KR102175492B1 - 도플러 주파수를 이용한 각도 분해장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도플러 주파수를 이용하여 하나의 빔 안에서도 각도분해를 하여 서로 다른 목표물을 용이하게 구별할 수 있게 하는 도플러 주파수를 이용한 각도 분해장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 단일 주파수 신호를 송신하는 트랜스미터(transmitter)와 상기 송신된 신호에 대하여 둘 이상의 목표물에서 서로 다른 각도를 가지면서 반사되는 신호를 수신하는 리시버(Receiver), 그리고 상기 수신된 반사 신호를 기초로 하여 개별 목표물의 도플러 주파수의 편이 값을 분석하는 고속 푸리에 변환부(FFT)를 포함하는 구성이고, 상기 개별 목표물들을 하나의 빔(beam) 내에서 각도방향으로 분해하여 구별한다. 따라서 기존의 액티브 방식의 레이더 빔 포밍방식에 비하여 비용을 절감하면서도 효과적으로 목표물을 인식할 수 있고, 또한 기상조건이나 장애물 등으로 인하여 목표물을 인식하지 못하는 레이저를 이용한 라이다(LADAR)의 센싱기술의 문제점도 해결할 수 있다.

Description

도플러 주파수를 이용한 각도 분해장치{Apparatus to resolve angle using doppler frequency}
본 발명은 레이더 센서에서의 각도 분해장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도플러 주파수를 이용하여 하나의 빔(1-beam) 안에서 효율적인 각도 분해를 수행할 수 있게 함으로써, 서로 다른 목표물의 구별이 가능하도록 향상된 각도 분해능을 제공하는 도플러 주파수를 이용한 각도 분해장치에 관한 것이다.
일반 차량 또는 자율주행 차량에는 주변 물체를 감지하기 위한 다양한 센싱 기술이 적용되는데, 예컨대 카메라를 이용하는 방식이나, 또는 레이저를 이용하는 라이다(LADAR:Laser Detecting and Ranging) 방법 등을 말할 수 있을 것이다. 카메라를 이용한 방식은 촬영한 정보를 기초로 주변 물체의 유무를 판단하는 것이고, 라이다 방식은 레이저를 이용하여 주변 물체를 감지하는 것이라 할 수 있으며, 이러한 기술들 모두 기본적으로 차량 주행 및 경로갱신, 충돌 회피 등의 목적으로 사용된다.
그러나 카메라 및 라이다를 이용한 상기한 센싱 기술들은 제한 요소가 적지 않다. 즉 가시거리가 확보되지 않은 흐린 날씨나 도로(지면)에 눈 등이 쌓여 있는 경우, 다른 방해물로 인하여 움직이는 사람이나 차량이 보이지 않을 경우에는 주변 물체나 목표물을 충분히 분해할 수 없어 대상물을 정확하게 인식할 수 없었다. 도 1에는 이처럼 1-빔 안에 2개의 목표물이 있지만 이를 분해하지 못한 예를 도시하고 있다.
이처럼 1-빔 내에서 목표물을 분해할 수 없는 경우에는 사고로 이어질 수 있다. 테슬러(Tesla) 사의 자율주행자동차가 밝은 하늘색과 대비된 하얀색의 트레일러를 인식하지 못하여 차량 충돌로 운전자가 사망하는 사고(2016. 5) 역시 이러한 문제점에 기인한 것이라 할 것이다.
최근 전파를 이용하여 목표물을 감지하는 차량용 레이더의 연구는 이러한 문제를 해결하기 위한 방안이다. 그러나 차량용 레이더는 단순히 앞차와의 거리 또는 지형지물과의 거리를 측정하는 패시브 안테나(passive antenna)로 활용되기보다는 이미지를 획득하는 용도로 사용되는 것이 바람직하다. 이 경우 최소한의 해상도는 약 2° 이하이며 액티브(active) 방식의 빔-포밍 작업을 할 수 있는 능동위상배열(adaptive phased array) 기술이 절대적으로 필요하기 때문에, 차량에 장착되는 어레이 안테나의 크기가 최소 20cm 이상 되어야 하는 문제가 있다.
