KR102128544B1 - 레이더 장치 및 이에 적용되는 신호처리방법 - Google Patents

레이더 장치 및 이에 적용되는 신호처리방법 Download PDF

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Abstract

레이더 장치 및 이에 적용되는 신호처리방법이 제공된다. 본 레이더 장치는 디지털로 변환된 신호를 중복 주파수 영역을 샘플링 주파수의 절반인 주파수를 중심으로 미러링 처리한 뒤에 패어링(pairing) 처리를 통해서 타겟 물체의 거리 정보 및 속도 정보를 검출할 수 있게 되어, 하나의 샘플링 레이트(sampling rate)로 취득된 데이터와 다중 chirp FMCW 알고리즘을 융합시킴으로서, 높은 해상도를 갖는 레이더를 구축할 수 있고 거리 해상도를 adaptive하게 변화 시켜줌으로써 요구되는 특성을 극대화 시킬 수 있게 된다.

Description

레이더 장치 및 이에 적용되는 신호처리방법 {Radar device and signal processing method applying the same}
본 발명은 레이더 장치 및 이에 적용되는 신호처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 타겟의 위치정보 및 속도 정보를 검출하는 레이더 장치 및 이에 적용되는 신호처리방법에 관한 것이다.
최근 차량의 전방, 후방, 측면 등에 레이더가 장착되어 다른 차량과의 거리 정보 등을 제공하여, 운전자의 안전을 더욱 보호해주는 기능을 한다. 일반적으로, 차량의 레이더 시스템은 적용된 차량의 전방 등에 위치한 물체를 탐지하여 물체와의 충돌가능성 등을 예고함으로써, 차량 사고를 예방한다. 차량용 레이더 시스템은 물체에 의해 반사되어 돌아오는 반사 신호를 수신한 후, 수신된 반사신호를 아날로그에서 디지털로 변환 하게 된다.
아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위해서는 Nyquist 주파수보다 높은 샘플링 rate으로 디지털화 시켜야 한다. Nyquist 주파수 보다 낮게 샘플링을 하였을 경우에는 Nyquist 주파수를 기준으로 접혀지는 aliasing 현상이 나타나게 된다. 종래의 기술은 Nyquist 주파수보다 낮은 샘플링 주파수를 여러 개 사용함으로써, Nyquist 주파수보다 높을 경우, 각각의 샘플링 주파수에 따라 변하는 aliasing 주파수를 해당 샘플링 주파수와 연관 시켜서 실제 주파수를 찾아내는 개념을 제안했다.
하지만, 종래 방식에 따를 경우, 샘플링 주파수를 변경시킴으로써 생기는 clock settling 시간이 추가적으로 필요함으로 시스템의 안전성에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 샘플링 주파수를 변경시켜야 하기때문에 각 duration에서 취득된 샘플들에 대해서 FFT를 취해줘야 함으로 프로세스 로드나 시간이 추가적으로 필요하게 된다. 그리고, 특정환경에서 adaptive하게 특성 변경이 용이하지 않다.
또한, 대역폭을 증가시켜서 해상도를 높이게 되면, 해당 대역에 해당되는 신호를 모두 취득하기 위해서 고성능의 ADC가 필요하게 되어 문제가 된다. 이에 따라, 필요 샘플링 속도보다 낮은 샘플링 속도를 갖는 ADC를 사용하고도 높은 해상도를 갖게 하는 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 디지털로 변환된 신호를 중복 주파수 영역을 샘플링 주파수의 절반인 주파수를 중심으로 미러링 처리한 뒤에 패어링(pairing) 처리를 통해서 상기 타겟 물체의 거리 정보 및 속도 정보를 검출하는 레이더 장치 및 이에 적용되는 신호처리방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이더 장치는, FMCW 신호를 방사하고 방사된 FMCW 신호가 특정 타겟 물체에서 반사되어 되돌아오는 반사신호를 수신하는 RF 모듈; 상기 RF 모듈에서 출력되는 신호의 주파수 중복을 방지하기 위해 필터링을 수행하는 AAF(Anti Aliasing Filter); AAF로부터 전달된 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터; 및 디지털로 변환된 신호를 중복 주파수 영역을 샘플링 주파수의 절반인 주파수를 중심으로 미러링 처리한 뒤에 패어링(pairing) 처리를 통해서 상기 타겟 물체의 거리 정보 및 속도 정보를 검출하는 제어부;를 포함한다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 AAF의 컷오프(cut-off) 주파수와 상기 AD 컨버터의 샘플링 주파수를 이용하여, 중복되는 주파수 영역인 상기 중복 주파수 영역을 산출할 수도 있다.
