KR102331907B1 - 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치 및 그 방법 - Google Patents

거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치 및 그 방법을 개시한다. 즉, 본 발명은 복소수 연산이 수행되는 2D-MUSIC 알고리즘을 전체 실수화 연산 전환하는 전처리 기능을 수행함으로써, 배열 안테나 기반 FMCW 레이더 시스템의 거리-각도 동시 추정을 위한 2D-MUSIC 알고리즘의 저복잡도를 구현하고, 시스템 운영 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치 및 그 방법{Apparatus for processing signal of radar for estimating joint range and angle and method thereof}
본 발명은 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 배열 안테나 기반 FMCW 레이더 시스템의 거리-각도 동시 추정을 위한 2D-MUSIC 알고리즘의 저복잡도를 위해 복소수 연산이 수행되는 2D-MUSIC 알고리즘을 전체 실수화 연산 전환하는 전처리 기능을 수행하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
초고해상도 기법인 MUSIC(MUltiple SIgnal Classification) 알고리즘을 이용해 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더 시스템에서 거리와 각도를 동시 추정할 수 있는 2D-MUSIC 알고리즘에 관한 연구가 이루어지고 있다.
상기 2D-MUSIC 알고리즘은 FFT(Fast Fourier Transform)와 달리 거리 해상도와 각도 해상도가 각각 대역폭과 안테나 개수에 영향을 받지 않고, 해상도를 올릴 수 있는 장점이 있다. 그러나 MUSIC 알고리즘은 복소수 기반의 공분산 행렬 연산, 고유값 분해 및 스펙트럼 검출 연산으로 인해 매우 큰 연산량이 요구되며, 거리-각도 추정의 2D-MUSIC 알고리즘은 복잡도 크기가 더욱 증가하는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2018-0042052호 [제목: FMCW 레이더를 이용한 타겟 탐지 장치 및 방법]
본 발명의 목적은 배열 안테나 기반 FMCW 레이더 시스템의 거리-각도 동시 추정을 위한 2D-MUSIC 알고리즘의 저복잡도를 위해 복소수 연산이 수행되는 2D-MUSIC 알고리즘을 전체 실수화 연산 전환하는 전처리 기능을 수행하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 거리-각도 행렬에서 안테나의 대칭성을 이용하여 각도 조향 벡터를 실수값으로 변환하고, 이를 거리축에서 비트 주파수 신호 각 샘플의 일정한 위상 차이를 이용하여 동일한 연산을 수행하여 전체 실수화된 조향 벡터를 산출하고, 산출된 전체 실수화된 조향 벡터를 통해 전체 복소수 연산을 실수 연산으로 변환하여 2D-MUSIC 연산을 수행하여 거리와 각도를 동시에 추정하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치는 등간격 선형 배열 안테나를 통해 수신된 수신 신호들에 대해 표본화 기능을 수행하여 표본화된 비트 주파수 신호를 출력하는 ADC부; 상기 ADC부에 의해 출력되는 표본화된 비트 주파수 신호에 대한 전처리 기능을 수행하여 실수화된 데이터를 출력하는 전처리부; 및 상기 실수화된 데이터를 입력값으로 2D-MUSIC(2D-MUltiple SIgnal Classification) 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 프로세서를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 ADC부는, 위상정합처리구간 동안 송신 신호를 미리 설정된 주기로 상기 등간격 선형 배열 안테나를 통해 짧은 펄스를 전송하고, 표적으로부터 반사된 상기 수신 신호를 최대 탐지 거리 기준에 따라 다음 펄스 송신 전까지 수신하고, 상기 수신된 수신 신호에 대해서 표본화 기능을 수행하여 상기 비트 주파수 신호를 출력할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 ADC부는, 미리 설정된 샘플링 주파수
Figure 112019095915890-pat00001
로 디지털화되어 샘플링된 m번째 상기 비트 주파수 신호를 출력하며,
Figure 112019095915890-pat00002
, 상기
Figure 112019095915890-pat00003
는 표적들에 의해 형성되는 L×1 벡터의 조향 벡터를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00004
는 k번째 표적의 m번째 비트 주파수 샘플 값을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00005
는 k번째 표적의 신호원을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00006
은 l번째 안테나의 m번째 샘플에 해당하는 AWGN을 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기
Figure 112019095915890-pat00007
는, 다음의 수학식으로 나타내며,
Figure 112019095915890-pat00008
, 상기 d는 등간격 선형 배열 안테나에서의 안테나 간격을 나타내고, 상기 λ는 신호의 파장을 나타내고, 상기 l은 상기 등간격 선형 배열 안테나 중에서 l번째 안테나를 나타내고, 상기 k는 소스 신호원 K×1 벡터 중 k번째 요소를 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기
Figure 112019095915890-pat00009
는, 다음의 수학식으로 나타내며,
Figure 112019095915890-pat00010
, 상기
Figure 112019095915890-pat00011
는 k번째 표적의 거리값을 나타내고, 상기 B는 대역폭을 나타내고, 상기 T는 변조된 신호를 전송하는 한 첩의 시간을 나타내고, 상기 c는 전파의 속도를 나타내고, 상기 m은 비트 주파수 신호에서 m번째를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00012
는 샘플링 주파수를 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기
Figure 112019095915890-pat00013
는, 다음의 수학식으로 나타내며,
Figure 112019095915890-pat00014
, 상기
Figure 112019095915890-pat00015
는 k번째 표적의 신호원을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00016
는 k번째 표적으로부터 반사된 신호의 크기를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00017
는 중심 주파수를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00018
는 지연 시간을 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 전처리부는, 상기 ADC부로부터 출력되는 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 전처리부는, 상기 비트 주파수 신호에서 안테나 축을 중심으로 2개의 벡터를 형성하고, 상기 형성된 2개의 벡터로부터 안테나 중심 특성을 이용해서 다음의 수학식과 같은 실수화된 조향 벡터를 나타내는 행렬을 형성하며,
Figure 112019095915890-pat00019
, 상기 Y1(m) 및 Y2(m)은 다음 수학식으로 나타내며,
Figure 112019095915890-pat00020
,
Figure 112019095915890-pat00021
, 상기
Figure 112019095915890-pat00022
과 상기
Figure 112019095915890-pat00023
은 다음 수학식으로 나타내며,
Figure 112019095915890-pat00024
,
Figure 112019095915890-pat00025
, 상기 L은 안테나 개수를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00026
은 조향 벡터의 집합으로 다음의 수학식으로 나타내며, 상기 수학식에 포함된
Figure 112019095915890-pat00027
와
Figure 112019095915890-pat00028
는 다음의 수학식들로 각각 나타내며,
Figure 112019095915890-pat00029
,
Figure 112019095915890-pat00030
,
Figure 112019095915890-pat00031
, 상기 S는 다음의 수학식으로 나타내고,
Figure 112019095915890-pat00032
, 상기
Figure 112019095915890-pat00033
은 다음의 수학식으로 나타내고,
Figure 112019095915890-pat00034
, 상기
Figure 112019095915890-pat00035
은 AWGN을 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 전처리부는, 상기 실수화된 조향 벡터 성분을 포함하는 비트 주파수 신호에 포함된 주파수 성분을 실수화할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 전처리부는, 상기 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 신호에 대해 실수값을 취해, 실수화된 데이터를 생성할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 프로세서는, 스냅샷 개수 n개에 따라 상기 실수화된 데이터에 대해 다음의 수학식으로 벡터화하며,
Figure 112019095915890-pat00036
, 상기
Figure 112019095915890-pat00037
이며, 상기 M은 시간 축에서 사용하는 샘플 개수를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00038
은 LM × 1 크기의 벡터를 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 프로세서는, 다음의 수학식으로 스냅샷 개수 n개로부터 공분산 행렬을 구하며,
Figure 112019095915890-pat00039
, 상기
Figure 112019095915890-pat00040
