KR101639119B1 - 레이더 신호 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

레이더 신호 처리 방법 및 장치가 개시된다. 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호와 레이더 송신 신호를 믹싱한 레이더 신호를 계산하는 단계; 상기 레이더 신호의 샘플을 행켈 매트릭스(Hankel matrix) 형태로 배치한 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스(dual smoothed Hankel matrix)를 생성하는 단계; 상기 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스로부터 EVD 연산을 통해 DOA(Direction Of Arrival) 파라미터를 추출하는 단계; 및 상기 DOA 파라미터를 이용하여 상기 타겟의 위치 정보를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

레이더 신호 처리 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING RADAR SIGNAL}
레이더 신호의 샘플을 포함한 매트릭스를 스무딩하여 생성한 듀얼 스무디드 매트릭스로부터 저 복잡도의 연산을 통해 타겟의 위치 정보를 추출하는 레이더 신호 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.
레이더(RADAR)는 송신 안테나를 통해 레이더 신호를 방출하고, 수신 안테나를 통해 해당 영역 내의 물체에 의해 반사되는 반사 신호를 수신하여 타겟의 존재 및 타겟과의 거리를 탐지하는 장치이다. 이 때, 레이더 신호의 변조(Modulation) 방식은 펄스(pulse) 방식, FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식, FSK (Frequency Shift Keying) 방식 등이 있다. 레이더는 변조 방식에 따라 타겟의 속도 및 거리를 추출하는 방법이 다르다.
FMCW 레이더는 타겟으로 송신하는 레이더 신호의 주파수가 시간에 따라 선형적으로 변경되도록 배치한다. 이에 따라, FMCW 레이더는 타겟에 의해 반사된 신호의 주파수를 이용하여 타겟의 위치를 결정할 수 있다. 이 때, FMCW 레이더는 DOA(Direction Of Arrival) 파라미터와 거리 파라미터를 통해 수신 안테나와 타겟 간의 각도 및 거리를 추정하고, 이를 통해 타겟의 위치를 결정한다.
MUSIC(Multiple Signal Classification) 알고리즘을 이용한 DOA 추정은 거리 추정과 독립적으로 수행된다. 따라서, MUSIC(Multiple Signal Classification) 알고리즘은 멀티 타겟에 대한 DOA와 거리 추정을 함께 적용하기 어렵다. 최근에, 2D-MUSIC 알고리즘은 FMCW 레이더 신호 처리 장치에 적용되었다. 2D-MUSIC 알고리즘은 거리 파라미터 및 DOA 파라미터를 함께 추정할 수 있으므로 거리 파라미터 및 DOA 파라미터를 한 쌍으로 만드는 문제가 발생하지 않는다. 그러나, 2D-MUSIC 알고리즘의 2차원-가상 스펙트럼 검색(pseudo-spectrum searching) 때문에, 2D-MUSIC 알고리즘은 1D-MUSIC 알고리즘과 1D-EPSRIT(1D-Estimation Signal Parameter via a Rotational Invariant Technique) 알고리즘보다 더 많은 부하가 걸린다.
앞서 본 알고리즘들은 싱글 매트릭스를 처리하기 때문에 결합 대각화 연산(joint diagonalization)이 요구되지 않는다. 결합 대각화 연산은 2개의 매트릭스를 결합하여 처리하는 방법으로써 복잡한 연산이 요구된다. 이에 따라, 듀얼 매트릭스에서 결합 대각화를 이용하지 않고 저 복잡도 연산을 통해 DOA 파라미터 및 거리 파라미터를 추정되는 것이 요구된다.
채널 별 레이더 신호의 샘플을 포함한 듀얼 스무디드 매트릭스로부터 저 복잡도 연산을 통해 복수의 타겟들의 위치 정보를 결정하는 레이더 신호 처리 방법 및 상기 방법을 수행하는 장치를 제공한다.
일실시예에 따른 레이더 신호 처리 방법에 있어서, 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호와 레이더 송신 신호를 믹싱한 레이더 신호를 계산하는 단계; 상기 레이더 신호의 샘플을 행켈 매트릭스(Hankel matrix) 형태로 배치한 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스(dual smoothed Hankel matrix)를 생성하는 단계; 상기 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스로부터 EVD 연산을 통해 DOA(Direction Of Arrival) 파라미터를 추출하는 단계; 및 상기 DOA 파라미터를 이용하여 상기 타겟의 위치 정보를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 일실시예에 따른 레이더 신호 처리 방법에 있어서, 상기 추출하는 단계는, 상기 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스로부터 신호 부분공간(signal subspace)을 계산하고, 상기 신호 부분공간에 EVD 연산을 적용하여 DOA 파라미터를 추출할 수 있다.
