KR102282757B1 - 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치 및 그 방법 - Google Patents

레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치 및 그 방법이 개시된다. 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법은 생체 레이더가 출력한 레이더 신호가 타겟에 반사된 반사 신호를 획득하는 단계; 상기 반사 신호에서 호흡 신호와 심박 신호를 분리하는 단계; 호흡 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 호흡 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계; 및 심박 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 심박 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING TWO-DIMENSIONAL PARAMETER FOR RADAR}
본 발명은 생체 FMCW 레이더를 위한 낮은 복잡도의 extrapolation-ESPRIT기반의 2차원 매개변수 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
생체 FMCW 레이더에서는 인체의 심장 및 호흡률에 대해 도플러 주파수의 높은 정밀도와 정확성이 요구된다.
그러나, 종래의 생체 FMCW 레이더에서 사용하는 2차원 고속 푸리에 변환 (FFT)은 제한된 데이터 길이 및 심박 신호의 낮은 SNR 환경에 의해 야기된 문제로 인해 도플러 주파수의 성능 저하를 겪는다는 문제가 있었다.
따라서, 2차원 ESPRIT과 2차원 MUSIC과 같은 고해상도 신호 파라미터의 2D 추정 알고리즘이 제안되었다.
그러나, 2차원 ESPRIT과 2차원 MUSIC는 알고리즘의 복잡성이 높기 때문에 고비용 시스템을 수용할 수 있는 군용 분야에만 적용 할 수 있으며 저비용 시스템을 갖춘 민간 분야에서는 사용하기가 어려운 실정이다.
따라서, 저 복잡도로 2차원 매개 변수(타겟의 거리 및 방향)을 추정하는 장치 및 방법이 요청되고 있다.
[선행문헌]
미국 등록 특허 US8454528
본 발명은 외삽법이 적용된 호흡 신호, 또는 심박 신호에 FFT를 수행하여 고해상도의 거리 정보를 추정하고, 외삽법이 적용된 호흡 신호, 또는 심박 신호에 FFT를 수행하여 생성된 스펙트럼 결과들 중에서 추정한 거리의 거리 인덱스(index)에 대응하는 스펙트럼 결과에 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행함으로써, 스펙트럼 결과에 포함된 위상 정보를 이용하여 저 복잡도로 타겟의 방향을 추정하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법은 생체 레이더가 출력한 레이더 신호가 타겟에 반사된 반사 신호를 획득하는 단계; 상기 반사 신호에서 호흡 신호와 심박 신호를 분리하는 단계; 호흡 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 호흡 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계; 및 심박 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 심박 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법의 호흡 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계는, 상기 반사 신호에서 분리된 호흡 신호에서 클러터 성분을 제거하는 단계; 클러터 성분이 제거된 호흡 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법(extrapolation)을 적용하는 단계; 외삽법이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 거리를 추정하는 단계; 및 추정한 거리에 대하여 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 방향을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법의 호흡 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계는, 외삽법과 도래 방위 추정 알고리즘을 이용하여 상기 호흡 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보를 생성하는 단계; 및 상기 호흡 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보에서 고해상도 호흡 주파수를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법의 심박 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계는 상기 반사 신호에서 분리된 심박 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법을 적용하는 단계; 외삽법이 적용된 심박 신호에 1차원 FFT를 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 거리를 추정하는 단계; 및 추정한 거리에 대하여 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 방향을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법의 심박 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계는, 외삽법과 도래 방위 추정 알고리즘을 이용하여 상기 심박 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보를 생성하는 단계; 및 상기 심박 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보에서 고해상도 심박 주파수를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치는 생체 레이더가 출력한 레이더 신호가 타겟에 반사된 반사 신호를 획득하는 수신기;상기 반사 신호에서 호흡 신호와 심박 신호를 분리하는 신호 분리부; 호흡 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 호흡 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 호흡 신호 처리부; 및 심박 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 심박 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 심박 신호 처리부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치의 