KR20120020890A - 고정밀 거리 측정을 주파수변조연속파 레이더의 측정 장치 및 방법 - Google Patents

고정밀 거리 측정을 주파수변조연속파 레이더의 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

종래의 주파수변조연속파 (FMCW) 레이더는 송신 주파수를 톱니파 또는 삼각파를 이용하여 레이더의 전압제어발진기(VCO, Voltage Control Oscillator) 주파수를 변조한 후, 변조된 주파수를 송신하여 물체에서 반사된 주파수를 수신하여, 송신 주파수와 수신 주파수의 차이를 거리의 관계로 환산 하여 거리를 측정 하는 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 방법은 VCO 의 송신 주파수가 정밀한 선형성을 유지 하여야만 거리를 정확히 측정 할 수가 있지만 실제 모든 VCO 는 비선형 특성을 가지고 있어 이러한 비선형 오차에 의하여 거리 측정 정확도는 많이 떨어지게 되는 단점이 있다.
상기 내용과 달리 제철소, 화학물 제조 업체, 유루 저장 탱크의 레벨 측정 등 많은 산업체에서는 아주 정밀한 거리 측정의 레이더를 요구 하고 있으며, 거리 측정의 정밀도를 얻기 위한 VCO 송신 주파수의 변조를 선형적으로 하기 위한 많은 방법이 제안 되고있다. 그러나 수mm 이하의 정확성을 얻기 위하여서는 많은 기술적 한계가 있다. 또한 레이더가 주변 온도에 의하여 VCO 주파수가 drift 되고, 송신 신호의 선형성이 변하게 되어 온도에 대한 아주 높은 주파수 안정도가 함께 요구되고있다. 본 발병에서는 이러한 문제를 해결하고, 정밀한 거리 측정을 하기 위한 것이다.

