레이더 시스템 document_id A220623108019

레이더 시스템들은 객체들의 존재를 검출하고 객체들의 위치 및 운동을 측정하기 위해 이용된다. 일반적으로, 레이더 시스템은 특정 애플리케이션을 위해, 즉 거리들의 지정된 레인지(range)에 걸쳐, 지정된 주사 영역에 걸쳐, 지정된 수준의 정확도 내에서, 그리고 지정된 방향과 관련하여 거리를 측정하기 위해 설계된다. 먼 거리들에 걸쳐 주사하기 위해 요구되는 레이더 시스템들을 위해, 안테나들은 강력한 전자기 방사(radiation)를 생성할 것이 요구되는데, 이것은 대응하여 강력한 소스와 특정 타입들의 안테나들의 이용을 필요로 한다. 그러한 레이더 시스템들이 주어진 영역에 걸쳐 그러한 객체들의 존재를 찾기 위해 그 영역을 주사하며 정찰하는 것은 통상적이다. 영역에 걸쳐 정찰하기 위해, 레이더 시스템들은 공간에서 물리적으로 움직이는 안테나를 포함하는 기계적 장치들, 또는 방사가 송신되거나 수신될 때 방사를 조종하기 위해 배열되는 엘리먼트들을 포함하는 전자 장치들을 채용한다. 기계적 레이더 시스템들의 문제는 그들의 작동이 물리적인 컴포넌트들과, 연관된 제어와, 움직이는 파트들에 의존한다는 것이다. 이 목록의 파트들은 고가이고, 상응하게 큰 전원을 요구할 수 있다. 전자 장치들의 하나의 공지된 그룹은 위상형 안테나 어레이들인데, 이들은 신호들에 다양한 위상 시프트들을 인가하여, 이에 의해 수신되고 송신되는 빔들을 효과적으로 조종한다. 이 전자 장치들은 안테나의 물리적인 운동을 수반하지 않고 빔을 한 위치로부터 다음 위치로 빠르게 이동시킬 수 있기 때문에 RF 센서와 통신 시스템들에 통상적으로 이용된다. 그러한 장치들을 통합하는 레이더 시스템들이 타겟들의 위치의 매우 정확한 측정을 제공할 수 있지만, 이 타입들의 전자 장치들의 문제는 빔의 적당한 제어가 종종 전자 컴포넌트들의 여러 어레이들을 필요로 하고, 이것이 레이더 시스템의 물리적 크기, 복잡성, 및 비용을 증가시킨다는 것이다. 그러한 전자 장치들의 다른 그룹은 주파수 주사 어레이들인데, 이들은 가변 주파수들의 입력 신호에 응답하여, 빔을 각도 평면(angular plane) 내에서 조종할 수 있다. 주파수 주사 어레이들은 US 특허 US4868574에 설명된 바와 같이, 다른 평면 내에서 회전하는 움직이는 파트들과 결합되었다. 그러나, 이 결합의 문제는 정규의 기계적 주사 시스템의 크기 및 비용 단점들을 유발하고, 성능면에서 위상형 안테나 시스템들보다 덜 정확하다는 것이다. 그러므로, 다양한 공지된 레이더 시스템들은, 고가이고, 부피가 크고, 무거운 것 중 하나나 몇가지에 해당하는데, 이것은 그들의 비용이나 무게나 크기가 사안인 이용들에 대한 그들의 응용성을 제한한다는 것이 이해될 것이다. 발명의 개요 본 발명의 제1 양상에 따라, 주파수 발생기, 주파수 주사 안테나, 및 타겟으로부터 수신된 신호들을 처리하여 타겟과 연관된 도플러 주파수(Doppler frequency)를 식별하도록 배열된 수신기를 포함하는 주사 레이더 시스템이 제공되는데, 주파수 발생기는 신호들의 복수의 세트들을 발생하도록 배열되고, 각각의 세트는 상이한 특성 주파수를 갖고, 주파수 발생기는 주어진 특성 주파수의 연속적인 파 신호를 변조 패턴들의 시퀀스에 의해 변조하여 신호들의 상기 세트를 발생하도록 배열되는 디지털 합성기를 포함하고, 주파수 주사 안테나는 주파수 발생기와 협동하여, 상기 발생된 주파수들에 의존하는 각도 범위를 갖는 영역에 걸쳐 방사를 송수신하도록 배열된다. 