호흡 신호 처리부는, 상기 반사 신호에서 분리된 호흡 신호에서 클러터 성분을 제거하고, 클러터 성분이 제거된 호흡 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법을 적용하며, 외삽법이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT를 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 거리를 추정하고, 추정한 거리에 대하여 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 방향을 추정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치의 호흡 신호 처리부는, 외삽법과 도래 방위 추정 알고리즘을 이용하여 상기 호흡 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보를 생성하고, 상기 호흡 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보에서 고해상도 호흡 주파수를 검출할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치의 심박 신호 처리부는, 상기 반사 신호에서 분리된 심박 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법을 적용하고, 외삽법이 적용된 심박 신호에 1차원 FFT를 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 거리를 추정하며, 추정한 거리에 대하여 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 방향을 추정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치의 심박 신호 처리부는, 외삽법과 도래 방위 추정 알고리즘을 이용하여 상기 심박 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보를 생성하고, 상기 심박 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보에서 고해상도 심박 주파수를 검출할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 외삽법이 적용된 호흡 신호, 또는 심박 신호에 FFT를 수행하여 고해상도의 거리 정보를 추정하고, 외삽법이 적용된 호흡 신호, 또는 심박 신호에 FFT를 수행하여 생성된 스펙트럼 결과들 중에서 추정한 거리의 거리 인덱스(index)에 대응하는 스펙트럼 결과에 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행함으로써, 스펙트럼 결과에 포함된 위상 정보를 이용하여 저 복잡도로 타겟의 방향을 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 생체 레이더가 발신한 레이더 신호 및 수신한 반사 신호의 일례이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 과정의 일례이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 호흡 신호, 또는 심박 신호의 변화 과정의 일례이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 생성한 거리 도플러 맵 검출 정보의 일례이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 타겟 검출 결과 및 종래 기술에 따른 타겟 검출 결과의 일례이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법을 도시한 플로우차트이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법의 호흡 신호에서 2차원 매개 변수를 추정하는 과정을 도시한 플로우차트이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법의 호흡 신호에서 2차원 매개 변수를 추정하는 과정을 도시한 플로우차트이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법은 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치를 나타내는 도면이다.
레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 수신기(110), 신호 분리부(120), 호흡 신호 처리부(130), 및 심박 신호 처리부(140) 를 포함할 수 있다. 이때, 수신기(110)는 통신기이고, 신호 분리부(120), 호흡 신호 처리부(130), 및 심박 신호 처리부(140)는 서로 다른 프로세서이거나, 또는 하나의 프로세서에서 수행되는 프로그램에 포함된 각각의 모듈일 수 있다.
수신기(110)는 생체 레이더(101)가 출력한 레이더 신호가 타겟에 반사된 반사 신호를 획득하여 신호 분리부(120)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 생체 레이더(101)는 FMCW(Optical Frequency-modulated Continuous-wave) 신호를 레이더 신호로 출력하는 FMCW 레이더일 수 있다.
신호 분리부(120)는 수신기(110)가 수신한 반사 신호에서 호흡 신호와 심박 신호를 분리할 수 있다. 이때, 호흡 신호가 심박 신호보다 강하여 심박 신호가 호흡 신호의 하모닉 성분에 묻힐 가능성이 있으므로, 신호 분리부(120)는 고정 필터를 반사 신호에 적용할 수 있다.
예를 들어, 신호 분리부(120)는 저역 통과 필터 (LPF)와 고역 통과 필터 (HPF)를 포함하는 호흡 및 심장박동 필터를 이용하여 반사 신호에서 호흡 신호와 심박 신호를 분리할 수 있다. 이때, 저역 통과 필터 (LPF)와 고역 통과 필터 (HPF)의 컷오프 파라미터는 심장 박동 통계에 따라 결정될 수 있다.
호흡 신호 처리부(130)는 신호 분리부(120)에서 분리된 호흡 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 호흡 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정할 수 있다. 예를 들어, 레이더용 2차원 매개 변수는 생체 레이더(101)과 타겟 간의 거리 및 방향을 포함할 수 있다.
먼저, 호흡 신호 처리부(130)는 반사 신호에서 분리된 호흡 신호에서 클러터 성분을 제거할 수 있다. 신호 분리부(120)에서 호흡 신호로 분리된 신호는 실제 타겟의 호흡과 관련된 성분보다 클러터의 파워가 우세하며, 클러터의 주파수 스펙트럼이 DC 성분에 집중된 상태일 수 있다. 따라서, 호흡 신호 처리부(130)는 반사 신호에서 분리된 호흡 신호에 MTI(Moving target indicator)를 사용하여 클러터 성분을 제거할 수 있다.
