KR20130041195A

KR20130041195A - 연속파 레이더 측정들을 위한 방법 및 디바이스

Info

Publication number: KR20130041195A
Application number: KR1020137003342A
Authority: KR
Inventors: 스테판 브루스
Original assignee: 시버스 이마 아베
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-04-24
Also published as: US8994583B2; EP2407799A1; EP2407799B1; US20130127652A1; WO2012007353A1

Abstract

본 발명은 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 방법과 관련된다. 방법은, 연속파 레이더 신호의 형태로 측정 신호를 생성하는 단계; 안테나(112)에 의하여 측정 신호를 송신하는 단계; 반사기(118)에 의하여 측정 신호를 반사하고, 이에 의하여 원하는 반사된 측정 신호를 제공하는 단계; 원하는 반사된 측정 신호를 수신하는 단계; 및 원하는 반사된 측정 신호에 의하여, 안테나와 반사기 간의 상대 속도 및 거리 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함한다. 측정 신호의 반사는 반사기에서 측정 신호를 비대칭적으로 변조하는 것을 수반한다. 상대 속도 및 거리 중 적어도 하나의 결정은, 비대칭 변조에 의해 부가되는 정보에 의하여, 측정 신호의 수 개의 수신된 반사들 중에서 원하는 반사된 측정 신호를 검출하는 단계를 포함한다.

Description

연속파 레이더 측정들을 위한 방법 및 디바이스 {METHOD AND DEVICE FOR CONTINUOUS WAVE RADAR MEASUREMENTS}

본 발명은 연속파 레이더에 의하여 대상물들 간의 상대 속도 및 거리 중 적어도 하나를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.

크고 무거운 대상물이 이동되고, 대상물이 멈출 원하는 위치 또는 통과되어서는 안 되는 경계선(border)이 존재하는 몇몇 환경들에서, 레이더 기술에 의한 거리 측정들은 유용한 것으로 입증되었다. 통상적으로, 트랜시버 디바이스(송신기 및 수신기)는 이동하는 대상물 상에 배열되고, 반사기 디바이스는 고정된 기준 위치에 배열된다. 무선 주파수의 레이더 신호, 즉, RF 신호를 송신하고, 그것의 반사를 검출함으로써, 트랜시버와 반사기 간의 거리를 결정하는 것이 가능하다.

다수의 애플리케이션들에서, 거리 결정의 정확도에 대한 상대적으로 많은 요구사항들이 존재한다. 개발되어 온 하나의 정확한 방법에서, RF 신호의 주파수는, 송신이 계속되는 동안, 이산 주파수 스텝(step)들에 의하여 스위프 범위(sweep range), 즉, 주파수 범위에 걸쳐 스위핑된다. 각각의 주파수에서, 송신된 신호와 수신되는 반사된 신호 간의 위상차가 결정된다. 각각의 스텝에서 주파수는 송신된 신호가 반사 이후에 리턴하도록 허용하기에 충분히 길게 유지된다. 이 방법은 스텝형 주파수 연속파(SFCW: stepped frequency continuous wave) 레이더로 불린다. 단계적으로(stepwise) 스위프 범위를 스위핑하고, 각각의 주파수에 대해, 반사된 신호와 송신된 신호 간의 위상차를 검출함으로써, 거리를 결정하는 것이 가능하다. RF 신호의 주파수에 따라, 트랜시버와 반사기 간의 거리는, 또한 RF 신호의 다수의 기간(period)들의 수에 대응하는 다수의 파장들을 구성한다. 주파수의 증가로, 동일한 거리에 대한 기간들의 수가 증가할 것이고, 위상차는 변화할 것이다. 거리는 통상적으로 수 개의 전체(full) 기간들 더하기 기간들의 일부에 대응하고, 위상차는 단지 기간의 해당 부분에 대한 정보만을 주기 때문에, 단일 주파수 측정은 거리를 결정하는데 충분하지 않다. 그러나 상이한 주파수들에서의 수 개의 위상차 측정들에 의해, 또한 전체 기간들의 정확한 개수 및 그에 따라 거리를 결정하는 것이 가능하다.

그러나 송신된 레이더 신호는 특정 물리적 폭을 가지며, 이는 대개 반사기 주변의 대상물들로부터 많은 반사들이 수신됨을 의미한다. 반사들 중 어느 것이 반사기로부터 비롯되는지 결정하는데 문제가 있다. 효율적인 해법을 제공하기 위하여 수년간 많은 노력들이 있었다. 그것의 일 예는 WO 01/23906에 개시되며, 상기 특허는 일반적으로 CW 레이더 신호들을 다룬다. 송신된 RF 신호는 반사기에서 변조된다. 변조에 의해, 원치 않는 반사들을 억제하고, 관심 반사를 더 쉽게 필터링하는 것이 가능하다. WO 01/23906에서는, 변조가 증폭일 수 있는 것(즉, 반사기에서, 송신된 신호는 증폭되고 재송신되어, 수신되는 재송신된 신호의 진폭이 다른 반사들의 진폭보다 현저히 더 높게 렌더링되는 것)이 제안된다. 그러나 이것은 여전히 매우 신뢰성 있는 것은 아니다. 관심 대상의(of interest) 반사를 식별할 확률을 향상시키는 다른 제안된 변조들에는, 주파수 변조 및 진폭 변조가 있다.

