KR101323681B1 - Apparatus and method for velocity estimation in ofdm radar system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 OFDM 레이더 시스템에서 목표물의 속도를 추정하기 위한 속도추정장치 및 속도추정방법에 관한 것으로, 임의의 수열 신호를 생성하는 수열신호 생성부; 상기 수열신호 생성부에서 생성된 수열신호를 위상편이변조(Phase Shift Keying)하는 위상편이변조부; 상기 위상편이변조부에서 위상편이변조된 신호를 병렬 변환하는 직렬-병렬 변환부; 상기 직렬-병렬 변환부에서 병렬 변환된 신호에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)처리를 행하는 IFFT 처리부; 상기 IFFT 처리부에서 IFFT 처리된 신호와 국부발진기에서 생성된 국부발진신호를 합성한 송신신호를 안테나를 통해 송신하는 제1 신호합성부; 상기 송신신호가 목표물에 반사되어 상기 안테나를 통해 수신되는 수신신호와 상기 국부발진기에서 생성된 국부발진신호를 합성하는 제2 신호합성부; 상기 제2 신호합성부에서 합성된 신호를 펄스압축하는 펄스압축부; 상기 펄스압축부에서 펄스압축된 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)처리를 행하는 FFT 처리부; 상기 FFT 처리부에서 FFT 처리된 신호를 직렬 변환하는 병렬-직렬 변환부; 및, 상기 병렬-직렬 변환부에서 직렬 변환된 신호에 포함된 수열신호와, 상기 송신 신호에 포함된 수열신호의 자기상관 관계 및 위상변화를 이용하여 상기 목표물의 속도를 추정하는 속도추정부를 포함하여 구성된다.The present invention relates to a speed estimating apparatus and a speed estimating method for estimating the speed of a target in an OFDM radar system, the sequence signal generating unit for generating an arbitrary sequence signal; A phase shift modulator for performing phase shift keying on the sequence signal generated by the sequence signal generator; A serial-to-parallel converter for converting the phase-shifted signal in parallel in the phase shifter; An IFFT processor for performing an inverse fast fourier transform (IFFT) process on the signals converted in parallel in the serial-parallel converter; A first signal synthesizing unit configured to transmit a transmission signal obtained by synthesizing the IFFT-processed signal from the IFFT processor and the local oscillation signal generated by the local oscillator through an antenna; A second signal synthesizing unit reflecting the transmission signal to a target to synthesize a reception signal received through the antenna and a local oscillation signal generated by the local oscillator; A pulse compression unit which pulse-compresses the signal synthesized by the second signal synthesis unit; An FFT processor which performs an FFT (Fast Fourier Transform) process on the signal compressed by the pulse compression unit; A parallel-serial converter for serially converting the signal FFT processed by the FFT processor; And a speed estimator for estimating the speed of the target by using autocorrelation and phase change of the sequence signal included in the serial-converted signal in the parallel-serial converter and the sequence signal included in the transmission signal. It is composed.
Description
본 발명은 목표물의 이동속도 정보를 얻기 위한 레이더 시스템의 속도추정장치 및 속도추정방법에 관한 것으로서, 특히 다중 반송파를 사용하는 OFDM 레이더 시스템에서 목표물의 이동속도를 추정하기 위한 속도추정장치 및 속도추정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a speed estimating apparatus and a speed estimating method of a radar system for obtaining the moving speed information of a target, and in particular, a speed estimating apparatus and a speed estimating method for estimating a moving speed of a target in an OFDM radar system using multiple carriers. It is about.
일반적으로 군사용 레이더 시스템의 가장 큰 목적은 목표물의 위치 정보와 속도 정보를 파악하여 가장 위험성이 큰 목표물을 추적하여 적의 위험으로부터 아군을 보호하기 위함이다. 아군을 보호하기 위한 목적을 달성하기 위하여 송신 신호와 수신 신호 사이에 발생하는 도플러 효과를 이용하여 속도 정보를 최대한 빠른 시간 안에 정확히 추정해야 한다. 또한, 바이오 레이더 시스템에서는 인체의 심장 박동이나 기타 움직임을 측정하기 위하여 도플러 정보를 정확히 알아낸 후 대상물의 움직임을 파악한다. 이와 같은, 레이더 시스템에서 목표물의 속도 정보를 얻기 위해서는, 목표물의 이동으로 인해 발생하는 도플러 효과를 이용하여 송신 신호와 수신신호 간의 주파수 차이를 추정함으로써 목표물의 속도정보를 얻었다.In general, the greatest purpose of military radar systems is to protect the allies from enemy danger by tracking the most dangerous targets by grasping the location and speed information of the targets. In order to achieve the objective of protecting allies, speed information must be accurately estimated as quickly as possible using the Doppler effect between the transmitted and received signals. In addition, the bio radar system accurately detects Doppler information in order to measure the heartbeat or other movement of the human body and then detects the movement of the object. In order to obtain the speed information of the target in the radar system, the speed information of the target is obtained by estimating the frequency difference between the transmission signal and the reception signal using the Doppler effect generated by the movement of the target.
한편, 일반 레이더의 도플러 추정방법과는 달리, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; 직교주파수 분할) 레이더 시스템에서 목표물의 속도를 추정하는 방법은 부반송파에 실리는 개별 심볼을 이용하여 도플러 정보를 추정함으로써 속도를 추정하였다. OFDM 신호에서 도플러 효과로 인한 주파수 영역의 변화는 시간 영역 심볼의 위상을 회전시키는 결과를 낳기 때문이다. On the other hand, unlike the Doppler estimation method of general radar, the method of estimating the velocity of a target in an Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) radar system is estimated by estimating Doppler information using individual symbols carried on a subcarrier. Estimated. This is because a change in the frequency domain due to the Doppler effect in the OFDM signal results in rotating the phase of the time domain symbol.
보다 구체적으로, 도 1은 종래기술에 따른 OFDM 레이더 시스템에서 시간축에 대한 주파수별 OFDM 신호 배치를 나타내는 도로서, Ns개의 부반송파를 갖는 OFDM 신호 X개로 구성된 펄스 버스트(pulse burst)(PB)에 목표물의 속도로 인해 도플러 효과가 발생하면 OFDM 신호의 모든 부반송파에 실린 심볼의 위상이 회전하게 된다. 여기서, 펄스 버스트(pulse burst)란 레이더 신호가 여러 개 모여서 하나의 그룹을 형성하는 것을 의미한다. X개의 OFDM 신호에서 모든 k번째 부반송파의 위상 변화 평균값을 부반송파의 수 Ns 만큼 구하여 그것들의 평균을 다시 구하는 방법으로 도플러 정보를 추정하였다. More specifically, FIG. 1 is a diagram illustrating an OFDM signal arrangement for each frequency with respect to a time axis in an OFDM radar system according to the prior art, and includes a target of a target in a pulse burst PB composed of X OFDM signals having Ns subcarriers. When the Doppler effect occurs due to speed, the phase of the symbol on all subcarriers of the OFDM signal is rotated. Here, the pulse burst means that a plurality of radar signals are gathered to form a group. Doppler information was estimated by calculating the average value of phase shifts of all kth subcarriers in the X OFDM signals by the number of subcarriers Ns and re-averaging them.
하지만, 위상 변화를 이용하여 속도를 추정하는 기술은 위상 노이즈, 백그라운드(background) 노이즈, 클러터 등에 매우 취약하기 때문에 정확한 도플러 정보를 얻기 어려운 경우가 많이 발생하여, 정확한 속도추정을 할 수 없는 문제점이 발생하였다.However, since the technique of estimating velocity using phase change is very vulnerable to phase noise, background noise, clutter, etc., it is often difficult to obtain accurate Doppler information. Occurred.
