KR102026958B1 - reduced computational complexity orthogonal matching pursuit using partitioned inversion technique for compressive sensing - Google Patents

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Abstract

Disclosed is an OMP method for processing a signal received by a radar by using compressive sensing, and performing an OMP algorithm for the compressive sensing, more specifically, an OMP method for compressive sensing for a radar, which uses partitioned inversion in inverse matrix calculation for application of the least-squares method. The partitioned inversion includes a process of taking an i^th partial matrix when i is an integer to perform i^th inverse matrix calculation in a previous step, and using the result of the i^th inverse matrix calculation obtained in the previous step while taking an (i+1)^th partial matrix including the i^th partial matrix taken in the previous step and performing an (i+1)^th inverse matrix calculation in a next step of the (i+1)^th. Thus, the computational complexity can be reduced.

Description

레이더용 압축 센싱을 위한 새로운 분할 역변환 기법을 사용한 감소된 계산 복잡성의 오엠피 방법{reduced computational complexity orthogonal matching pursuit using partitioned inversion technique for compressive sensing}Reduced computational complexity orthogonal matching pursuit using partitioned inversion technique for compressive sensing

본 발명은 오멤피(OMP) 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이더 신호 처리에 사용되는 압축 센싱을 위한 분할 역변환 기법을 사용하여 계산 복잡성을 감소시킬 수 있는 오엠피 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an OMP (OMP) method, and more particularly to an OMP method that can reduce the computational complexity by using a split inverse transform technique for compression sensing used in radar signal processing.

레이더는 일정 대역폭의 전파 신호를 방출하고 대상물에서 반사되는 전파를 감지하여 반사파 신호에서 정보를 얻고 이 정보를 기초로 대상물을 확인하거나 그 대상물의 특징을 확인하는 장치다. 이때 대상물을 정확히 판단하기 위해 광대역의 파를 사용해야 하고, 먼 거리의 작은 물체까지 감지하기 위해 주기가 짧은 전파를 사용해야 한다. Radar is a device that emits a radio wave signal of a certain bandwidth, detects radio waves reflected from an object, obtains information from the reflected wave signal, and checks an object based on the information or identifies a feature of the object. In this case, a wideband wave must be used to accurately determine an object, and a short period radio wave must be used to detect a small object over a long distance.

통상적으로 대상과 관련된 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 사용하고 다시 아날로그 형태로 복원하여 대상을 표현하기 위해서 고전적인 니퀴스트 샤논 샘플 정리에 의하면 최대 주파수 혹은 대역의 2배 이상의 샘플링 비율로 이산 신호를 획득 혹은 표본화하면 왜곡 혹은 손실 없이 신호를 복원할 수 있다. 레이더에서 감지한 대상물 관련 신호를 정확히 복원하기 위해서는 이 감지 신호 처리를 위해 최대 주파수 2배 이상의 높은 표본율을 가진 아날로그 디지털 변환기가 사용되어야 한다. In order to represent an object by converting an analog signal related to the object into a digital signal and restoring it into an analog form, a classic Nyquist Shannon sample theorem according to the classical Nyquist Shannon sample theorem acquires a discrete signal at a sampling rate of more than twice the maximum frequency or band. Sampling can restore the signal without distortion or loss. To accurately reconstruct the object-related signal detected by the radar, an analog-to-digital converter with a high sample rate of up to twice the frequency should be used to process the detected signal.

그러나, 레이더는 매우 높은 주파수 대역을 포함하여 광대역 신호를 사용하므로 실시간으로 적절한 정확도를 가지고 변환기를 사용하여 신호를 복원하는 것에는 우수한 용량과 계산능력을 가진 변환기와 계산 자원이 요청되지만 현재 이런 처리용량을 가진 변환기 및 컴퓨터는 구비되기 어렵다. However, radar uses wideband signals, including very high frequency bands, so reconstructing the signal using transducers with adequate accuracy in real time requires transducers and computational resources with good capacity and computational power, but at the moment It is difficult to equip with a converter and a computer.

이런 문제를 해결하기 위한 하나의 방법으로, 신호 대역폭을 나누어 대역폭마다 대응되는 변환기 및 컴퓨터를 사용하여 신호를 처리하고, 전체 대역 신호를 위해 사용되는 다수 변환기 및 컴퓨터를 결합시켜 전체적 신호 복원이 이루어지도록 하는 방법이 있으나 이런 경우에도 매우 많은 변환기 및 계산 자원과 시간이 요청되는 실정이다. 가령, 전투기의 레이더 신호 처리를 위해 변환기와 컴퓨터를 구비할 때 지나치게 많은 무게와 공간을 요구하게 되어 현실적 적용이 어렵다.One way to solve this problem is to divide the signal bandwidth and process the signal using a corresponding converter and computer for each bandwidth, and combine multiple converters and computers used for the full-band signal to achieve overall signal recovery. However, even in this case, a very large number of converters and computation resources and time are required. For example, when a transducer and a computer are provided for the radar signal processing of a fighter aircraft, it requires too much weight and space, and thus practical application is difficult.

그런데, 니퀴스트 샤논 샘플 정리는 아주 오랜 시간 동안 정확한 것으로 이해되었으나, 임의 기저대역 신호에 대한 너무 일반적인 이론이어서 근래에는 특수한 형태의 신호에 대해서 대상물 정보를 복원할 때 보다 적은 이산 신호만으로 손실 없는 복원이 가능하다는 것이 이해되고 있다.By the way, the Nyquist Shannon sample theorem has been understood to be accurate for a very long time, but because it is a very general theory of arbitrary baseband signals, in recent years, lossless restoration with less discrete signals is required when restoring object information for special types of signals. It is understood that it is possible.

이때 중요한 신호 형태가 산재 신호(sparse signal)이다. 영상압축에 웨이브렛(Wavelet)이나 변환 코드를 이용하는 경우, 실제 영상이 모든 영역에 고른 값의 분포를 가져도 웨이브렛 변환의 경우 몇 개의 계수만 매우 큰 값을 가지고 있어, 이러한 계수만 저장하여 매우 높은 압축비로 영상을 보관 또는 전송할 수 있음이 알려지고 있다. 가령 하나의 영상을 구성하는 백만개의 화소에서 25000개의 화소에서만 의미 있는 큰 값을 가지는 경우, 이 25000개의 화소의 신호 값만 남기고 나머지 화소의 신호 값을 0으로 대체한 후 다시 역변환해서 얻은 영상을 보면 원래의 영상과 실질적으로 같게 보인다.An important signal type is the sparse signal. In the case of using wavelet or transform code for image compression, even if the actual image has an even distribution in all areas, only a few coefficients in the wavelet transform have very large values. It is known that images can be stored or transmitted at high compression ratios. For example, if one million pixels constituting one image have a significant value only in 25000 pixels, the image obtained by replacing the signal values of the remaining 25,000 pixels with 0 and replacing the signal values of the remaining pixels with 0 and then inverting again Looks pretty much the same as the video.

이때, 일부를 제외하고 대부분의 화소를 0으로 대체한 상태의 웨이브렛 신호는 산재 신호이다. 대부분의 영상은 적절한 변환을 통해 산재 신호로 근사된다. 이를 통해 매우 효과적인 영상 신호 표현을 산재 신호를 통해 할 수 있다. 산재 신호의 가장 단순한 예는 퓨리에(Fourier) 변환을 통해 볼 수도 있다. 시간 영역에서 상수 신호는 전 시간에 대해 0이 아닌 값을 가지고 있어 산재 신호가 아니지만, 주파수 영역에서는 주파수가 0인 경우에만 0이 아닌 계수 값을 갖고, 다른 주파수의 계수는 모두 0인, 주파수 영역에서의 산재 신호가 된다. At this time, the wavelet signal in which most of the pixels are replaced with 0 except for a part is an interspersed signal. Most images are approximated with scattered signals through proper conversion. This allows for a very effective representation of the video signal through scattered signals. The simplest example of an interspersed signal can also be seen through the Fourier transform. In the time domain, the constant signal is not an interspersed signal because it has a nonzero value for the entire time, but in the frequency domain it has a nonzero coefficient only if the frequency is zero, and the coefficients of all other frequencies are all zero. This is the scattering signal at.

이러한 예를 통해 보면, 임의 신호가 어떤 변환을 통해 산재 신호가 될 수 있음을 알 수 있다. 물론 모든 신호들이 이러한 특징을 가지고 있지 않지만, 자연계에서 관찰되는 많은 신호(영상 등)가 어떤 변환을 통해 산재 신호가 될 수 있다는 것은 잘 알려지고 있다. 일반적으로 산재 신호는 그대로 관찰되거나 취득되지 않는다. 앞서 언급한 영상의 경우에도 우리가 직접 보는 영상 신호는 산재 신호가 아니다 따라서 주어진 신호가 어떤 변환을 통해 산재 신호가 된다고 가정을 할 경우, 이런 산재 신호를 찾는 문제가 중요하다. 즉 관찰된 신호에서 산재 신호를 찾는 문제가 중요한데, 근래의 연구에서는 압축 센싱(compressive sensing:CS)을 통해 관찰 신호의 길이보다 매우 작은 수의 샘플의 만으로도 산재 신호를 찾을 수 있음을 보이고 있다.In this example, it can be seen that an arbitrary signal can be a scattered signal through some transformation. Of course, not all signals have this feature, but it is well known that many signals (images, etc.) observed in nature can be scattered through some transformation. In general, interspersed signals are not observed or acquired as is. In the case of the above-mentioned images, the video signals we see are not scattered signals. Therefore, the problem of finding such scattered signals is important when a given signal is assumed to be scattered through some transformation. That is, the problem of finding the scattered signal from the observed signal is important, and recent research has shown that through the use of compressive sensing (CS), the scattered signal can be found by using only a small number of samples smaller than the length of the observed signal.

CS는 영상신호 등에 바로 적용되면 매우 적은 샘플로 신호를 압축/복원할 수 있다. 따라서 전통적 방식, 즉 니퀴스트 샤논 샘플링 비율에 따라 디지털 신호를 얻고 웨이브렛 등 변환을 거친 후 가장 계수가 큰 것들만을 모아 저장하여 압축하는 방식의 영상 신호 압축 및 복원에서 벗어난 매우 효율적인 새로운 방식을 얻을 수 있다. 가령, 1차원 신호를 생각할 때, 대역폭이 1KHz인 1초의 신호를 니퀴스트 비율(Nyquist rate)로 샘플링할 경우, 2000개의 샘플이 필요한데, 샘플 신호를 어떤 변환을 통해 다시 표현할 경우 오직 20개의 계수만 매우 큰 값을 갖는다고 가정하고, 전통적인 방식과 달리 1초 동안의 신호에서 바로 40개의 샘플만으로 변환된 산재 신호에서 20개의 계수를 얻을 수 있다면, 당연히 후자의 방식이 효율적인 방식이 될 것이다. 이런 새로운 방식의 이론적 토대가 CS이다. The CS can compress / restore the signal with very few samples when applied directly to an image signal. Therefore, we can obtain a new method that is very efficient from the traditional method of video signal compression and reconstruction, which obtains digital signal according to Nyquist Shannon sampling rate, converts wavelet, etc., and collects and stores and compresses only the largest coefficient. have. For example, when considering a one-dimensional signal, if you sample a 1 second signal with a bandwidth of 1 KHz at the Nyquist rate, you need 2000 samples, and only 20 coefficients to represent the sample signal through some transformation. Assuming a very large value, and unlike the traditional method, if we can get 20 coefficients from the scattered signal transformed into just 40 samples in one second of signal, then the latter method will be an efficient one. The theoretical basis of this new approach is CS.

