A study on the 24GHz FMCW radar system for precipitation measurement

Abstract

본 논문에서는 24GHz 대역 선형 주파수 변조 연속 파 (FMCW) 레이더 시스템 구조, 강우 신호의 측정 및 신호처리에 관한 이론 및 실험 결과, 그리고 FMCW 레이더를 이용한 채널 사운딩 (Channel Sounding) 기법을 다루고 있다. 첫째로, 24GHz 대역 FMCW 레이더 시스템 구조를 제안하고 구현하였다. 본 논문에서 제안한 FMCW 레이더의 주파수원으로는 고속의 주파수 동작이 가능하고 주파수 분해능이 뛰어난 직접 디지털 합성기 (Direct Digital Synthesizer)를 이용하여 409.6us 의 주기를 갖고 50MHz 대역폭을 갖는 신호를 생성하였다. 생성된 신호는 업컨버팅 (Upconverting) 되어 24.566GHz ~ 24.616GHz 대역의 신호가 된다. 무반향 챔버 (Anechoic Chamber) 내에서 송신되는 신호의 전력 평탄도와 추정 거리 (Estimated Range) 실험을 통해 레이더의 안정성을 확인하였다. 두 번째로, FMCW 레이더를 이용한 강우 측정에 관한 연구를 하였다. 강우 인자를 통해 형성된 비트 주파수를 푸리에 변환 (Fourier Transform) 함으로 높이 레벨 (Height Level)에 따른 레이더 반사도를 얻을 수 있다. 탐지하고자 하는 대상인 물방울은 속도를 가지고 있고 비트 주파수에는 도플러 효과에 의한 차이도 포함되어 있다. n개의 레이더 반사도 스펙트럼을 묶어 두 번 째 푸리에 변환을 실행하여 높이 레벨에 따른 빗방울 속도에 관한 정보를 얻을 수 있다. 속도는 물방울 입자 지름 크기에 따른 함수로 나타낼 수 있고 이를 통해 방울 크기 분포 (Drop Size Distribution), 강우율 (Rain Rate), 특성 낙하속도(Characteristic Falling Velocity), 물량 (Liquid Water Content) 의 값들을 계산할 수 있다. 세 번째로, FMCW 레이더를 이용한 채널 사운딩 기법에 관한 연구를 하였다. FMCW 레이더는 선형적으로 변하는 연속된 전파 신호를 송신한다. 목표물을 맞고 돌아온 수신신호가 송신신호와 결합되어 비트 주파수 (Beat Frequency) 를 형성한다. 비트 주파수는 선형 주파수 변조의 특성으로 인해 주파수 영역의 신호와 시간 영역의 신호를 동시에 표현하는 특징을 보이게 된다. 채널 사운딩 실험은 다중경로 페이딩 (Multipath Fading) 현상을 재연할 수 있는 잔향 챔버 (Reverberation Chamber) 내에서 진행되었다. 평면 마이크로파 흡수체를 이용해 네 가지의 다른 경우의 내부 경계 조건을 만들고 실험하였다. 신호의 산포도 (Scatter Plots), 정규화된 전력 지연 분포 (Normalized Power Delay Profiles), 초과 지연 평균 (Mean Excess Delay), 실효 지연 확산 (Root Mean Square Delay Spread) 그리고 레일리 페이딩 채널 (Rayleigh Fading Channel) 의 포락 분포 (Envelope Distribution)의 전파 특성을 살펴보았다.