KR101125276B1 - 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출 방법 및 장치와 그를 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체 - Google Patents

레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출 방법 및 장치와 그를 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출 장치에 관한 것으로, 복수 개의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 수신 신호를 주파수 변환하는 변환기; 상기 주파수 변환된 송신 신호 및 수신 신호를 이용하여 업-비트 주파수, 다운-비트 주파수 및 도플러 주파수를 검출하는 주파수 검출기; 상기 업 비트 주파수 및 상기 도플러 주파수를 이용하여 상관 주파수 후보군을 검출하는 상관 주파수 후보군 검출기; 상기 상관 주파수 후보군과 상기-다운 비트 주파수를 비교하여 상기 상관 주파수 후보군 중에서 상기-다운 비트 주파수와 동일한 값을 가지는 상관 주파수 후보에 대한 업-비트 주파수와 다운 비트 주파수의 페어를 선택하는 주파수 비교기; 상기 업-비트 및 다운-비트 주파수 검출기에서 각 전력 스펙트럼 밀도를 계산한 값을 비교하는 전력 스펙트럼 밀도 비교기; 상기 업-비트 및 다운-비트 주파수 검출기에서 각 위상변화량 계산한 값을 위상 변화량 비교기; 및 상기 주파수 비교기, 전력 스펙트럼 밀도 비교기 및 위상 변화량 비교기에서 산출된 값을 이용하여 상기 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 계산하는 거리 및 속도 계산기를 포함한다.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 레이더를 이용하여 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 검출할 때, 모든 가능한 비트 주파수들의 조합으로부터 상관성이 있는 비트 주파수들을 검출할 수 있어서, 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 정확하고 효율적으로 검출할 수 있다.
레이더, FMCW, 타겟, 도플러 주파수, 고스트 타겟, 미싱 타겟

Description

레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출 방법 및 장치와 그를 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체{Method and Apparatus for Detecting Range and Velocity of Target by Using Radar and Computer Readable Recording Medium for Recording Program Therefor}
본 발명의 실시예는 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출 방법 및 장치와그를 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 주파수 변조 연속파형(FMCW: Frequency Modulation Continuous Wave) 방식의 레이더(Radar)를 이용하여 복수 개의 실제 타겟(Real Target)에 대한 거리 및 속도를 정확하고 효율적으로 검출하는 방법 및 장치와 그를 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
오늘날 레이더 기반의 운전자 안전 시스템의 활용 범위는 계속 넓어지고 있다. 특히, 적응 순항 제어(ACC: Adaptive Cruise Control) 시스템 등은 24 GHz와 77 GHz 레이더를 이용하여 이미 시장에서 상용화되었다. 이러한 운전자 안전 시스템에서는 복수 개의 타겟이 존재하는 상황에서도 각 타겟의 거리 및 속도는 높은 정확도로 동시에 측정될 수 있어야 한다.
타겟의 거리 및 속도를 측정하기 위한 레이더로서는 주파수 변조 연속파형(FMCW: Frequency Modulation Continuous Wave) 방식의 레이더가 가장 널리 사용되고 있다. 하지만, 복수 개의 타겟이 존재하는 경우, 두 가지의 관점에서 거리와속도를 검출하는 데 모호성(Ambiguities)이 나타난다. 첫 번째 관점은 검출된 비트주파수(Beat Frequency)로부터 상대적인 속도와 거리를 얼마나 정확하게 분리할 수있는지에 대한 문제이고, 두 번째 관점은 비트 주파수들을 정확하게 조합하여 복수개의 타겟을 검출할 수 있는지에 대한 문제이다.
이러한 문제들은 타겟에 대한 거리와 속도를 검출하는 과정에서 고스트 타겟(Ghost Target)과 미싱 타겟(Missing Target)을 발생시키게 된다. 여기서, 고스트 타겟이란 실제로 존재하지는 않지만 신호 처리에서 검출되어 나타나는 오류(Error)이며, 미싱 타겟이란 실제로 존재함에도 불구하고 신호 처리의 오류로 인해 검출하지 못하는 타겟을 말한다.
이하에서 본 발명에서 적용하는 삼각파형태의 레이더 송수신 신호를 이용하여 타겟의 거리 및 속도를 구하는 원리를 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 발명에서 적용하는 레이더의 송수신 신호로서 삼각파 형태의 주파수 모양을 전송하는 경우의 예를 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 만약 타겟이 정지되어 있다면, 이때 수신 비트 신호의 위상은 [식 1]과 같이 표현할 수 있다. 여기서
Figure 112009073970852-pat00001
는 타겟의 round trip time이다. 여기서
Figure 112009073970852-pat00002
은 거리-비트 주파수로 타겟과 거리 정보를 담고 있는 주파수 성 분이다.
