본 연구에서는 X-밴드 대역 FMCW(frequency modulated continuous wave) 기반의 다중대역폭를 갖는 영상 레이다 설계와 자체 제작된 레이다 시스템의 성능시험 결과를 선보인다. 다중대역폭을 갖는 FMCW 레이다 송신기 설계를 위해 300 MHz와 500 MHz 대역폭을 갖는 두 개의 톱니파 조합을 주파수 변조신호로 활용하였으며, X-밴드 대역의 수신 신호로부터 비트 주파수(beat frequency)를 효과적으로 수신하기 위해 L-밴드 대역 신호발생기와 주파수 변환회로가 혼합된 송 수신회로를 구성하였다. 자체 설계/제작된 레이다의 다중대역폭 성능시험을 위해 송신기 최대 출력 35 dBm, 데이터수집 장치의 샘플링 주파수 1.2 MHz와 기록시간 1 ms로 시스템을 구성하였으며, 대역폭 500 MHz와 300 MHz를 갖는 변조신호로부터 거리방향과 방위각방향 해상도(0.28 m, 0.26 m)와 (0.44 m, 0.27 m)를 각각 확인하였다.
본 연구에서는 X-밴드 대역 FMCW(frequency modulated continuous wave) 기반의 다중대역폭를 갖는 영상 레이다 설계와 자체 제작된 레이다 시스템의 성능시험 결과를 선보인다. 다중대역폭을 갖는 FMCW 레이다 송신기 설계를 위해 300 MHz와 500 MHz 대역폭을 갖는 두 개의 톱니파 조합을 주파수 변조신호로 활용하였으며, X-밴드 대역의 수신 신호로부터 비트 주파수(beat frequency)를 효과적으로 수신하기 위해 L-밴드 대역 신호발생기와 주파수 변환회로가 혼합된 송 수신회로를 구성하였다. 자체 설계/제작된 레이다의 다중대역폭 성능시험을 위해 송신기 최대 출력 35 dBm, 데이터수집 장치의 샘플링 주파수 1.2 MHz와 기록시간 1 ms로 시스템을 구성하였으며, 대역폭 500 MHz와 300 MHz를 갖는 변조신호로부터 거리방향과 방위각방향 해상도(0.28 m, 0.26 m)와 (0.44 m, 0.27 m)를 각각 확인하였다.
Design of X-band frequency FMCW based imaging radar with multi-resolutions and performances of the self-manufactured radar system are presented in this study. In order to implement the multi-bandwidths, a ramp sequence of the FMCW signal is consisting of two kinds of 'saw-tooth' waveform with differ...
Design of X-band frequency FMCW based imaging radar with multi-resolutions and performances of the self-manufactured radar system are presented in this study. In order to implement the multi-bandwidths, a ramp sequence of the FMCW signal is consisting of two kinds of 'saw-tooth' waveform with different bandwidth, and a receiver circuit consisting of L-band source and frequency converter circuit is used to effectively extract spectra of beat-frequency from the received signal of X-band frequency. The system setups for performance measurement of self-manufactured radar system are maximum output power of 35 dBm, sampling frequency of 1.2 MHz and sweep time of 1 ms. Then, the measured resolutions of the modulated signal having bandwidth of 500 MHz and 300 MHz in range & azimuth-direction are (0.28 m, 0.26 m) and (0.44 m, 0.27 m), respectively.
