KR102610917B1 - Cw 레이더 및 cw 레이더를 이용한 거리 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

레이더를 이용해 목표물까지의 거리를 측정하는 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 방법은, 삼각파 처프(triangular chirp) 신호를 생성하는 단계; 상기 삼각파 처프 신호를 방사하는 단계; 상기 목표물에 의해 반사되는 신호를 수신하는 단계; 수신된 신호의 업-처프 구간 또는 다운-처프 구간에 대해 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하고 출력하는 단계; 및 상기 출력 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면 레이더의 기저대역 신호처리 부담을 줄일 수 있고, 보다 정밀한 거리분해능을 얻을 수 있다.

Description

CW 레이더 및 CW 레이더를 이용한 거리 측정 방법{CONTINUOUS WAVE RADAR AND RANGING METHOD USING THE CONTINUOUS WAVE RADAR}
본 발명은 LFM(Linear Frequency Modulation) 기반의 레이더 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 SNR 상황에서 삼각파 처프(triangular chirp)를 이용해 목표물까지의 거리를 측정하는 LFM 기반의 CW 레이더 및 CW 레이더를 이용한 거리 측정 방법에 관한 것이다.
연속파(CW: Continuous Wave) 레이더는 근거리 측정에 사용되는 레이더 시스템이다. CW 레이더는 넓은 의미로는 송신과 수신이 같은 시간에 이루어지는 것을 의미하고, 좁은 의미로는 같은 시간에 정현파를 송수신하는 레이더를 의미한다. 좁은 의미에서의 CW 레이더는, 거리 측정 능력이 매우 부족하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 변조한 신호를 같은 시간에 송수신하는 변조파 CW 레이더가 사용된다. LFM(Linear Frequency Modulation) 레이더는 대표적인 변조파 CW 레이더로, 송신 전파의 목표물에 의한 산란으로 발생한 신호를 수신하여 이를 송신 신호와 혼합하여 비트 주파수를 관측함으로써 목표물과 레이더 간의 거리를 검출한다. LFM은 순간주파수가 선형적으로 변화하는 특징을 갖는 변조방식이다. 이 파형은 다른 말로 처프(Chirp) 파형이라고 한다.
어떤 종류의 레이더이건, 거리분해능(range resolution) 성능은 사용 대역폭에 비례하며, 이는 어쩔 수 없는 물리적인 한계이다. 따라서, 정밀한 거리분해능을 위해서는 사용 대역폭이 증가해야 하며, 이는 디지털 단의 동작속도 증가로 이어져 시스템 구현 측면에서 부담이 될 수 있다. 또한 낮은 주파수 대역에서의 가용 대역폭 부족으로 인해 높은 대역의 반송파 주파수(carrier frequency)를 사용하여야 필요한 대역폭의 확보가 가능할 수도 있는데, 이러한 경우 전파의 경로손실이 증가하게 된다.
따라서, 물리적으로 대역폭을 증가시켜 거리분해능을 개선시키는 방법을 대신할 다른 효율적인 해법이 요구된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 높은 SNR 상황에서 삼각파 처프(triangular chirp)를 효율적으로 활용하는 LFM 기반의 CW 레이더를 이용해 목표물까지의 거리를 측정하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 상기 거리 측정 방법을 이용해 상술한 문제점에서 보다 자유로운, 거리 측정 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 방법은 레이더를 이용해 목표물까지의 거리를 측정하는 방법으로서, 삼각파 처프(triangular chirp) 신호를 생성하는 단계; 상기 삼각파 처프 신호를 방사하는 단계; 상기 목표물에 의해 반사되는 신호를 수신하는 단계; 수신된 신호의 업-처프 구간 또는 다운-처프 구간에 대해 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하고 출력하는 단계; 및 상기 출력 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 수신된 신호의 업-처프 구간 또는 다운-처프 구간에 대해 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하고 출력하는 단계는, 상기 수신된 신호의 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 다운-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제1 신호를 출력하는 단계; 상기 업-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호에 상기 제1 신호의 켤레(conjugate)를 곱하여 제2 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 출력 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하는 단계는, 상기 제2 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출할 수 있다.