Figure 112009073970852-pat00003
Figure 112009073970852-pat00004
만약 타겟이 움직이는 경우라면, round trip time은 [수학식 2]와 같이 표현 될 수 있다. 여기서
Figure 112009073970852-pat00005
는 타겟이 정지해 있을 때의 round trip time을 나타낸다.
Figure 112009073970852-pat00006
[수학식 2]를 [수학식 1]에 대입한 후 생략가능 한 부분을 정리하게 되면 이하의 [수학식 3]과 같이 비트 신호의 위상 값을 나타낼 수 있다. 여기서
Figure 112009073970852-pat00007
은 거리-비트 주파수로 타겟과의 거리 정보를 담고 있는 주파수 성분이다.
Figure 112009073970852-pat00008
는 도플러 주파수로 타겟의 상대 속도를 담고 있는 주파수 성분이다.
Figure 112009073970852-pat00009
Figure 112009073970852-pat00010
Figure 112009073970852-pat00011
, ,
결국 FMCW 레이더의 수신 비트 신호를 FFT하게 되면
Figure 112009073970852-pat00012
정보가 검출된다. 하지만 이 값만으로는 거리 및 속도 정보를 정확하게 알 수가 없다. 이를 위해 이상 설명된 톱니파 형태의 주파수 스윕이 아닌, 삼각파나 사다리꼴 형태의 첩 신호를 전송하게 된다.
도 2는 타겟을 검출하기 위해 톱니파 형태의 첩을 여러개 전송하는 경우를 나타낸 도면이다. 도 2에 예시된 송수신 신호의 경우, [수학식 2]의 round trip time은 [수학식 4]와 같이 다시 표현될 수 있다. 여기사 k는 첩의 번호이고, T는 첩의 주기이다.
Figure 112009073970852-pat00013
이 경우 [수학식 4]를 [수학식 1]에 대입한 후 생략가능 한 부분을 정리하게 되면 [수학식 5]와 같이 비트 신호의 위상 값을 나타낼 수 있다.
Figure 112009073970852-pat00014
Figure 112009073970852-pat00015
Figure 112009073970852-pat00016
, ,
따라서 [수학식 5]를 FFT를 하게 되면 [수학식 6]과 같이 그 결과가 나오게 된다. 즉, 첩의 주기가 아주 짧다면 거리 정보
Figure 112009073970852-pat00017
값은 변화되지 않은 체, 위상값만 변화되는 것을 알 수 있다.
Figure 112009073970852-pat00018
따라서 [수학식 6]의 값으로 모아진 K 개의 첩들을 다시 FFT를 하게 되면, [ 수학식 7]과 같이 나타난다.
Figure 112009073970852-pat00019
도 3은 종래의 타겟의 거리 및 속도를 측정하기 위한 송수신 신호의 주파수를 2번의 고속 퓨리에변환을 통하여 주파수에 따른 전력 스펙트럼 밀도 그래프를 타나낸 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, K개의 첩 신호의 주기별로 모두 K 개의 1st FFT 결과를 검출한다. 이때의 주파수 대역은
Figure 112009073970852-pat00020
이고 아때 주파수 간격은
Figure 112009073970852-pat00021
이다. 이때 검출되는 비트 주파수들이 바로
Figure 112009073970852-pat00022
이라고 할 수 있다.
이렇게 1st FFT를 통해 검출된
Figure 112009073970852-pat00023
값들 중 관심있는 K개의 값들을 모아서 2nd FFT를 한다. 이때 샘플링 주파수
Figure 112009073970852-pat00024
가 되는 셈이고, 이때 주파수 범위는
Figure 112009073970852-pat00025
이고, 주파수 간격은
Figure 112009073970852-pat00026
이 된다.
이와 같은 방법을 적용하면 FFT를 통해 거리 정보와 속도 정보를 검출 할 수 있지만, 이 방법이 더욱 적정하게 적용되기 위해서는 이하의 전제조건이 필요하다.
첫번째, T가 원하는
Figure 112009073970852-pat00027
를 충분히 표현 할 수 있을 만큼의 작은 값을 가져야 한다. 즉,
Figure 112009073970852-pat00028
의 수식을 만족해야 한다. 예를 들어 원하는 최대 상대속도 가 100km/h인 경우 T는 약 35㎲ 이하의 값을 가져야 한다. 일반적으로 FMCW 신호와 같이 FM 변조된 연속 파형을 만들기 위해서는 VCO(Voltage-Controlled Oscillator)를 사용하고, 안정된 변조 신호를 생성하기 위해 PLL을 이용한다. 이 경우 위의 예제와 같은 T를 만족시키는 파형을 생성하는 것은 하드웨어 설계상 힘든 일이다.
두번째 조건은 2nd FFT에 결과에 의한 주파수 간격인
Figure 112009073970852-pat00029
가 원하는 속도 해상도를 얻기 위해 만족 되어져야 한다. 이렇다 보니 저장해야된 비트 신호 샘플의 양이 많아지게 되고, 이는 요구되는 메모리 크기를 증가시킬 뿐 아니라, 2nd FFT에서 요구되는 계산량 역시 증가하게 된다. 이는 요구되는 하드웨어 사양을 높일 뿐 아니라 레이더 시스템의 성능에 제한을 주게 된다.
