KR102165799B1 - FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더 시스템에서 타겟감지를 위한 파라미터 연산 수행 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 레이더 기술을 이용하는 센서 분야에서 타겟감지를 위한 파라미터 연산을 감소시키는 방법을 제안한다. 이를 위하여 타겟이 존재할 것으로 추정되는 영역에 대해서만 부분적으로 DFT 연산을 수행한다.

Description

FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더 시스템에서 타겟감지를 위한 파라미터 연산 수행 방법 및 시스템{System and Method for calculating parameters for target detection in FMCW radar system}

본 발명은 FMCW 레이더 시스템에 관한 것이다. 보다 상세히, FMCW 레이더 시스템에서 타겟 감지를 위한 파라미터 계산시 연산량을 줄이는 방법에 관한 것이다.

레이더(Radar)란 전파를 방사하고 물체에서 반사되는 반사파를 이용하여 목표물의 존재와 그 거리를 탐지하는 무선감시장치이다. 레이더의 동작원리는 목표물에서 반사된 반사파를 포착하여 목표물의 존재를 알아내는 것이다. 이때 반사파가 되돌아올 때, 송신한 전파와 겹쳐서 구별이 곤란하게 되는 것을 방지하기 위하여 고안되고 있는 방식은, 첫째 전파의 도플러 효과(Doppler effect)를 이용하는 방법, 둘째 송신전파의 주파수를 시간에 따라 변경하는 방법, 셋째 송신전파로서 매우 짧은 시간 계속되는 전파(펄스파)를 사용하는 방법 등이 있다.

레이더 기술을 이용하여 이동 타겟에 대한 정보를 구하는 알고리즘은 보편적으로 각각의 첩 형태의 레이더 신호를 거리도메인, 첩(Chirp)도메인 그리고 어레이도메인에서 각각 FFT(Fast Fourier Trasform)을 수행하여 타겟과 관련된 거리, 속도 및 각도 등의 파라미터를 추출하는 3차원 FFT 연산 방법이 이용되고 있다. 그러나, 과도한 복잡도의 문제점으로 인해 3차원 FFT 연산 방법은 많은 연산을 빠르게 처리할 수 있는 하드웨어 시스템이 요구된다.

KR 10-1851079 B1

본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 레이더 기술을 이용하는 센서 분야에서 타겟감지를 위한 파라미터 연산 수행시 과도하게 복잡한 연산으로 인한 하드웨어 시스템 비용을 감소하고자 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더 시스템에서 타겟감지를 위한 파라미터 연산 수행 방법은 타겟이 존재한다고 추정되는 영역을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 영역에 대해서만 DFT(Discrete Fourier Transform) 연산을 수행하는 단계;를 포함하고, 상기 검출하는 단계는 상기 FMCW 레이더 시스템에서 송수신하는 신호가 L개의 첩(Chirp) 시퀀스로 구성될 때, 상기 타겟에서 상기 FMCW 레이더 시스템의 송신신호를 반사한 수신신호를 기초로 거리정보를 계산하기 위해 상기 L개의 첩시퀀스 중 첫번째 첩시퀀스에 대해서만 거리도메인에서 N_R개의 FFT 포인트 수

~

에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 상기 타겟이 존재한다고 추정되는 영역을 각각 나타내는 M개의 피크

검출을 수행하고, 상기 DFT 연산을 수행하는 단계는 상기 L개의 첩시퀀스 중 두번째부터 L번째 첩시퀀스 각각에 대해 상기 첫번째 첩시퀀스에 검출된 상기 M 개의 피크

에 대응하는 M개의

검출을 수행하기 위해 DFT을 M번 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 속도 정보를 검출하기 위해 첩(Chirp)도메인에서 Nc개의 FFT 포인트 수와 각도 정보를 추정하기 위해 수신 어레이(Array) 도메인에서 N_A개의 FFT 포인트 수 각각에 대해 상기 M번의 FFT를 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 타겟이 추정되는 영역에 대해서 상기 DFT 연산을 수행하기 위한 행렬 W_N은 아래와 같고,