또한, 상기 수신된 신호의 업-처프 구간 또는 다운-처프 구간에 대해 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하고 출력하는 단계는, 상기 수신된 신호의 다운-처프 구간의 기저대역 신호 및 업-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제3 신호를 출력하는 단계; 상기 다운-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호의 켤레에 상기 제3 신호를 곱하여 제4 신호를 출력하는 단계를 포함할 수도 있다. 이때, 상기 출력 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하는 단계는, 상기 제4 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출할 수 있다.
상기 출력 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하는 단계는, 상기 각 출력 신호로부터 레인지 프로파일을 출력하는 단계; 및 상기 레인지 프로파일의 시간적 변화를 관측하여 레인지 도플러 프로파일을 획득하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 레인지 도플러 프로파일은 목표물까지의 거리에 대한 정보를 포함하는 레이더 영상일 수 있다.
상기 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 다운-처프 구간의 기저대역 신호는 복수의 시간 구간에서의 평균 값으로 설정될 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치는, 삼각파 처프(triangular chirp) 신호를 생성하는 기저대역 송신신호 생성부; 상기 삼각파 처프 신호를 상향 주파수 변환하여 방사하는 송신부; 목표물에 의해 반사되는 신호를 수신하여 하향 주파수 변환하는 수신부; 수신된 신호의 업-처프 구간 또는 다운-처프 구간에 대해 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하고 출력하는 신호 처리부; 및 상기 출력 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 산출하는 거리 산출부를 포함할 수 있다.
상기 신호 처리부는, 상기 수신된 신호의 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 다운-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제1 신호를 출력하고, 상기 업-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호에 상기 제1 신호의 켤레(conjugate)를 곱하여 제2 신호를 출력할 수 있다.
상기 신호 처리부는 또한, 상기 수신된 신호의 다운-처프 구간의 기저대역 신호 및 업-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제3 신호를 출력하고, 상기 다운-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호의 켤레에 상기 제3 신호를 곱하여 제4 신호를 출력할 수 있다.
상기 거리 산출부는 상기 제2 신호 또는 상기 제4 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 산출할 수 있다.
구체적으로 상기 거리 산출부는, 출력 신호로부터 레인지 프로파일을 출력하고, 상기 레인지 프로파일의 시간적 변화를 관측하여 레인지 도플러 프로파일을 획득함으로써 상기 목표물까지의 거리를 산출할 수 있다.
상기 레인지 도플러 프로파일은 목표물까지의 거리에 대한 정보를 포함하는 레이더 영상일 수 있다.
상기 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 다운-처프 구간의 기저대역 신호는 복수의 시간 구간에서의 평균 값으로 설정될 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치는, 프로세서; 및 상기 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하는 메모리를 포함하는 거리 측정 장치로서, 상기 적어도 하나의 명령은, 삼각파 처프(triangular chirp) 신호를 생성하도록 하는 명령; 상기 삼각파 처프 신호를 방사하도록 하는 명령; 목표물에 의해 반사되는 신호를 수신하도록 하는 명령; 상기 수신된 신호의 업-처프 구간 또는 다운-처프 구간에 대해 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하고 출력하도록 하는 명령; 및 상기 출력 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 수신된 신호의 업-처프 구간 또는 다운-처프 구간에 대해 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하고 출력하도록 하는 명령은, 상기 수신된 신호의 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 다운-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제1 신호를 출력하도록 하는 명령; 및 상기 업-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호에 상기 제1 신호의 켤레(conjugate)를 곱하여 제2 신호를 출력하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 수신된 신호의 업-처프 구간 또는 다운-처프 구간에 대해 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하고 출력하도록 하는 명령은 또한, 상기 수신된 신호의 다운-처프 구간의 기저대역 신호 및 업-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제3 신호를 출력하도록 하는 명령; 및 상기 다운-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호의 켤레에 상기 제3 신호를 곱하여 제4 신호를 출력하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 출력 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하도록 하는 명령은, 상기 출력 신호로부터 레인지 프로파일을 출력하도록 하는 명령; 및 상기 레인지 프로파일의 시간적 변화를 관측하여 레인지 도플러 프로파일을 획득하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, SNR이 충분히 확보된 근거리 고해상도 레이더에서 정밀한 거리분해능이 요구될 때, SNR을 3dB 희생하는 대가로 송신 스펙트럼 마스크를 만족하기 위한 기저대역 신호 처리의 부담을 줄일 수 있고, 그에 따라 디지털 처리 모듈의 구현이 용이해진다.
