KR100488028B1 - Fmcw형 레이더 유닛에서의 간섭 제거 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 FMCW형 레이더 유닛에서 펄스와 같은 지속 시간이 짧은 간섭을 제거하는 방법에 관한 것으로, 송신 신호와 수신 신호는 가용 신호를 형성하도록 결합된다. 본 발명의 방법에 따라, 가용 신호에서의 간섭은 시간 영역에서 검출되어 제거되며, 간섭이 있는 가용 신호의 부분은 간섭이 없는 샘플에 기초한 외삽에 의한 추정에 의해 재구성된다. 본 발명의 방법에 의해, 간섭의 발생은 공지된 신호의 클리핑 방법에 의해 발생되는 형태인 복소 푸리에 변환에 의해 방지된다.

Description

FMCW형 레이더 유닛에서의 간섭 제거 방법{PROCEDURE FOR THE ELIMINATION OF INTERFERENCE IN A RADAR UNIT OF THE FMCW TYPE}

본 발명은 선형 주파수 스위프를 이용하는 FMCW형 레이더 유닛에서 펄스와 같은 단 기간의 간섭을 제거하는 방법에 관한 것으로, 그 방법에서는 송신 신호와 수신 신호를 조합하여 차동 신호(difference signal) 형태의 유용한 신호 즉, 비트 신호(beat signal)를 생성하고, 이 비트 신호는 각 목표물마다의 1개의 파이며, 그 파의 주파수, 진폭 및 위상은 목표물에 대한 정보를 포함하며, 비트 신호는 샘플링된다. 본 발명의 방법은 이동 레이더 분야에 채용될 수 있을 뿐만 아니라 다른 FMCW 레이더 응용 분야에 대해서도 사용될 수 있다.

선형 FMCW 레이더에 대한 이론은 예컨대, 1980년 스콜닉(Skolnik)의 저서 Introduction to Radar Systems, 2nd Ed., McGraw-Hill, chapter 3에 공지되어 있다. 최근, 기술이 발전함에 따라 FMCW 레이더 유닛의 사용이 증가하고 있는데, 본 명세서에서는 이에 대해 더 이상 설명하지 않는다. 선형 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더 유닛은 원리적으로는 다음과 같이 작동한다.

주파수 스위프는 가변 주파수로 오실레이터를 제어하기 때문에 송신 주파수는 주기적으로 변화한다. 각 주기는 기본적으로 3부분, 즉 일정한 베이스 주파수, 선형 주파수 스위프 및 베이스 주파수로의 신속한 귀환을 갖는다. 선형 주파수 스위프는 레이더 유닛이 "유용한 작동을 수행하는" 시간이고, 총시간의 70 - 80%(0.7 - 0.8의 작동율)를 점유하는 경우가 많다.

이하 설명을 간단히 하기 위해 레이더 유닛 및 그 목표물은 정지하고 있는 것으로 한다. 이동하는 목표물 또는 이동하는 레이더 유닛의 경우에는, 도플러 효과가 또한 적용된다. 그러나, 대부분의 실제 FMCW 시스템에 있어서, 도플러 효과의 적용은 본 발명을 미미하게 변경하는 것에 불과하다.

레이더 유닛으로부터 목표물까지 도달하고 이어서 되돌아 오는 전파 시간은 전형적으로 몇 ㎲ec이다. 그러므로 목표물로부터 수신된 신호는 이전에 어떤 시간에 송신된 주파수를 갖는다. 이 수신 주파수는 스위프되기 때문에 송신 주파수와 동일한 주파수는 아니다. 그 수신 주파수도 선형 주파수 스위프를 갖는다. 수신 주파수 스위프와 송신 주파수 스위프는 전파 시간과 동일한 시간 변위와 평행하기 때문에 고정된 목표물에 대한 결과로서, 송신된 신호와 수신된 신호 사이의 주파수차는 일정하게 된다. 이 일정한 주파수차는 목표물까지의 전파 시간과 단위 시간당 주파수로서 표현된 주파수 스위프의 기울기 사이의 곱으로써 주어진다.

선형 FMCW 레이더 유닛에서의 신호 처리는 차동 신호(비트 신호)를 생성하도록 주로 결합되는 송신된 신호 및 수신된 신호로 구성되어 있다. 이 신호는 레이더 목표물을 각각 나타내는 복수의 사인파의 합산 신호이다. 이 사인파는 큰 진폭이 큰 목표물에 대응하고, 고주파수는 먼 거리에 있는 목표물에 대응한다는 이론에 따라 상이한 주파수, 진폭 및 위상 위치를 갖는다. 도플러 효과(상대 속도에 기인함)는 주로 위상 위치에 영향을 준다.