, 이 경우

을 나타내는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기

은 상기 부분적인 DFT 연산을 통해 계산되며, 상기 부분적인 DFT 연산은 상기 행렬 W_N에서

번째 행과

를 곱하여 계산되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예로서, FMCW레이더 시스템은 상기 송신신호 또는 상기 수신신호가 L개의 첩(Chirp) 시퀀스로 구성될 때, 상기 타겟에서 상기 FMCW 레이더 시스템의 송신신호를 반사한 수신신호를 기초로 거리정보를 계산하기 위해 상기 L개의 첩시퀀스 중 임의의 하나의 첩시퀀스에 대해서만 거리도메인에서 N_R개의 FFT 포인트 수

~

에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 상기 타겟이 존재한다고 추정되는 영역을 각각 나타내는 M개의 피크

검출을 수행하는 타겟추정영역검출부;및 상기 L개의 첩시퀀스 중 상기 임의의 하나의 첩시퀀스를 제외한 나머지 첩시퀀스들에 대해 상기 임의의 하나의 첩시퀀스에서 검출된 상기 M 개의 피크

에 대응하는 M개의

검출을 수행하기 위해 부분적인 DFT 연산을 M회 수행하는 부분적DFT연산부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에서 레이더 기술을 이용하여 이동 타겟에 대한 정보를 구하는 알고리즘은 각각의 첩 형태의 레이더 신호를 거리도메인, 첩(Chirp)도메인 그리고 어레이도메인에서 각각 FFT(Fast Fourier Trasform)을 수행하여 타겟과 관련된 거리, 속도 및 각도 등의 파라미터를 추출하는 연산과정에서 요구되는 곱셈량을 현저하게 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 FMCW 레이더 시스템에서 파라미터 추정을 위해 사용하는 3차원 FFT의 일 예를 도시한다.
도 2 는 FMCW 레이더 시스템에서 파라미터 추정을 위해 사용하는 개선된 FFT연산 방법의 일 예를 도시한다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, FMCW 레이더 시스템에서 파라미터 추정을 위해 사용하는 연산 흐름도를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, FMCW 레이더 시스템에서 감소된 연산량으로 파라미터 추정을 수행하기 위한 구성도를 도시한다.
도 5 는 종래기술과 본 발명에 따른 FMCW 레이더 시스템에서 파라미터 추정시 사용되는 곱셈량의 비교를 도시한다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더 시스템의 파라미터 추정 장치 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 FMCW레이더 시스템은 프로세서를 포함하며, 프로세서는 타겟을 탐지하기 위해 송신신호를 송신하고, 타겟에서 상기 송신신호에 대한 응답으로 반사시키는 수신신호를 수신하여 신호처리를 수행한 후 타겟을 감지하기 위한 거리, 속도, 각도 등의 파라미터 정보를 검출하도록 구현된다. FMCW 레이더 시스템은 로봇, 자동차, 안전 및 보안 시스템과 같은 다양한 영역에서 활용될 수 있다.

타겟은 FMCW레이더가 송신한 송신신호를 반사시키는 대상체를 의미하며 건물 구조물과 같은 정지 대상체 또는 차량과 같은 이동 대상체를 포함한다. 이 경우, 송신신호 또는 수신신호는 주파수 변조 연속파형(FMCW : Frequency Modulation Continuous Wave) 방식의 FMCW 신호이다. 본 발명의 바람직한 일 실시예로서 FMCW레이더에서 송신한 송신신호는 최대 M 개의 타겟으로부터 수신신호를 수신할 수 있다. 송신신호 및 수신신호는 시간에 따라 주파수가 선형적으로 변하는 첩(Chirp) 형태를 가질 수 있다.

도 1 은 FMCW 레이더 시스템에서 파라미터 추정을 위해 사용하는 3차원 FFT의 일 예를 도시한다. 도 1 에 도시된 일 실시예에서는 3차원 FFT를 이용하여 거리, 속도 및 각도 파라미터를 추정한다.

도 1 을 참고하면, 기존의 3차원 FFT 연산을 이용하던 FMCW레이더 시스템은 연속적으로 송신된 송신 레이더 신호가 타겟에 의해 반사되어 수신된 모든 수신 레이더 신호들을 이용하였다. 도 1과 같이 복수의 송신 레이더 신호가 타겟에 의해 반사된 수신 레이더 신호를 복수의 수신 채널 각각에 포함된 수신 안테나를 통해 수신하여 각각의 수신 채널에 대한 ADC(Analog Digital Converter)(110) 이후의 샘플 수가 Ns, 총 첩의 개수가 L개, 어레이의 개수가 K개이며, 거리도메인, 첩도메인 그리고 어레이도메인에서 각각 N_R 포인트 FFT, N_C포인트 FFT 그리고 N_A 포인트 FFT의 연산을 수행하는 경우, 기존의 3차원 FFT 연산 방법에서는 L개의 N_R 포인트 FFT 연산을 수행하고, 그 후 N_R개의 N_C포인트 FFT 연산을 K 개의 각 어레이에 대해 수행한다. 그 결과 N_R*N_C*K 크기의 행렬(120)이 생성된다.

