KR100822348B1 - 속도 추정 장치 - Google Patents

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KR100822348B1
KR100822348B1 KR1020070012423A KR20070012423A KR100822348B1 KR 100822348 B1 KR100822348 B1 KR 100822348B1 KR 1020070012423 A KR1020070012423 A KR 1020070012423A KR 20070012423 A KR20070012423 A KR 20070012423A KR 100822348 B1 KR100822348 B1 KR 100822348B1
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doppler
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KR1020070012423A
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최주호
박용석
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명에 따른 속도 추정 장치는 도플러 레이더 안테나(10)와; 아날로그-디지털 컨버터 및 신호 처리부가 구비된 신호 정밀 추정부(20)로 구성되며, 상기 신호 처리부에서 무게 중심 방식, 맥클로드 방식, 킨 방식을 통하여, 주파수 또는 각속도를 추정(필요에 따라 SNR도 추정)함으로써, 정확한 속도의 추정이 가능한 장점이 있다.
속도, 주파수, 각속도, 추정, 속도 추정, 도플러, 레이더

Description

속도 추정 장치{Velocity estimation apparatus}
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 속도 추정 장치를 나타낸 블럭도.
도 2는 DFT 처리된 도플러 신호를 나타낸 그래프.
도 3은 도플러 신호의 처리 과정을 나타낸 개략도.
도 4는 블랙만해리스 윈도 특성을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 속도 추정 장치를 이용한 측정 데이터를 나타낸 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...도플러 레이더 안테나 20...신호 정밀 추정부
21...아날로그-디지털 컨버터 23...신호 처리부
본 발명은 속도 추정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 정확한 속도의 추정이 가능하며, 또한, 정확한 신호대잡음비의 추정이 가능한 속도 추정 장치에 관한 것이다.
오늘날, 대상 물체의 속도 및 위치, 또는 상대적인 속도 등을 측정(추정)하는 레이더로서 도플러 레이더가 사용되고 있다.
도플러 레이더는 지상의 항행원조시설 없이도 전파의 도플러 효과를 이용해서 항공기의 대지속도(對地速度)·편류각(偏流角) 및 비행거리를 직접적이고 연속적으로 구하여 장거리를 항행할 수 있게 하는 자립항법장치를 지칭한다.
이와 같은 도플러 레이더를 이용하여 속도를 추정하는 경우, 대상 물체를 대상으로 하는 도플러 신호(송신 주파수와 수신 주파수의 차)를 획득한 다음 이를 물체의 운동 속도값으로 변환하기 위하여 A/D 변환, 표본화, 속도 추출과 같은 신호처리과정을 거치게 된다.
이와 같은 신호 처리 과정 상의 방법으로 간단하게 신호의 영점 통과 회수를 계수하는 방식, 신호를 DFT(Discrete Fourier Transform)하여 주파수 영역에서 신호의 최대 진폭이 위치하는 주파수를 추정하는 방식이 있으며, 후자의 경우 DFT 최대 진폭이 위치하는 주파수의 정밀도를 높이기 위하여 신호에 0을 삽입하는(zero padding) 방법이 이용되고 있는데, 이 경우 보다 높은 정밀도를 획득하기 위하여 2×Log2 배의 연산을 사용하고 있다.
그러나, 이와 같은 연산 방법에 의하여도 대상 물체, 또는 상대적인 자신의 속도를 정확하게 추정하지 못하고 있어 이에 대한 대책이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 정확한 속도의 추정이 가능한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 소정의 물체를 대상으로 하여 도플러 신호를 송수신하는 도플러 레이더 안테나와; 상기 도플러 레이더 안테나에서 수신된 상기 도플러 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터 및 상기 변환된 디지털 신호를 처리하여, 상기 도플러 신호의 주파수 또는 각속도를 추정하여 상기 물체의 속도를 추정하는 신호 처리부가 구비된 신호 정밀 추정부를 포함하고, 상기 신호 처리부는 상기 도플러 신호의 주파수를 아래의 식
Figure 112007011273296-pat00001
△f0 : 정밀 추정을 위하여 보정해야 하는 주파수 편이량
nw : 시간 영역 윈도 상수의 최대 인덱스
P(i) : 주엽 내의 전력
fs : 표본화 주파수
N : 세그멘트 길이
에 의하여 추정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 소정의 물체를 대상으로 하여 도플러 신호를 송수신하는 도플러 레이 더 안테나와; 상기 도플러 레이더 안테나에서 수신된 상기 도플러 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터 및 상기 변환된 디지털 신호를 처리하여, 상기 도플러 신호의 주파수 또는 각속도를 추정하여 상기 물체의 속도를 추정하는 신호 처리부가 구비된 신호 정밀 추정부를 포함하고, 상기 신호 처리부는 신호의 스펙트럼을 Yj라 할 때
Figure 112007011273296-pat00002
의 최대값 위치인 kT를 추출한 후, r=Yj일 때 R[m]=Re(Yj+mr*)를 구하며, 상기 도플러 신호의 각속도를 아래의 식
Figure 112007011273296-pat00003
이때,
Figure 112007011273296-pat00004
Figure 112007011273296-pat00005
에 의하여 추정하는 것을 다른 특징으로 한다.