[참고 문헌][references]
G. Lellouch, P. Tran, R. Pribic, P. van Genderen, "OFDM waveforms for frequency agility and opportunities for Doppler processing in radar", in Proc. Radar Conf., May 2008, pp. 1-6.G. Lellouch, P. Tran, R. Pribic, P. van Genderen, "OFDM waveforms for frequency agility and opportunities for Doppler processing in radar", in Proc. Radar Conf., May 2008, pp. 1-6.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 송신신호와 수신신호 간의 자기 상관 관계 및 위상변화를 이용하여 도플러 정보를 보다 정확히 추출함으로써 정확한 속도 추정이 가능한 OFDM 레이더 시스템의 속도추정장치 및 속도추정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, there is provided a speed estimating apparatus and a speed estimating method of the OFDM radar system capable of accurate speed estimation by extracting the Doppler information more accurately using the autocorrelation and phase change between the transmission signal and the received signal. The purpose is.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 OFDM 레이더 시스템에서 목표물의 속도를 추정하기 위한 속도추정장치는, 임의의 수열 신호를 생성하는 수열신호 생성부; 상기 수열신호 생성부에서 생성된 수열신호를 위상편이변조(Phase Shift Keying)하는 위상편이변조부; 상기 위상편이변조부에서 위상편이변조된 신호를 병렬 변환하는 직렬-병렬 변환부; 상기 직렬-병렬 변환부에서 병렬 변환된 신호에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)처리를 행하는 IFFT 처리부; 상기 IFFT 처리부에서 IFFT 처리된 신호와 국부발진기에서 생성된 국부발진신호를 합성한 송신신호를 안테나를 통해 송신하는 제1 신호합성부; 상기 송신신호가 목표물에 반사되어 상기 안테나를 통해 수신되는 수신신호와 상기 국부발진기에서 생성된 국부발진신호를 합성하는 제2 신호합성부; 상기 제2 신호합성부에서 합성된 신호를 펄스압축하는 펄스압축부; 상기 펄스압축부에서 펄스압축된 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)처리를 행하는 FFT 처리부; 상기 FFT 처리부에서 FFT 처리된 신호를 직렬 변환하는 병렬-직렬 변환부; 및, 상기 병렬-직렬 변환부에서 직렬 변환된 신호에 포함된 수열신호와, 상기 송신 신호에 포함된 수열신호의 자기상관 관계 및 위상변화를 이용하여 상기 목표물의 속도를 추정하는 속도추정부를 포함하여 구성된다.In order to achieve the above object, a speed estimating apparatus for estimating the speed of a target in an OFDM radar system according to the present invention comprises: a sequence signal generator for generating an arbitrary sequence signal; A phase shift modulator for performing phase shift keying on the sequence signal generated by the sequence signal generator; A serial-to-parallel converter for converting the phase shift modulated signal in parallel in the phase shift modulator; An IFFT processor for performing an inverse fast fourier transform (IFFT) process on the signals converted in parallel in the serial-parallel converter; A first signal synthesizing unit configured to transmit a transmission signal obtained by synthesizing the IFFT-processed signal from the IFFT processor and the local oscillation signal generated by the local oscillator through an antenna; A second signal synthesizing unit reflecting the transmission signal to a target to synthesize a reception signal received through the antenna and a local oscillation signal generated by the local oscillator; A pulse compression unit which pulse-compresses the signal synthesized by the second signal synthesis unit; An FFT processor which performs an FFT (Fast Fourier Transform) process on the signal compressed by the pulse compression unit; A parallel-serial converter for serially converting the signal FFT processed by the FFT processor; And a speed estimator for estimating the speed of the target by using autocorrelation and phase change of the sequence signal included in the serial-converted signal in the parallel-serial converter and the sequence signal included in the transmission signal. It is composed.
여기서, 상기 직렬-병렬 변환부는 상기 위상편이 변조된 신호를 동일한 대역폭 내에서 병렬 변환하되, 일정한 시간 간격으로 설정된 개수인 Ns의 부반송파수와 Ns/2의 부반송파수로 번갈아 병렬 변환하는 것을 특징으로 한다.Here, the serial-parallel converter converts the phase shift-modulated signal in parallel within the same bandwidth, and converts the N-subcarrier of Ns and the sub-carrier of Ns / 2 in parallel at a predetermined time interval. .
또한, 상기 수열신호 생성부는, 일정한 시간간격으로 설정된 길이의 동일한 2개의 수열신호를 생성하되, 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에 배치되도록 수열신호를 생성하는 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는, 상기 목표물이 다가오는 경우에는 상기 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에서 배치될 때 전체 대역폭 내에서 하위 주파수의 부반송파에 할당되도록 뒷부분으로 배치되도록 수열신호를 생성하고, 상기 목표물이 멀어지는 경우에는 상기 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에 배치될 때 전체 대역폭 내에서 상위 주파수의 부반송파에 할당되도록 앞부분으로 배치되도록 수열신호를 생성하는 것이 바람직하다.The sequence signal generation unit may generate two sequence signals having the same length set at a predetermined time interval, and generate a sequence signal such that one sequence signal is disposed between the other sequence signals. More preferably, when the target is approaching, when the one sequence signal is disposed between the remaining sequence signals, a sequence signal is generated such that the sequence is arranged to be rearranged so as to be allocated to subcarriers of lower frequencies within the entire bandwidth, and the target moves away. In this case, when the one sequence signal is disposed between the other sequence signals, it is preferable to generate the sequence signal so that the sequence is arranged in the front portion so as to be allocated to a subcarrier of a higher frequency within the entire bandwidth.
또한, 상기 수열신호 생성부에서 생성되는 수열신호는, 자기상관 특성 또는 상호상관 특성을 갖는 수열신호로서, m-시퀀스신호, Gold 시퀀스 신호, Kasami 수열 신호, Z4 수열 신호, 다상(polyphase) 수열신호, 바커(barker) 시퀀스 신호, LCZ(low correlation zone) 수열신호, ZCZ(zero correlation zone) 수열 신호 중 어느 하나의 수열신호인 것이 바람직하다.In addition, the sequence signal generated by the sequence signal generator is a sequence signal having autocorrelation characteristics or cross-correlation characteristics, and includes an m-sequence signal, a gold sequence signal, a Kasami sequence signal, a Z4 sequence signal, and a polyphase sequence signal. It is preferable that any one of a sequencer signal, a barker sequence signal, a low correlation zone (LCZ) sequence signal, and a zero correlation zone (ZCZ) sequence signal.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 OFDM 레이더 시스템에서 목표물의 속도를 추정하기 위한 속도추정방법은, (a) 임의의 수열 신호를 생성하는 단계; (b) 상기 생성된 수열신호를 위상편이변조(Phase Shift Keying)하는 단계; (c) 상기 위상편이변조된 신호를 직렬-병렬 변환하는 단계; (d) 상기 직렬-병렬 변환된 신호에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)처리를 행하는 단계; (e) 상기 IFFT 처리된 신호와 국부발진신호를 합성한 송신신호를 안테나를 통해 송신하는 단계; (f) 상기 송신신호가 목표물에 반사되어 상기 안테나를 통해 수신되는 수신신호와 상기 국부발진신호를 합성하는 하는 단계; (g) 상기 (f) 단계에서 합성된 신호를 펄스압축하는 단계; (h) 상기 펄스압축된 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)처리를 행하는 단계; (i) 상기 FFT 처리된 신호를 병렬-직렬 변환하는 단계; 및, (j) 상기 병렬-직렬 변환된 신호에 포함된 수열신호와, 상기 송신 신호에 포함된 수열신호의 자기상관 관계 및 위상변화를 이용하여 상기 목표물의 속도를 추정하는 단계를 포함한다.On the other hand, in order to achieve the above object in the OFDM radar system according to the present invention, a speed estimation method for estimating the speed of the target, (a) generating an arbitrary sequence signal; (b) phase shift keying the generated sequence signal; (c) serial-to-parallel conversion of the phase shift signal; (d) performing an Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) process on the serial-parallel converted signal; (e) transmitting a transmission signal obtained by combining the IFFT processed signal and the local oscillation signal through an antenna; (f) synthesizing the local oscillation signal with the reception signal received through the antenna by reflecting the transmission signal to a target; (g) pulse-compressing the signal synthesized in step (f); (h) performing a Fast Fourier Transform (FFT) process on the pulse compressed signal; (i) parallel-to-serial converting the FFT processed signal; And (j) estimating the speed of the target by using autocorrelation and phase change of the sequence signal included in the parallel-serial converted signal and the sequence signal included in the transmission signal.