또한, 본 발명에 따르면 목표물의 속도를 탐지하지 않고 일정한 오탐지 가능성을 수용하는 대신, 사용 대역폭을 늘이지 않고도 보다 정밀한 거리분해능을 획득하는 것이 가능하다.
도 1은 업-처프 방식의 LFM 기반 레이더의 기본 동작 원리를 설명하는 그래프이다.
도 2는 다운-처프 방식의 LFM 기반 레이더의 기본 동작 원리를 설명하는 그래프이다.
도 3은 삼각파-처프 방식의 LFM 기반 레이더의 기본 동작 원리를 설명하는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 톱니파-처프 방식의 송신 신호의 스펙트럼 및 삼각파-처프 방식의 송신 신호의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치의 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 측정 장치의 블록 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 거리 측정 방법의 동작 순서도이다.
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 설명하는 데 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 이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 업-처프 방식의 LFM 기반 레이더의 기본 동작 원리를 설명하는 그래프이다.
도 1에서는 업-처프(up-chirp) 방식의 LFM(Linear Frequency Modulation) 신호를 사용하는 레이더의 동작 방식을 도시한다. 도 1의 그래프에서 가로 축은 시간이고, 세로 축은 순시 주파수이다. 송신 신호(110)는 스위프(sweep) 주기가 Ts인 신호의 반복으로, 여기서 sweep은 순시주파수 B에 대한 sweep 을 의미한다. 타겟으로부터 반사되어 수신되는 수신 신호(120)는 송신 신호와 유사한 형상을 가지되 시간 축에서 송신 신호보다 τ 만큼 뒤처진다. 즉, 수신 신호는 송신 신호에 비해 τ의 지연 시간을 가진다.
모든 레이더의 거리분해능(R)은 아래 수학식 1에 의해 정의될 수 있다.
수학식 1에서, B는 사용대역폭, C는 광속이다.
또한, 업-처프 LFM 방식을 이용 경우 송신 기저대역 신호(transmitted base-band signal) xupb(t)는 아래 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
수학식 2에 의해 정의되는 송신 기저대역 신호에 대해 1개의 목표물을 가정했을 때 수신 기저대역 신호(received base-band signal) yupb(t)는 아래 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
수학식 3에서, α는 송신에서 수신까지의 감쇄를, τ는 송신에서 수신까지의 시간 지연을, fc는 반송파 주파수를 의미한다. 수학식 2 및 수학식 3은 하나의 sweep 주기 Ts에 대한 표현이다.
수신단에서 SNR을 증가시키기 위해 N·Ts 시간 동안의 N개의 처프 신호를 평균(averaging)한 이후의 신호 역시 수학식 3과 같이 표현할 수 있다. 수신단에서 (xupb(t)×yupb * (t))의 연산 결과를 주파수 영역으로 변환하면 수학식 4로 표현되는 관계를 이용해 레인지 프로파일(range profile)을 산출할 수 있다.
여기서, f beat는 송신 주파수 및 수신 주파수의 차이를 나타내는 비트 주파수이다. 또한, 레인지 프로파일의 시간적 변화를 관측함으로써 레인지 도플러 프로파일을 획득할 수 있다. 레인지 프로파일의 시간적 변화는 레인지 프로파일의 2차 주파수 영역으로의 변환을 통해 관측될 수 있다. 여기서, 레인지 도플러 프로파일은 목표물의 거리와 속도를 나타내는 최종 레이더 영상이다. R은 목표물까지의 거리를 나타낸다. 레인지 프로파일을 통해 목표물까지의 거리 정보를 획득할 수 있으며, 복수의 레인지 프로파일이 있으면 거리와 속도 정보를 모두 알 수 있다.
도 2는 다운-처프 방식의 LFM 기반 레이더의 기본 동작 원리를 설명하는 그래프이다.
도 2의 그래프에서 가로 축은 시간이고, 세로 축은 순시 주파수이다. 송신 신호(210)는 sweep 주기가 Ts인 신호의 반복으로, 여기서 sweep은 순시주파수 B에 대한 sweep 을 의미한다. 타겟으로부터 반사되어 수신되는 수신 신호(220)는 송신 신호와 유사한 형상을 가지되 시간 축에서 송신 신호보다 τ 만큼 뒤처진다. 즉, 수신 신호는 송신 신호에 비해 τ의 지연 시간을 가진다.
다운-처프 방식에서의 거리 분해능은 업-처프 방식에서와 동일하게 정의될 수 있다. 다운-처프 방식에서의 송신 기저대역 신호 xdownb(t)는 아래 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.
