KR20170121480A - 다중 대역폭을 갖는 fmcw 레이더 및 그 제어 방법 - Google Patents

다중 대역폭을 갖는 fmcw 레이더 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)를 이용하는 레이더 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 FMCW 레이더는 0-중간주파수 방식을 이용하면서도 보다 외부 잡음에 강건한 FMCW 레이더 시스템을 제공할 수 있다. 아울러, 본 발명의 FMCW 레이더는 서로 상이한 변조도 및 대역폭을 갖는 신호가 조합된 FMCW 신호를 이용하여 시스템의 설정 변경 없이도 동시에 2가지 신호에 대응하는 측정이 가능하다.

Description

다중 대역폭을 갖는 FMCW 레이더 및 그 제어 방법{FMCW RADAR WITH MULTI-FREQUENCY BANDWIDTH AND CONTROLLING METHOD THEREFOR}
본 발명은 다중 대역폭을 갖는 주파수 변조 연속파 (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 레이더 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 시스템의 설정 변경 없이 다양한 대역폭과 변조도(modulation rate)를 갖는 신호를 생성할 수 있는 FMCW 레이다에 관한 것이다.
연속파(Continuous Wave) 레이더는 종래의 펄스(pulse) 레이더와는 달리, 연속파를 발생시켜 물체를 탐지하며, 도플러(Doppler) 효과를 이용하여 해당 물체의 이동 속도를 측정할 수 있다. 다만, 종래의 연속파 레이더의 경우, 해당 물체의 거리를 측정하기 어렵다는 점에 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여, 주파수 변조 연속파 (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 레이더가 제안되었다.
FMCW 레이더는 주파수 변조를 통하여 목표물의 이동 속도와 거리를 모두 측정할 수 있는 장점이 있다. FMCW 신호 기반의 레이더 시스템(또는 FMCW 레이더 시스템)은 목표물의 거리와 상대 속도 등의 정보 획득을 위하여 마이크로파 시스템 및 원격 탐사 분야 등에 이용될 수 있다. 또한, 이러한 FMCW 레이더는 "레이더 고도계 (radar altimeter)"로 이용될 수 있으며, 비행기의 착륙 과정에서 정확한 고도를 측정하기 위하여 이용될 수도 있다. 또한, FMCW 레이더는 영상 레이더 (imaging radar), 조기-경보(early-warning) 레이더, 산란계 (scattero-meter), 및/또는 인접도 센서 등으로 이용될 수도 있다. FMCW 레이더 시스템은 고유한 주파수와 대역폭을 활용하여 특정 해상도의 신호 분석을 제공할 수 있다. 상술한 바와 같이 FMCW 레이더는 다양한 목적으로 이용될 수 있기 때문에, 추후 군사 분야뿐만 아니라 민간 분야에서 널리 활용될 것으로 예상되고 있다.
FMCW 레이더는 국부발진기(Local Oscillator, LO)에 의하여 발생된 송신신호와 목표물로부터 수신되는 수신신호(예를 들어, 무선 주파수(Radio Frequency, RF) 신호) 간의 시간지연에 기초하여 중간 주파수(Intermediate Frequency, IF)를 검출하고, 검출된 중간 주파수에 기초하여 목표물의 거리 및 이동 속도를 측정할 수 있다. FMCW 레이더 시스템은 중간 주파수가 없는 직접 변환(direct-conversion) 방식의 호모다인(homodyne) 시스템으로서 구성될 수 있다. 0-중간주파수(zero-IF) 방식의 호모다인 시스템은 구조적인 단순성으로 인하여 주파수혼합기를 통과한 비트 주파수(beat frequency)에 쉽게 외부잡음이 유입되는 단점이 있다. 외부잡음의 유입은 FMCW 레이다 시스템의 해상도 및 정확도를 감소시키는 문제점이 있다. 따라서, 보다 개선된 방식의 FMCW 레이다 시스템이 요구된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 보다 동작 특성이 안정화된 FMCW 레이다 시스템을 제공하고자 한다. 특히, 종래의 FMCW 레이더 시스템이 하나의 변조도를 갖는 신호를 출력하고, 변조도가 상이한 신호를 출력하기 위하여는 시스템 메모리 내에 저장된 신호를 선택하여 설정을 먼저 변경하여야 한다. 따라서, 종래의 FMCW 레이다는 하나의 설정 상에서는 단일한 특성의 대역폭과 변조도를 유지한다. 본 발명은 시스템의 설정 변경 없이도 두 종류의 대역폭과 변조도를 갖는 신호를 출력할 수 있는 FMCW 레이더를 제공하고자 한다.