여기서, 상기 (c) 단계는, 상기 위상편이 변조된 신호를 동일한 대역폭 내에서 병렬 변환하되, 일정한 시간 간격으로 설정된 개수인 Ns의 부반송파수와 Ns/2의 부반송파수로 번갈아 병렬 변환하는 것을 특징으로 한다.In the step (c), the phase shift-modulated signal is converted in parallel within the same bandwidth, and the N-subcarriers of Ns and Ns / 2 sub-carriers are converted in parallel in alternating time. do.
또한, 상기 (a) 단계는, 일정한 시간간격으로 설정된 길이의 동일한 2개의 수열신호를 생성하되, 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에 배치되도록 수열신호를 생성하는 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는, 상기 목표물이 다가오는 경우에는 상기 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에서 배치될 때 전체 대역폭 내에서 하위 주파수의 부반송파에 할당되도록 뒷부분으로 배치되도록 수열신호를 생성하고, 상기 목표물이 멀어지는 경우에는 상기 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에 배치될 때 전체 대역폭 내에서 상위 주파수의 부반송파에 할당되도록 앞부분으로 배치되도록 수열신호를 생성한다.In the step (a), two sequence signals having the same length are set at a predetermined time interval, and the sequence signals are generated such that one sequence signal is disposed between the other sequence signals. More preferably, when the target is approaching, when the one sequence signal is disposed between the remaining sequence signals, a sequence signal is generated such that the sequence is arranged to be rearranged so as to be allocated to subcarriers of lower frequencies within the entire bandwidth, and the target moves away. In this case, when the one sequence signal is disposed between the other sequence signals, the sequence signal is generated so as to be disposed in the front portion so as to be allocated to a subcarrier of a higher frequency within the entire bandwidth.
또한, 상기 (a) 단계에서 생성되는 수열신호는, 자기상관 특성 또는 상호상관 특성을 갖는 수열신호로서, m-시퀀스신호, Gold 시퀀스 신호, Kasami 수열 신호, Z4 수열 신호, 다상(polyphase) 수열신호, 바커(barker) 시퀀스 신호, LCZ(low correlation zone) 수열신호, ZCZ(zero correlation zone) 수열 신호 중 어느 하나의 수열신호인 것이 바람직하다.In addition, the sequence signal generated in step (a) is a sequence signal having autocorrelation characteristics or cross-correlation characteristics, and includes an m-sequence signal, a gold sequence signal, a Kasami sequence signal, a Z4 sequence signal, and a polyphase sequence signal. It is preferable that any one of a sequencer signal, a barker sequence signal, a low correlation zone (LCZ) sequence signal, and a zero correlation zone (ZCZ) sequence signal.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 송신신호와 수신신호 간의 자기 상관 관계 및 위상변화를 이용하여 도플러 정보를 보다 정확히 추출함으로써, 노이즈, 백그라운드(background) 노이즈, 클러터 등의 외부 방해 요소가 많은 환경에서도 정확한 속도 추정이 가능하다.According to the present invention as described above, the Doppler information is extracted more accurately by using the autocorrelation and phase change between the transmission signal and the reception signal, so that even in an environment with a lot of external disturbances such as noise, background noise, clutter, etc. Accurate speed estimation is possible.
도 1은 종래기술에 따른 OFDM 레이더 시스템에서 시간축에 대한 주파수별 OFDM 신호 배치를 나타내는 도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 속도추정장치를 나타내는 블럭도.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 OFDM 레이더 시스템에서 시간축에 대한 주파수별 OFDM 신호 배치를 나타내는 도.
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 부반송파에 m-시퀀스가 실린 OFDM 신호의 구조를 나타내는 도.
도 5는 OFDM 레이더 시스템에서 송신 신호와 수신신호 간의 변화를 나타내는 성좌도.
도 6은 주파수 도메인 상에서 도플러 효과로 인한 OFDM 신호의 변화를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 버스트에서 εf 의 평균값을 계산하는 과정을 나타내는 개념도.
도 8은 종래기술과 본 발명의 성능 비교를 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 속도추정방법을 나타내는 순서도.1 is a view showing the frequency-specific OFDM signal arrangement on the time axis in the OFDM radar system according to the prior art.
2 is a block diagram showing a speed estimating apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating frequency-specific OFDM signal placement on a time axis in an OFDM radar system according to an embodiment of the present invention. FIG.
4 is a diagram illustrating a structure of an OFDM signal carrying an m-sequence on a subcarrier according to an embodiment of the present invention.
5 is a constellation diagram showing a change between a transmission signal and a reception signal in an OFDM radar system.
6 is a graph showing the change of the OFDM signal due to the Doppler effect in the frequency domain.
7 is a conceptual diagram illustrating a process of calculating an average value of ε f in a pulse burst according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing a performance comparison of the prior art and the present invention.
9 is a flow chart showing a speed estimation method according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 속도추정장치를 나타내는 블럭도로서, 본 발명에 따른 OFDM 레이더 시스템에서 목표물의 속도를 추정하기 위한 속도추정장치는, 임의의 수열 신호를 생성하는 수열신호 생성부(10); 수열신호 생성부(10)에서 생성된 수열신호를 위상편이변조(Phase Shift Keying)하는 위상편이변조부(20); 위상편이변조부(20)에서 위상편이변조된 신호를 병렬 변환하는 직렬-병렬 변환부(30); 직렬-병렬 변환부(30)에서 병렬 변환된 신호에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)처리를 행하는 IFFT 처리부(40); IFFT 처리부(40)에서 IFFT 처리된 신호와 국부발진기(55)에서 생성된 국부발진신호를 합성한 송신신호를 안테나(130)를 통해 송신하는 제1 신호합성부(50); 상기 송신신호가 목표물에 반사되어 안테나(130)를 통해 수신되는 수신신호와 국부발진기(55)에서 생성된 국부발진신호를 합성하는 제2 신호합성부(60); 제2 신호합성부(60)에서 합성된 신호를 펄스압축하는 펄스압축부(70); 펄스압축부(70)에서 펄스압축된 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)처리를 행하는 FFT 처리부(80); FFT 처리부(80)에서 FFT 처리된 신호를 직렬 변환하는 병렬-직렬 변환부(90); 및, 병렬-직렬 변환부(90)에서 직렬 변환된 신호에 포함된 수열신호와, 상기 송신 신호에 포함된 수열신호의 자기상관 관계 및 위상변화를 이용하여 상기 목표물의 속도를 추정하는 속도추정부(100)를 포함하여 구성된다. 참고적으로, 도 2에서는 하나의 송수신용 안테나(130)를 이용하기 위해, 듀플렉서(150)를 사용하고 있다.Figure 2 is a block diagram showing a speed estimating apparatus according to an embodiment of the present invention, the speed estimating apparatus for estimating the speed of the target in the OFDM radar system according to the present invention, generating a sequence signal generating an arbitrary
여기서, 상기 직렬-병렬 변환부(30)는 위상편이 변조된 신호를 동일한 대역폭 내에서 병렬 변환하되, 일정한 시간 간격으로 설정된 개수인 Ns의 부반송파수와 Ns/2의 부반송파수로 번갈아 병렬 변환하는 것을 특징으로 한다.Here, the serial-to-
또한, 상기 수열신호 생성부(10)는, 일정한 시간간격으로 설정된 길이의 동일한 2개의 수열신호를 생성하되, 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에 배치되도록 수열신호를 생성하는 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는, 상기 목표물이 다가오는 경우에는 상기 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에서 배치될 때 전체 대역폭 내에서 하위 주파수(일 예로, 최저주파수 (Hz) ~ 최저주파수 + (전체대역폭)/2 (Hz))의 부반송파에 할당되도록 뒷부분으로 배치되도록 수열신호를 생성하고, 상기 목표물이 멀어지는 경우에는 상기 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에 배치될 때 전체 대역폭 내에서 상위 주파수(일 예로, 최저주파수 + (전체대역폭)/2 (Hz) ~ 최고주파수 (Hz))의 부반송파에 할당되도록 앞부분으로 배치되도록 수열신호를 생성하는 것이 바람직하다.In addition, the