수학식 5에 의해 정의되는 송신 기저대역 신호에 대해 1개의 목표물을 가정했을 때 수신 기저대역 신호 ydownb(t)는 아래 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.
수학식 6에서, α는 송신에서 수신까지의 감쇄를, τ는 송신에서 수신까지의 시간 지연을, f c 는 반송파 주파수를 의미한다. 또한, 수학식 5 및 수학식 6은 하나의 sweep 주기 Ts에 대한 표현이다.
수신단에서 SNR을 증가시키기 위해 N·Ts시간 동안의 N개의 처프 신호를 평균(averaging)한 이후의 신호 역시 수학식6과 같이 표현할 수 있다. 수신단에서 (ydownb(t) × xdownb *(t))의 연산 결과를 주파수 영역으로 변환하면 수학식 4로 표현되는 관계를 이용해 레인지 프로파일(range profile)을 산출할 수 있다.
도 3은 삼각파-처프 방식의 LFM 기반 레이더의 기본 동작 원리를 설명하는 그래프이다.
도 3의 그래프에서 가로 축은 시간이고, 세로 축은 순시 주파수이다. 송신 신호(310)는 sweep 주기가 2·Ts인 신호의 반복으로, 여기서 sweep은 순시주파수 B에 대한 왕복 sweep 을 의미한다. 타겟으로부터 반사되어 수신되는 수신 신호(320)는 송신 신호와 유사한 형상을 가지되 시간 축에서 송신 신호보다 τ 만큼 뒤처진다. 즉, 수신 신호는 송신 신호에 비해 τ의 지연 시간을 가진다.
삼각파-처프 방식의 LFM 기반 레이더 장치는 도 3에 도시된 바와 같은 삼각파 형상의 주파수 변조된 연속 송신파를 출력하여 타겟과의 거리와 타겟의 속도를 구할 수 있다. 삼각파 형상의 주파수 변조된 연속 송신파를 이용하여 타겟과의 거리와 타켓의 속도를 구하는 일반적인 방법은 업-처프 구간과 다운-처프 구간에서 동일한 목표물로부터 비롯된 비트(beat) 주파수를 짝지은 후 그들의 합과 차를 통해서 목표물의 거리와 속도를 알아내는 것이다.
도 1 및 도 2를 통해 살펴본 톱니파-처프(sawtooth-chirp)(up-chirp 또는down-chirp) 방식에서는 목표물의 거리와 속도를 나타내는 최종 레이더 영상인 레인지-도플러 프로파일(range-doppler profile)이 나오기 전까지 판정이 들어가지 않는다. 반면, 삼각파-처프 방식에서는 별도의 알고리즘을 통해 업-처프 구간과 다운-처프 구간에서 비트 주파수를 짝지워야 한다. 디지털 단의 성능이 제한된 과거에는 주변 클러터(clutter)로부터 비교적 자유로운 환경에서(예를 들어, 대공용 레이더) 삼각파 처프 방식의 사용을 통해 얻는 이점이 있어 해당 방식이 사용되었으나, 디지털 단 성능이 발전한 현재에 있어서는 톱니파-처프 대비 장점이 많지 않아 거의 사용되지 않고 있다. 여기서, 클러터 신호는 탐지하려는 표적이 아닌 나무, 풀 등에 의해 생성되는 신호를 의미한다.
본 발명에서는 삼각파-처프 방식의 송신 신호를 이용하고 수신 처리에서 업-처프 또는 다운-처프 구간을 이용해 톱니파-처프 방식의 신호 처리를 수행하는 방법을 제안한다. 본 발명에 따른 방법은 지뢰 탐지와 같은, 충분한 SNR이 확보된 근거리 고해상도 레이더 기술에 적합할 수 있다.