본 발명은, 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 신호를 발생시키는 FMCW 신호 발생기; 기설정된 신호를 발생시키는 국부 발진기(Local Oscillator); 상기 FMCW 신호와 상기 기설정된 신호를 합성하여 송신 신호를 생성하고, 상기 송신 신호를 송신하는 송신부; 상기 송신 신호가 목적물로부터 반사된 수신 신호를 수신하고 상기 기설정된 신호를 이용하여 상기 수신 신호로부터 상기 기설정된 신호의 신호 성분을 제거하는 수신부; 및 상기 FMCW 신호를 이용하여 상기 기설정된 신호의 신호 성분이 제거된 상기 수신 신호로부터 상기 FMCW 신호의 신호 성분을 제거함으로써 비트(beat) 주파수 신호를 검출하는 신호처리부를 포함하고, 상기 주파수 변조 연속파의 최소 주파수는 1 GHz 이상이고 최대 주파수는 2 GHz 이하이며, 상기 기설정된 신호는 6.2 GHz 이상 10.9 GHz 이하의 주파수를 갖는, FMCW 레이더를 제공한다.
또한, 본 발명은 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 신호를 발생시키는 단계; 상기 FMCW 신호와 기설정된 신호를 합성하여 송신 신호를 생성하고, 상기 송신 신호를 송신하는 단계; 상기 송신 신호가 목적물로부터 반사된 수신 신호를 수신하는 단계; 및 상기 기설정된 신호를 이용하여 상기 수신 신호로부터 상기 기설정된 신호의 신호 성분을 제거하는 단계; 상기 FMCW 신호를 이용하여 상기 기설정된 신호의 신호 성분이 제거된 상기 수신 신호로부터 상기 FMCW 신호의 신호 성분을 제거함으로써 비트(beat) 주파수 신호를 검출하는 단계를 포함하고, 상기 주파수 변조 연속파의 최소 주파수는 1 GHz 이상이고 최대 주파수는 2 GHz 이하이며, 상기 기설정된 신호는 6.2 GHz 이상 10.9 GHz 이하의 주파수를 갖는, FMCW 레이더의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 FMCW 레이다 및 그 제어 방법은 비트 주파수(beat frequency) 수신을 위한 주파수 변환회로를 추가하고 2단 주파수 혼합기를 수신 경로 상에 위치시켜 2단 주파수 혼합기의 안정적인 동작을 유지시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 FMCW 레이다는 L밴드(L-Band: 1 GHz~2 GHz) 대역에서 동작하는 부품을 활용하여 X밴드(X-Band: 6.2 GHz~10.9 GHz) 대역의 부품들을 대체하여 비용을 절감시킬 수 있다. 아울러, 본 발명의 FMCW 레이다는 대역폭과 변조율이 상이한 변조신호가 조합된 변조파형을 이용하여, 송수신기의 설정변경 없이도 선택적으로 특정 대역폭의 레이더 신호를 수신할 수 있다.
첨부된 도면은 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래 기술에 따른 0-중간주파수 방식의 FMCW 레이더의 송수신 회로의 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 중간주파수 방식의 FMCW 레이더의 송수신 회로의 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 FMCW 레이더의 송수신 회로의 구성도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 송신 신호의 파형과 수신 신호의 파형을 도시한다.
도 5는 일 실시예 따른 FMCW 레이더의 송수신 회로의 구체적인 구성도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 성능 측정 결과를 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 FMCW 레이더의 개략도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 FMCW 레이더의 제어 방법의 흐름도이다.
이하의 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들을 소정 형태로 결합한 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려될 수 있다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성할 수도 있다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다.
이하에서의 설명에 있어서, FMCW 레이더는 FMCW 신호 기반의 레이더 및/또는 레이더 시스템을 의미할 수 있다.