안테나의 큰 사이즈는 차량 설계에 적지않은 영향을 미치며, 더욱이 상기한 액티브 방식의 빔 포밍 기술은 기술적으로 난이도가 있다. 또한, 이러한 안테나의 성능이 포함되어야 하기 때문에 가격도 비싸다. 이와 같은 단점들은 차량 등과 같은 이동체에 적용하기가 쉽지 않음을 의미한다고 할 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 센싱 기술분야에서 종래 사용되고 있는 값비싼 액티브 방식의 빔- 포밍 기술과 대비하여 경제적이면서 목표물을 정확하게 인식할 수 있도록 도플러 주파수를 이용한 각도 분해장치를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명은 이러한 각도 분해장치를 차량 등의 이동형 물체나 차세대 사물인터넷(IoT)의 모션 인식장치 등에 폭넓게 적용하여 활용 가능성을 극대화하는 다른 목적도 제공한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 단일 주파수 신호를 송신하는 트랜스미터(transmitter); 상기 송신된 신호에 대하여 둘 이상의 목표물에서 서로 다른 각도를 가지면서 반사되는 신호를 수신하는 리시버(Receiver); 그리고 상기 수신된 반사 신호를 기초로 하여 개별 목표물의 도플러 주파수의 편이 값을 분석하는 고속 푸리에 변환부(FFT)를 포함하면서, 상기 개별 목표물들을 하나의 빔(beam) 내에서 각도방향으로 분해하여 구별되게 하는 도플러 주파수를 이용한 각도 분해장치를 제공한다.
상기 트랜스미터는 초음파 발생기 또는 단일주파수 발생기이고, 하나의 주파수만 송신한다.
그리고 본 발명의 각도분해장치에 따르면, 하나의 빔 내에서 각도방향으로 분해된 만큼 둘 이상의 개별 목표물들을 구별할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 변조 연속파 레이더(FMCW)가 이동형 물체에 장착되어 둘 이상의 목표물을 분해하는 장치이고, 소정 속도로 이동하면서 LFM(Linear Frequency Modulation) 신호를 송신하는 트랜스미터(transmitter); 상기 송신된 신호에 대하여 둘 이상의 목표물에서 서로 다른 각도를 가지면서 반사되는 신호를 수신하는 리시버(Receiver); 상기 리시버가 수신한 수신신호와 기준신호를 믹싱(Mixing)하는 혼합부; 도플러의 주파수 차이를 이용하여 상기 혼합된 믹싱 신호에서 개별 목표물의 도플러 신호를 분리하는 고속 푸리에 변환부(FFT)를 포함하는 도플러 주파수를 이용한 각도 분해장치를 제공한다.
여기서 상기 기준신호는 상기 트랜스미터가 송신한 LFM 신호를 말한다.
이상과 같은 본 발명의 도플러를 이용한 각도 분해장치에 따르면, 개별 목표물에서 반사되는 서로 다른 도플러 주파수를 이용하기 때문에 1-빔 안에서 이러한 개별 목표물들을 충분히 구별, 인식할 수 있다. 따라서 종래 센싱 기술인 광학 영상 처리장치 및 라이다가 인식할 수 없었던 문제를 해결할 수 있음은 물론 액티브 방식의 빔- 포밍 방식을 대체할 수 있어 비용을 절감하면서도 목표물 인식 기능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고 이러한 본 발명은 차량용 레이더 및 다양한 모션 인식 장치 등에도 적용할 수 있어, 기술의 범용성을 확보할 수 있다.
즉, 본 발명은 자동차용 77GHz 급 영상정보 레이더 시스템, 자동차용 레이더에서의 클러터(clutter) 제거기법, 자동차용 레이더 안테나의 위치선정기법, 도플러를 이용한 모션센싱의 입력정확도 향상기법, 레이더를 이용한 수화인식 시스템, 초음파 센서를 이용한 모션입력장치 등에 폭넓게 적용될 수 있다.