본 발명의 발명자들은 지상을 따라 이동하는 객체들을 검출하고 위치를 알아낼 수 있는 저전력 레이더 시스템들에 대해 설계 노력을 집중하였고, 이를 위해 디지털 합성기 기술들을 결합하였는데, 디지털 합성기 기술들은 수동 주파수 주사 및 도플러 처리 기술들을 이용하여, 정확한 주파수 발생과 제어가 가능하다. 이것은 레인지 및 주사 레이트들의 정확한 제어를 가능하게 해주고, 느린 그리고 빠른 타겟의 검출과, 신호 대 노이즈 비율과 같은 팩터들을 위한 레인지 셀 크기의 최적화를 가능하게 해주고, 따라서 유사한 전력 요건들을 갖는 공지된 시스템들로 가능한 것보다 상당히 더 먼 거리들에 위치된 타겟들의 검출을 가능하게 해준다. 주사 레이더 시스템들을 이용하면, 영역이 주사되는 레이트와, 주사 동안 타겟들이 검출될 수 있는 레인지 또는 거리 사이에 본질적으로 트레이드 오프(trade off)가 있다. 상대적으로 빠른 주사 레이트들에 대해, 주어진 각도 영역은 타겟이 영역에 상대적으로 움직일 때 수회 주사될 수 있으나, 신호들의 주어진 세트 내의 신호들의 수는 대응하여 제한될 것이고, 결과적으로 검출 가능한 레인지가 제한될 것이다. 상대적으로 느린 주사 레이트들에 대해서는, 신호들의 주어진 세트 내의 신호들의 수가 비교적 높은데, 이것은 각도 영역 내의 타겟들의 움직임을 추적하는 것을 희생하여, 더 멀리 위치한 타겟들이 검출 가능함을 의미한다. 유리하게, 주파수 주사 레이더의 이용 동안 이들 파라미터들은 디지털 합성기에 의해 정확히 그리고 반복적으로 제어될 수 있는데, 이는, 레이더 시스템이, 신호들이 이전에 송신되었던 것과 정확히 동일한 각도로 송신하기 위해 리턴할 수 있음을 의미하며, 이에 의해 기계적인 주사 레이더 시스템들과 연관되는 도플러 변조와 연관된 레인지 리턴(range return)의 에러들을 감소시킨다. 본 발명의 실시예들에 따른 주사 레이더 시스템의 레인지 Rmax는 레이더 방정식 Rmax = (Pt G Ae σ/((4π)2 Smin))1/4으로부터 평가될 수 있고, 여기서 Smin은 최소 검출가능한 신호이고(전력 값으로서), Pt는 송신되는 전력이고, G는 안테나의 게인이고, Ae는 안테나의 유효 어퍼쳐(aperture)이고, σ는 타겟의 단면적이다. 대략 1㎡의 단면적을 갖는 타겟에 대해, 최대 레인지 Rmax는 대략 5㎞이고, 대략 10㎡의 단면적을 주는 차들(cars)과 같은 타겟들에 대해, 최대 레인지 Rmax는 대략 9㎞인 반면에, 대략 100㎡ 정도의 단면적을 갖는 더 큰 타겟들에 대해, 최대 레인지 Rmax는 대략 15㎞이다. 주사 기간이 특별한 방향에서 증가함에 따라, Smin 값이 감소할 것이고, 이에 따라, 주어진 타겟 크기에 대해, 특별한 방향에서 그 타겟에 대한 레이더 레인지는, 시스템 불완전성, 타겟 운동, 및 도플러 확산(Doppler spread) 때문에, Rmax와 관련한 자료를 갖기 위해 그 방향에서 더 이상의 주사가 Smin을 줄일 수 없거나 또는 Pt를 더 이상 증가시킬 수 없을 때까지, 증가할 것이다. 신호 강도가 소스로부터 거리에 4승에 비례하므로, 짧은 레인지 레이더 시스템의 설계의 이점은 방사를 수십 ㎞의 범위 내로 송신하기 위해 요구되는 전력이 종래의 레이더들이 전형적으로 요구하는 것보다 더 작은 전력을 필요로 한다는 것이다. 