본 발명에 따른 방법, 즉 송신시 삼각파-처프 방식 신호를 이용하고 수신 처리에서 업-처프 또는 다운-처프 구간을 이용해 톱니파-처프 방식의 신호 처리를 수행하는 방법은, 톱니파 송신 방식을 사용하는 경우와 비교하면 수신에서의 평균화 구간이 절반으로 줄어들기 때문에 SNR 면에서 3dB 손해가 발생한다. 하지만, 그 대가로 톱니파 송신 방식일 경우의 송신 신호보다 시간적으로 완만한 변화를 보이는(smooth) 송신 신호를 사용함으로써 송신 스펙트럼 마스크를 만족하기 위한 기저대역 디지털 필터의 사양이 완화될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 톱니파-처프 방식의 송신 신호에 대한 스펙트럼 및 삼각파-처프 방식의 송신 신호에 대한 스펙트럼을 도시한 그래프로, 도 4b는 도 4a에서 관심 영역을 보다 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 사용대역폭(B)에 대해 8-오버샘플(oversample)을 수행하여 디지털 프로세싱의 동작 속도 fs , digital = 8*B 인 경우의 송신 신호의 스펙트럼을 나타낸다.
도 4a 및 4b의 그래프에서 가로축 주파수는 사용대역폭(B)으로 정규화되어 있고, 세로축의 크기는 최대값으로 정규화되어 있다. 도 4를 참조하면, 삼각파-처프 방식을 사용한 송신 신호의 스펙트럼이 톱니파-처프 방식을 사용한 송신 신호의 스펙트럼보다 많이 대역 제한되었음을 확인할 수 있다. 그에 따라, 송신 스펙트럼 마스크를 만족하기 위해 디지털 프로세싱 단에서 수행해야 할 기저대역 신호 처리의 부담을 감소시킬 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 높은 SNR이 확보될 수 있는 상황에서 3dB의 SNR을 대가로 하여, 디지털 프로세싱에서 수행되는 기저대역 신호 처리의 부담을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는, LFM 기반의 레이더에서 목표물의 속도를 탐지하지 않는 대신 주어진 사용대역폭 B에 대해 통상적으로 얻어지는 거리 분해능 (수학식 1에 따른 R)보다 정밀한 거리분해능을 획득할 수 있다.
우선, 업-처프 방식의 기저대역 송신신호 xupb(t)와 다운-처프 방식의 기저대역 송신신호 xdownb(t)는 아래 수학식 7과 같이 켤레(conjugate) 관계에 있다.
본 발명에서는 이와 같은 특징을 이용해 송신 시 삼각파-처프 방식의 신호를 송신하고, 수신 시에는 수학식 3에 나타낸 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 수학식 6에 나타낸 다운-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레(conjugate)를 곱하고, 업-처프 방식의 신호 처리를 적용한다. 이와 같은 본 발명에 따른 송수신 방법은 아래 수학식 8 및 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
수신단에서 아래 수학식 9로 나타낼 수 있는 xb(t)에 대해 의 연산 결과를 주파수 영역으로 변환하면 수학식 4의 관계를 통해 레인지 프로파일을 획득할 수 있다.
또한, 레인지 프로파일의 시간적 변화를 관찰하여 레인지-도플러 프로파일을 획득할 수 있다. 다시 말해, 수학식 8 및 수학식 9 이후의 신호 처리 과정은 기존 업-처프 방식과 동일하다. 여기서, 수신 기저대역 신호 yupb(t) 및 ydownb(t)는 SNR을 증대시키기 위해 각각 0.5·N·Ts 시간 동안 평균(averaging)한 결과일 수 있다(여기서, N은 짝수).
한편, 수학식 8에 나타낸 본 발명의 일 실시예와 달리, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 다운-처프 구간의 기저대역 신호 및 업-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하고, 다운-처프 방식의 신호 처리를 적용할 수 있다.
수학식 8 및 수학식 9를, 일반적인 업-처프 방식을 적용한 경우인 수학식 2 및 수학식 3과 비교하면 아래와 같은 결과를 확인할 수 있다.
목표물의 거리에 따른 비트 주파수와 관련되는 항과 관련해, 본 발명의 방법에 따르면 기존의 톱니파 방식 대비 지수 부분이 μ로부터 2μ로 변화한 것을 확인할 수 있다. 즉, 사용대역폭이 B에서 2B로 늘어난 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 거리분해능 역시 기존 대비 절반으로 정밀해진다.
추가적으로, 목표물의 움직임에 따라 시간적 변화를 보이는 항의 경우 기존 방식에 따른 수학식 3에는 존재하지만 본 발명에 따른 수학식 8에서는 상쇄되어 존재하지 않는다. 따라서, 목표물이 레인지-도플러 프로파일에서 제로-도플러 축에 나타나게 되고, 목표물의 속도는 알 수 없게 되는 결과를 갖게 된다.