다음으로, 호흡 신호 처리부(130)는 클러터 성분이 제거된 호흡 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법(extrapolation)을 적용할 수 있다. 구체적으로, 호흡 신호 처리부(130)는 클러터 성분이 제거된 호흡 신호의 첩(chirp)들 각각에서 AR(autoregressive) 파라미터를 추정할 수 있다. 그리고, 호흡 신호 처리부(130)는 추정한 AR 파라미터로 선형 예측을 수행하여 호흡 신호에 외삽법을 적용할 수 있다.
그 다음으로, 호흡 신호 처리부(130)는 외삽법이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 타겟과 생체 레이더(101) 간의 거리를 추정할 수 있다.
다음으로, 호흡 신호 처리부(130)는 추정한 거리에 따라 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟과 생체 레이더(101) 간의 방향을 추정할 수 있다. 예를 들어, 호흡 신호 처리부(130)가 수행하는 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘은 ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques), 또는 MUSIC(MUltiple Signal classsification)일 수 있다.
외삽법이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT를 수행하여 생성된 스펙트럼 결과는 타겟의 크기 및 위상 정보를 가지고 있다. 따라서, 호흡 신호 처리부(130)는 추정한 거리의 거리 인덱스(index)에 대응하는 스펙트럼 결과에 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행함으로써, 스펙트럼 결과에 포함된 위상 정보를 이용하여 저 복잡도로 타겟의 방향을 추정할 수 있다.
이때, 호흡 신호 처리부(130)는 외삽법과 도래 방위 추정 알고리즘을 이용하여 호흡 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보를 생성할 수 있다. 그리고, 호흡 신호 처리부(130)는 호흡 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보에서 고해상도 호흡 주파수를 검출할 수 있다.
심박 신호 처리부(140)는 신호 분리부(120)에서 분리된 심박 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 심박 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정할 수 있다.
먼저, 심박 신호 처리부(140)는 반사 신호에서 분리된 심박 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법을 적용할 수 있다. 구체적으로, 심박 신호 처리부(140)는 심박 신호의 첩들 각각에서 AR파라미터를 추정할 수 있다. 그리고, 심박 신호 처리부(140)는 추정한 AR 파라미터로 선형 예측을 수행하여 심박 신호에 외삽법을 적용할 수 있다.
그 다음으로, 심박 신호 처리부(140)는 외삽법이 적용된 심박 신호에 1차원 FFT를 수행하여 타겟과 생체 레이더(101) 간의 거리를 추정할 수 있다.
다음으로, 심박 신호 처리부(140)는 추정한 거리의 거리 인덱스(index)에 대하여 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟과 생체 레이더(101) 간의 방향을 추정할 수 있다. 예를 들어, 심박 신호 처리부(140)가 수행하는 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘은 ESPRIT, 또는 MUSIC일 수 있다.
외삽법이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT를 수행하여 생성된 스펙트럼 결과는 타겟의 크기 및 위상 정보를 가지고 있다. 따라서, 심박 신호 처리부(140)는 추정한 거리의 거리 인덱스(index)에 대응하는 스펙트럼 결과에 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행함으로써, 스펙트럼 결과에 포함된 위상 정보를 이용하여 저 복잡도로 타겟의 방향을 추정할 수 있다.
이때, 심박 신호 처리부(140)는 외삽법과 도래 방위 추정 알고리즘을 이용하여 심박 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보를 생성할 수 있다. 그리고, 심박 신호 처리부(140)는 심박 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보에서 고해상도 심박 주파수를 검출할 수 있다.
레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치(100)는 외삽법이 적용된 호흡 신호, 또는 심박 신호에 FFT를 수행하여 고해상도의 거리 정보를 추정하고, 외삽법이 적용된 호흡 신호, 또는 심박 신호에 FFT를 수행하여 생성된 스펙트럼 결과들 중에서 추정한 거리의 거리 인덱스(index)에 대응하는 스펙트럼 결과에 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행함으로써, 스펙트럼 결과에 포함된 위상 정보를 이용하여 저 복잡도로 타겟의 방향을 추정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 생체 레이더가 발신한 레이더 신호 및 수신한 반사 신호의 일례이다.