또한, 상기 수열신호 생성부(10)에서 생성되는 수열신호는, 좋은 자기상관 특성 또는 상호상관 특성을 갖는 수열신호로서, m-시퀀스신호, Gold 시퀀스 신호, Kasami 수열 신호, Z4 수열 신호, 다상(polyphase) 수열신호, 바커(barker) 시퀀스 신호, LCZ(low correlation zone) 수열신호, ZCZ(zero correlation zone) 수열 신호 중 어느 하나의 수열신호인 것이 바람직하다.The sequence signal generated by the
한편, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 속도추정방법을 나타내는 순서도로서, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 OFDM 레이더 시스템에서 목표물의 속도를 추정하기 위한 속도추정방법은, (a) 임의의 수열 신호를 생성하는 단계; (b) 상기 생성된 수열신호를 위상편이변조(Phase Shift Keying)하는 단계; (c) 상기 위상편이변조된 신호를 직렬-병렬 변환하는 단계; (d) 상기 직렬-병렬 변환된 신호에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)처리를 행하는 단계; (e) 상기 IFFT 처리된 신호와 국부발진신호를 합성한 송신신호를 안테나를 통해 송신하는 단계; (f) 상기 송신신호가 목표물에 반사되어 상기 안테나를 통해 수신되는 수신신호와 상기 국부발진신호를 합성하는 하는 단계; (g) 상기 (f) 단계에서 합성된 신호를 펄스압축하는 단계; (h) 상기 펄스압축된 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)처리를 행하는 단계; (i) 상기 FFT 처리된 신호를 병렬-직렬 변환하는 단계; 및, (j) 상기 병렬-직렬 변환된 신호에 포함된 수열신호와, 상기 송신 신호에 포함된 수열신호의 자기상관 관계 및 위상변화를 이용하여 상기 목표물의 속도를 추정하는 단계를 포함한다.9 is a flowchart illustrating a speed estimating method according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, a speed estimating method for estimating a speed of a target in an OFDM radar system according to the present invention includes ( a) generating any sequence signal; (b) phase shift keying the generated sequence signal; (c) serial-to-parallel conversion of the phase shift signal; (d) performing an Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) process on the serial-parallel converted signal; (e) transmitting a transmission signal obtained by combining the IFFT processed signal and the local oscillation signal through an antenna; (f) synthesizing the local oscillation signal with the reception signal received through the antenna by reflecting the transmission signal to a target; (g) pulse-compressing the signal synthesized in step (f); (h) performing a Fast Fourier Transform (FFT) process on the pulse compressed signal; (i) parallel-to-serial converting the FFT processed signal; And (j) estimating the speed of the target by using autocorrelation and phase change of the sequence signal included in the parallel-serial converted signal and the sequence signal included in the transmission signal.
여기서, 상기 (c) 단계는, 상기 위상편이 변조된 신호를 동일한 대역폭 내에서 병렬 변환하되, 일정한 시간 간격으로 설정된 개수인 Ns의 부반송파수와 Ns/2의 부반송파수로 번갈아 병렬 변환하는 것을 특징으로 한다.In the step (c), the phase shift-modulated signal is converted in parallel within the same bandwidth, and the N-subcarriers of Ns and Ns / 2 sub-carriers are converted in parallel in alternating time. do.
또한, 상기 (a) 단계는, 일정한 시간간격으로 설정된 길이의 동일한 2개의 수열신호를 생성하되, 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에 배치되도록 수열신호를 생성하는 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는, 상기 목표물이 다가오는 경우에는 상기 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에서 배치될 때 전체 대역폭 내에서 하위 주파수의 부반송파에 할당되도록 뒷부분으로 배치되도록 수열신호를 생성하고, 상기 목표물이 멀어지는 경우에는 상기 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에 배치될 때 전체 대역폭 내에서 상위 주파수의 부반송파에 할당되도록 앞부분으로 배치되도록 수열신호를 생성한다.In the step (a), two sequence signals having the same length are set at a predetermined time interval, and the sequence signals are generated such that one sequence signal is disposed between the other sequence signals. More preferably, when the target is approaching, when the one sequence signal is disposed between the remaining sequence signals, a sequence signal is generated such that the sequence is arranged to be rearranged so as to be allocated to subcarriers of lower frequencies within the entire bandwidth, and the target moves away. In this case, when the one sequence signal is disposed between the other sequence signals, the sequence signal is generated so as to be disposed in the front portion so as to be allocated to a subcarrier of a higher frequency within the entire bandwidth.
또한, 상기 (a) 단계에서 생성되는 수열신호는, 자기상관 특성 또는 상호상관 특성을 갖는 수열신호로서, m-시퀀스신호, Gold 시퀀스 신호, Kasami 수열 신호, Z4 수열 신호, 다상(polyphase) 수열신호, 바커(barker) 시퀀스 신호, LCZ(low correlation zone) 수열신호, ZCZ(zero correlation zone) 수열 신호 중 어느 하나의 수열신호인 것이 바람직하다.In addition, the sequence signal generated in step (a) is a sequence signal having autocorrelation characteristics or cross-correlation characteristics, and includes an m-sequence signal, a gold sequence signal, a Kasami sequence signal, a Z4 sequence signal, and a polyphase sequence signal. It is preferable that any one of a sequencer signal, a barker sequence signal, a low correlation zone (LCZ) sequence signal, and a zero correlation zone (ZCZ) sequence signal.
본 발명의 핵심은 위상 노이즈, 백그라운드 노이즈, 클러터 등의 외부 방해 요소가 많은 상황에서 도플러 정보를 보다 정확히 추출하기 위하여 OFDM 신호의 부반송파에 m-시퀀스 등의 상관특성이 좋은 수열을 이용하여 2단계 도플러 추정기술을 통해 목표물의 속도를 추정하는 것이다. 즉, 본 발명은 목표물의 이동 속도에 따른 수신 신호의 도플러 정보를 추출하는데 있어서, 수신 신호를 두 단계로 나눠 처리함으로써 도플러 정보의 정확한 추정과 복잡도 감소를 이룰 수 있다. 구체적으로는, 첫 번째 단계에서 OFDM 신호의 부반송파에 실리게 되는 m-sequence 등의 자기 상관 성능을 이용하여 넓은 범위의 도플러 정보를 추출하며, 두 번째 단계에서 부반송파에 실린 수열신호(예로써, m-PSK; multi phase shift keying)가 도플러 효과로 인해 위상이 회전하는 것을 이용하여 좁은 범위의 도플러 정보를 추출한다. 이와 같은, 두 단계를 통하여 추출한 도플러 정보를 이용하여 최종적으로 목표물의 속도를 추정하게 된다. In order to extract Doppler information more accurately in a situation where there are a lot of external disturbances such as phase noise, background noise, and clutter, the core of the present invention is a two-step using a sequence having good correlation characteristics such as m-sequence to subcarriers of an OFDM signal. The Doppler estimation technique estimates the speed of the target. That is, in the present invention, when extracting Doppler information of a received signal according to a moving speed of a target, the received signal may be processed in two steps to achieve accurate estimation and complexity reduction of the Doppler information. Specifically, a wide range of Doppler information is extracted by using autocorrelation performance such as m-sequence that is carried on a subcarrier of an OFDM signal in a first step, and a sequence signal (eg, m) carried on a subcarrier in a second step. -PSK extracts a narrow range of Doppler information using phase rotation due to the Doppler effect. By using the Doppler information extracted through the two steps, the speed of the target is finally estimated.