상기 설명된 바와 같은, 스텝형(stepped) 주파수 연속파 거리 측정들에 대해, 송신된 신호와 수신되는 반사된 신호 간의 위상차가 결정된다. 위상 검출기는 위상차의 코사인 또는 사인에 관련되는 값을 출력하며, 이는 위상 검출기가 2개의 상이한 위상차들(하나는 0 내지 180도이고, 하나는 180 내지 360도임)에 대하여 동일한 값을 출력함을 의미한다. 반사기에서의 신호의 변조는 신호의 위상에 영향을 미친다. 수신기에서는, 반사기에서의 변조기와의 동기화가 존재하지 않고, 이는 그러한(as such) 변조에 관한 위상 정보가 존재하지 않음을 의미한다. 이것은 각각의 시점에서 변조기가 어떠한 기여를 불러일으키는지에 대한 모호성을 야기한다. 그 결과, 거리에 대한 정확한 결정을 내리기 위하여, 각각의 시점에 변조기로부터의 위상 기여가 무엇인지 알려져야만 한다.

본 발명의 목적은 연속파 레이더 측정들에 의한 정확한 거리 결정을 위한 방법을 제공하는 것이다. 이 목적은 청구항 제1항에 따른 방법에 의하여 달성된다.

따라서, 본 발명의 일 양상에 따라, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은:

- 연속파 레이더 신호의 형태로 측정 신호를 생성하는 단계;

- 안테나에 의하여 측정 신호를 송신하는 단계;

- 반사기에 의하여 측정 신호를 반사하고, 이에 의하여 원하는 반사된 측정 신호를 제공하는 단계;

- 원하는 반사된 측정 신호를 수신하는 단계; 및

- 원하는 반사된 측정 신호에 의하여 안테나와 반사기 간의 상대 속도 및 거리 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함한다.

측정 신호를 반사하는 동작은, 반사기에서 측정 신호를 비대칭적으로 변조하는 단계를 포함하고, 제1 상태와 제2 상태 사이에서 교대하는(alternate) 변조 신호를 인가하는 단계를 포함하며, 제1 상태의 지속기간은 제2 상태의 지속기간과 상이하다. 상대 속도 및 거리 중 적어도 하나를 결정하는 동작은, 비대칭 변조에 의하여, 측정 신호의 수 개의 수신된 반사들 중에서 원하는 반사된 측정 신호를 식별하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 양상에 따라, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 디바이스가 제공되며, 상기 디바이스는 트랜시버 디바이스 및 반사기 디바이스를 포함하고, 상기 트랜시버 디바이스는:

- 연속파 레이더 신호의 형태로 측정 신호를 생성하도록 배열되는 측정 신호 생성기; 및

- 측정 신호를 송신하도록 배열되는 송신기를 포함하고,

상기 반사기 디바이스는:

- 송신된 측정 신호를 반사하도록 배열되는 반사기; 및

- 측정 신호를 반사하는 것과 함께 측정 신호를 변조시켜, 그에 의하여 원하는 반사된 측정 신호를 제공하기 위한 변조기

를 포함하고, 상기 트랜시버 디바이스는:

- 원하는 반사된 측정 신호를 수신하도록 배열되는 수신기; 및

- 송신기와 반사기 간의 상대 속도 및 거리 중 적어도 하나를 결정하도록 배열되는 제어기를 더 포함한다. 변조기는 측정 신호를 비대칭적으로 변조하도록 배열되고, 반사기 디바이스는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 변조기를 스위칭하도록 배열되는 변조기 제어기를 포함하고, 제1 상태의 지속기간은 제2 상태의 지속기간과 상이하다. 제어기는 비대칭 변조에 의하여, 측정 신호의 수 개의 수신된 반사들 중에서, 원하는 반사된 측정 신호를 식별하도록 추가로 배열된다.

비대칭 변조에 의하여, 무엇이 변조기로부터의 실제 기여인지를 결정하는 것이 가능한데, 이는 기여가 불규칙적이기 때문이다. 2개의 상태들이 상이한 내구성을 갖기 때문에, 변조는 신호를 다른 반사들 중에서 발견하기 더 용이하게 만들 뿐 아니라, 부가적으로 그것은 모든 경우에 변조가 갖는 기여가 어떤 것인지에 대한 결정을 간략화시키며, 그에 의하여 수신된 측정 신호의 참(true) 상태에 대한 결정을 간략화시킨다. 방법이 스텝형 주파수 연속파 레이더에 뿐 아니라, 일반적으로 연속파 레이더에도 적용가능하다는 것이 유념되어야 한다. 예를 들어, 이것은 주파수 변조된 연속파 레이더(FMCW)에 적용가능하다. 주파수가 주파수 범위에 걸쳐 계속해서 스위핑되고, 현재 송신된 신호와 수신된 신호 간의 주파수 차가 검출되며, 거리는 수신된 신호와 동일한 주파수를 갖는 신호가 송신된 이래로 경과된 시간 및 그 주파수 차에 의하여 결정된다는 점에서, FMCW는 SFCW와 상이하다. 마찬가지로 FMCW 경우에, 원하는 반사된 측정 신호는 비대칭적으로 변조되는 경우 더 쉽고 더 정확하게 검출가능하다.

방법의 일 실시예에 따라, 상기 반사기에서 측정 신호를 비대칭적으로 변조하는 단계는 측정 신호를 비대칭적으로 위상 변조하는 단계를 포함한다. 위상 변조는 또한 전력 면에서 효율적인 변조기의 간단한 구현을 제공한다. 방법의 일 실시예에 따라, 상기 반사기에서 측정 신호를 비대칭적으로 변조하는 단계는 측정 신호를 비대칭적으로 진폭 변조하는 단계를 포함한다.

