KR20140071201A - 레이더를 이용한 거리 측정 장치 및 그 측정 방법 - Google Patents

레이더를 이용한 거리 측정 장치 및 그 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이더 신호를 이용한 거리 측정 장치 및 그 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 신호를 이용한 거리 측정 장치는, 복수의 첩(Chirp) 신호를 포함하는 레이더 송신 신호를 생성하는 송신 신호 생성부, 상기 레이더 송신 신호를 첩 신호 단위로 지연시켜 기준 신호를 생성하는 기준 신호 생성부, 상기 레이더 송신 신호와 상기 기준 신호를 첩 신호 단위로 순차적으로 결합시켜 결합 신호를 생성하는 신호 결합부, 대상체를 향하여 상기 결합 신호를 발사하고, 반사된 레이저 수신 신호를 입력받는 레이더 송수신부, 그리고 상기 결합 신호와 상기 레이더 수신 신호의 주파수 차이 값을 이용하여 상기 대상체와의 거리를 검출하는 거리 연산부를 포함한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 레이더를 이용한 거리 측정 장치는 레이더 송신 신호와 기준 신호가 결합된 결합 신호를 이용함으로써, 불필요한 외부 영향, 즉 다른 채널을 통해 전송되는 레이더 신호의 영향을 최소화할 수 있으므로, 탐지 대상인 대상체와의 거리를 정확하게 검출할 수 있다.