또한, 이하의 설명에 있어서, 중간주파수(intermediate frequency, IF)는 수신 신호의 주파수와 국부 발진기(Local Oscillator)의 주파수의 차에 해당하는 주파수를 지칭할 수 있다. 본원의 중간주파수는 X-밴드 대역의 송신 신호 및/또는 수신 신호를 위하여 설정될 수 있다.
또한, 이하의 설명에 있어서, 비트 주파수(beat frequency)는 근접한 주파수를 갖는 2개의 신호의 주파수 차이로 인하여 발생하는 진동파의 진동수를 지칭할 수 있다. 비트 주파수는 목적물로부터의 반사파에 의한 수신신호와 송신신호 사이의 차이에 의하여 발생된 진동파의 주파수를 지칭할 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 0-중간주파수 방식의 FMCW 레이더의 송수신 회로의 구성도이다.
도 1에서 전압제어발진기(Voltage Control Oscillator, VCO, 110), 국부발진기(Local Oscillator, LO, 112), 및 혼합기(Mixer, 111)가 X-밴드 신호 공급원을 구성한다. 예를 들어, 전압제어발진기(110)는 1 ~ 1.5GHz 대역의 신호를 출력하고, 국부발진기(112)는 8.7 GHz의 주파수를 갖는 신호를 출력할 수도 있다. 또한, X-밴드 신호 공급원으로부터의 출력신호 송신 신호로서 출력될 수 있다. 또한, 목적물로부터의 수신신호와 X-밴드 신호 공급원으로부터의 송신 신호는 혼합기(113)에 인가되어 비트 주파수(fb)의 검출을 수행한다. 도 1에서, 송수신 회로(100)는 중간 주파수 신호 공급원을 갖지 않는다. 즉, 도 1의 송수신 회로(100)는 0-중간주파수 방식의 FMCW 레이더에 이용될 수 있다. 도 1의 송수신 회로(100)는 비교적 단순한 구조를 갖는다. 그러나, 수신신호와 송신신호가 직접적으로 혼합기(113)에 인가되기 때문에, 외부로부터의 잡음이 쉽게 유입될 수 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 중간주파수 방식의 FMCW 레이더의 송수신 회로의 구성도이다.
도 2의 송수신 회로(200)는 중간주파수 발생을 위한 발진기(210)를 포함하고 있다. 중간주파수 발진기(210)로부터의 신호는 전압제어발진기(212)로부터의 신호와 함께 혼합기(213)에 인가되고, 혼합된 신호는 출력신호로서 출력된다. 예를 들어, 전압제어발진기(212)는 9.7 ~ 10.2 GHz 대역의 신호를 출력하도록 설정될 수도 있다. 또한, 수신신호는 전압제어발진기(212)로부터의 신호와 함께 혼합기(214)에 인가된다. 따라서, 혼합기(214)는 중간주파수 발진기(210)로부터의 중간주파수와 비트주파수가 가산된 주파수를 갖는 신호를 출력한다. 혼합기(214)로부터의 신호는 중간주파수 발진기(210)로부터의 신호와 함께 혼합기(211)로 인가된다. 혼합기(211)는 비트 주파수를 출력할 수 있다. 도 2의 송수신 회로(200)는 중간주파수를 이용하기 때문에 도 1의 송수신 회로(100)에 비하여 비교적 안정적 성능을 갖는다. 그러나, 상대적으로 고주파수 대역인 X-밴드 대역에서 동작하는 전압제어발진기(212)가 이용되기 때문에 비교적 높은 비용이 요구된다.
도 3은 일 실시예에 따른 FMCW 레이더의 송수신 회로의 구성도이다.
도 3의 송수신 회로(300)는 크게 두 부분으로 구분될 수 있다. 송수신 회로(300)는 L-밴드에서 동작하는 FMCW 발생기(310) 및 혼합기(311)로 구성된 제1 단(stage)과 X-밴드에서 동작하는 국부 발진기(312)와 혼합기(313 및 314)로 구성된 제2 단으로 구분될 수 있다.
