KR102108771B1 - 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법 및 이를 이용한 우천 감지 시스템 - Google Patents

레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법 및 이를 이용한 우천 감지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법은 FMCW 레이더 수신기의 거리별 신호 변화를 측정하는 단계와, FMCW 레이더 수신기의 수신 강도 변화율을 산정하는 단계와, FMCW 레이더 수신기의 거리별 신호 변화와 FMCW 레이더 수신기의 수신 강도 변화율을 기초로 우천 여부를 판단하는 방법을 특징으로 하는 것이다.

Description

레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법 및 이를 이용한 우천 감지 시스템{Rain Sensing Method by Using Radar Invader Sensor anc System thereof}
본 발명은 감시 구역의 침입자를 탐지하기 위하여 설치된 레이더 침임 감지기를 이용하여 우천 여부를 감지하는 것에 관한 것이다. 즉, 일정 감시 구역의 침입자를 감지하기 위하여 설치된 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더 감지기를 이용하여 우천 여부를 판단하는 것에 관한 것이다.
본 발명과 관련된 종래의 기술은 대한민국 등록특허 제10-0880248호(2009. 1. 28. 공고)에 개시되어 있는 것이다. 도 1은 상기 종래의 빗방울 감지 개념도 이다. 상기도 1에서 종래의 빗방울 감지는 송신기(11)에서 생성된 신호에 따라 광원(5)이 신호광을 송출하는데, 상기 송신기(11)는 10kHz ~ 100kHz 대의 구형파를 발진하는 발진기(13)와 발진신호에 따라 적외선 엘이디 광원(5)을 광 변조시키는 변조기(14)로 구성되고, 수신기(9)는 수광소자(6)에서 광전변환된 전기신호를 증폭하는 증폭기(15)와, 발진기(13)의 발진주파수와 동일한 주파수 성분만을 걸러내는 대역통과필터(16)로 구성된다. 상기 발진기(13)는 10kHz ~ 100kHz 대의 정현파를 발진하고 이 발진신호에 따라 변조기(14)는 엘이디(5)를 광변조시킨다. 이렇게 생성된 신호광은 자동차 전면 유리창(2)에 떨어진 빗방울(8)에서 반사되어 수광소자(6)에 수신된다. 수광소자에서 광전변환된 전기신호는 증폭기(15)에서 증폭된 후 대역통과필터(16)에서 당초 발진기(13)의 발진주파수와 동일한 주파수 성분만을 걸러내게 된다. 이렇게 생성된 신호광의 크기는 마이컴(10)에서 미리 입력된 대조표(Look-up Table)에 따라 적합한 자동차 유리창 와이퍼의 작동빈도를 결정하고 이를 출력(12)함으로써, 와이퍼를 강우량에 대응하여 작동시키게 되는 것이다.
상기와 같이 구성된 종래의 빗방울 감지 방법은 빗방울을 감지할 수 있으나 차량의 유리창에 있는 빗물을 감지하는 것이다. 또한, 상기와 같이 구성된 종래 기술은 빗방울을 감지하고자 변조기, 발진기, 증폭기와 같은 별도의 장치를 구성하여야 하는 문제가 있는 것이다. 따라서 본 발명의 목적은 기존 다수 설치되어 있는 FMCW 레이더 감지기를 이용하여 우천을 감지하는 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 침입자 감지와 우천 감지를 기술적으로 판단하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 가진 본 발명 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법은 FMCW 레이더 수신기의 거리별 신호 변화를 측정하는 단계와, FMCW 레이더 수신기의 수신 강도 변화율을 산정하는 단계와, FMCW 레이더 수신기의 거리별 신호 변화와 FMCW 레이더 수신기의 수신 강도 변화율을 기초로 우천 여부를 판단하는 방법을 특징으로 하는 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법 및 이를 이용한 우천 감지 시스템은 별도의 우천 감지 시스템 없이 기존 침입자 감지 시스템을 이용하여 우천을 감지할 수 있는 효과가 있는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 효과는 침입자 감지 시스템을 이용함으로 설치비를 절약할 수 있는 효과가 있으며, 이를 이용하여 차량의 와이퍼 작동 및 헤드라이트 작동 등을 자동으로 수행할 수 있는 효과가 있는 것이다.
