[논문]FMCW 전파고도계의 신호처리 알고리즘 구현

최재현; 장종훈; 이재환; 노진입

doi:10.5515/kjkiees.2015.26.6.555

FMCW 전파고도계의 신호처리 알고리즘 구현
Implementation of Signal Processing Algorithms for an FMCW Radar Altimeter 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.26 no.6, 2015년, pp.555 - 563

최재현 (국방과학연구소) , 장종훈 (국방과학연구소) , 이재환 (국방과학연구소) , 노진입 (국방과학연구소)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 주파수 변조 연속파(FMCW) 전파고도계의 신호처리 알고리즘 및 실용적인 평가방안을 제안한다. 전파 고도계는 초기에 탐색모드로 동작하여 고도를 탐색하고, 유효한 고도가 탐색되면 추적모드로 전환되어 측정된 고도를 표시한다. 고도 탐색/추적 시 기준고도 또는 추적고도에 따라 변조대역폭을 제어함으로써 비트 주파수 대역폭을 제한하며, 송신출력과 수신이득의 제어를 통해 고도 변화에 따라 늘어난 수신 전력의 동적 범위를 보상하도록 설계하였다. 개발된 전파고도계의 성능은 더욱 실제적인 환경에서의 크레인 시험을 통해 신호처리 알고리즘의 동작과 낮은 측정오차를 성공적으로 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents signal processing algorithms of a frequency-modulated continuous-wave(FMCW) radar altimeter and provides a practical assessment technique. The radar altimeter is initially operated in search mode, when the radar altimeter detects a valid altitude, search mode is switched to track mode and a altitude being tracked is displayed. The sweep bandwidth in each mode is a function of altitude to narrow the beat frequency bandwidth. In addition, transmit power and receiver gain in each mode are controlled to compensate for the dynamic range of wide altitude range. To assess more realistic operation, the radar altimeter was tested using the crane setup. The crane test demonstrated that signal processing algorithms described in this paper resulted in a reduced measurement error rate.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

따라서 지형 반사 신호 오차와 무관한 고도계의 센서 정밀도를 시험하기 위한 방법이 필요하다. 본 논문에서는 센서 정밀도를 측정하기 위한 시험 방법으로 대형 크레인 시험 방법을 제시한다. 크레인 시험에서는 전파고도계와 LRF(Laser Range Finder) 를 탑재하고, 50 m 이하의 저고도에서 잔잔한 강물을 상대로 수행하여 LRF로 부터의 절대 고도와 전파고도계의 측정 고도를 비교 평가한다.
그러나 본 논문의 지형대조항법을 위한 전파고도계는 넓은 고도 범위에 걸쳐 정밀한 정확도가 필요하다^[1]. 본 논문에서는 전파고도계의 넓은 고도 범위에 대한 낮은 오차를 갖는 고도 탐색 및 추적 신호처리 알고리즘을 제시한다. 또한, 더욱 실제적인 환경에서 전파고도 계의 성능을 평가하기 위한 크레인 시험방법을 제시하고, 이를 통해 신호처리 알고리즘의 검증 및 낮은 고도 측정오차를 입증한다.