한편, 수학식 8을 더 확장하여 두 개의 목표물 및 노이즈를 고려하여 나타내면 아래 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 10에서, α1, α2 는 목표물 1 및 목표물 2 각각에 대한 송신에서 수신까지의 감쇄를 나타내며, τ1, τ2는 목표물 1 및 목표물 2 각각에 대한 송신에서 수신까지의 시간 지연을 의미한다. 또한, n1(t) 및 n2(t)는 각각 업-처프 구간과 다운-처프 구간에서의 노이즈를 의미한다.
수학식 10을 참조하면, 수학식 8 및 수학식 9에서 설명한 항 이외의 기타 항들이 발생한 것을 확인할 수 있으며, 높은 SNR 상황이라면, B항, C항은 무시될 수 있다. 또한, D항은 목표물에 움직임이 있다면 non-zero 도플러 축에 발생하게 된다. 따라서, zero 도플러 축에는 2배 정밀한 거리분해능으로 탐지된 목표물만 나타나게 된다. A 항의 n1(t)·n2 *(t) 는 높은 SNR 환경이라면 노이즈가 곱해지지 않은 상황에 비해 탐지 성능에 큰 차이를 만들지 않을 것이다. 만약 목표물 모두에 움직임이 없다면 D 항은 오탐지를 유발하는 신호로 동작할 수 있다.
이처럼 본 발명에서는, 충분한 SNR이 확보된 근거리 고해상도 레이더에서, 목표물의 속도를 탐지하지 않고 어느 정도의 오탐지 가능성을 수용하는 대가로 사용대역폭 B로부터 수학식 1에 의해 정해지는 통상적인 거리분해능 이상의 정밀한 거리 분해능을 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치의 블록 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치는, 수신부(510), 신호 처리부(520), 거리 산출부(530), 송신부(540), 송신신호 생성부(550), 및 제어부(560)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 거리 측정 장치는 레이더일 수 있으며, 더 구체적으로 LFM(Linear Frequency Modulation) 기반의 CW(Continuous Wave) 레이더일 수 있다.
거리 측정 장치(500)의 송신신호 생성부(550)는 본 발명에서 송신 신호로 사용하는 삼각파-처프 신호를 생성한다. 삼각파-처프 신호의 형상은 도 3을 통해 살펴본 바 있다. 삼각파-처프 신호의 sweep 주기, 주파수 범위에 대한 정보 등은 제어부(560)로부터 제공 받을 수 있다.
송신신호 생성부(550)에 의해 생성된 삼각파-처프 신호는 송신부(540)를 통해 방사되며, 송신부(540)는 송신 안테나를 포함할 수 있다.
안테나를 통해 방사된 신호는 목표물에 의해 반사되어 수신부(510)로 입력된다. 수신부(510)는 수신 안테나를 포함할 수 있다.
신호 처리부(520)는 수신부(510)를 통해 수신한 신호의 업-처프 또는 다운-처프 구간에 대해 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하여 출력할 수 있다.
신호 처리부(520)는, 수신한 신호의 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 다운-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제1 신호를 출력하고, 상기 업-처프 구간에서 2 배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호에 상기 제1 신호의 켤레(conjugate)를 곱하여 제2 신호를 출력할 수 있다.
신호 처리부(520)는 또한, 수신한 신호의 다운-처프 구간의 기저대역 신호 및 업-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제3 신호를 출력하고, 상기 다운-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호의 켤레(conjugate)에 상기 제3 신호를 곱하여 제4 신호를 출력할 수 있다.
거리 산출부(530)는 신호 처리부(520)가 출력하는 신호로부터 레인지 프로파일을 출력하고, 레인지 프로파일의 시간적 변화를 관측하여 레인지 도플러 프로파일을 획득함으로써, 목표물까지의 거리를 검출할 수 있다.
제어부(560)는 송신 신호 생성부(550) 및 신호 처리부(520), 더 나아가 다른 블록들과 연동하여 거리 측정 장치의 전반적인 동작을 제어한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 측정 장치의 블록 구성도이다.
도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 측정 장치는, 프로세서(610), 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령 및 명령 수행의 결과를 저장하는 메모리(620), 및 통신 모듈(630)를 포함하여 구성될 수 있다.
