[논문]유량 측정을 위한 FMCW 레이다 파형 설계

이창기

doi:10.6109/jkiice.2020.24.1.83

유량 측정을 위한 FMCW 레이다 파형 설계
Design of FMCW radar waveform for flow measurement 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.1, 2020년, pp.83 - 90

이창기 (Department of Radar Software, Hanwha Systems)

초록
AI-Helper

현재 상용화되어 있는 유량 측정 레이더 센서는 표면 유속을 이용하여 유량을 측정하는 방법을 사용한다. 이러한 방식으로는 표면 유속만으로 유량을 추정하는 것이기 때문에 단위 시간당 흐르는 물의 양을 정확하게 측정할 수 없다. 보다 정확한 측정을 위해서는 수위와 유속 정보 모두가 필요하며, 이에 따라 일부 상용 계측기는 수위와 유속을 각각 측정하는 두 개의 센서를 이용하여 유량을 산정하는 방식을 채택하고 있다. 본 논문에서는 하나의 FMCW 레이다 센서를 이용하여 수위와 유속을 동시에 측정할 수 있는 방법에 대하여 제안하고, 이를 위한 FMCW 레이다 송신 파형을 설계한다. 또한, 송신 파형을 기반으로 수신 신호를 모델링하여 수위 및 유속 측정 시 발생할 수 있는 문제점들에 대해 고찰하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

A commercial flow measurement radar sensor estimates a quantity of flowed water using surface flow rate. In this way, the amount of water flowing per unit time cannot be measured accurately because of using an estimation result and it can't response environmental changes. For more accurate flow measurements we need width of waterway, water level and distance that water moved per unit time. Commonly two sensors are used to measure water level and flow rate. In this paper, we propose a method to simultaneously measure the water level and surface flow velocity using a single FMCW radar sensor and design the transmission waveform. In order to verify the waveform design, received signal is modelled based on transmission waveform. In addition, we consider phenomenons and problems that may occur in signal processing.

주제어

표/그림 (12)

표 Table. 1 Surface flow velocity & Level measurement radar requirements
표 Table. 2 FMCW radar specification for waveform design
그림 Fig. 1 FMCW radar waveform operational concept
그림 Fig. 2 Method for calculating amount of flowing water in irrigation canal
그림 Fig. 3 Block diagram of digital signal processing
그림 Fig. 4 Bragg wavelength
표 Table. 3 Bragg spectrum line at min.velocity(0.3m/s)
그림 Fig. 5 proposed FMCW radar system block diagram
표 Table. 4 Simulated Waveform Generation Parameters
그림 Fig. 6 (a) Time domain simulated signal for Interval 1st, (b) Simulated beat signal spectrum for Interval 1st
그림 Fig. 7 (a) Time domain simulated signal for Interval 2nd, (b) Simulated beat signal spectrum for Interval 2nd
그림 Fig. 8 (a) Time domain simulated signal for Interval 3rd, (b) Simulated beat signal spectrum for Interval 3rd

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

도출된 설계 사양을 만족하기 위한 FMCW 레이다 파형 설계 및 설계 시 고려해야 할 사항에 대하여 고찰하며, 송신 파형을 적절히 만들 수 있는 송·수신 단의 구조를 제안하였다. 또한, 제안된 레이다 송신 파형 및 송수신 단의 구조가 적절한 지에 대한 검증을 위하여 이에 대한 수신 신호를 모의 구현하여 그 성능 및 구현 가능성을 예측하였다.
본 논문에서는 하나의 FMCW 레이더 센서를 이용하여 수위와 표면 유속을 동시에 측정할 수 있는 방법에 대해서 제안하고, 이를 통해 비교적 정밀하게 유량을 측정할 수 있는 레이다의 송신 파형을 설계하였다. 요구된 송신 파형을 생성 및 처리할 수 있는 송·수신 단의 구조를 제안하였으며, 브래그 공진, 누설의 영향, VCO 의 비선형성, 위상 잡음의 영향 등 추가적인 설계 고려 사항에 대해 고찰하였다.
본 논문에서는 해외에서 판매되고 있는 일반적인 레이다 수위계 및 레이다 표면 유속계의 사양을 이용하여, 동시에 수위와 표면의 유속을 측정하여 유량을 산정할 수 있는 레이다 시스템의 설계 사양을 도출하였다. 도출된 설계 사양을 만족하기 위한 FMCW 레이다 파형 설계 및 설계 시 고려해야 할 사항에 대하여 고찰하며, 송신 파형을 적절히 만들 수 있는 송·수신 단의 구조를 제안하였다.