또한, 소정의 물체를 대상으로 하여 도플러 신호를 송수신하는 도플러 레이더 안테나와; 상기 도플러 레이더 안테나에서 수신된 상기 도플러 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터 및 상기 변환된 디지털 신호를 처리하여, 상기 도플러 신호의 주파수 또는 각속도를 추정하여 상기 물체의 속도를 추정하는 신호 처리부가 구비된 신호 정밀 추정부를 포함하고, 상기 신호 처리부는 신호의 스펙트럼을 Yj라 할 때
Figure 112007011273296-pat00006
의 최대값 위치인 kT를 추출한 후, 상기 도플러 신호의 각속도를 아래의 식
Figure 112007011273296-pat00007
이때,
Figure 112007011273296-pat00008
,
Figure 112007011273296-pat00009
,
Figure 112007011273296-pat00010
,
Figure 112007011273296-pat00011
인
Figure 112007011273296-pat00012
과
Figure 112007011273296-pat00013
을 구함
에 의하여 추정하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
여기서, 속도 추정 정확성의 고려 대상인 신호대 잡음비(SNR)를 아래의 식
Figure 112007011273296-pat00014
이때,
Figure 112007011273296-pat00015
: 잡음전력의 추정치
A : 신호의 진폭
Figure 112007011273296-pat00016
ai : 윈도 상수( 4-샘플 블랙만해리스 윈도인 경우 nw는 3 이며, a0=0.35875, a1=0.48829, a2=0.14128, a3=0.01168)
nw : 시간 영역 윈도 상수의 최대 인덱스
P(i) : 주엽 내의 전력
에 의하여 추정하여 추가로 고려하는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성을 통하여 본원발명은 도플러 레이더를 이용한 속도 추정과 관계된 아래의 식
Figure 112007011273296-pat00017
v : 물체의 속도
f0 : 송신 주파수
c : 빛의 속도(3×108m)
λ : 송신파의 파장
fd : 도플러 효과에 의한 주파수 편이(물체의 가까워짐/멀어짐에 따라 부호가 달라짐)
에서 요구하는 주파수 또는 각속도를 추정하여 사용함으로써 측정하고자 하는 물체의 속도를 정확하게 측정이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 속도 추정 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 속도 추정 장치는 소정의 물체를 대상으로 하여 도플러 신호를 송수신하는 도플러 레이더 안테나(10)와,
상기 도플러 레이더 안테나(10)에서 수신된 상기 도플러 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(21) 및 상기 변환된 디지털 신호를 처리하여, 상기 도플러 신호의 주파수 또는 각속도를 추정하여 상기 물체의 속도를 추정하는 신호 처리부(23)가 구비된 신호 정밀 추정부(20)로 이루어져 있다.
상기 도플러 레이더 안테나(10)에서 수신하는 에코의 무선 주파수는 송신파 의 주파수에 비하여 약간 주파수가 달라진다. 이런 변이(Shift) 또는 차는 반사체의 거리 변화율에 비례한다. 결과적으로 표적(대상 물체)의 도플러 변이(흔히 도플러 주파수 또는 도플러 신호라 한다.)를 감지하면 레이더는 표적의 거리 변화율을 직접적으로 측정할 수 있는 것이며, 이를 통하여 속도의 추정이 가능한 것이다.