또한, 상기 제어부는, N개(N은 2 이상의 자연수)의 FMCW 신호 각각에 대해 미러링 처리를 수행하고, 상기 N개의 미러링 처리된 신호에 대해 패어링(pairing) 처리하여 상기 타겟 물체의 거리 정보 및 속도 정보를 검출할 수도 있다.
그리고, 상기 제어부는, 패어링 처리된 제1 신호와 제2 신호를 비교하여 고스트 신호를 필터링(filtering)할 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이더 장치의 타겟 정보 검출을 위한 신호처리 방법은, FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호를 방사하고 방사된 FMCW 신호가 특정 타겟 물체에서 반사되어 되돌아오는 반사신호를 수신하는 단계; 상기 RF 모듈에서 출력되는 신호의 주파수 중복을 방지하기 위해 AAF를 통해 필터링을 수행하는 단계; 상기 AAF를 통해 필터링된 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 단계; 상기 디지털로 변환된 신호를 중복 주파수 영역을 샘플링 주파수의 절반인 주파수를 중심으로 미러링 처리하는 단계; 상기 미러링 처리된 신호를 패어링(pairing) 처리를 통해서 상기 타겟 물체의 거리 정보 및 속도 정보를 검출하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 AAF의 컷오프(cut-off) 주파수와 AD 컨버터의 샘플링 주파수를 이용하여, 중복되는 주파수 영역인 상기 중복 주파수 영역을 산출하는 단계;를 더 포함한다.
또한, 상기 미러링 처리단계는, N개(N은 2 이상의 자연수)의 FMCW 신호 각각에 대해 미러링 처리를 수행하고, 상기 검출단계는, 상기 N개의 미러링 처리된 신호에 대해 패어링(pairing) 처리하여 상기 타겟 물체의 거리 정보 및 속도 정보를 검출할 수도 있다.
그리고, 패어링 처리된 제1 신호와 제2 신호를 비교하여 고스트 신호를 필터링(filtering)하는 단계;를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 디지털로 변환된 신호를 중복 주파수 영역을 샘플링 주파수의 절반인 주파수를 중심으로 미러링 처리한 뒤에 패어링(pairing) 처리를 통해서 상기 타겟 물체의 거리 정보 및 속도 정보를 검출하는 레이더 장치 및 이에 적용되는 신호처리방법을 제공할 수 있게 되어, 하나의 샘플링 레이트(sampling rate)로 취득된 데이터와 다중 chirp FMCW 알고리즘을 융합시킴으로서, 높은 해상도를 갖는 레이더를 구축할 수 있고 거리 해상도를 adaptive하게 변화 시켜줌으로써 요구되는 특성을 극대화 시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이더 장치의 구조를 도시한 블럭도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이더 장치의 신호처리 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 중복되는 주파수 영역을 도시한 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 중복 주파수 영역을 미러링 처리한 상태의 신호를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 3개의 FMCW 신호를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 3개의 FMCW 신호에 대해 RV 패어링 처리 및 필터링 처리를 하는 것을 그래프로 표시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이더 장치(100)의 구조를 도시한 블럭도이다. 레이더 장치(100)는 차량등에 장착되어 전방 등에 위치한 물체를 탐지하고 해당 물체와의 충돌 가능성 등을 예고함으로써 차량 사고를 예방하게 된다. FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더의 경우, 거리 해상도는 c/2B에 반비례하게된다. 여기서 c는 빛의 속도, B는 주파수 변조 대역이다. 따라서 B를 증가 시키게 되면 거리 해상도는 그에 비례해서 늘어나게게 되고, 결국에는 더 높은 거리 정확도 및 구분능력을 얻어 낼 수 있다.