이때, 생체 레이더(101)가 출력한 레이더 신호(210)는 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112019073706456-pat00001
이때, ωs는 초기 주파수, μ는 처프 심볼의 순간 주파수의 변화율일 수 있다. 또한, μ는ωBW/Tsym일 수 있다. 이때, ωBW는 레이더 신호(210)의 대역폭이며, Tsym은 레이더 심볼의 신호 주기일 수 있다.
그리고, 몸체의 움직임에 의한 시변 변위 xm(t)를 가지는 M 표적의 공칭 거리 d0, m을 고려하면, 생체 레이더(101)와 타겟의 몸체 간의 거리인 dm(t)는 d0, m + xm(t)일 수 있다. 또한, xm(t)는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019073706456-pat00002
이때, xm, h (t)는 진폭 am, h이고, 각 주파수(angular frequency) ωm, h 을 갖는 사인 곡선으로 표현 될 수 있는 m번째 타겟인 사용자의 심장 박동 신호이고, xm, r (t)는 진폭 am, r 이고, 각 주파수(angular frequency) ωm, r 을 갖는 사인 곡선으로 표현 될 수 있는 m번째 타겟인 사용자의 호흡 신호일 수 있다.
또한, 생체 레이더(101)가 수신한 반사 신호(220)는 레이더 신호(210)가 타겟인 사용자에 반사되며, 비선형 위상 변조 및 사용자의 신체 움직임에 의한 호흡 고조파를 포함할 수 있다. 예를 들어, Tsym을 통한 시간 불변 채널을 가정하면, 반사 신호(220)는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019073706456-pat00003
이때, τm은 m 번째 타겟에 반사된 반사 신호(220)가 수신한 시간과 레이더 신호(210)가 출력된 시간 간의 시간 지연을 나타낼 수 있다. 또한, αm은 m 번째 대상에 대한 복소 진폭이고, λ는 반송파 신호의 파장일 수 있다. 그리고, xm,ㅣ,r (t)는 진폭 am, l, r 이고, 각 주파수(angular frequency) ωm인 호흡의 l 번째 고조파 성분을 나타낼 수 있다.
l = 1, 2, ..., L에 대한 각 주파수(angular frequency) ωm, l, r, 에서 l = 1 인 원래의 호흡 성분이고, θ는 총 누적 위상 잔차를 나타내며 ω (t)는 덧셈 백색 가우시안 잡음 (AWGN) 신호일 수 있다. 또한, 디 - 처핑은 수학식 4와 같이 수신한 반사 신호(220) y (t)의 곱과 출력한 레이더 신호(210) s*(t)의 공액으로 정의될 수 있다.
Figure 112019073706456-pat00004
이때, p(t)는 y (t)가 정현파 형태로 변환됨을 나타낼 수 있다. 수학식 4에 따르면 변환 된 신호 p (t)는 수학식 5와 같이 정현파 파형을 가질 수 있다.
Figure 112019073706456-pat00005
또한, 나이퀴스트(Nyquist) 샘플링 주파수 fs = 1 / Ts가 주어지면 아날로그 - 디지털 변환기 (ADC)를 통해 수신되는 p (t)의 이산 시간 모델 p [n]은 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019073706456-pat00006
이때, n = 0, 1, ... N-1이다. 그리고, 이산 시간 모델 p [n]의 위상 값 q [n]은 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019073706456-pat00007
이때, Re (·)와 Im (·)은 각각 실제 가치와 이미지 가치일 수 있다. 또한, atan (·)은 아크 탄젠트 연산자를 나타내고 ζ[n]은 AWGN 노이즈의 아크 탄젠트 결과일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 과정의 일례이다.
단계(310)에서 신호 분리부(120)는 1 내지 P개의 첩들로 구성된 반사 신호를 각각 호흡 필터(311)과 심박 필터(312)이 입력하여 반사 신호에서 호흡 신호와 심박 신호를 분리할 수 있다.
단계(320)에서 호흡 신호 처리부(130)는 단계(310)에서 분리된 호흡 신호에 MTI(Moving target indicator)를 사용하여 클러터 성분을 제거할 수 있다.
단계(330)에서 호흡 신호 처리부(130)는 단계(320)에서 클러터 성분이 제거된 호흡 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법(extrapolation)(331)을 적용할 수 있다. 또한, 심박 신호 처리부(140)는 단계(310)에서 분리된 심박 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법(332)을 적용할 수 있다.