상기 신호 정밀 추정부(20)는 상기 도플러 레이더 안테나(10)를 통하여 획득된 도플러 신호를 이용하여, 대상 물체의 속도(경우에 따라서는 상대적인 속도)를 추정하도록 내부 처리가 이루어지는 요소로서, 아날로그-디지털 컨버터(21)와, 신호 처리부(23)를 구비하고 있다.
상기 아날로그-디지털 컨버터(21)는 도플러 신호로부터 원하는 데이터를 추출하는 상기 신호 처리부(23)를 구성하는 각종 디지털 장비의 처리 형식에 맞게 아날로그 형태의 도플러 신호를 디지털 형태로 변환시킨다.
상기 신호 처리부(23)는 입출력 단자, 중앙 처리 장치를 포함한 각종 디지털 신호 처리부 및 메모리 등으로 구성이 되어 상기 아날로그-디지털 컨버터(21)에서 디지털화된 도플러 신호를 전송받아 필요한 연산을 행하여 원하는 인자를 추출하게 된다. 상기 인자에는 속도 뿐만 아니라, 거리 등의 다양한 요소가 포함될 수 있으나, 본 실시예에서는 속도만을 설명 대상으로 한다.
도플러 레이더의 속도 추정에서 정확도를 나타내는 지표로는 속도와, 상기 속도의 신뢰성을 판단할 수 있는 신호대 잡음비가 있으며, 상기 두 지표를 획득하는 방법을 이하에서 설명한다.
먼저, 대상 물체에 의하여 반사되어 상기 도플러 레이더 안테나(10)로 돌아 온 신호(Er)는 송신 안테나의 송신 신호를 Et=E0sin2πf0t라 할 경우, 아래의 식 1
Figure 112007011273296-pat00018
E0 : 송신신호의 진폭
k1 : 레이더 방정식에 의하여 정해지는 상수
f0 : 송신 주파수
φ : 초기 신호 검출에 따른 위상차
fd : 도플러 효과에 의한 주파수 편이(물체의 가까워짐/멀어짐에 따라 부호가 달라짐)
으로 나타낼 수 있다.
상기 도플러 주파수 편이는 간단하게 수신 신호가 영점을 건너는 회수를 세면 얻을 수 있지만, 이 방법은 DC 옵셋 및 도플러 신호에 높은 주파수 잡음이 존재할 경우 오차가 크며 주파수를 얻기 위하여 실시하는 시간간격의 분해능에도 문제를 보이고 있다. 따라서, 도플러 신호를 A/D 변환(아날로그-디지털 변환)하여 디지털 신호로 바꾼 다음 상기 디지털 신호를 주파수 영역에서 처리하는 것이 바람직하다. 이 경우 아날로그 도플러 신호는 예측되는 도플러 주파수의 2배 이상 되는 표본화 주파수, 통상적으로 예측되는 신호 주파수의 3배 근처의 표본화 주파수 fs로 표본화된다. 이렇게 획득된 신호는 속도의 변화를 감안하여 적당한 데이터 표본(N 개의 표본, 세그멘트)에 대하여 DFT변환을 행하여 주파수 영역에서 도플러 주파수를 추정한다.
DFT 변환이 이루어진 한 세그멘트의 주파수 영역 신호를 도 2에 나타내었다. 변환된 영역의 신호는 주파수 범위는 -fs/2 ~ fs/2 Hz가 되며 N개의 위치에 나타나게 된다. 획득된 신호가 실(Real) 신호이므로 부의 주파수 부분의 스펙트럼은 정의 주파수 부분과 대칭으로 나타나므로 주파수 범위 0 ~ fs/2 Hz의 스펙트럼만 분석에 이용된다. DFT 스펙트럼에서 도플러 주파수는 스펙트럼 최대값 부근에 위치하고 있으며 이 주파수 및 각속도를 fd및 wd라 할 때 물체의 속도는 다음 식 2에 의하여 계산한다.
Figure 112007011273296-pat00019
v : 물체의 속도
f0 : 송신 주파수
c : 빛의 속도(3×108m)
λ : 송신파의 파장
따라서, 상기 식 2에 나타나 있듯이 도플러 레이더의 속도 추정은 도플러 신호의 주파수 또는 각속도 추정과 그 의미가 상통하게 된다.