변조 주파수를 증가시키게 되면 그와 비례해서 기저대역의 신호 대역도 증가하게 되고, 레이더 신호 처리(signal processing)를 하기 위해서 필요한 샘플링 레이트(sampling rate)도 증가 하게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 레이더 장치(100)는 RF 모듈(110), AAF(Anti Aliasing Filter : 주파수 중복방지 필터)(120), AD 컨버터(130), 및 제어부(140)를 포함한다.
RF 모듈(110)은 송신 안테나(111)를 통해 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호를 방사하고 방사된 FMCW 신호가 특정 타겟 물체에서 반사되어 되돌아오는 반사신호를 수신한다. 구체적으로, RF 모듈(110)은 FMCW 신호를 외부로 방사하는 송신 안테나(111), 특정 물체로부터 반사되어 오는 반사신호를 수신하는 수신 안테나(113), FMCW 신호를 생성하는 신호 생성부(115), 및 생성된 FMCW 신호 와 수신된 반사 신호를 믹싱하는 믹서(117)를 포함한다.
AAF(120)는 RF 모듈(110)에서 출력되는 신호의 주파수 중복을 방지하기 위해 필터링을 수행한다.
AD 컨버터(130)는 AAF(120)로부터 전달된 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환한다. 그리고, AD 컨버터(130)는 디지털로 변환된 반사신호를 제어부(140)로 전달한다.
제어부(140)는 레이더 장치(100)의 전반적인 동작을 제어하고 신호 처리를 수행한다. 제어부(140)는 레이더 신호의 주파수 대역이 AD 컨버터(130)의 나이퀴스트(Nyquist) 주파수보다 클 경우, 디지털화된 신호의 중복 주파수 영역을 샘플링 주파수의 절반인 주파수를 중심으로 미러링 처리한 뒤에 FMCW 패어링(pairing) 알고리즘을 이용한 신호처리를 하여 타겟 물체의 거리 정보 및 속도 정보를 검출해 내게 된다.
이하에서는, 도 2를 참고하여 레이더 장치(100)의 타겟 정보 검출을 위한 신호처리 방법에 대해 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이더 장치(100)의 신호처리 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
먼저, 레이더 장치(100)의 제어부(140)는 중복 주파수 영역을 산출한다(S210). 구체적으로, 제어부(140)는 먼저 AAF(120)의 컷오프(cut-off) 주파수와 AD 컨버터(130)의 샘플링 주파수를 이용하여, 중복되는 주파수 영역을 산출한다. 예를 들어, AAF(120)의 컷오프 주파수가 fc이고 AD 컨버터(130)의 샘플링 주파수가 fs이면, 중복되는 주파수 영역(이하, 중복 주파수 영역)은 fc-(fs/2)이 된다. 이와 같은 점은 도 3을 통해서 확인할 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 중복되는 주파수 영역을 도시한 그래프이다.
그리고, 레이더 장치(100)의 RF 모듈(110)은 먼저 FMCW 신호를 생성하여 방사하고 타겟 물체로부터 반사되는 반사신호를 수신하게 된다(S220).
그러면, 레이더 장치(100)는 수신된 반사신호를 AAF(120)를 거쳐 AD 컨버터(130)를 통해 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환한 후에, 제어부(140)는 디지털로 변환된 신호를 고속 푸리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)하게 된다(S230).