어떤 목표물을 관찰할 것인지와, 그 크기 및 상대 속도를 결정하기 위해, 차동 신호는 주파수 분석된다. 주파수 분석은 안티-에일리어스 필터를 통해 전송되고 일정한 샘플링율로 샘플링된 차동 신호에 의해 디지탈적으로 최상으로 실행되는데, 그 이후 샘플링된 신호는 샘플링 주기의 개시 및 종료에서 신호의 진폭을 감소시키도록 윈도우 함수와 곱해지고 일반적으로 FFT 즉, 고속 푸리에 변환으로 공지된 고속 알고리즘에 의해 이산 푸리에 변환, 즉 DFT를 실행하는 신호 프로세서에 전송된다. 푸리에 변환은 일반적으로 복잡하지만, 실시간 신호(차동 신호)에 대해 어떤 대칭도를 갖는다. FFT 알고리즘을 이용할 수 있도록 하기 위해, 샘플의 수는 전형적으로 2의 배수(256, 512, 1024,...)로서 선택된다. 256개의 샘플은 256개의 FFT 계수를 제공하지만, 신호가 실수 신호이면 그 대칭도는 이들 256개의 값중 128(실제로는 129)개의 값만이 독립된 값임을 의미한다.

푸리에 변환, 예컨대 FFT에 의해 신호는 복수의 이산 주파수 성분, 즉 사인파로 나누어진다. 각 주파수는 상기와 같이 1 개의 거리에 대응한다. 복소 FFT 계수의 크기는 대응하는 주파수 윈도우(거리 윈도우)에서 목표물에 대한 레이더 목표 영역(수신된 파워)의 측정값이다. FFT는 목표물 신호의 간섭성 적분으로서 공지된 것을 실행하는데 이는 유리하다. 시스템에서 후속하는 신호 처리는 계산된 FFT 계수에 대해 디지탈적으로 실행된다.

거리 윈도우의 공칭 폭은 샘플링 주기 동안 선형 FMCW 스위프의 주파수의 변화에 역비례함을 알 수 있다. 1m의 거리 분해능에 대해, 150 MHz의 주파수의 변화가 요구된다. 거리 분해능을 변경하기 위해, 주파수 스위프의 기울기는 예컨대, 동일한 일정 샘플링 시간을 유지하면서 변화될 수 있다.

샘플링율은 고려될 수 있는 비트 신호의 주파수를 한정하며, 이에 따라 전체의 관찰되는 거리 영역을 한정한다. 선형 FMCW 스위프와 평행하게 놓여진 "가용 밴드(useable band)"의 폭은 종종 1MHz보다 작다.

선형 FMCW 레이더 유닛은 다양한 목표물로부터 반사된 그 자신의 송신 신호가 아닌 신호를 수신하는 경우 간섭에 영향을 받을 수 있다. 레이더 유닛은 펄스 레이더 유닛, 펄스 압축 레이더 유닛 및 다른 FMCW 레이더 유닛을 포함하는 다른 레이더 유닛으로부터의 간섭에 영향을 받을 수 있다. 예컨대, FMCW 레이더 유닛에서의 선형 스위프가 베이스 주파수 또는 다른 FMCW 레이더 유닛으로부터의 귀환 주파수로부터의 간섭에 영향을 받을 경우 짧은 기간의 간섭이 발생하게 된다.

샘플링 주기 동안의 짧은 기간의 간섭(펄스)은 시간 영역에서는 짧은 범위를 갖고 주파수 영역에서는 매우 넓은 대역을 갖는다. 짧지만 강한 간섭은 비트 신호의 몇개의 샘플에 영향을 미칠뿐이지만, 푸리에 변환에서는 주파수 윈도우 전체에 영향을 미칠 수 있다. 푸리에 변환의 "노이즈 레벨"은 증가되도록 나타나기 때문에 작은 목표물은 간섭에 의해 가려질 수도 있다.

짧은 기간의 간섭을 억압하기 위한 공지된 방법은 간섭이 검출되는 시간 동안, 로우값 예컨대, 0을 삽입("클리핑")함으로써 간섭을 제거하는 것이다. 0으로의 클리핑은 그 자체로 시간 신호로부터의 간섭을 제거할 수 있지만, 그 대신에 가용 신호가 또한 영향받기 때문에 복소 FFT에 간섭을 유도한다. 무엇보다도, 강한 콘트라스트를 갖는 목표물은 확장된다(측빔을 얻는다). FFT에서의 간섭은 클리핑 실행에서 다양한 타협에 의해 변형될 수는 있지만 제거될 수 없다.

