KR102362085B1 - 다중 캐리어 도플러 레이더 - Google Patents

다중 캐리어 도플러 레이더 Download PDF

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KR102362085B1
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Abstract

본 발명은 다중 캐리어 도플러 레이더를 개시한다. 상기 다중 캐리어 도플러 레이더는, 기저 대역 신호로서 다중 캐리어를 포함하는 기저 대역 신호를 이용하고, 수신한 기저 대역 신호를 푸리에 변환을 통해 N개의 주파수 신호로 변환하고, 변환된 N개의 주파수 중 임의의 M개의 주파수 신호를 선택하고, 선택된 M개의 주파수 신호 각각에 캘리브레이션 상수를 곱해 출력되는 M개의 주파수 신호 각각의 위상 값을 추출하고, 추출된 M개의 위상 값 각각에 거리 변환 상수를 곱하여 출력되는 M개의 거리 정보 각각에 필터를 적용하여 출력되는 값을 합산하여 도플러 측정값을 출력하는 신호 처리부를 포함한다.

Description

다중 캐리어 도플러 레이더{Multi-carrier doppler radar}
본 발명은 도플러 레이더에 관한 것으로, 상세하게는 마이크로 도플러를 측정할 수 있는 다중 캐리어 도플러 레이더에 관한 것이다.
레이더 기술은 전통적으로 국방, 항공, 선박 분야 등에서 주로 사용되었으나, 최근에는 다양한 연구를 통해 보안, 위치인식, 생체신호 인식 분야 등으로 사용분야가 넓어지고 있는 추세이다.
이 중 생체신호 인식은 의료, 바이오, 보안 등과 같이 생체 신호가 활용되고 있는 곳에 광범위하게 응용될 수 있는 기술로서, 다양한 방법의 생체 신호 센싱에 대한 기술적 해결방안의 요구가 증가함에 따라 최근 많은 조명을 받고 있으며, 특히 인체의 호흡이나 심박을 비침습, 비접촉 방식으로 측정하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
호흡, 심박을 측정하는 기존의 방식은 심전도 장치, 광학기반 맥박 측정 장치, 벨트 착용형 호흡 측정 장치 등과 같이 몸에 직접 장치를 부착해야 하는 불편함을 가진 접촉식 장치를 이용하는 데에 한정되어 있었다.
이러한 불편을 해결하기 위해 최근에는 호흡/심박에 대한 비접촉 측정방식으로서 영상을 이용하는 방법에 대한 연구가 이루어지고 있다. 영상을 이용한 방식은 인체의 안면 영상을 통해 혈액을 인한 미세한 피부 색깔의 변화를 감지함으로써 심박동수를 추정하는 원리를 이용하는 것으로서, 주변 조명도에 따라 일정한 센싱 성능을 얻기 어려운 문제점이 있다.
다른 호흡/심박에 대한 비접촉 측정방식으로는 레이더를 이용하는 기술이 있는데, 레이더를 이용한 기술은 심장의 박동과 호흡으로 인해 발생하는 흉부의 움직임을 레이더로 감지하는 것으로, 비접촉 방식이라는 점 이외에도 원거리에서의 감지가 가능하고, 외부 조명도나 날씨에 크게 영향을 받지 않기 때문에, 생체 신호 센싱 분야에서 새로이 각광을 받고 있다.
생체 신호 측정 레이더 기술 분야는 크게 펄스 레이더를 이용하는 방식(펄스 레이더 방식)과 도플러 레이더를 이용하는 방식(도플러 레이더 방식)으로 구분된다.
펄스 레이더 방식은 임펄스를 송수신하면서 펄스의 도착 시간을 측정하여 인체의 움직임을 추정하는데, 일반적으로 벌크 모션(동작이 큰 모션, 예를 들면 걷기, 뛰기, 제자리 팔 흔들기 등)의 패턴 측정에 용이하다.
최근에 생체 신호 센싱 분야에서 제품화에 근접하고 있는 펄스 레이더 방식은 호흡 측정이 가능하며, 이를 이용하여 수면 패턴을 측정하는 분야에 응용되고 있다.
한편, 도플러 레이더 방식은 반송파를 송수신하면서 반송파의 도착 위상차를 측정하여 인체의 움직임을 추정하는 것으로, 임펄스 방식과는 달리 반송파의 주파수를 어떤 값으로 사용하느냐에 따라 벌크 모션에서부터 심박과 같은 미세한 마이크로 모션도 측정이 가능하여, 미래유망 기술로서 도플러 레이더 방식에 대한 연구가 활발히 진행중이다.
기존의 도플러 레이더 방식을 이용한 생체 신호 센싱 연구에서 제안되고 있는 장치로는 네트워크 분석 장비, 단일 반송파 송수신 장치, 주파수 변조 연속 파형 송수신 장치가 있는데, 이들 장치들은 하나의 시간 시점에서 하나의 주파수를 갖는 반송파를 이용한다는 공통점이 있다.
도플러 레이더 방식의 장점은 움직임에 대한 민감도가 높아 인체의 미세한 움직임도 감지 가능하다는 것이다. 그러나, 움직임에 너무 민감하게 되면 실제 생활에 적용 시 다중경로로 전파되는 레이더 신호의 페이딩 현상에 취약한 문제가 있어 실제 생활에 적용되기가 어려운 단점이 있다.
미국특허 US 7,019,686 (RF CHANNEL CALIBRATION FOR NON-LINEAR FM WAVEFORMS)