그 후에, 제어부(140)는 중복 주파수 영역을 샘플링 주파수의 절반인 주파수를 중심으로 미러링(mirroring) 처리한다(S240). 즉, 제어부(140)는 fc-(fs/2) 부터 fs/2 영역까지의 주파수 성분을 fs/2 지점을 기준으로 미러링(mirroring)되도록 신호처리 하게 된다. 이와 같은 과정은 도 4를 통하여 그림으로 확인할 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 중복 주파수 영역을 미러링 처리한 상태의 신호를 도시한 도면이다.
그 다음, 제어부(140)는 미러링 처리된 신호의 피크를 검출하고 피크 정보를 저장하게 된다(S250).
그리고, 제어부(140)는 기 설정된 N개(N은 2 이상의 자연수)의 FMCW 신호가 생성되었는지 확인하고(S260), N개의 FMCW 신호가 생성되지 않은 경우(S260-N) N개의 FMCW 신호를 생성하여 S220 내지 S250 단계를 계속 수행하여 미러링 처리하게 된다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 3개의 FMCW 신호를 도시한 도면이다. 도 5에서, "1st chirp"은 제1 FMCW 신호를 나타내고, "2nd chirp"은 제2 FMCW 신호를 나타내며, "3rd chirp"은 제3 FMCW 신호를 나타낸다. 도 5와 같이 FMCW 신호가 3개(N=3)인 경우, 제어부(140)는 S220 내지 S250 단계를 3번 반복하여 미러링 처리를 하게 된다.
만약, N개의 FMCW 신호에 대해 미러링 처리가 완료된 경우(S260-Y), 제어부(140)는 N개의 미러링 처리된 신호들에 대해 패어링 처리 및 필터링 처리를 수행하여 타겟의 거리정보 및 속도정보를 검출하게 된다(S270).
구체적으로, 제어부(140)는 N개의 미러링 처리된 신호들에 대해 Multi chirp FMCW RV 패어링(pairing) 프로세싱을 수행한다. 제어부(140)는 이와 같은 패어링 처리를 통해 얻은 타겟의 거리 정보 및 속도 정보를 검출할 수 있게 된다.
하지만, 타겟의 속도,거리 조건에 따라 다른 현상이 발생될 수도 있다. 예를 들어, N개의 모든 신호가 중복 주파수 영역에 존재할 경우, RV(Range Velocity) 패어링 처리에 의한 타겟의 정보는 샘플링 주파수의 절반 지점를 기준으로 실제 신호와 대칭되는 고스트(ghost) 신호가 나타나게 될 수도 있다. 따라서, 제어부(140)는 패어링 처리된 제1 신호와 제2 신호를 비교하여 고스트 신호를 필터링(filtering)한다. 즉, 고스트 신호의 경우, 현재 멀어지는 속도를 갖고 있는 타겟이 바로 다음 상태에서 거리가 가까워지는 모순을 가지므로, 제어부(140)는 이와 같이 속도와 거리가 서로 모순이 되는 신호는 고스트 신호로 필터링하게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 3개의 FMCW 신호에 대해 RV 패어링 처리 및 필터링 처리를 하는 것을 그래프로 표시한 도면이다. 도 6의 왼쪽에 도시된 바와 같이, 관측되는 신호(실선 : Observed signal)은 실제 신호(점선 : Expected signal)와 샘플링 주파수의 절반 지점(fs/2)을 기준으로 대칭된 고스트 신호인 것을 확인할 수 있다.
그리고, 도 6의 왼쪽에 도시된 3개의 FMCW 신호를 RV(Range Velocity) 패어링 처리할 경우, 도 6의 오른쪽에 도시된 그래프와 같이 거리와 속도 그래프로 표시할 수 있게 된다.