또 다른 일실시예에 따른 레이더 신호 처리 방법에 있어서, 상기 추출하는 단계는, 상기 DOA 파라미터와 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 거리 파라미터를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 일실시예에 따른 레이더 신호 처리 방법에 있어서, 상기 결정하는 단계는, 상기 DOA 파라미터와 거리 파라미터를 통해 상기 타겟의 각도 정보, 및 거리 정보를 포함하는 위치 정보를 결정하는 레이더 신호 처리 방법.
또 다른 일실시예에 따른 레이더 신호 처리 방법에 있어서, 상기 생성하는 단계는, 상기 레이더 신호의 샘플을 행켈 매트릭스 형태로 배치하고, 상기 행켈 매트릭스 형태로 배치한 서로 다른 2개의 매트릭스를 스무딩하여 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스를 생성할 수 있다.
또 다른 일실시예에 따른 레이더 신호 처리 방법에 있어서, 상기 레이더 반사 신호와 상기 레이더 송신 신호는, 주파수 변조 연속 파(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식에 따라 변조될 수 있다.
일실시예에 따른 레이더 신호 처리 장치에 있어서, 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호와 레이더 송신 신호를 믹싱한 레이더 신호를 계산하는 계산부; 상기 레이더 신호의 샘플을 행켈 매트릭스 형태로 배치한 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스를 생성하는 생성부; 상기 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스로부터 EVD 연산을 통해 DOA 파라미터를 추출하는 추출부; 및 상기 DOA 파라미터를 이용하여 상기 타겟의 위치 정보를 결정하는 결정부를 포함할 수 있다.
다른 일실시예에 따른 레이더 신호 처리 장치에 있어서, 상기 추출부는, 상기 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스로부터 신호 부분공간(signal subspace)을 계산하고, 상기 신호 부분공간에 EVD 연산을 적용하여 DOA 파라미터를 추출할 수 있다.
또 다른 일실시예에 따른 레이더 신호 처리 장치에 있어서, 상기 추출부는, 상기 DOA 파라미터와 고유벡터를 이용하여 거리 파라미터를 계산할 수 있다.
또 다른 일실시예에 따른 레이더 신호 처리 장치에 있어서, 상기 결정부는, 상기 DOA 파라미터와 거리 파라미터를 통해 상기 타겟의 각도 정보, 및 거리 정보를 포함하는 위치 정보를 결정할 수 있다.
일실시예에 따르면, 레이더 신호의 샘플을 포함한 매트릭스를 스무딩하여 생성한 듀얼 스무디드 매트릭스를 이용하여 적은 수의 안테나로 많은 수의 타겟을 탐지하는 레이더 신호 처리 방법 및 상기 방법을 수행하는 장치를 제공한다. 일실시예에 따르면, 듀얼 스무디드 매트릭스로부터 저 복잡도 연산을 통해 복수의 타겟들의 위치 정보를 결정하는 레이더 신호 처리 방법 및 상기 방법을 수행하는 장치를 제공한다.
도 1은 2 채널 안테나를 이용하여 복수의 타겟을 감지하는 레이더 신호 처리 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 듀얼 스무디드 매트릭스로부터 산출한 DOA 파라미터와 거리 파라미터를 통해 위치 정보를 결정하는 레이더 신호 처리 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 레이더 신호 처리 방법과 다른 방법에 의해 타겟의 위치 정보를 산출한 비교 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 듀얼 스무디드 매트릭스로부터 산출한 DOA 파라미터와 거리 파라미터를 통해 위치 정보를 결정하는 레이더 신호 처리 방법을 수행하는 레이더 신호 처리 장치를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 2 채널 안테나를 이용하여 복수의 타겟을 감지하는 레이더 신호 처리 장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 레이더 신호 처리 장치(100)는 송신 안테나를 통해 레이더 송신 신호를 방출하고, 수신 안테나를 통해 해당 영역 내의 물체에 의해 반사되는 레이더 반사 신호를 수신하여 타겟의 존재 및 타겟의 위치를 탐지하는 장치를 의미할 수 있다.