은 선형 배열 안테나로 수신된 동일 시간 샘플에 대한 주파수 신호들의 벡터를 나타내고, 상기 H는 허미시안(Hermitian) 연산을 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 프로세서는, 상기 구한 공분산 행렬에 대해 고유값 분해로부터 LM-K 개의 고유 벡터로 잡음 부공간을 형성한 뒤, 상기 잡음 부공간과 신호의 입사 방향이 직교하는 특성을 이용하여 다음의 수학식으로부터 거리-각도 공간 스펙트럼을 형성하여 극값을 찾아 표적의 위치를 추정하며,
Figure 112019095915890-pat00041
, 상기
Figure 112019095915890-pat00042
이고, 상기
Figure 112019095915890-pat00043
는 크로네커 곱(kronecker product)을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00044
은 잡음 부공간을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00045
는 L×1의 각도 조향 벡터를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00046
은 M×1의 거리 조향 벡터를 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법은 ADC부에 의해, 등간격 선형 배열 안테나를 통해 수신된 수신 신호들에 대해 표본화 기능을 수행하여 표본화된 비트 주파수 신호를 출력하는 단계; 전처리부에 의해, 상기 ADC부에 의해 출력되는 표본화된 비트 주파수 신호에 대한 전처리 기능을 수행하여 실수화된 데이터를 출력하는 단계; 및 프로세서에 의해, 상기 실수화된 데이터를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 비트 주파수 신호를 출력하는 단계는, 위상정합처리구간 동안 송신 신호를 미리 설정된 주기로 상기 등간격 선형 배열 안테나를 통해 짧은 펄스를 전송하는 과정; 표적으로부터 반사된 상기 수신 신호를 최대 탐지 거리 기준에 따라 다음 펄스 송신 전까지 수신하는 과정; 및 상기 수신된 수신 신호에 대해서 표본화 기능을 수행하여 상기 비트 주파수 신호를 출력하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 미리 설정된 샘플링 주파수
Figure 112019095915890-pat00047
로 디지털화되어 샘플링된 m번째 상기 비트 주파수 신호는, 다음의 수학식으로 나타내며,
Figure 112019095915890-pat00048
, 상기
Figure 112019095915890-pat00049
는 표적들에 의해 형성되는 L×1 벡터의 조향 벡터를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00050
는 k번째 표적의 m번째 비트 주파수 샘플 값을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00051
는 k번째 표적의 신호원을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00052
은 l번째 안테나의 m번째 샘플에 해당하는 AWGN을 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 표본화된 비트 주파수 신호에 대한 전처리 기능을 수행하여 실수화된 비트 주파수 신호를 출력하는 단계는, 상기 ADC부로부터 출력되는 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화하는 과정; 상기 실수화된 조향 벡터 성분을 포함하는 비트 주파수 신호에 포함된 주파수 성분을 실수화하는 과정; 및 상기 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 신호에 대해 실수값을 취해, 실수화된 데이터를 생성하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화하는 과정은, 상기 비트 주파수 신호에서 안테나 축을 중심으로 2개의 벡터를 형성하고, 상기 형성된 2개의 벡터로부터 안테나 중심 특성을 이용해서 다음의 수학식과 같은 실수화된 조향 벡터를 나타내는 행렬을 형성하며,
Figure 112019095915890-pat00053
, 상기 Y1(m) 및 Y2(m)은 다음 수학식으로 나타내며,
Figure 112019095915890-pat00054
,
Figure 112019095915890-pat00055
, 상기
Figure 112019095915890-pat00056
과 상기
Figure 112019095915890-pat00057
은 다음 수학식으로 나타내며,
Figure 112019095915890-pat00058
,
Figure 112019095915890-pat00059
, 상기 L은 안테나 개수를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00060
은 조향 벡터의 집합으로 다음의 수학식으로 나타내며, 상기 수학식에 포함된
Figure 112019095915890-pat00061
와
Figure 112019095915890-pat00062
는 다음의 수학식들로 각각 나타내며,
Figure 112019095915890-pat00063
,
Figure 112019095915890-pat00064
,
Figure 112019095915890-pat00065
, 상기 S는 다음의 수학식으로 나타내고,
Figure 112019095915890-pat00066
, 상기
Figure 112019095915890-pat00067
은 다음의 수학식으로 나타내고,
Figure 112019095915890-pat00068
, 상기
Figure 112019095915890-pat00069
은 AWGN을 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 실수화된 비트 주파수 신호를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 단계는, 스냅샷 개수 n개에 따라 상기 실수화된 데이터에 대해 다음의 수학식으로 벡터화하며,
Figure 112020135450655-pat00285
, 상기
Figure 112020135450655-pat00071
이며, 상기 M은 시간 축에서 사용하는 샘플 개수를 나타내고, 상기
Figure 112020135450655-pat00072
은 LM × 1 크기의 벡터를 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 실수화된 비트 주파수 신호를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 단계는, 다음의 수학식으로 스냅샷 개수 n개로부터 공분산 행렬을 구하며,
Figure 112019095915890-pat00073
, 상기
Figure 112019095915890-pat00074
은 선형 배열 안테나로 수신된 동일 시간 샘플에 대한 주파수 신호들의 벡터를 나타내고, 상기 H는 허미시안(Hermitian) 연산을 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 실수화된 비트 주파수 신호를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 단계는, 상기 구한 공분산 행렬에 대해 고유값 분해로부터 LM-K 개의 고유 벡터로 잡음 부공간을 형성한 뒤, 상기 잡음 부공간과 신호의 입사 방향이 직교하는 특성을 이용하여 다음의 수학식으로부터 거리-각도 공간 스펙트럼을 형성하여 극값을 찾아 표적의 위치를 추정하며,
Figure 112019095915890-pat00075
, 상기
Figure 112019095915890-pat00076
이고, 상기
Figure 112019095915890-pat00077
는 크로네커 곱을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00078
은 잡음 부공간을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00079
는 L×1의 각도 조향 벡터를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00080
은 M×1의 거리 조향 벡터를 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치는 등간격 선형 배열 안테나를 통해 수신된 수신 신호들에 대해 표본화 기능을 수행하여 표본화된 비트 주파수 신호를 출력하는 ADC부; 상기 ADC부에 의해 출력되는 표본화된 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화하고, 상기 실수화된 조향 벡터 성분을 포함하는 비트 주파수 신호에 포함된 주파수 성분을 실수화하고, 상기 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 신호에 대해 실수값을 취해, 실수화된 데이터를 출력하는 전처리부; 및 상기 실수화된 데이터를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 프로세서를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 ADC부는, 상기 수신된 신호를 미리 설정된 샘플링 주파수
Figure 112019095915890-pat00081
로 디지털화하여, 샘플링된 m번째 상기 비트 주파수 신호를 출력하며, 상기 샘플링된 m번째 상기 비트 주파수 신호는, 다음의 수학식으로 나타내며,
Figure 112019095915890-pat00082
, 상기
Figure 112019095915890-pat00083
는 표적들에 의해 형성되는 L×1 벡터의 조향 벡터를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00084
는 k번째 표적의 m번째 비트 주파수 샘플 값을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00085
는 k번째 표적의 신호원을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00086
