KR101042029B1 - The anticollision scheme of moving target with noise sensor - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for detecting the collision of moving objects using noise signal source is provided to acquire the speed and distance information of the moving objects. CONSTITUTION: An autodyne noise signal source(10) generates a noise signal to a moving object(1) through an antenna. A signal is reflected from the moving object. An intermediate frequency(IF) signal is extracted from the reflected signal. The IF signal passes through a radio frequency filter(12) to be transferred to a signal processing board(20). The signal processing board samples the frequencies of the IF signal and the noised signal at an analog to digital converter(21). An I/Q separator(22) separates an I/Q component from the sampled data and stores the I/Q component in a memory. The I/Q component passes through a digital filter and is outputted as spectrum waveform. Based on the spectrum waveform, Doppler frequency and amplitude are acquired. A comparing process with respect to the amplitude is implemented to measure a distance between the noise signal source and the moving object.

Description

노이즈 신호원을 이용한 이동물체 충돌감지방법 {The Anticollision scheme of moving target with Noise Sensor}{The Anticollision scheme of moving target with Noise Sensor}

본 발명은 이동물체와의 충돌을 감지할 수 있는 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 오토다인 노이즈 발생원으로부터 발생된 노이즈신호를 이동물체에 발신하고, 상기 이동물체의 반사신호를 수신하여 신호처리과정을 통해 도플러주파수와 진폭이 포함된 스펙트럼 파형을 추출하고, 이를 통해 이동물체의 속도 및 거리 정보를 획득할 수 있는 노이즈 신호원을 이용한 이동물체의 충돌 감지방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for detecting a collision with a moving object, and more particularly, to transmit a noise signal generated from an autodyne noise source to a moving object, and to receive a reflected signal of the moving object to process a signal. The present invention relates to a collision detection method of a mobile object using a noise signal source that extracts a spectral waveform including a Doppler frequency and an amplitude and obtains velocity and distance information of the mobile object.

종래에는 이동물체의 충돌을 감지하기 위한 방법으로 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)방식 레이더를 사용하였다. Conventionally, a frequency modulated continuous wave (FMCW) radar is used as a method for detecting collision of a moving object.

상기 FMCW 레이더는 주파수 변조된 신호를 연속적으로 발사하는 방식의 레이더를 의미하며, 이동물체에서 반사된 신호를 수신하여 도플러 주파수를 구하는 방식이다. The FMCW radar refers to a radar of continuously firing a frequency modulated signal, and is a method of obtaining a Doppler frequency by receiving a signal reflected from a moving object.

그러나, 이런 FMCW 레이더는 고정된 주파수를 사용하므로, 주변에 동일한 주파수를 사용하는 레이더 장치가 존재하는 경우, 양자 사이에서 주파수간섭(혼선)의 문제가 발생할 수 있다.
However, since the FMCW radar uses a fixed frequency, if there is a radar device using the same frequency around, there may be a problem of frequency interference (crosstalk) between the two.

본 발명은 오토다인 노이즈 발생원으로부터 발생된 노이즈신호를 이동물체에 발신하고, 상기 이동물체의 반사신호를 수신하여 신호처리과정을 통해 도플러주파수와 진폭이 포함된 스펙트럼 파형을 추출하고, 이를 통해 이동물체의 속도 및 거리 정보를 획득할 수 있는 노이즈 신호원을 이용한 이동물체의 충돌감지방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention transmits a noise signal generated from an autodyne noise source to a moving object, receives a reflected signal of the moving object, extracts a spectral waveform including a Doppler frequency and an amplitude through a signal processing process, and thereby moves the moving object. An object of the present invention is to provide a collision detection method of a moving object using a noise signal source capable of obtaining velocity and distance information.