방법의 일 실시예에 따라, 반사기에서의 측정 신호의 비대칭 변조는 측정 신호를 비대칭적으로 진폭 변조하는 것을 포함한다. 이것은 다른 유용하고 전력 효율적인 타입의 변조이다. 위상 변조 및 진폭 변조는 마찬가지로 조합가능하다.

방법의 일 실시예에 따라, 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나의 결정은 원하는 반사된 측정 신호와 송신된 측정 신호 간의 위상차를 검출하는 것을 포함한다. 위상차는, 특히, 비대칭 변조가 위상 변조를 포함하는 경우에, 상이한 표면들 상에서 반사되는 수 개의 수신된 신호들 중에서 원하는 반사된 측정 신호를 식별하기 위하여, 적용하는 바람직한 측정치(measure)이다.

방법의 일 실시예에 따라, 이것은 위상차의 사인 또는 코사인 값 중 하나로서 위상 값을 생성하는 단계를 더 포함한다. 비대칭 변조는 위상 및/또는 진폭에 있어서의 변화들을 야기하며, 이는 그러한 코사인 또는 사인 값에 현저하고 발견가능하게(detectably) 영향을 미친다.

방법의 일 실시예에 따라, 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나의 결정은 제1 상태 및 제2 상태와, 원하는 반사된 측정 신호에서의 그들의 상이한 지속기간들을 식별하는 단계를 포함한다.

방법의 일 실시예에 따라, 제1 상태 및 제2 상태에는 상이한 위상 시프트들 및 상이한 진폭 레벨들 중 하나가 제공된다. 따라서, 트랜시버에서 변조 신호의 제1 상태 및 제2 상태의 식별을 인에이블함으로써, 변조기와의 어떠한 동기화도 없이 결정된 위상 및/또는 진폭으로부터 변조의 영향력을 정확하게 제거하고, 부가적으로 바로 그(very) 측정 신호의 정확한 특성들을 결정하는 것이 더욱 용이해진다.

방법의 일 실시예에 따라, 상기 식별하는 단계는 변조 신호의 정수 개수의 기간들 동안 위상 값을 검토하는(studying) 단계를 포함한다.

발명의 이러한 그리고 다른 양상들, 피쳐들 및 장점들은 하기에 설명되는 실시예들을 참고로 하여 해명되고 하기에 설명되는 실시예들로부터 명백해질 것이다.

발명은 이제 첨부 도면들을 참고로 하여 더욱 상세히 설명될 것이다.

도 1a 및 1b는 본 발명에 따른 디바이스의 일 실시예의 개략적인 블록도들이다.
도 2 내지 4는 도 1에 도시된 디바이스에 포함되는 변조기의 상이한 실시예들에 대한 개략적 표현들이다.
도 5 내지 7은 상이한 신호들을 예시하는 그래프들이다.
도 8은 디바이스의 일부의 일 실시예의 개략적인 블록도이다.

본 발명에 따른, 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같은 연속파 레이더 측정 시스템의 일예에 따라, 측정 시스템(100)은 트랜시버 디바이스(102), 반사기 디바이스(104), 및 사용자 인터페이스(106)를 포함하며, 사용자 인터페이스(106)는 트랜시버 디바이스(102)와 연결된다. 예컨대, 측정 시스템(100)은 거리 측정들을 위해 사용된다. 거리 정보는 다양한 방식들로 사용가능하다. 예를 들어, 측정 시스템(100), 및 더욱 상세히는 트랜시버 디바이스(102)는 멈춤(stop) 디바이스(130)와 연결된다. 멈춤 디바이스(130)는 트랜시버 디바이스 또는 반사기 디바이스(104)가 배열되는 이동가능한 대상물의 이동을 제어하는데 사용된다. 하나의 실제적 애플리케이션에 따라, 철도 화차(railway wagon)들에 철광석, 석탄, 또는 자갈과 같은 대량 자제(bulk material)가 적재된다. 적재는 자동식 또는 반자동식이다. 화차들은 그들이 적재되는 미리 결정된 적재 위치로 한번에 하나씩 이동된다. 각각의 화차에 대해, 측정 시스템(100)은 적재 위치에 화차가 도달한 때를 결정하는데 사용된다. 트랜시버 디바이스(102)는 각각의 화차 상에 장착된다. 반사기 디바이스(104)는 적재 위치 바로 뒤에 장착된다. 화차가 적재 위치에 접근할 때, 미리 설정된 경보 거리에 도달되고, 그 위치에서 트랜시버 디바이스는 멈춤 디바이스(130)에 경보 신호를 전송하며, 결국 화차의 브레이크들을 활성화시킨다. 멈춤 디바이스(130)는 그 후 최종적으로 적재 위치에서 화차가 멈추게 하기 위하여 측정 시스템(100)과 추가로 협력한다. 사용되는 종래 기술의 시스템들과 비교하여, 본 발명의 시스템은 정확한 거리의 결정에 있어 더욱 신뢰성 있고 더 빠르며, 이는 적재 프로세스를 더 빠르게 하는데 사용될 수 있다. 이는 브레이크들이 활성화되어야 하기 이전에 화차들이 전속력으로 적재 지점에 더 가깝게 운전될 수 있고 제동이 더욱 강력하게 더 짧은 시간에 수행될 수 있기 때문이다.

