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정밀한 비접촉 방식의 거리측정 시스템은 다양한 응용 분야에서 널리 사용되고 있으며, 그 활용 기술에 따라 초음파, GPS, 레이저 및 RF/마이크로파와 같이 여러 범주로 나눌 수 있다. 이러한 거리측정 기술에는 각각 장단점이 있다. 초음파 센서를 이용한 시스템은 정밀도가 낮고 음파의 도달 거리가 짧기 때문에 근거리 영역에서 주로 사용된다. 이 방식은 흔히 자동차의 후면에 설치되어 주차 보조센서로 사용된다. 반면, GPS 기반의 거리 측정 시스템은 최대 측정거리에 제한이 없으나, 거리 정확도가 통상적으로 수 m에서 크게는 수십 m에 달하기 때문에, 정밀한 거리 측정에는 적합하지 않다. 레이저를 이용한 센서의 거리 측정 범위는 최대 수백 m에 이르며, 정확도는 mm급이다. 하지만 폭우나 안개 낀 날씨 혹은 렌즈나 반사경의 오염에 의해 성능이 급격히 감소하고, 정확한 측정을 위해서는 레이저 빔의 정밀한 정렬이 필요한 경우도 있다. 반면, ...

정밀한 비접촉 방식의 거리측정 시스템은 다양한 응용 분야에서 널리 사용되고 있으며, 그 활용 기술에 따라 초음파, GPS, 레이저 및 RF/마이크로파와 같이 여러 범주로 나눌 수 있다. 이러한 거리측정 기술에는 각각 장단점이 있다. 초음파 센서를 이용한 시스템은 정밀도가 낮고 음파의 도달 거리가 짧기 때문에 근거리 영역에서 주로 사용된다. 이 방식은 흔히 자동차의 후면에 설치되어 주차 보조센서로 사용된다. 반면, GPS 기반의 거리 측정 시스템은 최대 측정거리에 제한이 없으나, 거리 정확도가 통상적으로 수 m에서 크게는 수십 m에 달하기 때문에, 정밀한 거리 측정에는 적합하지 않다. 레이저를 이용한 센서의 거리 측정 범위는 최대 수백 m에 이르며, 정확도는 mm급이다. 하지만 폭우나 안개 낀 날씨 혹은 렌즈나 반사경의 오염에 의해 성능이 급격히 감소하고, 정확한 측정을 위해서는 레이저 빔의 정밀한 정렬이 필요한 경우도 있다. 반면, 전자파를 이용한 레이다 기반의 거리측정 시스템은 가혹한 기상조건 하에서도 안정적으로 동작할 수 있다. 이러한 신뢰성을 바탕으로 레이다 기술은 군용시스템 뿐만 아니라 일반 산업용으로도 널리 활용되고 있다. 최근에는 mm급 정확도의 고해상도 레이다 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 주로 초광대역(UWB) 또는 광대역 주파수 변조 연속파(Wide band frequency modulated continuous wave, 광대역 FMCW) 레이다에 기반한 연구들이 제시한 수준의 정밀도를 달성하는데 이용되었으나, 최대 측정거리가 수 m에 불과하여 보완이 필요하다. 정밀한 거리 측정 시스템은 고층건물의 안전진단, 경사면의 산사태 방지, 고건축물의 균열탐지 등 응용분야가 다양하다. 최근에는 이와 비슷한 응용분야를 위해 교량이나 터널에 매설된 광섬유를 이용하여 진동 또는 균열을 탐지하려는 시도가 보고된 바 있으나 비접촉 거리측정 방식에 비해 여러 단점이 존재한다.
본 논문에서 제시하는 정밀한 거리측정 방법은 마이크로파를 이용한 것으로, 두가지 변조(진폭-주파수 변조, Amplitude-frequency modulation) 방식을 이용하여 각 변조방식이 가지는 장단점을 상호 보완하여, 앞서 언급한 UWB 혹은 광대역 FMCW 레이다 시스템과 비교하여 점유 대역폭을 줄이면서도 거리 측정 정확도와 최대 측정거리를 개선한 것이 특징이다.