도 6에서 제1 상태 그래프(610) 다음의 상태가 제2 상태 그래프(620)이다. 제1 상태 그래프(610)의 A 지점은 속도와 거리가 모두 플러스값을 가진다. 하지만, A 지점은 제1 상태 그래프(610)에서 제2 상태 그래프(620)로 변화될때 속도가 플러스임에도 불구하고 거리는 줄어든 것을 확인할 수 있다. 따라서, A 지점은 잘못된 추정치에 해당되는 고스트 신호임을 확인할 수 있다. 따라서, 제어부(140)는 A 지점에 대한 거리 및 속도 값에 대응되는 신호를 필터링하게 된다. 이와 같이, 제어부(140)는 패어링 처리된 제1 신호와 제2 신호를 비교하여 고스트 신호를 필터링(filtering)한다
이와 같은 미러링 처리 및 필터링 처리를 통해, 레이더 장치(100)는 타겟의 거리 및 속도 정보를 검출할 수 있게 된다. 이를 통해, 레이더 장치(100)는 하나의 샘플링 레이트(sampling rate)로 취득된 데이터와 다중 chirp FMCW 알고리즘을 융합시킴으로서, 높은 해상도를 갖는 레이더를 구축할 수 있고 거리 해상도를 adaptive하게 변화 시켜줌으로써 요구되는 특성을 극대화 시킬 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 레이더 장치 110 : RF 모듈
120 : AAF 130 : AD 컨버터
140 : 제어부

Claims (8)

  1. FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호를 방사하고 방사된 FMCW 신호가 특정 타겟 물체에서 반사되어 되돌아오는 반사신호를 수신하는 RF 모듈;
    상기 RF 모듈에서 출력되는 신호의 주파수 중복을 방지하기 위해 필터링을 수행하는 AAF(Anti Aliasing Filter);
    AAF로부터 전달된 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터; 및
    디지털로 변환된 신호를 중복 주파수 영역을 샘플링 주파수의 절반인 주파수를 중심으로 미러링 처리한 뒤에 패어링(pairing) 처리를 통해서 상기 타겟 물체의 거리 정보 및 속도 정보를 검출하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    N개(N은 2 이상의 자연수)의 FMCW 신호 각각에 대해 미러링 처리를 수행하고, 상기 N개의 미러링 처리된 신호에 대해 패어링(pairing) 처리하여 상기 타겟 물체의 거리 정보 및 속도 정보를 검출하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 AAF의 컷오프(cut-off) 주파수와 상기 AD 컨버터의 샘플링 주파수를 이용하여, 중복되는 주파수 영역인 상기 중복 주파수 영역을 산출하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    패어링 처리된 제1 신호와 제2 신호를 비교하여 고스트 신호를 필터링(filtering)하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  5. 레이더 장치의 타겟 정보 검출을 위한 신호처리 방법에 있어서,
    FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호를 방사하고 방사된 FMCW 신호가 특정 타겟 물체에서 반사되어 되돌아오는 반사신호를 수신하는 단계;
    RF 모듈에서 출력되는 신호의 주파수 중복을 방지하기 위해 AAF를 통해 필터링을 수행하는 단계;
    상기 AAF를 통해 필터링된 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 단계;
    상기 디지털로 변환된 신호를 중복 주파수 영역을 샘플링 주파수의 절반인 주파수를 중심으로 미러링 처리하는 단계; 및
    상기 미러링 처리된 신호를 패어링(pairing) 처리를 통해서 상기 타겟 물체의 거리 정보 및 속도 정보를 검출하는 단계;를 포함하고,
    상기 미러링 처리단계는,
    N개(N은 2 이상의 자연수)의 FMCW 신호 각각에 대해 미러링 처리를 수행하고,
    상기 검출단계는,
    상기 N개의 미러링 처리된 신호에 대해 패어링(pairing) 처리하여 상기 타겟 물체의 거리 정보 및 속도 정보를 검출하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 AAF의 컷오프(cut-off) 주파수와 AD 컨버터의 샘플링 주파수를 이용하여, 중복되는 주파수 영역인 상기 중복 주파수 영역을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    패어링 처리된 제1 신호와 제2 신호를 비교하여 고스트 신호를 필터링(filtering)하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
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