결과적으로, 전원 컴포넌트들의 무게 및 요구되는 출력은 종래의 레이더 시스템에 의해 필요로 되는 것보다 더 작다. 레이더 시스템은 물리적으로 지상에 위치될 수 있거나, 또는 지상에 있는 객체 상에(빌딩의 한 층 상에 또는 차량 상에) 위치될 수 있다. 본 발명의 실시예들의 다른 이점은, 주파수 주사 안테나들이, 처리 및 제어 컴포넌트들의 면에서, 위상형 안테나 어레이들이나 또는 기계적 조종 안테나보다 덜 복잡하다는 것이다. 그 결과, 안테나 회로 컴포넌트들의 크기와 무게는 각각 상대적으로 작고 가볍다. 이 팩터들은 함께, 레이더 시스템이 예를 들면 12 Volts 배터리에 의해 전력이 공급되도록 해줄 수 있고, 또는 12, 24, 48 Volts 차량 배터리와 같은 차량 배터리 또는 태양 전지판에 의해(예를 들면, 담배 라이터(lighter)와 같은 차량 내의 편리한 접속을 통해) 전력이 공급되도록 해준다. 일 배열에서, 레이더 시스템은 그에 의해 수신되고 처리된 방사를 나타내는 데이터를, 레이더 시스템 대신 원격 처리 시스템에서 디스플레이, 검토, 및 해석을 하도록 하기 위해 원격 처리 시스템에 송신하도록 배열되어, 이에 의해 레이더 시스템에 의해 요구되는 처리 및 제어 컴포넌트들을 더 감축한다. 유리하게, 그리고 위의 설명으로부터 이해하게 되는 바와 같이, 본 발명의 이 양상에 따른 레이더 시스템은 부피가 커지지 않고 무거워지지도 않기 때문에, 쉽사리 휴대형에 적합하다. 주파수 주사 안테나를 선택했을 때, 움직이는 작은 타겟들과 큰 정적인 타겟들 사이를 식별할 수 있도록 해주기 위해, 발명자들은 신호 내의 위상 노이즈를 최소화하는 주파수 소스를 식별하는 문제에 직면했었다. 대부분의 공지된 합성기들은 고정 주파수 소스(예를 들면, 결정 발진기 형태의)를 활용하는데, 고정 주파수 소스는 주파수들의 레인지를 발생시키기 위해 주파수 분할기들 또는 가변 주파수 발진기(통상적으로 위상 고정 루프 합성기들(Phase Locked Loop Synthesisers)로 일컬어짐)를 포함하는 회로와 통합된다. 그러한 가변 주파수 발진기들은 본질적으로 출력 신호에 특정 양의 위상 노이즈(전형적으로 디더(dither)라고 일컬음)를 가지며, 위상 고정 루프 합성기들은 신호 발생기로부터 수신되는 신호를, 노이즈를 포함하여, 곱한다(multiply up). 그 결과, 상당한 양의 디더를 갖는 신호는, 정적 타겟으로부터 반사될 때, 신호 처리 컴포넌트들을 혼동시키고, 움직이는 타겟으로 보일 수 있다. 그러므로, 바람직하게, 주파수 발생기는 제1 회로부와 제2 회로부를 포함하고, 제1 회로부는 그에 입력된 제어 신호들에 의존하는 출력 주파수에서 신호들을 출력하도록 배열된 가변 주파수 발진기와, 상기 가변 주파수 발진기의 동작을 변경하는 데에 이용하기 위한 제2 회로부로부터 수신된 신호들에 기초하여 상기 제어 신호들을 생성하도록 배열된 튜닝 수단을 포함하고, 제2 회로부는 상기 출력 신호들을 수신하고 그로부터 상기 튜닝 수단에 입력될 신호들을 유도하도록 배열되고, 제2 회로부는 상기 출력 주파수보다 낮은 분할된 주파수의 신호들을 발생하도록 배열된 주파수 분할기(frequency divider)를 포함하고, 제2 회로부는 상기 출력 신호로부터 감소된 주파수 신호들을 유도하도록 배열된 수단을 포함하고, 상기 감소된 주파수 신호들은 상기 출력 주파수보다 낮고 상기 분할된 주파수보다 높은 주파수이다. 