도 1은 선형 FMCW 레이더 유닛의 작동 원리를 모식적으로 나타내는 도면이다.

도 2는 시간-주파수 좌표에서의 적절한 주파수 스위프를 나타내는 예이다.

도 3은 FMCW 레이더 유닛으로부터 실제로 샘플링된 비트 신호를 나타내는 예이다.

도 4는 도 3의 비트 신호에 대한 FFT의 절대량을 나타내는 도면이다.

도 5는 짧은 기간의 간섭이 있는 도 3의 비트 신호를 나타내는 도면이다.

도 6은 도 5에 도시된 간섭을 갖는 비트 신호에 대한 FFT의 절대량을 나타내는 도면이다.

도 7은 도 5의 간섭이 있는 비트 신호를 간섭이 있는 영역을 확장하여 나타낸 도면이다.

도 8은 도 3의 간섭이 없는 비트 신호 및 도 7에서와 같은 간섭이 있는 동일 영역에 관해서 확장된 외삽에 의해 추정된 비트 신호를 나타내는 도면이다.

도 9는 도 8에서와 같이 외삽에 의해 추정된 재구성된 도 5의 간섭이 없는 비트 신호의 절대량을 나타내는 도면이다.

본 발명의 목적은 전술한 공지된 방법의 결점을 극복하여 시간 신호로부터 짧은 기간의 간섭을 제거하는 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은 간섭이 있는 영역에 대해서 외삽(extrapolation)에 의해 추정되는(예측되는) 가용 신호에 기초한다. 이 방법은, 비트 신호의 간섭이 시간 영역에서 검출되어 제거되고, 비트 신호가 간섭이 없는 샘플에 기초하여 외삽에 의해 간섭이 있는 부분 동안 재구성되는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따른 적합한 방법에 따라, 비트 신호는 간섭이 없는 이전 샘플 및 다음 샘플 양자에 기초한 양방향에서의 외삽에 의한 추정에 의해 간섭이 있는 부분에 대해 재구성된다.

본 발명에 따른 다른 적합한 방법에 따라, 비트 신호는 간섭이 없는 샘플의 선형 조합으로서 간섭이 있는 부분에 대해 외삽에 의해 추정된다. 그에 따라 간섭이 없는 샘플의 선형 조합에 대해 FIR 필터가 사용될 수 있다. 선형 조합의 계수는 적응 방법에 의해 유리하게 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 또다른 적합한 방법에 따라, 정보는 외삽에 의해 이전 FMCW 스위프로부터 사용된다. 이전 FMCW 주파수가 스위프하기 때문에, 이는 레이더 안테나가 작은 각도 즉, 안테나 빔 폭의 일부분에만 걸쳐 회전하는 것과 같이 수행될 수 있다. 그러므로, 신호의 주된 사인파는 거의 동일 주파수 및 거의 동일 진폭을 갖는다. 이 방법은 비트 신호에 대한 예측의 신뢰성을 증대시킨다.

본 발명의 따른 다른 적합한 방법에 따르면, 비트 신호는 사전에 필터링된다. 그러므로 간섭의 검출에 있어서의 감도는 증가한다. 이전 FMCW 스위프로부터의 정보는 사전 필터링을 위해 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이하에 더 상세히 설명된다.

도 1에 도시된 레이더 유닛은 송신기(1) 및 수신기(2)를 포함한다. 안테나(3)는 서큘레이터(circulator)(4)를 통해 송신기 및 수신기에 접속된다. 송신기에는 가변 주파수를 갖는 오실레이터(6)에 접속된 오실레이터 제어 장치(5)가 있다. 오실레이터 제어 장치(5)로부터의 주파수 스위프는 오실레이터(6)를 제어하여 주기적으로 변화하는 주파수를 갖는 신호가 생성되는데, 이 신호는 방향 결합기(7)와 서큘레이터(4)를 통해서 안테나(3)에 의해 송신된다. 도 2를 참조하면, 주파수 스위프의 주기는 일정한 베이스 주파수부(30), 선형 주파수 스위프부(31) 및 베이스 주파수로의 신속한 귀환부(32)의 형태의 3부분을 주로 포함한다. 오실레이터(6)는 예컨대, 77 GHz의 기가 헤르쯔 범위 내에서 작용할 수 있다. 안테나(3)에 의해 수신되는 반사된 신호는 서큘레이터를 통해 믹서(8)로 획득되고, 반사된 신호는 송신된 신호와 결합된다. 증폭기(9)에 의해 증폭되고 필터(10)에 의해 필터링된 후에, 차동 신호 또는 비트(beat) 신호가 획득되어, FFT 프로세서(11')로서 공지된 것을 또한 포함할 수 있는 프로세서 블록(11)에서 간섭 및 간섭이 없는 가용 신호의 합성을 검출하고 제거하기 위한 후속하는 신호 처리에 대한 기초로서 사용된다.