Description

레이더를 이용한 거리 측정 장치 및 그 측정 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING DISTANCE USING RADAR}
본 발명은 레이더 신호를 이용한 거리 측정 장치 및 그 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이더 송신 신호와 기준 신호를 이용하여 대상체와의 거리를 정확하게 측정하는 기술이 개시된다.
레이더(RADAR)는 무선탐지와 거리측정(RAdio Detecting And Ranging)의 약어로 마이크로파(극초단파, 10cm~100cm 파장) 정도의 전자기파를 물체에 발사시켜 그 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도 등을 알아내는 무선감시장치이다. 마이크로파는 파장이 짧아서 빛과 같은 직진성을 갖으며 전리층에서 반사되지 않으므로 방향성 안테나에서 발산된 전파는 목표물까지 직선으로 진행한 후 반사하여 돌아온다. 반사되어 돌아온 전자기파의 시간을 측정하여 목표물의 거리, 방향, 고도를 알아낼 수 있으며, 이러한 정보를 통해 항공기의 위치, 지형, 구름의 형성 등을 알아낼 수 있다.
기름 탱크를 위한 레벨 측정 센서 분야에서는 접촉식 방식을 사용하였다. 그러나, 이와 같은 방법에서는 기름 탱크 내의 압력이나 온도 변화에 영향을 받게 된다. 따라서, 사용자들이 위와 같은 문제를 해결하기 위해서 레이더와 같은 비접촉식 센서를 이용하여 레벨 측정을 하고 있다. 특히, 레이더의 정확도를 높이기 위해서 수신 결과를 평균하여 결과를 나타낸다. 그러나, 클러터(clutter)나 기타 노이즈가 존재하는 환경에서 측정한 결과는 다른 레이더 신호와 섞이거나 수신의 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0991160호(2010. 10. 26 등록)에 개시되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적인 과제는, 레이더 송신 신호와 기준 신호를 이용하여 대상체와의 거리를 정확하게 측정하기 위한 레이더를 이용한 거리 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공하기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 신호를 이용한 거리 측정 장치는, 복수의 첩(Chirp) 신호를 포함하는 레이더 송신 신호를 생성하는 송신 신호 생성부, 상기 레이더 송신 신호를 첩 신호 단위로 지연시켜 기준 신호를 생성하는 기준 신호 생성부, 상기 레이더 송신 신호와 상기 기준 신호를 첩 신호 단위로 순차적으로 결합시켜 결합 신호를 생성하는 신호 결합부, 대상체를 향하여 상기 결합 신호를 발사하고, 반사된 레이저 수신 신호를 입력받는 레이더 송수신부, 그리고 상기 결합 신호와 상기 레이더 수신 신호의 주파수 차이 값을 이용하여 상기 대상체와의 거리를 검출하는 거리 연산부를 포함한다.
상기 복수의 첩 신호는 하나의 심볼을 구성하고, 상기 심볼은 상기 첩 신호에 포함된 위상 성분에 따라 심볼 값이 결정될 수 있다.
상기 결합 신호는 다음과 같은 수학식으로 표시될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, s(t)는 결합 신호, i는 프레임 인덱스, j는 심볼 인덱스, TF 는 1개의 프레임에 해당하는 시간 간격, TD 는 기준 신호 생성부에 의해 지연된 시간, NP 는 프레임의 총 개수, NC는 1개의 프레임에 포함되는 심볼의 총 개수, TC 는 1개의 심볼에 해당하는 시간 간격, Cj 는 하나의 심볼에 포함되는 첩 신호의 신호 값을 나타낸다.
상기 Cj 는 다음과 같은 수학식으로 표시될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, B는 대역폭, T는 상기 TF와 NP의 곱셈 값,
Figure pat00003
는 상기 첩 신호의 위상 성분을 의미한다.
상기 레이더는 주파수 변조 연속파형(FMCW) 형태일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 레이더를 이용한 거리 측정 방법은, 복수의 첩(Chirp) 신호를 포함하는 레이더 송신 신호를 생성하는 단계, 상기 레이더 송신 신호를 첩 신호 단위로 지연시켜 기준 신호를 생성하는 단계, 상기 레이더 송신 신호와 상기 기준 신호를 첩 신호 단위로 순차적으로 결합시켜 결합 신호를 생성하는 단계, 대상체를 향하여 상기 결합 신호를 발사하고, 반사된 레이저 수신 신호를 입력받는 단계, 그리고 상기 결합 신호와 상기 레이더 수신 신호의 주파수 차이 값을 이용하여 상기 대상체와의 거리를 검출하는 단계를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 레이더 송신 신호와 기준 신호가 결합된 결합 신호를 이용함으로써, 불필요한 외부 영향, 즉 다른 채널을 통해 전송되는 레이더 신호의 영향을 최소화할 수 있으므로, 탐지 대상인 대상체와의 거리를 정확하게 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이더 신호를 이용한 거리 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 따른 레이더 신호를 이용한 거리 측정 장치의 거리 측정 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 결합 신호를 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이더 신호를 이용한 거리 측정 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 신호를 이용한 거리 측정 장치(100)는 송신 신호 생성부(110), 기준 신호 생성부(120), 신호 결합부(130), 레이더 송수신부(140) 및 거리 연산부(150)를 포함한다.
먼저, 송신 신호 생성부(110)는 복수의 첩(Chirp) 신호를 포함하는 레이더 송신 신호를 생성하며, 기준 신호 생성부(120)는 레이더 송신 신호를 첩 신호 단위로 지연시켜 기준 신호를 생성한다.
신호 결합부(130)는 레이더 송신 신호와 기준 신호를 첩 신호 단위로 순차적으로 결합시켜 결합 신호를 생성한다.
레이더 송수신부(140)는 대상체를 향하여 상기 결합 신호를 발사하고, 반사된 레이저 수신 신호를 입력받으며, 거리 연산부(150)는 결합 신호와 레이더 수신 신호의 주파수 차이 값을 이용하여 대상체와의 거리를 검출한다.
도 2는 도 1에 따른 레이더를 이용한 거리 측정 장치의 거리 측정 방법의 흐름도이다.
먼저, 송신 신호 생성부(110)는 대상체에 조사되는 복수의 레이더 송신 신호를 생성한다(S210). 여기서, 대상체는 레이더 신호를 수신하여 이를 반사하는 물체를 의미하며, 건물 구조물과 같은 정지 대상체, 차량과 같은 이동 대상체, 석유와 같은 액상 대상체를 포함한다. 대상체가 유체인 경우 유체가 담긴 용기는 베슬(vessel) 내에 놓인 탱크인 육상 LNG 저장탱크, 석유제품 탱크, 화학제품 탱크 및 액체 자양물 탱크일 수 있다.