도 3의 송수신 회로(300)는 0-중간 주파수 방식의 수신특성을 이용하면서도 주파수변환 회로를 제1 단에 적용함으로써, 송신 신호의 주파수와 수신 신호의 주파수의 차만큼의 신호를 중간주파수와 유사한 방식으로 활용할 수 있다.
예를 들어, 도 3의 실시예에서, FMCW 발생기(310)는 1 ~ 1.5 GHz의 신호를 출력하고, 국부 발진기(312)는 8.7 GHz의 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 따라서, 혼합기(313)에서 출력되는 신호는 X-밴드 대역의 신호(예를 들어, 9.7 ~ 10.2 GHz)가 출력될 수 있다. 혼합기(314)는 FMCW 발생기(310)의 신호와 비트 주파수로 구성된 신호를 출력하기 때문에, 제1 단의 FMCW 발생기(310)와 혼합기(311)는 모두 L-밴드에서 동작하도록 구성될 수 있다.
도 3의 실시예에서, 송수신 회로(300)는 2개의 단으로 구성되기 때문에, 보다 안정적인 혼합기(311, 313, 및 314)의 동작을 제공할 수 있다. 또한, 수신 신호(예를 들어, 반송파)에 비하여 상대적으로 낮은 주파수를 갖는 전압제어발진기(310)를 이용하기 때문에, 송수신 회로(300)의 설계/제작이 보다 용이하게 수행될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 송신 신호의 파형과 수신 신호의 파형을 도시한다.
일반적으로, FCMW 레이더 시스템은 하나의 변조도를 갖는 신호를 이용하여 목적물을 탐지한다. 그러나, 상이한 변조도 또는 대역폭을 갖는 신호를 이용하여 목적물을 탐지하는 경우, 신호를 다시 설정하여 목적물 탐지를 수행하여야 한다. 따라서, 시스템 설정을 변경하기 위한 불편이 초래될 수 있을 뿐만 아니라, 시간이 더 걸릴 수 있다.
따라서, 본 발명의 주파수변조연속파(FMCW)는 동시에 상이한 변조도 및/또는 대역폭을 갖는 신호일 수 있다. 예를 들어, 본원의 주파수변조연속파는 서로 상이한 변조도 및/또는 대역폭을 갖는 2개의 톱니파를 합성함으로써 생성될 수도 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 주파수변조연속파는 상승신호와 하강신호의 변조도 및 대역폭이 상이하게 설정될 수 있다. 도 4에서, 상승신호는 Tm1의 시간 동안 상승하고, 그 대역폭(Δf1)은 f1-f0이다. 또한, 하강신호는 Tm2의 시간 동안 하강하고 그 대역폭(Δf2)은 f2-f0로 설정된다. 여기서, Tm1과 Tm2는 서로 동일하게 설정될 수도 있으나, 서로 상이한 간격을 갖도록 설정될 수도 있다. 도 4와 같은 FMCW 신호를 이용함으로써 동시에 서로 상이한 변조도 및 대역폭을 갖는 신호를 이용하여 목적물의 탐지가 가능하다.
한편, 반송파의 수신에 있어서, 서로 다른 신호로 인한 수신신호가 수신될 수 있으므로, 수신기에서의 신호의 수신이 선택적으로 측정될 필요가 있다. 따라서, 수신신호를 기록하는 데이터수집장치(Data AQcuisition, DAQ)는 각 대역별로 기록시간을 상이하게 설정할 수 있다. 예를 들어, 기록시간은 각 신호의 송신신호와 수신신호가 시간 축 상에서 겹쳐지는 시간으로 설정될 수 있다. 도 4의 실시예에 있어서, 상승신호의 경우, 기록시간은 Tsweep1으로 설정될 수 있다. 또한, 하강신호의 경우, 기록시간은 Tsweep2로 설정될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 송신 신호와 수신 신호 사이의 시간 지연(td)으로 인한 갭(gap)이 존재한다. 이 구간에서 데이터수집장치는 신호를 획득하지 않는다. 또한, 시간지연(td)로 인한 갭(gap)은 인접한 변조신호로부터 유입될 수 있는 비트 주파수를 차단하기 위한 보호 구간으로서 기능할 수 있다. 도 4의 실시예에서, 각각의 기록시간(Tsweep1 및 Tsweep2)의 시작 및/또는 종료는 트리거 설정조건에 의하여 설정될 수도 있다. 예를 들어, 각각의 기록시간(Tsweep1 및 Tsweep2)은 하강 또는 상승 에지(edge)에 의하여 트리거링 되거나 종료될 수도 있다. 또한, 시간 지연 td는 기설정된 값이나, 사용자 입력에 의하여 설정된 값일 수도 있다.