도 3은 실제 FMCW 비트 신호(33)를 나타낸다. 도 4는 해밍 윈도우를 채용하는 대응 FFT(34)의 절대값을 나타낸다. 도 5에서, 펄스(35)의 형태인 단 기간의 간섭은 도 3에서 비트 신호(33)에 부가되어 있다. 도 6은 도 5의 간섭이 있는 신호에 대한 절대량을 도시한다. 도 4의 간섭이 없는 FFT와 도 6의 간섭이 있는 FFT를 비교하면, 거의 모든 정보가 간섭이 있는 FFT로 가려지는 것을 알 수 있다.

가용 신호를 필터링하는 이론에 대해 이하에 상세히 설명한다. FMCW 레이더 유닛에서의 가용 신호, 즉 실제 목표물에 대응하는 신호는 사인파의 합이다. 일정한 주파수로 샘플링된, 단일 사인파로 구성된 신호는 샘플들 사이에서 간단한 선형 관계식을 갖는다. 신호가 sin(ω*t+φ)로 표현될 수 있다고 가정한다. 따라서, 2개의 샘플 사이에서 사인파의 위상각은 각도 ωT=θ에 의해 변화한다(여기에서, T는 샘플링 간격이다). 삼각 항등식에 따라,

그러면, 신호의 연속적인 3개의 샘플인 경우에는,

이것은 신호의 진폭에 상관없이 적용가능하다. 이 선형 관계식은 다양한 방식으로 해석될 수 있다.

a) 신호가 계수 [ 1 - 2*cos(θ) 1]를 갖는 FIR(Finite Impulse Response) 필터를 통해 전송되면, 필터로부터의 출력 신호 y는 0과 동일해진다.

그러므로, 일정한 계수를 갖는 단일 FIR 필터로 신호를 상당히 감쇠시킬 수 있다.

b) 상기 수학식 3은 이하의 수학식 4와 같이 다르게 표현될 수도 있다.

다음 샘플은 바로 직전의 샘플로부터 선형 조합에 의해 예측될 수 있다. 상기 관계식이 이하의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다면,

샘플은 시간상 후위 예측에 의해 즉, 바로 다음 샘플로부터 재구성될 수 있음을 알 수 있다.

별개의 주파수를 갖는 몇개의 사인파로 구성된 신호에 대해, 대응하는 필터는 2차 FIR 필터의 곱에 의해 생성될 수 있다. 따라서, 4개의 상이한 사인파의 합인 신호 즉, 4개의 강한 목표물을 갖는 FMCW 신호는 8차의 FIR 필터에 의해 0으로 감소될 수 있으며, 샘플은 8개의 이전 샘플 또는 8개의 후속 샘플로부터 선형적으로 예측될 수 있다.

일반적인 FMCW 신호에 대해, 이들 관계는 대략적이지만, 이하의 관계가 일반적으로 적용된다고 할 수 있다.

1. 적절한 차수의 적합한 선형 FIR 필터에 의해 FMCW 신호를 상당히 감쇠할 수 있다.

2. 적절한 차수의 적합한 선형 관계를 이용하여 FMCW 신호를 선형적으로 예측할 수 있다.

상기 관계 1의 적용은 가용 신호가 적절한 방식으로 사전에 필터링된다면 간섭의 검출 감도를 크게 증가시킨다. 이는, 가용 신호의 진폭보다 훨씬 낮은 진폭을 가지지만, FFT에서 여전히 디테일(약한 목표물)을 가릴 수 있는 간섭의 검출을 가능하게 한다.

상기 관계 2는 짧은 부분의 간섭을 통과한 가용 신호를 보간할 수 있도록 하는데, 이하에 상세히 설명된다.

"적절한" 필터는 다양한 방식으로 계산되거나 적응 필터로서 계산될 수 있다. 상기 관계 1 및 2에 따른 상기 양 문제점은 적응 신호 처리로부터 알려져 있고, 이는 예컨대, 1996년 헤이킨(Haykin)에 의한 Adaptive Filter Theory, 3rd Ed., Prentice-Hall에 개시되어 있다. 계수는 일반적인 알고리듬 예컨대, LMS, 표준화된 LMS, RLS 등에 의해 결정될 수 있으며, 이는 전술한 참조 문헌의 제9장 및 제13장에 개시되어 있다.