이와 같이, 원하는 시간에 해당하는 세그멘트에 대하여 속도 계산을 반복하여 모든 신호에 대하여 신호처리를 행함으로써, 시간대 속도 데이터를 얻을 수 있다. 이러한 일반적인 도플러 신호 처리과정을 도 3에 나타내었다. 도 3에서의 시간영역에서 윈도를 적용한 다음 DFT 하여 신호를 처리하는 과정은 STFT(Short Time Fourier Transform)를 적용한 것으로 볼 수 있으며 시간축 상에서 많은 속도 데이터를 얻기 위하여 세그멘트를 부분적으로 중첩하여 처리한다. 한 세그멘트 데이터로부터 주파수 영역 스펙트럼 최대값 근처의 주파수를 추정하여 속도를 구하는데 이 주파수 추정 방법을 제공하는 것이 본 실시예에 따른 속도 추정 장치의 핵심이다. 속도 추정 방법에 따라 각각 추정에 요구되는 계산 능력 및 장점, 추정 속도의 오차가 다르다. 또한 도 3에서는 초기 물체의 속도를 구하기 위하여 곡선접합(curve fitting)을 행하게 되며, 이 과정에서 오차가 큰 속도점을 곡선접합에 사용하지 않기 위해서는 속도점 추출시 계산된 SNR(신호대 잡음비)을 참조하여 속도점의 제거 여부를 결정하여야 한다. 이와 같이 SNR은 신호처리 방식에 따라 속도점이 갖고 있는 오차 정보를 갖고 있으므로 도플러 레이더를 이용하여 획득된 속도점을 추후 다른 목적에 이용하기 위해서 필요한 정보이다. 따라서 도플러 신호에서 속도를 정밀하게 추정하는 것도 중요하지만 속도 추정시의 SNR 추정도 중요하다.
위에서, 설명된 바와 같이 도플러 레이더를 통한 속도 측정에서 주파수 또는 각속도, 및 SNR의 추정이 중요한 요소로 작용하는 바, 본 실시예에서 상기 신호 처리부(23)는 아래의 식 3
Figure 112007011273296-pat00020
△f0 : 정밀 추정을 위하여 보정해야 하는 주파수 편이량
nw : 시간 영역 윈도 상수의 최대 인덱스
P(i) : 주엽 내의 i 번째 신호전력
fs : 표본화 주파수
N : 세그멘트 길이
을 통하여, 주파수를 정확히 추정한다.
요컨대, 신호 전력 스펙트럼(Power spectrum)의 무게중심에 의한 방법을 적용한 것이다.
살펴보면, 신호 전력은 윈도가 가해질 때 대부분 전력이 주엽 내에 분포되므로 주엽 내 차지하는 면적이 잘 보존된다. 따라서 주엽 내의 전력을 모두 더하면 그 총 전력은 원래 신호 전력에 비례하는 전력이 되며 전력을 산출하면 진폭 산출도 가능하다. 원래의 신호 전력은 윈도가 가해질 때 윈도함수에 의하여 왜곡이 발생하므로 시간 영역 윈도 상수의 최대 인덱스를 nw라하고 주엽 내의 전력을 P(i)라 할 때 원래 신호의 전력에 대한 추정
Figure 112007011273296-pat00021
는 다음 식 4에 의하여 복원될 수 있다.
Figure 112007011273296-pat00022
nw : 시간 영역 윈도 상수의 최대 인덱스
P(i) : 주엽 내의 전력
ai : 윈도 상수( 4-샘플 블랙만해리스 윈도인 경우 nw는 3 이며, a0=0.35875, a1=0.48829, a2=0.14128, a3=0.01168)
이때 신호의 진폭은 다음 식 5
Figure 112007011273296-pat00023
로 추정할 수 있으며, 신호 주파수는 상기 식 3으로 추정한다.