본 발명에 의한 노이즈 신호원을 이용한 이동물체 충돌감지방법은 이동물체에서 반사된 신호의 도플러 주파수에 의해 거리를 측정하는 방법에 있어서, 오토다인 노이즈 신호원에서는 안테나를 통해 노이즈 신호를 이동물체에 발신하고, 이동물체로부터 반사된 신호에서 추출된 IF신호를 RF필터를 통과시킨 후 신호처리보드로 전달하되, 상기 신호처리보드에서는 전달된 IF 신호와 노이즈 신호의 주파수 f를 아날로그디지털컨버터(ADC)에서 샘플링하고, I/Q 분리기에서 상기 샘플링 데이터(sampling data)의 I/Q 성분을 분리하여 각각 메모리에 저장하며, 상기 메모리에 저장된 데이터는 디지털 필터를 통과한 후 고속 퓨리에 변환(FFT; Fast Fourier transform)하여 스펙트럼 파형을 출력하고, 상기 스펙트럼 파형에서 이동물체의 도플러 주파수 Δf와 진폭(Amplitude data) A1을 획득하며, 상기 오토다인 노이즈 신호원의 주파수 f 및 반사신호의 도플러 주파수 Δf와, 이동물체의 속도 및 광속 C의 비례식에 의해 이동물체의 속도 V를 측정하고, 기준 진폭데이타와 반사신호의 진폭데이타 A1을 비교하여 오토다인 노이즈 신호원과 이동물체와의 거리 S를 측정하고, 상기 신호처리보드에서는 이동물체의 위치에 따라 디지털 필터의 밴드 폭(band Width)을 조절하여 불요파(spurious signal)의 세기를 감소시키는 것을 그 기술적 특징으로 한다.
The collision detection method of a moving object using a noise signal source according to the present invention is a method of measuring a distance by a Doppler frequency of a signal reflected from a moving object, and an autodyne noise signal source transmits a noise signal to a moving object through an antenna. After passing through the RF filter, the IF signal extracted from the signal reflected from the moving object is transferred to the signal processing board. In the signal processing board, the frequency f of the transmitted IF signal and the noise signal is transferred from the analog to digital converter Sampling, and separating the I / Q components of the sampling data from the I / Q separator and storing the I / Q components in the memory, respectively, and the data stored in the memory pass through a digital filter and then use a Fast Fourier transform (FFT). Output a spectral waveform, and the Doppler frequency Δf and amplitude data A1 of the moving object from the spectral waveform. And the velocity V of the moving object is measured using the frequency f of the autodyne noise signal source and the Doppler frequency Δf of the reflected signal, the speed of the moving object and the speed of the light beam C, and the reference amplitude data and the amplitude data of the reflected signal. By comparing A1, the distance S between the autodyne noise signal source and the moving object is measured. In the signal processing board, the band width of the digital filter is adjusted according to the position of the moving object. Reducing the strength is its technical feature.

본 발명은 오토다인 노이즈 신호원을 이용하여 이동물체를 향해 랜덤(random)하게 발생하는 노이즈 신호를 발신하고, 이동물체에서 반사된 도플러 신호에 의해 이동물체의 속도 및 거리를 측정하게 되므로, 주변의 다른 RF 신호와의 주파수 간섭문제가 발생되지 않는 효과가 있다.
The present invention transmits a randomly generated noise signal toward a moving object using an autodyne noise signal source and measures the speed and distance of the moving object by the Doppler signal reflected from the moving object. Frequency interference with other RF signals does not occur.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 오토다인 노이즈 발생원을 이용한 이동 물체의 속도 및 거리 측정 방법의 구성도,
도 2는 도1의 다른 실시예로서 IQ분리기를 대체하여 ADC의 전단에 위상변환기를 설치하는 것을 개략적으로 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명에서 오토다인 노이즈 발생원과 이동물체에 의해 나타나는 스펙트럼 파형,
도 4는 본 발명에서 세 개의 이동물체가 있을 때의 스펙트럼 파형.1 is a configuration diagram of a method for measuring a speed and a distance of a moving object using an autodyne noise source as an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a schematic view showing the installation of a phase shifter in front of the ADC by replacing the IQ separator as another embodiment of FIG.
3 is a spectral waveform represented by an autodyne noise source and a moving object in the present invention;
Figure 4 is a spectral waveform when there are three moving objects in the present invention.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의해 상세히 설명한다. Preferred embodiments of the present invention will be described in detail by the accompanying drawings.

본 발명에 의한 노이즈 신호원을 이용한 이동물체 충돌감지방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 오토다인 노이즈 신호원(10)에서는 안테나(11)를 통해 노이즈 신호를 이동물체(1)에 발신하고, 이동물체(1)로부터의 반사 신호를 수신하여 IF신호를 추출하여, 상기 IF신호를 RF필터(12)를 통과시킨 후 신호처리보드(20)로 전달받게 된다. In the moving object collision detection method using the noise signal source according to the present invention, as shown in FIG. 1, the autodyne noise signal source 10 transmits a noise signal to the moving object 1 through the antenna 11. After receiving the reflected signal from the moving object 1, the IF signal is extracted, the IF signal passes through the RF filter 12, and is received by the signal processing board 20.