가설 설정

위한 FMCW 레이다의 사양을 설정하였다.[2] 표면 유속과 수위를 동시에 측정하는 모델의 사양이어서 개별 레이다 수위계보다 설치 높이가 낮지만 설치 높이의 경우, 안테나 크기에 따라 조절이 가능하므로 본 논문에서는 일반적인 혼 안테나를 사용했을 경우를 가정하여 레이다 유량계의 사양을 선정하였다.
이는 브래그 파장에 따른 공진 효과이며, 실제 하천의 표면 유속을 측정할 때 발생되어 연구된 바 있다.[4] 표면 유속의 측정에서 브래그 파장에 따라 마이크로 웨이브 파장과의 공진 조건이 달라지게 된다. 마이크로 웨이브 파장은 그림 4에서 볼 수 있듯이 반사되어 돌아가는 파장과 동위상이 되었을 때 가장 큰 신호가 수신되게 된다.
설계의 타당성 검증을 위해 제안한 레이더 사양에 따라 특성 상황을 가정하였고, 수신되는 신호 모의를 진행하였다. 신호 모의에 사용된 파라미터는 아래 표 4와 같다.

제안 방법

2에 나타내었다. 관개수로의 폭과 수로 바닥으로부터 계측기의 설치 높이 정보를 입력해 주면 표면의 유속과 수위를 측정하여 유량을 산정하게 된다.
도출된 설계 사양을 만족하기 위한 FMCW 레이다 파형 설계 및 설계 시 고려해야 할 사항에 대하여 고찰하며, 송신 파형을 적절히 만들 수 있는 송·수신 단의 구조를 제안하였다. 또한, 제안된 레이다 송신 파형 및 송수신 단의 구조가 적절한 지에 대한 검증을 위하여 이에 대한 수신 신호를 모의 구현하여 그 성능 및 구현 가능성을 예측하였다.
또한, 두 번째와 세 번째에서 얻어지는 정보는 하나의 값에 거리와 속도 정보가 모두 포함되어 있기 때문에 둘 중 하나의 값이라도 잘 못 산출되면, 다른 하나의 정보도 왜곡 되는 문제가 있다. 따라서, 첫 번째 주파수 변조가 없는 구간에서 약 280ms 동안의 관측을 통해 데이터를 수집하고, 이를 통해 속도 성분을 정확하게 뽑아낸 후 이후 단계에 적용하는 방법을 제안한다.
비교적 구현이 간단한 호모다인 구조로 기저대역으로 한번에 Down Convert 함으로써 발진기의 거리 상관 효과를 높이는 구조를 채택하였다. 또한, Direct Digital Synthesizer (DDS)를 참조 신호로 사용하는 Phased Locked Loop (PLL) 구조를 제안한다. 이와 같은 방법을 이용하면, 낮은 위상 잡음을 유지하면서 정확한 주파수로 빠른 시간 내에 주파수 변조가 가능한 장점이 있다.
요구된 송신 파형을 생성 및 처리할 수 있는 송·수신 단의 구조를 제안하였으며, 브래그 공진, 누설의 영향, VCO 의 비선형성, 위상 잡음의 영향 등 추가적인 설계 고려 사항에 대해 고찰하였다. 또한, 제안된 레이다 송신 파형 및 송수신 단의 구조가 적절한 지에 대한 검증을 위하여 설계된 내용을 바탕으로 수신된 신호를 모의 구현하였다. 이를 통해 간단하게나마 설계된 레이더 시스템의 성능을 추정할 수 있었으며, 다양한 신호 처리 알고리즘에 대한 성능 비교 및 검증이 가능한 기반을 마련하였다.
모의 구현된 신호를 통하여 안테나의 이득, 반사 손실, 각 소자의 삽입 손실, 시스템의 Dynamic range 및 잡음 전력, 송신 전력, 송신 파형의 제어 방법, 송수신 간의 누설 등과 같은 설계 사양이 적절한 지 확인할 수 있었고, 차 주파수 성분에 가우시안 분포를 갖는 오차를 추가하여 VCO 의 비선형 특성에 대해 모의 하였으며, 수면의 잔물결과 마이크로파의 공진에 의해 발생하는 브래그 스펙트럼 라인에 대해서도 모의를 수행하였다. 이와 같이 시간 영역의 모의 신호 및 스펙트럼 신호들은 설계된 시스템의 성능을 추정할 수 있으며, 다양한 신호 처리 알고리즘에 대한 성능을 비교하거나 검증하는 데에 사용이 가능할 것이다.
각 부품의 사양을 그림 5에 제안하였다. 비교적 구현이 간단한 호모다인 구조로 기저대역으로 한번에 Down Convert 함으로써 발진기의 거리 상관 효과를 높이는 구조를 채택하였다. 또한, Direct Digital Synthesizer (DDS)를 참조 신호로 사용하는 Phased Locked Loop (PLL) 구조를 제안한다.
송신 신호와 수신 신호가 혼합기를 거쳐 차 신호를 출력하게 되고, 이를 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 주파수 영역으로 변환하여 분석한다. 여기에 정밀한 측정을 위해 높은 주파수 해상도가 요구되기 때문에 이미 잘 알려져 있는 Zoom FFT 알고리즘을 적용하였다.
요구된 송신 파형을 생성 및 처리할 수 있는 송·수신 단의 구조를 제안하였으며, 브래그 공진, 누설의 영향, VCO 의 비선형성, 위상 잡음의 영향 등 추가적인 설계 고려 사항에 대해 고찰하였다. 또한, 제안된 레이다 송신 파형 및 송수신 단의 구조가 적절한 지에 대한 검증을 위하여 설계된 내용을 바탕으로 수신된 신호를 모의 구현하였다.
일반적으로 해외에서 판매되고 있는 레이다 수위계와 표면 유속 측정기의 기본 모델들을 참조하여 유량 측정을 위한 FMCW 레이다의 사양을 설정하였다.[2] 표면 유속과 수위를 동시에 측정하는 모델의 사양이어서 개별 레이다 수위계보다 설치 높이가 낮지만 설치 높이의 경우, 안테나 크기에 따라 조절이 가능하므로 본 논문에서는 일반적인 혼 안테나를 사용했을 경우를 가정하여 레이다 유량계의 사양을 선정하였다.

