A Method on the Improvement of the Minimum Detection Distance of the Remote Measurement Level Meter

원격 측정 레벨계의 최소 탐지거리 성능 개선 방법

Abstract

Recently, level meters have been associated with the safety and maintenance of industrial sites and require a wide measurement range. Generally, to ensure the measurement range of the level meter, the measurement environment is improved to reduce the noise or to compensate the distortion of the signal through signal processing. The noise of FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) radar level meter or the distortion of the signal affects the near region characteristics of the level gauge, resulting in a reduction of the minimum detection distance. In this paper, an equalizer filter considering characteristics of window function and bit spectrum is applied to remove the noise in the near region of the level meter to improve the minimum detection distance performance and to improve the measurement reliability in the vicinity of the level meter, which is relatively difficult to detect, we want to improve the detection range.

최근 레벨계는 산업현장의 안전 및 유지관리와 연관되어 넓은 측정범위가 요구되는 추세이다. 일반적으로 레벨계의 측정범위를 확보하기 위해 측정환경을 개선하여 잡음을 감소시키거나 신호처리를 통해 신호의 왜곡을 보상하게 된다. FMCW 레이다 레벨계의 잡음과 신호의 왜곡은 레벨계의 근거리 특성에 영향을 주어 최소탐지거리가 감소되는 결과를 갖게 한다. 본 논문에서는 레벨계의 근거리 영역의 잡음을 제거하기 위해 window 함수와 비트 스펙트럼의 특성을 고려한 Equalizer 필터를 적용하여 최소탐지거리 성능을 개선하며 탐지가 상대적으로 어려운 레벨계 근거리의 측정 신뢰도를 높이고 탐지영역내의 측정 범위를 향상 시키고자 한다.

