KR101110025B1

KR101110025B1 - Ｆｍｃｗ 레이더 신호처리 방법

Info

Publication number: KR101110025B1
Application number: KR1020100123396A
Authority: KR
Inventors: 임윤택; 이지훈; 박성욱
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2012-02-29

Abstract

본 발명은 FMCW 레이더 신호처리 방법에 있어서, 송신 신호를 보내고 목표물로부터 반사되어 입력되는 수신 신호 중에서 표본화된 데이터(sampled data)를 추출하는 단계, 상기 표본화된 데이터의 위상을 정해진 크기만큼 변위시키는 단계, 상기 위상 변위된 데이터를 패딩(padding)하는 단계, 상기 패딩 후, FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 수행하는 단계, 상기 FFT 연산을 통해 최대신호를 검출하는 단계 및 상기 최대신호를 이용하여 목표물과의 거리를 계산하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면 FMCW 레이더 시스템에서 데이터를 얻는데 필요한 표본화 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

ＦＭＣＷ 레이더 신호처리 방법 {Method for processing signal in FMCW radar}

본 발명은 FMCW 레이더 신호처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 FMCW 레이더 신호처리 알고리즘에 관한 것이다.

FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더는 송신신호를 보내고, 목표물로부터 반사되어오는 수신신호와의 믹싱을 통해 차 주파수를 획득하고, 이를 이용하여 거리 정보를 분석한다.

종래 FMCW 레이더에서는 표본화된 데이터(Sampled Data)에서 주파수 특성을 보기 위해 FFT(Fast Fourier Transform)연산을 하고, 이 때의 최고치 주파수 성분을 검출함으로써, 거리 정보 또는 속도의 정보를 추출하는 방법을 사용한다.

일반적으로 FMCW 레이더는 거리 탐지에 주로 사용되며, 다양한 방식으로 알고리즘이 변형되어 가며 해상도 향상을 위한 기법이 연구되고 있다. FMCW 레이더에서 원거리 목표물의 거리 탐지법은 이미 이론적으로 정리가 잘 되어 있고, 상용화에 적용된 사례가 다양하게 있다.

여기서, 거리 측정의 경우 해상도 향상을 위해서 보편적으로 사용하는 방법은 영 삽입(Zero-Padding) 법, Zoom FFT, Interpolation 등이 이 있으며, 일정 거리 사이에 있는 물체의 정밀 거리를 측정하는 방법을 사용한다.

한편, 가용 대역이 협소해질수록 거리 해상도가 악화 되면서 특히 근거리에서는 DC 및 하모닉 신호의 집중되며, 거리측정을 위한 신호는 협대역 특성으로 Fundamental 신호의 일부만 수신되게 되어, 일반적인 FFT 연산을 사용하여 신호를 검출하는 방법은 하모닉 신호가 저 주파수에서 집중되므로 부적합점이 있다. 그러나 기존에 제시된 영 삽입(Zero-Padding)이나, Zoom FFT, Interpolation은 실제 표본화된 데이터를 더하는 연산이 아니어서, 주파수 밀도(Spectrum Density)는 향상시킬 수 있으나, 주파수 해상도(Spectrum Resolution)를 궁극적으로 향상시키지 못하게 되며, 연산시 잡음 신호로 인하여 오차가 증가할 수 있다. 그러므로, 협대역에서 기존의 방법으로는 DC 및 하모닉 성분들이 발생하는 근거리 탐지 거리 해상도 향상에 부적합한 점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, FMCW 레이더에서 기존의 고해상도 거리 탐지 기법에서 제시하지 못했던 근거리 물체의 거리 탐지에 관하여 개선된 기능을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 협대역에서 근거리 뿐 아니라 원거리 물체의 고해상도 거리 정보를 얻을 수 있도록 하는데 그 다른 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 FMCW 레이더 신호처리 방법에 있어서, 송신 신호를 보내고 목표물로부터 반사되어 입력되는 수신 신호 중에서 표본화된 데이터(sampled data)를 추출하는 단계, 상기 표본화된 데이터의 위상을 정해진 크기만큼 변위시키는 단계, 상기 위상 변위된 데이터를 패딩(padding)하는 단계, 상기 패딩 후, FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 수행하는 단계, 상기 FFT 연산을 통해 최대신호를 검출하는 단계 및 상기 최대신호를 이용하여 목표물과의 거리를 계산하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 상기 표본화된 데이터의 수를 N개라 하고, 위상 변위된 신호열이 m개라고 할 때, FFT 연산은,

의 수식으로 표현할 수 있다.

본 발명에 의하면 FMCW 레이더 시스템에서 데이터를 얻는데 필요한 표본화 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다. 즉, 주어진 대역폭에서 얻어진 데이터는 FFT 연산을 위해 DSP 내부에서 필요한 만큼의 위상 변위 과정을 거치므로, 얻어진 일부의 샘플만 필요하기 때문에 표본화 시간을 단축시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 주파수 해상도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 즉, 이는 기존의 영 삽입법을 통해 스펙트럼 덴서티(Spectrum Density)만 향상되는 방법과 달리, 본 발명에서는 실제 데이터를 삽입하는 과정이므로 주파수 스펙트럼 덴서티(Spectrum Density)와 아울러, 스펙트럼 레졸루션(Spectrum Resolution) 특성이 함께 향상된다.