이때, 상기 오토다인 노이즈 신호원(Autodyne Noise signal source)이란, 발생된 노이즈신호를 안테나를 통해 송출하고, 외부의 반사신호를 수신하여 내부의 믹서를 통해 IF(; Intermediate Frequency; 중간주파수)신호로 출력하는 장치로서, 종래 일반적인 공지의 전자부품이므로 이하 상세한 설명은 생략한다. In this case, the autodyne noise signal source transmits the generated noise signal through an antenna, receives an external reflection signal, and converts the signal into an IF signal (intermediate frequency) through an internal mixer. As a device for outputting, since it is a conventionally known electronic component, a detailed description thereof will be omitted.

본 발명에서는 상기 IF신호를 신호처리보드(20)에서는 소정의 신호처리과정을 거쳐 이동물체의 속도V와 이동물체와의 거리S를 감지함으로써 이동물체간의 충돌감지방법을 제공하고자 한다. In the present invention, the IF signal is processed by the signal processing board 20 to provide a collision detection method between moving objects by sensing the speed V of the moving object and the distance S between the moving objects through a predetermined signal processing process.

즉, 상기 신호처리보드(20)에서는 오토다인 노이즈 신호원(10)에서 전달된 IF신호를 고속 퓨리에 변환(FFT; Fast Fourier transform)을 포함하는 신호처리과정을 통해 스펙트럼 파형을 출력하고, 상기 스펙트럼 파형에서 이동물체(1)의 도플러 주파수 Δf와 진폭(Amplitude data) A1을 획득하게 된다. That is, the signal processing board 20 outputs a spectral waveform through a signal processing process including a Fast Fourier transform (FFT) of the IF signal transmitted from the autodyne noise signal source 10, and the spectrum The Doppler frequency Δf and the amplitude data A1 of the moving object 1 are obtained from the waveform.

상기 신호처리과정이란, 본 발명의 일 실시례로서 오토다인 노이즈 신호원(10)에서 발생된 노이즈 신호의 주파수 f와 이동물체(1)로부터의 반사신호에서 추출된 IF신호를 아날로그디지털컨버터(ADC)(21)에서 샘플링하고, I/Q 분리기(22)에서 상기 샘플링 데이터(sampling data)의 I/Q 성분을 분리하여 각각 메모리(23a)(23b)에 저장하며, 상기 메모리(23a)(23b)에 저장된 데이터는 디지털 필터(24) 통과한 후 고속 퓨리에 변환(FFT; Fast Fourier transform)하여 스펙트럼 파형을 출력하는 것을 의미한다.The signal processing process is, as an embodiment of the present invention, the IF signal extracted from the frequency f of the noise signal generated from the autodyne noise signal source 10 and the reflected signal from the moving object 1 is converted into an analog-to-digital converter (ADC). 21), the I / Q separator 22 separates the I / Q components of the sampling data and stores them in the memories 23a and 23b, respectively, and stores the memories 23a and 23b. The data stored in the reference symbol means a Fourier Fourier transform (FFT) and then outputs a spectral waveform after passing through the digital filter 24.

이때, 본 발명에서는 상기 I/Q분리기(22), 메모리(23a)(23b) 및 디지털 필터(24)가 하나의 FPGA(Field Programmable Gate Array; 현장 프로그래머블 게이트 어레이)(25)에서 구현된다.
At this time, in the present invention, the I / Q separator 22, the memories 23a, 23b, and the digital filter 24 are implemented in one field programmable gate array (FPGA) 25.

또한, 상기 신호처리보드(20)에서는 상기 오토다인 노이즈 신호원(10)의 주파수 f 및 반사신호의 도플러 주파수 Δf와, 이동물체(1)의 속도 및 광속 C의 비례식에 의해 이동물체의 속도 V를 측정하고, 기준 진폭데이타와 반사신호의 진폭데이타 A1을 비교하여 오토다인 노이즈 신호원(10)과 이동물체(1)와의 거리S를 측정하게 된다.
Further, in the signal processing board 20, the speed V of the moving object is proportional to the frequency f of the autodyne noise signal source 10 and the Doppler frequency Δf of the reflected signal, the speed of the moving object 1 and the speed of light C. The distance S between the autodyne noise signal source 10 and the moving object 1 is measured by comparing the reference amplitude data and the amplitude data A1 of the reflected signal.