이와 같은 이유로 상술한 2nd FFT를 이용한 거리-속도 검출 보다는 삼각파, 사다리꼴, 또는 멀티 첩 형태의 신호를 송신한 후, 페어링이라는 과정을 통해 거리-속도를 검출하는 알고리즘이 일반적으로 사용되고 있다. 하지만, 이 방법 역시 거리-속도 검출 모호성에 의해 고스트 타겟 검출되거나 타겟을 놓지는 경우가 발생하게 된다.
또한, 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 여러 방법들이 제안되었는데, 그 중 가장 널리 알려진 방법은 업 첩(Up Chirp)과 및 다운 첩(Down Chirp) 사이에 비변조-연속-파형(Unmodulated Continuous Wave)를 추가하는 방법이다. 하지만, 이 방법은복수 개의 타겟에 대한 비트 주파수들을 페어링(Pairing)하는 과정이 복잡한 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시예는, 모든 가능한 비트 주파수들의 조합들로부터 상관성이 있는 비트 주파수들을 정확하고 효율적으로 페어링하여 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 정확하고 효율적으로 검출하는 데 주된 목적이 있다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 특징은 복수 개의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 수신 신호를 주파수 변환하는 변환기; 상기 주파수 변환된 송신 신호 및 수신 신호를 이용하여 업-비트 주파수, 다운-비트 주파수 및 도플러 주파수를 검출하는 주파수 검출기; 상기 업 비트 주파수 및 상기 도플러 주파수를 이용하여 상관 주파수 후보군을 검출하는 상관 주파수 후보군 검출기; 상기 상관 주파수 후보군과 상기-다운 비트 주파수를 비교하여 상기 상관 주파수 후보군 중에서 상기-다운 비트 주파수와 동일한 값을 가지는 상관 주파수 후보에 대한 업-비트 주파수와 다운 비트 주파수의 페어를 선택하는 주파수 비교기; 상기 업-비트 및 다운-비트 주파수 검출기에서 각 전력 스펙트럼 밀도를 계산한 값을 비교하는 전력 스펙트럼 밀도 비교기; 상기 업-비트 및 다운-비트 주파수 검출기에서 각 위상변화량 계산한 값을 위상 변화량 비교기; 및 상기 주파수 비교기, 전력 스펙트럼 밀도 비교기 및 위상 변화량 비교기에서 산출된 값을 이용하여 상기 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 계산하는 거리 및 속도 계산기를 포함한다.
여기서, 상기 상기 업-비트 및 다운-비트 주파수 검출기는 제1 고속 퓨리에변환기(FFT)를 이용하여 상기 레이더 펄스의 연속첩을 누적하여 신호대 잡음비(SNR)을 향상시켜 상기 각 주파수 및 전력 스펙트럼 밀도를 계산하고, 상기 제1 고속 퓨리에변환기(FFT)와 병렬로 연결된 제2 고속 퓨리에변환기(FFT)를 이용하여 상기 계산된 주파수들 중에 관심영역(ROI:Region of Interest)의 주파수를 기준으로 하여 일부의 위상 변화량을 계산하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 거리 및 속도 계산기는, 상기 선택된 페어링 테이블을 생성하고, 상기 서택된 페어 중에서 상기 전력 스펙트럼 밀도에 의해 높은 상관관계를 가진 페어에 한표를 추가 투표하여 1차 페어링 테이블 업데이트 하고, 상기 선택된 페어 중에서 상기 위상변화량에 의해 높은 상관 관계를 가진 페어에 한표를 추가 투표하여 2차 페어링 테이블 업데이트하며, 상기 2차 업데이트된 페어링 테이블을 이용하여 상기 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 계산하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 제2 특징은 (a) 주파수 변환된 복수 개의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 수신 신호를 이용하여 업-비트 주파수, 다운-비트 주파수 및 도플러 주파수를 검출하는 단계; (b) 상기 업-비트 주파수, 다운-비트 주파수 및 도플러 주파수에 상응하는 전력 밀도 및 위상 변화량을 검출하는 단계; (c) 상기 업-비트 주파수 및 상기 도플러 주파수를 이용하여 상관 주파수 후보군 검출하는 단계; (d) 상기 상관주파수 후보군과 상기 다운-비트 주파수를 비교하고, 상기 업-비트 및 다운-비트의 전력 스펙트럼 밀도 및 위상 변화량을 비교하는 단계; (e) 상기 비교된 업-비트 주파수 및 다운-비트의 상기 주파수, 상기 전력 스펙트럼 밀도 및 상기 위상 변화량을 이용하여 페어를 선택하는 단계; (f) 상기 선택된 페어의 상기 업-비트 주파수 및 다운-비트 주파수를 이용하여 상기 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 계산하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (b) 단계는 상기 업-비트 및 다운-비트 주파수 검출기는 제1 고속 퓨리에변환(FFT)하고, 