도 1은 종래의 빗방울 감지 개념도,
도 2는 본 발명에 적용되는 FMCW 레이더 수신기 구성도,
도 3은 본 발명에 적용되는 FMCW 레이더 수신기의 침입자 발생시 및 우천 시 수신 신호 SNR,
도 4는 본 발명에 적용되는 FMCW 레이더 감지기의 신호 상태도,
도 5는 본 발명에 적용되는 2차원 메모리 맵 구성도,
도 6은 본 발명에 적용되는 FMCW 레이더 수신기의 수신 신호의 SNR을 메모리 맵을 이용하여 나타낸 3차원 그래프,
도 7은 본 발명에 적용되는 FMCW 레이더의 사람이 침입한 경우의 SNR 그래프,
도 8은 본 발명 FMCW 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법 제어흐름도,
도 9는 본 발명 FMCW 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 시스템 구성도이다.
상기와 같은 목적을 가진 본 발명 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법 및 이를 이용한 우천 감지 시스템을 도 2 내지 도 9를 기초로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 적용되는 FMCW 레이더 수신기 구성도이다. 상기도 2에서 본 발명에 적용되는 FMCW 레이더 감지기의 경우 수신되는 신호의 주파수 별 SNR(Signal to Noise Ratio)의 변화를 분석한 후 급격한 SNR의 변환가 있을 경우 침입으로 판단하여 알람을 발보하는 것이다. 그러나 우천 시에는 빗방울에 의한 전파의 산란으로 인해 잡음 성분이 증가하게 되는 특징이 있는 것이다. 따라서 FMCW 레이더 수신기의 수신 신호에 의한 SNR의 크기 변화가 침입자의 침입인지 아니면 비에 의한 SNR 변화인지 판단할 수 있게 되는 것이다. 따라서 상기와 같이 SNR 크기 변화를 판단하기 위한 FMCW 레이더의 수신기는 침입 감시 구역에서 반사된 초고주파 신호를 수신하는 수신부(170)와, 수신부의 수신 신호와 송신부의 송신 신호를 합성하고 변조하여 수 Hz ~ 수 MHz 사이의 저주파수 대역으로 Down Converting 하는 주파수 변환기(110)와, 주파수 변환기에서 변환된 저주파 신호를 이산 신호로 변환하여 추출하기 위한 FFT(Fast Fourier Transform, 120)와, 이산 신호에서 고주파 성분의 노이즈를 제거하고 고주파 성분의 노이즈가 제거된 이산 신호를 DSP로 전송하는 LPF(Low Pass Filter, 130) 및 이산 신호를 수신하고 수신된 신호신호의 주파수 성분을 추출하고 거리별 신호 변화를 측정하고 수신 신호의 강도 변화율을 산정하며 상기 거리별 신호 변화와 강도 변화율을 기초로 우천 여부를 판단하는 DSP(Digital Signal Processing, 140)로 구성된 것을 특징으로 하는 것이다.
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도 3은 본 발명에 적용되는 FMCW 레이더 감지기의 신호 상태도 이다. 상기도 3에서 본 발명에 적용되는 FMCW 레이더 감지기는 레이더 송신기에서 전송된 송신 신호가 반사체에 반사되면 반사 신호가 수신되는데 수신 신호의 주파수는 변환하고 송신 주파수와 수신 주파수와의 차이는 반사체와의 거리에 따라 달라지며 이를 비트 주파수라 정의할 수 있는 것으로 수신 주파수별 신호의 변화를 판단하기 위하여는 수신 신호의 SNR 변화를 파악하는 것과 신호 강도의 변화율을 파악하여야 하는 것이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 FMCW 레이더 수신기의 침입자 발생시 수신 신호 SNR 이다. 상기도 4에서 FMCW 레이더 감지기가 설치된 감시 구역에서 침입자가 존재하는 경우의 SNR의 변화는 침입이 있는 거리(주파수)에서 SNR이 변화하는 특징이 있으며, 반면에 우천에 의한 SNR 변화는 거의 모든 주파수 대역 즉 거의 모든 거리에서 SNR 변화가 나타나지만 시간 연관성 없이 불특정하게 SNR 변화가 나타나며 변화 크기가 상대적으로 작은 특징이 있는 것이다. 따라서 SNR이 임계 값 이상으로 변화할 경우 침입 또는 우천에 의한 것인지 판단이 필요하며 임계 값 이상의 SNR 변화가 있는 시점에 거리별 SNR 변화와 시간에 따른 강도 변화를 분석하면 우천 여부를 판단할 수 있는 것이다.