도 1에서 도시된 TX 안테나는 송신 안테나를 의미할 수 있다. 이에 대응하여 RX 안테나는 수신 안테나를 의미할 수 있다. 일실시예에 따르면, 레이더 신호 처리 장치(100)는 송신 안테나를 통해 주파수 변조 연속 파 방식에 따라 변조된 FMCW 레이더 신호를 송신할 수 있다. 레이더 신호 처리 장치(100)는 FMCW 레이더 송신 신호의 주파수가 시간에 따라 선형적으로 변경되도록 배치할 수 있다. 이에 따라, 레이더 신호 처리 장치(100)는 수신한 FMCW 레이더 반사 신호의 특성으로부터 타겟의 위치 정보를 추출할 수 있다.
도 1을 참조하면, 이하에서 설명되는 레이더 송신 신호는 첩(chirp) 신호를 의미할 수 있다. 첩 신호는 시간에 따라 주파수가 일정하게 변하는 시간-주파수 특성을 갖는 신호를 의미할 수 있다. 일례로, 첩 신호는 주파수변조 연속파 방식에 따라 변조된 레이더 신호를 의미할 수 있다.
예를 들어, 레이더 신호 처리 장치(100)는 타겟으로 송신하는 레이더 송신 신호의 주파수가 시간에 따라 선형적으로 변경되도록 배치할 수 있다. 따라서, 서로 다른 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호는 서로 다른 특성을 포함할 수 있다.
레이더 신호 처리 장치(100)는 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호와 레이더 송신 신호를 믹싱할 수 있다. 예를 들어, 레이더 신호 처리 장치(100)는 믹서(mixer)를 통해 레이더 반사 신호와 레이더 송신 신호를 믹싱할 수 있다. 레이더 신호 처리 장치(100)는 레이더 반사 신호와 레이더 송신 신호를 믹싱하여 레이더 신호를 추출할 수 있다.
이하에서 설명되는 레이더 신호는 디-첩 사인곡선(de-chirp sinusoidal) 신호를 의미할 수 있다. 디-첩 사인곡선 신호는 위상 및 주파수가 일정할 수 있다. 따라서, 레이더 신호 처리 장치(100)는 디-첩 사인곡선 신호로부터 위치 정보를 추출할 수 있다. 레이더 신호 처리 장치(100)는 디-첩 사인곡선으로부터 각도 정보 및 거리 정보를 추출할 수 있다. 각도 정보는 레이더 반사 신호와 UCL에 배치된 수신 안테나 어레이 간의 각도와 관련된 정보를 포함할 수 있다. 거리 정보는 수신 안테나와 타겟 간의 거리와 관련된 정보를 포함할 수 있다.
레이더 신호 처리 장치(100)는 레이더 신호를 샘플링할 수 있다. 이에 따라, 레이더 신호 처리 장치(100)는 샘플링을 통해 추출한 샘플을 행켈 매트릭스의 형태로 배치할 수 있다. 행켈 매트릭스는 매트릭스 내에 대각선으로 배치된 원소(샘플)들이 동일한 매트릭스를 의미할 수 있다.
레이더 신호 처리 장치(100)는 행켈 매트릭스의 형태로 배치한 2개의 매트릭스를 스무딩(smoothing)할 수 있다. 즉, 레이더 신호 처리 장치(100)는 서로 다른 레이더 신호의 샘플을 포함한 매트릭스를 스무딩할 수 있다. 그러면, 레이더 신호 처리 장치(100)는 매트릭스로부터 멀티 타겟의 위치 정보를 추출할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 레이더 신호 처리 장치(100)는 2채널 안테나를 통해 복수의 타겟들의 각도 정보 및 거리 정보를 포함한 위치 정보를 추출할 수 있다. 이 때, 레이더 신호 처리 장치(100)는 듀얼 스무디드 매트릭스로부터 복수의 타겟들의 각도 정보와 거리 정보를 추출할 수 있다. 일실시예에 따르면, 레이더 신호 처리 장치(100)는 각도 정보와 거리 정보를 추출하기 위해 듀얼 스무디드 매트릭스로부터 추출한 각도 정보와 관련된 서브매트릭스 및 거리 정보와 관련된 서브매트릭스 각각에 대해 EVD 연산을 적용한 다음, 결합 대각화 연산을 적용하여 위치 정보를 결정할 수 있다. 예를 들어, 레이더 신호 처리 장치(100)는 복수의 타겟들의 거리 정보
Figure 112014055502961-pat00001
,
Figure 112014055502961-pat00002
,
Figure 112014055502961-pat00003
및 각도 정보
Figure 112014055502961-pat00004
,
Figure 112014055502961-pat00005
,
Figure 112014055502961-pat00006
를 개별적으로 추출한 다음, 결합 대각화 연산을 통해
Figure 112014055502961-pat00007
,
Figure 112014055502961-pat00008
,
Figure 112014055502961-pat00009
와 같이 조합하여 타겟들의 위치 정보를 결정할 수 있다. 이 때, 결합 대각화 연산은 계산이 복잡하여 많은 리소스가 요구될 수 있다.