한편, 본 발명의 다른 실 실시예로서, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 신호처리보드(20)에서는 이동물체(1)로부터의 반사신호에서 추출된 IF신호를 2개의 아날로그디지털컨버터(21a)(21b)로 각각 전달하되, 하나의 아날로그컨버터에는 위상 그대로의 I 성분을 샘플링하여 메모리(23a)에 전달하고, 다른 하나의 아날로그컨버터(21b)에는 위상변환기(21c)를 통해 90°위상변환한 Q 성분을 샘플링하여 메모리(23b)에 전달하도록 구성할 수도 있다.
Meanwhile, as another exemplary embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, the signal processing board 20 converts the IF signal extracted from the reflected signal from the moving object 1 into two analog digital converters 21a ( 21b), but one analog converter samples the in-phase I components and transfers them to the memory 23a, and the other analog converter 21b performs phase shift 90 ° through the phase converter 21c. The component may be configured to be sampled and delivered to the memory 23b.

상기 신호처리보드(20)의 FPGA(25)에서는 고속 퓨리에 변환(FFT; Fast Fourier transform)을 수행하여 도 2와 같은 스펙트럼 파형을 출력하게 되며, 상기 스펙트럼 파형에 의해 입력된 반사 신호의 도플러 주파수 Δf와 Amplitude A1을 얻을 수 있으며, 상기 Δf와 Amplitude A1에 의해 이동물체의 속도V와 거리S를 구할 수 있다.
The FPGA 25 of the signal processing board 20 performs a Fast Fourier Transform (FFT) to output a spectral waveform as shown in FIG. 2, and the Doppler frequency Δf of the reflected signal input by the spectral waveform. And Amplitude A1, and the velocity V and the distance S of the moving object can be obtained by Δf and Amplitude A1.

먼저, 이동물체의 속도 V는 아래의 식에 따라 구할 수 있다. First, the speed V of the moving object can be obtained by the following equation.

f 는 노이즈 신호원의 주파수이며, Δf는 스펙트럼 파형에서 얻어진 도플러 주파수, c는 광속(공기 중의 전파 속도)이므로 이동 물체의 속도를 얻어낼 수 있다.f is the frequency of the noise signal source, Δf is the Doppler frequency obtained from the spectral waveform, and c is the speed of light (propagation speed in air), so that the speed of the moving object can be obtained.

Figure 112010042409778-pat00001
V: 이동물체의 속도, c: 광속
Figure 112010042409778-pat00001
V: speed of moving object, c: luminous flux

또한, 이동물체의 거리 S는 기준 Amplitude data와 입력된 반사신호의 A1을 비교하여 측정할 수 있다.
In addition, the distance S of the moving object may be measured by comparing the reference amplitude data with A1 of the input reflection signal.

이때, 상기 스펙트럼 파형은 스팩트럼 파형의 불요파(spurious signal)의 세기가 밴드 폭(band Width)이 클수록 커지기 때문에 멀리 있는 이동물체를 검출하려면 밴드폭을 작게 해서 검출해야 한다.
In this case, since the intensity of the spurious signal of the spectrum waveform increases as the band width becomes larger, the spectral waveform needs to be detected with a smaller bandwidth to detect a moving object that is far away.

따라서, 이동 물체를 검출 시 디지털필터의 밴드폭을 변화시키면서 고속 푸리에 변환(高速 푸리에 變換, Fast Fourier transform, FFT)으로 스펙트럼을 구한다. 상기 고속 푸리에 변환은 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier transform, DFT)과 그 역변환을 빠르게 수행하는 알고리즘으로서, 디지털 신호 처리과정에서 일반적으로 사용되는 공지의 기술이므로 이하 상세한 설명은 생략한다.
Therefore, the spectrum is obtained by fast Fourier transform (FFT) while changing the bandwidth of the digital filter when detecting the moving object. The fast Fourier transform is an algorithm for quickly performing a Discrete Fourier transform (DFT) and its inverse transform. Since the fast Fourier transform is a known technique generally used in digital signal processing, a detailed description thereof will be omitted.