은 l번째 안테나의 m번째 샘플에 해당하는 AWGN을 나타낼 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 ADC부는, 상기 비트 주파수 신호에서 안테나 축을 중심으로 2개의 벡터를 형성하고, 상기 형성된 2개의 벡터로부터 안테나 중심 특성을 이용해서 실수화된 조향 벡터를 나타내는 행렬을 형성할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 프로세서는, 상기 실수화된 데이터를 벡터화하고, 상기 벡터화된 실수화된 데이터에 대한 공분산 행렬을 구하고, 상기 구한 공분산 행렬에 대해 고유값 분해로부터 LM-K 개의 고유 벡터로 잡음 부공간을 형성한 뒤, 거리-각도 공간 스펙트럼을 형성하여 극값을 찾아 표적의 위치를 추정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법은 ADC부에 의해, 등간격 선형 배열 안테나를 통해 수신된 수신 신호들에 대해 표본화 기능을 수행하여 표본화된 비트 주파수 신호를 출력하는 단계; 전처리부에 의해, 상기 ADC부에 의해 출력되는 표본화된 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화하는 단계; 상기 전처리부에 의해, 상기 실수화된 조향 벡터 성분을 포함하는 비트 주파수 신호에 포함된 주파수 성분을 실수화하는 단계; 상기 전처리부에 의해, 상기 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 신호에 대해 실수값을 취해, 실수화된 데이터를 출력하는 단계; 및 프로세서에 의해, 상기 실수화된 데이터를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화하는 단계는, 상기 비트 주파수 신호에서 안테나 축을 중심으로 2개의 벡터를 형성하고, 상기 형성된 2개의 벡터로부터 안테나 중심 특성을 이용해서 실수화된 조향 벡터를 나타내는 행렬을 형성할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서 상기 실수화된 비트 주파수 신호를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 단계는, 상기 실수화된 데이터를 벡터화하는 과정; 상기 벡터화된 실수화된 데이터에 대한 공분산 행렬을 구하는 과정; 및 상기 구한 공분산 행렬에 대해 고유값 분해로부터 LM-K 개의 고유 벡터로 잡음 부공간을 형성한 뒤, 거리-각도 공간 스펙트럼을 형성하여 극값을 찾아 표적의 위치를 추정하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명은 복소수 연산이 수행되는 2D-MUSIC 알고리즘을 전체 실수화 연산 전환하는 전처리 기능을 수행함으로써, 배열 안테나 기반 FMCW 레이더 시스템의 거리-각도 동시 추정을 위한 2D-MUSIC 알고리즘의 저복잡도를 구현하고, 시스템 운영 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 거리-각도 행렬에서 안테나의 대칭성을 이용하여 각도 조향 벡터를 실수값으로 변환하고, 이를 거리축에서 비트 주파수 신호 각 샘플의 일정한 위상 차이를 이용하여 동일한 연산을 수행하여 전체 실수화된 조향 벡터를 산출하고, 산출된 전체 실수화된 조향 벡터를 통해 전체 복소수 연산을 실수 연산으로 변환하여 2D-MUSIC 연산을 수행하여 거리와 각도를 동시에 추정함으로써, 연산 복잡도를 줄이고, 프로세서의 처리 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 기존 알고리즘과 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도이다.
도 3은 기존 알고리즘과 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘의 거리에 대한 RMSE 측정 결과의 비교 예를 나타낸 도이다.
도 4는 기존 알고리즘과 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘의 각도에 대한 RMSE 측정 결과의 비교 예를 나타낸 도이다.
도 5는 기존 알고리즘과 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘의 스냅샷 개수에 따른 소요된 CPU 시간 결과의 비교 예를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치(10)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치(10)는 ADC부(100), 전처리부(200) 및 프로세서(300)로 구성된다. 도 1에 도시된 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치(10)의 구성 요소 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 1에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치(10)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치(10)가 구현될 수도 있다.
상기 ADC부(Analog-Digital Converter)(100)는 등간격 선형 배열 안테나(Uniform linear array antenna: ULA 안테나)(또는 수신부)(미도시)를 통해 수신된 수신 신호들에 대해 표본화(또는 샘플링) 기능을 수행하여, 상기 수신 신호에 대한 표본화된(또는 샘플링된) 비트 주파수 신호를 출력한다.
즉, 위상정합처리구간(CPI) 동안 송신 신호(또는 레이더 신호)는 일정한 주기(pulse repetition frequency: PRI)로 안테나(미도시)를 통해 짧은 펄스가 전송(또는 방사)되고, 표적으로부터 반사된 신호(또는 상기 수신 신호)는 최대 탐지 거리 기준에 따라 다음 펄스 송신 전까지 상기 수신부를 통해 수신되며, 상기 ADC부(100)는 상기 수신된 수신 신호에 대해서 표본화 기능을 수행하여, 비트 주파수 신호(또는 표본화된 비트 주파수 신호)를 출력한다. 이때, 샘플링 주파수(
Figure 112019095915890-pat00087
)로 디지털화되어 샘플링된 m번째 비트 주파수 신호는 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낸다.
Figure 112019095915890-pat00088
여기서, 상기
Figure 112019095915890-pat00089
는 표적들에 의해 형성되는 L×1 벡터의 조향 벡터로 다음의 [수학식 2]로 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00090
는 k번째 표적의 m번째 비트 주파수 샘플 값으로 다음의 [수학식 3]으로 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00091
는 k번째 표적의 신호원으로 다음의 [수학식 4]로 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00092
은 l번째 안테나의 m번째 샘플에 해당하는 AWGN(또는 Additive White Gaussian Noise: 부가백색잠음)을 나타낸다.
Figure 112019095915890-pat00093
여기서, 상기 d는 등간격 선형 배열 안테나에서의 안테나 간격을 나타내고, 상기 λ는 신호의 파장을 나타내고, 상기 l은 상기 등간격 선형 배열 안테나 중에서 l번째 안테나를 나타내고, 상기 k는 소스 신호원 K×1 벡터 중 k번째 요소를 나타낸다.
Figure 112019095915890-pat00094
여기서, 상기
Figure 112019095915890-pat00095
는 k번째 표적의 거리값을 나타내고, 상기 B는 대역폭을 나타내고, 상기 T는 변조된 신호를 전송하는 한 첩의 시간을 나타내고, 상기 c는 전파의 속도를 나타내고, 상기 m은 비트 주파수 신호에서 m번째를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00096
는 샘플링 주파수를 나타낸다.
Figure 112019095915890-pat00097
여기서, 상기
Figure 112019095915890-pat00098
는 k번째 표적의 신호원을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00099
는 k번째 표적으로부터 반사된 신호의 크기를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00100
는 중심 주파수를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00101
는 지연 시간을 나타낸다.
상기 전처리부(preprocessing unit)(200)는 상기 수신 신호에 포함된 표적의 검출 성능을 높이기 위해서 상기 ADC부(100)의 출력인 표본화된 비트 주파수(또는 상기 ADC부(100)의 출력 데이터)에 대한 전처리 기능(또는 비트 주파수에 포함된 복소수 성분에 대한 실수화 전환 기능)을 수행한다.
또한, 상기 전처리부(200)는 상기 ADC부(100)로부터 출력되는 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화한다.
즉, 상기 전처리부(200)는 앞선 [수학식 1]에 따른 비트 주파수 신호에서 안테나 축을 중심으로 다음의 [수학식 5] 및 [수학식 6]과 같은 2개의 벡터를 형성한다.
Figure 112019095915890-pat00102
Figure 112019095915890-pat00103
여기서, 상기 L은 안테나 개수를 나타낸다.
또한, 상기 전처리부(200)는 상기 형성된 2개의 벡터로부터 안테나 중심 특성을 이용해서 다음의 [수학식 7] 및 [수학식 8]을 연산하여, 실수화된 조향 벡터를 위한 행렬인 다음의 [수학식 9]의 행렬을 형성한다.
Figure 112019095915890-pat00104
Figure 112019095915890-pat00105
Figure 112019095915890-pat00106
여기서, 상기
Figure 112019095915890-pat00107
은 조향 벡터의 집합으로 다음의 [수학식 10]으로 나타내며, 해당 [수학식 10]에 포함된
Figure 112019095915890-pat00108
와
Figure 112019095915890-pat00109
는 다음의 [수학식 11]과 [수학식 12]로 각각 나타낸다. 또한, 상기 S는 다음의 [수학식 13]으로 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00110
은 다음의 [수학식 14]로 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00111
은 AWGN을 나타낸다.
Figure 112019095915890-pat00112
Figure 112019095915890-pat00113
Figure 112019095915890-pat00114
Figure 112019095915890-pat00115
Figure 112019095915890-pat00116
여기서, 상기 l은
Figure 112019095915890-pat00117
로 안테나 개수이며, 상기 [수학식 14]의 내부 요소는 앞선 [수학식 3]과 같다.
이와 같이, 각 안테나의 위상차로부터 발생하는 각도 조향 벡터가 실수값으로 변환됨을 확인할 수 있지만, 앞선 [수학식 9]에서 상기 S,
Figure 112019095915890-pat00118
및
Figure 112019095915890-pat00119