따라서, 이러한 CS 기법을 레이더 신호 처리에 이용하면 종래에 비해 성능이 떨어지는 변환기 및 계산 장비만으로 종래와 같은 레이더 성능을 발휘할 수 있고, 같은 장비라면 훨씬 해상도가 뛰어난 레이더 성능을 가질 수 있다.Therefore, when the CS technique is used for radar signal processing, only the converter and the calculation equipment which are inferior to the conventional one can exhibit the same radar performance, and the same equipment can have much higher radar performance.

한편, CS에 대해 이해하기 위해 먼저 산재 신호 즉 스펄스 신호(sparse signal)를 정의해야 한다 임의 N-차원 선형 공간을 가정하자. 산재 신호는 이 공간의 벡터로 표현하는 경우, 이 벡터의 0이 아닌 계수의 값이 N보다 매우 작은 K (<< N) 이면, 이 신호 혹은 벡터를 K-스펄스(sparse) 신호 혹은 K-산재 신호라 한다.On the other hand, in order to understand CS, we first need to define a scattering signal, that is, a sparse signal. Assume an arbitrary N-dimensional linear space. When the scattering signal is expressed as a vector of this space, if the value of the nonzero coefficient of this vector is K (<< N) which is much smaller than N, then the signal or vector is a K-sparse signal or K- It is called an interstitial signal.

예를 들어 N = 100이고 K =1 0 인 경우, K-스펄스 신호는 10개의 계수가 0이 아닌 수이며, 나머지 90개의 계수는 모두 0인 경우다 이러한 산재한 신호는 이 신호를 표현하는 기저(basis)와 관련이 있다. 어떤 벡터 공간의 신호를 표현하기 위해 사용되는 기저 또는 변환에 따라 신호가 산재할 수 있고, 아닐 수도 있다. 예를 들어 시간 영역에서 상수 신호는 모든 시간에 대해 0이 아닌 값을 가지고 있다. 이런 신호는 산재 신호가 아니다. 그러나 퓨리에 변환을 통해 주파수 영역에서 이 신호를 보면 주파수가 0에 대한 계수 값이 0이 아닌 다른 값을 갖고, 다른 주파수의 계수는 모두 0인, 주파수 영역에서 산재 신호이다 또한 사인(sine) 또는 코사인(cosine) 파형의 경우에도 같은 현상을 볼 수 있다.For example, if N = 100 and K = 1 0, then the K-pulse signal is a number where 10 coefficients are non-zero, and the remaining 90 coefficients are all zero. related to basis. The signal may or may not be scattered depending on the basis or transform used to represent the signal in some vector space. In the time domain, for example, constant signals have nonzero values for all times. These signals are not interspersed. But if you look at this signal in the frequency domain through the Fourier transform, it is an interspersed signal in the frequency domain where the frequency has a non-zero coefficient value for zero, and the coefficients for all other frequencies are all zeros. The same phenomenon can be seen with the (cosine) waveform.

보다 더 자세히 보기 위해 다음과 같은 신호를 정의하자.To see this in more detail, define the following signal:

Figure 112019032298615-pat00001
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위의 식에서 χ는 길이가 N×1인 산재 신호 벡터이다. A는 M×N 센싱 행렬이다. 여기서 M < N 이다. 이런 경우, y로 χ를 결정하는 문제는 방정식 수가 변수의 수보다 적은 결핍(underdetermined) 시스템이고, 해의 수가 무한히 많다. 간단한 예로,“10 = χ12”의 경우, 두 변수의 해는 무한히 많다 하지만, χ가 K-스펄스 신호라면 이 문제를 다르게 볼 수 있다. 단순히 K = M이고 χ에서 0이 아닌 값들의 위치를 알 수 있다고 가정하자. 그리고 0에 대응하는 A행렬의 행 벡터를 제거한 행렬(이것을 A위에 수평선 표시를 하고 'A바'라 쓴다)을 이용하여 다시 시스템을 쓰면 다음과 같다.Where χ is the scattering signal vector of length N × 1. A is the M × N sensing matrix. Where M <N. In this case, the problem of determining χ by y is an underdetermined system where the number of equations is less than the number of variables, and the number of solutions is infinitely large. As a simple example, in the case of “10 = χ 1 + χ 2 ”, the solutions of both variables are infinitely large, but if χ is a K-pulse signal, this problem can be seen differently. Suppose we simply know where K = M and the nonzero values in χ. If you write the system again using a matrix that removes the row vector of A matrix corresponding to 0 (marked horizontal line on A and writes 'A'), it is as follows.

Figure 112019032298615-pat00002
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여기서 'χ바'는 0이 아닌 계수로만 이루어진 χ벡터이다. 이 경우, A바의 크기는 M×M이어서 쉽게 χ바를 결정할 수 있다. 다음과 같은 M = 3 , N = 4 , K = 2인 예로 볼 수 있다.Where χ bar is a χ vector of only nonzero coefficients. In this case, the size of the A bar is M × M, so it is easy to determine the χ bar. For example, M = 3, N = 4, and K = 2.

Figure 112019032298615-pat00003
Figure 112019032298615-pat00003

처음 시스템은 식 3개에 변수 4개로 결핍 시스템이지만 변수 가운데 2개(즉χ2와 χ3가 0이면 식 3개에 변수 2개인 중복 혹은 과잉(overdetermined) 시스템이 된다. The first system is a deficient system with three variables in four equations, but two of the variables (that is, if χ 2 and χ 3 are zero) are redundant or overdetermined systems with two variables in three equations.

이러한 단순한 예를 통해 보면, 수학식 1과 같이 일반적인 신호의 경우는 해결할 수 없지만, 산재 신호라면 다르게 되는 것을 알 수 있다. 하지만, 수학식 2로 가기 위해, 어떻게 χ벡터의 계수의 값이 0이 아닌 위치를 알아내어 A바를 얻을 수 있는가에 대한 답이 있어야 한다. 이 의문에 대한 답을 보이기 전에 수학식 1이 현실적인 문제와 어떻게 관련되는지 먼저 살펴본다. Through this simple example, the general signal as in Equation 1 can not be solved, but it can be seen that the scattered signal is different. However, in order to move on to Equation 2, there must be an answer about how to obtain the A bar by finding a position where the coefficient of the χ vector is not zero. Before answering this question, let's first look at how Equation 1 relates to a realistic problem.

수학식 1에서 χ벡터는 산재 신호이다. 일반적으로 주어진 신호를 바로 산재 신호로 표현할 수 없다. 주어진 신호가 다음 수학식과 같다고 한다.In Equation 1, χ is an interspersed signal. In general, a given signal cannot be expressed directly as an interspersed signal. It is assumed that a given signal is equal to the following equation.

Figure 112019032298615-pat00004
Figure 112019032298615-pat00004

즉, 우리가 관측할 수 있는 주어진 신호 f는 Ψ라는 알려진 행렬(혹은 변환)을 통해 산재한 신호 χ벡터와 관련이 되어있다고 한다. 신호 f가 시간 영역의 신호라면 Ψ는 역 퓨리에 변환으로 보고, χ벡터는 주파수 영역에서 계수 벡터이다.In other words, the signal f we can observe is related to the signal χ vector scattered through a known matrix (or transformation) called Ψ. If signal f is a signal in the time domain, then Ψ is the inverse Fourier transform, and χ vector is the coefficient vector in the frequency domain.

이러한 신호의 길이는 N이라고 하자 산재 신호는 K-스펄스 신호이다 신호 f를 직접 얻어 χ벡터를 얻기보다는 다음과 같이 신호를 통해 얻을 수 있다고 가정한다.Suppose that the length of this signal is N. The interspersed signal is a K-pulse signal. It is assumed that the signal can be obtained from the signal as follows rather than directly obtaining the signal f .

Figure 112019032298615-pat00005
Figure 112019032298615-pat00005

여기서 Φ는 M×N 측정 행렬이다. 즉, 신호f가 아닌, 이보다 휠씬 길이가 짧은 신호를 취득할 수 있다고 가정한다. 음성이나 영상 신호의 경우, Φ는 일종의 아날로그-디지털 변환기(ADC) 역할을 하는 장치로 생각할 수 있다. 하지만, M이 N보다 매우 작은 경우에서 일반적인 방식에서 필요한 샘플의 수(즉, N) 보다 매우 적은 수의 샘플(즉, M)을 취하는 것으로 볼 수 있다. 이제 취득한 신호 y와 산재한 신호 χ의 관계를 쓰면 다음과 같다.Where Φ is the M × N measurement matrix. In other words, it is assumed that a signal having a shorter scene length than that of the signal f can be obtained. For audio or video signals, Φ can be thought of as a device that acts as an analog-to-digital converter (ADC). However, in the case where M is much smaller than N, it can be regarded as taking a very small number of samples (i.e., M) than the number of samples required (i.e., N) in a general manner. Now, the relationship between the acquired signal y and the scattered signal χ is

Figure 112019032298615-pat00006
Figure 112019032298615-pat00006

여기서 A = ΦΨ이다. 즉 수학식 4는 수학식 1과 같이 됨을 볼 수 있다. 이제 수학식 1이 매우 중요함을 볼 수 있다. 크기 M×N 센싱 행렬 A의 성질이 취득한 신호 y에서 산재 신호 χ를 추정하는데 중요한 역할을 한다. 이런 관점에서 센싱 행렬의 성질을 보기 위해 다음 수학식 5와 같은 상수를 정의할 수 있다.Where A = ΦΨ. That is, it can be seen that Equation 4 becomes as Equation 1. Now we can see that Equation 1 is very important. The nature of the magnitude M × N sensing matrix A plays an important role in estimating the scattered signal χ from the acquired signal y . In this regard, to see the properties of the sensing matrix, constants such as Equation 5 may be defined.

Figure 112019032298615-pat00007
Figure 112019032298615-pat00007

여기서 δk는 모든 K-스펄스 신호 χ에 대해 위의 부등식을 만족하는 상수 가운데 가장 작은 상수이다. 이러한 상수를 아이소메트리(isometry) 상수라 한다.Where δ k is the smallest constant that satisfies the above inequality for all K-pulse signals χ. These constants are called isometry constants.

δk가 0에 가까워지면 두 부등식의 좌·우 항은 서로 접근한다 이 경우 센싱 행렬 A은 신호 χ에 대한 정보를 거의 잃어버리지 않는 매우 좋은 센싱 행렬이다. 특히 M이 작아도 이러한 성질이 유지된다면 매우 좋은 센싱 행렬로 생각할 수 있다. 만약 행렬 A가 수학식 5를 어떤 양의 정수 K에 대해 만족한다면 K차-제한 아이소메트리 특성(restricted Isometry Property:RIP)를 만족한다고 한다. 이러한 센싱 행렬 A에 대해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.When δ k approaches zero, the left and right terms of the two inequalities approach each other. In this case, the sensing matrix A is a very good sensing matrix with little loss of information about the signal χ. In particular, if M is small, this property can be considered as a very good sensing matrix. If matrix A satisfies Equation 5 for some positive integer K, it is said to satisfy the K-order-limited Isometry Property (RIP). For the sensing matrix A can be obtained as follows.