송신 신호 생성부(110)는 레이더 송신 신호로 기 설정된 주파수를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있으며, FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식으로 주파수 변조된 신호를 생성할 수 있다. 이 경우, 주파수 변조된 연속파형 신호는 업 첩(up chirp) 신호 및 다운 첩(down chirp) 신호를 포함한다.
다음으로, 기준 신호 생성부(120)는 송신 신호 생성부(110)로부터 레이더 송신 신호를 입력받고, 입력된 레이더 송신 신호를 일정 시간(TD)동안 지연시켜 기준 신호를 생성한다(S220). 여기서, 기준 신호 생성부(120)는 첩 신호 단위로 레이더 송신 신호를 지연시켜 기준 신호를 생성할 수 있는데, 첩 신호 단위로 지연시킬 경우 송신하고자 하는 레이더 송신 신호의 왜곡을 최소화 할 수 있다.
그리고, 신호 결합부(130)는 레이더 송신 신호와 기준 신호를 첩 신호 단위로 순차적으로 결합시킨 결합 신호를 생성한다(S230). 여기서, 결합 신호에 포함되는 레이더 송신 신호는 대상체를 탐지하기 위한 신호이고, 기준 신호는 대상체로부터 반사되어 수신되는 수신 신호의 탐지를 위한 신호이다. 그리고, 순차적으로 결합되는 첩 신호는 1개로 이루어질 수도 있으며, 복수의 첩 신호 단위로 순차적으로 결합이 될 수도 있다.
다음으로, 레이더 송수신부(140)는 생성된 결합 신호를 대상체를 향하여 발사하고, 대상체로부터 반사된 레이더 수신 신호를 입력받는다(S240). 여기서 레이더는 주파수 변조 연속파형(FMCW) 형태로 구성된다.
그러면, 거리 연산부(150)는 반사된 레이더 수신 신호로부터 대상체의 거리를 검출한다(S250). 즉, 송신된 결합 신호와 레이더 수신 신호의 주파수 차이 값을 푸리에 변환시켜 주파수 스펙트럼을 획득하고, 획득한 거리 인덱스 별 주파수 스펙트럼을 분석하여 대상체와의 거리, 위치, 이동 방향, 속도 등을 판단할 수 있으며, 대상체를 검출하는 과정은 당업자라면 용이하게 설계할 수 있는 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
거리 연산부(150)는 레이더 송신 신호가 생성된 시점부터 반사체로부터 레이더 수신 신호가 반사되어 수신되는 시점까지의 시간 간격을 탐지한다. 여기서, 반사체로부터 송신 신호가 반사되는 경우 반사체의 특성과 무선 환경으로 인해 송신 신호가 왜곡된다. 이와 같은 경우, 레이더 송수신부(140)는 반사된 송신 신호를 수신하기 어려워 탐지 성능이 현저히 떨어진다. 이를 해결하기 위해서 본 발명의 실시예에 따르면 기준 신호도 동일한 반사체의 특성과 무선 환경을 통과시켜 반사된 송신 신호를 탐지하는 데 사용한다.
이하에서는 신호 결합부(130)가 결합 신호를 생성하는 과정에 대하여 상세하게 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 결합 신호를 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 3과 같이 송신 신호 생성부(110)를 통하여 복수의 첩 신호로 구성된 레이더 송신 신호가 입력되면, 기준 신호 생성부(120)는 일정 시간(TD)동안 입력된 레이더 송신 신호를 지연시켜 기준 신호를 생성한다. 그러면, 합산기(+) 형태의 신호 결합부(130)는 레이더 송신 신호에 포함된 1개의 첩 신호와 기준 신호에 포함된 1개의 첩 신호를 순차적으로 결합시켜 결합 신호를 생성한다. 도 3에서는 1개의 첩 신호 단위로 순차적으로 결합이 될 수도 있으나, 앞에서 설명한 것처럼 복수의 첩 신호 단위로 순차적으로 결합이 될 수도 있다.
신호 결합부(130)를 통하여 생성되는 결합 신호(s(t))를 다음의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 표현할 수 있다. 즉, 1개의 프레임은 NC개의 심볼로 이루어져 있고, 결합 신호(s(t))는 총 NP 개의 프레임으로 이루어졌다고 가정하면, 결합 신호(s(t))는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
여기서, s(t)는 결합 신호, i는 프레임 인덱스, j는 심볼 인덱스, TF 는 1개의 프레임에 해당하는 시간 간격, TD 는 기준 신호 생성부에 의해 지연된 시간, NP 는 프레임의 총 개수, NC는 1개의 프레임에 포함되는 심볼의 총 개수, TC 는 1개의 심볼에 해당하는 시간 간격을 나타낸다. 그리고, Cj 는 하나의 심볼에 포함되는 첩 신호의 신호 값을 나타내며, 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
여기서, B는 대역폭, T는 TF와 NP의 곱셈값,
Figure pat00006
는 첩 신호의 위상 성분을 의미한다.
레이더를 이용한 거리 측정 장치(100)는 다른 레이더 신호와의 구별을 위하여, 고유 심볼 값을 가지는 레이더 신호를 송신하는데, 각각의 심볼에 대응하는 값은 수학식 1 및 2에서 보는 것처럼 위상 성분인
Figure pat00007
에 의하여 결정된다. 즉, 위상 성분(
Figure pat00008
)이 180°인 경우에는 Cj 값이 0 또는 1의 2가지 값만을 가지나, 위상 성분(
Figure pat00009
)이 90°인 경우에는 4가지 값을 가질 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 위상 성분(
Figure pat00010
)에 따라 다양한 첩 신호 값을 나타낼 수 있다. 따라서, 레이더를 이용한 거리 측정 장치(100)는 다른 레이더 신호와 섞이지 않는 고유한 심볼 값들로 이루어진 결합신호를 송신할 수 있으며, 고유한 심볼 값들로 이루어진 레이더 수신 신호를 수신할 수 있으므로 다른 채널의 레이더 신호와 간섭이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 레이더를 이용한 거리 측정 장치는 레이더 송신 신호와 기준 신호가 결합된 결합 신호를 이용함으로써, 불필요한 외부 영향, 즉 다른 채널을 통해 전송되는 레이더 신호의 영향을 최소화할 수 있으므로, 탐지 대상인 대상체와의 거리를 정확하게 검출할 수 있다.
이상에서 본 발명은 도면을 참조하면서 기술되는 바람직한 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 기재된 실시예로부터 도출 가능한 자명한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위의 기재에 의해 해석되어져야 한다.
100 : 레이더를 이용한 거리 측정 장치, 110 : 송신 신호 생성부,
120 : 기준 신호 생성부, 130 : 신호 결합부,
140 : 레이더 송수신부, 150 : 거리 연산부