이러한 전력의 무게중심을 구하는 방법을 4-샘플 블랙만해리스 윈도(4 sample Blackmann-Harris window)를 이용하였으며 최대 전력 신호 주변의 7개 위치의 스펙트럼을 이용하여 신호전력을 추정하므로 추정 신호주파수의 위치가 ±3개의 위치 정도로 변동될 수 있으므로 3개의 스펙트럼을 가지고 ±0.5 위치만 변동 가능 성 있는 대부분의 주파수 추정 알고리즘보다 넓은 추정오차를 나타내지만 무게중심 자체의 장점으로 신호성분이 주엽에 일정하게 분포될 경우 주파수 위치 추정에 영향을 미치지 않으므로 도플러 신호처리시 가속도의 영향에 대하여 둔감하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 신호 처리부(23)는 신호의 스펙트럼을 Yj라 할 때
Figure 112007011273296-pat00024
의 최대값 위치인 kT를 추출한 후, r=Yj일 때 R[m]=Re(Yj + mr*)를 구하며, 상기 도플러 신호의 각속도를 아래의 식 6
Figure 112007011273296-pat00025
이때,
Figure 112007011273296-pat00026
Figure 112007011273296-pat00027
을 통하여, 추정한다.
본 실시예는 맥클로드(Macleod, M.D.) 신호추정 방식을 이용한 것으로서, 맥클로드 방식에 의하여 최대 신호전력 주변의 3스펙트럼의 크기 및 위상을 이용하여 각속도를 추정하는 것이다.
본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 상기 신호 처리부(23)는 신호의 스펙트럼을 Yj라 할 때
Figure 112007011273296-pat00028
의 최대값 위치인 kT를 추출한 후, 상기 도플러 신호의 각속도를 아래의 식 7
Figure 112007011273296-pat00029
이때,
Figure 112007011273296-pat00030
,
Figure 112007011273296-pat00031
,
Figure 112007011273296-pat00032
,
Figure 112007011273296-pat00033
인
Figure 112007011273296-pat00034
과
Figure 112007011273296-pat00035
을 구함
을 통하여, 추정한다.
본 실시예는 킨(Quinn, B.G.) 신호추정 방식을 이용한 것으로서, 킨 방식에 의하여 최대 신호전력 주변의 3스펙트럼을 이용하여 통계학적으로 최소의 오차를 갖는 함수를 찾아 각속도를 추정하는 것이다.
다음으로 앞에서 언급된 SNR을 추정하는 방법을 살펴보기로 한다.
잡음이 섞인 신호로부터 잡음을 추정하는 하는 일은 SNR이 낮을수록 어려운 일이다. 보통의 경우 레이더의 잡음 전력은 LNA(Low Noise Amplifier)로부터의 아주 낮은 열잡음만을 고려하여 잡음은 상수처럼 취급한다. 그러나 도플러 신호처리 시 이와 같은 잡음의 처리는 신호전력만 고려한 SNR 산출이 되므로 실제의 주파수 영역 도플러 신호와는 거리가 멀다. 또한 DFT 변환시 사용하는데 이때 변환되는 한 데이터 세그멘트의 양 끝단 신호를 감쇠시키는 데이터 윈도(Data Window)를 사용하지 않으면 스펙트럼 누설에 의하여 신호 성분이 해석상 잡음으로 작용한다. 또한 도플러 신호의 경우 DFT를 위한 한 데이터 세그먼트 내에 속도가 변화된 데이터가 포함되면 이 또한 잡음에 의한 영향과 같은 결과를 나타낸다.
실제 잡음의 추정은 유효한 도플러 신호가 없을 때의 잡음레벨의 평균치를 측정하는 방법이나 도플러 유효 속도신호에서 멀리 떨어져 있는 부분의 주파수 성분을 평균내는 등의 방법, SNR이 낮은 경우 신호 및 잡음의 추정이 어려우므로 이때의 잡음 중 SNR이 높은 속도점에서의 잡음을 평균하여 잡음으로 추정하는 방법을 고려할 수 있다. 도 4에 블랙만해리스(Blackmann-Harris) 윈도특성을 도시하였다. 이 블랙만해리스 윈도를 사용하면 신호를 주엽 내에 한정시킬 수 있으므로 주엽 내에 포함된 전력은 신호전력으로 취급하고, 주엽 주변의 신호를 평균하여 잡음으로 추정할 수 있다. 이와 같이 계산한 잡음전력의 추정치를
Figure 112007011273296-pat00036
이라 할 때 SNR은 식 4의 전력 추정치를 이용하여 다음의 식 8
Figure 112007011273296-pat00037
이때,
Figure 112007011273296-pat00038
: 잡음전력의 추정치
Figure 112007011273296-pat00039
nw : 시간 영역 윈도 상수의 최대 인덱스
P(i) : 주엽 내의 전력
A : 신호의 진폭
ai : 윈도 상수( 4-샘플 블랙만해리스 윈도인 경우 nw는 3 이며, a0=0.35875, a1=0.48829, a2=0.14128, a3=0.01168)
에 의하여 상기 신호 처리부(23)에서 계산이 이루어진다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 속도 추정 장치를 이용한 측정 데이터를 나타낸 그래프로서, 상기 신호 처리부(23)의 세가지 방법(무게 중심, 맥클로드, 킨)을 사용했을 때가 정확도를 알 수 있다.