도 4의 실시예에서, 예를 들어, Δf1은 500 MHz이고, Δf2은 300MHz로 설정될 수도 있다. 또한, 변조시간 Tm1 및 Tm2는 1 ms 내외의 시간으로 설정될 수도 있다.
도 5는 일 실시예 따른 FMCW 레이더의 송수신 회로의 구체적인 구성도이다.
도 5의 송수신 회로(500)는 도 3의 송수신 회로(300)를 보다 구체적으로 도시한 것으로서, 좌측의 블록(531, 532, 533, 534, 535, 536, 536 및 538)은 L-밴드에서 동작하는 제1 단을 우측의 블록(510, 511,512, 513, 514 및 515)은 X-밴드에서 동작하는 제2 단을 나타낸다.
도 5에서, 국부발진기(521)는 X 밴드의 주파수를 갖는 신호를 발생시킨다. 예를 들어, 국부발진기(521)는 8.7 GHz의 신호를 발생시킬 수도 있다. 또한, FMCW 신호 발생기(531)는 기설정된 주파수변조 신호를 발생시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, FMCW 신호 발생기(531)는 도 4와 관련하여 상술한 형태의 신호를 발생시키도록 구성될 수도 있다. FMCW 신호 발생기(531)는 전압제어발진기 또는 전압제어발진기의 조합을 통하여 구현될 수도 있다.
먼저, 송신단의 구성에 대하여 설명한다. FMCW 신호 발생기(531)로부터의 신호는 잡음 제거를 위하여, 저역통과필터(532)를 거쳐 혼합기(520)에 인가될 수 있다. 저역통과필터(532)는, 예를 들어, 1 ~ 1.5 GHz의 통과대역을 갖도록 설정될 수도 있다. 혼합기(520)는 FMCW 신호와 국부발진기(521)로부터의 신호를 합성하여 출력한다. 잡음 제거와 전력 증폭을 위하여, 출력신호는 대역통과필터(510), 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, 511), 감쇄기(512) 및 전력 증폭기(513)를 거쳐 송신될 수 있다. 예를 들어, 대역통과필터(510)는 9.5 ~ 10.5 GHz의 통과대역을 갖도록 설정될 수 있으며, 감쇄기(512)는 0 내지 30dB 범위의 감쇄를 수행할 수도 있다.
수신된 신호는 잡음 제거 및 증폭을 위하여 대역통과필터(515) 및 저잡음증폭기(514)를 거쳐 국부발진기(521)로부터의 신호와 함께 혼합기(523)로 인가된다. 혼합기(523)로부터 출력되는 신호는 국부발진기(521)의 주파수가 제거된 신호로서, L-밴드의 신호이다. 혼합기(523)로부터의 신호는 저역통과필터(523), 저잡음증폭기(537), 저역통과필터(536), 저잡음증폭기(535), 및 대역통과필터(534)를 거쳐 혼합기(543)로 인가된다. 혼합기(543)에 인가된 FMCW 신호를 이용하여 수신신호에서 FMCW 신호 성분이 제거되고 비트 주파수가 검출될 수 있다. 혼합기(543)로부터의 신호는 저역통과필터(542) 및 기저-대역 증폭기(541)와 같은 후처리 과정을 거칠 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 국부발진기(521)의 주파수 성분이 제거된 수신신호의 보다 용이한 처리를 위하여 전류원(533 및 522)이 이용될 수 있다.