상기 레이더 펄스의 연속첩을 누적하여 신호대 잡음비(SNR)을 향상시켜 상기 각 주파수 및 전력 스펙트럼 밀도를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 주파수들 중에 관심영역(ROI:Region of Interest)의 주파수를 기준으로 하여 일부의 주파수를 제2 고속 퓨리에변환(FFT)하여 위상 변화량을 계산하는 단계를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 (e) 단계에서, 상기 업-비트 및 다운-비트의 주파수 페어의 선택은 상기 상관 주파수 후보군과 상기 다운-비트 주파수를 비교하여 상기 상관 주파수 후보군 중에서 상기 다운-비트 주파수와 동일한 값을 가지는 상관 주파수 후보에 대한 업-비트 주파수와 다운-비트 주파수의 페어를 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (f)단계는, 상기 선택된 페어에 한 표를 투표하여 페어링 테이블을 생성하는 단계; 상기 페어링 테이블의 투표된 페어 중에서 상기 업-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도와 상기 다운-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도의 차이가 기설정된 값 이하인 페어에 한 표를 추가로 투표하여 상기 페어링 테이블을 제1 업데이트 하는 단계; 및 상기 제1 업데이트 된 상기 페어링 테이블에서 상기 업-비트 주파수 및 다운-비트 주파수의 위상변화량의 차이가 기 설정된 값 이하인 페어에 한 표를 추가로 투표하여 상기 제2 업데이트 하는 단계를 포함하는 것이 바람직하 다.
한편, 본 발명의 제3특징으로, 상술한 거리 속도 검출방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 읽을 수 있는 기록매체일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 레이더를 이용하여 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 검출할 때, 모든 가능한 비트 주파수들의 조합으로부터 상관성이 있는 비트 주파수들을 검출할 수 있어서, 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 정확하고 효율적으로 검출할 수 있다.
또한, 2번의 고속 퓨리에변환(FFT:Fast Fourier Transform)을 이용하여, 연속 첩들을 누적하여 신호 대 잡음비(SNR)을 향상시킨 후 주파수, 전력 스펙트럼 밀도를 구하고, 이때 구해진 ROI(Region of Interest) 주파수를 구하여 활용함으로써 계산량을 줄일 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A,B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
통상적인 주파수 변조 연속 파형(FMCW: Frequency Modulation Continuous Wave) 방식의 레이더(이하 'FMCW 레이더'라 칭함)는 삼각파 형태로 시간에 따라 주파수를 변조한다.
도 4는 본 발명에서 적용되는 업 또는 다운 첩 구간이 있는 삼각파형을 나타낸 도면이다. 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 업-첩 구간은
Figure 112009073970852-pat00030
로 모두 K 개이며, 다운-첩 구간은
Figure 112009073970852-pat00031
로 역시 모두 K 개이다. 그리고 도플러 주파수를 구하기 위해
Figure 112009073970852-pat00032
구간을 둔다. 즉, 사다리꼴 형태와 같은 구조이다.
또는 도 4의 (b)와 같이 멀티 첩 형태의 파형을 이용할 수도 있다. 이하 설명에서는 도 4의 (a)에 나타난 기본적인 삼각파형을 이용한 방법을 이용하여 설명한다.
이렇게 수신된 비트 신호를 FFT를 통해 검출된
Figure 112009073970852-pat00033
와
Figure 112009073970852-pat00034
를 이용하여 상관 주파수를 생성한 후 이를
Figure 112009073970852-pat00035
와 비교하여 보팅 테이블(voting table)을 완성한다. 또 한 수신된 비트 주파수의 PSD(Power Spectrum Density)를 이용하여 두번째 보팅(voting)을 함으로써 고스트 타겟 제거와 미싱 타겟 검출을 가능하게 한다.
하지만 도플러 주파수와 PSD 만으로 페어링을 하는 것 역시 오류를 남길 수가 있다. 즉, 인접한 타겟의 경우 수신 PSD의 차이가 미비하므로 이 경우 페어링 오류가 나타날 확률이 높아진다. 이를 위해 [식 5]에 표현된 타겟의 위상 성분을 이용하는 방법을 제안한다.
즉, 동일한 타겟으로부터 수신된 업-비트 신호와 다운-비트 신호의 도플러 성분은 동일하다고 볼 수 있다. 정확한 도플러 주파수를 검출하기 위해서는 PRI가 짧은 파형을 선택하여야 하고 이는 여러 가지 제약이 있다고 상술한 바와 같다.