본 발명에 따른 OFDM 레이더 시스템에서 속도추정장치의 속도추정부(100)는 다음과 같은 과정을 거쳐 속도를 추정하게 된다.In the OFDM radar system according to the present invention, the
1. 도플러 효과로 인한 1. Due to the Doppler effect OFDMOFDM 신호의 변화 Change of signal
우선 펄스 버스트(Pulse burst)에서 개별 OFDM 레이더 신호 즉, 송신신호s(t)에 대한 식은 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.First, an equation for an individual OFDM radar signal, that is, a transmission signal s (t) in a pulse burst may be defined as in
여기서, fsub과 Ns는 각각 부반송파의 대역폭와 부반송파의 수를 나타내며, OFDM 신호가 차지하는 총 대역폭(BW)인 fsub*Ns는 항상 일정하다고 가정한다. 즉, Ns가 커지면 fsub는 BW/Ns로 줄어든다. 위 식에서 x(k)는 OFDM에서 k번째 부반송파에 실리는 수열신호(예로써, m-PSK 신호)를 의미한다. 한편, 본 발명에서는 x(k)로 m-PSK 신호로 변환된 m-시퀀스를 사용하여 설명하지만, Gold 수열 신호, Kasami 수열 신호, Z4 수열 신호, 다상(polyphase) 수열신호, 바커(barker) 수열 신호, LCZ(low correlation zone) 수열신호, ZCZ(zero correlation zone) 수열 신호 등의 자기 상관(Autocorrelation) 혹은 상호 상관(Crosscorrelation) 특성이 좋은 다양한 수열이 사용될 수 있다. Here, f sub and N s represent the subcarrier bandwidth and the number of subcarriers, respectively, and it is assumed that f sub * N s , which is the total bandwidth (BW) occupied by the OFDM signal, is always constant. That is, as N s increases, f sub decreases to BW / N s . In the above equation, x (k) means a sequence signal (eg, m-PSK signal) carried on the k-th subcarrier in OFDM. Meanwhile, the present invention is described using an m-sequence converted into an m-PSK signal by x (k), but a Gold sequence signal, a Kasami sequence signal, a Z4 sequence signal, a polyphase sequence signal, and a barker sequence Various sequences having good autocorrelation or crosscorrelation characteristics such as signals, low correlation zone (LCZ) sequence signals, and zero correlation zone (ZCZ) sequence signals may be used.
수학식 1의 OFDM 신호를 이용하여 도 1과 같이, 일반적인 펄스 버스트(pulse burst)를 구성하게 되면 수신된 OFDM 신호를 FFT(fast Fourier transform) 처리하는 과정에서 도플러 효과로 인하여 특정 조건에서 ICI(inter-carrier interference)가 발생한다. ICI가 발생하게 되면 도플러 추정을 위한 m-sequence가 제대로 복호되지 않기 때문에 성능 저하가 발생하게 된다.As shown in FIG. 1 by using the OFDM signal of
이에 대해, 본 발명에서는 도 3과 같이 OFDM 신호의 펄스 버스트가 동일한 총 대역폭(BW)을 가지지만 부반송파 수가 다르게 배치된다. 즉, 직렬-병렬 변환부(20)가 위상편이 변조부(20)를 통해 출력되는 위상편이 변조된 신호를 동일한 대역폭 내에서 병렬 변환하되, 일정한 시간 간격(Tr)으로 설정된 개수인 512개의 부반송파수와 256의 부반송파수로 번갈아 병렬 변환함으로써 펄스 버스트가 배치된다.In contrast, in the present invention, as shown in FIG. 3, the pulse burst of the OFDM signal has the same total bandwidth (BW), but the number of subcarriers is arranged differently. That is, the serial-to-
또한, 도 3의 펄스 버스트에서 OFDM 신호의 부반송파에 실리게 되는 m-시퀀스는 예를 들어 다음과 같은 방법으로 생성된다. 도 3에서 부반송파가 512개인 첫 번째 OFDM 신호는 길이 255의 동일한 m-sequence 두 개를 발생시켜 하나는 가운데 부분에 배치하고 다른 하나는 앞부분과 뒷부분을 도 4와 같이 가운데 배치된 부반송파의 윗부분과 아랫부분에 할당되도록 각각 배치한다. 여기에서 부반송파의 윗부분과 아랫부분에 실리게 되는 수열의 길이는 우리가 추정하고자 하는 목표물의 최대 속도에 비례하는 도플러 주파수의 최대값 를 부반송파의 대역폭 fsub으로 나눈 몫 이상이면 된다. 다시 말하면, 최대 도플러 주파수 값보다 큰 주파수를 포함하는 길이면 된다. 마찬가지로, 부반송파가 256개인 경우는 m-sequence의 길이가 127인 m-sequence를 이용하여 생성하면 된다. 이 때, m-sequence를 상하에 배치하는 이유는 도플러 정보 추정 과정에서 수신된 m-sequence의 자기 상관 성능이 순환 콘볼루션 해야 얻을 수 있으므로 이를 구현하기 위함이다. 도 4에서 BW는 레이더 신호 즉 OFDM 신호의 대역폭을 의미하며, Tpulse는 레이더 신호의 시간 폭을 나타낸다. In addition, the m-sequences carried on the subcarriers of the OFDM signal in the pulse burst of FIG. 3 are generated by, for example, the following method. In FIG. 3, the first OFDM signal having 512 subcarriers generates two identical m-sequences of length 255, one of which is disposed in the middle and the other of which is located in the middle of the upper and lower portions of the subcarriers. Place each to be assigned to the part. Here, the length of the sequence on the upper and lower parts of the subcarrier is the maximum value of the Doppler frequency proportional to the maximum speed of the target that we want to estimate. Is equal to or greater than the quotient of the subcarrier bandwidth f sub . In other words, the length may include a frequency greater than the maximum Doppler frequency value. Similarly, in the case of 256 subcarriers, m-sequences having a length of 127 may be generated using m-sequences. In this case, the reason for arranging the m-sequences up and down is to implement the autocorrelation performance of the m-sequence received during the Doppler information estimation process since it can be obtained by circular convolution. In FIG. 4, BW denotes a bandwidth of a radar signal, that is, an OFDM signal, and T pulse denotes a time width of the radar signal.
이어서, 상기 수학식 1의 송신신호가 송신되어 이동 중인 목표물에 반사되면, 목표물의 속도에 따른 도플러 효과가 발생되어 아래와 같은 수신신호r(t-τ)를 수신하게 된다.Subsequently, when the transmission signal of
여기서, s(t)는 OFDM 송신 신호이며, α는 신호의 감쇄와 관련된 변수를 나타낸다. w(t)는 백그라운드 노이즈를 의미한다. 또한, τ는 목표물의 위치에 따른 전파의 지연 시간을 의미한다. 또한, fD는 목표물의 이동 속도에 대응하는 도플러 주파수를 의미하여 수학식 3과 같이 계산된다.Where s (t) is an OFDM transmission signal and α represents a variable related to the attenuation of the signal. w (t) means background noise. In addition, τ means a delay time of propagation according to the position of the target. In addition, f D means a Doppler frequency corresponding to the moving speed of the target and is calculated as in
여기서, vr은 목표물의 속도를 나타내고, fc는 반송파 주파수를 나타내며, c는 전파의 속도를 나타낸다. 또한, θ는 목표물이 레이다를 향해 다가오는 각도를 나타낸다. 예를 들면, 목표물이 레이다 정면으로 다가오는 경우의 θ는 0도이다.Where v r represents the speed of the target, f c represents the carrier frequency, and c represents the speed of propagation. Also, θ represents the angle at which the target approaches the radar. For example, θ when the target approaches the radar front is 0 degrees.