정리하면, 다음 수학식 6과 같은 최적화 문제에서In summary, in an optimization problem

Figure 112019032298615-pat00008
Figure 112019032298615-pat00008

만약 A가 δ2k<√2-1를 가지고 RIP를 만족한다면 이 해는, 해를 χ로 쓰면, 다음 식을 만족한다.If A satisfies RIP with δ 2k <√2-1, then this solution satisfies the equation

Figure 112019032298615-pat00009
Figure 112019032298615-pat00009

여기서 χk는 χ의 K개의 최대값들을 모두 0으로 한 벡터이다.Where χ k is a vector of all zero K max values of χ.

위의 정리에 따르면, 만약 χ가 K-스펄스 하면 수학식 6의 최적화는 정확한 해를 준다. 이러한 결과가 CS의 중요한 결과인데, 이 정리는 실제 수학식 1을 풀 수 있는 방법이 수학식 6의 최적화라는 것을 보여주고, 해를 얻기 위한 조건을 같이 보일 수 있다.According to the above theorem, if χ is K-pulse, the optimization of Equation 6 gives the correct solution. This result is an important result of CS. This theorem shows that the way to solve Equation 1 is the optimization of Equation 6, and the conditions for obtaining the solution can be seen together.

현실적으로 좋은 RIP 성질을 갖는 센싱 행렬 A를 얻는 것이 중요하다. 이 문제는 좋은 측량 행렬 Φ를 구하는 것과 동일하다. 이러한 행렬을 잘 결정하는 것이 필요한데, A가 랜덤하다면 좋은 RIP 성질을 갖을 수 있음이 알려져서, 랜덤한 센싱 행렬 A를 갖도록 측량 행렬 Φ를 설계하는 것이 중요하다.In practice, it is important to obtain a sensing matrix A having good RIP properties. This problem is equivalent to finding a good survey matrix Φ. It is necessary to determine such a matrix well. If A is random, it is known that it can have good RIP properties, and it is important to design the survey matrix Φ to have a random sensing matrix A.

예를 들어, 신호를 랜덤한 시간에 샘플할 수 있다. 실제 니퀴스트 비율보다 훨씬 적은 비로 취득하여도 신호를 복원할 수 있음을 볼 수 있다.For example, the signal can be sampled at random times. It can be seen that the signal can be reconstructed even with a much lower ratio than the actual Nyquist ratio.

일반적으로 랜덤한 센싱 행렬 A에 대해 수학식 6과 같이 χ를 추정할 경우, 다음 수학식 7의 조건이 만족되면 매우 높은 확률로 산재된 신호를 얻을 수 있음이 알려져 있다.In general, when χ is estimated with respect to the random sensing matrix A as shown in Equation 6, it is known that a scattered signal can be obtained with a very high probability if the condition of Equation 7 is satisfied.

Figure 112019032298615-pat00010
Figure 112019032298615-pat00010

수학식 7을 만족하는 신호의 샘플 수, M은 N이 매우 커도 K가 충분히 작으면 크지 않음을 알 수 있다. 또한 산재 신호의 경우 니퀴스트 비율이 샘플비를 정할 때 크게 의미가 없음을 알 수 있다.It can be seen that the sample number, M, of a signal satisfying Equation 7 is not large if K is small enough even if N is very large. In addition, it can be seen that the scattered signal does not have much meaning when determining the sample ratio.

직관적으로 수학식 6이 어떻게 산재한 신호를 추정할 수 있는지 보기 위해 벡터의 크기를 정하는 lp-노엄(norm)에 대해 살펴볼 필요가 있다. 임의 길이가 N인 벡터 χ의 lp-norm은 다음 수식과 같이 정의한다.Intuitively, we need to look at the l p-norm, which determines the magnitude of the vector, to see how Equation 6 can estimate the scattered signal. The l p-norm of the vector χ of arbitrary length is defined by the following equation.

Figure 112019032298615-pat00011
Figure 112019032298615-pat00011

실제 노엄(norm)으로 쓰려면 p≥1이어야 하는데 p≥0으로 확장한다. 각 norm에 따른 원의 모양을 2차원에서 보이면 도1과 같다.To write as a real norm, p≥1 must be expanded to p≥0. The shape of the circle according to each norm is shown in FIG. 1 in two dimensions.

즉, 위 수식의 값이 1이면 도1에 보이듯이 서로 다른 모양을 갖는다. That is, when the value of the above formula is 1, it has a different shape as shown in FIG.

수학식 6에서 보이듯이 l1-norm의 비용함수의 모양은 도1(a)와 같이 생겼다. 흔히 사용되는 l2-norm은 원이다. 일반적으로 p≤1인 경우 원의 모양은 축에서 점 더 뾰족한 형태를 갖는다. 이제 수학식 6과 같이 선형 제한 식을 만족하면서 norm을 최소화하는 해를 찾는 문제를 생각해보자. 선형 제한 식을 직선으로 보이면 도2와 같이 예를 들어 볼 수 있다. 도2(a)는 p=1, 도2(b)는 p=2, 도2(c)는 p=∞, 도2(d)는 p=1/2인 경우이다. As shown in Equation 6, the shape of the cost function of l 1-norm is as shown in Fig. 1 (a). Commonly used l 2-norm is a circle. In general, when p≤1, the shape of the circle has a more pointed shape on the axis. Now consider the problem of finding a solution that minimizes norm while satisfying a linear constraint such as Equation 6. If the linear constraint equation is shown as a straight line, it can be seen as shown in FIG. 2 (a) shows p = 1, FIG. 2 (b) shows p = 2, FIG. 2 (c) shows p = ∞ and FIG. 2 (d) shows p = 1/2.

각 그림에서 χ^는 주어진 norm에 대한 해를 표시한다 도3 (a)와 (d)의 경우, 산재된 해(χ^ = 0)를 얻는 반면 도2 (b)와 (c)는 해가 산재 신호인 경우가 아니다. 이 예를 통해서 만약 산재된 벡터 또는 신호가 선형 제한 식을 만족하는 해가 되려면 p의 값은 1이거나 이보다 작아야 함을 알 수 있다.In each figure, χ ^ represents the solution for a given norm. For Figures 3 (a) and (d), we get a scattered solution (χ ^ = 0), whereas Figures 2 (b) and (c) have solutions. This is not the case with scattered signals. This example shows that if the scattered vector or signal is a solution that satisfies the linear constraint, the value of p must be 1 or less.

따라서 l1-norm 최적화는 CS에서 산재된 신호를 해로 얻기 위해 매우 중요한 역할을 한다. 수학식 6의 문제의 해를 효율적으로 얻는 알고리즘이 필요한데, 기저 추적(Basis Pursuit), 호모토피(Homotopy) 알고리즘, 최소 절대 수축 및 선택 연산자(Least Absolute Shrinkage and Selection Operator: LASSO) 회귀모형, 최소각(Least Angle Regression: LARS) 회귀모형 등의 다양한 방법들이 제시되었고, 직교 매칭 추적(Orthogonal Matching Pursuit:OMP)도 그 하나가 된다.Therefore, l 1-norm optimization plays a very important role in solving the scattered signal in CS. We need an algorithm that efficiently solves the problem of equation (6): Basis Pursuit, Homotopy algorithm, Least Absolute Shrinkage and Selection Operator (LASSO) regression, minimum angle Various methods such as (Least Angle Regression: LARS) regression model have been proposed, and Orthogonal Matching Pursuit (OMP) is one of them.

기본적인 레이더 동작을 살펴보면, 펄스-레이더 시스템은 동일한 안테나를 시분할로 송신과 수신에 같이 이용한다. 송신 신호는 특정 주파수로 변조된 짧은 펄스로 특정 방향을 향해 전송된다. 이때 안테나는 매우 지향성이 높다고 가정한다. 전송 후 안테나는 수신 모드로 전환되어 만약 반사파가 있다면 이를 수신한다. 만약 반사파가 존재하지 않는다면, 이 특정 방향에는 아무런 목표물 대상이 없는 것으로 간주할 수 있다. 반사파가 있다면, 이것은 전송된 펄스 신호가 목표물에 반사되어 되돌아 온 신호로 간주한다. 물론 목표물이 아닌 주위의 지형지물에 의해 반사되어 온 반사파일 수 있지만, 이는 이미 이전 레이더 동작에 의해 파악할 수 있는 산란된 신호(clutter)이므로 목표물에 의한 반사파와 충분히 구분될 수 있다.Looking at the basic radar operation, the pulse-radar system uses the same antenna for both time division and transmission. The transmission signal is transmitted in a specific direction as a short pulse modulated at a specific frequency. In this case, it is assumed that the antenna is very directional. After transmission, the antenna switches to receive mode and receives reflected waves, if any. If there is no reflected wave, it can be considered that there is no target object in this particular direction. If there is a reflected wave, this is regarded as the signal returned by the transmitted pulse signal reflected on the target. Of course, it can be a reflection file reflected by the surrounding feature, not the target, but it can be sufficiently distinguished from the reflected wave by the target since it is a scattered signal that can be recognized by the previous radar operation.

전송된 신호가 목표물에 반사되어 온 시간을 얻을 수 있다면 이 목표물과 안테나 사이의 거리를 추정할 수 있다. 송신파와 수신파 사이의 시간 지연을 T라하면, 그 거리 r은 다음 식과 같다.If we can get the time that the transmitted signal has been reflected on the target, we can estimate the distance between the target and the antenna. If the time delay between a transmitting wave and a receiving wave is T, the distance r is as follows.

Figure 112019032298615-pat00012
Figure 112019032298615-pat00012

여기서, c는 전파속도이다. 그리고 2로 나눈 이유는 T는 왕복 시간이기 때문이다. 이러한 과정은 목표물이 있을 수 있는 방향에 대해 순차적으로 진행하고, 계속 반복하여 훑어본다. 따라서 레이더의 성능은 전송 펄스 신호와 시간 지연 추정에 크게 영향을 받는다. 이러한 레이더 시스템에 CS가 응용되는 형태를 간단히 살펴보면, 레이더의 송신 펄스 신호를 sT(t)라 하고, 이 신호가 물체에 반사되어 되돌아오는 경우, 수신된 신호는 다음 식과 같이 쓸 수 있다.Where c is the propagation speed. And dividing by 2 is because T is the round trip time. This process proceeds sequentially in the direction in which the target may be, and keeps looking over and over again. Therefore, radar performance is greatly affected by the transmission pulse signal and time delay estimation. In brief, the application of CS to such a radar system, a transmission pulse signal of the radar is called sT (t), when the signal is reflected back to the object, the received signal can be written as follows.

Figure 112019032298615-pat00013
Figure 112019032298615-pat00013

여기서 u(t)는 물체가 가지고 있는 고유한 함수로 생각할 수 있고 물체의 임펄스 응답처럼 생각할 수 있다. 이때 전송신호는 입력 신호이고, 반사된 신호는 출력 신호이다. 따라서 u(t)를 얻으면 물체의 특징, 즉, 위치, 속도, 그리고 물체의 모양 등을 알 수 있으며, 따라서 이 함수를 추정하는 것이 중요하다.Here u (t) can be thought of as a unique function of an object and can be thought of as an impulse response of an object. In this case, the transmission signal is an input signal and the reflected signal is an output signal. Therefore, if u (t) is obtained, it is possible to know the characteristics of the object, that is, its position, velocity, and shape of the object, so it is important to estimate this function.