그러므로 본 발명에서는 짧은 PRI(펄스반복구간:Pulse Repetition Interval)를 이용하여 정확한 도플러 주파수를 뽑고자 하는 것이 아니고, 위상 변화 성분만 검출하고자 한다. 즉, 도플러 주파수 검출 입장에서 보면 PRI가 넓은 파형을 선택하였기 때문에 알리아징(Aliasing)이 발생한 주파수가 검출되는 것이지만, 본 발명에서는 비록 알리아징(Aliasing)이 발생을 하더라도, 업-비트 신호와 다운-비트 신호 모두에서 똑같이 알리아징(Aliasing)이 발생할 것이고, 이들을 비교하여 3rd 보팅에 적용하고자 한다.
도 5는 본 발명에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출 장치의 구성을 예시한 블럭도이다. 도 5에 나타낸 바와 같이 장치의 구성은 복수 개의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 수신 신호를 주파수 변환하는 신호 변환기(10); 상기 주파수 변환된 송신 신호 및 수신 신호를 이용하여 업-비트 주파수, 다운-비트 주파수 및 도플러 주파수를 검출하는 주파수 검출기(20,30,40); 상기 업 비트 주파수 및 상기 도플러 주파수를 이용하여 상관 주파수 후보군을 검출하는 상관 주파수 후보군 검출기(25); 상기 상관 주파수 후보군과 상기-다운 비트 주파수를 비교하여 상기 상관 주파수 후보군 중에서 상기-다운 비트 주파수와 동일한 값을 가지는 상관 주파수 후보에 대한 업-비트 주파수와 다운 비트 주파수의 페어를 선택하는 주파수 비교기(50); 상기 업-비트 및 다운-비트 주파수 검출기에서 각 전력 스펙트럼 밀도를 계산한 값을 비교하는 전력 스펙트럼 밀도 비교기(53); 상기 업-비트 및 다운-비트 주파수 검출기에서 각 위상변화량 계산한 값을 위상 변화량 비교기(57); 및 상기 주파수 비교기(50), 전력 스펙트럼 밀도 비교기(53) 및 위상 변화량 비교기(57)에서 산출된 값을 이용하여 상기 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 계산하는 거리 및 속도 계산기(60)를 포함한다.
여기서 업-비트 주파수 검출기(20)을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 도 4에 예시된 수신된 여러 개의 업-첩들은 누적을 통해 신호대 잡음비(SNR)을 향상 시킨다. 그리고 결정(Decision) 블록을 통해 업-비트 주파수
Figure 112009073970852-pat00036
와 상응하는 전력 스펙트럼 밀도 PSD
Figure 112009073970852-pat00037
를 구한다. 이와 병렬로 2번 고속 퓨리에변환(FFT)을 통해 위상 변화량
Figure 112009073970852-pat00038
을 구한다. 이때 1st FFT의 모든 결과를 2nd FFT를 적용시킨다. 다운-비트 주파수 검출기(40)도 동일한 구조로 계산과정을 거치게 된다.
이와 같은 구성을 갖는 검출장치는 FMCW 레이더 내부에 구비되는 하드웨어 또는 소프트웨어 모듈로서 구현되거나 FMCW 레이더와 독립적인 하드웨어 또는 그 하드웨어에 내장되는 소프트웨어 모듈로 구현될 수 있다.
신호 변환기(10)는 FMCW 레이더 등과 같은 레이더에 송수신하는 복수 개의 타겟에 대한 레이더의 송신 신호 및 수신 신호를 주파수 변환(Frequency Transform)한다. 이러한 신호 변환기(10)는 고속 퓨리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform) 등과 간은 이산 퓨리에 변환(Discrete Fourier Transform)을 수행하는 변환기일 수 있다.
주파수 검출기(20,30,40)는 신호 변환기(10)에 의해 주파수 변환된 송신 신호 및 수신 신호를 이용하여 업-비트 주파수, 다운-비트 주파수 및 도플러 주파수를 검출한다. 이를 위해, 주파수 검출기(20,30,40)는 신호 변환기(10)에 의해 주파수 변환된 송신 신호 및 수신 신호를 이용하여 업-비트 주파수 검출기(20), 다운-비트 주파수 검출기(40) 및 도플러 주파수 검출기(30)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 업-비트 주파수는 업 첩에 해당하는 주파수 변환된 송신 신호와 주파수 변환된 수신 신호의 주파수 차이로 표현되는 주파수를 말하며, 다운-비트 주파수는 다운 첩에 해당되는 주파수 변환된 송신 신호와 주파수 변환된 수신 신호의 주파수 차이로 표현되는 주파수를 말하며, 도플러 주파수는 상대 속도에 따른 송신 신호와 수신 신호 간의 이동된 주파수를 말한다.
상관 주파수 후보 검출기(25)는 주파수 검출기로부터 검출된 업-비트 주파수와 도플러 주파수를 이용하여 상관 주파수 후보군을 검출한다. 그리고, 주파수 비 교기(50)는 상관 주파수 후보군 검출기(25)에 의해 검출된 상관 주파수 후보군 중에서 다운 비트 주파수와 동일한 값을 가지는 상관 주파수 후보를 선택하여 선택된 상관 주파수 후보에 대한 업-비트 주파수와 다운-비트 주파수의 페어를 선택한다.