단계(340)에서 호흡 신호 처리부(130)는 단계(330)에서 외삽법(331)이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT(341)를 수행하여 타겟과 생체 레이더(101) 간의 거리를 추정할 수 있다. 이때, 외삽법이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT를 수행하여 생성된 스펙트럼 결과는 타겟의 크기 및 위상 정보를 가지고 있다.
또한, 심박 신호 처리부(140)는 단계(330)에서 외삽법(332)이 적용된 심박 신호에 1차원 FFT(342)를 수행하여 타겟과 생체 레이더(101) 간의 거리를 추정할 수 있다. 이때, 외삽법이 적용된 심박 신호에 1차원 FFT를 수행하여 생성된 스펙트럼 결과는 타겟의 크기 및 위상 정보를 가지고 있다.
단계(350)에서 호흡 신호 처리부(130)는 단계(340)에서 추정한 거리의 거리 인덱스(index)에 대응하는 호흡 신호의 스펙트럼 결과에 ESPRIT(351)을 수행하여 타겟의 방향을 추정할 수 있다. 또한, 심박 신호 처리부(140)는 단계(340)에서 추정한 거리의 거리 인덱스(index)에 대응하는 심박 신호의 스펙트럼 결과에 ESPRIT(352)을 수행하여 타겟의 방향을 추정할 수 있다.
단계(360)에서 호흡 신호 처리부(130)는 외삽법과 도래 방위 추정 알고리즘(361)을 이용하여 호흡 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보를 생성할 수 있다. 그리고, 호흡 신호 처리부(130)는 호흡 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보에서 고해상도 호흡 주파수를 검출할 수 있다.
또한, 심박 신호 처리부(140)는 외삽법과 도래 방위 추정 알고리즘(362)을 이용하여 심박 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보를 생성할 수 있다. 그리고, 심박 신호 처리부(140)는 심박 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보에서 고해상도 심박 주파수를 검출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 호흡 신호, 또는 심박 신호의 변화 과정의 일례이다.
단계(410)에서 호흡 신호 처리부(130)는 클러터 성분이 제거된 호흡 신호의 첩들 각각에서 AR 파라미터를 추정할 수 있다. 그리고, 호흡 신호 처리부(130)는 추정한 AR 파라미터로 도 4에 도시된 바와 같이 선형 예측을 수행하여 호흡 신호에 외삽법을 적용할 수 있다.
단계(420)에서 호흡 신호 처리부(130)는 외삽법이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 타겟과 생체 레이더(101) 간의 거리를 추정할 수 있다.
단계(430)에서 호흡 신호 처리부(130)는 추정한 거리에 따라 ESPRIT를 수행하여 타겟과 생체 레이더(101) 간의 방향을 추정할 수 있다.
도 4의 단계(410) 내지 단계(430)에서 도시된 호흡 신호의 변화는 심박 신호 처리부(130)에서 처리되는 심박 신호에서도 유사한 형태로 나타날 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 생성한 거리 도플러 맵 검출 정보의 일례이다.
레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치(100)가 생성한 거리 도플러 맵 검출 정보는 도 5에 도시된 바와 같이 고해상도 호흡 주파수(510)와 고해상도 심박 주파수(520)를 포함할 수 있다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 타겟 검출 결과 및 종래 기술에 따른 타겟 검출 결과의 일례이다.
도 6의 케이스 1(Case 1)은 종래의 2D-FFT에 따른 타겟 검출 결과(611)와 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치(100)가 추정한 2차원 매개 변수에 따른 타겟 검출 결과(612)의 일례이다.
2개의 타겟이 일정 거리 안에 위치한 경우, 2D-FFT은 타겟을 2개로 구분하지 못하므로, 타겟 검출 결과(611)와 같이 하나의 타겟에 대한 생체 신호만 검출할 수 있다. 반면, 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치(100)는 타겟 검출 결과(612)에 도시된 바와 같이 타겟들 각각의 생체 신호를 구분하여 검출할 수 있다.
도 6의 케이스 2(Case 2)은 종래의 2D-MUISIC에 따른 타겟 검출 결과(611)와 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치(100)가 추정한 2차원 매개 변수에 따른 타겟 검출 결과(612)의 일례이다.