물체의 고유한 특징을 갖는 함수 u(t)를 추정하기 위해 송신 신호를 다음 수학식 8과 같은 특징을 갖도록 설계할 수 있다.In order to estimate a function u (t) having an inherent characteristic of the object, a transmission signal may be designed to have a characteristic as shown in Equation (8).

Figure 112019032298615-pat00014
Figure 112019032298615-pat00014

이러한 성질을 갖는 신호는 의사 난수(pseudo random)또는 의사 잡음(pseudo-noise:PN) 신호로 만들 수 있다. 임의의 의사 잡음 수열이 주어지면, 이 의사 잡음의 상관함수는 디락 델타(Dirac-delta) 함수와 유사하고, 이러한 성질의 송신 신호를 가정하고 수신 신호에다 송신 신호를 정합 필터링(matched filtering)을 하면, 그 출력 신호는 다음 수학식 9와 같다.Signals having this property can be made into pseudo random or pseudo-noise (PN) signals. Given a random pseudo noise sequence, the pseudo noise correlation function is similar to the Dirac-delta function, and assuming that the transmitted signal of this property is matched with the received signal, , The output signal is expressed by the following equation (9).

Figure 112019032298615-pat00015
Figure 112019032298615-pat00015

결국 정합 필터의 출력 신호는 물체의 고유한 함수의 근사가 된다. 아날로그 정합 필터는 송신 펄스 신호가 복잡하면 구현하기 어렵다. 사실 이러한 문제로 과거에는 송신 펄스 신호의 제약이 있었는데, 디지털 신호 처리기의 발전으로 아날로그 정합 필터를 디지털 정합 필터로 대체하면 이러한 문제를 해소할 수 있다. 즉, 지금은 우수한 성능을 갖는 송신 펄스 신호를 사용할 수 있다. 이러한 경우는, 고속의 아날로그 디지털 변환기(ADC)로 신호를 먼저 샘플링한 이후 디지털 정합 필터로 샘플링된 u(t)를 얻을 수 있다.The output signal of the matched filter is then an approximation of the intrinsic function of the object. Analog matched filters are difficult to implement if the transmit pulse signal is complex. In fact, in the past, this problem was limited by the transmission pulse signal. The development of the digital signal processor can solve the problem by replacing the analog match filter with the digital match filter. That is, it is now possible to use a transmission pulse signal having excellent performance. In this case, u (t) sampled with a digital matching filter can be obtained after first sampling the signal with a high-speed analog-to-digital converter (ADC).

궁극적으로 u(t)를 얻기 위해 레이더 신호 처리를 이용하여 우수한 수신 시스템을 설계하는 것이 중요한데, 이러한 시스템을 보다 낮은 복잡도로 구현하기 위해 CS를 쓸 수 있다. 이를 위해 물론 u(t)가 산재 신호이어야 한다. 이 신호는 시간 영역에서 산재할 필요는 없다. 이 신호는 어떤 특정한 변환을 통해 산재 신호가 될 수 있으면 된다. Ultimately, it is important to design a good receiving system using radar signal processing to obtain u (t), which can be used to implement CS with lower complexity. For this purpose u (t) must of course be an interspersed signal. This signal need not be scattered in the time domain. This signal needs to be an interspersed signal through some specific transformation.

하지만 편의를 위해 시간 영역에서 산재하다고 가정하면 이 경우, u(t)는 다음과 수학식 10과 같이 쓸 수 있다.However, assuming that it is scattered in the time domain for convenience, u (t) can be written as Equation 10 below.

Figure 112019032298615-pat00016
Figure 112019032298615-pat00016

여기서 ak는 지연 시간 τk 의 임의의 함수의 계수이고 이 함수는 높은 샘플링 속도로 샘플링 한다면 K-스펄스 신호라 볼 수 있다. 이 경우 수신된 신호는 아래 수학식 11과 같다.Where a k is a coefficient of an arbitrary function of the delay time τ k , and this function is a K-pulse signal if we sample at a high sampling rate. In this case, the received signal is represented by Equation 11 below.

Figure 112019032298615-pat00017
Figure 112019032298615-pat00017

sT(t)를 p라는 PN 수열을 이용하여 만들었다고 가정하면 편의를 위해 샘플링된 후 신호를 생각하면 다음 수학식 12와 같이 표현할 수 있다.Suppose that s T (t) is created using a PN sequence called p. For convenience, the signal may be expressed as shown in Equation 12 below.

Figure 112019032298615-pat00018
Figure 112019032298615-pat00018

여기서 pn n 지연 시간을 가지고 샘플링된 PN 신호이다. 그리고 a는 K-스펄스 신호로 τk번째 항은 0이 아닌 값, 즉 ak를 갖고 다른 값은 모두 0이다. 여기서Where is a PN signal sampled with a p n n delay time. A is a K-pulse signal, and the τ k th term has a nonzero value, that is, a k and all other values are 0. here

[p0…pn-1]=Ψ로 쓰면 수신된 신호 sR은 f와 같음을 알 수 있다. PN 신호로 만들어진 Ψ이므로 랜덤하게 M개의 샘플을 sR(t)로부터 취득하면 취득된 신호를 다음 수학식 13과 같이 쓸 수 있다.[p0…] By writing pn-1] = Ψ, we can see that the received signal s R is equal to f. Since M is made of PN signals, if M samples are randomly obtained from s R (t), the obtained signal can be written as shown in Equation (13).

Figure 112019032298615-pat00019
Figure 112019032298615-pat00019

여기서 Ψ-는 Ψ에서 M개의 랜덤하게 샘플한 시간에 부합하는 행벡터로 이루어진 행렬이다. 이러한 행렬은 PN 수열 p에 따라 랜덤한 특성을 가지고 있고 좋은 RIP 성질을 가질 수 있다. 따라서 적은 수의 샘플만으로도 원하는 K-스펄스 신호 a를 추정할 수 있다.Where Ψ- is a matrix of row vectors corresponding to M randomly sampled times in Ψ. Such a matrix may have random characteristics according to the PN sequence p and may have good RIP properties. Therefore, the desired K-pulse signal a can be estimated with only a few samples.

이 외에도 CS는 레이더 시스템에 다른 방식으로 이용될 수 있다. 가령, 분산된 송신 안테나가 각각 다른 협대역 신호를 전송하여 여러 목표물의 검출을 한다. 여러 목표물의 수가 만약 충분히 작다면 수신된 신호는 각도 범위 도플러(angle-range-Doppler) 공간에서 산재한 신호가 된다. 따라서 적은 수의 샘플로도 CS를 이용하여 목표물들을 각도 범위 도플러 공간의 산재 신호로 나타내고, 이를 추정할 수 있다. In addition, CS can be used in other ways in radar systems. For example, distributed transmit antennas transmit different narrowband signals to detect different targets. If the number of targets is small enough, the received signal is scattered in angle-range-Doppler space. Therefore, even with a small number of samples, the targets can be represented as scattered signals in the angular range Doppler space using CS and estimated.

목표물들을 2차원 시간-주파수 공간에서 산재한 신호라 보고, 이 목표물의 수가 이산화된(discretized) 2차원 시간-주파수 공간의 점의 수보다 작은 경우에 대해, 고해상도 영상처럼 목표물을 2차원 공간에서 찾고 보이는 CS 방법도 이미 제시되었다. 이러한 연구는 CS가 영상 복원에 응용된 것과 유사한 특징을 가지고 있다는 것을 보여준다. 단, 다른 것은 다차원 신호 공간이 시간-주파수 또는 각도 범위 도플러 공간으로 대체되어 목표물의 위치 및 속도 등 레이더에 필요한 정보로 나타나게 한 것이다.Seeing targets as signals interspersed in two-dimensional time-frequency space, and looking at and looking at the target in two-dimensional space, like a high-resolution image, for a case where the number of targets is smaller than the number of points in discrete two-dimensional time-frequency space The CS method has already been proposed. These studies show that CS has similar characteristics to those applied for image reconstruction. The other, however, is that the multidimensional signal space has been replaced by the time-frequency or angular range Doppler space, resulting in information needed for the radar, such as the position and velocity of the target.

위에서 잠깐 언급하였듯이 압축 센싱된 신호로부터 원래의 신호 x를 복구하기 위해 제안된 다양한 알고리즘들 가운데 OMP는 대표적 수단의 하나인데, OMP의 가장 중요한 문제점의 하나는 최소자승(least squares) 과정에서의 역행렬의 문제로, 역행렬은 반복적으로 높은 정도의 계산상의 복잡성을 초래하기 때문이다.As mentioned briefly above, among the various algorithms proposed to recover the original signal x from the compressed sensed signal, OMP is one of the representative means. One of the most important problems of OMP is the inverse of the matrix in the least squares process. The problem is that the inverse matrix repeatedly introduces a high degree of computational complexity.

이런 문제 해결을 위해 역행렬의 계산 효율을 개선하기 위한 큐알 분해(QR decomposition)이나 초레스키 기반 분해(Cholesky-basis factorization)가 제시된 바 있다. 그러나, 이런 방법들에도 불구하고 여전히 역행렬의 계산은 복잡함으로 인한 비효율성이 존재하는 어려뭉이 있다.To solve this problem, QR decomposition or Cholesky-basis factorization has been proposed to improve the computational efficiency of the inverse matrix. However, in spite of these methods, the calculation of inverse matrix still has some inefficiencies due to complexity.

한편, 기존에 분할된 역변환 혹은 역행렬(partitioned inversion)을 사용하는 OMP는 제시된 바 없으며, 이는 일반적인 분할된 역행렬은 계산상 낮은 효율을 초래한다고 인식되기 때문이다.On the other hand, OMP using partitioned inverse transform or partitioned inversion has not been proposed because it is recognized that general partitioned inverse results in low computational efficiency.

대한민국 특허출원 제10-2014-0111141호Republic of Korea Patent Application No. 10-2014-0111141 대한민국 특허등록 제10-1703773호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1703773 대한민국 특허등록 제10-1921095호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1921095

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본 발명은 상술한 바와 같이 압축 센싱 신호로부터 원래의 신호 x를 복구하기 위해 제안된 다양한 알고리즘들 가운데 하나인 OMP 방법을 사용하면서 기존에 OMP의 가장 중요한 문제점의 하나로 인식되는 최소자승(least squares) 과정에서의 역행렬의 획득하는 데 있어서의 계산상의 복잡성을 줄일 수 있는 새로운 방법을 ㅈ제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention uses the OMP method, which is one of various algorithms proposed to recover the original signal x from the compressed sensing signal as described above, and is a least squares process that is recognized as one of the most important problems of OMP. It aims to provide a new way to reduce the computational complexity in obtaining inverse matrix in.

본 발명은 특히 대표적 항전장비인 레이더를 운용함에 있어서 하드웨어 성능 대비 감지 성능, 해상도를 높일 수 있는, 압축 센싱의 효율성을 높일 수 있는 OMP 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide an OMP method that can increase the efficiency of compression sensing, which can increase the detection performance and resolution compared to hardware performance, especially when operating a radar, which is a representative anti-vehicle device.