한편, 기저-대역 증폭기(541)로부터의 신호는 데이터수집장치(DAQ, 미도시)로 인가될 수 있다. 도 4와 관련하여 상술한 바와 같이, 서로 상이한 변조도 및/또는 대역폭을 갖는 2 종류의 신호가 이용되는 경우에는, 데이터수집장치에 FMCW 신호발생기(531)로부터의 트리거링(triggering) 신호가 인가될 수도 있다. 예를 들어, 트리거링 신호는 FMCW 신호의 상승 에지 및/또는 하강 에지에 따라서 발생될 수도 있다. 데이터수집장치는 FMCW 신호발생기(531)로부터의 트리거링신호에 기초하여 데이터 획득 구간의 시작 및/또는 종료를 수행할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 성능 측정 결과를 도시한다.
도 6에서 가로축은 범위를 미터 단위로 나타내고, 세로축은 방위(azimuth)를 미터 단위로 나타낸다.
도 6의 (a)는 500MHz의 대역폭을 갖는 네트워크 분석기 기반의 레이더 시스템의 레이더 영상복원 결과이며, 비교기준으로서 제시된다. 도 6의 (b)는 본원의 실시예에 따른 500MHz 대역폭에서의 영상 복원을 도시하며, 도 6의 (c)는 본원의 실시예에 따른 300MHz 대역폭에서의 영상 복원을 도시한다. 도 6의 (b) 및 (c)의 실시예에서, 데이터수집장치는 트리거 신호에 따라서 선택적으로 데이터를 수집하도록 구성되었다. 도 6의 영상복원에 대한 성능시험 결과는 하기의 표 1과 같이 요약된다.
구분 (a) (b) (c)
거리방향 해상도 0.27m 0.28m 0.44m
방위각 해상도 0.28m 0.26m 0.27m
피크-사이드로브 비율 13.12 dB(근거리)
12.43 dB(원거리)		 12.84 dB(근거리)
13.24 dB(원거리)		 9.23 dB(근거리)
10.04 dB(원거리)
피크 위치 범위: 6.06 m
방위: -0.04 m		 범위: 6.02 m
방위: 0 m		 범위: 6.01 m
방위: -0.1 m
한편, 위 표에서 피크-사이드로브(peak-sidelobe) 비율은 거리방향 성분에 기초하여 계산되었으며, 측정은 혼 안테나(20 dBi 이상), 높이 0.9m, 이동거리 1.2m, 목표물의 크기 30cm, 거리 3m, 및 케이블 3m(측정용 케이블에 의한 지연효과 반영)의 조건에서 수행된 것이다.
도 7은 일 실시예에 따른 FMCW 레이더의 개략도이다.
도 7은 도 3의 구성도를 개략적인 기능으로 나누어 도시한 것이다. 먼저, FMCW 신호 발생기(710)는 FMCW 신호를 발생시킨다. 예를 들어, FMCW 신호 발생기(710)는 기설정된 설정 또는 사용자 입력에 따라 설정된 대역폭 및/또는 변조도를 갖는 신호를 발생시킬 수도 있다. 예를 들어, FMCW 신호 발생기(710)는 도 4와 관련하여 상술한 형태의 FMCW 신호를 발생시키도록 구성될 수도 있다. 아울러, 도 5와 관련하여 상술한 바와 같이, FMCW 신호 발생기(710)는 신호 처리부(720)에 트리거링 신호를 제공할 수도 있다. FMCW 신호는 L-밴드 내의 신호 대역폭을 가질 수도 있다. 예를 들어, FMCW 신호의 최저 주파수는 1GHz 이상이고, 최고 주파수는 2GHz 이하일 수도 있다.
송신부(730)는 FMCW 신호와 국부 발진기(740)의 신호를 합성하여 송신 신호를 생성하고, 이를 송신 안테나를 통하여 송신한다. 국부 발진기(740)는 X-밴드 내의 주파수를 갖는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 송신부(730)는 도 3의 혼합기(313)와 안테나로 구성될 수도 있다.
수신부(750)는 수신 안테나를 통하여 목적물로부터 반사된 수신 신호를 수신한다. 또한, 수신부(750)는 수신 신호와 국부 발진기(740)로부터의 신호를 합성하여 수신 신호로부터 국부 발진기(740)로부터의 신호의 신호 성분을 제거한다. 예를 들어, 수신부(750)는 도 3의 혼합기(314)와 수신 안테나로 구성될 수도 있다.