진폭 변조 연속파 레이다(Amplitude modulated continuous wave radar, AMCW Radar)는 기준 신호를 이용하여 송신신호를 진폭 변조시키고, 이를 방사하여 수신된 신호를 포락선 검출하여 신호를 복조한다. 복조 된 신호는 기준신호와 비교하여 거리에 비례하는 위상 변위를 발생시키고, 이 위상차를 측정함으로써 거리를 환산할 수 있다. 이때 위상 측정오차는 거리 측정오차로 나타나게 되어 정밀한 위상측정 기술이 필요하다. 하지만, 이러한 진폭 변조 방식의 레이다는 2π 모호성 문제를 내포하고 있으며, 이 때문에 최대 측정가능한 거리가 제한된다. 예를 들어 10 MHz의 기준신호를 사용할 경우 최대 측정 가능 거리는 15m(λ/2)이고, 100 MHz의 기준신호의 경우는 1.5m이다. 한편 위상 검출기의 위상 검출오차가 일정할 때, 높은 변조주파수를 사용함으로써 거리측정 오차를 줄일 수 있다. 10 MHz 기준신호를 사용할 경우 1°의 위상 검출 오차는 41.667 mm에 해당하지만, 100 MHz를 사용할 때는 4.167 mm로 오차가 1/10 로 줄어들게 된다. 그럼에도 불구하고 송수신 간의 누설전력에 의한 상호간섭은 수신신호의 위상오차를 발생시킨다. 따라서 충분한 격리도를 확보해야 앞서 언급한 수준의 정확도를 달성할 수 있다. 간단하게는 바이스태틱(Bistatic) 안테나를 사용하여 송수신안테나를 분리시켜 격리도를 증가시킬 수 있으나 근본적인 해결책이 되기는 어렵다
주파수 변조 연속파 레이다(Frequency modulated continuous wave radar, FMCW Radar)는 자동차의 전방감시, 고도계, 레벨 게이지 등 다양한 산업분야에 널리 쓰이고 있다. 주파수 변조된 신호를 송신하고, 특정 거리에서 타겟에 의해 재 방사되어 수신된 신호는 일정한 주파수 차이(비트주파수, Beat frequency, fb)를 생성하게 된다. 이 비트주파수를 검출함으로써 거리를 측정할 수 있다. FMCW 레이다에서 거리 정확도를 높이기 위해서는 넓은 대역폭을 사용해야 한다. 이는 거리 분해능(ΔR=c/2B)과 거리 정확도가 비례관계임에 기인한다. 따라서 FMCW 레이다 방식에서 수 mm의 거리 정확도를 확보하기 위해서는 수 GHz에 이르는 넓은 대역폭이 요구된다. 또한 그로 인해 높아진 fb를 푸리에 변환하여 주파수를 획득하기 위해 고속/고가의 신호수집 및 처리과정이 필요하고, 필수 불가결하게 FFT 처리된 fb는 이산 분포하게 된다. 이 역시 실제 fb와 측정된 fb 간의 차이를 유발하여 거리 오차를 발생시킨다.
능동반사기는 일반적으로 레이다의 교정 등에 사용되는 장치이다. 제안된 시스템은 여기에 주파수 변환(Frequency conversion) 기능을 추가하여 송수신간 주파수의 분리가 가능하도록 하였다. 이로 인해 AMCW 레이다의 취약점으로 지적된 송수신 간의 누설전력에 의한 상호간섭 문제를 필터링을 통해 원천적으로 제거할 수 있다. 이것은 진폭 변조 레이다와 주파수 변조 레이다의 결합이 가능하도록 해주는 중요한 요소이다.