본 발명은 특히 OPM 방법을 사용함에 있어서 최소자승 과정의 역행렬 계산을 할 때 계산의 복잡성을 줄일 수 있으면서 기존에 알려진 분할과 다른 행렬 분할 역행렬을 이용하는 OMP 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an OMP method that uses a matrix partitioning inverse different from the known partitioning while reducing the complexity of the calculation when performing the inverse matrix calculation of the least-squares process, particularly in using the OPM method.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이더용 압축 센싱을 위한 오엠피 방법은 레이더의 수신 신호를 압축 센싱으로 처리하고, 압축 센싱을 위한 OMP 알고리즘을 수행하는 오엠피(OMP) 방법에 있어서, 최소자승법(least square) 적용을 위한 역행렬 산출에 분할 역행렬 방법(partitioned inversion)을 사용하는 것을 특징으로 한다. In the OMP method for the compression sensing for radar of the present invention for achieving the above object, in the OMP method for processing the received signal of the radar by compression sensing, performing an OMP algorithm for compression sensing, the least square method (least square) The partitioned inversion method (partitioned inversion) is used to calculate the inverse matrix for application.

본 발명에서 분할 역행렬 방법(partitioned inversion)은, 역행렬에 대한 입력 행렬의 부분 행렬을 취하는 분할을 실시함에 있어서, 이전 단계에서 i는 정수일 때 i차 부분 행렬을 취하여 i차 역행렬 계산을 한 뒤 i+1차의 다음 단계에서는 상기 이전 단계에서 취한 i차 부분 행렬을 포함하는 i+1차 부분 행렬을 취하여 i+1차 역행렬 계산을 하면서 상기 이전 단계에서 얻은 i차 역행렬 계산의 결과를 사용하는 과정을 포함하여 이루어진다. In the present invention, the partitioned inversion method performs partitioning by taking a partial matrix of an input matrix with respect to the inverse matrix, and in the previous step, when i is an integer, the i-th inverse matrix is calculated by taking the i-th order submatrix, and then i + In the next step of the first step, the process of using the result of the i-th order inverse matrix obtained in the previous step is performed by taking an i + 1 th order matrix including the i th order partial matrix taken in the previous step and performing the i + 1 order inverse matrix. It is made including.

이런 과정은 차수를 높여가면서 반복 실행하여 모든 역행렬 부분으로 이루어진 최종 역행렬을 얻을 때까지 이루어질 수 있다. This process can be done repeatedly in ascending order until a final inverse of all the inverses is obtained.

가령, 상기 분할 역행렬 방법은 입력 행렬의 분할을 실시함에 있어서 서로 겹치지 않는 영역으로의 분할이 아닌 행렬의 좌측 상단 모서리부터 부분 행렬을 취하고, 다음 단계에서 입력 행렬의 처음 취한 부분 행렬에 행과 열을 더하는 점증적이고 겹치는 부분 행렬을 취하는 방식의 분할을 실시할 수 있다.For example, the partitioning inverse matrix method takes a partial matrix from the upper left corner of the matrix rather than splitting it into regions that do not overlap each other in partitioning the input matrix, and then adds rows and columns to the first partial matrix of the input matrix. The addition can be done in ways that take incremental and overlapping partial matrices.

이때, 차기 역행렬을 산출함에 있어서 최초 역행렬로서 이미 전 단계에서 얻어진 것을 그대로 사용하여 역행렬을 얻는 계산 시간을 절약하도록 이루어질 수 있다.In this case, in calculating the next inverse matrix, it is possible to save the calculation time for obtaining the inverse matrix by using the one obtained in the previous step as it is as the first inverse matrix.

이상의 본 발명에서는 반복 계산에 의해 역행렬을 도출하는 과정에서 역행렬에 대한 입력 행렬의 세 가지 속성, 즉 공액 대칭(conjugated symmetry), 양의 한정성(positive definiteness) 및 중복 영역(overlapped regions)을 사용하는 것을 전제로 한다. In the present invention, three properties of the input matrix with respect to the inverse matrix, that is, conjugated symmetry, positive definiteness, and overlapped regions are used in the process of deriving the inverse matrix by iterative calculation. On the premise that

본 발명에 따르면, 최소자승(least squares) 과정에서의 역행렬의 획득하는 데 있어서의 계산상의 복잡성을 줄일 수 있는 새로운 OMP 방법을 사용하여 레이더 장비 효율을 높이고 따라서 기존 레이더 장비를 이용할 때에도 레이더 해상도와 정확성 등 레이더 성능을 높이는 효과를 거둘 수 있다.According to the present invention, the radar resolution and accuracy are improved even when using the existing radar equipment by using a new OMP method that can reduce the computational complexity in obtaining the inverse matrix in the least squares process. This can increase radar performance.

본 발명에 따르면 기존의 레이더 장비 운용에서 운용을 위한 레이더 시스템 내 운용 프로그램 적용을 통해 별도의 고가 장비의 도입, 교체와 같은 비용과 시간을 들이는 요소 없이도 레이더 성능을 높일 수 있다.According to the present invention, it is possible to increase radar performance without the cost and time-consuming elements such as the introduction and replacement of additional expensive equipment through the application of the operating program in the radar system for operation in the existing radar equipment operation.

도1은 종래 기술의 선형 제한 식과 관련된 수학식 6을 만족하는 l1-norm의 비용함수의 모양들을 나타내는 도면,
도2는 도1 설명에서 언급의 선형 제한 식을 직선으로 할 때의 그래프 모양들로서, 도2(a)는 p=1, 도2(b)는 p=2, 도2(c)는 p=∞, 도2(d)는 p=1/2인 경우를 나타내는 그래프,
도3은 본 발명에서 분할 역행렬 방법 실행을 위한 입력 행렬의 부분 행렬의 단계별 해당 영역 중복 상태를 구성원소로 나타내는 표,
도4는 기존의 분할 역행렬 방법과 본 발명의 분할 역행렬 방법의 실행 단계를 비교하여 나타내는 표,
도5는 본 발명에서 이전 반복 단계로부터 얻는 역행렬을 사용하여 역행렬 계산을 간단화하는 개념을 나타내는 개념설명도,
도6은 m차 대칭행렬의 m이 증가함에 따른 종래의 방법들과 본 발명의 분할 역행렬 방법에서의 연산 단계수 총합을 비교하여 나타내는 그래프,
도7은 m차 대칭행렬 U 및 단일 서포터 시스템에 대한, 종래의 방법들과 본 발명의 분할 역행렬 방법에서의 계산 복잡성을 비교하여 나타내는 표,
도8은 본 발명의 분할 역행렬 방법을 수행하는 SOMP 구조의 일 예를 나타내는 구성 및 흐름 개념도,
도9는 본 발명의 실험에서 종래이 방법과 본 발명 방법에 따른 하드웨어 사용율을 비교하여 나타내는 표,
도10은 원래의 입력 신호를 MALTAB과 HLS로 복원한 상태를 서로 비교하여 나타내는 그래프,
도11은 38*128 측정 행렬 크기에 대한 수행도 비교표이다.
1 is a view showing shapes of a cost function of l 1-norm that satisfies Equation 6 associated with a linear constraint equation of the prior art;
Fig. 2 is graph shapes when the linear limiting equation mentioned in the description of Fig. 1 is a straight line, in which Fig. 2 (a) is p = 1, Fig. 2 (b) is p = 2, and Fig. 2 (c) is p =. 2 (d) is a graph showing the case where p = 1/2,
FIG. 3 is a table showing, as members, corresponding region overlap states of the partial matrixes of the input matrix for executing the partitioned inverse method in the present invention; FIG.
4 is a table showing comparisons between execution steps of the conventional partitioned inverse method and the partitioned inverse method of the present invention;
5 is a conceptual diagram showing a concept of simplifying inverse matrix calculation using an inverse matrix obtained from a previous iteration step in the present invention;
6 is a graph showing a comparison of the sum of the number of operation steps in the partitioned inverse method of the present invention and the conventional methods as m of the m-th symmetric matrix is increased;
FIG. 7 is a table showing the computational complexity in the partitioned inverse method of the present invention and the conventional methods for the m-th order symmetric matrix U and the single supporter system. FIG.
8 is a configuration and flow conceptual diagram illustrating an example of an SOMP structure for performing a partitioned inverse method of the present invention;
9 is a table showing a comparison of hardware utilization according to the conventional method and the method of the present invention in the experiment of the present invention,
10 is a graph showing a comparison between the restored state of the original input signal to MALTAB and HLS,
11 is a performance comparison table for the 38 * 128 measurement matrix size.

이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는 각 OMP 반복에서 역행렬에 대한 입력 행렬의 세 가지 속성, 즉 공액 대칭(conjugated symmetry), 양의 한정성(positive definiteness) 및 중복 영역(overlapped regions)을 사용한다. 이전의 OMP 반복에서 얻어진 계산 결과를 재사용함으로써 이들 특성이 계산 복잡성을 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 계산 복잡도의 비교 측면에서, 새로운 분할 역행렬 방법은 기존의 Cholesky 기반 역행렬 방법 및 유도된 방정식에 기반한 기존의 분할 역행렬 방법보다 복잡성을 개선할 수 있다.The present invention uses three properties of the input matrix for the inverse of each OMP iteration: conjugated symmetry, positive definiteness, and overlapped regions. These properties have been found to reduce computational complexity by reusing the computational results obtained from previous OMP iterations. In terms of comparison of computational complexity, the new partitioned inverse method can improve the complexity over the conventional Cholesky-based inverse method and the conventional partitioned inverse method based on the derived equations.

또한, 단일 측정 벡터 (SMV) 방법에 비해 스파스 신호 복구를 개선하기 위해 OMP 알고리즘에 다중 측정 벡터 (MMV)가 적용되는데 이를 동시적(simultaneous) OMP(SOMP)라 한다. 발명자들은 FPGA (Field-Programmable Gate Array)에서, 본 발명에서 제안된 매트릭스 역변환 방식(분할 역행렬 방법)을 사용하여 SOMP를 구현하고 실행 시간을 측정했다. 실험 결과는 기존의 분할 역행렬 방법에 비해 전체 하드웨어 사용량이 크게 감소했음을 나타내었고, 복원 혹은 재구성 시간은 27 μs로 측정되었다. In addition, multiple measurement vectors (MMV) are applied to the OMP algorithm to improve sparse signal recovery compared to the single measurement vector (SMV) method, which is called simultaneous OMP (SOMP). The inventors implemented SOMP and measured execution time in the field-programmable gate array (FPGA) using the matrix inverse transformation scheme (divisional inverse matrix method) proposed in the present invention. The experimental results show that the total hardware usage is significantly reduced compared to the conventional partitioned inverse method, and the restoration or reconstruction time was measured to 27 μs.

이하에서는 SOMP 알고리즘의 개요와 함께, 최소자승(LS) 문제에서 입력 행렬의 조건을 설명하고, 새로운 분할 역행렬 방법 및 실험 결과를 좀 더 구체적으로 설명한다.The following describes the condition of the input matrix in the least-squares (LS) problem, together with an overview of the SOMP algorithm, and describes the new partitioned inverse matrix method and experimental results in more detail.

먼저 SOMP 알고리즘을 설명하면, If we first describe the SOMP algorithm,

SOMP에서 선형 방정식은 다음 수학식 14와 같이 정의된다.In SOMP, a linear equation is defined as in Equation 14 below.