통신 모듈(630)은 도 5의 실시예를 통해 살펴본 수신부(510) 및 송신부(540)의 기능을 포함할 수 있으며, 프로세서(610)는 송신신호 생성부(550), 신호 처리부(520), 거리 산출부(530), 및 제어부(560)의 기능을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 적어도 하나의 명령은, 삼각파 처프(triangular chirp) 신호를 생성하도록 하는 명령; 상기 삼각파 처프 신호를 방사하도록 하는 명령; 목표물에 의해 반사되는 신호를 수신하도록 하는 명령; 상기 수신된 신호의 업-처프 구간 또는 다운-처프 구간에 대해 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하고 출력하도록 하는 명령; 및 상기 출력 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 방법의 동작 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 방법은 레이더, 특히 LFM 기반 CW 레이더에 의해 수행될 수 있다.
도 7을 참조하면 본 발명에 따른 레이더는 우선, 삼각파 처프(triangular chirp) 신호를 생성하여(S710), 생성한 신호를 송신한다(S720). 송신 신호는 목표물을 만나 반사되어 다시 레이더에 의해 수신된다(S730).
레이더는 수신한 신호의 업-처프 구간 또는 다운-처프 구간에 대해 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하여 출력한다(S740).
여기서, 수신 신호를 처리하여 출력하는 단계(S740)는, 수신된 신호의 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 다운-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제1 신호를 출력하는 단계; 상기 업-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호에 상기 제1 신호의 켤레(conjugate)를 곱하여 제2 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
수신 신호를 처리하여 출력하는 단계(S740)는 또한, 상기 수신된 신호의 다운-처프 구간의 기저대역 신호 및 업-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제3 신호를 출력하는 단계; 상기 다운-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호의 켤레에 상기 제3 신호를 곱하여 제4 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
이후 레이더는 톱니파-처프 신호 처리되어 출력되는 신호(예를 들어, 상기 제2 신호 또는 상기 제4 신호)를 이용해 목표물까지의 거리를 검출한다(S750). 구체적으로, 목표물까지의 거리를 검출하는 단계(S750)에서는, 단계 S740의 출력 신호로부터 레인지 프로파일을 출력하고, 레인지 프로파일의 시간적 변화를 관측하여 레인지 도플러 프로파일을 획득함으로써 목표물까지의 거리를 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
실시예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 필드 프로그머블 게이트 어레이는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
이상 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.
500: 거리 측정 장치/레이더
510: 수신부 520: 신호 처리부
530: 거리 산출부 540: 송신부
550: 송신신호 생성부 560: 제어부
600: 거리 측정 장치/레이더 610: 프로세서
620: 메모리 630: 통신 모듈

Claims (20)

  1. 레이더를 이용해 목표물까지의 거리를 측정하는 방법으로서,
    삼각파 처프(triangular chirp) 신호를 생성하는 단계;
    상기 삼각파 처프 신호를 방사하는 단계;
    상기 목표물에 의해 반사되는 신호를 수신하는 단계;
    수신된 신호의 업-처프 구간 및 다운-처프 구간 중 어느 하나에 대해서만 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하는 단계; 및
    처리된 수신 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하는 단계를 포함하는, 레이더를 이용한 거리 측정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수신된 신호의 업-처프 구간 및 다운-처프 구간 중 어느 하나에 대해서만 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하는 단계는,
    상기 수신된 신호의 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 다운-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제1 신호를 출력하는 단계; 및
    상기 업-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호에 상기 제1 신호의 켤레(conjugate)를 곱하여 제2 신호를 출력하는 단계를 포함하는, 레이더를 이용한 거리 측정 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 처리된 수신 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하는 단계는,
    상기 제2 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하는 단계를 포함하는, 레이더를 이용한 거리 측정 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 수신된 신호의 업-처프 구간 및 다운-처프 구간 중 어느 하나에 대해서만 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하는 단계는,
    상기 수신된 신호의 다운-처프 구간의 기저대역 신호 및 업-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제3 신호를 출력하는 단계; 및
    상기 다운-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호의 켤레에 상기 제3 신호를 곱하여 제4 신호를 출력하는 단계를 포함하는, 레이더를 이용한 거리 측정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 처리된 수신 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하는 단계는,
    상기 제4 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하는 단계를 포함하는, 레이더를 이용한 거리 측정 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 처리된 수신 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하는 단계는,
    상기 처리된 수신 신호로부터 레인지 프로파일을 획득하는 단계; 및
    상기 레인지 프로파일의 시간적 변화를 관측하여 레인지 도플러 프로파일을 획득하는 단계를 포함하는, 레이더를 이용한 거리 측정 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 레인지 도플러 프로파일은 목표물까지의 거리에 대한 정보를 포함하는 레이더 영상인, 레이더를 이용한 거리 측정 방법.