* 'Microwave Reconstruction Approach for Stepped-Frequency Radar', V.A. Mikhnev, Institute of Applied Physics, National Academy of Sciences, Minsk, Belarush [https://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn354/idn354.htm] * 'Full-Wave Calibration of Time- and Frequency-Domain Ground-Penetrating Radar in Far-Field Conditions', Article in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing (January 2013) [https://www.researchgate.net/publication/236901848_Full-Wave_Calibration_of_Time-_and_Frequency-Domain_Ground-Penetrating_Radar_in_Far-Field_Conditions] * 'Doppler Radar Calibration System', Article in IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine (October 2012) [https://www.researchgate.net/publication/257479690_Doppler_Radar_Calibration_System]
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 다중 캐리어를 포함하는 기저 대역 신호를 송수신하면서 도플러를 측정함으로써 다중경로로 인한 페이딩 현상에 강인하게 설계되어 마이크로 도플러를 측정할 수 있는 다중 캐리어 도플러 레이더에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 다중 캐리어 도플러 레이더는, 기저 대역 신호를 송신한 후, 송신한 기저 대역 신호가 물체에 반사되어 되돌아오는 기저 대역 신호를 바탕으로 도플러를 측정하는 도플러 레이더에 있어서, 상기 도플러 레이더는 상기 기저 대역 신호로서 다중 캐리어를 포함하는 기저 대역 신호를 이용하고, 상기 도플러 레이더는 수신한 기저 대역 신호를 푸리에 변환을 통해 N개의 주파수 신호로 변환하고, 변환된 N개의 주파수 중 임의의 M개의 주파수 신호를 선택하고, 선택된 M개의 주파수 신호 각각에 캘리브레이션 상수를 곱해 출력되는 M개의 주파수 신호 각각의 위상 값을 추출하고, 추출된 M개의 위상 값 각각에 거리 변환 상수를 곱하여 출력되는 M개의 거리 정보 각각에 필터를 적용하여 출력되는 값을 합산하여 도플러 측정값을 출력하는 신호 처리부를 포함한다.
상기 신호 처리부는, 수신한 기저 대역 신호를 고속 푸리에 변환을 통해 N개의 주파수 신호로 변환하여 출력하는 푸리에 변환부; 상기 N개의 주파수 신호 중 임의의 M개의 주파수 신호를 선택하여 출력하는 랜덤 선택부; 상기 M개의 주파수 신호 각각에 캘리브레이션 상수를 곱하여, 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호를 출력하는 제 1 곱셈부; 상기 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호 각각의 위상 값을 추출하여 M개의 위상 값을 출력하는 위상 추출부; 상기 M개의 위상 값 각각에 거리 변환 상수를 곱하여 M개의 거리 정보를 출력하는 제 2 곱셈부; 상기 M개의 거리 정보를 각각 필터변수로 필터링하는 필터부; 및 상기 필터부로부터 출력되는 값을 합산하여 도플러 측정값을 출력하는 출력부를 포함한다.
상기 제 1 곱셈부는 병렬로 구성되는 다수의 곱셈기로 이루어지고, 상기 위상 추출부는 병렬로 구성되는 다수의 위상 추출기로 이루어지고, 상기 제 2 곱셈부는 병렬로 구성되는 다수의 곱셈기로 이루어지고, 상기 필터부는 병렬로 구성되는 다수의 필터로 이루어져, 입력되는 신호에 대해 병렬 처리를 수행한다.
상기 랜덤 선택부는 하기의 수학식 1을 이용하여 N개의 주파수 신호 중 임의의 M개의 주파수 신호를 선택한다.
[수학식 1]
Figure 112016071401497-pat00001
여기서, N개의 주파수 신호는 R0 ~ RN-1로 표현되고, M개의 주파수 신호는 Q0 ~ QM -1로 표현되는 경우, M개의 주파수 신호는 Q0 = Rm (0), Q1 = Rm (1), …, QM -1 = Rm(M-1)로 정의된다.
상기 신호 처리부는, 상기 제 1 곱셈부로부터 출력되는 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호를 바탕으로 필터변수를 계산하여 상기 필터부로 출력하는 필터변수 계산부를 더 포함한다.
상기 필터변수 계산부는 하기의 수학식 3을 이용하여 필터변수(wm)를 계산한다.
[수학식 3]