제안 방법

FMCW 전파고도계의 고도 측정 오차를 광 지연 모의기를 사용하여 실험적으로 입증하였다. 광 지연 모의기는 고도 지연과 도플러 신호(f_d)를 전파고도계에 제공하며, 고도 지연 및 도플러 주파수를 가변할 수 있다^[1].
개발된 전파고도계의 성능은 더욱 실제적인 환경에서 평가하기 위해 크레인 시험으로 전파고도계의 고도 측정오차를 시험하였다. 크레인 시험을 통해 낮은 측정오차가 성공적으로 입증되었다.
크레인 시험에서는 전파고도계와 LRF(Laser Range Finder) 를 탑재하고, 50 m 이하의 저고도에서 잔잔한 강물을 상대로 수행하여 LRF로 부터의 절대 고도와 전파고도계의 측정 고도를 비교 평가한다. 고고도(50 m 이상)에 대한 시험은 50 m 이하에서의 크레인 탑재시험 결과와 광지연 모의기에 의한 측정오차를 비교 평가하여 광지연 모의기의 유효성을 입증하고 나서, 50 m 이상의 고도에 대해 광지연모의기를 통한 모의 신호를 생성시켜 고도 측정 및 측정고도 오차에 대한 평가를 수행한다.
광범위 고도에 대해 신뢰성 있는 고도 탐색 및 추적을 위한 탐색 모드 및 추적 모드를 개발하였다.
그림 1과 같이 넓은 고도 범위를 얻기 위해 광 지연 모듈, 송신 전력 제어(TX power control) 및 수신 이득 제어(RX gain control)를 설계하였다. 광 지연 모듈은 미리 설정된 고도만큼의 시간 지연 프로세싱을 수행하여 비트 주파수에 옵셋(offset)을 제공하고, 송신 전력 제어 및 수신 이득 제어부분은 고도 변화에 따라 변화하는 만큼의 수신 전력의 동적 범위(dynamic range)를 보상한다^[1].
. 그림 1과 같이 본 논문에서는 광 영역의 고도 측정범위를 얻기 위해 광 지연 모듈(optical delay module)을 사용하였다. DSP를 통해 FFT(Fast Fourier Transform)를 취하여 얻은 비트 주파수는 광 지연 모듈에 의해 식 (2)와 같이 표현된다.
본 논문에서는 전파고도계의 넓은 고도 범위에 대한 낮은 오차를 갖는 고도 탐색 및 추적 신호처리 알고리즘을 제시한다. 또한, 더욱 실제적인 환경에서 전파고도 계의 성능을 평가하기 위한 크레인 시험방법을 제시하고, 이를 통해 신호처리 알고리즘의 검증 및 낮은 고도 측정오차를 입증한다.
본 논문에서는 센서 정밀도를 측정하기 위한 시험 방법으로 대형 크레인 시험 방법을 제시한다. 크레인 시험에서는 전파고도계와 LRF(Laser Range Finder) 를 탑재하고, 50 m 이하의 저고도에서 잔잔한 강물을 상대로 수행하여 LRF로 부터의 절대 고도와 전파고도계의 측정 고도를 비교 평가한다. 고고도(50 m 이상)에 대한 시험은 50 m 이하에서의 크레인 탑재시험 결과와 광지연 모의기에 의한 측정오차를 비교 평가하여 광지연 모의기의 유효성을 입증하고 나서, 50 m 이상의 고도에 대해 광지연모의기를 통한 모의 신호를 생성시켜 고도 측정 및 측정고도 오차에 대한 평가를 수행한다.
탐색 및 추적 모드에서 가변 대역폭 변조방식을 사용하고, 고도에 따라 송신 전력 및 수신 이득을 제어한다. 탐색 모드에서 송신 전력 및 수신 이득 제어는 고도 증가에 따라 늘어나는 수신 전력의 동적 범위를 보상한다.

대상 데이터

그림 10의 최대 크기의 양쪽에 대칭으로 존재하는 불요 신호(spurs)는 실제 지형에 대한 신호가 아닌 외부 배터리로 부터의 부가적인 잡음 신호로 판단된다. 크레인 시험에서는 전파고도계와 LRF에 전원을 인가하기 위해 실제 운용 환경에서 사용하지 않는 외부 배터리와 레귤레이터를 사용하였다. 상기 불요파를 관찰하기 위해 외부 레귤레이터를 바꾸어 추가 실험을 수행하였고, 그 결과 불요파가 없어짐을 확인하였다.

성능/효과

그림 7에 추적 모드에서 제어되는 추적 파라미터 중에서 고도에 따라 제어되는 송신 전력, 수신 이득을 나타내었다. 보상된 수신 전력(RX power)의 동적 범위는 12 dB로써 보상 전 수신 전력의 동적 범위 대비 40 dB가 줄었다. 이렇듯, 상대적으로 저고도에서 송신 전력 및 수신 이득 제어를 통해 넓은 고도 범위와 낮은 감청 확률(LPI: Low Probability of Intercept)의 결과를 얻는다.
크레인 시험에서는 전파고도계와 LRF에 전원을 인가하기 위해 실제 운용 환경에서 사용하지 않는 외부 배터리와 레귤레이터를 사용하였다. 상기 불요파를 관찰하기 위해 외부 레귤레이터를 바꾸어 추가 실험을 수행하였고, 그 결과 불요파가 없어짐을 확인하였다.