다른 애플리케이션 예는 산업용 건물에서의 트래버스(traverse)의 충돌 보호 장치에서 연속파 레이더 측정 시스템(100)을 사용하는 것이다. 측정 시스템(100)의 트랜시버 디바이스(102)는 트래버스 상에 장착되고, 반사기 디바이스(104)는 건물의 벽과 같은 고정된 구조물 상에 장착된다. 트랜시버 디바이스(102)와 반사기 디바이스(104) 간의 거리를 결정하기 위하여 배열되는 측정 시스템(100)에 의해, 트래버스의 작동자는 트래버스가 고정된 구조물에 너무 가깝게 될 때, 사용자 인터페이스(106) 상에서 경고 신호를 받는다. 부가적으로, 거리 측정 시스템(100)과 연결되는 멈춤 디바이스(130)는 그것이 여전히 고정된 구조물에 대한 임계 최소 거리에 도달하는 경우, 자동적으로 트래버스가 멈추도록 강제한다. 대안적으로, 반사기 디바이스(104)는 다른 트래버스 상에 장착된다.

사용자 인터페이스는 측정 데이터, 예를 들어, 반사기 디바이스로의 거리 또는 상대 속도를 디스플레이하는 것, 경보들을 생성하는 것, 대상물 위치에 대한 정보를 디스플레이하는 것, 작동자 입력을 위해 사용되는 것 등과 같은 다양한 애플리케이션들에서의 다양한 목적들을 위해 이용가능하다. 그러나 몇몇 애플리케이션들에서, 예를 들어, 시스템이 자동식 또는 반자동식이고, 시스템이 단지 내부적으로만 작동하는 경우, 사용자 인터페이스는 생략된다. 트랜시버 디바이스(102)는, 더욱 상세하게는, 송신기(108), 수신기(110), 그리고 송신기(108) 및 수신기(110)와 연결되는 안테나(112)를 포함한다. 더욱이, 트랜시버 디바이스(102)는 수신기(110)와 연결되는 검출기(114) 그리고 송신기(108), 수신기(110) 및 검출기(114)와 연결되는 제어기(116)를 포함한다. 제어기(116)는 뿐만 아니라 사용자 인터페이스(106)와도 연결된다. 반사기 디바이스(104)는, 안테나로 또한 고려될 수 있는 반사기(118), 도파관(122)을 통해 반사기(118)와 연결되는 변조기(120), 및 변조기와 연결되는 변조기 제어기(124)를 포함한다.

거리를 결정하기 위한 방법의 일 실시예에 따라, 측정 시스템(100)은 SFCW 레이더 측정 시스템이며, 다음과 같이 작동한다. 송신기(108)는 스텝형 주파수 연속파 레이더 신호 형태로 측정 신호를 생성한다. 측정 신호는 통상적으로 GHz 주파수의 RF 신호이고, 예를 들어, 이것은 10.5GHz의 시작 주파수로부터 약 50 MHz의 스위프 범위에 걸쳐 단계별로(step-by-step) 스위핑된다. 각각의 스텝은 1 MHz이다. 측정 신호는 안테나(112)에 의하여 송신되고, 측정 신호는 반사기(118)에 의하여 반사되며, 그에 의하여 반사된 측정 신호를 제공한다. 측정 신호를 리턴하기 전에, 반사기 디바이스(104)는 측정 신호를 위상에 관하여 비대칭적으로 변조한다. 비대칭 변조는 변조 신호를 변조기(120)에 인가하는 변조기 제어기(124)의 제어 하에서 변조기(120)에 의해 수행된다. 따라서, 변조 신호는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 교대하며, 여기서 제1 상태의 지속기간은 제2 상태의 지속기간과 상이하다. 그 후 반사된 측정 신호가 수신기(110)에서 수신되며, 이 수신기(110)는 수신된 신호를 위상 검출기인 검출기(114)로 포워딩한다. 위상 검출기(114)는 수신된 신호, 즉, 반사된 측정 신호를 송신된 신호, 즉 측정 신호와 비교하며, 그들 간의 위상차를 결정할 수 있다. 위상차는 수신된 신호를 적절히, 통상적으로 변조 신호의 주파수의 수 배의 샘플링 레이트로 샘플링함으로써, 각각의 주파수 스텝 동안에 수회 결정된다. 일 예에 따라, 변조 주파수는 16 kHz이고, 샘플링 주파수는 304 kHz이다.

상기 언급된 바와 같이, 실제로 다수의 상이한 반사된 신호들이 수신기(110)에서 수신된다, 즉, 원하는 반사된 측정 신호가 잡음과 혼합된다. 반사기 디바이스(104)에서의 변조로 인하여, 잡음으로부터 원하는 반사를 분간하는 것이 가능하며, 하기에서 더욱 상세히 설명될 바와 같이, 비대칭성으로 인하여, 기간 내의 정확한 위상차가 용이하게 결정될 수 있다. 측정 신호의 주파수는 그 후 하나의 스텝만큼 증분되고, 측정이 반복된다. 이것은 측정 신호의 스위프 범위 전반에 걸쳐 계속되어, 측정 신호의 각각의 주파수에 대하여 하나씩, 수 개의 위상차 값들을 제공한다. 최종적으로, 안테나(112)와 반사기(118) 간의 거리는 수 개의 위상차 값들에 의하여 결정된다. 거리 결정은 다음과 같이, 송신기 안테나(112)와 반사기(118) 간의 거리(D)와 스위프 범위의 대역폭(B) 간의 관계에 기반한다.