신호 처리부(720)는 FMCW 신호를 이용하여 수신부(750)로부터 수신된 신호에서 FMCW 신호의 신호 성분을 제거함으로써 비트 주파수를 검출할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리부(720)는 도 3의 혼합기(311)에 대응되는 동작을 하는 구성을 포함할 수도 있다. 상술한 바와 같이 비트 주파수를 이용하여 목적물의 거리 및 이동 속도가 검출될 수 있다. 따라서, 신호 처리부(720)는 검출된 비트 주파수에 기초하여 목적물의 거리 및 이동 속도를 검출하기 위한 메모리 및/또는 프로세서 등을 더 포함할 수 있다.
상술한 실시예들에 있어서, 설명의 편의를 위하여 생략되었으나, FMCW 레이더는 도 1 내지 도 7에 도시되지 않는 구성들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, FMCW 레이더는, 전원 장치, 안테나, 저장 장치, 디스플레이, 제어부 및/또는 프로세서를 더 포함할 수 있다. 아울러, 통상의 기술자는 상술한 구성들 외에도 일반적인 안테나의 구성들이 본원의 FMCW 레이더에 더 포함될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 8은 일 실시예에 따른 FMCW 레이더의 제어 방법의 흐름도이다.
FMCW 레이더는 먼저, 주파수 변조 연속파(FMCW) 신호를 발생 시킨다 (S810). 상술한 바와 같이, 주파수 변조 연속파의 최소 주파수는 1 GHz 이상이고 최대 주파수는 2 GHz 이하일 수도 있다. 아울러, 도 4와 관련하여 상술한 바와 같이, FMCW 신호는 서로 상이한 대역폭과 변조도를 갖는 2개의 신호를 교대로 출력함으로써 생성될 수도 있다. 또한, 각 신호가 교대되는 시점에 상승 에지(edge) 또는 하강 에지가 생성될 수 있다.
또한, FMCW 레이더는 FMCW 신호와 기설정된 신호를 합성하여 송신 신호를 생성하고 송신할 수 있다 (S820). 상술한 바와 같이, 기설정된 신호는 6.2 GHz 이상 10.9 GHz 이하의 주파수를 갖도록 설정될 수 있다.
FMCW 레이더는 목적물로부터 반사된 수신 신호를 수신하고 기설정된 신호를 이용하여 기설정된 신호의 성분을 제거할 수 있다 (S830).
또한, FMCW 레이더는 FMCW 신호를 이용하여 수신 신호로부터 FMCW 신호 성분을 제거함으로써 비트 주파수를 검출할 수 있다 (S840). 상술한 바와 같이, FMCW 신호가 상이한 대역폭과 변조도를 갖는 2개의 신호로 구성되는 경우, 수신 신호의 처리는 2개의 신호 각각에 대응하는 시간 구간으로 나누어 처리될 수 있다. 또한, 2개의 신호 각각에 대응하는 시간 구간 사이에 송신 신호와 수신 신호 사이의 시간 지연에 대응하는 갭(gap)이 설정될 수 있다. 아울러, 상술한 시간 구간의 시작 타이밍은 FMCW 신호의 상승 에지(edge) 또는 하강 에지에 의하여 트리거링 될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 200, 300, 500: 송수신 회로
110, 212: 전압제어발진기
111, 113, 211, 213, 214, 311, 313, 314, 520, 523, 543: 혼합기
112, 210, 312, 521: 국부발진기
310, 531: FMCW 신호발생기
510, 515, 534: 대역통과필터
511, 513, 514, 535, 537, 541: 증폭기
512: 감쇄기 522, 533: 전류원
532, 536, 538, 542: 저역통과필터
700: FMCW 레이더 710: FMCW 신호 발생기
720: 신호 처리부 730: 송신부
740: 국부 발진기 750: 수신부

Claims (12)

  1. 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 신호를 발생시키는 FMCW 신호 발생기;
    기설정된 신호를 발생시키는 국부 발진기(Local Oscillator);
    상기 FMCW 신호와 상기 기설정된 신호를 합성하여 송신 신호를 생성하고, 상기 송신 신호를 송신하는 송신부;
    상기 송신 신호가 목적물로부터 반사된 수신 신호를 수신하고 상기 기설정된 신호를 이용하여 상기 수신 신호로부터 상기 기설정된 신호의 신호 성분을 제거하는 수신부; 및
    상기 FMCW 신호를 이용하여 상기 기설정된 신호의 신호 성분이 제거된 상기 수신 신호로부터 상기 FMCW 신호의 신호 성분을 제거함으로써 비트(beat) 주파수 신호를 검출하는 신호처리부를 포함하고,