도 1은 종래 1-빔 내에서 2개의 목표물을 인식할 수 없는 예를 나타낸 실시 예 도면
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 각도 분해장치의 구성도
도 3은 도 2의 각도 분해장치를 차량에 적용한 예로 각도 분해장치가 구비된 차량용 레이더의 장착위치와 탐지범위를 보인 구성도
도 4a 및 도 4b는 도 3에서 차량의 이동시 차량용 레이더의 주파수 편이 상태를 설명하는 구성도 및 1-빔 내에서 2개의 목표물이 분해된 상태를 보인 도면
도 5는 도 2의 각도 분해장치를 모션 인식장치에 적용한 경우의 주파수 편이 상태를 설명한 구성도
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 각도 분해장치의 구성도
도 7은 도 6의 각도 분해장치를 FMCW 레이더를 사용하는 차량에 적용할 경우의 물체 분해방법을 설명하는 구성도
본 발명은 도플러를 이용한 신호처리기법을 적용하여 하나의 빔 내에서 서로 다른 목표물을 인식할 수 있는 방안을 제안하는 것이고, 이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 각도 분해장치를 살펴보면, 초음파 발생기나 단일 주파수 발생기와 같이 단일의 주파수 신호를 송신하는 트랜스미터(transmitter)(100), 목표물(110)에서 반사되는 신호를 수신하는 리시버(Receiver)(120), 그리고 도플러 효과를 적용하여 송신신호와 수신신호와의 주파수 편이의 변화상태를 계산하는 고속 푸리에 변환부(FFT)(130)를 포함하여 구성된다. 여기서 상기 트랜스미터(100) 및 리시버(120)를 별개의 구성으로 설명하고 있지만 하나의 트랜시버(transceiver)로 구성할 수 있음은 물론이다.
이와 같은 구성에 의하여 본 발명은 1-빔 내에서 목표물들은 서로 다른 값의 도플러 주파수를 가지게 됨을 알 수 있고, 이러한 주파수 편이를 이용하여 목표물들을 구별할 수 있다.
본 발명의 각도 분해장치가 차량에 적용되어 목표물을 구별하는 예를 설명한다. 도 3은 각도 분해장치가 차량용 레이더로 적용할 경우의 장착위치와 탐지범위를 나타내고 있으며, 도시된 바와 같이 2개의 전방 레이더, 2개의 측면 레이더, 2개의 후방 레이더로 구성하였다. 물론 이러한 장착위치 및 탐지범위는 차량(승용차, 화물차, 대형트럭 등)이나 비행체, 선박 등의 사이즈 및 성능에 따라 얼마든지 달라질 수 있음은 당연하다.
이와 같은 구성에서, 도 4a와 같이 차량은 v의 속도로 이동하고 목표물(target)은 정지된 경우에 각각의 레이더에 구비된 각도 분해장치의 트랜스미터(100)는 정지된 상태의 목표물을 향하여 단일의 주파수를 송신하게 된다. 그러면 송신된 주파수는 1-빔 내에서 목표물 1(110a)과 목표물 2(110b)에서 각각 반사되고 이를 리시버(120)가 수신하게 된다. 그리고 이렇게 수신된 목표물 1(110a)과 목표물 2(110b)의 수신 주파수는 고속 푸리에 변환부(130)로 전송되며, 고속 푸리에 변환부(130)가 수신된 주파수를 분석한다.
차량은 소정 속도로 이동 중이기 때문에 상기 목표물 1(110a)과 목표물 2(110b)에서 반사된 신호는 서로 다른 도플러 주파수를 가지게 된다. 따라서 고속 푸리에 변환부(130)의 주파수 분석에 따르면 목표물 1(110a)의 도플러 주파수(fd)는
Figure 112019016048441-pat00001
만큼 편이가 발생하며, 목표물 2(110b)의 도플러 주파수(fd)는
Figure 112019016048441-pat00002
만큼 편이가 발생하는 것이고, 이처럼 차량의 이동에 따라 도플러주파수는 점차 작아지게 됨을 알 수 있다. 이러한 분석 결과에 따르면 도 4b와 같이 1-빔 내에서도 서로 다른 목표물을 구별할 수 있는 것이다. 즉 종래 카메라 및 라이다를 이용할 경우에는 도 1에 도시한 바와 같이 1-빔 내에서 목표물을 분해할 수 없었지만, 본 발명과 같이 도플러 주파수의 편이를 이용하게 되면, 각 목표물(110a, 110b)의 서로 다른 도플러 주파수로 인하여 목표물을 구별할 수가 있는 것이다.
본 발명의 도플러 주파수를 이용한 각도 분해장치는 손가락 등의 움직임이나 제스처(gesture)를 통해 특정 사물을 제어할 수 있는 모션 인식장치에도 적용할 수 있다. 이 경우는 도 5와 같이 고정된 상태의 플랫폼이 전방에서 발생하는 제스처를 인식하고 그 제스처에 대응하는 플랫폼의 동작을 제어하는 것인데 이 역시 제스처의 움직임에 따른 도플러 편이를 이용한 것이다. 즉 도 5는 레이더는 정지된 상태이고 손이 좌우로 움직이는 경우를 예시하고 있다.