Design of X-band frequency FMCW based imaging radar with multi-resolutions and performances of the self-manufactured radar system are presented in this study. In order to implement the multi-bandwidths, a ramp sequence of the FMCW signal is consisting of two kinds of 'saw-tooth' waveform with different bandwidth, and a receiver circuit consisting of L-band source and frequency converter circuit is used to effectively extract spectra of beat-frequency from the received signal of X-band frequency. The system setups for performance measurement of self-manufactured radar system are maximum output power of 35 dBm, sampling frequency of 1.2 MHz and sweep time of 1 ms. Then, the measured resolutions of the modulated signal having bandwidth of 500 MHz and 300 MHz in range & azimuth-direction are (0.28 m, 0.26 m) and (0.44 m, 0.27 m), respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 다중대역폭을 갖는 FMCW 기반의 영상 레이다를 자체 설계/제작하였으며, 이론값 및 비교영상 등과 잘 부합되는 측정결과를 선보였다. 그리고 최적화된 비트 주파수 수신을 위해 L-밴드 FMCW 신호발생기와 주파수 변환회로를 혼용한 시스템 구성, 그리고 서로 다른 주파수 변조도를 갖는 다중대역 FMCW 변조파형 설계와 영상복원을 위한 시스템 구현이 가능함을 설명하였다.
특정 목표물과의 거리정보 획득을 위한 FMCW 레이다의 기본구성은 특정 대역폭을 갖는 연속된 주파수 변조 신호 생성과 비트 주파수를 추출하기 위한 안정된 수신 회로가 필수적이다. 이를 위해 개선된 FMCW 레이다 송․ 수신기 구조와 범용의 마이크컨트롤러를 활용한 FMCW 신호발생기 그리고 주파수 변환회로의 신호특성을 최적화 시킨 FMCW 레이다 시스템 설계와 구성에 대해 설명 한다.
. 이를 위해 본 연구에서는 중간주파수(IF: intermediate frequency)를 활용한 회로구성과 다중대역폭을 갖는 FMCW 신호발생기 설계에 주안점을 두었다. 먼저, 중간주파수를 활용한 회로구성을 위해 L-밴드 대역의 FMCW 신호발생 기와 주파수 변환회로(L ↔ X-밴드)를 혼합한 X-밴드 대역의 송․수신 회로를 기본으로 효율성을 높였다.
제안 방법
그림 10(b)와 (c)는 각각 그림 8의 다중대역 주파수 변조파형의 주파수 대역폭 500 MHz(상향 구간)와 300 MHz(하향 구간) 구간에서 획득된 데이터로부터 처리된 결과이다. 그림 10(a)의 비교영상은 stepped-frequency 신호기반과 복소수 데이터 및 신호처리가 이루어진 네트워크분석기 데이터를 이용해 본 연구에서 자체 설계/제작된 FMCW 기반 레이다 시스템의 성능시험과 비교분석을 위해 활용되었다.
자체 설계/제작된 FMCW 레이다 시스템은 그림 6과 같은 구성도로 요약 정리될 수 있다. FMCW 레이다 신호 생성을 위한 L-밴드 대역 FMCW 신호발생기의 출력신호는 자체 고조파 제거를 위해 필터링된 후 주파수 혼합기와 대역통과필터 그리고 증폭기를 거쳐 X-밴드 주파수 대역 (9.7～10.2 GHz)의 레이다 신호로 변환되며, 최대출력 35 dBm의 주파수 변조신호 송출이 가능하도록 설계되었다. 수신경로 상의 초단에는 시스템 노이즈를 억압하기 위해 LNA(low noise amplifier)와 대역통과필터를 위치시켰으며, 이를 주파수 하향변환으로 L-밴드 대역의 FMCW 레이다 신호로 변환된다 [8] .
다시 말해, FMCW 신호발생기의 변조신호를 시간적으로 다중대역 신호를 반복적으로 발생시킴으로써 데이터 수집장치의 동일한 샘플링 주파수에서 트리거 설정조건 (예, rising/falling edge trigger)만으로 특정대역의 신호를 선택적으로 수집/처리할 수 있도록 하였다.
다음으로 다중대역폭을 갖는 FMCW 신호발생기 설계는 기울기(변조율, slew rate 또는 chirp rate)가 다른 두 개의 톱니파를 조합한 변조파형을 적용함으로써 동일한 조건의 데이터수집 장치로부터 선택적으로 특정 대역폭의 신호를 수신할 수 있도록 하였다. 이때, 조합된 두 신호는 서로 다른 변조율을 가질 뿐만 아니라, 단위거리 당 비트 주파수 비율(beat frequency to range ratio) 또한, 다른 특성을 갖게 되어 대역폭 변화에 의한 해상도뿐만 아니라, 거리정보 획득을 위한 비율도 다른 두 종류의 원시데이터 (raw data) 획득이 가능하다.
