FMCW 레이다의 진폭 및 주파수 변조 현상 분석

Abstract

본 논문은 FMCW 레이다의 진폭 변조(Amplitude Modulation) 및 주파수 변조(Frequency Modulation)에 대하여 분석하였다. 레이다는 주로 국방 분야에 사용되어 왔지만 최근 차량용 레이다, 영상 레이다(Synthetic Aperture Radar, SAR), 위성용 레이다 등 다양한 분야에 적극적으로 활용되고 있다. 이 중에서도 특히 차량용 레이다는 77 ~ 81 GHz 대역의 FMCW 레이다를 사용한다. 이 같은 차량용 레이다에서 잡음으로 왜곡 현상은 오작동을 유발하게 되고 치명적인 안전사고를 야기시킨다. 왜곡 현상은 외부 환경에 존재하는 Clutter에 의한 잡음뿐만 아니라 레이다 모듈 자체에서 발생하는 내부적인 진폭 변조와 주파수 변조에 기인하는 바가 크다. 이상적인 FMCW 신호는 시간에 대하여 진폭이 일정하고 주파수가 선형적으로 변하는 직선형태이지만 실제로는 의도하지 않은 왜곡이 발생하여 진폭이 일정하지 않고 주파수는 기울기가 일정하지 않은 비선형적인 특성을 가진다. 이로 인해 레이다의 혼합기와 필터를 지난 신호를 계측기에서 관측하면 비트 주파수 주변에 잡음을 발생시킨다. 본 연구에서는 진폭 변조와 주파수 변조에 의하여 발생하는 잡음을 정확하게 표현하기 위한 모델링 방법을 제시하였고 신호원의 진폭 및 주파수 변조 특성이 주어졌을 때 진폭 및 주파수 변조 잡음을 예측할 수 있는 추정방법을 제시하였다. 또한 좀 더 실제 상황에 가까운 진폭 및 주파수 변조 현상이 동시에 존재하는 경우를 가정하여 순수한 진폭 및 주파수 변조 잡음뿐만 아니라 추가적으로 발생하는 진폭-주파수 상호변조잡음 특성에 대하여 밝혔다. 더 나아가, 정지된 물체뿐만 아니라 움직이는 물체의 거리 및 속도를 추정할 때 진폭 및 주파수 변조가 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 그리고 이를 FMCW 레이다에 대한 시뮬레이션 결과로 검증하였다. 끝으로, FMCW 레이다 시스템 설계 시 진폭 변조로 인한 왜곡을 방지하기 위한 시스템의 진폭 변조 기준을 제시하였다.