Description

고정밀 거리 측정을 주파수변조연속파 레이더의 측정 장치 및 방법 {High Precision Distance Measurement using FMCW Radar}
본 발명은 주파수변조 연속파 FMCW 레이더를 이용한 밀리미터 단위의 고 정밀 거리 측정에 대한 방법 및 장치로써, 기존의 FMCW 레이더에 비하여 현저한 정확성을 보여주고 있으며, 이를 이용한 응용 기술에 대한것이다.
주파수변조 연속파 FMCW 레이더는 일반적으로 근거리 측정을 위하여 일반적으로 널리 사용이 되고있다. 그러나 자동차의 무인 자율 주행, 유류 저장 탱크의 레벨 (level) 측정기, 항공기 활주로에 FOD ( Foreign Object Debris)탐지 등에 아주 정밀한 거리 측정 레이더가 필요시 되고 있다. 현제 FMCW 레이더는 일반적으로 수cm ~ 수십 cm 의 정확성 가지고 있으며, 유류 저장 탱크 레벨 측정의 고가 FMCW 레이더 경우 ±5mm 정확도를 상용 제품에서 제공 하고 있다. 그러나 많은 산업체에서는 제품의 공정 및 품질 향상을 위하여 아주 정밀한 ±5mm 이하의 정확도를 가지는 FMCW 레이더를 요구하고 있다. 대부분 이러한 레이더는 10 GHz 이하의 주파수를 사용하고 있는데 밀리미터파 대역의 고 정밀 FMCW 레이더를 사용할 경우 안테나의 크기가 작으면서도 넓은 주파수 대역과 좁은 빔 폭을 얻을 수 있기 때문에 정밀 분해용의 단거리 레이더로 적합하므로 상술한 바와 같은 고 정밀, 소형의 거리 측정 및 소형 물체의 탐지 레이더의 주파수 대역으로 적절하다.
종래기술에 있어서는, 송신 주파수를 톱니파 또는 삼각파를 이용하여 레이더의 전압제어발진기(VCO, Voltage Control Oscillator) 주파수를 변조한 후, 변조된 주파수를 송신하여 물체에서 반사된 주파수를 수신하여, 송신 주파수와 수신 주파수의 차이를 거리의 관계로 환산 하여 거리를 측정 하는 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 방법은 VCO 의 송신 주파수가 정밀한 선형성을 유지 하여야만 거리를 정확히 측정 할 수가 있으며, VCO 송신 주파수의 변조를 선형적으로 하기 위한 많은 방법이 제안 되고있다. 그러나 수mm 이하의 정확성을 얻기 위하여서는 많은 기술적 한계가 있다. 또한 레이더가 주변 온도에 의하여 VCO 주파수가 drift 되고, 송신 신호의 선형성이 변하게 되어 온도에 대한 아주 높은 주파수 안정도가 함께 요구되고있다. 본 발병에서는 이러한 문제를 해결하고, 정밀한 거리 측정을 하기 위한 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 안정된 주파수 발생과 더불어 고 정밀 거리 측정을 위한 선형성이 아주 우수한 광대역 주파수변조 방식 및 구조, 주파수 변조 레이더의 구조와, 신호 처리 방법이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 안테나의 지향성을 갖기 위하여 평면 배열 안테나로 구성된 배열 안테나를 포함한 송수신 안테나부, 밀리미터파 대역으로 주파수 변조된 연속파를 송신하는 송신부, 수신된 반사파 신호를 다운 컨버팅하고 디지털 신호로 변환하여 신호처리하는 수신부 및 수신된 신호를 서버로 전송하여 신호 처리하는 중앙 신호 처리부, 송신 신호의 파형을 제어하는 레이더 제어부를 포함한 거리 측정 및 탐지 레이더를 제공한다. 본 발병의 핵심인 선형성이 우수한 주파수변조 연속파를 얻기 위하여 주파수 단계 (frequency step) 방식의 위상고정 루으프 PLL(Phase Lock Loop) 방법을 이용한 주파수변조 신호 생성과, 도2의 CAL 수신단의 보정 수신 신호를 재분활 (resampling) 하여, 선형성을 신호처리부에서 소프트웨어 방식으로 개선하는 Hardware 와 Software 를 결합한 혼합방식의 Hybrid 방식을 이용한 주파수변조 연속파의 선형성을 향상하는 개선안에 대한 방법 및 수신기 구조 및 신호 처리 방법이다. 이 방법은 레이더의 송수신기가 주변 온도에 따라 변하여 레이더의 측정 정확도를 떨어트리는 문제까지도 분수 위상 PPL 을 이용하여 장시간의 안정도(long term stability) 까지 보장하는 온도 보상 기능을 함께 포함하고있다.
여기에서 사용되는 밀리미터파 주파수 대역은 30 GHz 내지 300 GHz 대역이며, 상기 대역에는 10.5 GHz 와 24 GHz 대역이 포함될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 장애물 탐지 레이더의 구조를 채택할 경우에는, 소형이고 경량이면서도 아주 정밀한 거리 측정 탐지 레이더를 구현하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 고정밀 레이더의 간략한 구성예를 도시한 블록도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 자동보정 회로(CAL 단)가 포함된 송수신 분리 안테나 레이더 구조도를 도시한 개념도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 자동 보정 회로 (CAL 단) 가 포함된 송수신 일체 안테나 레이더 구조도를 도시한 개념도 이다.
도 2c는 본 발명에 따른 레이더의 송신부 제어 및 자료획득부에 대하여 예시하는 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 레이더의 송신 신호 제어 및 수신단에서 소프트웨어로 처리하는 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 정밀 거리 측정 레이더의 시스템 전체 개략도의 구성예를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 레이더는 고주파 송신부(110), 송수신 안테나부(120), 수신부(130) 및 레이더 제어부및 자료 획득부 (140)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 송수신 안테나부(120)는 평면 배열 안테나 또는 도파관 형태의 혼 안테나를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 거리 측정 레이더에서는, 송수신 안테나부(120)를 구성하는 평면 배열 안테나 또는 도파관 형태의 혼 안테나와 송신부(110) 및 수신부(130)의 송수신 신호를 주파수 변조 연속 파의 밀리미터파 대역을 이용한다. 밀리미터파 대역(30 내지 300 GHz)은 안테나의 크기가 작으면서도 넓은 주파수 대역과 좁은 빔 폭을 얻을 수 있기 때문에 소분해용의 단거리 레이더로 적합하므로 상술한 바와 근거리 정밀 거리 측정용같은 장애물 탐지 레이더의 주파수 대역으로 적절하다. 여기에서, 본 발명에서 정의하는 밀리미터파 대역에는 24 GHz의 Ka 대역도 포함될 수 있다.