도플러 신호를 시뮬레이션 하기 위하여 진폭이 1이고 주파수 100kHz인 신호를 생성하여 신호의 스펙트럼 최대값이 주파수 영역에서 -0.5bin ~ 0.5bin(약 100 kHz±50Hz)에 위치하도록 표본화 주파수 1000개(실제로는 N=1024)에 대하여 3배 근처에서 변하여 표본화한 다음 이 데이터를 처리하여 주파수를 추정하는 시뮬레이션을 하였으며, 시뮬레이션 결과 주파수 추정오차는 추정결과 표준편차의 2배로 하였다. 이 결과를 보면 단순 DFT 처리한 후 스펙트럼의 최대 첨두치 위치만으로 주파수를 추정할 경우 SNR에 관계없이 0.2%정도의 오차를 가짐을 알 수 있다. 반면 세 가지 방법으로 신호처리할 경우 SNR이 증가하면 그에 따라 오차도 감소함을 알 수 있다. 따라서 세 방법의 신호처리 방법은 통상적인 단순 DFT 신호처리시보다 정밀한 신호처리가 가능함을 알 수 있다. 특히 두 번째, 세 번째 방법은 SNR 전 구간에서 그 오차가 CRB(Cramer-Rao lower Bound)에 거의 접근하고 있음을 볼 수 있으며 10dB에서 0.1%, 20dB에서 0.03%, 30dB에서 0.01%, 40dB에서 0.002%, 50dB에서 0.001%의 정확도를 얻을 수 있음을 볼 수 있다. 한편 첫 번째 방법은 20dB에서 0.08%, 30dB에서 0.025%, 40dB에서 0.008%, 50dB에서 0.0025%의 정확도로 두 번째, 세 번째 방법보다 2~3 배 낮은 정확도를 보인다. 따라서 첫 번째 방법보다 정확도를 향상시키기 위해서는 두 번째 또는 세 번째 방법을 이용하여야 하며, 두 번째 방법이 낮은 SNR에서의 오차 수렴성이 있고 계산 방법이 간단하므로 세 번째 방법 보다 나을 것으로 예측된다. 또한 SNR 추정시 오차가 약 4dB 발생하므로 25dB 이상의 SNR을 갖는 신호를 측정하여야 속도오차 0.05%를 만족시킬 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 속도 추정 장치는 도플러 레이더 안테나(10)와; 아날로그-디지털 컨버터 및 신호 처리부가 구비된 신호 정밀 추정부(20)로 구성되며, 상기 신호 처리부에서 무게 중심 방식, 맥클로드 방식, 킨 방식을 통하여, 주파수 또는 각속도를 추정(필요에 따라 SNR도 추정)함으로써, 정확한 속도의 추정이 가능한 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 도플러 레이더를 이용한 속도 추정 장치에 있어서,
    소정의 물체를 대상으로 하여 도플러 신호를 송수신하는 도플러 레이더 안테나와;
    상기 도플러 레이더 안테나에서 수신된 상기 도플러 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터 및 상기 변환된 디지털 신호를 처리하여, 상기 도플러 신호의 주파수 또는 각속도를 추정하여 상기 물체의 속도를 추정하는 신호 처리부가 구비된 신호 정밀 추정부를 포함하고,
    상기 신호 처리부는 상기 도플러 신호의 주파수를 아래의 식
    Figure 112007011273296-pat00040
    △f0 : 정밀 추정을 위하여 보정해야 하는 주파수 편이량
    nw : 시간 영역 윈도 상수의 최대 인덱스
    P(i) : 주엽 내의 i 번째 신호전력
    fs : 표본화 주파수
    N : 세그멘트 길이
    에 의하여 추정하는 것을 특징으로 하는 속도 추정 장치.