  8. 청구항 2 또는 4에 있어서,
    상기 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 다운-처프 구간의 기저대역 신호는 복수의 시간 구간에서의 평균 값으로 설정되는, 레이더를 이용한 거리 측정 방법.
  9. 삼각파 처프(triangular chirp) 신호를 생성하는 기저대역 송신신호 생성부;
    상기 삼각파 처프 신호를 상향 주파수 변환하여 방사하는 송신부;
    목표물에 의해 반사되는 신호를 수신하여 하향 주파수 변환하는 수신부;
    수신된 신호의 업-처프 구간 및 다운-처프 구간 중 어느 하나에 대해서만 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하는 신호 처리부; 및
    처리된 수신 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 산출하는 거리 산출부를 포함하는, 거리 측정 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 수신된 신호의 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 다운-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제1 신호를 출력하고, 상기 업-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호에 상기 제1 신호의 켤레(conjugate)를 곱하여 제2 신호를 출력하는, 거리 측정 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 거리 산출부는 상기 제2 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 산출하는, 거리 측정 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 수신된 신호의 다운-처프 구간의 기저대역 신호 및 업-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제3 신호를 출력하고, 상기 다운-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호의 켤레에 상기 제3 신호를 곱하여 제4 신호를 출력하는, 거리 측정 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 거리 산출부는 상기 제4 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 산출하는, 거리 측정 장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 거리 산출부는,
    상기 처리된 수신 신호로부터 레인지 프로파일을 획득하고, 상기 레인지 프로파일의 시간적 변화를 관측하여 레인지 도플러 프로파일을 획득함으로써 상기 목표물까지의 거리를 산출하는, 거리 측정 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 레인지 도플러 프로파일은 목표물까지의 거리에 대한 정보를 포함하는 레이더 영상인, 거리 측정 장치.
  16. 청구항 10 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 다운-처프 구간의 기저대역 신호는 복수의 시간 구간에서의 평균 값으로 설정되는, 거리 측정 장치.
  17. 프로세서; 및
    상기 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하는 메모리를 포함하는 거리 측정 장치로서,
    상기 적어도 하나의 명령은,
    삼각파 처프(triangular chirp) 신호를 생성하도록 하는 명령;
    상기 삼각파 처프 신호를 방사하도록 하는 명령;
    목표물에 의해 반사되는 신호를 수신하도록 하는 명령;
    상기 수신된 신호의 업-처프 구간 및 다운-처프 구간 중 어느 하나에 대해서만 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하도록 하는 명령; 및
    처리된 수신 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하도록 하는 명령을 포함하는, 거리 측정 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 수신된 신호의 업-처프 구간 및 다운-처프 구간 중 어느 하나에 대해서만 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하도록 하는 명령은,
    상기 수신된 신호의 업-처프 구간의 기저대역 신호 및 다운-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제1 신호를 출력하도록 하는 명령; 및
    상기 업-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호에 상기 제1 신호의 켤레(conjugate)를 곱하여 제2 신호를 출력하도록 하는 명령을 포함하는, 거리 측정 장치.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 수신된 신호의 업-처프 구간 및 다운-처프 구간 중 어느 하나에 대해서만 톱니파-처프 신호 처리 방식을 적용하여 수신 신호를 처리하도록 하는 명령은,
    상기 수신된 신호의 다운-처프 구간의 기저대역 신호 및 업-처프 구간의 기저대역 신호의 켤레를 곱하여 제3 신호를 출력하도록 하는 명령; 및
    상기 다운-처프 구간에서 2배의 대역폭을 사용하는 경우에 대한 기저대역 송신 신호의 켤레에 상기 제3 신호를 곱하여 제4 신호를 출력하도록 하는 명령을 포함하는, 거리 측정 장치.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 처리된 수신 신호를 이용해 상기 목표물까지의 거리를 검출하도록 하는 명령은,
    상기 처리된 수신 신호로부터 레인지 프로파일을 획득하도록 하는 명령; 및
    상기 레인지 프로파일의 시간적 변화를 관측하여 레인지 도플러 프로파일을 획득하도록 하는 명령을 포함하는, 거리 측정 장치.
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