이에 따라, 레이더 신호 처리 장치(100)는 결합 대각화 연산을 수행하지 않고, 각도 정보와 관련된 서브 매트릭스에 대해서만 EVD 연산을 수행하여 DOA 파라미터를 결정할 수 있다. 그러면, 레이더 신호 처리 장치(100)는 DOA 파라미터를 이용하여 거리 파라미터를 함께 결정할 수 있다. 이에 따라, 레이더 신호 처리 장치(100)는 DOA 파라미터 및 거리 파라미터를 통해 각도 정보 및 거리 정보를 저 복잡도 연산으로 추출할 수 있다. 그러면, 레이더 신호 처리 장치(100)는 추출된 각도 정보 및 거리 정보를 이용하여 위치 정보를 결정할 수 있다. 따라서, 레이더 신호 처리 장치(100)는 결합 대각화 연산을 이용하지 않고, 저 복잡도 연산을 통해 위치 정보를 결정할 수 있다.
도 2는 듀얼 스무디드 매트릭스로부터 산출한 DOA 파라미터와 거리 파라미터를 통해 위치 정보를 결정하는 레이더 신호 처리 방법을 도시한 도면이다.
단계(200)에서, 레이더 신호 처리 장치는 하나 이상의 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호를 수신할 수 있다. 구체적으로, 레이더 신호 처리 장치는 2채널의 수신 안테나를 통해 하나 이상의 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호를 수신할 수 있다. 레이더 신호 처리 장치는 수신한 레이더 반사 신호 각각에 대해 레이더 송신 신호와 믹싱할 수 있다. 이에 따라, 레이더 신호 처리 장치는 레이더 신호를 생성할 수 있다.
레이더 신호 처리 장치는 수신 안테나의 수신 주파수 대역에 포함되는 레이더 반사 신호를 수신할 수 있다. 따라서, 레이더 신호 처리 장치는 수신 안테나의 레이더 반사 신호를 수신할 수 있고, 수신된 레이더 반사 신호를 레이더 송신 신호와 믹싱할 수 있다. 믹싱하여 추출한 레이더 신호는 주파수와 위상이 일정할 수 있다.
단계(210)에서, 레이더 신호 처리 장치는 레이더 신호를 샘플링할 수 있다. 레이더 신호 처리 장치는 생성된 샘플을 각각 행켈 매트릭스의 형태로 배치할 수 있다. 이에 따라, 레이더 신호 처리 장치는 각 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호로부터 생성된 레이더 신호 별로 매트릭스를 생성할 수 있다. 레이더 신호 처리 장치는 행켈 매트릭스의 형태로 배치한 각각의 매트릭스를 스무딩할 수 있다. 구체적으로, 레이더 신호 처리 장치는 서로 다른 2개의 매트릭스를 하나의 매트릭스로 스무딩할 수 있다. 하나의 매트릭스로 스무딩한 매트릭스는 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스를 의미할 수 있다.
듀얼 스무디드 행켈 매트릭스는 타겟의 위치 정보를 포함할 수 있다. 구체적으로, 레이더 신호 처리 장치는 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스로부터 타겟의 거리 정보와 관련된 서브매트릭스와 타겟의 각도 정보와 관련된 서브매트릭스를 추출할 수 있다. 이에 따라, 레이더 신호 처리 장치는 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스에서 추출한 타겟의 거리 정보와 관련된 서브매트릭스 및 타겟의 각도 정보와 관련된 서브매트릭스로부터 타겟의 위치 정보를 결정할 수 있다.
단계(220)에서, 레이더 신호 처리 장치는 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스로부터 DOA 파라미터를 추출할 수 있다. DOA는 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호와 안테나 어레이 간의 각도와 관련된 정보를 포함할 수 있다.
단계(230)에서, 레이더 신호 처리 장치는 DOA 파라미터와 거리 파라미터를 이용하여 타겟의 위치 정보를 결정할 수 있다. 일실시예에 따르면, 레이더 신호 처리 장치는 타겟의 각도 정보와 관련된 서브매트릭스로부터 EVD 연산을 통해 DOA 파라미터를 추출한 다음, DOA 파라미터와 고유벡터를 통해 거리 파라미터를 추출할 수 있다. 이에 따라, 레이더 신호 처리 장치는 각도 정보, 및 위치 정보를 함께 추출함으로써 저 복잡도의 연산을 통해 위치 정보를 결정할 수 있다.