이 후, 생성된 N_R*N_C*K 크기의 행렬(120)에 대해 최종적으로 N_A 포인트 FFT의 연산을 수행한 후, 획득한 출력에 대해 피크검출(peak detection) 및 CFAR(Constant False Alarm Rate)을 적용하여 거리, 속도, 각도 정보와 같은 파라미터를 추정하거나 검출할 수 있다.

그러나, 이 경우 3차원 FFT 연산에 소요되는 곱셈량을 계산하면 아래와 같다. N개의 샘플에 대해 FFT를 수행할 때,

의 곱셈량이 요구된다고 가정하면, 하나의 어레이에서 수행되는 2차원 FFT 연산에 소요되는 곱셈량은

이 된다. 이 연산을 K개의 어레이에 대해 수행한 후, N_A 포인트 FFT의 연산을 수행하므로, 총

만큼의 곱셈량이 요구된다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 FMCW 레이더 시스템에서 타겟감지를 위한 파라미터 연산 수행시 3차원 FFT연산을 수행하면서도, 도 1에 도시된 실시예에서 요구되는 곱셈량보다 연산량을 줄여 과도하게 복잡한 연산으로 인한 하드웨어 시스템 비용을 감소하고자 한다.

도 2 는 FMCW 레이더 시스템에서 파라미터 추정을 위해 사용하는 3차원 FFT 연산방법의 또 다른 예를 도시한다.

도 2 에 도시된 일 실시예에서는 거리도메인, 첩도메인 그리고 어레이도메인에서 각각 N_R 포인트 FFT, N_C포인트 FFT 그리고 N_A 포인트 FFT의 연산을 수행하는 경우, L개의 첩시퀀스 각각에 대해서 거리도메인에서 N_R개의 FFT 포인트에 대한 FFT 연산을 수행하여 총 M 개의피크를 검출한다. 그 이후, 피크가 존재하는 레인지빈(Range Bin)들에 대해서만 첩도메인에서 FFT 연산을 수행한다.

도 1 의 경우에는 거리도메인과 첩도메인에서 N_R*N_C번의 FFT 연산이 수행되었으나, 도 2 의 경우에는 거리도메인에서 M개의 피크가 검출된 경우, M*N_C번의 FFT 연산이 수행된다. 이 후, M*N_C번의 FFT 연산 결과에서 다시 피크 검출을 수행하여 최대 M 개의 거리와 속도 조합을 찾는다. 그 다음단계로 최대 M 개의 정보에 대해서만 각도 검출을 위하여 N_A 포인트 FFT의 연산을 수행하여 거리, 속도 및 각도 파라미터 정보를 검출한다.

도 2에 도시된 일 실시예에서는 파라미터를 구하기 위한 FFT 연산시 L번의 N_R 포인트 FFT연산, M번의 N_C포인트 FFT 연산, 그리고 M번의 N_A 포인트 FFT의 연산을 수행한다. 따라서, 곱셈의 연산량은

이 된다. 일반적으로,

이므로, 도 2 에 도시된 3차원 FFT연산의 연산량은 도 1에 도시된 3차원 FFT 연산의 연산량에 비해 복잡도가 확연히 낮춰지게 된다.