통상적으로, 주파수 발생기는 결정 발진기 또는 SAW(Surface Acoustic Wave: 표면 탄성파)와 같은 고정 주파수 발진기를 더 포함하는데, 이것은 제1 회로부에 입력을 제공한다. 일 배열에서, 제1 회로부의 튜닝 수단은 주파수 분할기 및 위상 비교기를 더 포함하고, 제2 회로부는 정적 주파수 곱셈기, 및 제2 회로부의 주파수 분할기에 입력되는 신호들의 주파수를 줄이기 위해 협동하는 믹서를 포함한다. 제1 회로부와 연관되는 다른 주파수 분할기가, 신호 발생기의 주파수 해상도를 제어하도록, 고정된 발진기 주파수를 낮추기 위해 채택된다. 제2 회로부와 관련해서, 주파수 분할기는 믹서로부터 출력된 신호들의 주파수를 낮추기 위해 채택되고, 제1 및 제2 주파수 분할기로부터의 출력은, 위상 비교기에 의해 동기화되는데, 위상 비교기는 전압 제어 발진기의 출력을 변경하기 위한 상기 제어 신호들(위상-에러 신호들 형태의)을 생성한다. 편리하게, 제2 회로부는 제2 주파수 분할기에 입력되는 신호들의 주파수를 낮추는 기능을 하는데, 이것은 제2 주파수 분할기에 의해 요구되는 곱셈의 양이 대응하여 감소됨을 의미한다. 위상 노이즈는 주어진 신호의 주파수가 곱해지는 양에 의존하므로, 종래의 신호 발생기들에 의해 생성된 것과 비교하여, 본 발명의 실시예들에 의해 생성된 신호들 내에는 실질적으로 더 낮은 위상 노이즈가 존재한다. 또한, 이것은 본 발명에 따라 구현된 신호 발생기들의 위상 고정 루프들이 종래 배열들로 가능했던 것보다 더 높은 루프 주파수들에서 동작할 수 있다는 것을 의미한다. 그러므로, 본질적으로, 발명자들은 주파수 소스로부터의 출력이 곱해지는 양과, 그에 따라 송신되는 위상 노이즈의 양을 최소화하는 컴포넌트들의 특정 배열을 식별하였다. 바람직한 배열들에서, 주사 레이더 시스템은 주파수 변조된 연속 파(Frequency Modulated Continuous Wave: FMCW) 레이더 시스템이고, 이 시스템은 바람직하게 선형 주파수 스위프들(sweeps)의 시퀀스를 포함하는, 미리 결정된 패턴의 주파수 변조된 신호를 출력하도록 배열된다. 가장 편리한 배열에서, 디지털 합성기는 입력들에 응답하여 변조 패턴을 미리 결정된 횟수만큼 반복한다. 레이더 시스템들은 타겟들로부터의 도플러 주파수를 식별하여 그의 운동의 크기와 방향을 식별하기 위해 통상적으로 이용된다. 발명자들은 타겟의 도플러 주파수가 레이더의 반송 주파수에 의존한다는 사실로부터 초래되는 FMCW 레이더의 문제, 즉 주파수들의 레인지 내에서 동작하는 레이더는 주어진 타겟에 대해, 그 자체로 타겟의 움직임을 나타낼 수 있는 도플러 주파수들을 발생할 수 있다는 것을 식별하였다. 발명자들은 주파수 스위프들의 기간을 반송 주파수에 비례하여 변화시킴으로써, 정규화된 도플러 주파수가 실질적으로 일정하게 유지된다는 것을 깨달았다. 따라서, 본 발명의 이러한 양상과 관련하여, 발명자들은 연속적인 파 신호의 주파수 변조를 제어하는 데에 이용하기 위한 주파수 주사 레이더를 개발하였는데, 연속적인 파 신호는 특성 주파수를 갖고 변조 패턴들의 시퀀스에 의해 변조되고, 레이더 제어기는 주어진 변조 패턴을 변조되는 신호의 특성 주파수에 의존하여 변경하도록 배열된다. 