2개의 타겟이 일정 거리 안에 위치한 경우, 2D-MUISIC는 타겟을 2개로 구분할 수 있으나, 심박 신호가 호흡 신호에 비하여 검출하기 어려우므로, 시뮬레이션을 통하여 심박 신호를 검출하고 잇다. 따라서, 타겟 검출 결과(611)는 도 6에 도시된 바와 같이 타겟 검출 결과(612)에 비하여 부정확하게 넓은 영역을 생체 신호로 검출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법을 도시한 플로우차트이다.
단계(710)에서 수신기(110)는 생체 레이더(101)가 출력한 레이더 신호가 타겟에 반사된 반사 신호를 획득할 수 있다.
단계(720)에서 신호 분리부(120)는 단계(710)에서 수신한 반사 신호에서 호흡 신호와 심박 신호를 분리할 수 있다.
단계(730)에서 호흡 신호 처리부(130)는 단계(710)에서 분리된 호흡 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 호흡 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정할 수 있다.
단계(740)에서 심박 신호 처리부(140)는 단계(710)에서 분리된 심박 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 심박 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법의 호흡 신호에서 2차원 매개 변수를 추정하는 과정을 도시한 플로우차트이다. 도 8의 단계(810) 내지 단계(840)는 도 7의 단계(730)에 포함될 수 있다.
단계(810)에서 호흡 신호 처리부(130)는 단계(720)에서 분리된 호흡 신호에서 클러터 성분을 제거할 수 있다. 이때, 호흡 신호 처리부(130)는 반사 신호에서 분리된 호흡 신호에 MTI를 사용하여 클러터 성분을 제거할 수 있다.
단계(820)에서 호흡 신호 처리부(130)는 단계(810)에서 클러터 성분이 제거된 호흡 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법을 적용할 수 있다. 구체적으로, 호흡 신호 처리부(130)는 클러터 성분이 제거된 호흡 신호의 첩(chirp)들 각각에서 AR 파라미터를 추정할 수 있다. 그리고, 호흡 신호 처리부(130)는 추정한 AR 파라미터로 선형 예측을 수행하여 호흡 신호에 외삽법을 적용할 수 있다.
단계(830)에서 호흡 신호 처리부(130)는 단계(830)에서 외삽법이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT를 수행하여 타겟과 생체 레이더(101) 간의 거리를 추정할 수 있다.
단계(840)에서 호흡 신호 처리부(130)는 단계(830)에서 추정한 거리에 따라 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟과 생체 레이더(101) 간의 방향을 추정할 수 있다. 구체적으로, 호흡 신호 처리부(130)는 외삽법이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT를 수행하여 생성된 스펙트럼 결과 중에서 추정한 거리의 거리 인덱스(index)에 대응하는 스펙트럼 결과에 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟의 방향을 추정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법의 호흡 신호에서 2차원 매개 변수를 추정하는 과정을 도시한 플로우차트이다. 도 9의 단계(910) 내지 단계(930)는 도 7의 단계(740)에 포함될 수 있다.
단계(910)에서 심박 신호 처리부(140)는 단계(720)에서 분리된 심박 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법을 적용할 수 있다. 구체적으로, 심박 신호 처리부(140)는 심박 신호의 첩들 각각에서 AR파라미터를 추정할 수 있다. 그리고, 심박 신호 처리부(140)는 추정한 AR 파라미터로 선형 예측을 수행하여 심박 신호에 외삽법을 적용할 수 있다.
단계(920)에서 심박 신호 처리부(140)는 단계(910)에서 외삽법이 적용된 심박 신호에 1차원 FFT를 수행하여 타겟과 생체 레이더(101) 간의 거리를 추정할 수 있다.
단계(930)에서 심박 신호 처리부(140)는 추정한 거리의 거리 인덱스(index)에 대하여 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟과 생체 레이더(101) 간의 방향을 추정할 수 있다. 구체적으로, 심박 신호 처리부(140)는 외삽법이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT를 수행하여 생성된 스펙트럼 결과 중에서 추정한 거리의 거리 인덱스(index)에 대응하는 스펙트럼 결과에 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟의 방향을 추정할 수 있다.