도 3 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, FMCW 레이더 시스템에서 파라미터를 추정할 때 연산량을 감소시키는 방법의 흐름도를 도시한다. 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서,파라미터를 추정을 수행하는 FMCW 레이더 시스템(400)의 내부 구성도로서, 도 4 에 도시된 FMCW레이더시스템은 거리 검출 이후 속도 검출 그리고 각도 검출을 순차적으로 진행하며, 도 2 에 도시된 거리검출부(210), 속도검출부(220) 그리고 각도검출부(230)의 일부 연산과정을 동일하게 수행한다. 다만, 도 2 와 아래와 같은 연산 수행의 차이점이 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, FMCW 레이더 시스템(400)은 거리검출부(410), 속도검출부(420) 및 각도검출부(430)를 포함한다. 거리검출부(410)는 타겟추정영역검출부(412)와 부분적DFT연산부(414)를 포함한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 속도검출부(420) 및 각도검출부(430)는 도 2 에 도시된 속도검출부(220) 그리고 각도검출부(230)와 같이 속도 정보를 검출하기 위해 첩(Chirp)도메인에서 Nc개의 FFT 포인트 수와 각도 정보를 추정하기 위해 수신 어레이(Array) 도메인에서 N_A개의 FFT 포인트 수 각각에 대해 상기 M번의 FFT를 수행한다.

반면, 거리검출부(410)는 도 2에 도시된 거리 검출부(210)와 달리 L개의 첩시퀀스 중 첫번째 첩시퀀스에 대해서만 또는 임의의 하나의 첩시퀀스에 대해서만 N_R 포인트 FFT연산을 수행한다(S310).

그리고, 타겟추정영역검출부(412)를 통해 N_R 개의 FFT 포인트에 대해 수행한 FFT연산 결과값을 기초로 타겟이 존재한다고 추정되는 영역을 각각 나타내는 M 개의 피크 P_M 를 검출한다(S320). 이후, 부분적DFT연산부(414)를 통해 검출된 M개의 피크를 기초로 타겟이 존재한다고 추정되는 영역에 대해서만 수학식 2를 이용하여 부분적인 DFT 연산을 M번 수행한다(S330).

보다 상세히, 도 2를 참고하여 설명하면 거리검출부(210)에서

일 때, ADC(211)의 출력

의 벡터형태를

이고,

의 N 포인트 DFT 출력을

으로,

일 때의

의 벡터형태를

라고 할 때

는 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.

수학식 1에서 W_N은 타겟이 추정되는 영역에 대해서 DFT 연산을 수행하기 위한(S330) 행렬을 나타낸다.

일 때,

으로 나타내고, 이 경우

이다.

타겟이 추정되는 영역에 대해서 DFT 연산을 수행하기 위한 행렬W_N은 수학식 2와 같이 표현된다.

수학식 2에서

이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 거리검출부(210)는 거리도메인에서 N_R개의 FFT 포인트 수

~

에 대해 FFT를 수행하여 타겟이 존재한다고 추정되는 영역을 각각 나타내는 M개의 피크

검출을 수행하고, L개의 첩시퀀스 중 두번째부터 L번째 첩시퀀스 각각에 대해 첫번째 첩시퀀스에 검출된 M 개의 피크

에 대응하는 M개의

검출을 수행하기 위해 DFT 연산을 M번 수행한다.

이 경우, 거리검출부(210)는

검출을 수행하기 위해 DFT 연산을 수행할 때, 수학식 1의 연산을 수행하는 대신, 수학식 1의 행렬 W_N에서

번째 행과

만을 곱하여

을 계산할 수 있어 연산량을 줄일 수 있다.

종래에는 L개의 첩시퀀스 각각에 대해 N_R 포인트 FFT연산을 모두 수행하였으나, 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 거리검출부(210)는 L 개의 첩시퀀스 중 하나의 첩시퀀스에 대해서만 N_R 포인트 FFT연산을 수행하여 M 개의 피크를 검출하고, 그 외의 첩시퀀스에 대해서는 검출된 M 개의 피크

에 대응하는 M개의

만을 검출하기 위하여 수학식 2를 이용하여 부분적으로 DFT를 적용한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 부분적으로 DFT(partial-DFT)를 적용한다는 의미는 수학식 1의 행렬 W_N에서

번째 행과

만을 곱하여

을 구하는 것을 의미한다. 일반적으로

이고,

이므로 FFT에 의한 계산량 및 연산량을 상당히 감소시킬 수 있다.

이 후, 속도검출부(420)는 거리검출부(410)에서 검출된 M개의

에 대해 첩도메인에서 Nc 개의 FFT 포인트 수에 대해 FFT 연산을 수행하고, 각도검출부(430)도 M개의 M번의 N_A 포인트 FFT의 연산을 수행한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서, FMCW 레이더 시스템은 1회의 N_R 포인트 FFT연산, M회의 N_R 포인트에 대해 부분적 DFT 적용 연산, Nc 개의 FFT 포인트 수에 대해 FFT 연산 그리고 N_A 포인트 FFT의 연산을 수행한다. 즉, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 FMCW 레이더 시스템은

의 곱셈량을 요구한다.