1. 서론

레벨계는 하수처리장, 하천 및 댐, 수로, 우물 등의 수위를 매질로부터 측정하는 장치를 말하며, 측정한 값은 하천 홍수관리, 발전소 운영, 댐의 수문조작 등 산업현장의 안전 및 유지관리에 중요한 데이터로 이용된다. 기존의 접촉식 센서의 노후, 측정값의 오차 및 유지 관리 방식의 디지털화를 위해 접촉식 센서 사용이 비접촉식 센서로 변화되고 있는 추세이며, 비접촉식 센서는 접촉식 센서에 비해 고온, 고압의 환경이나 진공 중에서도 측정이 가능하고 기체나 증기의 압력, 습도의 영향을 대부분 받지 않는다. 비접촉식 센서 가운데 상대적으로 우수한 레이더 레벨계는 높은 정확도와 유지/보수의 용이성 및 최근 건설되는 발전소 및 물류 현장 등의 운영에 많은 채택으로 인해 레벨 측정 설비의 디지털화가 가속되고 있으며, 기존 관리방식에 비해 다중적/독립적인 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식 레이더 레벨계에 대한 관심이 더욱 증가하고 있다(Chun et al., 2014). 접촉식 레벨계는 계측장비의 일부가 매질과 지속적으로 접촉하여 이로 인한 성능 저하 및 청결 등의 단점이 있으며, 이러한 단점을 보완하기 위해 레이저, 초음파, 레이더와 같은 비접촉식 레벨측정법이 개발되었다. 비접촉식 계측방법에서 레이저 방식은 사용하는 광원의 오염에 매우 민감하고, 초음파 방식은 탱크 내부의 환경 및 상태에 따라 전파속도가 변화하는 단점이 있다. 전파를 이용한 레이더식은 송신기에서 송신한 전파가 측정면에 반사되어 돌아오기까지의 시간을 측정하여 레벨을 측정하는 방식으로 탱크 내부의 환경 및 상태에 관계없이 측정할 수 있다는 장점이 있다. 최근의 레이다 레벨계는 고가의 석유 제품 등의 측정과 연관되어 비교적 높은 정확도가 요구되어 왔다. 정확도를 높이고 측정오차를 줄이기 위한 방법으로 매질의 종류에 따라 달라지는 반사파의 강도를 고려하거나, 측정치에 포함된 잡음을 신호처리 기법을 사용하여 처리하고 신호왜곡을 보상하는 방법이 요구된다(Ji and Lee, 2012). 레벨계의 잡음으로는 지면(수면) 클러터, 송신 누설 전력, 전파 간섭 등이 있으며, 비트 스펙트럼을 왜곡 하는 원인으로 주파수 변조파형의 비선형성, 위상 잡음 등이 있다. 또한, 송신 누설 신호는 송신 신호의 일부가 수신 신호로 직접 입력되어 표적에 반사되어 오는 신호보다 훨씬 크기 때문에 수신단이 포화되거나 회로를 손상시키고 근거리 표적을 측정하는데 어려움을 주게 된다. 송신 누설 신호는 송신 안테나와 수신 안테나를 공유하는 시스템에서 발생하게 되며 Circulator, Coupler, Divider를 적용하여 격리도를 확보하여 잡음을 최소화 하는 노력을 한다. 동일 안테나를 사용하는 Homodyne 방식의 FMCW 레이다는 송신신호와 LO(Local Oscillator) 신호가 같고 파형이 연속적으로 변조되는 송신신호를 사용하기 때문에 송신 신호가 누설되어 IF 신호에 큰 잡음이 발생되고 표적을 식별하는데 많은 어려움을 준다. 레다레벨계는 제한적인 크기, 무게, 설치 환경 때문에 구조적으로 동일 안테나를 사용하는 Homodyne 방식을 많이 사용하게 되며, 이로 인해 발생하는 송신 누설 신호는 레벨계 근거리 영역의 측정 오차를 발생시켜 기기의 신뢰성을 떨어뜨리고 레벨계 고유 기능인 안전 및 유지관리를 어렵게 한다. 레벨계 근거리 영역의 측정 오차를 줄이기 위해서 기존에는 안테나를 분리하여 사용하거나 송신할 때 반사되는 신호의 반대 위상의 신호를 발생시켜 상쇄시키는 방법 등이 있으나, 크기, 비용 등의 문제로 제약이 따르게 된다(Park and Kim, 2005). 이와 같이 레벨계에 안테나 또는 RF 회로를 추가하는 방법보다 근거리 영역의 수신 신호를 분석하여 표적 탐지에 영향을 미치는 잡음을 window 및 Equalizer 필터 등 신호처리 방법을 통해 제거하게 되면 보다 효율적으로 근거리 표적을 탐지할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 레이다 레벨계의 근거리 비트 스펙트럼에 영향을 주는 잡음을 분석하고, 근거리 탐지 성능을 개선하기 위해 잡음 억제 및 회피를 위한 window 함수 적용, Equalizer 필터를 적용해보고자 한다. window 함수 및 Equalizer 필터를 적용하기 전과 적용한 후의 결과를 비교하고 분석하여 탐지가 상대적으로 어려운 레벨계 근거리 탐지영역 내의 측정 범위를 개선시키고자 한다. 논문의 구성은 2장에서 레이다 레벨계의 개요 및 시스템 구성에 대해 설명하고, 3장에서는 근거리 영역 탐지거리 개선 방법에 대해 기술하였다. 4장에서는 결과 분석에 대한 고찰을 하였으며, 결론은 5장에서 정리 하였다.

2. 레벨계 개요 및 시스템 구성

레이다 레벨계는 송신기에서 전파를 송신하고 측정면에 반사되어 돌아온 수신신호의 시간을 측정하여 거리를 구하는 것이 기본 원리이다. FMCW 레이다는 연속파를 송신하면서 시간에 따른 주파수 변조기술을 함께 사용하여 얻은 비트 스펙트럼으로 표적까지의 거리를 알아낼 수 있다. FMCW의 변조 대역폭을 B_ro, Sweep 주기를 T_s라고 하면 FMCW 레이다의 거리 방정식은 식(1)과 같이 표현할 수 있다.