다중대역폭을 갖는 FMCW 레이다 송․수신회로 구성과 변조파형의 최적화 기법은 2장 ‘FMCW 레이다’와 3장 ‘다중해상도 영상 레이다’에서 각각 기술되며, 자체 제작된 FMCW 레이다 성능시험 결과는 4장 ‘성능시험 결과’ 에서 back-projection 알고리즘을 이용해 복원된 레이다 영상을 비교 분석하였다.
다중해상도를 갖는 FMCW 레이다 시스템은 그림 9와같이 시험용 레일 시스템과 연동되어 레이다 목표물의 분산전력(power-spill) 특성 등을 분석하였으며, 자동화된 측정을 위해 자체 제작된 시스템 제어용 GUI(Graphic User Interface) 프로그램을 활용하였다.
5 m 길이의 레일 시스템이 이용되었다. 또한, 복원 영상의 비교검증을 위해 동일한 시험조건 하에서 네트워크분석기 기반의 시험용 레이다 시스템을 활용하였다.
FMCW 레이다 시스템의 주파수 대역폭 조정을 위해서는 일반적으로 특정 변조도 조건에서 샘플링 주파수와 기록시간(sweep time) 등의 설정을 변경하거나, 송신신호의 변조도를 변경하는 방법을 선택할 수 있다. 본 연구에 서는 앞선 두 방법을 모두 적용해 시스템 설정변경 없이서로 다른 대역폭과 변조도를 갖도록 두 종류의 톱니파를 조합한 주파수 변조파형 설계를 시도하였다.
이때, 데이터 수집 장치로부터 전달된 실수형식의 실시간 측정데이터는 Hilbert 변환을 이용한 I/Q 복조 과정을 거쳐 복소수 형식의 데이터가 되도록 처리하였으며, 비트 주파수 스펙트럼 분석을 위한 Fourier 변환과 rangefiltering을 위한 디지털 대역통과필터를 적용하였다(그림 9(b) 참조: (위) 실시간 수집된 수신 신호와 트리거신호, (아래) 비트 주파수 스펙트럼과 range-filtered 스펙트럼).
, 이는 앞서 제시된 자동화된 open-loop 시스템(그림 7(a) 참조)에 의해서 최적화 될 수 있다. 이를 위해 주파수 변조신호의 출력주파수 특성을 반복적으로 계측하여 설계기준에 부합되도록 메모리맵을 재작성하는 과정을 기본으로 한다. 이때, 정교한 주파수 변조신호 생성과 조정을 위해 open-loop 시스템의 변조파형 분해능을 10 bits로 설계하였으며, 이는 최대 15 V 범위의 신호를 1,024 단계(0.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 데이터 수집장치는 8 bits 해상도, 기록시간(Tsweep ) 1 ms 설정 시 약 1.2 MHz 샘플링 주파수와 최대 ～105 arrays/sec 데이터 전송속도를 갖는다. 이때, 최대 전송속도는 영상레이다의 2차원 데이터 배열 구성시 거리방향과 방위각방향 배열은 1,252×105(×8 bits) points/sec가 된다.
이론/모형
다중대역 FMCW 수신 신호 중 데이터 수집 장치로부터 선택적으로 수집된 신호는 back-projection 알고리즘을 이용해 레이다 영상을 복원할 수 있다 [10] .