은 여전히 복소수 값으로 구성된 행렬과 벡터이므로 실수 연산이 불가능한 상태이다.
또한, 상기 전처리부(200)는 실수화된 조향 벡터 성분을 포함하는 비트 주파수 신호(또는 상기 ADC부(100)로부터 출력되는 비트 주파수 신호)에 포함된 주파수 성분(또는 나머지 성분)을 실수화한다.
즉, 상기 전처리부(200)는 앞선 [수학식 9]의 행렬로부터 다음의 [수학식 15] 및 [수학식 16]과 같은 (L×M/2) 행렬식을 형성한다.
Figure 112019095915890-pat00120
Figure 112019095915890-pat00121
또한, 상기 전처리부(200)는 상기 [수학식 15] 및 [수학식 16]으로부터 다음의 [수학식 17] 및 [수학식 18]의 연산을 수행하여, 실수화된 주파수 신호 처리에 따른 L×M 크기의 Z 행렬인 다음의 [수학식 19]를 형성한다.
Figure 112019095915890-pat00122
Figure 112019095915890-pat00123
Figure 112019095915890-pat00124
여기서, 상기
Figure 112019095915890-pat00125
은 다음의 [수학식 20]으로 나타내며, 해당 [수학식 20]에 포함된
Figure 112019095915890-pat00126
와
Figure 112019095915890-pat00127
은 다음의 [수학식 21]과 [수학식 22]로 각각 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00128
은 AWGN을 나타낸다.
Figure 112019095915890-pat00129
Figure 112019095915890-pat00130
Figure 112019095915890-pat00131
여기서, 상기
Figure 112019095915890-pat00132
는
Figure 112019095915890-pat00133
를 나타내며, 상기 B는 대역폭을 나타내고, 상기 c는 전파 속도를 나타내고, 상기 T는 변조된 신호를 전송하는 한 첩의 시간을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00134
는 샘플링 주파수를 나타내고, 상기 m은 비트 주파수 신호의 ADC 샘플로
Figure 112019095915890-pat00135
를 나타낸다.
또한, 상기 전처리부(200)는 앞선 [수학식 19]를 실수로 전환하기 위해 K×K대각행렬 S를 다음의 [수학식 23]의 대각행렬
Figure 112019095915890-pat00136
으로 치환하여, 상기 [수학식 19]를 다음의 [수학식 24]로 전환한다.
Figure 112019095915890-pat00137
Figure 112019095915890-pat00138
또한, 상기 전처리부(200)는 상기 대각행렬
Figure 112019095915890-pat00139
의 치환에 따라 상기 [수학식 24]의
Figure 112019095915890-pat00140
은 K×M 행렬의 실수로 다음의 [수학식 25]로 모델링되며, 다음의 [수학식 26]과 [수학식 27]은 상기
Figure 112019095915890-pat00141
의 행벡터와 벡터안의 요소를 각각 나타낸다.
Figure 112019095915890-pat00142
Figure 112019095915890-pat00143
Figure 112019095915890-pat00144
결과적으로, 상기 전처리부(200)는 전처리 과정에 따라 앞선 [수학식 1]을
Figure 112019095915890-pat00145
의 요소로 전환하여, 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 신호인 다음의 [수학식 28]로 정의(또는 생성)한다.
Figure 112019095915890-pat00146
또한, 상기 전처리부(200)는 다음 스냅샷(snapshot)에서 시간축 행렬을 다음 샘플로 이동하여 동일한 전처리 과정을 적용하며, 다음의 [수학식 29] 및 [수학식 30]으로 모델링되며, 이에 거리-공간 스펙트럼을 이루기 위한 거리, 각도 조향 벡터는 값이 유지된다.
Figure 112019095915890-pat00147
Figure 112019095915890-pat00148
또한, 상기 전처리부(200)는 전처리 과정 이후 얻은 상기 [수학식 28]에 대해 실수값을 취해, 다음의 [수학식 31]과 같이 모델링하며, 이는 거리-각도 추정을 위한 2D-MUSIC 알고리즘 연산을 위한 식과 조건이 일치한다.
즉, 상기 전처리부(200)는 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 신호(또는 비트 주파수 신호)에 대해 실수값을 취해, 실수화된 데이터를 생성한다.
Figure 112019095915890-pat00149
여기서, 상기
Figure 112019095915890-pat00150
는 k번째 신호 벡터원을 나타낸다.
상기 프로세서(processor, 또는 제어부(controller)/MCU(microcontroller unit))(300)는 상기 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치(10)의 전반적인 제어 기능을 실행한다.
또한, 상기 프로세서(300)는 저장부(미도시)에 저장된 프로그램 및 데이터를 이용하여 레이더 신호 처리 장치(10)의 전반적인 제어 기능을 실행한다. 상기 프로세서(300)는 RAM, ROM, CPU, GPU, 버스를 포함할 수 있으며, RAM, ROM, CPU, GPU 등은 버스를 통해 서로 연결될 수 있다. CPU는 상기 저장부에 액세스하여, 상기 저장부에 저장된 O/S를 이용하여 부팅을 수행할 수 있으며, 상기 저장부에 저장된 각종 프로그램, 콘텐츠, 데이터 등을 이용하여 다양한 동작을 수행할 수 있다.
또한, 상기 프로세서(300)는 상기 실수화된 데이터를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적의 거리 및 각도를 추정(또는 산출)한다.
즉, 상기 프로세서(300)는 스냅샷 개수인 n개에 대해 제안된 전처리 방식을 적용 후 얻은 행렬(또는 상기 실수화된 데이터)에 대해서 상기 [수학식 31]로부터 LM × 1 크기의 다음의 [수학식 32]로 상기 실수화된 데이터를 벡터화한다.
Figure 112020135450655-pat00286
여기서, 상기
Figure 112019095915890-pat00152
이며, 상기 M은 시간 축에서 사용하는 샘플 개수를 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00153
은 LM × 1 크기의 벡터를 나타낸다.
또한, 상기 프로세서(300)는 다음의 [수학식 33]과 같은 방식으로 스냅샷 개수 n개(또는 N개)로부터 공분산 행렬을 구한다.
Figure 112019095915890-pat00154
여기서, 상기
Figure 112019095915890-pat00155
은 선형 배열 안테나로 수신된 동일 시간 샘플에 대한 주파수 신호들의 벡터를 나타내고, 상기 H는 허미시안(Hermitian) 연산을 나타낸다.
또한, 상기 프로세서(300)는 상기 구한 공분산 행렬에 대해 고유값 분해로부터 LM-K 개의 고유 벡터로 잡음 부공간(EN)을 형성한 뒤, 상기 잡음 부공간과 신호의 입사 방향이 직교하는 특성을 이용하여 다음의 [수학식 34]로부터 거리-각도 공간 스펙트럼을 형성하여 극값을 찾아, 표적의 위치를 추정(또는 산출)한다.
Figure 112019095915890-pat00156
여기서, 상기
Figure 112019095915890-pat00157
이고, 상기
Figure 112019095915890-pat00158
는 크로네커 곱(kronecker product)을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00159
은 잡음 부공간을 나타내고, 상기
Figure 112019095915890-pat00160
는 L×1의 각도 조향 벡터로 다음의 [수학식 35]와 동일하며, 상기
Figure 112019095915890-pat00161
는 M×1의 거리 조향 벡터로 다음의 [수학식 36]과 동일하며, 상기
Figure 112019095915890-pat00162
이다.
Figure 112019095915890-pat00163
Figure 112019095915890-pat00164
또한, 상기 프로세서(300)는 상기 추정된 표적의 거리 및 각도를 표시부(미도시) 및/또는 음성 출력부(미도시)를 통해 출력한다.
본 발명의 실시예에 따른 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치(10)의 성능 분석을 위하여 MATLAB 기반 시뮬레이션을 수행하였으며, 다음의 [표 1]은 실험을 위해 사용된 FMCW 레이더 시스템의 주요 파라미터를 나타낸다.
도 2는 SNR(signal to noise ratio)이 20dB인 환경에서 기존의 2D-MUSIC 알고리즘과 본 발명의 실시예에 따른 전처리된 입력값을 이용한 2D-MUSIC 알고리즘의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
실험을 위해 설정된 안테나 개수(L)는 4개이고, 표적 개수는 2개로 각 표적의 거리와 각도 정보는 각각
Figure 112019095915890-pat00165
= [20.1m, 20˚1`],
Figure 112019095915890-pat00166
= [20.7m, 60˚]이다.
Parameter Value
center frequency 77GHz
Bandwidth 600MHz
sampling frequency 128MHz
Sweep time 8us
도 3 및 도 4는 기존의 2D-MUSIC 알고리즘과 본 발명의 실시예에 따른 전처리된 입력값을 이용한 2D-MUSIC 알고리즘의 신호 대 잡음비에 대한 평균제곱근편차(root mean square error: RMSE)의 값을 나타내며, 도 3은 각도 및 도 4는 거리에 대해 각각 수행한 결과이다.
또한, 상기 도 3 및 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 수행 결과, 기존의 2D-MUSIC 알고리즘과 본 발명의 실시예에 따른 전처리된 입력값을 이용한 2D-MUSIC 알고리즘의 성능 차이가 거의 없음을 확인할 수 있다.
도 5는 기존의 2D-MUSIC 알고리즘과 본 발명의 실시예에 따른 전처리된 입력값을 이용한 2D-MUSIC 알고리즘의 스냅샷 개수에 따른 CPU 시간 분석 결과로, 기존의 2D-MUSIC 알고리즘에 비해 본 발명의 실시예에 따른 전처리된 입력값을 이용한 2D-MUSIC 알고리즘이 약 3배 정도의 처리 시간이 감소됨을 확인할 수 있다.
[표 2]는 기존의 2D-MUSIC 알고리즘과 본 발명의 실시예에 따른 전처리된 입력값을 이용한 2D-MUSIC 알고리즘의 계산 복잡도를 나타낸다.