[수학식 14][Equation 14]

y = Fx ,y = Fx,

여기서 y ∈ R M ×L, F ∈ R M ×N, x ∈ R N×L이다.Where y ∈ R M × L , F ∈ R M × N , and x ∈ R N × L.

알고리즘 1에서 주어진 SOMP 프로세스는 최적화 문제 (1) 및 (2)와 최소자승(LS) 문제 (3)과 (4)로 구성된다. 이 과정에서 잔류물인 r0(i = 1)는 초기에 y로 설정된다. i 번째 반복 동안, 최적화 문제는 F의 열 중 하나를 선택한다, 이는 y의 나머지(residue)에 강하게 상관되며, 이 열의 위치 k를 검색한다. Fk는 k에 따른 열을 포함하는 부분 행렬이고, Fi는 이전의 부분 행렬(sub matrix)과 Fk를 합산하여 업데이트된다. 최소자승 문제는 새 추정치 x틸드를 위해 제공된 열(contributed column)을 제거하고 새롭게 얻는 나머지 r을 계산한다. 최종적으로 m 반복(iteration)이 달성되면, 원래 신호의 최종 추정치가 계산된다.The SOMP process given in Algorithm 1 consists of optimization problems (1) and (2) and least squares (LS) problems (3) and (4). In this process, the residue r 0 (i = 1) is initially set to y. During the i th iteration, the optimization problem selects one of the columns of F, which is strongly correlated to the residue of y and retrieves the position k of this column. F k is a partial matrix including columns according to k, and F i is updated by summing F k with the previous sub matrix. The least-squares problem removes the contributed column for the new estimate xtild and computes the new r remaining. Finally, when m iteration is achieved, the final estimate of the original signal is calculated.

이때 알고리즘 1은 입력값으로 측정 행렬 F ∈ R M ×N, 다중 측정 벡터로 y ∈ R M×L을 넣고 출력값으로 원래 신호의 추정치인 x틸드 ∈ R N×L를 얻는다. 변수는 원래 신호 x의 산재 수준(sparsity level) m과 나머지 r ∈ R M ×N이 있고, 초기값으로 r0=y, x틸드=0가 된다. i번째 반복을 위해 수식(1) k는 인덱스 넘버이고 j는 1이상 N이하의 범위에서 ki= argmaxj∥<ri-1, Fj>∥2, (2) F=[Fki -1 Fki], (3) x틸드i= argmim∥<y-Fix>∥2, (4) ri= y-Fix틸드i 을 사용하여 x의 최종 추정치를 도출하기 위해 i=m이 될때까지 과정을 반복하게 된다. In this case, Algorithm 1 inputs the measurement matrix F ∈ R M × N as the input value and y ∈ R M × L as the multiple measurement vector, and obtains the output value x tilde ∈ R N × L as an estimate of the original signal. The variable is the sparseity level m of the original signal x and the remaining r ∈ R M × N , with initial values r 0 = y and xtilde = 0. For the i th iteration, equation (1) k is the index number and j is in the range of 1 or more and N or less k i = argmaxj∥ <r i-1 , F j > ∥ 2 , (2) F = [Fk i -1 Fk i ], (3) x tilde i = argmim∥ <yF i x> ∥ 2 , (4) r i = yF i x tilde i We then repeat the process until i = m to derive the final estimate of x using.

다음으로 최소자승(LS) 문제를 설명하면,Next, describe the least-squares problem.

SOMP 알고리즘에서, 복원된 신호 x~(x틸드)는 점진적으로 입력 신호 x와 유사해지며, LS 문제에서 새로운 나머지(residue)에 대한 방정식은 다음 수학식 15와 같다.In the SOMP algorithm, the recovered signal x ~ (xtilt) gradually becomes similar to the input signal x, and the equation for the new residual in the LS problem is given by the following equation (15).

[수학식 15][Equation 15]

ri = y-y틸드 = y-Fix틸드i = y-Fi(Ui)- 1(Fi)Hyr i = x i yF = yy tilde tilde i = yF i (U i) - 1 (F i) H y

수학식 15에서, 입력 행렬 U의 역행렬의 계산 복잡도 감소가 OMP 알고리즘의 과제가 된다.In Equation 15, a reduction in the computational complexity of the inverse of the input matrix U becomes a problem of the OMP algorithm.

다음으로 최소자승 문제에서 입력 행렬의 조건을 살펴보면, Next, look at the conditions of the input matrix in the least-squares problem.

입력 행렬 U는 아래와 같이 다양한 조건을 제시한다. U 다음 수학식 16과 같이 항상 대칭이며 양의 한정성을 가져서 다음 수학식 17과 같이 표현될 수 있다.The input matrix U suggests various conditions as follows. U is always symmetrical, as shown in Equation 16 below, and may be expressed as in Equation 17 by having positive limitations.

[수학식 16][Equation 16]

UT = (FTF)T = FT(FT)T = FTF, 여기서 T는 전치행렬을 나타낸다. U T = (F T F) T = F T (F T ) T = F T F, where T represents the transpose matrix.

[수학식 17][Equation 17]

xT(FTF)x = (Fx)T(Fx) = (Fx)2 > 0, x가 0이 아니면 Fx도 0이 아니다.x T (F T F) x = (Fx) T (Fx) = (Fx) 2 > 0, Fx is not 0 unless x is zero.

수학식 17은 고유값(eigenvalue) Fx가 항상 0보다 크다는 것을 나타낸다. Equation 17 shows that the eigenvalue Fx is always greater than zero.

즉, U= FTF는 (1) U의 역행렬이 존재하고, (2) 행렬의 대각선상의 요소 Ctt는 모든 t에 대해 0보다 크고, (3) 주된 부분 행렬 또한 양의 확정성을 가진다는 3가지 특성을 따르면서 양의 한정성 조건을 만족시킨다. That is, U = F T F has (1) an inverse of U, (2) the diagonal element C tt of the matrix is greater than 0 for all t, and (3) the main submatrix also has positive determinism. Satisfies the positive confinement condition by following three characteristics.

알고리즘 1의 (2)에서 Fi에는 루프(회귀)마다 하나의 열이 더해지고 다음 입력 행렬 U가 정해진다. 루프가 진행되면 다음 Ui는 도3에서 보이는 것과 같이 이전 루프의 Ui -1을 포함한다. 예를 들어, U2는 이전의 반복에 의한 U1의 확장 행렬이며, 따라서, Ui는 이전에 얻어진 부분과 새롭게 추가된 부분으로 나누어질 수 있다. In Algorithm 1 (2), F i is added one column per loop (regression) and the next input matrix U is determined. As the loop proceeds, the next U i contains the U i- 1 of the previous loop as shown in FIG. For example, U 2 is the extension matrix of U 1 by the previous iteration, so U i can be divided into a previously obtained portion and a newly added portion.

이하에서는 앞서 살펴본 입력 행렬의 특성을 이용하여 본 발명에서 제안하는 분할 역행렬 방법을 좀 더 살펴본다. Hereinafter, a look at the partitioned inverse method proposed by the present invention using the characteristics of the input matrix described above.

먼저, 종래의 분할 역행렬 방법은 입력 행렬을 4부분으로 나누어 역행렬을 구하는 방법이다. 이 역행렬 방법은 조건수가 적기 때문에 잡음에 강하며 대칭 및 양의 한정성 (SPD) 특성에서 입력 행렬의 하위 부분을 사용하여 작동한다. 기존 방법의 역행렬에 대한 단계는 도4의 왼쪽 부분에 도시되어 있다. 그러나 단계 수가 많아 행렬 크기가 커지면 계산 횟수가 크게 늘어난다. First, the conventional inverse matrix method is a method of obtaining an inverse matrix by dividing an input matrix into four parts. Because of the low number of conditions, this inverse method is noise-resistant and works by using the lower part of the input matrix in symmetric and positive limiting (SPD) characteristics. The steps for the inverse of the conventional method are shown in the left part of FIG. However, as the number of steps increases and the matrix size increases, the number of calculations increases significantly.

이에 비해 본 발명의 분할 역행렬 방법에서는 역행렬 계산 복잡도를 줄이기 위해 앞서 살펴본 입력 행렬 특성을 이용하여 다음 수학식 18과 같은 관계식을 얻는다.On the other hand, in the partitioned inverse matrix method of the present invention, in order to reduce the complexity of calculating the inverse matrix, a relational expression as shown in Equation 18 is obtained by using the above-described input matrix property.

[수학식 18]Equation 18

A = AT → A-1 = (A- 1)T, D = DT → D-1 = (D- 1)T, B = CT A = A T → A -1 = (A - 1 ) T , D = D T → D- 1 = (D - 1 ) T , B = C T

입력 행렬로서 U는 대칭 행렬이고 입력 행렬의 구성 행렬 또는 부분 행렬(constituent matrix : A, B, C, D)이 다음의 최적화 과정에서 사용될 수학식 18을 만족시키는지 여부를 결정한다.U as the input matrix is a symmetric matrix and determines whether or not the constituent matrix (A, B, C, D) of the input matrix satisfies Equation 18 to be used in the next optimization process.

도4의 종래의 분할 역행렬 방법에서의 단계 1 은 제거될 수 있다. 즉, i번째 OMP 반복에서 Ui는 도5에서 보이듯이 Ui -1을 포함하는 4개의 부분 행렬로 분할된다. 기존의 분할 역행렬 방법과 달리 본 발명 방법의 단계에는 이전 OMP 반복에서 이미 사용되었던 역행렬 Ui -1 포함된다. 따라서 종래의 1 단계는 도5의 회색으로 도시된 (Ui-1)-1 을 사용하므로 필요하지 않게 된다. Step 1 in the conventional partitioned inverse method of Figure 4 can be eliminated. That is, in the i th OMP iteration, U i is divided into four partial matrices containing U i −1 as shown in FIG. 5. Unlike the conventional partitioned inverse method, the steps of the method include the inverse U i -1 that has already been used in the previous OMP iteration. Therefore, the conventional first step is unnecessary because it uses (U i-1 ) −1 shown in gray in FIG.

종래의 2, 3 단계는 수학식 18에 기초하여 다음과 같이 하나의 단계로 감축될 수 있다.Conventional steps 2 and 3 may be reduced to one step based on Equation 18 as follows.

[수학식 19][Equation 19]

(A-1B)T = (A- 1CT)T =C(A-1)T = CA-1 (A -1 B) T = (A - 1 C T ) T = C (A -1 ) T = CA -1

종래의 단계 7, 8도 수학식 18에 의해 아래와 같이 간략화될 수 있다. Conventional steps 7 and 8 may also be simplified by Equation 18 as follows.

[수학식 20][Equation 20]

F = A-1B(D-CA-1B)-1 F = A -1 B (D-CA -1 B) -1

[수학식 21][Equation 21]

G = (-(D-CA-1B)- 1CA- 1)T = (A- 1)T CT((D-CA-1B)-1) = -A-1B(D-CA-1B)-1 G = (- (D-CA -1 B) - 1 CA - 1) T = (A - 1) T C T ((D-CA -1 B) -1) = -A -1 B (D-CA -1 B) -1

수학식 18 - 수학식 21로부터 도2에서 보이듯이 역행렬 방법의 단계 수가 10에서 7로 감소한다.Equation 18-As shown in Fig. 2 from Equation 21, the number of steps of the inverse matrix method decreases from 10 to 7.

