변조-진폭변조 신호를 생성하는 단계는
    상기 FMCW 신호와 상기 진폭이 조절된 변조주파수 신호를 혼합하여 양측파대 신호를 생성하고, 생성된 상기 양측파대 신호와 상기 FMCW 신호를 결합하여 상기 주파수변조-진폭변조 신호를 생성하는 주파수변조-진폭변조 레이더의 거리 측정 방법.
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