본 발명의 바람직한 실시예들에서, 레이더 제어기는 시퀀스 내의 개개의 패턴들의 기간을 변경하여, 변조 패턴을 변경하도록 배열된다. 일 배열에서, 시퀀스의 각각의 변조 패턴은 선형 램프 구간 및 드웰 구간을 포함하고, 레이더 제어기는 시퀀스 내의 각각의 변조 패턴들의 드웰 구간들의 기간을 변경하여, 이에 의해 변조 패턴을 변경하도록 배열된다. 다른 배열에서, 시퀀스의 각각의 변조 패턴은 선형 램프 구간 및 하강 구간을 포함하고, 레이더 제어기는 시퀀스 내의 각각의 변조 패턴들의 하강 구간들의 기간을 변경하여, 이에 의해 변조 패턴을 변경하도록 배열된다. 또 다른 배열들에서, 변조 패턴은 램프 구간, 하강 구간, 드웰 구간의 조합을 포함하고, 이 경우 하강 또는 드웰 구간들 중 어느 하나의 기간이 변경될 수 있다. 통상적으로 주파수 발생기는 각각의 기간들을 나타내는 입력들에 응답하여 특성 주파수를 변조한다. 주파수 주사 안테나와 관련해서, 발명자들은 특히 효율적인 안테나(- 비교적 낮은 - 복잡성의 수준과, - 비교적 양호한 - 성능 면에서)는 진행파 안테나임을 발견했다. 그런 다음 발명자들은 진행파 안테나가, 주파수가 변화될 때 비교적 좁은 주사 각도에 걸쳐 방사할 뿐이고, 이것이 안테나가 이용될 수 있는 주사 영역을 제한한다는 문제에 직면하게 되었다. 발명자들은 두개 또는 그 이상의 어레이 안테나들이 안테나 구조를 형성하기 위해 배열될 수 있다는 것과, 안테나 구조의 각각의 안테나 어레이에의 피드(feed)를 코디네이팅함으로써, 개개의 주사 영역들이 증가된 전체 주사 영역을 생성하도록 결합될 수 있다는 것을 깨달았다. 이에 따라, 발명자들은 무선 주파수 에너지를 송수신하고 빔을 안테나 구조 주위의 복수의 상이한 각도들로 조종할 수 있는 주파수 주사 안테나 구조를 개발하였는데, 안테나 구조는 적어도 두개의 어레이 안테나들과, 두개의 어레이 안테나들에 대한 에너지의 입력을 제어하는 제어기를 포함하고, 어레이 안테나들은, 안테나 구조가 상기 두개의 어레이 안테나들 중 하나를 이용하여 빔을 제1 각도로 조종할 수 있고, 상기 두개의 어레이 안테나들 중 다른 하나를 이용하여, 빔을 상기 제1 각도와 다른 제2 각도로 조종할 수 있도록, 상기 안테나 구조 내에 배치된다. 일 배열에서, 안테나 구조는 복수의 불연속 영역들에 걸쳐 빔을 조종하고, 다른 배열에서는 빔을 연속적인 각도 영역에 걸쳐 조종하도록 배열된다. 편리하게, 안테나 구조는 상기 두개의 어레이 안테나들 중 하나를 이용하여 빔을 각도들의 제1 영역(제1 각도 영역)에 걸쳐 조종할 수 있고, 상기 두개의 어레이 안테나들 중 다른 하나를 이용하여 빔을 각도들의 제2 영역(제2 각도 영역)에 걸쳐 조종할 수 있으며, 상기 제1 각도 영역과 제2 각도 영역은 상이하고, 집합적으로 개개의 안테나 어레이들로 달성할 수 있는 것보다 큰 각도 범위의 주사 영역을 제공한다. 편리하게 각각의 상기 어레이 안테나는 그것에 에너지를 입력하는 입력 수단을 포함하고, 제어기는 빔을 제1 및 제2 각도들로 조종하기 위해 각각의 어레이 안테나들에 에너지를 입력하도록 배열된다. 더 구체적으로, 각각의 입력 수단은 빔을 연속적인 혹은 불연속적인 각도 영역들에 걸쳐 조종하기 위해 각각의 어레이 안테나들에 에너지를 입력하도록 배열된다. 