도 5는 표 1과 같은 파라미터를 기준으로 도 1의 3차원 FFT연산 방법에 따른 곱셈량(S510), 도 2의 FFT 연산 방법에 따른 곱셈량(S520), 그리고 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 타겟감지를 위한 파라미터 연산 수행 방법에 따른 곱셈량(S530)의 차이를 도시한다.

파라미터	값
샘플 개수,	4096
chirp 개수, L	60
어레이 개수,K	4
거리 도메인 FFT 포인트 수 NR	4096
chirp 도메인 FFT 포인트 수 NC	256
어레이 도메인 FFT 포인트 수NA	64

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더 시스템에서 타겟감지를 위한 파라미터 연산 수행 방법으로서,
   타겟이 존재한다고 추정되는 영역을 검출하는 단계; 및
   상기 검출된 영역에 대해서만 DFT(Discrete Fourier Transform) 연산을 수행하는 단계;를 포함하고,
   상기 검출하는 단계는
   상기 FMCW 레이더 시스템에서 송수신하는 신호가 L개의 첩(Chirp) 시퀀스로 구성될 때, 상기 타겟에서 상기 FMCW 레이더 시스템의 송신신호를 반사한 수신신호를 기초로 거리정보를 계산하기 위해 상기 L개의 첩시퀀스 중 첫번째 첩시퀀스에 대해서만 거리도메인에서 N_R개의 FFT 포인트 수

   

   ~

   

   에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 상기 타겟이 존재한다고 추정되는 영역을 각각 나타내는 M개의 피크

   

   검출을 수행하고,
   상기 DFT 연산을 수행하는 단계는
   상기 L개의 첩시퀀스 중 두번째부터 L번째 첩시퀀스 각각에 대해 상기 첫번째 첩시퀀스에 검출된 상기 M 개의 피크

   

   에 대응하는 M개의

   

   검출을 수행하기 위해 부분적인 DFT 연산을 M번 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   속도 정보를 검출하기 위해 첩(Chirp)도메인에서 Nc개의 FFT 포인트 수와 각도 정보를 추정하기 위해 수신 어레이(Array) 도메인에서 N_A개의 FFT 포인트 수 각각에 대해 상기 M번의 FFT를 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 타겟이 추정되는 영역에 대해서 상기 DFT 연산을 수행하기 위한 행렬 W_N은 아래와 같고,
   

   

   , 이 경우

   

   을 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기

   

   은 상기 부분적인 DFT 연산을 통해 계산되며, 상기 부분적인 DFT 연산은 상기 행렬 W_N에서

   

   번째 행과

   

   를 곱하여 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 송신신호 또는 수신신호가 L개의 첩(Chirp) 시퀀스로 구성될 때, 타겟에서 FMCW 레이더 시스템의 송신신호를 반사한 수신신호를 기초로 거리정보를 계산하기 위해 상기 L개의 첩시퀀스 중 임의의 하나의 첩시퀀스에 대해서만 거리도메인에서 N_R개의 FFT 포인트 수

   

   ~

   

   에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 상기 타겟이 존재한다고 추정되는 영역을 각각 나타내는 M개의 피크

   

   검출을 수행하는 타겟추정영역검출부;및
   상기 L개의 첩시퀀스 중 상기 임의의 하나의 첩시퀀스를 제외한 나머지 첩시퀀스들에 대해 상기 임의의 하나의 첩시퀀스에서 검출된 상기 M 개의 피크

   

   에 대응하는 M개의

   

   검출을 수행하기 위해 부분적인 DFT 연산을 M회 수행하는 부분적DFT연산부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 FMCW레이더 시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 타겟이 추정되는 영역에 대해서 상기 DFT 연산을 수행하기 위한 행렬 W_N은 아래와 같고,
   

   

   , 이 경우

   

   을 나타내는 것을 특징으로 하는 FMCW레이더 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기

   

   은 상기 부분적인 DFT 연산을 통해 계산되며, 상기 부분적인 DFT 연산은 상기 행렬 W_N에서

   

   번째 행과

   

   를 곱하여 계산되는 것을 특징으로 하는 FMCW레이더 시스템.

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