본 발명에서 제안된 분할 역행렬 방법을 위한 계산 복잡성을 살펴보면, Looking at the computational complexity for the partitioned inverse method proposed in the present invention,

도6은 세 가지 역행렬 방법 사이의 복잡성 비교를 보여준다. 초레스키 기반 방법 및 종래의 분할 역행렬 방법은 반복 당 크기가 증가된 행렬의 역행렬을 지속적으로 계산하는 반면, 본 발명의 역행렬 방법은 이전에 얻어진 부분의 반복 계산을 제외하고 나머지의 부분 행렬을 계산한다. 따라서 제안된 방법은 입력 행렬 크기에 따라 승산, 덧셈 / 뺄셈, 나눗셈에 대한 연산 복잡성 문제를 개선시킨다. 이때, 행렬 크기는 루프당 1 × 1에서 m × m 까지 증가할 수 있다. 개선된 복잡성을 시각화하기 위해 행렬에 따라 초레스키 기반 역행렬 방법, 기존 분할 역행렬 방법 및 제안된 분할 역행렬 방법의 행렬 크기에 따른 총 단계수를 계산 비교하기 위해 MATLAB (2013b, The MathWorks, Natick, MA, USA) 시뮬레이션을 실행하여 도6의 그래프와 같은 결과를 얻었다. 도6에서 m은 행렬의 크기 ( m × m )를 표시한다. 6 shows a comparison of the complexity between the three inverse matrix methods. The choresky-based method and the conventional partitioned inverse method continuously calculate the inverse of the matrix with increased size per iteration, whereas the inverse matrix method of the present invention calculates the remaining partial matrix except for the iterative calculation of the previously obtained part. . Therefore, the proposed method improves the computational complexity problems of multiplication, addition / subtraction, and division according to the input matrix size. In this case, the matrix size may increase from 1 × 1 to m × m per loop. To visualize the improved complexity, MATLAB (2013b, The MathWorks, Natick, MA, 2007), to calculate and compare the total number of steps according to the matrix size of the choresky-based inverse matrix method, the existing partitioned inverse method, and the proposed partitioned inverse method, USA) simulation was performed to obtain the same results as the graph of FIG. In FIG. 6, m denotes the size (m × m) of the matrix.

다중 서포트 시스템(Supporter System)을 위한 분할 역행렬에 대해 살펴보면, 도7의 표와 같은 계산 복잡도 기능은 원래 단일 서포터 시스템에만 적용된다. 그러나 본 발명의 역행렬 방법은 다중 서포터 시스템에서도 사용될 수 있으며, 도7의 복잡도 방정식은 단일 시스템에서 다중 시스템으로 변함에 따라 곱셈 연산, 덧셈 뺄셈 연산, 나눗셈 연산에 대해 각각 다음의 수학식 22 내지 수학식 24와 같이 변한다. Looking at the partitioning inverse for a multi-support system, the computational complexity features as shown in the table of FIG. 7 apply only to a single supporter system. However, the inverse matrix method of the present invention can be used in a multi-support system, and the complexity equation of FIG. 7 changes from the single system to the multiple system, and thus the following Equations 22 to 8 are applied to the multiplication operation, the addition subtraction operation, and the division operation. Changes to 24

[수학식 22][Equation 22]

(2m2-1)n - 2mn2 + n3 (2m 2 -1) n-2mn 2 + n 3

[수학식 23][Equation 23]

(2m2-2m+1)n - 2mn2 + n3 (2m 2 -2m + 1) n-2mn 2 + n 3

[수학식 24][Equation 24]

nn

여기서 n 은 서포터의 번호이며 n이 클수록 계산 복잡도는 커지지만 본 발명에서 제안된 역행렬 방법은 다중 서포터 시스템에 적용될 수 있다.In this case, n is the number of the supporters, and as n increases, the computational complexity increases, but the inverse matrix method proposed in the present invention can be applied to a multi-support system.

분할 역행렬 방법을 수반한 SOMP 구조를 알아보면, 여기서 분할된 역행렬 방법을 갖는 SOMP 구조는 도8과 같이 구성된다. 도8에 따르면, 상관관계 매칭 블록 (CRMB)은 측정 행렬 F의 가장 연관된 열 혹은 컬럼의 위치 k를 찾고, Fi는 이전의 반복에서 F 메모리 블럭에 의해 저장된 Fi -1과 Fki의 합산에 의해 업데이트 된다. U블럭(GUB) 생성은 k에 대응하는 측정 행렬의 행을 구분하고, 내적(inner product)에 의해 행렬 U를 발생시킨다. 행렬 U의 역행렬은 U-1 메모리 블럭에 저장된 U블럭 역변환(IUB)에 의해 생성되고, 이 메모리는 전단계에서 계산된 U의 역행렬을 제공한다. 따라서 IUB는 이전에 계산된 역행렬을 사용하여 계산상의 복잡성을 줄일 수 있다. 최소자승 블록 (LSB)은 x틸드(원래 신호 x의 추정치)를 계산하며, 잔여부(residual) ri는 레지듀얼 블럭(RB)에 의해 생성된다. 마지막으로, 최종 추정치 신호는 m 반복에서 시스템에 의해 얻어진다. Referring to the SOMP structure involving the partitioned inverse method, the SOMP structure with the partitioned inverse method is configured as shown in FIG. Referring to Figure 8, the correlation matching block (CRMB) is looking at the position k of the associated column or columns of the measurement matrix F, F i is the summation of in the previous iteration stored by the memory block F i -1 and F i Fk Is updated by U block (GUB) generation separates the rows of the measurement matrix corresponding to k and generates the matrix U by the inner product. The inverse of matrix U is generated by a U block inverse transform (IUB) stored in a U- 1 memory block, which provides the inverse of U calculated in the previous step. Thus, IUBs can reduce computational complexity by using previously computed inverse matrices. The least-squares block (LSB) calculates x-tilde (an estimate of the original signal x), and the residual r i is generated by the residual block (RB). Finally, the final estimate signal is obtained by the system at m iterations.

앞서 잠시 실험에 대해 좀 더 살펴보면, 본 발명의 효과 실험에서 FPGA(field programable gate array) 구현 접근법을 사용하였다.Looking at the experiment for a while, we used a field programmable gate array (FPGA) implementation approach in the effect experiment of the present invention.

실험장비로 자일링스 킨텍스 울트라스케일(Xilinx Kintex UltraScale) 보드와 XCKU115-FLVA2104-2-I 칩셋을 사용하여 제안된 역행렬과 전체 SOMP 알고리즘의 작동을 확인하였다. 보드는 많은 수의 디지털 신호 처리(DSP) 슬라이스를 가지고 있기 때문에 큰 알고리즘의 설계에 유리하다. As a test equipment, we verified the operation of the proposed inverse matrix and the entire SOMP algorithm using the Xilinx Kintex UltraScale board and the XCKU115-FLVA2104-2-I chipset. The board has a large number of digital signal processing (DSP) slices, which is advantageous for the design of large algorithms.

FPGA 디자인을 위해 자일링스에서 제공하는 고수준 합성(HLS) 툴은 (1) 임의 정밀도로 데이터 유형, 수학, IP, 선형 대수학 및 기타 라이브러리 처리가 가능하고, (2) 제공되는 공동 시뮬레이션으로 인하여 레지스터 전송 레벨 (RTL) 자동 추출이 되고 저항 트랜지스터 논리회로(RTL) 확인이 쉽다는 이점이 있고, (3) C 합성은 클럭, 영역 및 I / O 포트 설명과 같은 설계 자원을 제공하므로 사용자는 의도에 따라 설계를 쉽게 변경할 수 있고, (4) 시스템 생성기와 같은 다른 설계 도구에서 IP 모듈의 사용을 용이하게 하기 때문에 하드웨어 지식이 거의 없어도 고성능 하드웨어 설계가 이루어질 수 있다. Xilinx's High Level Synthesis (HLS) tools for FPGA design allow (1) data types, math, IP, linear algebra and other library processing with arbitrary precision, and (2) register transfer levels due to the co-simulation provided. (RTL) automatic extraction and easy identification of resistor transistor logic circuits (RTL), and (3) C synthesis provides design resources such as clock, region, and I / O port descriptions. Can be easily changed, and (4) facilitates the use of IP modules in other design tools such as system generators, enabling high-performance hardware design with little hardware knowledge.

이러한 장점을 활용하여 C / C ++ 코드를 베리로그(Verilog)와 같은 하드웨어 설명 언어 (HDL)로 변환하고, 장치는 16 비트 및 32 비트 고정 소수점 복합 연산을 기반으로 하였다. 대부분의 계산은 16 비트로 수행되었지만 분할된 반전 프로세스는 32 비트를 사용하였다. 이는 분할 연산에 더 정확한 계산이 필요하기 때문이다.Taking advantage of these advantages, the C / C ++ code is converted to a hardware description language (HDL) such as Verilog, and the device is based on 16-bit and 32-bit fixed-point complex operations. Most of the calculations were done with 16 bits, but the split reversal process used 32 bits. This is because the partitioning operation requires a more accurate calculation.

실험에 사용된 매개 변수를 보면, 물리 채널의 수는 4개이며, 측정 행렬(M × N)의 치수는 각각 32와 128로 하였다. 채널 재사용 인자 8, 샘플링 주파수가 250 ㎒에서, 니퀴스트(Nyquist) 대역폭은 4기가헤르쯔, MMV 확장 16, FP는 31.25 메가 헤르츠이며, FFT 포인트는 128이다.In terms of the parameters used in the experiment, the number of physical channels was four, and the measurement matrices (M × N) were 32 and 128, respectively. At channel reuse factor 8, sampling frequency of 250 MHz, Nyquist bandwidth is 4 gigahertz, MMV extension 16, F P is 31.25 megahertz, and FFT point is 128.

FPGA 구현의 추가 최적화를 위해 SOMP 알고리즘에서는 큰 매트릭스 내부 생성물이 필요하다. 코드에서 행렬 내적(inner product)를 표현하기 위해 루프로서 3개가 필요하다. 실시간 신호 재구성 혹은 복원을 수행하기 위해 루프로서 두 번째에 파이프 라인을 적용한다. 비록 루프로서 가장 내측의 수에 비례하여 DSP의 수가 증가하지만 계산은 병렬이 될 수 있기 때문에 대기 시간이 크게 줄어들게 된다.For further optimization of FPGA implementations, SOMP algorithms require large matrix internals. You need three as loops to represent the inner product of your code. We apply the pipeline second as a loop to perform real-time signal reconstruction or reconstruction. Although the number of DSPs increases in proportion to the innermost number as a loop, the latency can be greatly reduced because the calculations can be parallel.

내부에서 발생하는 대부분의 연산은 복잡한 유형이므로 연산 복잡성이 증가한다. 분할된 역행렬 방법 구현 장치에서 복잡한 나눗셈이 필요하더라도, 분모는 항상 양의 실수이므로 두 개의 실제 구획으로 대체될 수 있다.Most of the operations that occur internally are complex types, which increases the complexity of the operations. Even if complex division is required in the implementation of the partitioned inverse method, the denominator is always a positive real number and can therefore be replaced by two actual partitions.