이어서, 수학식 2와 같은, OFDM 신호를 수신하여 펄스 압축(pulse compression) 처리를 수행한 뒤, 목표물에 대한 거리 정보 즉, 전파지연 시간 정보(τ)를 확보하여 수신신호 r(t)는 수학식 4와 같이 FFT 처리가 수행된다.Subsequently, after receiving an OFDM signal as shown in Equation 2, performing a pulse compression process, the distance information about the target, that is, the propagation delay time information τ is obtained, and the received signal r (t) FFT processing is performed as in
여기서, 는 다양한 노이즈에 의하여 손상된 k번째 m-sequence를 담은 m-PSK 심볼을 나타낸다. 그리고 Ns는 FFT의 크기와 부반송파의 수를 의미한다. 또한, ε은 정규화된 계수로서 fD/fsub 를 나타낸다. fD는 목표물의 속도에 해당하는 도플러 주파수를 나타내고, fsub는 부반송파의 대역폭을 의미한다. 특히, ε은 fsub의 크기와 목표물의 속도에 따라 가변적으로 변하게 되며 정수 부분인 εi와 소수 부분인 εf로 구성된다.here, Denotes an m-PSK symbol containing the k-th m-sequence damaged by various noises. And Ns means the size of the FFT and the number of subcarriers. Ε denotes f D / f sub as a normalized coefficient. f D denotes the Doppler frequency corresponding to the velocity of the target, and f sub denotes the bandwidth of the subcarrier. In particular, ε varies variably depending on the size of f sub and the speed of the target, and is composed of an integer part ε i and a fractional part ε f .
한편, 도플러 효과에 의한 OFDM 신호의 주파수 영역에서의 변화를 보게 되면, 수학식 4와 같이 ε에 의하여 OFDM 신호가 주파수 도메인 상에서 도 6과 같이 좌우로 이동을 하게 된다. 또한 OFDM 신호의 부반송파에 실려 있던 m-PSK 신호는 ε에 의한 변화를 겪게 되는데, 그러한 변화를 εi과 εf로 나눠서 나타내면 도 5와 같은 모습을 보이게 된다. 도 5를 보게 되면 성좌도 상에서 k번째 부반송파 실려 있던 m-PSK 신호가 정수 εi의 크기만큼 회전을 한 뒤(이는 εi개의 부반송파 수 만큼의 천이에 해당됨), εf 만큼 위상 천이가 일어난 것을 확인할 수 있다.On the other hand, when the change in the frequency domain of the OFDM signal due to the Doppler effect, as shown in Equation (4), the OFDM signal is moved left and right in the frequency domain as shown in FIG. In addition, the m-PSK signal carried on the subcarrier of the OFDM signal undergoes a change caused by ε. When such a change is expressed by dividing ε i and ε f, it is shown in FIG. 5. Referring to FIG. 5, after the m-PSK signal carried on the k-th subcarrier on the constellation diagram is rotated by the size of the integer ε i (which corresponds to the shift of ε i subcarriers), it is confirmed that the phase shift occurs by ε f . Can be.
2. 도플러 효과를 이용한 2단계 속도 추정 기술 제안2. Proposal of two-stage velocity estimation technique using Doppler effect
앞서 도플러 효과로 인한 OFDM 신호의 변화에 대해 살펴보았다. OFDM 레이더 시스템에서 목표물의 속도 정보를 얻기 위한 방법은 송신 신호와 수신 신호 간에 발생한 도플러 효과의 변화를 추정하는 것이다. The change in the OFDM signal due to the Doppler effect has been described above. A method for obtaining velocity information of a target in an OFDM radar system is to estimate a change in the Doppler effect occurring between a transmission signal and a reception signal.
OFDM 레이더에서 도플러 효과의 변화를 추정하기 위해 본 발명에 따른 목표물의 속도추정 방법은 εi과 εf로 이루어진 ε의 값을 두 단계로 나누어 구하는 것이다. 그것은 다음과 같다. In order to estimate the change of the Doppler effect in the OFDM radar, the velocity estimation method of the target according to the present invention is to obtain the value of ε consisting of ε i and ε f in two steps. It is as follows.
(1) ε(1) ε ii 를 추정하기 위한 첫 번째 단계 : 자기 상관 관계를 이용First Steps to Estimate: Using Autocorrelation
수신된 OFDM 신호에서 는 송신 OFDM 신호의 x(k)와 비교하여 도플러 효과로 인해 위상 회전을 겪게 된다. 송신 신호 x(k)에 비하여 수신 신호 가 몇 바퀴를 회전했는지(즉, εi 값)에 대한 정보를 사전에 부반송파에 실은 m-sequence를 통해 얻을 수 있다. 수신 신호에 실린 m-sequence와 송신 신호에 실린 m-sequence간의 자기 상관(Autocorrelation)을 통하여 얼마만큼 회전했는지에 대한 εi 를 구하는 것이 1단계에서 이뤄진다. 다시 말해, OFDM 신호가 주파수 영역에서 도플러 효과에 의하여 천이된 부분ε 중 정수에 해당하는 εi 부분을 구하는 것이다. In the received OFDM signal Is subjected to phase rotation due to the Doppler effect compared to x (k) of the transmitted OFDM signal. Received signal compared to transmit signal x (k) Information about the number of revolutions (ie, the value of ε i ) can be obtained from the m-sequence loaded on the subcarrier in advance. Ε i for how much it has rotated through autocorrelation between the m-sequence in the received signal and the m-sequence in the transmitted signal Finding is done in
다시 말해, 펄스 버스트(Pulse burst)에서 개별적인 OFDM 신호의 주파수 영역을 보여주는 도 6을 보게 되면 OFDM 레이더 신호는 도플러 효과에 의하여 오른쪽으로 fD만큼 천이된 상황이다. fD를 fsub로 나눈 값에서 정수 부분과 소수 부분에 해당하는 εi와 εf 중 εi가 1단계의 도플러 추정 방법을 통하여 얻어지는 것이다.In other words, referring to FIG. 6, which shows the frequency domain of individual OFDM signals in a pulse burst, the OFDM radar signal is shifted by f D to the right due to the Doppler effect. from the value obtained by dividing the f D f in the sub will ε i and ε of ε f i that corresponds to the integer part and the fractional part is obtained through the Doppler estimation method of the
더불어 ε의 정확도를 높이기 위하여, 도 7과 같이 홀수 위치의 OFDM 신호 부분에서 구한 값()과 짝수 번째 OFDM 신호 부분에서 구한 값()들의 평균값을 이용하여 최종적으로 εf를 구하게 된다.In addition, in order to increase the accuracy of ε, the value obtained in the OFDM signal portion of the odd position as shown in FIG. ) And the value obtained from the part of the even-numbered OFDM signal ( Finally, ε f is obtained by using the average value of).
하지만 수신된 OFDM 레이더 신호를 FFT 할 때 εf값이 0.5에 근접한 경우는 m-sequence에서 1/2 심볼 천이에 해당하므로 ICI가 발생하게 된다. ICI가 발생하게 되면 부반송파에 실린 m-PSK 신호가 대부분은 복구할 수 없을 정도로 손상을 입게 된다. 그런 경우 위에서 제안한 1단계 방법이 의미가 없어지게 되므로 그것을 보상하기 위하여 도 3과 같이 부반송파 수를 달리한 펄스 버스트를 이용하여 해결할 수 있다. 자세한 설명은 다음과 같다.However, when ε f is close to 0.5 when FFTs the received OFDM radar signal, ICI occurs because it corresponds to 1/2 symbol transition in m-sequence. When ICI occurs, most of the m-PSK signals on subcarriers are damaged beyond repair. In this case, since the proposed one-step method becomes meaningless, it can be solved by using a pulse burst having different subcarriers as shown in FIG. 3. Detailed description is as follows.