도 3은 레이더 신호 처리 방법과 다른 방법에 의해 타겟의 위치 정보를 산출한 비교 결과를 도시한 도면이다.
FMCW 레이더 신호 처리 장치의 첩 신호는 하기 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00010
f c 는 반송파 주파수를 의미하고, μ는 첩 신호의 순간 주파수의 변화 속도를 의미할 수 있다. 또한, T sym 는 주파수변조 연속파 신호의 주기를 의미할 수 있다. 또한, ξ∈{1, -1}는 첩 신호의 포괄적인 방향을 결정할 수 있다. 일례로, ξ = 1일 때 첩 신호는 업-첩(up-chirp) 신호이고, ξ = -1일 때 첩 신호는 다운-첩(down-chirp) 신호일 수 있다. 첩 신호의 주파수 대역은 f BW =μT sym /2π로 정의할 수 있다.
각 안테나 소자를 통해 수신된 레이더 반사 신호는 하기 수학식과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00011
τ m 은 m번째 소스로부터 반사되어 레이더 신호 처리 장치로 수신되기까지의 지연 시간을 의미할 수 있고, - m 은 m 번째 소스의 DOA를 의미할 수 있다. a m 은 m번째 타겟으로부터 반사되어 수신된 신호의 크기, λ s 은 반송 신호의 길이, d는 인접하는 안테나 소자 간의 거리를 의미할 수 있다. 또한, w k (t)는 k번 째 안테나 소자에서의 백색 가우시안 잡음 신호(additive white Gaussian noise, AWGN)를 의미할 수 있다(for k=0 and 1). k는 안테나 어레이 인덱스를 의미할 수 있다.
첩 신호는 디-첩핑(de-chirping)에 의해 사인곡선의 형태로 쉽게 변환될 수 있다. 구체적으로, 레이더 신호는 레이더 반사 신호와 첩 신호를 곱한 것을 의미할 수 있다. 이하에서 설명되는 레이더 신호는 사인곡선 비트 신호(sinusoids beat signal)를 의미할 수 있다.
k번째 안테나 소자에서의 사인곡선 비트 신호는 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00012
a m 은 m번째 타겟으로부터 반사되어 수신된 신호의 크기, λ s 은 반송 신호의 길이, d는 인접하는 안테나 소자 간의 거리를 의미할 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00013
은 변환된 백색 가우시안 잡음 신호를 의미할 수 있다. 레이더 신호 처리 장치는 레이더 신호를 아날로그에서 디지털로 변환할 수 있다. 아날로그에서 디지털로 변환한 후, 샘플링 주파수 f s =1/T s 이면서 나이퀴스트 표준(Nyquist criterion)을 만족하는 상기 수학식의 불연속 시간 모델은 y k [n]=y k (nT s )에 의해 도출될 수 있다.
듀얼 스무딩 DOA 추정 알고리즘은 듀얼 시프트 인베리언트 구조를 기초로 설계될 수 있다. 듀얼 시프트 인베리언트 구조는 2개의 행켈 매트릭스를 이용하여 설계할 수 있다. 레이더 신호 처리 장치는 듀얼 시프트 인베리언트 구조에 SVD 및 EVD 연산을 적용하여 m 소스의 DOA를 추정할 수 있다.
(ⅰ). 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스
2 채널 각각으로부터 산출된 비트 신호의 샘플 y 0[n] 및 y 1[n]는 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스를 만들기 위해 사용될 수 있다(n=0,...,N-1). 여기서, n은 샘플의 개수를 의미할 수 있다. 예를 들어, 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스 D는 하기 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00014
D의 듀얼 시프트 인베리언트 구조에 포함된 샘플은 노이즈가 없는 샘플로 가정할 수 있다. 백색잡음 신호가 없는 것으로 가정하면, 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스 D는 하기 수학식과 같이 분해될 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00015
Figure 112014055502961-pat00016
,
Figure 112014055502961-pat00017
상기 수학식 5에서, P와 Q는 각각 D의 행과 열의 스티어링 매트릭스(steering matrix) 각각을 의미할 수 있다. R은 M개 소스로부터 반사되어 수신한 신호들의 크기 및 위상을 포함한 직교 행렬을 의미할 수 있다. m번째 소스의 DOA를 포함하는 인접 어레이 사이의 위상 변화(phase shift)는 하기 수학식과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00018
또한, m번째 소스의 거리 정보를 포함하는 인접 샘플 간의 위상 변화는 하기 수학식과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00019
Figure 112014055502961-pat00020
노이즈의 존재 때문에, 매트릭스 D는 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD) 연산을 통해 신호 부분공간과 노이즈 부분공간으로 분해될 수 있다. 이에 따라, 매트릭스 D는 하기 수학식과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00021
Figure 112014055502961-pat00022
,
Figure 112014055502961-pat00023
상기 수학식 8에서, U s , Σ s , 및 V s 는 신호 부분공간(signal subspace)과 연관되어 있을 수 있다. 또한, 서브 매트릭스 U n , Σ n , 및 V n 은 노이즈 부분공간과 연관되어 있을 수 있다. 추정된 신호 부분공간 U s 가 노이즈 부분공간과 정확히 구별되어 있다고 가정한다면, P와 U s 간에는
Figure 112014055502961-pat00024
라는 관계가 형성될 수 있다.
