The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science (한국전자파학회논문지)

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W-Band Radar Altimeter for Drones

드론용 W-대역 레이다 고도계

  • Lee, Yong-Seok (College of Information & Communication Engineering, Sungkyunkwan University) ;
  • Lee, Gwon-Hak (College of Information & Communication Engineering, Sungkyunkwan University) ;
  • Kim, Jun-Seong (College of Information & Communication Engineering, Sungkyunkwan University) ;
  • Park, Jae-Hyun (College of Information & Communication Engineering, Sungkyunkwan University) ;
  • Kim, Byung-Sung (College of Information & Communication Engineering, Sungkyunkwan University) ;
  • Song, Reem (College of Information & Communication Engineering, Sungkyunkwan University)
  • 이용석 (성균관대학교 정보통신대학) ;
  • 이권학 (성균관대학교 정보통신대학) ;
  • 김준성 (성균관대학교 정보통신대학) ;
  • 박재현 (성균관대학교 정보통신대학) ;
  • 김병성 (성균관대학교 정보통신대학) ;
  • 송림 (성균관대학교 정보통신대학)
  • Received : 2019.03.27
  • Accepted : 2019.04.24
  • Published : 2019.04.30
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Abstract

In this study, we propose a W-band frequency modulated continuous wave(FMCW) radar altimeter that can measure the altitude based on the frequency differences of transmitted and received signals. This W-band FMCW system is powered by an altitude control algorithm, which we propose to help prevent collisions of drones with obstacles in real deployment by measuring the relative altitude. It is shown that this algorithm enables the drone to be positioned within a 3 % error of altitude from the desired input height. The chip used in the W-band transmitter and receiver was fabricated using a 65-nm CMOS process, and a horn antenna was directly fed by incorporating an embedded waveguide feeder into the chip. The clutter spectra observed in terrains including soil, grass, and calm lake water were measured and compared, confirming the reflectivity characteristics of various surfaces of different water contents.

본 논문에서는 정확한 고도를 측정하기 위해 송 수신 주파수 차를 이용해 고도를 탐지할 수 있는 W-대역 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이다 고도계 시스템을 설계 제작하고, 상대 고도를 탐지하여 장애물과 충돌을 방지할 수 있는 고도제어 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘을 탑재한 레이다 고도계를 드론에 장착하여 비행시킨 결과, 입력 고도 대비 최대 약 3 % 오차의 실제 고도 제어를 실험적으로 보였다. W-대역 송 수신기에 사용한 칩은 65 nm CMOS 공정을 이용해 제작하였으며, 칩 상에 도파관 급전기를 내장하여 혼 안테나를 직접 구동하였다. 이 레이다 고도계를 이용하여 흙, 잔디, 그리고 호수 상공에서의 하방 클러터 전력분포를 실측하고, 수분 함량에 따른 표면 측정 특성을 확인하였다.

Keywords

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그림 3. 라즈베리파이에서 실행되는 고도제어 블록도 Fig. 3. Altitude control block diagram running on raspberry pi.

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그림 4. Matrice M100에 장착한 레이다 고도계 시스템 Fig. 4. Radar altimeter system mounted on Matrice M100.

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그림 5. 고도제어 측정 결과 Fig. 5. Altitude control measurement result.

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그림 6. 흙, 잔디, 호수 측정환경(수원시 일월공원) Fig. 6. Measurement environment of soil, grass, lake(Suwonsi Ilwol park).

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그림 7. 흙, 잔디, 호수 측정 결과 Fig. 7. Measurement results of soil, grass, lake.

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그림 1. W-대역 송·수신기 모듈[5] Fig. 1. W-band transmitter and receiver[5].

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그림 2. 드론용 레이다 고도계 시스템 구성도 Fig. 2. Diagram of the radar altimeter system.

표 1. W-대역 유전율과 반사율[9],[10] Table 1. Dielectric constants and reflectivities of W-band [9],[10].

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표 2. 고도에 따른 수신 전력 측정 결과(잔디) Table 2. Received power at peak IF at 4 different elevations.

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