Computation complexities
multiplication addition arctan division cos,
sin		 exp
pre-processing 기존 방식 0 0 0 0 0 0
본 발명 0 4MKN 0 0 0 0
covariance matrix 기존 방식 4NL2M2 (3N-1)L2M2 0 0 0 0
본 발명 NL2M2 (N-1)L2M2 0 0 0 0
eigenvalue decomposition
(Jacobi method)		 기존 방식 8QL3M3 8Q(LM-1)L2M2+Q 2Q 2Q Q Q
본 발명 2QL3M3 2Q(LM-1)L2M2+Q Q Q Q 0
MUSIC spectrum 기존 방식 (4LM+2)(LM-K)(180/as)(Rmax/rs) (2(LM-1)(LM-K)(2LM-K-1)(180/as)(Rmax/rs) 0 0 0 0
본 발명 (LM+1)(LM-K)(180/as)(Rmax/rs) ((LM-1)(LM-K)(LM-K-1)(180/as)(Rmax/rs) 0 0 0 0
정밀한 계산 복잡도를 비교하기 위해서 MUSIC 알고리즘의 고유값 분해는 자코비 방식(jacobi method)을 사용하였을 때를 가정하여 연산량을 비교하였으며, 여기서 사용된 파라미터 L은 안테나 개수, K는 표적 개수, M은 벡터화를 위해 사용하는 시간 축 샘플 개수, N은 스냅샷 개수, Q는 자코비 방식의 반복 횟수, as와 rs는 MUSIC 스펙트럼에서 각각 각도와 거리의 해상도 간격, Rmax는 최대 탐지거리를 나타낸다.
연산량 비교 결과, 기존의 2D-MUSIC 알고리즘 대비 본 발명의 실시예에 따른 전처리된 입력값을 이용한 2D-MUSIC 알고리즘에서 공분산 행렬(covariance matrix)의 곱셈 연산은 4배 감소하였고, 덧셈 연산은 약 3배 감소하였고, 고유값 분해(eigenvalue decomposition)의 곱셈 및 덧셈 연산 모두 약 4배 감소하였고, MUSIC 스펙트럼의 곱셈 연산은 약 4배 감소하였고, 덧셈 연산은 약 2배 감소함을 확인하였다.
또한, 시뮬레이션에 사용된 파라미터를 사용하여 각도 해상도와 거리 해상도를 0.1의 값으로 사용할 경우, 본 발명의 실시예에 따른 전처리된 입력값을 이용한 2D-MUSIC 알고리즘은 기존의 2D-MUSIC 알고리즘 대비 곱셈 연산은 총 75%, 덧셈 연산은 총 73% 감소하였다.
이와 같이, 복소수 연산이 수행되는 2D-MUSIC 알고리즘을 전체 실수화 연산 전환하는 전처리 기능을 수행할 수 있다.
또한, 이와 같이, 거리-각도 행렬에서 안테나의 대칭성을 이용하여 각도 조향 벡터를 실수값으로 변환하고, 이를 거리축에서 비트 주파수 신호 각 샘플의 일정한 위상 차이를 이용하여 동일한 연산을 수행하여 전체 실수화된 조향 벡터를 산출하고, 산출된 전체 실수화된 조향 벡터를 통해 전체 복소수 연산을 실수 연산으로 변환하여 2D-MUSIC 연산을 수행하여 거리와 각도를 동시에 추정할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법을 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, ADC부(100)는 등간격 선형 배열 안테나(Uniform linear array antenna: ULA 안테나)(또는 수신부)(미도시)를 통해 수신된 수신 신호들에 대해 표본화(또는 샘플링) 기능을 수행하여, 상기 수신 신호에 대한 표본화된(또는 샘플링된) 비트 주파수 신호를 출력한다.
즉, 위상정합처리구간(CPI) 동안 송신 신호(또는 레이더 신호)는 일정한 주기(PRI)로 안테나(미도시)를 통해 짧은 펄스가 전송(또는 방사)되고, 표적으로부터 반사된 신호(또는 상기 수신 신호)는 최대 탐지 거리 기준에 따라 다음 펄스 송신 전까지 상기 수신부를 통해 수신되며, 상기 ADC부(100)는 상기 수신된 수신 신호에 대해서 표본화 기능을 수행하여, 비트 주파수 신호(또는 표본화된 비트 주파수 신호)를 출력한다. 이때, 샘플링 주파수(
Figure 112019095915890-pat00167
)로 디지털화되어 샘플링된 m번째 비트 주파수 신호는 앞선 [수학식 1]과 같이 나타낸다.
일 예로, 상기 ADC부(100)는 상기 수신부를 통해 수신되는 표적으로부터 반사된 신호에 대해 미리 설정된 샘플링 주파수로 표본화 기능을 수행하여, 복수의 표본화된 비트 주파수 신호(예를 들어 제 1 비트 주파수 신호 내지 제 10 비트 주파수 신호)를 출력한다(S610).
이후, 전처리부(200)는 상기 ADC부(100)로부터 출력되는 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화한다.
즉, 상기 전처리부(200)는 앞선 [수학식 1]에 따른 비트 주파수 신호에서 안테나 축을 중심으로 앞선 [수학식 5] 및 [수학식 6]과 같은 2개의 벡터를 형성한다.
또한, 상기 전처리부(200)는 상기 형성된 2개의 벡터로부터 안테나 중심 특성을 이용해서 앞선 [수학식 7] 및 [수학식 8]을 연산하여, 실수화된 조향 벡터를 위한 행렬인 앞선 [수학식 9]의 행렬을 형성한다.
이와 같이, 각 안테나의 위상차로부터 발생하는 각도 조향 벡터가 실수값으로 변환됨을 확인할 수 있지만, 앞선 [수학식 9]에서 상기 S,
Figure 112019095915890-pat00168
및
Figure 112019095915890-pat00169
은 여전히 복소수 값으로 구성된 행렬과 벡터이므로 실수 연산이 불가능한 상태이다.
일 예로, 상기 전처리부(200)는 상기 제 1 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화한다(S620).
이후, 상기 전처리부(200)는 실수화된 조향 벡터 성분을 포함하는 비트 주파수 신호(또는 상기 ADC부(100)로부터 출력되는 비트 주파수 신호)에 포함된 주파수 성분(또는 나머지 성분)을 실수화한다.
즉, 상기 전처리부(200)는 앞선 [수학식 9]의 행렬로부터 앞선 [수학식 15] 및 [수학식 16]과 같은 (L×M/2) 행렬식을 형성한다.
또한, 상기 전처리부(200)는 상기 [수학식 15] 및 [수학식 16]으로부터 앞선 [수학식 17] 및 [수학식 18]의 연산을 수행하여, 실수화된 주파수 신호 처리에 따른 L×M 크기의 Z 행렬인 앞선 [수학식 19]를 형성한다.
또한, 상기 전처리부(200)는 앞선 [수학식 19]를 실수로 전환하기 위해 K×K대각행렬 S를 앞선 [수학식 23]의 대각행렬
Figure 112019095915890-pat00170
으로 치환하여, 상기 [수학식 19]를 앞선 [수학식 24]로 전환한다.
또한, 상기 전처리부(200)는 상기 대각행렬
Figure 112019095915890-pat00171
의 치환에 따라 상기 [수학식 24]의
Figure 112019095915890-pat00172
은 K×M 행렬의 실수로 앞선 [수학식 25]로 모델링되며, 앞선 [수학식 26]과 [수학식 27]은 상기
Figure 112019095915890-pat00173
의 행벡터와 벡터안의 요소를 각각 나타낸다.
결과적으로, 상기 전처리부(200)는 전처리 과정에 따라 앞선 [수학식 1]을
Figure 112019095915890-pat00174
의 요소로 전환하여, 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 신호인 앞선 [수학식 28]로 정의(또는 생성)한다.
또한, 상기 전처리부(200)는 다음 스냅샷(snapshot)에서 시간축 행렬을 다음 샘플로 이동하여 동일한 전처리 과정을 적용하며, 앞선 [수학식 29] 및 [수학식 30]으로 모델링되며, 이에 거리-공간 스펙트럼을 이루기 위한 거리, 각도 조향 벡터는 값이 유지된다.
일 예로, 상기 전처리부(200)는 상기 제 1 비트 주파수 신호에 포함된 주파수 성분을 실수화한다(S630).
이후, 상기 전처리부(200)는 전처리 과정 이후 얻은 상기 [수학식 28]에 대해 실수값을 취해, 앞선 [수학식 31]과 같이 모델링하며, 이는 거리-각도 추정을 위한 2D-MUSIC 알고리즘 연산을 위한 식과 조건이 일치한다.
즉, 상기 전처리부(200)는 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 신호(또는 비트 주파수 신호)에 대해 실수값을 취해, 실수화된 데이터를 생성한다.
일 예로, 상기 전처리부(200)는 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 제 1 비트 주파수 신호에서 실수값을 취해, 제 1 실수화된 데이터를 생성한다(S640).
이후, 프로세서(300)는 상기 실수화된 데이터를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적의 거리 및 각도를 추정(또는 산출)한다.
즉, 상기 프로세서(300)는 스냅샷 개수인 n개에 대해 제안된 전처리 방식을 적용 후 얻은 행렬(또는 상기 실수화된 데이터)에 대해서 상기 [수학식 31]로부터 LM × 1 크기의 앞선 [수학식 32]로 상기 실수화된 데이터를 벡터화한다.
또한, 상기 프로세서(300)는 앞선 [수학식 33]과 같은 방식으로 스냅샷 개수 n개(또는 N개)로부터 공분산 행렬을 구한다.
또한, 상기 프로세서(300)는 상기 구한 공분산 행렬에 대해 고유값 분해로부터 LM-K 개의 고유 벡터로 잡음 부공간(EN)을 형성한 뒤, 상기 잡음 부공간과 신호의 입사 방향이 직교하는 특성을 이용하여 앞선 [수학식 34]로부터 거리-각도 공간 스펙트럼을 형성하여 극값을 찾아, 표적의 위치를 추정(또는 산출)한다.
일 예로, 상기 프로세서(300)는 상기 제 1 실수화된 데이터에 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적의 거리 및 각도를 추정한다(S650).
본 발명의 실시예는 앞서 설명된 바와 같이, 복소수 연산이 수행되는 2D-MUSIC 알고리즘을 전체 실수화 연산 전환하는 전처리 기능을 수행하여, 배열 안테나 기반 FMCW 레이더 시스템의 거리-각도 동시 추정을 위한 2D-MUSIC 알고리즘의 저복잡도를 구현하고, 시스템 운영 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 앞서 설명된 바와 같이, 거리-각도 행렬에서 안테나의 대칭성을 이용하여 각도 조향 벡터를 실수값으로 변환하고, 이를 거리축에서 비트 주파수 신호 각 샘플의 일정한 위상 차이를 이용하여 동일한 연산을 수행하여 전체 실수화된 조향 벡터를 산출하고, 산출된 전체 실수화된 조향 벡터를 통해 전체 복소수 연산을 실수 연산으로 변환하여 2D-MUSIC 연산을 수행하여 거리와 각도를 동시에 추정하여, 연산 복잡도를 줄이고, 프로세서의 처리 속도를 향상시킬 수 있다.
전술된 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 레이더 신호 처리 장치 100: ADC부
200: 전처리부 300: 프로세서