\(R_{\max }=\left(\frac{P_{c w} G_{I} G_{R} \lambda^{2} \sigma}{(4 \pi)^{3} L k T_{e} F B_{ro}(S N R)_{ro} /(P G R)}\right)^{\frac{1}{4}}\)       (1)

FMCW 레이다의 신호처리 이득은 시간과 대역폭의 곱으로 나타낼 수 있으므로 PGR = B_roT_s로 표현할 수 있으며, 여기에 식(1)을 대입하면 식(2)와 같다.

\(R_{\max }=\left(\frac{P_{c w} G_{I} G_{R} \lambda^{2} \sigma T_{s}}{(4 \pi)^{3} L k T_{e} F(S N R)_{r o}}\right)^{\frac{1}{4}}\)       (2)

FMCW 레이다의 거리 방정식에서 알 수 있듯이 탐지거리는 Sweep 시간의 함수로 주어지며 Chirp 대역폭과 는 관계가 없음을 알 수 있다. 결론적으로 FMCW 레이다 거리 방정식은 Sweep Repetition Period에 비례하고 Sweep Repetition Frequency가 낮을수록 최대 탐지거리는 길어진다(Kim et al., 2010). FMCW Sweep Repetition Frequency 대역폭은 수 Hz이지만 펄스 또는 LFM(Linear Frequency Modulation)의 대역폭은 수 MHz에서 수백 MHz로 매우 높기 때문에 FMCW 레이다는 동일한 출력으로 훨씬 더 먼 거리를 탐지할 수 있다. 그러나 펄스 또는 LFM 레이다에 비해 FMCW 레이다는 탐지거리나 Doppler Ambiguity가 크다는 단점이 있다(Gwak, 2017). 단일주파수 CW 레이다는 목표물에서 반사되는 신호 지연을 측정하기 위한 시간 정보를 얻을 수 없어 거리 측정에 사용할 수 없으며, 이런 시간 정보는 주파수를 변조함으로써 얻을 수 있다. 전송된 신호의 주파수가 선형적으로 증가한다고 생각하면, 송신 주파수와 수신 신호의 주파수의 차는 목표물까지 거리에 비례한다(Choi et al., 2017).

\(t_{d}=\frac{2 R}{c}, \frac{t_{d}}{T_{\text {sweep }}}=\frac{f_{h}}{B_{\text {sweep }}}\)       (3)

\(f_{h}=\frac{t_{d} B_{\text {sweep }}}{T_{\text {sweep }}}\)       (4)

식(3)과 식(4)는 목표물까지의 거리 R, 빛의 속도 c, 송수신 신호 시간 차 t_d, 주파수 변조 sweep 시간 T_sweep, 주파수 변조 sweep 대역폭 B_sweep라고 할 때 반사 신호가 수신될 때까지의 거리 비트 주파수 f_b를 구하는 식이다. Fig. 1에서 송신 주파수는 f1과 f2 사이에서 변조되고, 송신 신호와 반사 신호의 차 f_d가 측정되며 이동 시간과 거리에 비례한다(Lee et al., 2010b).

Fig. 1. FMCW Radar Tx/R waveform (Devine, 2000).