위상 검출기(114)는 송신된 신호와 수신된 신호 간의 위상차(ΔΦ)의 코사인에 대응하는 위상차 값(P), 즉, P=cos(ΔΦ)을 출력한다. 따라서, 위상차 값(P)은 0 과 180도 사이에서 위상 위치를 식별하면서, +1과 -1 사이에서 변화할 것이다. 통상적으로, 거리는 수 개의 전체 기간들 더하기 기간들의 일부분에 대응한다. 측정 신호의 각각의 주파수에 대해, 위상 검출기는 단지 절반의 기간 내의 위상 위치만을 식별할 수 있다. 그러나 상이한 주파수들에서의 수 개의 상이한 위상차들에 관한 정보를 사용함으로써, 또한 완벽한(complete) 절반 기간들의 전체 수를 결정하는 것이 가능하다. 측정 신호의 스위프 범위를 인수하여(taken over), 위상차 값들(P)은 코사인 곡선을 따를 것이다. 이것은 단 몇 개의 주파수 스텝들에 대한 위상차 값 대 시간의 도면으로, 도 5에 개략적으로 예시된다. 주파수 스텝들의 수는 상기 예의 50개와 같이, 비교적 많다. 충분히 넓은 스위프 범위 및 충분히 작은 주파수 스텝들에 대해, 코사인 곡선의 수 개의 제로 크로싱(zero crossing)들이 존재할 것이다. 거리는 제로 크로싱들의 수(K) 및 스위프 범위의 대역폭(B)으로 분할되는 광속(c)으로서 결정된다:

D=c/(BK) (공식 1)

반사기 디바이스가 연속 변조에 의하여 신호를 변조시킬 때, 변조 정보는 위상 검출기의 결과적인 출력의 엔벨로프(envelope)에 내장된다. 그 관점에서, 위상 검출기의 출력의 엔벨로프는 더블 코사인파이며, 도 6에 도시된 바와 같이, 여기서 하나의 코사인파는 다른 코사인파의 미러(mirror) 이미지이다. 각각의 개별적 샘플이 어떤 사인을 가져야하는지, 즉, 어느 엔벨로프가 참(true)인지에 관한 모호성이 존재한다. 이 모호성은 본 발명에 따라 비대칭 변조에 의하여 제거된다. 바람직하게는, 위상 변조는 대략 0/180도이며, 이는 검출기 출력 신호에서 가장 큰 차를 제공하지만, 그들이 검출기 출력 신호에서의 상당한 차를 생성한다면, 다른 위상 시프트 조합들이 마찬가지로 실현가능하다.

수 개의 상이한 변조기 실시예들이 이용가능하다. 일 실시예에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 변조기는 단순한 종류의 위상 변조기(204)이다. 위상 변조기(204)는 도파관(206)을 가지며, 도파관(206)의 한쪽 단부에는 반사기(208)가 연결되고 도파관(206)의 다른쪽 단부에서는 접지와 연결된다. RF 신호(접지된 단부로부터 파장 길이의 약 1/4(λ/4)에서, 바람직하게는 스위프 범위의 중심부에서의 λ/4의 측정 신호)가 반사되는 것을 측정하는, 도파관(206)은 부가적으로 스위치(210)와 연결되며, 마찬가지로 스위치(210)는 접지와 연결된다. 변조기 제어기(212)는 그의 스위칭을 제어하기 위하여 스위치(210)와 연결된다. 따라서, 제1 스위치 위치에서, 즉, 스위치(210)가 닫히는(closed) 경우, 측정 신호는 제1 접지 접속으로 반사되고, 제2 스위치 위치에서, 즉, 스위치(210)가 개방되는 경우, 측정 신호는 제2 접지 접속으로 반사되며, 측정 신호는 약 180도의 위상 시프트에 대응하는, 더 긴 파장의 대략 절반만큼 이동한다. 위상 변조기(204)는 2개의 스위치 위치들 사이에서 교대로 스위칭하며, 그리고 스위치 위치들 중 하나에서 다른 위치에서보다 더 긴 시간 동안 스위치를 홀딩함으로써, 비대칭적으로 측정 신호를 변조한다. 180도의 비대칭적 스위칭, 즉, 위상 변조는 위상 검출기(114)로부터의 출력을 더블 코사인파로 렌더링하며, 도 7에 도시된 바와 같이, 코사인파들 중 하나의 위상 값들은 다른 파의 위상 값들보다 더 긴 지속기간을 갖는다. 제어기(116)는 검출기(114)로부터 위상 값들에 관한 정보를 수신하고, 또한 이것이 더 긴 시간 홀딩되는 제1 스위치 위치인지 또는 제2 스위치 위치인지 여부에 관한 정보를 갖는다. 이 정보로부터, 제어기는 정확한 위상차를 결정할 수 있다. 제어기(116)는 변조 시퀀스의 하나의 기간 또는 정수 개수의 기간들 동안에 검출기로부터 출력되는 위상 값을 검토한다. 하나의 기간은 위상 변조기(204)의 스위치(210)가 개방된 채로 홀딩되는 시간 더하기 스위치(210)가 닫힌 채로 홀딩되는 시간이다. 그 기간의 시간 동안, 위상 값은 다른 것보다 더 긴 시간에 대한 위상 값들 중 하나의 위상 값을 채택하며, 이는 제어기(116)가 변조의 상이한 상태들을 식별하는 것을 가능하게 한다.