한편, 본 발명은 서로 거리가 상이한 복수의 이동물체에 대해서도 적용할 수 있다. (거리의 크기는 A < B < C )Meanwhile, the present invention can also be applied to a plurality of moving objects having different distances from each other. (The size of the distance is A <B <C)

예를 들어, 도3은 세 개의 이동 물체 있을 때의 스펙트럼 파형으로서, 디지털 필터(24)의 밴드 폭(Band Width)을 BW1 -> BW2 -> BW3 으로 변경하면서 스펙트럼을 구하면, 밴드폭이 BW1일 때는 물체 A가 검출되며, 밴드폭이 BW2일 때는 물체 A와 B가 검출되고, 밴드폭이 BW3일 때는 가장 먼 거리의 이동 물체인 C까지 검출이 가능하게 된다.
For example, FIG. 3 is a spectral waveform when three moving objects are present. When the spectrum is obtained by changing the band width of the digital filter 24 from BW1 to BW2 to BW3, the bandwidth is BW1. When the object A is detected, when the bandwidth is BW2, the objects A and B are detected. When the bandwidth is BW3, the object A can be detected up to the farthest moving object C.

1 : 이동물체
10 : 오토다인 노이즈 발생원(Autodyne noise generator)
11 : 안테나 12 : RF 필터
20 : 신호처리 보드
21,21a,21b : 아날로그디지털컨버터(Analog Digital Converter; ADC)
21c: 위상변환기 22 : I/Q 분리기
23a,23b : 메모리 24 : 디지털필터(Digital fileter)
25 : 현장프로그래머블게이트어레이 (Field Programmable Gate Array; FPGA)1: moving object
10: Autodyne noise generator
11: antenna 12: RF filter
20: signal processing board
21,21a, 21b: Analog Digital Converter (ADC)
21c: phase shifter 22: I / Q separator
23a, 23b: memory 24: digital fileter
25: Field Programmable Gate Array (FPGA)

Claims (4)

이동물체에서 반사된 신호의 도플러 주파수에 의해 거리를 측정하는 방법에 있어서,
오토다인 노이즈 신호원에서는 안테나를 통해 노이즈 신호를 이동물체에 발신하고, 이동물체로부터 반사된 신호에서 추출된 IF신호를 RF필터를 통과시킨 후 신호처리보드로 전달하되,
상기 신호처리보드에서는 전달된 IF 신호와 노이즈 신호의 주파수 f를 아날로그디지털컨버터(ADC)에서 샘플링하고, I/Q 분리기에서 상기 샘플링 데이터(sampling data)의 I/Q 성분을 분리하여 각각 메모리에 저장하며, 상기 메모리에 저장된 데이터는 디지털 필터를 통과한 후 고속 퓨리에 변환(FFT; Fast Fourier transform)하여 스펙트럼 파형을 출력하고, 상기 스펙트럼 파형에서 이동물체의 도플러 주파수 Δf와 진폭(Amplitude data) A1을 획득하며,
상기 오토다인 노이즈 신호원의 주파수 f 및 반사신호의 도플러 주파수 Δf와, 이동물체의 속도 및 광속 C의 비례식에 의해 이동물체의 속도 V를 측정하고, 기준 진폭데이타와 반사신호의 진폭데이타 A1을 비교하여 오토다인 노이즈 신호원과 이동물체와의 거리 S를 측정하고,
상기 신호처리보드에서는 이동물체의 위치에 따라 디지털 필터의 밴드 폭(band Width)을 조절하여 불요파(spurious signal)의 세기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 노이즈 신호원을 이용한 이동물체 충돌감지방법.In the method for measuring the distance by the Doppler frequency of the signal reflected from the moving object,
In the autodyne noise signal source, the noise signal is transmitted to the moving object through the antenna, and the IF signal extracted from the signal reflected from the moving object is passed through the RF filter to the signal processing board.
In the signal processing board, the frequency f of the transmitted IF signal and the noise signal is sampled by an analog-to-digital converter (ADC), and the I / Q components of the sampling data are separated and stored in the memory by an I / Q separator. The data stored in the memory passes through a digital filter and is then subjected to Fast Fourier transform (FFT) to output a spectral waveform, and obtains the Doppler frequency Δf and the amplitude data A1 of the moving object from the spectral waveform. ,
The frequency V of the autodyne noise signal source and the Doppler frequency Δf of the reflected signal and the velocity V of the moving object and the speed V of the light object C are measured, and the reference amplitude data and the amplitude data A1 of the reflected signal are compared. The distance S between the autodyne noise signal source and the moving object,
The signal processing board, moving object collision detection method using a noise signal source, characterized in that for reducing the intensity of the spurious signal by adjusting the band width (band width) of the digital filter according to the position of the moving object. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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