FMCW 레이다는 주파수 변조 연속파를 사용하여 거리를 측정하는 간접거리 측정 방법이다. FMCW 레이다 송신기는 두개의 송신 주파수 f1과 f2 사이에서 신호를 ramping하기 위해 VCO(Voltage Controlled Oscillator)가 필요하며 주파수 Sweep이 제어되고 주파수 선형성이 중요하기 때문에 출력의 Closed loop 기능이 있는 정확한 주파수 측정 회로 또는 온도 보상을 포함한 VCO 출력의 선형화를 통해 이루어진다(Devine, 2000). Fig. 2는 레이다 레벨계의 시스템 구성에 대하여 설명한 것이다. 레이다 레벨계는 크게 신호처리부, 송수신부, 안테나부로 구성된다. 신호처리부는 FPGA(Field Programmable Gate Array), MCU(Micro Controller Unit), ADC(Aalog Digital Converter)로 구성되고 송수신부는 VCO, Coupler, Divider, Circulator, Mixer 등으로 이루어져 있으며, 안테나부는 X-band 용 Horn 안테나로 구성된다. 대략적인 레벨계의 동작을 살펴보면, 신호처리부의 FPGA에서 Transceiver의 VCO를 제어하기 위해 Frequency Synthesizer를 제어한다. 주파수 제어신호에 의해 제어된 VCO에 의해 설정된 대역폭과 Sweep 주기 동안 주파수는 변조된다. 변조된 송신신호는 안테나를 통해 방사되고 표적에 반사되어 온 수신신호는 다시 안테나를 통해수신된다. 수신신호는 Transceiver의 Circulator를 지나 mixer와 LNA(Lower Noise Amplifier)를 거쳐 신호처리부의 ADC를 통과해 디지털 신호로 변환된다. 변환된 디지털 비트 신호는 FPGA 의 FFT(Fast Fourier Transform) 블록을 거쳐 주파수 스펙트럼 형태로 MCU의 레이다 프로세싱 영역을 지나 거리정보로 추출되고 최종 거리정보는 PC로 전달되어 모니터링 소프트웨어에서 관리된다.

Fig. 2. Level meter system configuration.

Table 1은 FMCW 레이다의 성능을 나타내는 주요 파라미터를 정리하였다. 레이다 레벨계의 중심주파수는 X-band 대역으로 10 GHz, 주파수대역폭은 500 MHz, 1 GHz, 샘플링 주파수는 35 kHz, 70 kHz, 140 kHz, Sweep 시간은 5 ms, 10 ms, 20 ms, FFT 길이는 512, 1024, 2048 point이다. 거리는 주파수 변조 대역폭과 Sweep 시간에 의해 결정되고, 속도는 레이다의 중심주파수와 도플러 주파수에 의해 결정되며, 레이다 신호처리시 샘플링 주파수와 FFT point 수에 의해 분해능이 결정된다.

Table 1. Level meter performance parameter

3. 근리 영역 탐지거리 개선 방법

최소탐지거리 성능을 개선하기 위해서는 근거리 영역의 잡음 감소와 표적 신호의 강화가 필요하다. 이를 위해 window 함수와 Equalizer 필터를 적용하고자 한다. window 함수를 적용하는 이유는 연속적으로 들어오는 수신 신호의 시간 데이터를 일정한 구간으로 잘라서 처리하는 과정에서 스펙트럼상에 손실이 나타나는 현상이 생기는데, 이러한 데이터 잘림 현상이 시간 영역에서 제한된 데이터 블록으로 상관처리를 할 때 인접 거리 셀에 sidelobe의 상승을 가져오며 데이터 잘림으로 인한 부작용을 줄이기 위해 다양한 window 함수를 적용하게 된다. 표적을 탐지할 때는 주변 거리 셀이나 도플러 필터 셀 주변의 sidelobe가 높으면 탐지에 오류가 날 수 있기 때문에 이러한 sidelobe를 좀 더 줄이기 위해서 시간 영역의 데이터를 cosine 또는 sine 형태의 함수를 적용하여 이터 양끝의 가중치를 부드럽게 만들거나 특별한 가중치를 갖는 window 함수들을 사용한다. 일반적으로 많이 사용하는 window 함수로는 Hanning window, Hamming window, Dolph-Chebyshev window, Kaiser window 등이 있다. 이 window 가운데 mainlobe의 빔 폭 증가를 최소화하고 sidelobe의 크기를 효과적으로 줄일 수 있는 Dolph-Chebyshev window를 적용하려고 한다. Fig. 3과 같은 Dolph-Chebyshev window는 안테나 설계 시 가중치나 레이다 신호처리 필터에서 많이 사용하는 window 함수이며, convolution으로 곱셈을 처리할 경우에 사용하거나 sidelobe는 낮으나 중심에서 낮게 떨어지지 않는 경우에 사용된다. 보통 mainlobe의 width 증가에 비해 sidelobe의 크기를 최대한 감소시키기 위해 weighted window를 사용하면 mainlobe의 width가 넓어지는 단점이 있다. 그래서 sidelobe의 크기를 감소시키면서 mainlobe의 width 증가를 최대한 줄이는 것이 필요하다. 이러한 특성을 만족시킬 수 있는 window로 DolphChebyshev window가 있으며 상대적으로 mainlobe의 width 증가는 최소화하고 sidelobe의 크기는 최대한 감소시킬 수 있다. 식(5)와 식(6)은 Dolph-Chebyshev window를 주파수 영역에서 표현한 것이다. 시간영역에서 window 샘플은 주파수 영역 샘플을 IFFT를 통해 얻을 수 있다. α는 mainlobe와 sidelobe의 비를 나타내며 sidelobe들의 크기들은 균일하게 진동하는 특성을 보인다(Lee,2010a).