Claims (32)

  1. 등간격 선형 배열 안테나를 통해 수신된 수신 신호들에 대해 표본화 기능을 수행하여 표본화된 비트 주파수 신호를 출력하는 ADC부;
    상기 ADC부에 의해 출력되는 표본화된 비트 주파수 신호에 대한 전처리 기능을 수행하여 실수화된 데이터를 출력하는 전처리부; 및
    상기 실수화된 데이터를 입력값으로 2D-MUSIC(2D-MUltiple SIgnal Classification) 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 프로세서를 포함하고,
    상기 ADC부는,
    미리 설정된 샘플링 주파수
    Figure 112021093548848-pat00288
    로 디지털화되어 샘플링된 m번째 상기 비트 주파수 신호를 출력하며,
    Figure 112021093548848-pat00289

    상기
    Figure 112021093548848-pat00290
    는 표적들에 의해 형성되는 L×1 벡터의 조향 벡터를 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00291
    는 k번째 표적의 m번째 비트 주파수 샘플 값을 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00292
    는 k번째 표적의 신호원을 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00293
    은 l번째 안테나의 m번째 샘플에 해당하는 AWGN을 나타내며,
    상기
    Figure 112021093548848-pat00294
    는,
    다음의 수학식으로 나타내며,
    Figure 112021093548848-pat00295