그리고, 전력 스펙트럼 밀도 비교기(53)는 상기 업-비트 주파수 검출기(20) 및 다운-비트 주파수 검출기(40)에서 계산된 전력 스펙트럼 밀도를 통해, 상기 업-비트 및 다운-비트 주파수의 페어링 테이블의 선택된 페어 중에서 업-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도와 다운-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도가 동일 또는 유사한 (즉, 업-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도와 다운-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도의 차이가 기 설정된 임계값 이하인)지를 비교한다.
또한, 위상 변화량 비교기(57) 상기 업-비트 주파수 검출기(20) 및 다운-비트 주파수 검출기(40)에서 계산된 위상 변화량을 통해, 상기 업-비트 및 다운-비트 주파수의 페어링 테이블의 선택된 페어 중에서 업-비트 주파수의 위상 변화량과 다운-비트 주파수의 위상 변화량이 동일 또는 유사한(즉, 업-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도와 다운-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도의 차이가 기 설정된 임계값 이하인)지를 비교한다.
그리고, 거리 및 속도 계산기(60)는 주파수 비교기(50), 전력 스펙트럼 밀도 비교기(53) 및 위상 변화량 비교기(57)에 의해 선택된 페어의 업-비트 주파수 및 다운-비트 주파수를 이용하여 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 계산한다. 이를 위해 거리 및 속도 계산기(60)는 주파수 비교기(50)에서 선택된 페어에 대해 한 표를 투표(voting)하여 페어링 테이블(Pairing table)을 생성하고, 전력 스펙트럼 밀도 비교기(53)에서 선택된 페어에 또 한번 한 표를 투표(voting)하여 상기 페어링 테이블을 제1 업데이트 하며, 다시 위상 변화량 비교기(57)에서 선택된 페어에 한 표를 투표(voting)하여 상기 페어링 테이블을 제2차 업데이트하여 페어링 테이블을 완성한다. 이 완성된 페어링 테이블을 이용하여 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 계산할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법의 흐름도를 예시한 도면이고, 도 7은 도 6에 예시된 검출방법의 흐름도에 따른 검출장치의 구성을 통한 모식도를 예시한 도면이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 거리 속도 검출방법은 (a) 주파수 변환된 복수 개의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 수신 신호를 이용하여 업-비트 주파수, 다운-비트 주파수 및 도플러 주파수를 검출하는 단계(S100); (b) 상기 업-비트 주파수, 다운-비트 주파수 및 도플러 주파수에 상응하는 전력 밀도 및 위상 변화량을 검출하는 단계(S100); (c) 상기 업-비트 주파수 및 상기 도플러 주파수를 이용하여 상관 주파수 후보군 검출하는 단계(S200); (d) 상기 상관주파수 후보군과 상기 다운-비트 주파수를 비교하고, 상기 업-비트 및 다운-비트의 전력 스펙트럼 밀도 및 위상 변화량을 비교하는 단계(S300); (e) 상기 비교된 업-비트 주파수 및 다운-비트의 상기 주파수, 상기 전력 스펙트럼 밀도 및 상기 위상 변화량을 이용하여 페어를 선택하는 단계(S500,S600,S700); (f) 상기 선택된 페어의 상기 업-비트 주파수 및 다운-비트 주파수를 이용하여 상기 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도 를 계산하는 단계(S800)를 포함한다.
도 7을 참조하여 설명하면, 먼저 FMCW 레이더를 이용하여 복수개의 타겟에 업 및 다운 첩을 갖는 파형(예를 들어 삼각파형, 멀티첩 형태의 삼가파형.. 등)의 송수신 한 후, 수신된 신호를 고속 퓨리에변환(FFT)하여 업-비트 주파수, 다운-비트 주파수 및 도플러 주파수를 검출한다. 그리고, 상기 업-비트 주파수 및 다운-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼과 위상변화량을 검출한다.(S100)
상기 검출 후, 고스트 타겟을 제거하고 미싱 타겟을 복구하기 위해, 업-비트 주파수를 참조 주파수로 사용하여 도플러 주파수와의 관계에서 상관 주파수 후보군을 검출하고(S200), 제1 비교기에서 상관 주파수 후보군과 다운-비트 주파수를 비교하여(S400) 동일 또는 유사한 값이 존재하는 경우(S400) 해당 비트 주파수와 다운-비트 주파수에 한 표를 투표하는 방식으로 페어링 테이블을 생성한다.(S500)
동시에, 제2 비교기 및 제3 비교기에서 업-비트 주파수 및 다운-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도와 위상변화량을 비교하여 동일 또는 유사한 경우에 상기 페어링 테이블에 투표하여 제1차 및 제2차 업데이트 하여(S600,S700), 이를 이용하여 실제 타겟을 검출한다.(S800)
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페어링 알고리즘에서는, 업-비트 주파수
Figure 112009073970852-pat00039
를 참조 주파수로 사용한다. 먼저, 참조 주파수와 도플러 주파수를 이용하여 상관 주파수 후보군
Figure 112009073970852-pat00040
를 [수학식 8]과 [수학식 9]과 같이 구한다.