필터의 적응 결정에 의해, 이전 FMCW 주파수가 스위프하기 때문에 레이더 안테나가 빔 폭의 일부분에만 걸쳐 회전된다는 사실을 종종 이용할 수 있다. 따라서 2개의 연속하는 FMCW 주파수 스위프로부터의 신호의 주된 사인파는 거의 동일한 주파수 및 거의 동일한 진폭을 갖는다. 그러므로, 이전 FMCW 스위프로부터의 정보는 필터를 결정할 때 사용될 수 있다.

이하는 가용 신호의 합성을 설명한다.

간섭을 제거하는 매우 유용한 방법은 가용 신호의 합성에 의해 간섭을 제거하는 것이다. 여기에서 상기 관계 2가 사용될 수 있다. 합성은 간섭이 없는 값에 기초한 신호의 1 종단 외삽 또는 2 방향으로부터의 외삽(2 종단 외삽 또는 보간)으로 구성될 수 있다. 이러한 합성은 간섭이 없는 FMCW 신호에 대한 복소 FFT의 재구성에 있어서 상당한 향상을 가져올 수 있다. 1 스테이지 외삽의 순환적인 적용에 의해 간섭이 없는 신호는 1 이상의 스테이지에 의해 재구성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 방법은 기간이 짧은(수십 스테이지) 간섭에 대해 주로 적용된다.

간섭 제거는 도 7 내지 도 9의 신호 도면에 의해 더 상세히 도시된다. 도 7은 샘플 634 부근에 지엽적으로 존재하고 집중의 중심을 갖는 간섭이 있는 비트 신호의 부분을 확대한 것이다. 도 8은 전술한 바와 동일한 형태의 선형 순환 공식에 의해 간섭이 있는 부분(샘플 620-654)에 대해 외삽에 의해 추정된 신호(36)와 함께 간섭이 없는 비트 신호(33)를 나타낸다. 도 8은 외삽이, 신호가 단순한 형태를 갖지 않더라도, 신호 내에서 매우 근접하게 교차하는 몇몇 최대값과 최소값을 형성하는 정정 신호에 후속하는 것을 도시한다. 도 9는 재구성된 신호(36)에 대한 FFT의 절대량을 나타낸다. 도 4와 도 9 사이의 비교에 의해, FFT의 절대량이 높은 정확도로 재구성되었음을 알 수 있다.

Claims (8)

  1. 선형 주파수 스위프를 이용하는 FMCW형의 레이더 유닛에서 펄스와 같은 지속 시간이 짧은 간섭들을 제거하는 방법으로서, 송신 신호와 수신 신호를 조합하여 차동 신호 형태의 가용 신호, 즉, 목표물 각각에 대한 파(wave)를 사용하여 비트(beat) 신호를 생성하고, 상기 파의 주파수, 진폭 및 위상은 상기 목표물에 대한 정보를 포함하는 것이고, 상기 비트 신호는 샘플링되는 것인 간섭 제거 방법에 있어서,
    상기 비트 신호의 간섭들은 시간 영역에서 검출되어 제거되고, 간섭이 있는 상기 비트 신호의 부분은 간섭이 없는 샘플에 기초하여 외삽(extrapolation)에 의해 재구성되는 것을 특징으로 하는 간섭 제거 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 간섭이 있는 비트 신호의 부분은 간섭이 없는 이전 샘플 및 후속 샘플 모두에 기초하여 양 방향에서의 외삽에 의해 재구성되는 것을 특징으로 하는 간섭 제거 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 간섭이 있는 비트 신호의 부분은 상기 간섭이 없는 샘플들의 선형 조합들로서 외삽에 의해 추정되는 것을 특징으로 하는 간섭 제거 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 선형 조합들을 행하기 위해 FIR 필터들을 사용하는 것을 특징으로 하는 간섭 제거 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 선형 조합에서의 계수들은 적응 가능한 방법들에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 간섭 제거 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외삽에 의한 추정을 위해 이전 FMCW 스위프로부터의 정보가 이용되는 것을 특징으로 하는 간섭 제거 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비트 신호는 사전에 필터링되는 것을 특징으로 하는 간섭 제거 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 이전 FMCW 스위프로부터의 정보는 상기 비트 신호의 사전 필터링을 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 간섭 제거 방법.
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