여기서, T는 MⅹM 넌-싱글러 변환 매트릭스(non-singular transformation matrix)를 의미할 수 있다. 상기 수학식 7에서의 매트릭스 D는 2개의 매트릭스를 합하여 생성된 것이므로, 매트릭스 D의 신호 부분공간 U s 도
Figure 112014055502961-pat00025
와 같이 표현될 수 있다. U s ,0 와 U s , 1 는 각각 매트릭스 D 0 및 D 1의 신호 부분공간을 의미할 수 있다.
매트릭스
Figure 112014055502961-pat00026
와
Figure 112014055502961-pat00027
는 마지막 열과 첫 열이 삭제된
Figure 112014055502961-pat00028
의 서브-매트릭스를 분할한 매트릭스를 의미할 수 있다. 서브-매트릭스
Figure 112014055502961-pat00029
및
Figure 112014055502961-pat00030
는 각각 거리 추정 및 DOA 추정과 관련된 매트릭스로써 동일한 타겟에 관한 위치 정보를 포함하는 매트릭스일 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00031
과
Figure 112014055502961-pat00032
의 관계는 하기 수학식과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00033
또한,
Figure 112014055502961-pat00034
와
Figure 112014055502961-pat00035
의 관계는 하기 수학식과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00036
상기 수학식 9와 수학식 10에서의 매트릭스
Figure 112014055502961-pat00037
및
Figure 112014055502961-pat00038
은 U s 로부터 추출되어 각각 거리 추정 및 DOA 추정을 위해 이용될 수 있다.
(ⅱ). DOA 파라미터의 추정
결합 대각화는
Figure 112014055502961-pat00039
의 관계에 따라 수학식 12와 수학식 13을 각각 분해하여
Figure 112014055502961-pat00040
과
Figure 112014055502961-pat00041
의 추정을 위해 이용될 수 있다. 그러나, 결합 대각화를 이용하지 않고, 본 발명이 제안하는 방법은 첫 번째로 일반화된 EVD(generalized EVD) 연산을 통해 DOA 파라미터를 추정하는 것이다. 구체적으로, 일반화된 EVD(generalized EVD) 연산을 통해 DOA 파라미터를 추정하는 방법은 하기 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00042
λ와 β는 각각 고유값(eigenvalue), 고유벡터(eigenvector)를 의미할 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00043
(m-0,1…M-1)가 아니라면,
Figure 112014055502961-pat00044
의 순위(rank)는 M번째 일 수 있다. 상기 수학식 11의 일반화된 EVD 형식은 의사역행렬(pseudo-inverse)에 따라 하기 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00045
여기서, G는 MxM 풀-랭크 매트릭스(M-by-M full-rank matrix)를 의미할 수 있다. 동일한 방법으로,
Figure 112014055502961-pat00046
와
Figure 112014055502961-pat00047
은 하기 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00048
여기서, H는 MxM 풀-랭크 매트릭스(M-by-M full-rank matrix)를 의미할 수 있다. 레이더 신호 처리 장치는 U s 로부터 추출된 서브매트릭스
Figure 112014055502961-pat00049
및
Figure 112014055502961-pat00050
에 EVD 연산을 수행한 결과와 수학식 13에서의
Figure 112014055502961-pat00051
및
Figure 112014055502961-pat00052
에 EVD 연산을 수행한 결과에 결합 대각화 연산을 적용할 수 있다. 즉, 수학식 12 및 수학식 13처럼
Figure 112014055502961-pat00053
및
Figure 112014055502961-pat00054
의 대각선 요소(diagonal elements)들이 M 소스에 대해 함께 배열된다면
Figure 112014055502961-pat00055
일 수 있다. 따라서, 결합 대각화 방법은 각도의 추정과 거리 추정에 이용될 수 있다. 일실시예에 따르면, EVD가 G와 H 각각에 적용된다면, 추정된 DOA 파라미터와 거리 파라미터는 서로 한쌍으로 묶일 수 없다. 따라서, 레이더 신호 처리 장치는 결합 대각화 방법을 통해 추정된 DOA 파라미터와 거리 파라미터를 한쌍으로 묶어야 한다. 즉, 레이더 신호 처리 장치는 거리 정보와 관련된 서브매트릭스와 DOA 정보와 관련된 서브매트릭스에 결합 대각화 연산을 적용함으로써 위치 정보를 결정할 수 있다.