변조기의 다른 실시예에 따라, 진폭 변조기(304)는 도파관(308)과 접지 사이에 연결되는 적하물(load)(306), 적하물과 병렬로 배열되고 또한 접지에 연결되는 스위치(310), 및 스위치(310)의 동작을 제어하는 변조기 제어기(312)를 포함하는 것으로서 개략적으로 예시된다. 변조기 제어기(312)는 도파관(308)이 비대칭적으로 교대로 적하물(306)에 연결되고 접지에 직접 연결되도록, 스위치를 제어한다. 그에 의하여, 반사된 측정 신호의 진폭은 비대칭적으로 변화된다. 검출기는 비대칭적으로 진폭 변조된 측정 신호에 대해 하기와 같이 동작한다. 변조의 상이한 상태들 간을 고유하게 구분하기에 충분한 수의 샘플들로 구성되는, 완벽한 변조 기간으로부터의 데이터가 프로세싱된다. 변조의 상이한 상태들이 식별되었을 때, 하나 또는 그 초과의 상태들이 참(true) 검출기 출력 신호를 계산하는데 사용된다.

예컨대 도 8에 도시된 바와 같이, 트랜시버는 하기와 같이 구현된다. 트랜시버(800)는 RF 측정 신호를 생성하기 위하여 오실레이터(802)를 포함하며, 오실레이터의 출력 주파수는 PLL(Phase Locked Loop)(804)에 의하여 제어된다. 측정 신호는 공통 입력/출력 인터페이스 RF I/O를 통해 안테나로 출력된다. 반사된 신호들은 입력/출력 인터페이스를 통해 수신되고, 멀티플라이어(806)에서 측정 신호와 혼합되며, 결과적인 출력 신호는 로우패스 필터링된다(808). 멀티플라이어(806) 및 LP 필터(808)는 검출기(114)를 나타낸다. LP 필터(808)의 출력 신호 IF는 제어기(116)로 포워딩된다. 이 트랜시버 구조는 본 기술분야의 당업자에게 가장 기본적이고, 따라서 그 동작은 추가로 설명되지 않을 것이다. 이런 종류의 수신기/검출기 구조를 사용하면, 수학적으로 검출기 출력 신호 IF는 A*cos(ΔΦ)로서 표현될 수 있다는 것이 간단히 유념된다. 이것은 검출기 출력 신호가 진폭 값 및 위상 값의 조합이고, 진폭 값이 그 중에서도 반사된 측정 신호의 진폭에 따라 좌우됨을 의미한다. 따라서, 반사된 측정 신호의 진폭 변화들 뿐 아니라 위상 변화들이 검출기 출력 신호 IF에서 식별가능하다. 그 결과, 이 트랜시버 구조는 위상 변조를 사용하는 이들 실시예들 및 진폭 변조를 사용하는 이들 실시예들 양자 모두에 적용가능하다.

변조기의 다른 실시예에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 위상 변조기(404)는 제1, 제2, 제3 및 제4 도파관 부분들(406, 408, 410, 412), 제1 및 제2 스위치들(414, 416), 및 변조기 제어기(418)로 구성되는 도파관 브릿지를 포함한다. 도파관 부분들(406, 408, 410, 412)은 상호접속된 브릿지이며, 이는 전기적 등가 도면에 의하여 예시될 수 있고, 여기서 도파관 부분들은 정사각형으로 배열되며 정사각형의 각각의 한 면을 구성한다. 신호 입력은 제1 및 제4 도파관 부분들(406, 412)의 상호접속된 단부들과 연결되고, 신호 출력은 제3 및 제4 도파관 부분들(410, 412)의 상호접속된 단부들과 연결된다. 제1 스위치(414)는 제1 및 제2 도파관 부분들(406, 408)의 상호접속된 단부들과 연결되고, 제2 스위치(416)는 제2 및 제3 도파관 부분들(408, 410)의 상호접속된 단부들과 연결된다. 스위치들(414, 416)은 접지된다. 변조기 제어기는 교대로 그리고 비대칭적으로 스위치들을 공동으로 닫고 개방하여, 이에 의해 각각 0 및 180도 위상 시프트를 야기한다. 이 종류의 위상 변조기(404)는 종료 모듈로서 그리고 도파관 경로에서의 통과(passing by) 모듈로서 배열이능하다. 후자의 경우에, 경로를 종료하는 진폭 변조기와 같은 다른 변조기가 위상 변조기(404)의 출력에서 배열이능하고, 따라서 조합 변조가 획득된다.

상기 실시예들은 SFCW 레이더 측정들에서의 경우인 것과 같이, 관심이 있는 반사된 신호, 즉, 원하는 반사된 측정 신호가, 수신된 신호를 검출하기 위해 사용되는 비교 신호, 즉, 측정 신호의 주파수와 동일한 주파수를 갖는 완전 정상 상태의 상황을 고려하였다.