대상 데이터

우선 변조를 하지 않고 도플러 주파수를 추출하는 첫 번째 구간과 변조를 수행하여 표적의 모호성을 제거하고 거리를 추출하는 두 번째, 세 번째 구간이다. 본 논문에서의 모의 신호는 제안된 레이더 송수신 구조의 설계 사양 및 브래그 공진, VCO의 비선형성, 송수신 간의 누설에 대한 사항을 고려하여 모의를 진행하였다.

이론/모형

송신 신호와 수신 신호가 혼합기를 거쳐 차 신호를 출력하게 되고, 이를 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 주파수 영역으로 변환하여 분석한다. 여기에 정밀한 측정을 위해 높은 주파수 해상도가 요구되기 때문에 이미 잘 알려져 있는 Zoom FFT 알고리즘을 적용하였다. 이에 대한 처리 알고리즘에 대한 순서도를 아래 그림 3에 나타내었다.

성능/효과

우측으로 보이는 두신호는 수 표면에 대한 신호로 브래그 공진에 의해서 기준 도플러를 중심으로 ± 위상 속도 만큼 도플러가 나타나는 것을 볼 수 있다. 또한 스펙트럼의 해상도가 비교적 높고, 수 표면에 대한 브래그 파장이 일률적이지 않기 때문에 도플러 주파수를 중심으로 가우시안 형태로 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 제안된 레이다 송신 파형 및 송수신 단의 구조가 적절한 지에 대한 검증을 위하여 설계된 내용을 바탕으로 수신된 신호를 모의 구현하였다. 이를 통해 간단하게나마 설계된 레이더 시스템의 성능을 추정할 수 있었으며, 다양한 신호 처리 알고리즘에 대한 성능 비교 및 검증이 가능한 기반을 마련하였다.

후속연구

수행하였다. 이와 같이 시간 영역의 모의 신호 및 스펙트럼 신호들은 설계된 시스템의 성능을 추정할 수 있으며, 다양한 신호 처리 알고리즘에 대한 성능을 비교하거나 검증하는 데에 사용이 가능할 것이다.

참고문헌 (7)

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Y. S. Kim, N. I. Won, J. W. Noh, and W. C. Park, "Development of High-performance Microwave Water Surface Current Meter for General Use to Extend the Applicable Velocity Range of Microwave Water Surface Current Meter on River Discharge Measurements," Journal of Korea Water Resour. Assoc. vol. 48, no. 8, pp. 613-623, Aug. 2015.

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S. Nuwan, and W. H. Kim, "Design and Performance Analysis of Zoom-FFT Based FMCW Radar," Journal of Korea Society of Communication and Space Technology, K9-2-8, pp. 38-44, May. 2015.
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B. J. Jang, J. G. Yook, W. Na, and M. Q. Lee, "Noise Analysis and Measurement for a CW Bio-Radar System for Non-Contact Measurement of Heart and Respiration Rate," Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, 19(9), pp. 1010-1019, Sep. 2008.

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D. S. Kim, H. S. Lee, J. P. Kim, and S. J. Kim, "Design and Modeling of a DDS Driven Offset PLL with DAC," Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication, vol. 12, no.5, pp. 1-9, Dec. 2012.

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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].

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