Claims (10)

  1. 복수의 첩(Chirp) 신호를 포함하는 레이더 송신 신호를 생성하는 송신 신호 생성부,
    상기 레이더 송신 신호를 첩 신호 단위로 지연시켜 기준 신호를 생성하는 기준 신호 생성부,
    상기 레이더 송신 신호와 상기 기준 신호를 첩 신호 단위로 순차적으로 결합시켜 결합 신호를 생성하는 신호 결합부,
    대상체를 향하여 상기 결합 신호를 발사하고, 반사된 레이저 수신 신호를 입력받는 레이더 송수신부, 그리고
    상기 결합 신호와 상기 레이더 수신 신호의 주파수 차이 값을 이용하여 상기 대상체와의 거리를 검출하는 거리 연산부를 포함하는 레이더를 이용한 거리 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 첩 신호는 하나의 심볼을 구성하고, 상기 심볼은 상기 첩 신호에 포함된 위상 성분에 따라 심볼 값이 결정되는 레이더를 이용한 거리 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 결합 신호는 다음과 같은 수학식으로 표시되는 레이더를 이용한 거리 측정 장치:
    Figure pat00011

    여기서, s(t)는 결합 신호, i는 프레임 인덱스, j는 심볼 인덱스, TF 는 1개의 프레임에 해당하는 시간 간격, TD 는 기준 신호 생성부에 의해 지연된 시간, NP 는 프레임의 총 개수, NC는 1개의 프레임에 포함되는 심볼의 총 개수, TC 는 1개의 심볼에 해당하는 시간 간격, Cj 는 하나의 심볼에 포함되는 첩 신호의 신호 값을 나타낸다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 Cj 는 다음과 같은 수학식으로 표시되는 레이더를 이용한 거리 측정 장치:
    Figure pat00012

    여기서, B는 대역폭, T는 상기 TF와 NP의 곱셈 값,
    Figure pat00013
    는 상기 첩 신호의 위상 성분을 의미한다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이더는 주파수 변조 연속파형(FMCW) 형태인 레이더를 이용한 거리 측정 장치.
  6. 복수의 첩(Chirp) 신호를 포함하는 레이더 송신 신호를 생성하는 단계,
    상기 레이더 송신 신호를 첩 신호 단위로 지연시켜 기준 신호를 생성하는 단계,
    상기 레이더 송신 신호와 상기 기준 신호를 첩 신호 단위로 순차적으로 결합시켜 결합 신호를 생성하는 단계,
    대상체를 향하여 상기 결합 신호를 발사하고, 반사된 레이저 수신 신호를 입력받는 단계, 그리고
    상기 결합 신호와 상기 레이더 수신 신호의 주파수 차이 값을 이용하여 상기 대상체와의 거리를 검출하는 단계를 포함하는 레이더를 이용한 거리 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 첩 신호는 하나의 심볼을 구성하고, 상기 심볼은 상기 첩 신호에 포함된 위상 성분에 따라 심볼 값이 결정되는 레이더를 이용한 거리 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 결합 신호는 다음과 같은 수학식으로 표시되는 레이더를 이용한 거리 측정 방법:
    Figure pat00014

    여기서, s(t)는 결합 신호, i는 프레임 인덱스, j는 심볼 인덱스, TF 는 1개의 프레임에 해당하는 시간 간격, TD 는 지연된 시간, NP 는 프레임의 총 개수, NC는 1개의 프레임에 포함되는 심볼의 총 개수, TC 는 1개의 심볼에 해당하는 시간 간격, Cj 는 하나의 심볼에 포함되는 첩 신호의 신호 값을 나타낸다.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 Cj 는 다음과 같은 수학식으로 표시되는 레이더를 이용한 거리 측정 방법:
    Figure pat00015

    여기서, B는 대역폭, T는 상기 TF와 NP의 곱셈 값,
    Figure pat00016
    는 상기 첩 신호의 위상 성분을 의미한다.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 레이더는 주파수 변조 연속파형(FMCW) 형태인 레이더를 이용한 거리 측정 방법.
KR1020120157542A 2012-11-13 2012-12-28 레이더를 이용한 거리 측정 장치 및 그 측정 방법 KR101443461B1 (ko)

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