우천 여부를 판단하기 위한,
1. 거리별 신호 변화를 측정하는 방법은 FMCW 방식에서는 전파를 연속적으로 주파수 변조하여 송신 후 수신되는 신호 주파수와의 차이를 이용하여 거리에 따른 Offset주파수를 추출하게 되고 이때 최종적인 Offset 주파수를 Beat 주파수라 하며 상기 비트 주파수는 목적물의 거리에 따라 달라지는 것으로 아래 식 1에 의하여 구할 수 있는 것이다.
Figure 112018050940416-pat00001
여기서 fb : 비트 주파수, Bsweep : 대역폭(Band Width),
Ts : 반복 주기, C : 빛의 속도,
R : 목적물과의 거리
또한, FMCW 레이더 수신기의 수신 주파수별 신호의 변화를 알기 위하여는 수신신호의 SNR을 구하여야 하는 것이다. 상기 수신 신호의 SNR은 잡음과 수신 신호의 크기 비율을 나타내는 것으로 잡음을 어떻게 설정하는냐에 따라서 SNR 크기가 달라지는 것이다. 종래에는 FMCW 레이더에서 SNR을 구하기 위한 잡음은 현 시점 기준 5~10 time 까지의 신호의 평균 또는 중간 값을 잡음으로 결정하였다. 그러나 이러한 경우 대공(아무것도 없는 공간 즉 전파가 거의 없는 공간)에서 사용하는 경우는 무방하나 지표 근처에 설치되는 FMCW 레이더 또는 차량에 적용되는 FMCW 레이더의 경우 대공보다 매우 많은 잡음 신호가 수신되므로 본 발명에 적용되는 침입 감지용 FMCW 레이더에서는 최초 레이더 설치시의 잡음 신호(Fs)와 현 시점 잡음 신호(Fc)의 곱셈으로 노이즈를 정의하고 또한, 주기적으로 최초 레이더 설치시의 잡음신호(Fs)를 갱신하면서 시간의 흐름에 따라 변화하는 환경에 적응하도록 하였다.
2. 수신 신호의 강도 변화율을 알기 위한 방법은 기존의 다른 FMCW와 달리 기준 신호의 Max와 Min 값을 이용하여 변화율을 판단하는 것이다. 즉 종래 FMCW에서 SNR을 정의하는 것과 같이 이전 신호의 평균과 현 신호의 비율을 SNR로 정의하는 것이 아니고 기존 신호의 일정 주기 동안의 Max 값과 Min 값을 추출하여 현시점 신호와 비교하는 것이다. 즉 비율을 구하기 전에 우선 추출된 Max와 MIn 값을 비교하는 것으로 Max 보다 큰 것과 Min 보다 작은 것만의 비율을 구하는 것이다.
Figure 112018050940416-pat00002
즉 상기와 같은 알고리즘으로 수신 신호의 SNR을 구할 경우 급격한 변화가 있는 신호를 수신할 경우에만 나눗셈 연산을 하기 때문에 기존의 FMCW 레이더보다 빠르고 효율적으로 SNR을 구할 수 있으며 급격한 변화율을 보이는 신호만 추출할 수 있는 효과가 있는 것이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 2차원 메모리 맵 구성도이다. 상기도 5에서 본 발명에서 우천 여부를 판단하기 위하여는 시간(Frame)과 주파수의 2차원 메모리 맵을 이용할 수 있는 것임을 나타내고 있는 것이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 FMCW 레이더 수신기의 수신 신호의 SNR을 메모리 맵을 이용하여 나타낸 3차원 그래프이다. 상기도 6에서 우천 시의 수신 신호의 SNR을 구한 후 메모리 맵을 이용하여 3차원을 나타내면 그 특징을 판단할 수 있는 것으로 시간/주파수별 SNR을 분석하면 그 특징은 1. FMCW 레이더 수신기의 수신 신호의 SNR 변화가 주파수(거리)에 연속되지 않는다. 2. 수신 신호의 SNR 변화가 동일 주파수에서 연속되지 않는다. 3. 수신 신호의 SNR 크기가 3 이상 되지 않는 것으로 이상 3가지 신호 변화를 충족하면 우천으로 판단할 수 있는 것이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 FMCW 레이더의 사람이 침입한 경우의 SNR 그래프이다. 상기도 7에서 FMCW 레이더를 이용하여 사람이 침입하였을 때의 수신 신호의 SNR을 메모리 맵을 이용하여 나타내면 최고 SNR 이상이( SNR의 크기가 3이상이 ) 최소 3개 주파수 대역에서 연속되며 3Frame ~ 5Frame 동안 연속되는 특징이 있는 것으로 이때 시간은 침입자의 속도에 따라 달라질 수 있는 것이다.