하기에 예시될 바와 같이, 도플러 레이더 측정 시스템 또는 FMCW 레이더 측정 시스템에서와 같이, 반사된 신호와 비교 신호가 동일한 주파수를 갖지 않는 수 개의 시나리오들이 고안될 수 있다. 그러한 반사된 신호는 본 발명에 따른 방법 및 디바이스에 의하여 여전히 용이하게 측정될 수 있다. 이산 획득 시스템, 즉, 협력하는 수신기, 검출기 및 제어기를 가정하면, 유일한 요건은 획득 시스템의 샘플링 주파수가 수신된 신호의 가장 높은 주파수 성분의 샘플링 주파수의 적어도 2배인 것이다. 또한, 획득 시스템은 신호를 적절히 이산화(discretize)하는 능력을 갖는 것, 즉, 샘플이 단일 시점에 신호에 대응하도록 각각의 샘플이 이상적으로는 극도로 짧은 시간 동안 획득되는 것이 필수적이다. 일반적으로, 변조가 효과적이기 위해서는, 각각의 변조 기간은 측정된 신호의 적절한 이산화를 대응되게 가능하게 하기 위해 충분히 짧아야 한다. 개략적 추정은 변조 주파수가 측정된 신호의 가장 높은 주파수의 적어도 10배여야 함을 보인다. 이는 측정된 신호를 해당 기간의 1/10에 걸쳐 이산화시키는 것에 해당한다. 이 시간상의 구간(stretch)에 걸쳐, 측정된 신호는 정적인, 또는 사실상 유사-정적인 것으로 고려될 수 있다.

실제적 예를 들기 위해, 연속파 레이더 측정을 위한 상기 언급된 로우패스 필터링된 검출기 출력 신호 IF를 고려한다. 연속적인 변조된 신호가 샘플링될 때, 이것은 이산화되고 그 후 샘플링될 필요가 있다. 변조되지 않은 반사된 측정 신호로부터 초래되는 검출기 출력 신호는 1 kHz의 최대 신호 주파수 콘텐츠를 갖는 것으로 가정될 수 있다. 이를 위해, 매 500 마이크로초마다 취해진 측정에 대응하는 적어도 2kHz 샘플링 주파수가 필요하다. 이 샘플링은 신호의 값이 측정될 때의 이산적 시점들과 관련된다. 여기서 이용되는 방법은 신호를 이산화하기 위하여 더욱 빠른 변조 방식을 사용한다. 이 경우에, 변조 주파수는 16kHz이다, 즉, 하나의 변조 기간은 검출기 출력 신호 IF의 가장 높은 주파수 성분의 1/16만큼 이어진다. 따라서 63 마이크로초에 대응하는 하나의 변조 기간 동안에, 304kHz 샘플링 주파수에 대응하는 검출기 출력 신호 IF는 19번 샘플링된다. 이것은 서브-샘플들로 불리는데, 이는 2kHz에서 하나의 단측(single measurement) 샘플을 생성하기 위하여, 제어기에 의한 데이터 프로세싱을 통해, 이들 19개 서브-샘플들이 사용되기 때문이다. 다시 말해, 신호는 매 500 마이크로초마다 63 마이크로초 동안 19번 샘플링된다. 복조 및 이산화를 위하여 사용되는 19개의 샘플들은 단측 샘플을 생성하기 위하여 프로세싱된다.

따라서, 방법의 다른 실시예에 따라, 트랜시버 디바이스와 반사기 디바이스 간의 상대 속도를 결정하기 위하여 도플러 측정이 수행된다. 고정 주파수의 측정 신호가 송신된다. 그러나 트랜시버와 반사기 간의 상대 운동으로 인하여, 반사된 측정 신호와 현재 송신된 측정 신호 간에 주파수 차가 존재할 것이다. 이는 원하는 반사된 측정 신호와 송신된 측정 신호 간의 실제 위상차가 관심 대상인 경우는 그렇지 않다. 그러나 완전한 정수 개수의(complete integer number) 변조들에 걸쳐, 서브-샘플링에 의하여 수행된, 수 개의 서브-획득들을 수반하는 각각의 획득 인스턴스 동안에, 사인파-형 신호의 섹션이 획득된다. 충분한 수의 획득들 이후에, 사인파-형 신호가 재건될 수 있다. 변조 주파수는, 아마도 반사된 측정 신호에서 발생하는 원치 않는 반사들에 의해 야기되는 가장 높은 주파수 성분보다 실질적으로 더 높아야함이 유념되어야 한다. 계속해서 획득들 간의 시간 거리를 기록하는 것은 주파수와 관련하여 행해지는 도플러 시프트를 나타낼 것이며, 상대 속도가 계산될 수 있다.

유사한 방식으로, 방법의 다른 실시예에 따라, FMCW 측정들이 수행된다. 연속 주파수 스위프를 갖는 송신된 측정 신호로, 검출된 신호는 도플러 시프팅된 신호처럼 상당히 많이 사인파-형 신호로서 계속해서 변화할 것이다. 여기서 마찬가지로, 트랜시버와 반사기 간의 거리에 관련되는 사인파-형 신호가 재건될 수 있으며, 마찬가지로 이 경우에 비대칭 변조는 원하는 반사된 측정 신호 및 그것의 타이밍의 식별을 용이하게 한다.

상기에서, 첨부된 청구항들에 정의된 바와 같은, 본 발명에 따른 방법 및 디바이스의 실시예들이 설명되었다. 이들은 단지 비제한적 예들로서 보여져야만 한다. 당업자에 의하여 이해되는 바와 같이, 다른 실제적 사용들 뿐 아니라 다수의 변형들 및 대안적 실시예들이 발명의 범위 내에서 가능하다. 이 출원의 목적들을 위해, 특히 첨부된 청구항들에 관하여, 단어 "포함하는(comprising)"은 다른 엘리먼트들 또는 단계들을 배제시키지 않고, 단수 관사("a" 또는 "an")는 다수를 배제하지 않으며, 그 자체가 본 기술분야의 당업자에게 명백할 것임이 유념될 것이다.