FMCW 신호발생기 구성은 그림 3(a)와 같이 크게 L-밴드 주파수 대역의 VCO와 이를 특정 주파수 대역폭으로 동작시키기 위한 전압제어신호인 변조파형 생성회로 부분으로 구성된다. 변조파형 생성을 위해 마이크로컨트롤러(예, Microchip社, PIC16F877A)와 DAC(digital to analog converter)를 활용해 5 V 범위의 전압파형을 생성하고, 그 변조파형 정보를 자체 메모리에 저장하고, 이를 반복 재생하는 메모리맵(memory-map) 방식의 주파수 변조 기법을 적용하였다. 이때, 최대 1,024 단계의 분해능을 갖는 DAC 회로를 거친 5 V 범위의 계단형태 출력 신호의 고주파성분은 저역통과필터에 의해 제거되고, 다시 증폭회 로를 거쳐 VCO 출력주파수 제어를 위한 0～15 V 범위의 신호로 변환되어 L-밴드 대역의 주파수 변조신호를 출력 시킨다.
자체 설계/제작된 다중대역폭을 갖는 FMCW 영상 레이다의 동작특성을 분석하기 위해서 2차원 레이다 영상 복원 기법 중 하나인 back-projection 알고리즘을 적용하 으며, 레이다 영상 획득을 위해 1.5 m 길이의 레일 시스템이 이용되었다. 또한, 복원 영상의 비교검증을 위해 동일한 시험조건 하에서 네트워크분석기 기반의 시험용 레이다 시스템을 활용하였다.
성능/효과
그림 4는 X-밴드 대역 FMCW 신호생성을 위한 L-밴드 FMCW 신호발생기와 주파수 상향변환 회로를 포함한 송신기의 주파수 응답특성을 나타낸 예로써 앞선 식 (5)와 (6)을 이용한 계산결과와 측정결과를 비교한 것이다. 그림 4(a)의 계산결과는 1.0～1.5 GHz FMCW 신호와 8.7GHz 국부발진 주파수가 적용된 것으로 상호변조 주파수 성분과 이미지 성분 그리고 고조파 성분이 모두 포함된 스펙트럼을 확인할 수 있다. 특히 9.
간섭신호의 유입과 수신신호 이득의 부정합은 그림 5(b)와 같이 목표물 식별이 어려운 복잡한 주파수 성분을 발생시킨다. 그림 5(c)는 외부간섭신호와 주파수 하향변환의 송․수신 신호를 최적화한 예로써, 간섭신호의 억압은 혼변조 특성을 개선시키고, 송․수신 신호이득의 정합은 혼변조뿐만 아니라, 비트 주파수의 고조파 성분의 감쇄 특성을 최적화시킬 수 있음을 확인하였다.
44 m를 각각 확인하였다. Peak-sidelobe ratio는 거리방향에 대한 성능분석 결과로 안테나로부터 가까운쪽과 먼 쪽 순서로 측정한 결과이며, 대역폭 500 MHz 경우 측정값 12.84 dB, 13.24 dB는 sinc 함수의 이론값 13 dB 과 매우 잘 부합되는 수치로 비교영상으로부터 확인된 수치와도 비교될 수 있다. 반면에 대역폭 300 MHz의 측정값은 이론값보다 약 3 dB 높은 수치로 상대적으로 낮은 해상도와 제한된 측정환경으로부터 기인된 다소 불안정한 특성을 나타냈다.
본 연구에서는 다중대역폭을 갖는 FMCW 기반의 영상 레이다를 자체 설계/제작하였으며, 이론값 및 비교영상 등과 잘 부합되는 측정결과를 선보였다. 그리고 최적화된 비트 주파수 수신을 위해 L-밴드 FMCW 신호발생기와 주파수 변환회로를 혼용한 시스템 구성, 그리고 서로 다른 주파수 변조도를 갖는 다중대역 FMCW 변조파형 설계와 영상복원을 위한 시스템 구현이 가능함을 설명하였다.
먼저, 중간주파수를 활용한 회로구성을 위해 L-밴드 대역의 FMCW 신호발생 기와 주파수 변환회로(L ↔ X-밴드)를 혼합한 X-밴드 대역의 송․수신 회로를 기본으로 효율성을 높였다.