도 8은 본 발명 FMCW 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법 제어흐름도이다. 상기도 8에서 본 발명 FMCW 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법은 FMCW 레이더 수신기의 거리별 신호 변화를 측정하는 단계(S11)와, FMCW 레이더 수신기의 수신 강도 변화율을 기초로 수신신호의 SNR 변화율을 산정하는 단계(S12)와, FMCW 레이더 수신기의 거리별 신호 변화와 FMCW 레이더 수신기의 수신 강도 변화율을 기초로 한 수신신호 SNR 변화율을 기초로 우천 여부를 판단하는 단계(S13)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다. 또한, 상기 S11 단계는 FMCW 레이더의 수신기 수신 신호의 비트 주파수를 산정하는 단계(S21)와, 비트 주파수를 기초로 수신 신호의 SNR 변화를 구하는 단계(S22)로 이루어지는 것이다. 상기에서 수신 신호의 SNR을 구하기 위한 잡음 신호(Noise)는 최초 레이더 설치 시의 잡음신호(Fs)와 현 시점 잡음신호(Fc)와의 곱셈으로 노이즈(Noise)를 정의하는 것을 특징으로 하는 것이고 주기적으로 최초 레이더 설치 시의 잡음 신호(Fs)를 갱신하여 시간의 흐름에 따라 변화하는 환경에 적응하도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다. 또한, 상기 S12 단계는 Fmax(이전 신호의 일정 주기 동안의 수신기 출력신호의 신호 크기 최대값)가 Fc(현 시점 수신기 출력신호의 기준 신호 크기)보다 작은지 판단하는 단계(S31)와, Fmax가 Fc보다 작은 경우 SNR= Fc/Fmax로 계산하는 단계(S32)와, Fmax가 Fc보다 작지 않으면 Fmin(이전 신호의 일정 주기 동안의 수신기 출력신호의 신호 크기 최소 값)가 Fc보다 큰지 여부를 판단하는 단계(S33)와, Fmin가 Fc보다 크면 SNR=Fc/Fmin으로 계산하는 단계(S34)와, Fmin이 Fc보다 작으면 SNR=1로 계산하는 단계(S35)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다. 또한, 상기 S13 단계는 시간(Frame)과 주파수에 의한 2차원 메모리 맵을 형성하는 단계(S41)와, 상기 메모리 맵을 이용하여 수신 신호의 SNR을 3차원으로 그래핑하는 단계(S42)와, 수신 신호의 SNR의 변화가 주파수(거리)에 연속되지 않고, SNR의 변화가 동일주파수에서 시간적으로 연속되지 않으며 SNR 크가가 3 이상 되지 않으면 우천으로 판단하는 단계(S43)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
도 9는 본 발명 FMCW 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 시스템 구성도이다. 상기도 9에서 본 발명 FMCW 레이더 침임 감지기는 FFT와 LPF를 거쳐서 이산 호를 수신하고 수신된 신호의 주파수 성분을 추출하고 거리별 신호 변화를 측정하고 수신 신호의 강도 변화율을 산정하며 상기 거리별 신호 변화와 강도 변화율을 기초로 우천 여부를 판단하는 DSP(Digital Signal Processing, 140)와 DSP로부터 제어 신호를 수신하여 초고주파 신호를 생성하고 침입 감시 구역으로 전송하는 주파수 생성부(150)와, 주파수 생성부에서 생성된 FMCW 신호인 초고주파 신호를 감시 구역으로 전송하는 송신부(160)와, 침입 감시 구역에서 반사된 신호를 수신하는 수신부(170)와, 수신부의 수신 신호와 송신부의 송신 신호를 합성하고 변조하여 수 Hz ~ 수 MHz 사이의 저주파수 대역으로 Down Converting 하는 주파수 변환기(110)와, 주파수 변환기에서 변환된 저주파 신호를 이산 신호로 변환하여 추출하기 위한 FFT(Fast Fourier Transform, 120)와, 이산 신호에서 고주파 성분의 노이즈를 제거하고 고주파 성분의 노이즈가 제거된 이산 신호를 DSP로 전송하는 LPF(Low Pass Filter, 130)로 구성된 것을 특징으로 하는 것이다.