Claims

연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 방법으로서,
- 연속파 레이더 신호의 형태로 측정 신호를 생성하는 단계;
- 안테나(112)에 의하여 상기 측정 신호를 송신하는 단계;
- 원하는 반사된 측정 신호를 제공하기 위해, 반사기(118)에 의하여 상기 측정 신호를 반사하는 단계;
- 상기 원하는 반사된 측정 신호를 수신하는 단계; 및
- 상기 원하는 반사된 측정 신호에 의하여 상기 안테나와 상기 반사기 간의 상대 속도 및 거리 중 적어도 하나를 결정하는 단계
를 포함하며,
- 상기 측정 신호를 반사하는 단계는, 상기 반사기에서 상기 측정 신호를 비대칭적으로 변조하는 단계를 포함하고, 제1 상태와 제2 상태 사이에서 교대하는(alternate) 변조 신호를 인가하는 단계를 포함하고, 상기 제1 상태의 지속기간은 상기 제2 상태의 지속기간과 상이하며, 그리고
- 상기 상대 속도 및 거리 중 적어도 하나를 결정하는 단계는, 비대칭 변조에 의하여, 상기 측정 신호의 수 개의 수신된 반사들 중에서 상기 원하는 반사된 측정 신호를 식별하는 단계를 포함하는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 방법.
제1항에 있어서,
상기 반사기에서 상기 측정 신호를 비대칭적으로 변조하는 단계는, 상기 측정 신호를 비대칭적으로 위상 변조하는 단계를 포함하는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 반사기에서 상기 측정 신호를 비대칭적으로 변조하는 단계는, 상기 측정 신호를 비대칭적으로 진폭 변조하는 단계를 포함하는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상대 속도 및 거리 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 상기 원하는 반사된 측정 신호와 송신된 측정 신호 간의 위상차를 검출하는 단계를 포함하는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 방법.
제4항에 있어서,
상기 위상차의 코사인 및 사인 값 중 하나로서 위상 값을 생성하는 단계를 더 포함하는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상대 속도 및 거리 중 적어도 하나를 결정하는 단계는, 상기 제1 상태 및 상기 제2 상태 그리고 상기 원하는 반사된 측정 신호에서 상기 제1 상태 및 상기 제2 상태의 상이한 지속기간들을 식별하는 단계를 포함하는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 상태 및 상기 제2 상태는 상이한 위상 시프트들 및 상이한 진폭 레벨들 중 하나로서 제공되는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 제1 상태 및 상기 제2 상태를 식별하는 것은 상기 비대칭 변조의 정수 개수의 기간들(integer number of periods) 동안 위상 값을 검토하는(studying) 것을 포함하는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 방법.
연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 디바이스로서,
트랜시버 디바이스(102) 및 반사기 디바이스(104)를 포함하며, 상기 트랜시버 디바이스는:
- 연속파 레이더 신호의 형태로 측정 신호를 생성하도록 배열되는 측정 신호 생성기(802); 및
- 상기 측정 신호를 송신하도록 배열되는 송신기(108)
를 포함하고, 상기 반사기 디바이스는:
- 송신된 측정 신호를 반사하도록 배열되는 반사기(118); 및
- 상기 측정 신호를 반사하는 것과 함께 상기 측정 신호를 변조시켜, 그에 의하여 원하는 반사된 측정 신호를 제공하기 위한 변조기(120)
를 포함하며, 상기 트랜시버 디바이스는:
- 상기 원하는 반사된 측정 신호를 수신하도록 배열되는 수신기(110); 및
- 상기 송신기와 상기 반사기 간의 상대 속도 및 거리 중 적어도 하나를 결정하도록 배열되는 제어기(116)
를 더 포함하고,
- 상기 변조기는 상기 측정 신호를 비대칭적으로 변조하도록 배열되고, 상기 반사기 디바이스(104)는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 변조기(120)를 스위칭하도록 배열되는 변조기 제어기(124)를 포함하고, 상기 제1 상태의 지속기간은 상기 제2 상태의 지속기간과 상이하며; 그리고
- 상기 제어기는, 비대칭 변조에 의하여 상기 측정 신호의 수 개의 수신된 반사들 중에서, 상기 원하는 반사된 측정 신호를 식별하도록 배열되는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 디바이스.
제9항에 있어서,
상기 변조기는 위상 변조기를 포함하는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 디바이스.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 검출기(114)는 상기 측정 신호와 상기 원하는 반사된 측정 신호 간의 위상차를 검출하도록 배열되는 위상 검출기(806)를 포함하고, 상기 위상 검출기는 상기 위상차에 관한 정보를 상기 제어기(116)에 제공하기 위하여 상기 제어기(116)와 연결되는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 디바이스.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출기(114)는 진폭 검출기(806)를 포함하는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 디바이스.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제1 상태 및 상기 제2 상태 그리고 상기 원하는 반사된 측정 신호에서의 상기 제1 상태와 상기 제2 상태의 상이한 지속기간들을 식별함으로써 상기 원하는 반사된 측정 신호를 식별하도록 배열되는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 디바이스.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
결정된 거리에 기반하여 이동가능한 대상물(object)의 멈춤(stopping)을 제어하도록 배열되는 멈춤(stop) 디바이스를 포함하는, 연속파 레이더 측정들에 의하여 거리 및 상대 속도 중 적어도 하나를 결정하기 위한 디바이스.