Figure 112009073970852-pat00041
Figure 112009073970852-pat00042
다음으로,
Figure 112009073970852-pat00043
와 다운-비트 주파수
Figure 112009073970852-pat00044
를 비교하여 같은 값이 존재하는 경우 해당하는
Figure 112009073970852-pat00045
와
Figure 112009073970852-pat00046
의 페어에 한 표(voting)를 주어 페어링 테이블을 생성한다. 예를 들어,
Figure 112009073970852-pat00047
와
Figure 112009073970852-pat00048
의 값이 같다면,
Figure 112009073970852-pat00049
를 검출할 때 사용된업비트 주파수가
Figure 112009073970852-pat00050
이라면,
Figure 112009073970852-pat00051
와
Figure 112009073970852-pat00052
의 페어에 한 표를 투표한다.
도 8은 비변조 연속 파형의 신호에 의해 측정된 4 개의 타겟에 대한
Figure 112009073970852-pat00053
다이어그램을 나타낸 예시도이다. 전술한 페어링 알고리즘에 따라 4 개의 타겟에 대한
Figure 112009073970852-pat00054
다이어그램을 예시적으로 나타나내면 도 8과 같이 나타낼 수 있다. 도 8에서는 FMCW 레이더의 검출 영역 내에서 두 개의 고스트 타겟이 나타난 경우이다. 즉,
Figure 112009073970852-pat00055
및
Figure 112009073970852-pat00056
페어와
Figure 112009073970852-pat00057
및
Figure 112009073970852-pat00058
페어가 각각 고스트 타겟으로 나타났다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 페어링 알고리즘에 따라 타겟을 검출하면 업 비트 주파수와 다운비트 주파수의 모든 교차점 중 도플러 주파수와 교차하는 교차점만이 타겟으로 검출될 수 있으므로, 검출되는 고스트 타 겟의 개수를 줄일 수 있다. 더하여, 상기 페어링 테이블에서 선택된 페어 중에서 상응하는 전력 스펙트럼 밀도 스팩트럼이 동일 또는 유사한 페어에 투표하고(즉, 업-비트 주파수와 다운-비트 주파수의 차이가 기 설정된 임계값 이하), 다시 위상 변화량이 동일 또는 유사한(즉즉, 업-비트 주파수의 및 다운-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도와, 위상변화량 의 차이가 기 설정된 임계값 이하) 페어에 투표하여 상기 페어링 테이블을 제1차 및 제2차 업데이트 함으로서, 더욱 정교하게 고스트 타겟의 개수를 줄이고, 미싱 타겟을 복구할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.
이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기 록매체,캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는,특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래의 발명에서 적용하는 레이더의 송수신 신호로서 삼각파 형태의 주파수 모양을 전송하는 경우의 예를 나타낸 도면,
도 2는 타겟을 검출하기 위해 톱니파 형태의 첩을 여러개 전송하는 경우를 나타낸 도면,
도 3은 종래의 타겟의 거리 및 속도를 측정하기 위한 송수신 신호의 주파수를 2번의 고속 퓨리에변환을 통하여 주파수에 따른 전력 스펙트럼 밀도 그래프를 타나낸 도면,
도 4는 본 발명에서 적용되는 업 또는 다운 첩 구간이 있는 삼각파형을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출 장치의 구성을 예시한 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법의 흐름도를 예시한 도면,
도 7은 도 6에 예시된 검출방법의 흐름도에 따른 검출장치의 구성을 통한 모식도를 예시한 도면,
도 8은 비변조 연속 파형의 신호에 의해 측정된 4 개의 타겟에 대한
Figure 112009073970852-pat00059
다이어그램을 나타낸 예시도이다.