다른 일실시예에 따르면, 레이더 신호 처리 장치는 H에 EVD 연산을 적용하지 않을 수 있다. 대신에, 레이더 신호 처리 장치는 B의 고유 벡터를 H에 곱함으로써
Figure 112014055502961-pat00056
및
Figure 112014055502961-pat00057
에 대한 추정을 할 수 있다.
AWGN에 의한 방해가 없다고 가정하면,
Figure 112014055502961-pat00058
는 하기 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00059
Figure 112014055502961-pat00060
(p=0,...M-1, q=0,...M-1)은 노이즈 기여를 의미할 수 있다. 즉, 수학식 14과 같이, 일반화된 EVD를 통해 DOA 파라미터
Figure 112014055502961-pat00061
이 추정되면, 거리 파라미터
Figure 112014055502961-pat00062
는 B의 고유벡터를 이용하여
Figure 112014055502961-pat00063
와 함께 추정될 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00064
및
Figure 112014055502961-pat00065
이 함께 추정되면, DOA 추정 및 거리 추정은 각각 하기 수학식과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00066
Figure 112014055502961-pat00067
여기서, c는 빛의 속도를 의미할 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00068
은 수신 안테나와 타겟 간의 각도 정보를 의미할 수 있다.
Figure 112014055502961-pat00069
은 수신 안테나와 타겟 간의 거리 정보를 의미할 수 있다. 레이더 신호 처리 장치는 각도 정보와 거리 정보를 조합하여 위치 정보를 결정할 수 있다. 이에 따라, 레이더 신호 처리 장치는 결합 대각화 연산을 수행하지 않고 추정한 DOA 파라미터 및 거리 파라미터로부터 타겟의 위치 정보를 결정할 수 있다.
도 4는 듀얼 스무디드 매트릭스로부터 산출한 DOA 파라미터와 거리 파라미터를 통해 위치 정보를 결정하는 레이더 신호 처리 방법을 수행하는 레이더 신호 처리 장치를 도시한 도면이다.
레이더 신호 처리 장치(400)는 하나 이상의 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호를 수신할 수 있다. 구체적으로, 레이더 신호 처리 장치(400)는 수신 안테나를 통해 하나 이상의 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호를 수신할 수 있다. 계산부(410)는 수신한 레이더 반사 신호 각각에 대해 레이더 송신 신호와 믹싱할 수 있다. 이에 따라, 계산부(410)는 레이더 신호를 생성할 수 있다.
생성부(420)는 레이더 신호를 샘플링할 수 있다. 생성부(420)는 생성된 샘플을 각각 행켈 매트릭스의 형태로 배치할 수 있다. 이에 따라, 생성부(420)는 각 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호로부터 생성된 레이더 신호 별로 매트릭스를 생성할 수 있다. 생성부(420)는 행켈 매트릭스의 형태로 배치한 각각의 매트릭스를 스무딩할 수 있다. 구체적으로, 생성부(420)는 서로 다른 2개의 매트릭스를 하나의 매트릭스로 스무딩할 수 있다. 하나의 매트릭스로 스무딩한 매트릭스는 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스를 의미할 수 있다.
듀얼 스무디드 행켈 매트릭스는 타겟의 위치 정보를 포함할 수 있다. 구체적으로, 레이더 신호 처리 장치(400)는 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스로부터 타겟의 거리 정보와 관련된 서브매트릭스와 타겟의 각도 정보와 관련된 서브매트릭스를 추출할 수 있다. 이에 따라, 레이더 신호 처리 장치(400)는 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스에서 추출한 타겟의 거리 정보와 관련된 서브매트릭스 및 타겟의 각도 정보와 관련된 서브매트릭스로부터 타겟의 위치 정보를 결정할 수 있다.