일 배열에서, 입력 수단은 안테나 어레이의 끝단들에 접속가능하고, -위에서 설명한 바와 같이 - 빔을 조종하기 위해 복수의 상이한 주파수들에서의 무선 주파수 에너지를 포함하는 신호들을 수신하도록 주파수 발생기와 동작적으로 연관된다. 바람직하게, 제어기는 빔을 제1 각도와 제2 각도에 걸쳐 조종하기 위해 미리 결정된 시퀀스에 따라 에너지를 입력하도록 배열되고, 시퀀스는, 예를 들면, 상기 제1 안테나 어레이의 제1 끝단에 에너지를 입력하고, 상기 제2 안테나 어레이의 제1 끝단에 에너지를 입력하고, 상기 제1 안테나 어레이의 제2 끝단에 에너지를 입력하고, 그리고 상기 제2 안테나 어레이의 제2 끝단에 에너지를 입력하는 것을 포함한다. 안테나 구조 자체의 구성과 관련하여, 안테나 구조는 세로 축과 세로 축에 수직인 가로 축에 의하여 편리하게 특성화될 수 있고, 상기 어레이 안테나들 중 제1 어레이 안테나는 상기 가로 축에 대해 상기 제1 각도로 경사지고, 상기 어레이 안테나들 중 제2 어레이 안테나는 상기 가로 축에 대해 상기 제2 각도로 경사진다. 또한, 제1 및 제2 어레이 안테나들은 세로 축에 대하여 대칭적으로 배치되고, 상기 어레이 안테나들 각각은 두개의 끝단부들과 두개의 측면부들을 포함하고, 상기 제2 어레이 안테나의 측면부는 상기 제1 어레이 안테나의 측면부와 실질적으로 접경한다. 주사 영역의 범위는 두개의 어레이 안테나들 사이의 물리적 관계에 의존하고, 더 구체적으로는 각각의 어레이 안테나가 가로 축에 대해 이루는 각도에 의존한다. 일 배열에서, 레이더 시스템의 각도 범위는 실질적으로 80도(dgrees)이나, 안테나 구조 내의 안테나 어레이들의 다양한 배열들과 일관적인 60도부터, 100도, 120도 범위의 다른 각도들도 가능하다. 또한, 안테나 구조는 두개보다 많은 어레이 안테나들을 포함하도록 구성될 수 있고, 이에 의해 레이더 시스템의 각도 범위를 더 증가시킨다. 일 배열에서, 어레이 안테나들 각각은 메시(mesh) 구조 및 유전체 기부를 포함한다. 각각의 메시(mesh) 구조는, 마이크로 회로 스트립(통상 마이크로스트립(microstrip)으로 일컬음)으로서 구현되는 복수의 상호접속된 소자들을 포함할 수 있고 대응하는 상기 유전체 기부의 표면 상에 편리하게 배치될 수 있다. 메시 구조는 상기 소자들의 측면들과 끝단들 각각의 길이들에 의해 편리하게 특성화될 수 있고; 상기 소자들의 각각은 각각의 길이들의 두개의 측면들과 두개의 끝단들을 포함하고, 상기 측면들의 길이는 상기 끝단들의 길이보다 더 길다. 전형적으로, 상기 측면들의 길이는 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 중간 포인트에서의 한 파장 정도이며, 상기 끝단들의 길이는 상기 중간-포인트의 주파수에서의 한 파장의 절반 정도이다. 각각의 메시 소자는 특성 폭을 갖고, 바람직한 실시예에서 측면들의 메시 폭들은 메시의 중심으로부터 그 각각의 끝단까지 점진적으로 감소된다. 임피던스가 메시 폭에 반비례하므로, 이것은 안테나 어레이 소자들의 임피던스를 제어하는 편리한 수단 및 그에 따른 결과의 방사 패턴을 제공한다는 것이 이해될 것이다. 본 발명의 다른 특징들과 이점들은 첨부 도면들을 참조하여 작성되고, 예시적인 방법으로만 주어진 본 발명의 바람직한 실시예들의 다음의 설명으로부터 명백하게 될 것이다.