본 발명의 레이더는 도2a처럼 송신 제어및 자료 획득부, 분수위상 고정 루으프, 고주파 송신부, 그리고 송수신 안테나가 분리된 송신 및 수신 안테나, 탐지 물체로부터 반시되어 수신된 신호를 증폭, 하향 변환하는 레이더 수신부 그리고 레이더 송신 신호의 선형성을 개선하는데 사용하는 보정 수신부로 구성이 되어있다. 특히 레이더의 송신 신호의 선형성을 향상 하기위하여 송신 신호를 고주파 송신부의 방향성 결합기를 통하여 송신 신호를 송신 안테나로 전송하는것과 함께 일부 송신 신호를 지연회로를 통하여 보전 수신부로 신호를 보내어 하양 변환 한후 신호 처리부에서 소프트웨어로 송신 신호의 미세한 비선형 특성을 보정하는데 사용한다.
도 2b는 본 발명에 따른 장애물 탐지 레이더의 송수신 안테나가 일체형으로 된 레이더를 도시한 개념도이다. 도2b는 도2a와 모든 구성은 상기에서 설명한것과 동일 하지만 단지 송신 안테나와 수신 안테나를 별도로 사용하지 않고 회절기 (circulator) 회로를 이용하여 한 개의 안테나로 송신과 수신을 함께 사용 하는 구성도이다. 신호의 비선형 수신 신호를 도2b처럼 레이더 2a는 본 발명에 따른 장애물 탐지 레이더의 송수신 안테나가 분리된 레이더를 도시한 개념도이다.
한편, 본 발명에 따른 장애물 탐지 레이더에서 주된 응용 목적에 따라서, 안테나부에 포함되는 배열 또는 도파관 혼 안테나의 형태는 변경되어 구성될 수 있음이 당업자에게 있어 자명하다. 단, 특정한 거리 측정을 위하여서는 안테나 분해능이 아주 좋은 팬슬빔이 요구될수 있으므로, 도 2a 및 도 2b에서 예시하고 있는 바와 같이 안테나의 빔 형태는 사용 용도에 따라 방사패턴을 설정할 수가 있다.
또한, 상기 송수신 안테나부(120)는 이하에서 설명되는 송신부(110) 및 수신부(130)와 하이브리드 형태의 회로인 결합기 (coupler), 또는 회전기 (circulator) 를 통하여 연결된다. 즉, 송수신 안테나부(120)는 송신부(110)와 연결되어 송신 안테나의 역할을 수행하고, 수신부(130)와 연결되어 수신 안테나의 역할을 수행하는 송수신 겸용의 안테나로서 동작하게 한다. 송수 절환기인 결합기와 회전기는 (111) 송신과 수신을 동시에 하며, 항상 송신 신호와 수신 신호를 수신 하게 된다.
다시 도 2를 참조하면, 송수신부(120)는 분수위상 고정 루프인(PLL)로부터 선형화된 신호를 송신부의 출력소자를 사용하여 배열 안테나를 통하여 밀리미터파 대역으로 주파수 변조된 연속파 신호를 송신하는 구성요소이다. 레이더의 선형성는 분수 위상 고정 루으프 PLL 을 이용하여 추후 도3에서 설명할 방법으로 선형의 광대역 주파수 변조 신호를 발생하고, 이 신호 생성에서 발생하는 미세한 비선형 부분을 도2에서 제시된 보정 수신부를 통하여 신호처리부에서 소프트웨어로 보정한다. 이와 같은 방법을 이용할 경우 수 mm의 거리 측정 정확도를 얻을수가 있다.
수신부(130)는 상기 배열 안테나 또는 도파관 안테나를 통하여 수신된 반사파 신호를 다운 컨버팅하고 디지털 신호로 변환하여 신호처리하는 구성요소이다.
수신부(130)는 다양하게 구성될 수 있으나, 본 실시예에서는 수신된 밀리미터파 신호를 고주파 송신부의 소신 신호와 혼합하여 기저대역 주파수로 하향 변환 하고 직접 디지털로 변환하는 방식을 채택한 경우의 구성을 취할 수 있다.
예컨대, 수신부(130)는 고주파 증폭부, 다운 컨버터(down converter), A/D 변환기를 포함한 샘플링부, 샘플링부로부터 출력된 디지털 신호를 신호처리하는 신호처리부 등을 포함하여 구성될 수 있다.
레이더는 통상적으로 근거리에 발생된 반사파의 경우에 신호 세기가 커서 수신부를 포화시켜 반사파 신호를 제대로 검출할 수 없는 경우가 발생된다. 이와 같은 현상을 방지하기 위하여 근거리 반사파에 대해서는 수신부의 이득을 낮게 하고 원거리 반사파에 대해서는 가능한 이득을 최대로 하는 STC (sensitive time control) 회로가 필요하다. 이 기능은 기전대역의 필터와 증폭기를 도면4와 같이 설계하여 STC 회로와 동등한 효과를 가져올 수 있도록 하여 문제를 해결 하였다. 수신된 반사파 신호는 고주파 증폭부에서 증폭된 다음, 다운 컨버터로 입력된다. 다운 컨버터는 송신단의 신호를 국부 발진기(LO: Local Oscillator) 주파수로 하여 주파수 혼합기(mixer)와 혼합하여 수신된 반사파 신호를 RF 주파수에서 기저대역 중간 주파수 신호로 변환한다. 즉, 호모다인 방식의 수신기 형태 이다.
이때, 다운 컨버터에서는 PPL에서 생성한 발진기의 발진 주파수 안정도가 거리 측정에 아주 중요한 역할을 하므로 송신 주파수가 온도 등 어떠한 주변의 변화에도 변동되지 않도록 고안전성의 PLL 회로로 구현 하였다.
샘플링부에서는 A/D변환기(ADC: Analog-Digital Converter)를 통하여 다운 컨버팅된 중간주파수 신호를 일단 디지털 신호로 변환한다. 다음으로, 신호처리부에서는 시시각각으로 산재되어 변환된 표적 정보를 송신 신호의 매 주기 마다 신호처리를 가하여 표적을 식별하고, 연산장치에 의해서 상관처리, 식별처리, 추적처리 등을 행하여 표적의 심볼 표시, 거리표시, 속도 및 항적 등을 나타내는 동작을 수행한다.
도 2c는 본 발명에 따른 레이더의 송신부의 제어 및 자료 획득부에 대하여 예시하는 개념도이다. 본 송신부 제어 기능은 분수위상 고정 루으프의의 분수 주파수 분활기를 제어하여 레이더에서 원하는 소정의 광대역 선형의 주파수를 생성하여 송신 주파수를 송신부로 송출하고 송출된 신호가 피 대산 물체에 반사되어 수신된 반사 신호를 수집하여 실시간 관측하여 수신 자료를 저장, 분석할수있도록 하는 기능을 가지고 있다. 또한 수신된 신호는 시리얼 또는 이터넷 통신을 통하여 PC 로 수신 자료를 전송하여 추가적인 신호 처리 및 사용자를 위한 표출기로 사용 한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도1: 레이더 시스템 전체 개략도
도2a: 송수신 안테나 분리 레이더 송수신부
도2b: 송수신 안테나 일체 레이더 송수신부
도3: 레이더 송수신부 제어 및 자료 획득부
도4: 레이더 송수신 제어 및 수신단 소프트웨어 처리 개념도