추출부(430)는 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스로부터 DOA 파라미터를 추출할 수 있다. DOA는 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호와 안테나 어레이 간의 각도와 관련된 정보를 포함할 수 있다. 이에 따라, 결정부(440)는 DOA 파라미터를 통해 타겟의 각도 정보를 결정할 수 있다.
결정부(440)는 타겟과 수신 안테나 간의 거리 정보 및 타겟과 수신 안테나 간의 각도 정보를 조합하여 타겟의 위치 정보를 결정할 수 있다. 구체적으로, 결정부(440)는 거리 파라미터와 DOA 파라미터를 이용하여 타겟의 위치 정보를 결정할 수 있다.
일실시예에 따르면, 레이더 신호 처리 장치(400)는 타겟의 각도 정보와 관련된 서브매트릭스로부터 EVD 연산을 통해 DOA 파라미터를 추출한 다음, DOA 파라미터와 고유벡터를 통해 거리 파라미터를 추출할 수 있다. 이에 따라, 결정부(440)는 각도 정보, 및 위치 정보를 함께 추출함으로써 저 복잡도의 연산을 통해 위치 정보를 결정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 레이더 신호 처리 장치

Claims (10)

  1. 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호와 레이더 송신 신호를 믹싱한 레이더 신호를 계산하는 단계;
    상기 믹싱한 레이더 신호의 샘플을 행켈 매트릭스(Hankel matrix) 형태로 배치한 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스(dual smoothed Hankel matrix)를 생성하는 단계;
    상기 생성된 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스로부터 각도 정보와 관련된 서브매트릭스 및 거리 정보와 관련된 서브매트릭스를 확인하는 단계;
    상기 확인된 각도 정보와 관련된 서브매트릭스에 EVD 연산을 수행하여 상기 레이더 반사 신호와 수신 안테나 어레이 간의 각도와 관련된 정보를 포함하는 DOA(Direction Of Arrival) 파라미터를 추출하는 단계;
    상기 DOA 파라미터와 상기 DOA 파라미터를 추출할 때 사용되는 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 상기 수신 안테나 어레이와 상기 타겟 간의 거리와 관련된 정보를 포함하는 거리 파라미터를 판단하는 단계; 및
    상기 DOA 파라미터와 상기 거리 파라미터를 이용하여 상기 타겟의 위치 정보를 결정하는 단계
    를 포함하는 레이더 신호 처리 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 DOA 파라미터와 상기 거리 파라미터를 통해 상기 타겟의 각도 정보, 및 거리 정보를 포함하는 위치 정보를 결정하는 레이더 신호 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는,
    상기 믹싱한 레이더 신호의 샘플을 행켈 매트릭스 형태로 배치하고, 상기 행켈 매트릭스 형태로 배치한 서로 다른 2개의 매트릭스를 스무딩하여 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스를 생성하는 레이더 신호 처리 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이더 반사 신호와 상기 레이더 송신 신호는,
    주파수 변조 연속 파(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식에 따라 변조된 레이더 신호 처리 방법.
  7. 타겟으로부터 반사된 레이더 반사 신호와 레이더 송신 신호를 믹싱한 레이더 신호를 계산하는 계산부;
    상기 믹싱한 레이더 신호의 샘플을 행켈 매트릭스 형태로 배치한 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스를 생성하는 생성부;
    상기 생성된 듀얼 스무디드 행켈 매트릭스로부터 각도 정보와 관련된 서브매트릭스 및 거리 정보와 관련된 서브매트릭스를 확인하는 확인부;
    상기 확인된 각도 정보와 관련된 서브매트릭스에 EVD 연산을 수행하여 상기 레이더 반사 신호와 수신 안테나 어레이 간의 각도와 관련된 정보를 포함하는 DOA 파라미터를 추출하는 추출부;
    상기 DOA 파라미터와 상기 DOA 파라미터를 추출할 때 사용되는 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 상기 수신 안테나 어레이와 상기 타겟 간의 거리와 관련된 정보를 포함하는 거리 파라미터를 판단하는 판단부; 및
    상기 DOA 파라미터와 상기 거리 파라미터를 이용하여 상기 타겟의 위치 정보를 결정하는 결정부
    를 포함하는 레이더 신호 처리 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 결정부는,
    상기 DOA 파라미터와 상기 거리 파라미터를 통해 상기 타겟의 각도 정보, 및 거리 정보를 포함하는 위치 정보를 결정하는 레이더 신호 처리 장치.
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