    상기 주파수 변조 연속파의 최소 주파수는 1 GHz 이상이고 최대 주파수는 2 GHz 이하이며,
    상기 기설정된 신호는 6.2 GHz 이상 10.9 GHz 이하의 주파수를 갖는, FMCW 레이더.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 FMCW 신호는 제1 신호와 제2 신호를 교대로 출력함으로써 생성되고, 상기 제1 신호와 제2 신호는 서로 상이한 대역폭과 변조도를 갖는, FMCW 레이더.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 신호가 상기 제2 신호로 교대되는 시점에 하강 에지(edge)가 생성되고, 상기 제2 신호가 상기 제1 신호로 교대되는 시점에 상승 에지가 생성되는, FMCW 레이더.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 수신 신호는 상기 제1 신호에 대응하는 제1 시간 구간과 상기 제2 신호에 대응하는 제2 시간 구간으로 나누어 처리되는, FMCW 레이더.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제1 시간 구간과 상기 제2 시간 구간에는 상기 송신 신호와 상기 수신 신호 사이의 시간 지연에 대응하는 갭(gap)이 존재하는, FMCW 레이더.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제1 시간 구간 또는 상기 제2 시간 구간 중 적어도 하나의 시작 타이밍은 상기 상승 에지(edge) 또는 상기 하강 에지에 따라서 발생되는 트리거링(triggering) 신호에 기초하여 결정되는, FMCW 레이더.
  7. 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 레이더의 제어 방법으로서,
    주파수 변조 연속파 신호를 발생시키는 단계;
    상기 FMCW 신호와 기설정된 신호를 합성하여 송신 신호를 생성하고, 상기 송신 신호를 송신하는 단계;
    상기 송신 신호가 목적물로부터 반사된 수신 신호를 수신하고 상기 기설정된 신호를 이용하여 상기 수신 신호로부터 상기 기설정된 신호의 신호 성분을 제거하는 단계; 및
    상기 FMCW 신호를 이용하여 상기 기설정된 신호의 신호 성분이 제거된 상기 수신 신호로부터 상기 FMCW 신호의 신호 성분을 제거함으로써 비트(beat) 주파수 신호를 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 주파수 변조 연속파의 최소 주파수는 1 GHz 이상이고 최대 주파수는 2 GHz 이하이며,
    상기 기설정된 신호는 6.2 GHz 이상 10.9 GHz 이하의 주파수를 갖는, FMCW 레이더의 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 FMCW 신호는 제1 신호와 제2 신호를 교대로 출력함으로써 생성되고, 상기 제1 신호와 제2 신호는 서로 상이한 대역폭과 변조도를 갖는, FMCW 레이더의 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제1 신호가 상기 제2 신호로 교대되는 시점에 하강 에지(edge)가 생성되고, 상기 제2 신호가 상기 제1 신호로 교대되는 시점에 상승 에지가 생성되는, FMCW 레이더의 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 수신 신호는 상기 제1 신호에 대응하는 제1 시간 구간과 상기 제2 신호에 대응하는 제2 시간 구간으로 나누어 처리되는, FMCW 레이더의 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제1 시간 구간과 상기 제2 시간 구간에는 상기 송신 신호와 상기 수신 신호 사이의 시간 지연에 대응하는 갭(gap)이 존재하는, FMCW 레이더의 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 제1 시간 구간 또는 상기 제2 시간 구간 중 적어도 하나의 시작 타이밍은 상기 상승 에지(edge) 또는 상기 하강 에지에 따라서 발생되는 트리거링(triggering) 신호에 기초하여 결정되는, FMCW 레이더의 제어 방법.
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