Claims (8)

  1. 복수 개의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 수신 신호를 주파수 변환하는 변환기;
    상기 주파수 변환된 송신 신호 및 수신 신호를 이용하여 업-비트 주파수, 다운-비트 주파수 및 도플러 주파수를 검출하는 주파수 검출기;
    상기 업 비트 주파수 및 상기 도플러 주파수를 이용하여 상관 주파수 후보군을 검출하는 상관 주파수 후보군 검출기;
    상기 상관 주파수 후보군과 상기-다운 비트 주파수를 비교하여 상기 상관 주파수 후보군 중에서 상기-다운 비트 주파수와 동일한 값을 가지는 상관 주파수 후보에 대한 업-비트 주파수와 다운 비트 주파수의 페어를 선택하는 주파수 비교기;
    상기 업-비트 및 다운-비트 주파수 검출기에서 각 전력 스펙트럼 밀도를 계산한 값을 비교하는 전력 스펙트럼 밀도 비교기;
    상기 업-비트 및 다운-비트 주파수 검출기에서 각 위상변화량 계산한 값을 비교하는 위상 변화량 비교기; 및
    상기 주파수 비교기, 전력 스펙트럼 밀도 비교기 및 위상 변화량 비교기에서 산출된 값을 이용하여 상기 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 계산하는 거리 및 속도 계산기를 포함하며,
    상기 업-비트 및 다운-비트 주파수 검출기는 제1 고속 퓨리에변환기(FFT)를 이용하여 상기 레이더 펄스의 연속첩을 누적하여 신호대 잡음비(SNR)을 향상시켜 상기 각 주파수 및 전력 스펙트럼 밀도를 계산하고,
    상기 제1 고속 퓨리에변환기(FFT)와 병렬로 연결된 제2 고속 퓨리에변환기(FFT)를 이용하여 상기 계산된 주파수들 중에 관심영역(ROI:Region of Interest)의 주파수를 기준으로 하여 일부의 위상 변화량을 계산하는 것임을 특징으로 하는 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 거리 및 속도 계산기는,
    상기 주파수 비교기에서 선택된 페어에 대한 페어링 테이블을 생성하고,
    상기 선택된 페어 중에서 업-비트 주파수와 다운-비트 주파수의 차이가 기 설정된 임계값 이하인 페어에 한표를 추가 투표하여 1차 페어링 테이블을 업데이트하고,
    상기 선택된 페어 중에서 업-비트 주파수 및 다운-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도와 위상 변화량의 차이가 기 설정된 임계값 이하인 페어에 한표를 추가 투표하여 2차 페어링 테이블 업데이트하며,
    상기 2차 업데이트된 페어링 테이블을 이용하여 상기 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출 장치.
  4. (a) 주파수 변환된 복수 개의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 수신 신호를 이용하여 업-비트 주파수, 다운-비트 주파수 및 도플러 주파수를 검출하는 단계;
    (b) 상기 업-비트 주파수 및 다운-비트 주파수에 상응하는 전력 밀도 및 위상 변화량을 검출하는 단계;
    (c) 상기 업-비트 주파수 및 상기 도플러 주파수를 이용하여 상관 주파수 후보군 검출하는 단계;
    (d) 상기 상관주파수 후보군과 상기 다운-비트 주파수를 비교하고, 상기 업-비트 및 다운-비트의 전력 스펙트럼 밀도 및 위상 변화량을 비교하는 단계;
    (e) 상기 비교된 업-비트 주파수 및 다운-비트의 상기 주파수, 상기 전력 스펙트럼 밀도 및 상기 위상 변화량을 이용하여 페어를 선택하는 단계;
    (f) 상기 선택된 페어의 상기 업-비트 주파수 및 다운-비트 주파수를 이용하여 상기 복수 개의 타겟에 대한 거리 및 속도를 계산하는 단계를 포함하며,
    상기 (b) 단계는 상기 업-비트 및 다운-비트 주파수 검출기는 제1 고속 퓨리에변환(FFT)하고, 상기 레이더 펄스의 연속첩을 누적하여 신호대 잡음비(SNR)을 향상시켜 상기 각 주파수 및 전력 스펙트럼 밀도를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 주파수들 중에 관심영역(ROI:Region of Interest)의 주파수를 기준으로 하여 일부의 주파수를 제2 고속 퓨리에변환(FFT)하여 위상 변화량을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서,
    상기 업-비트 및 다운-비트의 주파수 페어의 선택은 상기 상관 주파수 후보군과 상기 다운-비트 주파수를 비교하여 상기 상관 주파수 후보군 중에서 상기 다운-비트 주파수와의 그 차이가 기 설정된 값 이하인 값을 가지는 상관 주파수 후보에 대한 업-비트 주파수와 다운 비트 주파수의 페어를 선택하는 것을 특징으로 하는 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 (f)단계는,
    상기 선택된 페어에 한 표를 투표하여 페어링 테이블을 생성하는 단계;
    상기 페어링 테이블의 투표된 페어 중에서 상기 업-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도와 상기 다운-비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도의 차이가 기설정된 값 이하인 페어에 한 표를 추가로 투표하여 상기 페어링 테이블을 제1 업데이트 하는 단계; 및
    상기 제1 업데이트 된 상기 페어링 테이블에서 상기 업-비트 주파수 및 다운-비트 주파수의 위상변화량의 차이가 기 설정된 값 이하인 페어에 한 표를 추가로 투표하여 상기 제2 업데이트 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법.
  8. 제4항 및 제6항 및 제7항 중 어느 한 항의 거리 속도 검출방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 읽을 수 있는 기록매체.
KR1020090117372A 2009-11-30 2009-11-30 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출 방법 및 장치와 그를 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체 KR101125276B1 (ko)

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