    상기
    Figure 112021093548848-pat00296
    는 k번째 표적의 신호원을 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00297
    는 k번째 표적으로부터 반사된 신호의 크기를 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00298
    는 중심 주파수를 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00299
    는 지연 시간을 나타내며,
    상기 전처리부는,
    상기 ADC부로부터 출력되는 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화하고,
    상기 전처리부는,
    상기 비트 주파수 신호에서 안테나 축을 중심으로 2개의 벡터를 형성하고, 상기 형성된 2개의 벡터로부터 안테나 중심 특성을 이용해서 다음의 수학식과 같은 실수화된 조향 벡터를 나타내는 행렬을 형성하며,
    Figure 112021093548848-pat00300

    상기 Y1(m) 및 Y2(m)은 다음 수학식으로 나타내며,
    Figure 112021093548848-pat00301
    ,
    Figure 112021093548848-pat00302
    ,
    상기
    Figure 112021093548848-pat00303
    과 상기
    Figure 112021093548848-pat00304
    은 다음 수학식으로 나타내며,
    Figure 112021093548848-pat00305
    ,
    Figure 112021093548848-pat00306
    ,
    상기 L은 안테나 개수를 나타내고,
    상기
    Figure 112021093548848-pat00307
    은 조향 벡터의 집합으로 다음의 수학식으로 나타내며, 상기 수학식에 포함된
    Figure 112021093548848-pat00308
    와
    Figure 112021093548848-pat00309
    는 다음의 수학식들로 각각 나타내며,
    Figure 112021093548848-pat00310
    ,
    Figure 112021093548848-pat00311
    ,
    Figure 112021093548848-pat00312
    ,
    상기 S는 다음의 수학식으로 나타내고,
    Figure 112021093548848-pat00313
    ,
    상기
    Figure 112021093548848-pat00314
    은 다음의 수학식으로 나타내고,
    Figure 112021093548848-pat00315

    상기
    Figure 112021093548848-pat00316
    은 AWGN을 나타내며,
    상기 프로세서는,
    스냅샷 개수 n개에 따라 상기 실수화된 데이터에 대해 다음의 수학식으로 벡터화하며,
    Figure 112021093548848-pat00317

    상기
    Figure 112021093548848-pat00318
    이며, 상기 M은 시간 축에서 사용하는 샘플 개수를 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00319
    은 LM × 1 크기의 벡터를 나타내고,
    상기 프로세서는,
    다음의 수학식으로 스냅샷 개수 n개로부터 공분산 행렬을 구하며,
    Figure 112021093548848-pat00320

    상기
    Figure 112021093548848-pat00321
    은 선형 배열 안테나로 수신된 동일 시간 샘플에 대한 주파수 신호들의 벡터를 나타내고, 상기 H는 허미시안 연산을 나타내며,
    상기 프로세서는,
    상기 공분산 행렬에 대해 고유값 분해로부터 LM-K 개의 고유 벡터로 잡음 부공간을 형성한 뒤, 상기 잡음 부공간과 신호의 입사 방향이 직교하는 특성을 이용하여 다음의 수학식으로부터 거리-각도 공간 스펙트럼을 형성하여 극값을 찾아 표적의 위치를 추정하며,
    Figure 112021093548848-pat00322

    상기
    Figure 112021093548848-pat00323
    이고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00324
    는 크로네커 곱(kronecker product)을 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00325
    은 잡음 부공간을 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00326
    는 L×1의 각도 조향 벡터를 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00327
    은 M×1의 거리 조향 벡터를 나타내는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 ADC부는,
    위상정합처리구간 동안 송신 신호를 미리 설정된 주기로 상기 등간격 선형 배열 안테나를 통해 짧은 펄스를 전송하고, 표적으로부터 반사된 상기 수신 신호를 최대 탐지 거리 기준에 따라 다음 펄스 송신 전까지 수신하고, 상기 수신된 수신 신호에 대해서 표본화 기능을 수행하여 상기 비트 주파수 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기
    Figure 112021093548848-pat00181
    는,
    다음의 수학식으로 나타내며,
    Figure 112021093548848-pat00182

    상기 d는 등간격 선형 배열 안테나에서의 안테나 간격을 나타내고, 상기 λ는 신호의 파장을 나타내고, 상기 l은 상기 등간격 선형 배열 안테나 중에서 l번째 안테나를 나타내고, 상기 k는 소스 신호원 K×1 벡터 중 k번째 요소를 나타내는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기
    Figure 112021093548848-pat00183
    는,
    다음의 수학식으로 나타내며,
    Figure 112021093548848-pat00184

    상기
    Figure 112021093548848-pat00185
    는 k번째 표적의 거리값을 나타내고, 상기 B는 대역폭을 나타내고, 상기 T는 변조된 신호를 전송하는 한 첩의 시간을 나타내고, 상기 c는 전파의 속도를 나타내고, 상기 m은 비트 주파수 신호에서 m번째를 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00186
    는 샘플링 주파수를 나타내는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전처리부는,
    상기 실수화된 조향 벡터 성분을 포함하는 비트 주파수 신호에 포함된 주파수 성분을 실수화하는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전처리부는,
    상기 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 신호에 대해 실수값을 취해, 실수화된 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. ADC부에 의해, 등간격 선형 배열 안테나를 통해 수신된 수신 신호들에 대해 표본화 기능을 수행하여 표본화된 비트 주파수 신호를 출력하는 단계;
    전처리부에 의해, 상기 ADC부에 의해 출력되는 표본화된 비트 주파수 신호에 대한 전처리 기능을 수행하여 실수화된 데이터를 출력하는 단계; 및
    프로세서에 의해, 상기 실수화된 데이터를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 단계를 포함하고,
    미리 설정된 샘플링 주파수
    Figure 112021093548848-pat00328
    로 디지털화되어 샘플링된 m번째 상기 비트 주파수 신호는,
    다음의 수학식으로 나타내며,
    Figure 112021093548848-pat00329

    상기
    Figure 112021093548848-pat00330
    는 표적들에 의해 형성되는 L×1 벡터의 조향 벡터를 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00331
    는 k번째 표적의 m번째 비트 주파수 샘플 값을 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00332
    는 k번째 표적의 신호원을 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00333
    은 l번째 안테나의 m번째 샘플에 해당하는 AWGN을 나타내며,
    상기
    Figure 112021093548848-pat00334
    는,
    다음의 수학식으로 나타내며,
    Figure 112021093548848-pat00335

    상기
    Figure 112021093548848-pat00336
    는 k번째 표적의 신호원을 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00337
    는 k번째 표적으로부터 반사된 신호의 크기를 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00338
    는 중심 주파수를 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00339
    는 지연 시간을 나타내며,
    상기 실수화된 비트 주파수 신호를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 단계는,
    스냅샷 개수 n개에 따라 상기 실수화된 데이터에 대해 다음의 수학식으로 벡터화하며,
    Figure 112021093548848-pat00340

    상기
    Figure 112021093548848-pat00341
    이며, 상기 M은 시간 축에서 사용하는 샘플 개수를 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00342
    은 LM × 1 크기의 벡터를 나타내며,
    상기 실수화된 비트 주파수 신호를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 단계는,
    다음의 수학식으로 스냅샷 개수 n개로부터 공분산 행렬을 구하며,
    Figure 112021093548848-pat00343

    상기
    Figure 112021093548848-pat00344
    은 선형 배열 안테나로 수신된 동일 시간 샘플에 대한 주파수 신호들의 벡터를 나타내고, 상기 H는 허미시안 연산을 나타내며,
    상기 실수화된 비트 주파수 신호를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 단계는,
    상기 공분산 행렬에 대해 고유값 분해로부터 LM-K 개의 고유 벡터로 잡음 부공간을 형성한 뒤, 상기 잡음 부공간과 신호의 입사 방향이 직교하는 특성을 이용하여 다음의 수학식으로부터 거리-각도 공간 스펙트럼을 형성하여 극값을 찾아 표적의 위치를 추정하며,
    Figure 112021093548848-pat00345

    상기
    Figure 112021093548848-pat00346
    이고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00347
    는 크로네커 곱을 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00348
    은 잡음 부공간을 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00349
    는 L×1의 각도 조향 벡터를 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00350
    은 M×1의 거리 조향 벡터를 나타내는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 비트 주파수 신호를 출력하는 단계는,
    위상정합처리구간 동안 송신 신호를 미리 설정된 주기로 상기 등간격 선형 배열 안테나를 통해 짧은 펄스를 전송하는 과정;
    표적으로부터 반사된 상기 수신 신호를 최대 탐지 거리 기준에 따라 다음 펄스 송신 전까지 수신하는 과정; 및
    상기 수신된 수신 신호에 대해서 표본화 기능을 수행하여 상기 비트 주파수 신호를 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법.
  16. 삭제
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기
    Figure 112021093548848-pat00227
    는,
    다음의 수학식으로 나타내며,
    Figure 112021093548848-pat00228