Claims (4)

  1. 레이더의 고 정밀 거리 측정을 위하여 아주 우수한 선형성을 같는 주파수변조 연속파의 생성 및 처리를 위하여 분수위상고정루프 를 이용한 하드웨어 선형 방식과 보전 수신부를 이용한 소프트웨어 방식을 혼합한 하이브리드 방식의 레이더 구조 및 신호 처리 방식.
  2. 송신단의 신호를 지연 회로를 통하여 레이더 신호의 선형성을 보정 하려는 목적의 보정수신부를 갖는 레이더 구조 및 방식을 특징으로 하는 레이더
  3. 제 1 항에 있어서, 송신 안테나와 수신 안테나를 분리한 레이더 송수신부 구조 및 송신 안테나와 수신 안테나를 일체형으로 구현한 레이더 구조 및 방법을
    특징으로 하는 지 레이더.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀리미터파 대역은 30GHz 내지 300GHz 대역이며, 상기 밀리미터파 대역에는 Ka 대역이 포함되는 것을 특징으로 하는 탐지 레이더.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101359344B1 (ko) * 2012-07-23 2014-02-10 광주과학기술원 Ｆｍｃｗ 기반 거리 측정 장치
CN104142508A (zh) * 2013-05-09 2014-11-12 三星电子株式会社 用于降低gnss接收器中功耗的方法、装置和系统
KR20160046482A (ko) * 2014-10-21 2016-04-29 현대모비스 주식회사 레이더의 주파수 변조 제어 장치 및 방법
US11808894B2 (en) 2020-08-27 2023-11-07 Samsung Electronics Co., Ltd. LiDAR device using time delayed local oscillator light and operating method thereof

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