도 5에 도시한 바와 같이 각도 분해장치는 고정된 플랫폼에 장착되고, 레이더 센서(Radar system)나 초음파 센서(Ultrasonic transceiver)로 동작한다. 그리고 이러한 레이더 센서나 초음파 센서에는 도 2에서 설명한 바 있는 트랜스미터(transmitter)(100), 리시버(Receiver)(120) 및 고속 푸리에 변환부(FFT)(130)가 포함되어 구성되며, 상술한 바와 같이 트랜스미터(100) 및 리시버(120)는 하나의 트랜시버(transceiver)로 구성할 수 있음은 물론이다.
이러한 구성의 각도 분해장치는 트랜스미터(100)의 주파수 송신 및 리시버(120)의 반사된 주파수를 수신하는 것에 의하여 전방의 제스처의 발생 여부를 인식하고, 제스처의 움직임에 따른 주파수는 고속 푸리에 변환부(130)가 실시간 전달받는다. 그러면 고속 푸리에 변환부(130)는 제스처를 제공하는 목표물이 소정 방향으로 v의 속도로 움직일 때 리시버(120)가 전달하는 주파수를 분석한다.
그리고 이러한 주파수 분석에 따르면 도 5의 (a) 및 (b)와 같이 레이더 플랫폼은 고정된 상태이고 목표물이 이동하기 때문에 목표물의 최초 위치와 이동방향의 위치에서의 도플러 주파수는 플랫폼과의 각도(θ1)(θ2)만큼 서로 다른 도플러 주파수를 가지게 될 것이다. 즉 하나의 빔 폭에서 제스처의 움직임 방향을 따라 각도 방향으로 분해를 할 수 있으며, 상기 레이더 센서에서의 도플러 주파수는 각각
Figure 112019016048441-pat00003
,
Figure 112019016048441-pat00004
이고, 상기 초음파 센서에서의 도플러 주파수는
Figure 112019016048441-pat00005
,
Figure 112019016048441-pat00006
이다.
이러한 제어동작은 모션 인식장치의 제어부(미도시)가 각도 방향으로 분해되어 제공되는 서로 다른 도플러 주파수에 따라서 미리 셋팅된 소정 동작을 제어할 수 있다는 것이다. 이처럼 하나의 빔 폭에서 각도 방향의 분해가 가능하기 때문에, 제어동작을 더 정확하고 세분화시켜 수행할 수 있게 됨을 의미한다고 할 것이고, 따라서 다양한 명령에 따라 서로 다른 제어동작을 수행하는 입력장치 등에 적용이 가능하다.
다음에는 본 발명의 다른 실시 예에 대하여 살펴본다. 도 6은 주파수 변조 연속파 레이더(FMCW)가 차량이나 비행체, 선박 등과 같이 소정 속도로 이동하는 이동체에 장착되어 목표물을 분해하는 각도 분해장치의 실시 예로서, LFM(Linear Frequency Modulation) 신호를 송신하는 트랜스미터(transmitter)(200), 목표물에서 반사되는 신호를 수신하는 리시버(Receiver)(220)가 구비된다. 그리고 리시버(220)가 수신한 수신신호와 기준신호를 믹싱(Mixing)하는 혼합부(230), 혼합된 믹싱 신호에서 도플러 신호를 분리하는 고속 푸리에 변환부(FFT)(240)가 구비된다.
이러한 도 6의 각도 분해장치도 기본적으로 도플러 주파수의 차이를 이용하여 목표물을 구별하는 것이고 이를 도 7을 참조하여 도플러 주파수의 분해 과정을 설명한다.
차량에 각도 분해장치가 장착되고, 차량이 이동하면 각도 분해장치의 트랜스미터(200) 및 리시버(220)는 각각 LFM 신호를 송신하고 목표물에서 반사되는 신호를 수신하게 된다. 이때, 도 7(a)와 같이 목표물이 존재할 경우 차량의 이동방향에 따라서 목표물 1 내지 5의 도플러 주파수는 도 7(b)처럼 거의 선형으로 감소하게 될 것이다. 그리고 차량은 진행방향을 향하여 이동하면서 목표물 1 내지 목표물 5와 각각 직각(90°)이 되는 시점(즉, 각도 분해장치와 직각일 때)에 0을 통과하게 된다.