SOMP 하드웨어 사용률과 관련하여 보면, 다양한 구성 요소가 SOMP 알고리즘의 하드웨어 구현에 필요하다. 블록 램(BRAM)은 벡터와 행렬을 효과적으로 저장한다. 이때 측정 벡터는 y, 측정 행렬은 F, 나머지는 r이다. DSP는 FPGA에 사전 제작된 MAC(multiply-accumulate) 회로이며, 곱셈 및 더하기 / 빼기 연산을 신속하게 수행하기 때문에 필수 하드웨어다. 플립 플롭 (FF)은 로직을 동기화하는 데 사용되는 시프트 레지스터이다. 도9의 표에서 볼 수 있듯이 본 발명의 분할 역행렬 방법에 대한 전체 하드웨어 사용률은 기존의 분할 역행렬 방법과 비교하여 줄어든다. In terms of SOMP hardware utilization, various components are required for the hardware implementation of the SOMP algorithm. Block RAM effectively stores vectors and matrices. In this case, the measurement vector is y, the measurement matrix is F, and the rest are r. DSPs are multiply-accumulate (MAC) circuits prefabricated in FPGAs and are essential hardware because they quickly perform multiplication and add / subtract operations. Flip flop (FF) is a shift register used to synchronize logic. As can be seen from the table of Figure 9, the overall hardware utilization for the partitioned inverse method of the present invention is reduced compared to the conventional partitioned inverse method.

그러나 본 발명의 역행렬 방법에 대한 BRAM 사용만 종래의 방법에 비해 증가된다. 이는 U행렬 및 이전 단계의 U행렬이 동시에 저장되어야 하기 때문이다.However, only the use of BRAM for the inverse matrix method of the present invention is increased compared to the conventional method. This is because the U matrix and the U matrix of the previous step must be stored at the same time.

신호 복원과 관련하여, MATLAB 시뮬레이션과 HLS를 수행하여 입력 스펄스 신호로부터 복구된 신호를 검증하고 데이터 정밀도가 16(0.12)에서 32(0.24) 비트로 변환되며 여기서 정밀도(p)와 부분 비트(factional bits)(f)를 가지고 데이터 형식 p(.f)을 정의한다. 도10(a)는 랜덤 캐리어 신호로 혼합된 입력 스펄스 신호를 나타낸다. 신호는 각각 도10(b), 도10(c)와 같이 시뮬레이션과 HLS로 훌륭하게 재구성 혹은 복원된다. Regarding signal recovery, perform MATLAB simulations and HLS to verify the recovered signal from the input pulse signal, and the data precision is converted from 16 (0.12) to 32 (0.24) bits, where precision (p) and partial bits (factional bits) (f) is used to define the data type p (.f). Fig. 10A shows an input pulse signal mixed with a random carrier signal. The signals are well reconstructed or reconstructed by simulation and HLS as shown in Figs. 10 (b) and 10 (c), respectively.

실험에서 객관적인 평가를 위해 피크 신호대 잡음비(PSNR)를 얻었으며 PSNR은 다음 수학식 25 및 수학식 26에 의해 나타내어 질 수 있다.In the experiment, the peak signal-to-noise ratio (PSNR) was obtained for objective evaluation, and the PSNR can be represented by the following equations (25) and (26).

[수학식 25][Equation 25]

PSNR = 20log10(MAX/√MSE)PSNR = 20log 10 (MAX / √MSE)

[수학식 26] [Equation 26]

MSE = 1/N× Σ[xi - x~i]2 MSE = 1 / N × Σ [x i -x ~ i ] 2

여기서 MAX는 신호 x 의 가능한 최대값, N은 총 샘플 갯수, x~i(x틸드i)는 재구성된 i번째 신호에서의 샘플값, xi는 i번째 원래 신호의 샘플값이다.Where MAX is the maximum possible value of signal x, N is the total number of samples, x to i (x til i ) are the sample values of the reconstructed i-th signal, and x i is the sample value of the i-th original signal.

SOMP 구조의 PSNR은 16비트 및 32비트 데이터 정밀도에 대해 30.26 dB로 결정되었다.The PSNR of the SOMP structure was determined to be 30.26 dB for 16-bit and 32-bit data precision.

도11의 표는 기존 스펄스 신호 복구 알고리즘 장치의 성능을 비교한 것이다. 표에 따르면 다른 연구들의 역행렬 방법보다는 OMP 알고리즘에 초점을 맞추었지만, 본 발명의 역행렬 방법을 강조하기 위해 객관적인 비교가 필요하다. 이러한 이유로 서로 다른 반전 방법 (즉, QR 분해 기반 및 코레스키 기반 역행렬 방법)을 적용하면서 동일한 측정 매트릭스 크기 (32x128)의 용지를 선택하였다. 표의 다른 연구보다 더 높은 클럭 주파수를 사용하지만, 본 발명의 방법에 의한 복원 시간은 종래의 실험 결과를 나타내는 다른 문헌 자료(비특허자료 7, 12, 13)보다 더 큰 산재성을 가질 때 충분히 빠른 것을 볼 수 있다. The table in FIG. 11 compares the performance of the conventional pulse signal recovery algorithm apparatus. The table focuses on the OMP algorithm rather than the inverse method of other studies, but an objective comparison is needed to emphasize the inverse method of the present invention. For this reason, papers of the same measurement matrix size (32 × 128) were selected while applying different inversion methods (ie, QR decomposition based and Coreski based inverse method). Although higher clock frequencies are used than other studies in the table, the restoration time by the method of the present invention is fast enough when it has greater scattering than other literature data (Non-Patent Documents 7, 12, 13) showing the results of conventional experiments. You can see that.

결론적으로, SOMP 알고리즘은 일반적으로 내부 문제가 매우 크기 때문에 LS 문제에 대해 높은 계산 복잡성을 초래한다. 또한 SMV 모델은 이러한 복잡성을 증가시킨다. 복잡성을 줄이기 위해 MMV 모델을 위한 SOMP 알고리즘을 제안하되 이전 루프에서 입력 행렬의 역행렬에 대한 재계산을 생략할 수 있는 새로운 분할 역행렬 방법을 적용하였다. 본 발명의 역행렬 방법은 기존의 분할 역행렬 기법에 비해 하드웨어적으로 작은 사용량으로 신호를 복원한다. 자일링스 킨텍스 울트라스케일 보드와 HLS를 사용하여 높은 PSNR로 신호 복원을 검증하였고 원래 신호의 복원 시간을 단축하였다. 따라서, 종래의 분할 역행렬 및 코레스키 기반의 분할과 비교하여, 더 적은 하드에어 사용으로 레이더와 같은 고레벨 복원을 요하는 응용분야에 더욱 적절히 사용될 수 있다.In conclusion, the SOMP algorithm generally results in high computational complexity for the LS problem because the internal problem is very large. The SMV model also increases this complexity. In order to reduce the complexity, we propose a new SOMP algorithm for the MMV model, but apply a new partitioned inverse method that eliminates the recalculation of the inverse of the input matrix in the previous loop. The inverse matrix method of the present invention restores a signal with a small amount of hardware in comparison with the conventional inverse partition scheme. Using a Xilinx Kintex Ultrascale board and HLS, the signal recovery was verified with high PSNR and the original signal recovery time was reduced. Thus, compared to the conventional partitioning inverse and Coreski-based partitioning, it can be used more appropriately for applications requiring high level restoration such as radar with less hard air usage.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. The present invention has been described above by way of limited embodiments, which are only illustratively described to help understanding of the present invention, and the present invention is not limited to these specific embodiments.

따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Therefore, one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains may make various modifications or applications based on the present invention, and such modifications and applications belong to the appended claims.

Claims (3)

삭제delete 레이더의 수신 신호를 압축 센싱으로 처리하고, 압축 센싱을 위한 OMP 알고리즘을 수행하는 오엠피(OMP) 방법에 있어서,
최소자승법(least square) 적용을 위한 역행렬 산출에 분할 역행렬 방법(partitioned inversion)을 사용하고,
상기 분할 역행렬 방법(partitioned inversion)은, 역행렬에 대한 입력 행렬의 부분 행렬을 취하는 분할을 실시함에 있어서, 이전 단계에서 i는 정수일 때 i차 부분 행렬을 취하여 i차 역행렬 계산을 한 뒤 i+1차의 다음 단계에서는 상기 이전 단계에서 취한 i차 부분 행렬을 포함하는 i+1차 부분 행렬을 취하여 i+1차 역행렬 계산을 하면서 상기 이전 단계에서 얻은 i차 역행렬 계산의 결과를 사용하는 과정을 포함하고,
상기 과정을 차수를 높여가면서 반복 실행하여 모든 역행렬 부분으로 이루어진 최종 역행렬을 얻는 것을 특징으로 하는 레이더용 압축 센싱을 위한 오엠피 방법.
In the OMP method of processing the received signal of the radar by compression sensing, performing an OMP algorithm for compression sensing,
Use the partitioned inversion method to calculate the inverse for least squares,
In the partitioned inversion method, when performing a partition taking a partial matrix of an input matrix with respect to an inverse matrix, i + 1th order is calculated by taking an i-th order sub-matrix when i is an integer and performing i-th order inverse matrix. The next step of the step includes taking the i + first order matrix containing the i order sub-matrix taken in the previous step and using the result of the i-order inverse matrix obtained in the previous step while calculating the i + 1 order inverse matrix ,
Repeating the process while increasing the order to obtain the final inverse matrix consisting of all inverse matrix parts OMP method for radar compression sensing.
제 2 항에 있어서,
상기 OMP 방법은, 기본 선형 방정식이 y = Fx , y ∈ R M×L, F ∈ R M×N, x ∈ R N×L로 주어질 때,
입력값으로 측정 행렬 F ∈ R M×N, 다중 측정 벡터로 y ∈ R M×L을 넣고 출력값으로 원래 신호의 추정치인 x틸드 ∈ R N×L를 얻으며,
변수는 원래 신호 x의 산재 수준(sparsity level) m과 나머지 r ∈ R M×N이 고, 초기값으로 r0=y, x틸드=0으로 설정되고,
i번째 반복을 위해 (1) k는 인덱스 넘버이고 j는 1이상 N이하의 범위에서 ki= argmaxj∥<ri-1, Fj>∥2, (2) F=[Fki-1 Fki], (3) x틸드i= argmim∥<y-Fix>∥2, (4) ri= y-Fix틸드i 을 사용하여 x의 최종 추정치를 도출하기 위해 i=m이 될때까지 과정을 반복하는
SOMP 프로세스를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이더용 압축 센싱을 위한 오엠피 방법.
The method of claim 2,
The OMP method, when the basic linear equation is given by y = Fx, y ∈ R M × L , F ∈ R M × N , x ∈ R N × L ,
Input the measurement matrix F ∈ R M × N as the input value and y ∈ R M × L as the multiple measurement vector, and obtain the output x x til ∈ R N × L as an estimate of the original signal.
The variable is the spacing level m of the original signal x and the remaining r ∈ R M × N , initially set to r 0 = y, xtilde = 0,
For the i-th iteration, (1) k is the index number and j is in the range of 1 or more and N or less. k i = argmaxj∥ <r i-1 , F j > ∥ 2 , (2) F = [Fk i-1 Fk i ], (3) x tilde i = argmim∥ <yF i x> ∥ 2 , (4) r i = yF i Use x tilde i to proceed the process until i = m to derive the final estimate of x. Repeating
OMP method for compression sensing for radar comprising a SOMP process.
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