\(\begin{array}{c} W(k)=(-1)^{k}, \frac{\cos \left[N \cos ^{-1}\left[\beta \cos \left(\frac{\pi }{N}\right)\right]\right]}{\cosh \left[N \cosh ^{-1}(\beta)\right]} \\ k=0,1, \ldots, N-1 \end{array}\)       (5)

\(\begin{aligned} \beta=& \cosh \left[\frac{\cosh ^{-1}\left(10^{\alpha}\right)}{N}\right], \\ & \cos ^{-1}(x)=\left\{\begin{array}{l} \frac{\pi}{2}-\tan ^{-1}\left[\frac{x}{\sqrt{1.0-x^{2}}}\right],|x| \leq 1.0 \\ \ln \left[x+\sqrt{x^{2}-1.0}\right],|x| \geq 1.0 \end{array}\right. \end{aligned}\)       (6)

Fig. 3. Dolph-Chebyshev window.

Dolph-Chebyshev window는 다른 window 함수에 비해 연산 소요시간이 다소 증가되고, window loss가 상대적으로 크지만 근거리에서 수신 신호의 크기는 매우 크기 때문에 시스템에 큰 영향을 주지 않는다. Kaiser window와 Dolph-Chebyshev window는 해상도의 대역폭이 좁으므로 작은 표적도 쉽게 구별할 수 있는 장점이 있다.

송신 안테나와 수신 안테나를 분리할 경우 Circulator나 Coupler또는 Divider를 이용하는 경우보다 송신단과 수신단의 격리도가 우수하기 때문에 수신감도가 좋아지지만 두 개의 안테나를 이용하기 때문에 레이다의 크기가 증가하게 된다. 동일 안테나 사용으로 송신시 반사신호가 안테나로 다시 리턴되어 돌아오는 송신 누설 신호는 표적에 맞고 돌아오는 수신 신호의 전력 비해 매우 크므로 수신 RF 회로를 포화시키거나 또는 수신 회로를 손상시킬 수 있다. 이러한 CW를 이용한 레이다는 송신 및 수신단이 항상 open되어 있기 때문에 송신 누설신호로 인한 잡음 증가가 생긴다는 것이 단점이며 송신되는 신호의 파워가 커질수록 수신단의 잡음이 더욱 증가하게 된다. 이러한 잡음 감소를 위해 DolphChebyshev window와 함께 Equalizer 필터를 적용하였다. Equalizer 필터는 저주파 대역의 잡음에 의해 왜곡되는 주파수 특성을 평탄화시키는 역할을 하며, 저주파 대역의 잡음을 억제시키고 고주파 대역의 신호는 강화시켜 표적 탐지를 용이하게 해준다. Fig. 4는 Equalizer 필터의 특성 그래프이다.

Fig. 4. Equalizer filter characteristic graph.

Equalizer 필터는 PGA(rogrammable Gain Amplifier), sinc5 필터, 디지털 필터로 구성되며 3가지 필터의 응답 특성을 합하여 Equalizer 필터를 설계할 수 있다. 디지털 필터는 7개의 2nd-order 필터로 구성되며, 7단계의 Coefficient 값 A1, A2, A3, B1, B2, B3, G을 설정하여 원하는 디지털 필터의 응답을 구현할 수 있으며 수식으로 정리하면 식(7)과 같다.