(2) ε(2) ε ff 를 추정하기 위한 두 번째 단계 : 위상변화를 이용Second step to estimate the phase: using phase change
ε의 정수 부분을 제외한 소수 부분 εf는 송신 신호 x(k)로부터 수신 신호 가 최종적으로 천이된 위상으로써, 도 5의 성좌도와 같이 나타나게 된다. 그것에 비례하는 εf값을 추정하면 된다. 정확도를 높이기 위하여 펄스 버스트(pulse burst)에서 OFDM 신호의 각 부반송파에 해당하는 값들의 평균을 이용하여 수학식 5와 같은 방법으로 추정한다.The fractional part ε f excluding the integer part of ε is the received signal from the transmitted signal x (k) Is the finally shifted phase, as shown in the constellation diagram of FIG. It is sufficient to estimate the value of ε f proportional to it. In order to increase the accuracy, an average of values corresponding to each subcarrier of the OFDM signal in a pulse burst is estimated using
여기서, 1≤k≤Ns를 만족하며, Nb는 펄스 버스트에서 OFDM 신호의 총 개수를 의미하며, 는 홀수 번째 OFDM 신호의 k번째 부반송파에 의해 수신된 m-sequence를 담은 m-PSK 심볼이고, 는 홀수 번째 부반송파에 의해 송신된 m-sequence를 담은 m-PSK 심볼이다. 그리고 E[]는 평균을 의미한다. 는 홀수 번째 OFDM 신호들의 k번째 부반송파들로부터 얻은 평균값이다. 위와 같은 방법으로 부반송파의 수에 해당하는 만큼 위 수학식 5을 반복하여 그것의 평균값을 구하게 되면 홀수 번째 OFDM 신호들에 의하여 얻어진 가 된다. 수학식 5의 경우는 pulse burst 상에서 홀수 위치에 해당하는 OFDM 레이더 신호의 를 구하기 위하여 사용되지만 짝수 위치에 해당하는 OFDM 레이더 신호도 수학식 6을 통하여 동일한 방법으로 구하면 된다. Here, 1 ≦ k ≦ N s , where N b is the total number of OFDM signals in a pulse burst, Is an m-PSK symbol containing the m-sequence received by the k-th subcarrier of the odd-numbered OFDM signal, Is an m-PSK symbol containing the m-sequence transmitted by the odd subcarrier. And E [] means mean. Is the average value obtained from the kth subcarriers of the odd numbered OFDM signals. By repeating
이렇게 구한 와 의 평균값이 εf가 된다. 다시 말해, 도 7과 같이, 펄스 버스트에서 각 부반송파의 위상 변화에 대한 평균값으로 εf를 구한다.So obtained Wow The average value of becomes ε f . In other words, as shown in FIG. 7, ε f is obtained as an average value of the phase change of each subcarrier in a pulse burst.
이와 같이, 구한 정수 추정값 εi와 소수 추정값 εf를 통하여, 목표물의 속도(ve)는 수학식 7과 같이 추정된다.Thus, the estimated integer ε i and the fractional estimated value obtained Through ε f , the velocity v e of the target is estimated as shown in equation (7).
도 8은, 종래기술과 본 발명의 성능 비교를 나타내는 그래프로서, 종래기술과의 성능 비교는 RMSE(root mean square error)를 이용하였고 으로 계산되었다. 여기에서 vr은 목표물의 실제 속도이고, 은 종래 기술과 본 발명에 따라 얻어진 목표물의 추정 속도이다. 도 8에서 보이듯이 본 발명의 2단계 도플러 추정 기법을 이용하였을 경우 기존 도플러 추정 기법을 이용한 경우보다 도플러 모호성이 없이 좋은 성능을 보인다는 것을 확인할 수 있다.8 is a graph showing the performance comparison between the prior art and the present invention, and the performance comparison with the prior art uses a root mean square error (RMS). Respectively. Where v r is the actual velocity of the target, Is the estimated speed of the target obtained according to the prior art and the present invention. As shown in FIG. 8, it can be seen that when the two-step Doppler estimation technique of the present invention is used, better performance is achieved without Doppler ambiguity than when using the conventional Doppler estimation technique.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 송신신호와 수신신호 간의 자기 상관 관계 및 위상변화를 이용하여 도플러 정보를 보다 정확히 추출함으로써, 노이즈, 백그라운드(background) 노이즈, 클러터 등의 외부 방해 요소가 많은 환경에서도 정확한 속도 추정이 가능하다.According to the present invention as described above, the Doppler information is extracted more accurately by using the autocorrelation and phase change between the transmission signal and the reception signal, so that even in an environment with a lot of external disturbances such as noise, background noise, clutter, etc. Accurate speed estimation is possible.
이상에서와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 분야의 당업자이면 본 발명의 실시예를 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그러므로, 본 발명의 특허권리범위는 본 발명에 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 균등물의 범주 내에서의 실시예들은 본 발명의 특허권리범위에 속하는 것이라 하겠다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Therefore, the scope of the patent right of the present invention is not limited to the embodiments described in the present invention, and the embodiments within the scope of the equivalents which do not depart from the technical idea and scope of the present invention are within the scope of the patent right of the present invention .
10 : 수열신호 생성부 20 : 위상편이변조부
30 : 직렬-병렬 변환부 40 : IFFT 처리부
50 : 제1 신호합성부 55 : 국부발진기
60 : 제2 신호합성부
70 : 펄스압축부 80 : FFT 처리부
90 : 병렬-직렬 변환부 100 : 속도추정부
130 : 안테나
150 : 듀플렉서10: sequence signal generator 20: phase shift modulator
30: serial-parallel conversion unit 40: IFFT processing unit
50: first signal synthesizer 55: local oscillator
60: second signal synthesis unit
70: pulse compression unit 80: FFT processing unit
90: parallel-serial converter 100: speed estimation
130: Antenna
150: duplexer
Claims (10)
임의의 수열 신호를 생성하는 수열신호 생성부;
상기 수열신호 생성부에서 생성된 수열신호를 위상편이변조(Phase Shift Keying)하는 위상편이변조부;
상기 위상편이변조부에서 위상편이변조된 신호를 병렬 변환하는 직렬-병렬 변환부;
상기 직렬-병렬 변환부에서 병렬 변환된 신호에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)처리를 행하는 IFFT 처리부;
상기 IFFT 처리부에서 IFFT 처리된 신호와 국부발진기에서 생성된 국부발진신호를 합성한 송신신호를 안테나를 통해 송신하는 제1 신호합성부;
상기 송신신호가 목표물에 반사되어 상기 안테나를 통해 수신되는 수신신호와 상기 국부발진기에서 생성된 국부발진신호를 합성하는 제2 신호합성부;
상기 제2 신호합성부에서 합성된 신호를 펄스압축하는 펄스압축부;
상기 펄스압축부에서 펄스압축된 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)처리를 행하는 FFT 처리부;
상기 FFT 처리부에서 FFT 처리된 신호를 직렬 변환하는 병렬-직렬 변환부;
상기 병렬-직렬 변환부에서 직렬 변환된 신호에 포함된 수열신호와, 상기 송신 신호에 포함된 수열신호의 자기상관 관계 및 위상변화를 이용하여 상기 목표물의 속도를 추정하는 속도추정부;
를 포함하는 속도추정장치.A speed estimator for estimating the speed of a target in an OFDM radar system,
A sequence signal generator for generating an arbitrary sequence signal;
A phase shift modulator for performing phase shift keying on the sequence signal generated by the sequence signal generator;
A serial-to-parallel converter for converting the phase shift modulated signal in parallel in the phase shift modulator;
An IFFT processor for performing an inverse fast fourier transform (IFFT) process on the signals converted in parallel in the serial-parallel converter;
A first signal synthesizing unit configured to transmit a transmission signal obtained by synthesizing the IFFT-processed signal from the IFFT processor and the local oscillation signal generated by the local oscillator through an antenna;
A second signal synthesizing unit reflecting the transmission signal to a target to synthesize a reception signal received through the antenna and a local oscillation signal generated by the local oscillator;
A pulse compression unit which pulse-compresses the signal synthesized by the second signal synthesis unit;
An FFT processing unit which performs an FFT (Fast Fourier Transform) process on the signal compressed by the pulse compression unit;
A parallel-serial converter for serially converting the signal FFT processed by the FFT processor;
A speed estimating unit estimating the speed of the target by using autocorrelation and phase change of the sequence signal included in the serial-converted signal in the parallel-serial conversion unit and the sequence signal included in the transmission signal;
Speed estimating apparatus comprising a.