본 발명은 외삽법이 적용된 호흡 신호, 또는 심박 신호에 FFT를 수행하여 고해상도의 거리 정보를 추정하고, 외삽법이 적용된 호흡 신호, 또는 심박 신호에 FFT를 수행하여 생성된 스펙트럼 결과들 중에서 추정한 거리의 거리 인덱스(index)에 대응하는 스펙트럼 결과에 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행함으로써, 스펙트럼 결과에 포함된 위상 정보를 이용하여 저 복잡도로 타겟의 방향을 추정할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
100: 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치
101: 생체 레이더
110: 수신기
120: 신호 분리부
130: 호흡 신호 처리부
140: 심박 신호 처리부

Claims (10)

  1. 수신기, 신호 분리부, 호흡 신호 처리부 및 심박 신호 처리부를 포함하는 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치가 수행하는 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법에 있어서,
    상기 수신기가 생체 레이더가 출력한 레이더 신호가 타겟에 반사된 반사 신호를 획득하는 단계;
    상기 신호 분리부가 상기 반사 신호에서 호흡 신호와 심박 신호를 분리하는 단계;
    상기 호흡 신호 처리부가 호흡 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 호흡 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계; 및
    상기 심박 신호 처리부가 심박 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 심박 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계;
    를 포함하는 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 호흡 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계는,
    상기 호흡 신호 처리부가 상기 반사 신호에서 분리된 호흡 신호에서 클러터 성분을 제거하는 단계;
    상기 호흡 신호 처리부가 클러터 성분이 제거된 호흡 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법(extrapolation)을 적용하는 단계;
    상기 호흡 신호 처리부가 외삽법이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 거리를 추정하는 단계; 및
    상기 호흡 신호 처리부가 추정한 거리에 대하여 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 방향을 추정하는 단계
    를 포함하는 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 호흡 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계는,
    상기 호흡 신호 처리부가 외삽법과 도래 방위 추정 알고리즘을 이용하여 상기 호흡 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 호흡 신호 처리부가 상기 호흡 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보에서 고해상도 호흡 주파수를 검출하는 단계
    를 더 포함하는 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 심박 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계는
    상기 심박 신호 처리부가 상기 반사 신호에서 분리된 심박 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법을 적용하는 단계;
    상기 심박 신호 처리부가 외삽법이 적용된 심박 신호에 1차원 FFT를 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 거리를 추정하는 단계; 및
    상기 심박 신호 처리부가 추정한 거리에 대하여 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 방향을 추정하는 단계
    를 포함하는 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 심박 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 단계는,
    상기 심박 신호 처리부가 외삽법과 도래 방위 추정 알고리즘을 이용하여 상기 심박 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 심박 신호 처리부가 상기 심박 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보에서 고해상도 심박 주파수를 검출하는 단계
    를 더 포함하는 레이더용 2차원 매개 변수 추정 방법.
  6. 생체 레이더가 출력한 레이더 신호가 타겟에 반사된 반사 신호를 획득하는 수신기;
    상기 반사 신호에서 호흡 신호와 심박 신호를 분리하는 신호 분리부;
    호흡 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 호흡 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 호흡 신호 처리부; 및
    심박 신호에 대한 선형 예측을 수행하고, 선형 예측이 수행된 심박 신호를 기초로 레이더용 2차원 매개 변수를 추정하는 심박 신호 처리부
    를 포함하는 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 호흡 신호 처리부는,
    상기 반사 신호에서 분리된 호흡 신호에서 클러터 성분을 제거하고, 클러터 성분이 제거된 호흡 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법을 적용하며, 외삽법이 적용된 호흡 신호에 1차원 FFT를 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 거리를 추정하고, 추정한 거리에 대하여 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 방향을 추정하는 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 호흡 신호 처리부는,
    외삽법과 도래 방위 추정 알고리즘을 이용하여 상기 호흡 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보를 생성하고, 상기 호흡 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보에서 고해상도 호흡 주파수를 검출하는 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 심박 신호 처리부는,
    상기 반사 신호에서 분리된 심박 신호에 선형 예측을 수행하여 외삽법을 적용하고, 외삽법이 적용된 심박 신호에 1차원 FFT를 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 거리를 추정하며, 추정한 거리에 대하여 신호의 도래 방위를 추정하기 위한 알고리즘을 수행하여 타겟과 상기 생체 레이더 간의 방향을 추정하는 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 심박 신호 처리부는,
    외삽법과 도래 방위 추정 알고리즘을 이용하여 상기 심박 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보를 생성하고, 상기 심박 신호에 대한 거리-도플러 맵 검출 정보에서 고해상도 심박 주파수를 검출하는 레이더용 2차원 매개 변수 추정 장치.
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