  2. 도플러 레이더를 이용한 속도 추정 장치에 있어서,
    소정의 물체를 대상으로 하여 도플러 신호를 송수신하는 도플러 레이더 안테나와;
    상기 도플러 레이더 안테나에서 수신된 상기 도플러 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터 및 상기 변환된 디지털 신호를 처리하여, 상기 도플러 신호의 주파수 또는 각속도를 추정하여 상기 물체의 속도를 추정하는 신호 처리부가 구비된 신호 정밀 추정부를 포함하고,
    상기 신호 처리부는 신호의 스펙트럼을 Yj라 할 때
    Figure 112007011273296-pat00041
    의 최대값 위치인 kT를 추출한 후, r=Yj일 때 R[m]=Re(Yj + mr*)를 구하며,
    상기 도플러 신호의 각속도를 아래의 식
    Figure 112007011273296-pat00042
    이때,
    Figure 112007011273296-pat00043
    Figure 112007011273296-pat00044
    N : 세그멘트 길이
    에 의하여 추정하는 것을 특징으로 하는 속도 추정 장치.
  3. 도플러 레이더를 이용한 속도 추정 장치에 있어서,
    소정의 물체를 대상으로 하여 도플러 신호를 송수신하는 도플러 레이더 안테나와;
    상기 도플러 레이더 안테나에서 수신된 상기 도플러 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터 및 상기 변환된 디지털 신호를 처리하여, 상기 도플러 신호의 주파수 또는 각속도를 추정하여 상기 물체의 속도를 추정하는 신호 처리부가 구비된 신호 정밀 추정부를 포함하고,
    상기 신호 처리부는 신호의 스펙트럼을 Yj라 할 때
    Figure 112007011273296-pat00045
    의 최대값 위치인 kT를 추출한 후,
    상기 도플러 신호의 각속도를 아래의 식
    Figure 112007011273296-pat00046
    이때,
    Figure 112007011273296-pat00047
    ,
    Figure 112007011273296-pat00048
    ,
    Figure 112007011273296-pat00049
    ,
    Figure 112007011273296-pat00050
    인
    Figure 112007011273296-pat00051
    과
    Figure 112007011273296-pat00052
    을 구함
    에 의하여 추정하는 것을 특징으로 하는 속도 추정 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    속도 추정 정확성의 고려 대상인 신호대 잡음비(SNR)를 아래의 식
    Figure 112007011273296-pat00053
    이때,
    Figure 112007011273296-pat00054
    : 잡음전력의 추정치
    Figure 112007011273296-pat00055
    nw : 시간 영역 윈도 상수의 최대 인덱스
    P(i) : 주엽 내의 전력
    A : 신호의 진폭
    ai : 윈도 상수( 4-샘플 블랙만해리스 윈도인 경우 nw는 3 이며, a0=0.35875, a1=0.48829, a2=0.14128, a3=0.01168)
    에 의하여 추정하는 것을 특징으로 하는 속도 추정 장치.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0277772A2 (en) 1987-02-05 1988-08-10 Lear Astronics Corporation Doppler radar method and apparatus for measuring a projectile muzzle velocity
US6204802B1 (en) 1991-11-15 2001-03-20 O'conner Joe Scott Apparatus for detecting relative velocity
US6570526B1 (en) 1994-08-12 2003-05-27 Tilmann Noller Speedometer
US6747592B2 (en) 2002-05-13 2004-06-08 Hitachi, Ltd. Radar system for detecting relative velocity and relative speed of a preceding vehicle

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0277772A2 (en) 1987-02-05 1988-08-10 Lear Astronics Corporation Doppler radar method and apparatus for measuring a projectile muzzle velocity
US6204802B1 (en) 1991-11-15 2001-03-20 O'conner Joe Scott Apparatus for detecting relative velocity
US6570526B1 (en) 1994-08-12 2003-05-27 Tilmann Noller Speedometer
US6747592B2 (en) 2002-05-13 2004-06-08 Hitachi, Ltd. Radar system for detecting relative velocity and relative speed of a preceding vehicle

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