\(H(z)=\frac{\sum_{n=0}^{M} b_{n} z^{-n}}{\sum_{n=0}^{N} a_{n} z^{-n}}=\frac{b_{0}+b_{1} z^{-1}+\ldots+b_{M} z^{-M}}{1+a_{1} z^{-1}+\ldots+a_{N} z^{-N}}\)       (7)

앞서 언급한 Dolph-Chebyshev window와 Equalizer 필터를 적용하고 레이다 레벨계의 성능을 확인하기 위하여 레이다 레벨계의 탐지거리 파라미터를 Table 2와 같이 설계하였다. 최대 송신 출력은 1 mW, dwell time은 5ms일 때, 최대 탐지 거리는 약 63 m이다. 설계 목표치인 최대 50 m를 충족하는 값이며, 주파수 Sweep 대역폭 1 GHz를 적용하면 최대 비트 주파수는 66.7 kHz가 된다.따라서 ADC의 샘플링 주파수는 약 70 kHz 의 2배인 140 kHz로 설정하여 시험하였다.

Table 2. Level meter detection distance design parameter

레벨계 시험은 먼저 전파의 영향이 없는 무반향 챔버에서 수행하였으며 무반향 챔버 시험 구성도는 Fig. 5와 같이 레벨계와 코너리플렉터를 수평으로 놓고 코너리플렉터를 이동하면서 탐지거리에 따른 비트 스펙트럼을 측정하고, 최소탐지거리에 영향을 주는 근거리 잡음을 분석하기 위해 시험을 진행하였다.

Fig. 5. Level meter anechoic chamber test configuration.

4. 결과 분석 및 고찰

레벨계의 외부 잡음 변수를 최소화하여 시험을 진행하기 위하여 Fig.6과 같이 무반향 챔버에서 시험을 진행한 모습이다. 레벨계의 탐지거리 설계 파라미터를 적용하여 실제 측정된 값과 계산된 값을 비교 및 분석하고 코너리플렉터의 거리를 변화시켜가면서 비트 스펙트럼의 추이와 근거리 영역에서의 잡음에 대해 관찰하였다.

Fig. 6. Level meter anechoic chamber test.

레벨계를 무반향 챔버에서 코너리플렉터를 이동시켜가며 측정해보고 앞서 설명한 파라미터를 적용하여 시험한 결과를 Fig. 7과 Fig. 8과 같이 시간영역의 비트 신호와 파수 영역의 비트스펙트럼으로 표시하였다. 레벨계와 코너리플렉터 사이의 거리가 약 1.5 m 떨어진 곳에서 시험한 결과 비트 주파수는 약 1.9 kHz로 측정되었다. 측정된 시간영역 신호에 대해 FFT 연산을 수행하여 주파수 영역에서 표적 신호와 잡음 신호를 확인할 수 있다.

Fig. 7. Anechoic chamber corner reflector measurement beat signal.

Fig. 8. Anechoic chamber corner reflector measurement beat spectrum.

다음의 식(8)에 실제 측정된 비트 주파수를 대입해보면 시간 영역 신호의 주기인 0.53 ms를 구할 수 있으며 실제 비트신호의 주기와 비교해보면 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다.

\(\text { Tbeat }=\frac{1}{f_{b}}=\frac{1}{1.9 \mathrm{kHz}} \approx 0.53 \mathrm{msec}\)       (8)

Fig. 9는 레벨계의 근거리 영역 잡음을 확인하기 위해 무반향 챔버에서 측정한 비트 스펙트럼 신호를 분석한 것이다. 이상적으로는 모든 대역에서 잡음 레벨 수준의 신호가 측정되어야 하지만 최소 탐지거리 영역에서 스펙트럼 크기가 높게 측정되었다. 이러한 근거리 영역에서의 높은 잡음 레벨로 인해 실제 최소 탐지거리 레벨 측정에 직접적인 영향을 주어 근거리 탐지를 어렵게 한다.