24 dB는 sinc 함수의 이론값 13 dB 과 매우 잘 부합되는 수치로 비교영상으로부터 확인된 수치와도 비교될 수 있다. 반면에 대역폭 300 MHz의 측정값은 이론값보다 약 3 dB 높은 수치로 상대적으로 낮은 해상도와 제한된 측정환경으로부터 기인된 다소 불안정한 특성을 나타냈다.
. 표 2의 해상도는 거리방향과 방위각방향에서 각각 측정된 결과이며, 이론값(∆r= c/2 BW) 약 0.3 m와 0.5 m와도 잘 부합되는 측정결과, 0.28 m와 0.44 m를 각각 확인하였다. Peak-sidelobe ratio는 거리방향에 대한 성능분석 결과로 안테나로부터 가까운쪽과 먼 쪽 순서로 측정한 결과이며, 대역폭 500 MHz 경우 측정값 12.
후속연구
반면에, 제한된 실험조건으로 인한 방위각 방향 데이터 획득과 분석의 문제점을 극복하기 위한 안정된 시험용 플랫폼의 개발과 상용 시스템 수준의 개선된 임펄스 응답 특성 위한 레이다 신호처리 기법연구 등의 연구 필요성을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다.
특히 다중대역 FMCW 변조파형 적용은 하나의 레이다 시스템으로 서로 다른 변조도를 갖는 신호를 송신하고, 그로부터 서로 다른 단위거리 당 비트 주파수 비를 적용한 원시데이터 획득이 용이하여 복원영상의 해상도 및 목표물의 위치 검증을 위한 시스템 교차검증과 응용연구 등에 활용이 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FMCW 레이다의 문제점은?
하지만, FMCW 레이다는 chirp 펄스 레이다 시스템과 비교할 때, 수신 신호가 송신신호와 직접하향변환(direct down-conversion, zero-IF)됨으로써 발생되는 문제점 즉, 비트 주파수(beat frequency) 스펙트럼이 내․부잡음으로 인해 오염되는 것을 막기 위한 보완책이 필요하다 [6] . 이를 위해 본 연구에서는 중간주파수(IF: intermediate frequency)를 활용한 회로구성과 다중대역폭을 갖는 FMCW 신호발생기 설계에 주안점을 두었다.
FMCW 시놓기반의 레이다 시스템의 장점은?
FMCW(frequency modulated continuous wave) 신호 기반의 레이다 시스템은 거리와 이동물체 상대속도 등의 정보 획득이 용이하며, 설계/제작을 위해 chirp 펄스 기반의 레이다 시스템보다 상대적으로 송․수신기 구조가 간단한 장점 등이 있어 마이크로파 원격탐사 분야의 다양한 연구목적을 위해 영상 레이다(imaging radar 또는 synthetic aperture radar), 고도계(altimeter), 산란계(scatterometer) 등과 같은 형태로 폭넓게 활용할 수 있다 [1],[4] . 특히, 저출력 고해상의 지상운용 및 근거리 레이다 시스템은 하드웨어 개발과 레이다 신호처리 등의 연구측면에서 위성/항공기 기반의 대규모 SAR 시스템과의 비교연구를 위한 시험대로써 그 활용 가치가 높다 [5] .
다중대역폭을 갖는 FMCW 기반의 영상 레이다의 변조파형 적용에서 기대되는 점은?
특히 다중대역 FMCW 변조파형 적용은 하나의 레이다 시스템으로 서로 다른 변조도를 갖는 신호를 송신하고, 그로부터 서로 다른 단위거리 당 비트 주파수 비를 적용한 원시데이터 획득이 용이하여 복원영상의 해상도 및 목표물의 위치 검증을 위한 시스템 교차검증과 응용연구 등에 활용이 가능할 것으로 기대된다.
참고문헌 (11)
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김병준, 구종섭, 김덕수, 남상욱, "다목적활용을 위한 재구성이 가능한 다중대역 FMCW 레이다", 한국전자파학회논문지, 26(12), pp. 1112-1115, 2015년 12월.
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