여기서 도플러의 순간 주파수 차이
Figure 112019016048441-pat00007
는 목표물 1 내지 목표물 5 상호간들의 방위각 거리 d에 비례하며, 따라서 목표물 1 내지 목표물 5는 각각 LFM 신호 +
Figure 112019016048441-pat00008
만큼씩 편이가 발생한다.
이처럼 주파수 편이가 발생한 목표물 1 내지 목표물 5의 신호들은 혼합부(230)로 제공되고, 혼합부(230)는 일련의 기준신호(즉, LFM 신호)와 믹싱한 후 고속 푸리에 변환부(240)로 전달하게 된다.
그러면 고속 푸리에 변환부(240)는 목표물 1 내지 목표물 5에서 반사된 신호와 상기 기준신호의 혼합결과에 따라서 출력되는 시간지연성분이나 주파수 변형 정도를 분석하여, 상기 혼합된 믹싱신호에서 목표물 1 내지 목표물 5의 신호를 분리한다. 그 결과 상술한 바와 같이 목표물 1 내지 목표물 5의 도플러는 서로 LFM 신호 +
Figure 112019016048441-pat00009
만큼의 주파수 편이가 존재하기 때문에, 도 7(c)의 하단과 같이 각 목표물에 대한 도플러 신호를 분리하여 제공할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명의 실시 예들은 이동체나 제스처의 움직임에 따라 도플러 주파수가 1- 빔의 폭에서 각도 방향으로 주파수 편이가 발생하는 것을 이용하는 것이고, 이러한 도플러 주파수의 편이에 따라 1 - 빔 내에서 둘 이상의 목표물을 구분할 수 있는 것이다. 따라서 종래 차량용 레이더에 값비싼 액티브 방식의 빔 포밍 기술을 이용하지 않고서도 1- 빔 내에서 충분한 각도 분해기능을 수행할 수 있어 경제적이면서 차량 주변 등의 목표물을 구별할 수 있는 것이다. 아울러 모션 인식장치에도 적용할 수 있으며 이 경우 보다 세분화된 제어동작을 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200: 트랜스미터 110: 목표물(target)
120, 220: 리시버 130, 240: 고속 푸리에 변환부
230: 혼합부

Claims (5)

  1. 단일 주파수 신호를 송신하는 트랜스미터(transmitter);
    상기 송신된 신호에 대하여 둘 이상의 목표물에서 서로 다른 각도를 가지면서 반사되는 신호를 수신하는 리시버(Receiver); 그리고
    상기 수신된 반사 신호를 기초로 하여 개별 목표물의 도플러 주파수의 편이 값을 분석하는 고속 푸리에 변환부(FFT)를 포함하면서,
    상기 개별 목표물들을 하나의 빔(beam) 내에서 각도방향으로 분해하여 구별하되,
    하나의 빔 내에서 각도방향으로 분해된 만큼 개별 목표물들을 구별하는 것을 특징으로 하는 도플러 주파수를 이용한 각도 분해장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스미터는 초음파 발생기 또는 단일주파수 발생기이고, 하나의 주파수만 송신하는 도플러 주파수를 이용한 각도 분해장치.
  3. 삭제
  4. 변조 연속파 레이더(FMCW)가 이동형 물체에 장착되어 둘 이상의 목표물을 분해하는 장치이고;
    소정 속도로 이동하면서 LFM(Linear Frequency Modulation) 신호를 송신하는 트랜스미터(transmitter);
    상기 송신된 신호에 대하여 둘 이상의 목표물에서 서로 다른 각도를 가지면서 반사되는 신호를 수신하는 리시버(Receiver);
    상기 리시버가 수신한 수신신호와 기준신호를 믹싱(Mixing)하는 혼합부; 그리고
    도플러의 주파수 편이를 이용하여 상기 혼합된 믹싱 신호에서 개별 목표물의 도플러 신호를 분리하는 고속 푸리에 변환부(FFT)를 포함하며,
    하나의 빔 내에서 각도방향으로 분해된 만큼 개별 목표물들을 구별하는 것을 특징으로 하는 도플러 주파수를 이용한 각도 분해장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기준신호는, 상기 트랜스미터가 송신하는 LFM 신호인 도플러 주파수를 이용한 각도 분해장치.
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
노영환 외 2인. 발사체 추적용 도플러 레이더의 기술개발동향. 항공우주산업기술동향 11권2호, 2013년*
최상문 외 4인. 협대역 소나시스템에서 도플러 천이에 강인한 고속 LFM 표적 검출기법. 전자공학회논문지 51(8), 2014년8월*

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