Fig. 9. Applying before window and filter spectrum.

이와 같은 최소탐지거리에 영향을 주는 근거리 잡음에 대하여 앞서 설명한 Dolph-Chebyshev window와 Equalizer 필터를 적용하여 아래의 Fig. 10과 같이 최소탐지거리가 개선됨을 확인할 수 있다. window 및 필터 적용 전 스펙트럼에서는 나타나지 않았던 peak가 window와 필터 적용 후에는 약 2.5 kHz의 스펙트럼 peak가 나타난 것을 볼 수 있으며 근거리 영역의 잡음도 많이 줄어들어 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 10. Applying after window and filter spectrum.

무반향 챔버 외에 실제 측정환경에서의 시험 결과를 Fig. 11과 같이 표시하였으며 실제 물이 채워져 있는 물탱크에 레벨계를 설치하여 시험을 진행한 모습이다. 레벨계를 물탱크의 상단에 고정시키고 수면 측정 시 정확한 값을 획득할 수 있도록 수평을 맞추는 작업 후 수위를 측정하였다.

Fig. 11. Level meter tank measurement test.

레벨계 운용 시 잡음을 줄이기 위해서는 물탱크 내부에서 발생하는 전파의 간섭, 다중 경로 잡음 등을 고려해야 하며 레벨계 설치 시 비트 스펙트럼을 측정해보면서 측정위치를 결정하는 것이 바람직하다. 물탱크에서 수위를 측정한 시간영역의 비트신호와 주파수 영역의 스펙트럼을 Fig. 12와 같이 표시하였다. 주파수 스펙트럼을 분석해보면 근거리 영역의 잡음으로 인해 최소탐지 거리가 측정이 제한 받게 됨을 확인 할 수 있다. 근거리 영역의 잡음은 안테나를 공유하면서 발생하는 송신 누설 신호와 연속파 변조 형태인 FMCW 레이다의 특성에 기인하기 때문에 잡음을 개선시킬 수 있는 window 함수와 Equalizer필터를 사용하여 잡음은 제거하고 신호는 강화하여 최소탐지거리를 개선 시킬 수 있다.

Fig. 12. Level meter tank measurement test beat signal and spectrum

이러한 근거리 영역의 잡음을 제거하기 위해 물탱크의 수위를 비교적 근거리 영역인 약 0.7 m와 약 5 m로 설정하고 Dolph-Chebyshev window와 Equalizer 필터를 적용하여 시험하였다. Fig. 13과 같이 측정 결과를 스펙트럼으로 확인할 수 있으며, 근거리 영역의 잡음이 개선되어 표적이 탐지되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 13. Measurement near region after applying window and equalizer filter.

5. 결론

본 논문에서 레이다 레벨계를 이용하여 근거리 영역의 잡음을 분석하고 최소탐지거리를 개선할 수 있는 방안을 제시하였다. 레이다 레벨계에서 근거리 영역의 탐지 성능은 시스템의 전체 성능에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 이러한 문제들을 개선하기 위하여 DolphChebyshev window 함수와 Equalizer 필터를 이용하여 레벨계 근거리 영역의 잡음을 감소시키고 최소 탐지거리의 성능을 개선할 수 있었다. 근거리 영역 표적의 스펙트럼 세기는 상당히 크기 때문에 이러한 특성을 잘 고려하여 window 함수 및 필터를 선택하여 적용한다면 FMCW 레이다에서 불가피하게 발생하는 송신누설 신호들을 제거하고 sidelobe의 크기를 낮추는 등 효과적으로 레벨계를 운용할 수 있을 것으로 생각된다. 이러한 결과들을 바탕으로 설치 환경, 잡음의 특성을 포함한 데이터를 축적하여 활용해 간다면 시스템의 최소 탐지 거 성능 향상에 도움이 될 수 있을 것이다.