또한, 본 발명에서 제시하는 알고리즘은 동일한 방법으로 협대역에서 원거리 탐지 해상도를 향상시키는 방법으로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더에서 신호처리 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더의 주파수 혼합기 모델이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 혼합기에서 발생되는 IF 신호의 주파수 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 IF 신호를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신된 신호의 위상 변위 과정을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 한 파장의 신호를 도시한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더에서 신호처리 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 송신 신호를 보내고 목표물로부터 반사되어 입력되는 수신 신호 중에서 표본화된 데이터(sampled data)를 N개 추출한다(S101).

그리고, 표본화된 데이터의 위상을 정해진 크기만큼 변위시킨다(S103). 위상 변위된 데이터를 패딩(padding)한다(S105). 패딩 후, FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 수행한다(S109).

다음, FFT 연산을 통해 최대신호를 검출한다(S111). 그리고, 최대신호를 이용하여 목표물과의 거리를 계산한다(S113).

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더의 주파수 혼합기 모델이다.

도 2를 참조하면, 로컬 오실레이터(Local Oscillator, LO) 신호와 무선 주파수(Radio Frequency, RF) 신호를 혼합기에서 혼합시켜서 중간 주파수(Intermediate Frequency, IF) 신호를 발생시키는 기본 블록을 모델링한 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 혼합기에서 발생되는 중간 주파수(IF) 신호의 주파수 특성을 설명하기 위한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 중간 주파수(IF) 신호는 일반적으로 하모닉 특성을 수반하게 되는데, 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

(A,B,C,D는 상수)

즉, 중간 주파수(IF) 신호가 낮아질수록 하모닉 주파수의 간격이 좁아져서 저역통과 여과기(LPF)를 모두 통과하게 되며, 이에 따라 수신되는 신호의 파형에 왜곡이 발생하여, 근거리 해상도에 영향을 줄 수 있다.

도 3에서, 왼쪽 그래프는 중간 주파수(IF)가 비교적 높은 경우이고, 우측 그래프는 중간 주파수(IF)가 비교적 낮은 경우이다. 중간 주파수(IF)가 비교적 높은 왼쪽 그래프의 경우에는 하모닉 성분의 일부가 저역통과 여과기(LPF)를 통과하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 중간 주파수(IF)가 비교적 낮은 우측 그래프의 경우에는 하모닉 성분이 필터링되지 않고 모두 저역통과 여과기(LPF)를 통과하는 것을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 IF 신호를 도시한 그래프이다.

도 4는 수신되는 중간주파수(IF) 신호가 펀더멘털(fundamental) 신호의 1/4 파장 길이를 형성할 때, 복소수 평면에서 표현되는 그래프가 좌측에 도시되어 있고, 시간 영역에서의 I,Q 채널을 통하여 표현되는 그래프가 우측에 도시되어 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신된 신호의 위상 변위 과정을 보여주는 도면이다.

도 5는 해상도를 4배 향상시키기 위하여, 도 4의 실시예에서 수신된 신호의 위상 변위 과정이 도시되어 있다.

펀더멘털 신호를 형성하기 위해서는 적어도 한 파장의 신호가 필요하다. 이를 위하여, 도 4의 표본화된 신호로부터 일정 위상간격으로 위상을 변경시켜야 하는데, 도 5의 실시예에서는 4배의 해상도 향상을 위하여 2π/4=π/2 위상 만큼 점진적으로 증가시켜 위상을 변위시키는 과정이 예시되어 있다. 즉, 좌측 그래프는 π/2, 중앙 그래프는 π, 우측 그래프는 3π/2 만큼 위상변위가 이루어진 모습을 확인할 수 있다. 이와 함께 시간 영역에서의 I,Q 신호의 파형도 함께 도시되어 있음을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 한 파장의 신호를 도시한 그래프이다.

도 6에서 보는 바와 같이, 위상 변위된 신호를 연속적으로 나열하여, 거리 계산을 위한 최종 데이터를 배열하여 한 파장의 신호를 완성하게 된다. 이처럼 복소수 평면과 시간 영역에서 I,Q 채널을 통하여 한 파장이 완성되면, FFT 연산을 하여 하모닉 성분이 감소한 본래의 신호 성분을 검출한다.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 해상도를 4배 향상시키는 과정을 예시하였다. 그러나, FMCW 레이더 시스템에서 해상도 향상을 위하여 일반적인 과정을 제안하면, 우선 표본화된 데이터 x0를 추출하고, 데이터의 수는 N개라고 할 때, 해상도를 m배 향상시키기 위해서는 일정간격 위상 변위된 m개의 신호열이 필요하다. 이러한 신호열을 일정한 위상 간격으로 변위 시킨 다음, 신호열들을 덧붙여 이어 또 하나의 신호열을 만든다. 그리고, 다음 [수학식 2]와 같이 표현되는 FFT 연산을 통해 최대신호를 검출한다.

[수학식 2]

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

FMCW 레이더 신호처리 방법에 있어서,
송신 신호를 보내고 목표물로부터 반사되어 입력되는 수신 신호 중에서 표본화된 데이터(sampled data)를 추출하는 단계;
상기 표본화된 데이터의 위상을 정해진 크기만큼 변위시키는 단계;
상기 위상 변위된 데이터를 패딩(padding)하는 단계;
상기 패딩 후, FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 수행하는 단계;
상기 FFT 연산을 통해 최대신호를 검출하는 단계; 및
상기 최대신호를 이용하여 목표물과의 거리를 계산하는 단계를 포함하는 FMCW 레이더 신호처리 방법.
제1항에 있어서,
상기 표본화된 데이터의 수를 N개라 하고, 위상 변위된 신호열이 m개라고 할 때, FFT 연산은,

인 것을 특징으로 하는 FMCW 레이더 신호처리 방법.