100 : 레이더 송신기, 110 : 주파수 변환기,
120 : FFT, 130 : LPF,
140 : DSP, 200 : 레이더 수신기

Claims (11)

  1. 감시구역에 설치되어 침입자를 감지하는 FMCW 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법에 있어서,
    상기 FMCW 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법은,
    FMCW 레이더 송신기에서 전파를 연속적으로 주파수 변조하여 송신한 후 반사체에서 반사되고 반사 신호가 FMCW 레이더 수신기에 수신되며, 반사체와의 거리에 따라 달라지는 것으로 송신 주파수와 수신주파수와의 차이로 정의되는 비트 주파수를
    Figure 112019133122332-pat00012

    에 의하여 산정하여 거리별 신호 변화를 측정하는 단계(S11)와;
    FMCW 레이더 감지기가 설치된 감시 구역에서 침입자가 존재하는 경우의 SNR 변화는 침입이 있는 거리에서 SNR이 변화하는 특징이 있으며, 반면에 우천에 의한 SNR 변화는 거의 모든 주파수 대역에서 SNR 변화가 나타나지만 시간 연관성이 없이 불특정하게 SNR 변화가 나타나며 변화 크기가 상대적으로 작은 특징이 있으므로 Fmax(이전 신호의 일정 주기 동안의 수신기 출력신호의 신호크기 최대값)가 Fc(현 시점 기준 수신기 출력신호의 기준 신호 크기)보다 작은지 판단하는 단계(S31)와 Fmax가 Fc보다 작은 경우 SNR= Fc/Fmax로 계산하는 단계(S32)와 Fmax가 Fc보다 작지 않으면 Fmin(이전 신호의 일정 주기 동안의 수신기 출력신호의 신호크기 최소 값)가 Fc보다 큰지 여부를 판단하는 단계(S33)와 Fmin가 Fc보다 크면 SNR=Fc/Fmin으로 계산하는 단계(S34) 및 Fmin이 Fc보다 작으면 SNR=1로 계산하는 단계(S35)로 이루어지는 FMCW 레이더 수신기의 수신 강도 변화율을 기초로 SNR 변화율을 산정하는 단계(S12);
    및 FMCW 레이더 수신기의 거리별 신호 변화와 FMCW 레이더 수신기의 수신 강도 변화율을 기초로 한 SNR 변화율을 기초로 우천여부를 판단하는 단계(S13)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법.
    여기서 fb : 비트 주파수, Bsweep : 대역폭(Band Width),
    Ts : 반복 주기, C : 빛의 속도,
    R : 반사체(목적물)와의 거리임.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 S13 단계는,
    시간(Frame)과 주파수에 의한 2차원 메모리 맵을 형성하는 단계(S41)와;
    상기 메모리 맵을 이용하여 수신 신호의 SNR을 3차원으로 그래핑하는 단계(S42);
    및 수신 신호의 SNR의 변화가 주파수(거리)에 연속되지 않고, SNR의 변화가 동일주파수에서 시간적으로 연속되지 않으며 SNR 크가가 3 이상 되지 않으면 우천으로 판단하는 단계(S43)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    수신 신호의 SNR을 구하기 위한 잡음 신호(Noise)는,
    최초 레이더 설치 시의 잡음 신호(Fs)와 현 시점 잡음 신호(Fc)와의 곱셈으로 정의하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 FMCW 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법은,
    주기적으로 최초 레이더 설치 시의 잡음 신호(Fs)를 갱신하여 시간의 흐름에 따라 변화하는 환경에 적응하도록 하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이더 침임 감지기를 이용한 우천 감지 방법.


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