상술한 두가지 변조방식의 레이다를 동시에 적용한 시스템을 설계하기 위해 각 설계 변수들을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 중요 설계 변수들은 진폭 변조 레이다와 관계된 AM 변조 주파수, AM 변조지수, 주파수 변조 레이다와 관계된 FM 변조 대역폭, FM 변조 속도 등이 있다, 또한 신호처리를 위한 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 샘플 개수와 샘플 레이트도 고려 대상이다. 여기에서 각 설계 변수들은 트레이드 오프 관계에 있으며, 이러한 설계 변수들의 최적화의 주 목적은 AM 레이다의 위상모호성이 발생하는 거리와 FMCW 레이다의 비트주파수의 FFT 처리 결과에 의한 bin 당 거리를 일치시키는 것이다. 예를 들어 100 MHz의 AM 변조신호일 때 위상모호성이 발생하는 거리는 1.5m이다. 만약 샘플링 주파수가 2 MHz이고, 200개 샘플포인트를 사용한다면, 비트주파수의 FFT 결과는 10 kHz 주파수 단위로 표현된다. 따라서 (1.5 x n) m 거리에서 (10 x n) kHz의 비트주파수가 생성되도록 FMCW 레이다의 설계 변수를 설정하면, AMCW 레이다의 거리 정확도를 확보하면서, 위상모호성에 의한 최대 탐지거리 제한을 FMCW 레이다 방식의 거리측정 방식을 사용하여 보완할 수 있다.
상세한 주파수 플랜과 시스템 분석이 수행되었다. 주파수 플랜은 거리 측정용으로 허용된 주파수 분배표를 참조하여 주파수 대역을 선정하였고, 구현 가능한 필터의 특성과 각종 소자들의 특성을 고려하여 송신 및 수신 주파수를 선정하였다. 시스템 분석을 위해 상용 설계 소프트웨어인 AWR사의 MWO(AWR Microwave Office)를 이용하여 시뮬레이션 분석을 수행하였다. 이를 바탕으로 AM-FM 레이다와 능동반사기의 블록도를 설계하였고, 각 모듈의 Gain budget 분석을 진행하였다. 이 분석 결과를 바탕으로 각각의 모듈에 대한 상세 사양을 확정하였는데, 시스템의 주요 사양은 송신전력 17 dBm, 안테나 이득 24 dBi, 송신 주파수 10.5 GHz, 수신 주파수 8.5 GHz, AM 변조 주파수 100 MHz, FM 대역폭 400 MHz 등이다. 추가로 기존의 레이다 방정식을 제안된 시스템에 적합하도록 수정된 레이다 방정식을 도입하여, 송신에 필요한 전력과 안테나 이득, 목표 거리에 능동 반사기가 위치하였을 때의 수신전력을 예측하였다.
설계 사양을 바탕으로 프로토 타입 시스템을 제작하였고 검증을 위한 시험계획을 3단계로 구분하여 진행하였다. 먼저 실험실에서 계측장비들을 활용하여 전기적 성능을 검증하였다. 네트워크 분석기와 비교하여 제안된 시스템은 수 mm 이하의 오차를 보임으로서 제안된 시스템의 동작 원리가 유효함을 증명하였다. 두번째로 전자파 무반사실에서 안테나를 통해 방사가 이루어 지는 환경에서 테스트하였다. 공간의 제약으로 인해 크기가 작은 평면형 안테나를 사용하고, AM레이다의 기능만 활성화하였는데, 1 cm 이하의 양호한 거리측정 오차를 얻었다. 이것은 시뮬레이션과 비교하여 유사한 결과임을 확인하였다. 마지막으로 진행한 야외실험에서는 AM-FM 레이다의 모든 기능을 활성화하여, 자연 환경과 인공구조물이 존재하는 환경 아래에서 진행하였는데, 최종 분석된 거리측정 오차는 70m 정도의 이격 거리에서 1cm 이하 수준으로 확인되었다. 이 결과는 전자파 무반사실에서 측정된 값과 비슷한 수준이다.
본 논문에서는 마이크로파를 이용한 정밀한 거리측정을 위한 방안으로서 AM-FM 변조방식을 적용하고, 주파수 변환기능을 가지는 능동반사기를 채택하는 방법을 제시하였다. 시스템의 동작원리를 시뮬레이션과 계측 장비를 이용한 실험을 통해 입증하였고, 실제 환경에서의 운용 가능성도 확인하였다. 본 논문에서 제안한 마이크로파 정밀 거리측정 시스템은 도심의 고층 건물의 안전진단 시스템, 크레인의 정밀한 제어, 드론의 이착륙 보조 시스템, 선박의 입출항 보조 센서, 등 여러 산업 분야에 적용될 수 있을 것이다.

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