    상기 d는 등간격 선형 배열 안테나에서의 안테나 간격을 나타내고, 상기 λ는 신호의 파장을 나타내고, 상기 l은 상기 등간격 선형 배열 안테나 중에서 l번째 안테나를 나타내고, 상기 k는 소스 신호원 K×1 벡터 중 k번째 요소를 나타내는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기
    Figure 112021093548848-pat00229
    는,
    다음의 수학식으로 나타내며,
    Figure 112021093548848-pat00230

    상기
    Figure 112021093548848-pat00231
    는 k번째 표적의 거리값을 나타내고, 상기 B는 대역폭을 나타내고, 상기 T는 변조된 신호를 전송하는 한 첩의 시간을 나타내고, 상기 c는 전파의 속도를 나타내고, 상기 m은 비트 주파수 신호에서 m번째를 나타내고, 상기
    Figure 112021093548848-pat00232
    는 샘플링 주파수를 나타내는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법.
  19. 삭제
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 표본화된 비트 주파수 신호에 대한 전처리 기능을 수행하여 실수화된 비트 주파수 신호를 출력하는 단계는,
    상기 ADC부로부터 출력되는 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화하는 과정;
    상기 실수화된 조향 벡터 성분을 포함하는 비트 주파수 신호에 포함된 주파수 성분을 실수화하는 과정; 및
    상기 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 신호에 대해 실수값을 취해, 실수화된 데이터를 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화하는 과정은,
    상기 비트 주파수 신호에서 안테나 축을 중심으로 2개의 벡터를 형성하고, 상기 형성된 2개의 벡터로부터 안테나 중심 특성을 이용해서 다음의 수학식과 같은 실수화된 조향 벡터를 나타내는 행렬을 형성하며,
    Figure 112019095915890-pat00239

    상기 Y1(m) 및 Y2(m)은 다음 수학식으로 나타내며,
    Figure 112019095915890-pat00240
    ,
    Figure 112019095915890-pat00241
    ,
    상기
    Figure 112019095915890-pat00242
    과 상기
    Figure 112019095915890-pat00243
    은 다음 수학식으로 나타내며,
    Figure 112019095915890-pat00244
    ,
    Figure 112019095915890-pat00245
    ,
    상기 L은 안테나 개수를 나타내고,
    상기
    Figure 112019095915890-pat00246
    은 조향 벡터의 집합으로 다음의 수학식으로 나타내며, 상기 수학식에 포함된
    Figure 112019095915890-pat00247
    와
    Figure 112019095915890-pat00248
    는 다음의 수학식들로 각각 나타내며,
    Figure 112019095915890-pat00249
    ,
    Figure 112019095915890-pat00250
    ,
    Figure 112019095915890-pat00251
    ,
    상기 S는 다음의 수학식으로 나타내고,
    Figure 112019095915890-pat00252
    ,
    상기
    Figure 112019095915890-pat00253
    은 다음의 수학식으로 나타내고,
    Figure 112019095915890-pat00254

    상기
    Figure 112019095915890-pat00255
    은 AWGN을 나타내는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 등간격 선형 배열 안테나를 통해 수신된 수신 신호들에 대해 표본화 기능을 수행하여 표본화된 비트 주파수 신호를 출력하는 ADC부;
    상기 ADC부에 의해 출력되는 표본화된 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화하고, 상기 실수화된 조향 벡터 성분을 포함하는 비트 주파수 신호에 포함된 주파수 성분을 실수화하고, 상기 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 신호에 대해 실수값을 취해, 실수화된 데이터를 출력하는 전처리부; 및
    상기 실수화된 데이터를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 프로세서를 포함하고,
    상기 ADC부는,
    상기 비트 주파수 신호에서 안테나 축을 중심으로 2개의 벡터를 형성하고, 상기 형성된 2개의 벡터로부터 안테나 중심 특성을 이용해서 실수화된 조향 벡터를 나타내는 행렬을 형성하며,
    상기 프로세서는,
    상기 실수화된 데이터를 벡터화하고, 상기 벡터화된 실수화된 데이터에 대한 공분산 행렬을 구하고, 상기 공분산 행렬에 대해 고유값 분해로부터 LM-K 개의 고유 벡터로 잡음 부공간을 형성한 뒤, 거리-각도 공간 스펙트럼을 형성하여 극값을 찾아 표적의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 ADC부는,
    상기 수신된 신호를 미리 설정된 샘플링 주파수
    Figure 112019095915890-pat00267
    로 디지털화하여, 샘플링된 m번째 상기 비트 주파수 신호를 출력하며,
    상기 샘플링된 m번째 상기 비트 주파수 신호는,
    다음의 수학식으로 나타내며,
    Figure 112019095915890-pat00268

    상기
    Figure 112019095915890-pat00269
    는 표적들에 의해 형성되는 L×1 벡터의 조향 벡터를 나타내고, 상기
    Figure 112019095915890-pat00270
    는 k번째 표적의 m번째 비트 주파수 샘플 값을 나타내고, 상기
    Figure 112019095915890-pat00271
    는 k번째 표적의 신호원을 나타내고, 상기
    Figure 112019095915890-pat00272
    은 l번째 안테나의 m번째 샘플에 해당하는 AWGN을 나타내는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치.
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. ADC부에 의해, 등간격 선형 배열 안테나를 통해 수신된 수신 신호들에 대해 표본화 기능을 수행하여 표본화된 비트 주파수 신호를 출력하는 단계;
    전처리부에 의해, 상기 ADC부에 의해 출력되는 표본화된 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화하는 단계;
    상기 전처리부에 의해, 상기 실수화된 조향 벡터 성분을 포함하는 비트 주파수 신호에 포함된 주파수 성분을 실수화하는 단계;
    상기 전처리부에 의해, 상기 실수화된 조향 벡터와 실수화된 주파수 신호를 가진 신호에 대해 실수값을 취해, 실수화된 데이터를 출력하는 단계; 및
    프로세서에 의해, 상기 실수화된 데이터를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 단계를 포함하고,
    상기 비트 주파수 신호에 포함된 조향 벡터 성분을 실수화하는 단계는,
    상기 비트 주파수 신호에서 안테나 축을 중심으로 2개의 벡터를 형성하고, 상기 형성된 2개의 벡터로부터 안테나 중심 특성을 이용해서 실수화된 조향 벡터를 나타내는 행렬을 형성하며,
    상기 실수화된 비트 주파수 신호를 입력값으로 2D-MUSIC 알고리즘을 적용하여 표적과의 거리-각도 정보를 동시 추정하는 단계는,
    상기 실수화된 데이터를 벡터화하는 과정;
    상기 벡터화된 실수화된 데이터에 대한 공분산 행렬을 구하는 과정; 및
    상기 공분산 행렬에 대해 고유값 분해로부터 LM-K 개의 고유 벡터로 잡음 부공간을 형성한 뒤, 거리-각도 공간 스펙트럼을 형성하여 극값을 찾아 표적의 위치를 추정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 표본화된 비트 주파수 신호를 출력하는 단계는,
    상기 수신된 신호를 미리 설정된 샘플링 주파수
    Figure 112019095915890-pat00273
    로 디지털화하여, 샘플링된 m번째 상기 비트 주파수 신호를 출력하며,
    상기 샘플링된 m번째 상기 비트 주파수 신호는,
    다음의 수학식으로 나타내며,
    Figure 112019095915890-pat00274

    상기
    Figure 112019095915890-pat00275
    는 표적들에 의해 형성되는 L×1 벡터의 조향 벡터를 나타내고, 상기
    Figure 112019095915890-pat00276
    는 k번째 표적의 m번째 비트 주파수 샘플 값을 나타내고, 상기
    Figure 112019095915890-pat00277
    는 k번째 표적의 신호원을 나타내고, 상기
    Figure 112019095915890-pat00278
    은 l번째 안테나의 m번째 샘플에 해당하는 AWGN을 나타내는 것을 특징으로 하는 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 방법.
  31. 삭제
  32. 삭제
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