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협대역 FMCW 레이더를 이용한 고해상도 레벨게이지
High Resolution FMCW Level Gauge with Narrowband FMCW Radar 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.16 no.5, 2012년, pp.899 - 905  

엄승현 (금오공과대학교) ,  오우진 (금오공과대학교)

초록
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FMCW 레이더 방식의 레벨게이지는 비 접촉성, 원거리 계측과 다양한 형상으로 구현이 가능한 장점 때문에 많은 연구와 개발이 되어왔으나 cm급의 고 해상도를 얻기 위해서는 GHz의 넓은 대역폭이 필요한 단점이 있다. 본 논문에서는 협대역 시스템으로 광대역 성능을 얻을 수 있는 톱니파 형태의 송신 파형을 제안하였다. 이 방식은 STFT(Short-time fourier transform)로 짧은 구간으로 나누어 처리하고 단일 정현파의 주파수 추정 알고리즘으로 해상도를 개선하고 있으며 실험을 통하여 300MHz의 FMCW레이더에서 8배까지 거리해상도가 개선되는 것을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Level Gauge using FMCW Radar is widely used and researched in many areas because of contactless, long range and flexibility. However FMCW level gauge requires wideband RF bandwidth for archiving high resolution of cm grade. In this paper we propose a new tx sawtooth waveform and processing algorithm...

주제어

#FMCW 레이더   #레벨게이지   #고해상도   #협대역  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • FMCW레이더를 레벨게이지에서 요구하는 거리 해상도를 얻기 위한 협대역 송신 방안을 제시하였다. 일반 적인 FMCW 레이더 에서는 거리해상도를 개선하기 위해서 송신주파수 대역을 광대역으로 해야 한다.
  • 본 논문에서는 레벨게이지에서 요구하는 고해상도를 협대역 FMCW 레이더로 구할 수 있는 방식을 제안한다. 이방식은 저가의 협대역의 RF에 톱니파형의 FMCW 송신파형을 사용하여 8배의 대역폭을 갖는 광대역 시스템과 동일한 성능을 얻을 수 있음을 보였다.

가설 설정

  • FMCW 레이더에서 거리만 측정하는 경우 상승구간 또는 하강구간만 있는 톱니파형을 사용할 수 있다. 만약 톱니파형으로 넓은 대역폭 B를 한번에 상승하지 않고 그림3(a)와 같이 B/Ns의 협대역에서 변화한다고 가정해보자. 즉, Ns개의 협대역 송신파형으로 구성된 첩(chirp)신호를 사용하면, 수신된 비트주파수는 그림 3(b)와 같이 될 것이다.
  • 이 고주파 성분은 필터에 의해 제거되겠지만, 주기 T마다 반복적으로 소거되는 현상이 나타날 것이다. 즉 시간 영역에서 창 함수 hd(t)가 곱해진 것과 동일한 영향을 줄 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
레벨게이지는 무엇을 하는 장치인가? 레벨게이지는 사일로, 저장용 탱크, 유조선, 지하 보관실 등과 같은 곳에서 오일, 곡물 등의 양을 측정하는 장치로써, 자석등과같은특수한반사부표방식, 초음파 또는 레이더를 활용하여 표면 반사 시간 방식, 내용물의 정전용량 방식 등으로 분류할 수 있다. 먼저 부표방식은 튜브형태의 가이드관이 필요하여 수십 미터의 거리를 측정하기 위해서는 수평맞춤 오차, 부표 등의 노후화 문제가 있는 것으로 알려져 있다.
FMCW방식의 레이더 센서가 레벨게이지용으로 적합한 이유는 무엇인가? 레이더 레벨게이지는 탱크의 모양에 상관없이 정밀하게 측정할 수 있고 기존의 탱크에 간단히 설치가 가능한 장점이 있으나 비교적 부피가 크고 가격이 비싼 단점이 있다. 그러나 FMCW방식의 레이더 센서는 구조가 간단하고 밀리미터파를 사용하므로 안테나를 소형화할 수 있어 레벨게이지용으로 적합하지만 해상도를 얻기 위해서는 넓은 대역폭이 요구되는 문제점이 있다.
초음파를 활용한 표면 반사 시간 방식의 레벨게이지는 어떤 단점이 있는가? 먼저 부표방식은 튜브형태의 가이드관이 필요하여 수십 미터의 거리를 측정하기 위해서는 수평맞춤 오차, 부표 등의 노후화 문제가 있는 것으로 알려져 있다. 초음파 방식은 산란문제로 인하여 측정 거리가 10m내외로 제한되고 있으며, 정전 방식은 액상만 가능하고 탱크의 높이만큼 전극을 설치해야 하는 단점이 있다[4].
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참고문헌 (6)

  1. I. V. Komaro and S. M. Smolskiy, Fundamentals of short-range FM radar, Artech House, Norwood, MA, USA. 2003 

  2. 현유진, 오우진, 이종훈, "차량충돌 방지용 FMCW레이더의 sweep 선형성 개선을 위한 간단한 기법", 한국전자파학회 논문지, pp.1109-1115, 2010, 10. 

  3. S. Ayhan, M. Pauli, T. Kayser, S. Scherr, and T. Zwick, "FMCW Radar System with Additional Phase Evaluation for High Accuracy Range Detection", 8th European Radar Conference, pp117-120, 2011. 

  4. John G. Webster, The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook, Chap 11, CRC press, 1999. 

  5. J. G. Proakis and D. G. Manolakis, Digital Signal Processing: Principles, Algorithms and Applications, 4th, Prentice-Hall, 2007. 

  6. S. Hainsworth and M. Macleod, "On sinusoidal parameter estimation", 6th Int. conf. on digital audio effects, London, UK, 2003. 

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