후속연구

즉, 상기한 센서들은 동일한 FMCW 방식을 사용하나, 측정 범위가 짧다. 그러나 본 논문의 지형대조항법을 위한 전파고도계는 넓은 고도 범위에 걸쳐 정밀한 정확도가 필요하다^[1]. 본 논문에서는 전파고도계의 넓은 고도 범위에 대한 낮은 오차를 갖는 고도 탐색 및 추적 신호처리 알고리즘을 제시한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대역폭을 제한하는 방법 중 변조 대역폭 대신에 사용할 수 있는 삼각파의 변조 주파수(fm)를 가변하는 방법은 어떤 문제점이 있는가?	상기한 변조 대역폭 대신에 삼각파의 변조 주파수(fm)를 가변하는 방법으로 삼각파 변조파형의 변조 주기(Tm = 1/fm)를 고도에 따라 변화시키면 수신 대역폭을 좁게 할 수도 있다. 그러나 각각의 변조파형(single ramp)에 대해 변조 주기를 가변하면 각각의 변조 파형에 대한 샘플링 주파수가 가변되어야 하는데, FFT 수행 시에 각각의 변조 파형에 대한 가변 기준 클럭을 만들기 어렵다. 또한, 고고도에서 변조 주기가 긴 변조 파형에 기인하여 고도를 추적하기 위해 필요한 시간이 매우 늘어나게 된다. 이렇듯, 변조 주파수를 가변하는 방법은 본 전파고도계의 탐색 시간 요구조건을 만족시킬 수 없다.
	전파고도계는 무엇인가?	레이더는 전파 스펙트럼의 에너지를 방사하고, 수신기로 되돌아오는 에너지를 감지하는 시스템이다. 즉, 전파고도계는 전파를 송신하고, 지표면에서 반사되어 되돌아오는 반사파를 수신, 분석하여 지상 고도 및 지형에 대한 여러 가지 정보를 획득하는 장비로써 위성(spaceborne) 또는 비행기(airborne)에 탑재되어 여러 분야에 널리 사용된다[1]～[5]. 거리(고도) 측정을 위한 FMCW 시스템은 최근 관심이 많은 분야로써 산업 분야에 많이 이용되고 있다.
	FMCW 방식의 센서는 어떻게 분류할 수 있는가?	거리(고도) 측정을 위한 FMCW 시스템은 최근 관심이 많은 분야로써 산업 분야에 많이 이용되고 있다. 이러한 FMCW 방식의 센서는 TLPR(Tank Level Probing Radar), 근거리 레이더, 레이저 거리측정기, 유체-흐름 측정 센서 및 전파고도계로 분류할 수 있다. FMCW 시스템의 종류(type)는 동작 환경, 즉 측정 범위 및 목표물 형태 등에 관련된다.

참고문헌 (15)

최재현, 장종훈, 노진입, "광 지연선 기반의 넓은 고도범위를 갖는 고정밀 FMCW 전파고도계 송수신기 설계", 한국전자파학회논문지, 25(11), pp. 1190-1196, 2014년 11월.

원문보기 상세보기
D. Cailliu, V. Zlotnicki, "Precipitation detection by the TOPEX/Poseidon dual frequency radar altimeter, TOPEX microwave radiometer, special sensor microwave/imager and climatological shipboard reports", IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 38, no. 1, pp. 205-213, Jan. 2000.

상세보기
G. D. Quartly, "Optimizing ${\sigma}_0$ information from the Jason-2 altimeter", IEEE Geosci. Remote Sens. Lett., vol. 6, no. 3, pp. 398-402, Jul. 2009.

상세보기
P. A. M. Berry, R. G. Smith, M. K. Salloway, and J. Benveniste, "Global analysis of EnviSat burst echoes over inland water", IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 50, no. 5, pp. 1980-1984, May 2012.

상세보기
G. Alberti, L. Festa, C. Papa, and G. Vingione, "A waveform model for near-nadir radar altimetry applied to the Cassini mission to Titan", IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 47, no. 7, pp. 2252-2261, Jul. 2009.

상세보기
M. Vogt, "An optimized float for reliable radar tank level measurement in bypass pipes", in Microw. Conf.(Ge-MiC), Mar. 2014.
N. Pohl, "A dielectric lens-based antenna concept for high-precision industrial radar measurements at 24 GHz", in Proc. European Microw. Conf.(EuMC), pp. 731-734, Oct. 2012.
M. T. Dao, D. H. Shin, Y. T. Im, and S. O. Park, "A two sweeping VCO source for heterodyne FMCW radar", IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 62, no. 1, pp. 230-239, Jan. 2013.

상세보기
T. Musch, "A high precision 24-GHz FMCW radar based on a fractional-N ramp-PLL", IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 52, no. 2, pp. 324-327, Apr. 2003.

상세보기
B. Journet, G. Bazin, "A low-cost laser range finder based on an FMCW-like method", IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 49, no. 4, pp. 840-843, Aug. 2000.

상세보기
O. P. Sahu, A. K. Gupta, "Measurement of distance and medium velocity using frequency-modulated sound/ultrasound", IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 57, no. 4, pp. 838-842, Apr. 2008.

상세보기
N. Galin, A. Worby, T. Markus, C. Lueschen, and P. Gogineni, "Validation of airborne FMCW radar measurements of snow thickness over sea ice in Antarctica", IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 50, no. 1, pp. 3-12, Jan. 2012.

상세보기
H. D. Griffiths, "New ideas in FM radar", Electron. Commun. Eng. J., vol. 2, no. 5, pp. 185-194, Oct. 1990

상세보기
J. L. Campbell, M. U. de. Haag, "Assessment of radar altimeter performance when used for integrity monitoring in a synthetic vision system", in Proc. 20th Digital Avionics Systems, vol. 1, Oct. 2001.
S. H. Thomas, "High accuracy radar altimeter using automatic calibration", U. S patent 8,004,842 B2, Oct. 25, 2011.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증