상기 직렬-병렬 변환부는 상기 위상편이 변조된 신호를 동일한 대역폭 내에서 병렬 변환하되, 일정한 시간 간격으로 설정된 개수인 Ns의 부반송파수와 Ns/2의 부반송파수로 번갈아 병렬 변환하는 것을 특징으로 하는 속도추정장치.The method of claim 1,
The serial-parallel converter converts the phase shift-modulated signal in parallel within the same bandwidth, and performs parallel estimation by alternately converting the subcarriers of Ns and the subcarriers of Ns / 2, which are set at regular time intervals. Device.
상기 수열신호 생성부는,
일정한 시간간격으로 설정된 길이의 동일한 2개의 수열신호를 생성하되, 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에 배치되도록 수열신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 속도추정장치.3. The method of claim 2,
The sequence signal generator,
And generating two sequence signals having a predetermined length at a predetermined time interval, wherein the sequence signals are generated such that one sequence signal is disposed between the other sequence signals.
상기 수열신호 생성부는,
상기 목표물이 다가오는 경우에는 상기 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에서 배치될 때 전체 대역폭 내에서 하위 주파수의 부반송파에 할당되도록 뒷부분으로 배치되도록 수열신호를 생성하고,
상기 목표물이 멀어지는 경우에는 상기 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에 배치될 때 전체 대역폭 내에서 상위 주파수의 부반송파에 할당되도록 앞부분으로 배치되도록 수열신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 속도추정장치.The method of claim 3, wherein
The sequence signal generator,
When the target is approaching, when the one sequence signal is disposed between the remaining sequence signals, the sequence signal is generated so that the sequence is arranged in the rear part so as to be allocated to subcarriers of lower frequencies within the entire bandwidth.
And when the target is far from the target sequence, when the one sequence signal is disposed between the other sequence signals, the sequence signal is generated such that the sequence signal is arranged in a forward portion so as to be allocated to a subcarrier of a higher frequency within the entire bandwidth.
상기 수열신호 생성부에서 생성되는 수열신호는,
자기상관 특성 또는 상호상관 특성을 갖는 수열신호로서, m-시퀀스신호, Gold 시퀀스 신호, Kasami 수열 신호, Z4 수열 신호, 다상(polyphase) 수열신호, 바커(barker) 시퀀스 신호, LCZ(low correlation zone) 수열신호, ZCZ(zero correlation zone) 수열 신호 중 어느 하나의 수열신호인 것을 특징으로 하는 속도추정장치.The method of claim 3, wherein
The sequence signal generated by the sequence signal generator is
As a sequence signal having autocorrelation characteristics or cross-correlation characteristics, m-sequence signal, Gold sequence signal, Kasami sequence signal, Z4 sequence signal, polyphase sequence signal, barker sequence signal, low correlation zone (LCZ) A speed estimating apparatus, characterized in that the sequence signal, any one of the sequence sequence signal ZCZ (zero correlation zone) sequence signal.
(a) 임의의 수열 신호를 생성하는 단계;
(b) 상기 생성된 수열신호를 위상편이변조(Phase Shift Keying)하는 단계;
(c) 상기 위상편이변조된 신호를 직렬-병렬 변환하는 단계;
(d) 상기 직렬-병렬 변환된 신호에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)처리를 행하는 단계;
(e) 상기 IFFT 처리된 신호와 국부발진신호를 합성한 송신신호를 안테나를 통해 송신하는 단계;
(f) 상기 송신신호가 목표물에 반사되어 상기 안테나를 통해 수신되는 수신신호와 상기 국부발진신호를 합성하는 하는 단계;
(g) 상기 (f) 단계에서 합성된 신호를 펄스압축하는 단계;
(h) 상기 펄스압축된 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)처리를 행하는 단계;
(i) 상기 FFT 처리된 신호를 병렬-직렬 변환하는 단계;
(j) 상기 병렬-직렬 변환된 신호에 포함된 수열신호와, 상기 송신 신호에 포함된 수열신호의 자기상관 관계 및 위상변화를 이용하여 상기 목표물의 속도를 추정하는 단계;
를 포함하는 속도추정방법.As a speed estimation method for estimating the speed of a target in an OFDM radar system,
(a) generating any sequence signal;
(b) phase shift keying the generated sequence signal;
(c) serial-to-parallel conversion of the phase shift signal;
(d) performing an Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) process on the serial-parallel converted signal;
(e) transmitting a transmission signal obtained by combining the IFFT processed signal and the local oscillation signal through an antenna;
(f) synthesizing the local oscillation signal with the reception signal received through the antenna by reflecting the transmission signal to a target;
(g) pulse-compressing the signal synthesized in step (f);
(h) performing a Fast Fourier Transform (FFT) process on the pulse compressed signal;
(i) parallel-to-serial converting the FFT processed signal;
(j) estimating the speed of the target by using autocorrelation and phase change of the sequence signal included in the parallel-serial converted signal and the sequence signal included in the transmission signal;
Speed estimation method comprising a.
상기 (c) 단계는,
상기 위상편이 변조된 신호를 동일한 대역폭 내에서 병렬 변환하되, 일정한 시간 간격으로 설정된 개수인 Ns의 부반송파수와 Ns/2의 부반송파수로 번갈아 병렬 변환하는 것을 특징으로 하는 속도추정방법.The method according to claim 6,
The step (c)
And converting the phase shift-modulated signal in parallel within the same bandwidth, and performing parallel conversion alternately between subcarriers of Ns and subcarriers of Ns / 2, which are numbers set at regular time intervals.
상기 (a) 단계는,
일정한 시간간격으로 설정된 길이의 동일한 2개의 수열신호를 생성하되, 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에 배치되도록 수열신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 속도추정방법.The method of claim 7, wherein
The step (a)
And generating two sequence signals having a predetermined length at a predetermined time interval, wherein the sequence signals are generated such that one sequence signal is disposed between the other sequence signals.
상기 (a) 단계는,
상기 목표물이 다가오는 경우에는 상기 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에서 배치될 때 전체 대역폭 내에서 하위 주파수의 부반송파에 할당되도록 뒷부분으로 배치되도록 수열신호를 생성하고,
상기 목표물이 멀어지는 경우에는 상기 하나의 수열신호가 나머지 수열신호 사이에 배치될 때 전체 대역폭 내에서 상위 주파수의 부반송파에 할당되도록 앞부분으로 배치되도록 수열신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 속도추정방법.The method of claim 8,
The step (a)
When the target is approaching, when the one sequence signal is disposed between the remaining sequence signals, the sequence signal is generated so that the sequence is arranged in the rear part so as to be allocated to subcarriers of lower frequencies within the entire bandwidth.
And when the target is far from the target sequence, generating the sequence signal so that the sequence is arranged in the forward portion so as to be allocated to a subcarrier of a higher frequency within the entire bandwidth when the one sequence signal is disposed between the other sequence signals.
상기 (a) 단계에서 생성되는 수열신호는,
자기상관 특성 또는 상호상관 특성을 갖는 수열신호로서, m-시퀀스신호, Gold 시퀀스 신호, Kasami 수열 신호, Z4 수열 신호, 다상(polyphase) 수열신호, 바커(barker) 시퀀스 신호, LCZ(low correlation zone) 수열신호, ZCZ(zero correlation zone) 수열 신호 중 어느 하나의 수열신호인 것을 특징으로 하는 속도추정방법.The method of claim 8,
The sequence signal generated in the step (a),
As a sequence signal having autocorrelation characteristics or cross-correlation characteristics, m-sequence signal, Gold sequence signal, Kasami sequence signal, Z4 sequence signal, polyphase sequence signal, barker sequence signal, low correlation zone (LCZ) A sequence estimating method comprising any one of a sequence signal and a zero correlation zone (ZCZ) sequence signal.
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