Figure 112016071401497-pat00002
여기서 |Ym|은 복소수로 표현되는 Ym의 크기값을 의미하고, Ym은 상기 제 1 곱셈부로부터 출력되는 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호이다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 캐리어 도플러 레이더는 다중 캐리어를 포함하는 기저 대역 신호의 송수신을 통해 도플러를 측정하도록 구현된다.
본 발명에서와 같이 다중 캐리어를 포함하는 기저 대역 신호를 이용하면 다중경로로 인해 발생하는 페이딩 현상에 강인한 도플러 레이더를 설계할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다중 캐리어 도플러 레이더를 이용하면, 복잡한 환경 하에서도 안정적으로 그리고 높은 정밀도로 마이크로 도플러(즉, 미세 동작)까지 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 다중 캐리어 도플러 레이더는 다중 캐리어를 한번에 송수신하여 도플러를 측정하는 방식이기 때문에, 단일 캐리어를 이용하여 주파수를 조금씩 높여가며 송수신하여 도플러를 측정하는 주파수 변조 연속 파형 방식의 도플러 레이더에 비하여 고속으로 동작이 가능하다.
따라서, 본 발명의 다중 캐리어 도플러 레이더를 이용하면, 도플러를 측정하는 데에 소요되는 시간이 짧아 저전력화를 도모할 수 있고, 움직임 속도 변화가 빠른 물체에 대한 측정에 유리하다.
따라서, 본 발명의 다중 캐리어 도플러 레이더는 기존의 도플러 레이더로는 적용하기 어려웠던 생체 신호 모니터링 분야에도 효과적으로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 캐리어 도플러 레이더의 구성의 일례를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 캐리어 도플러 레이더의 신호 처리부의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다중 캐리어 도플러 레이더에서 이용되는 다중 캐리어 기저 대역 신호를 주파수 영역으로 표시한 일례이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 “~사이에”와 “바로 ~사이에” 또는 “~에 이웃하는”과 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 개시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 본 발명이 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.
한편, 어떤 실시 예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 다중 캐리어 도플러 레이더에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 캐리어 도플러 레이더의 구성의 일례를 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다중 캐리어 도플러 레이더(100)는 다중 캐리어를 포함하는 기저 대역 신호의 송수신을 통해 도플러를 측정하도록 구현되어, 다중경로로 인해 발생하는 페이딩 현상에 강인하게 설계될 수 있다.
이러한 다중 캐리어 도플러 레이더(100)는 복잡한 환경 하에서도 안정적으로 그리고 높은 정밀도로 마이크로 도플러(즉, 미세 동작)까지 측정할 수 있고, 종래의 도플러 레이더에 비하여 고속으로 동작이 가능하여, 생체 신호 모니터링 분야에도 효과적으로 활용될 수 있다.
구체적으로, 상기 다중 캐리어 도플러 레이더(100)는 RF 송신부(110), 송신 안테나(120), RF 수신부(130), 수신 안테나(140), 오실레이터(150) 및 신호 처리부(160)로 구성된다.
이때, 상기 다중 캐리어 도플러 레이더(100)는 기저 대역 신호를 RF 대역 신호로 변환하여 외부로 송신하고, 물체(O)에 반사되어 되돌아오는 RF 대역 신호를 수신하여 기저 대역 신호로 변환한 후, 변환된 기저 대역 신호를 바탕으로 도플러를 측정한다.
상기 기저 대역 신호는 주파수 영역에서 서로 직교 특성을 갖는 캐리어를 2개 이상 포함하고 있는 신호를 역 푸리에(Inverse Fourier) 변환을 통해 시간 영역으로 변환한 신호이다.
상기 RF 송신부(110)는 기저 대역 신호(sn)를 RF 대역 신호로 변환하여 송신 안테나(120)를 통해 외부로 송신하고, RF 수신부(130)는 수신 안테나(140)를 통해 입력되는 RF 대역 신호를 수신하고, 기저 대역 신호로 변환하여 신호 처리부(160)로 제공한다.
일례로, 상기 RF 송신부(110)는 디지털-아날로그 변환기(Digital-Analog Converter, DAC), 믹서, 전력 증폭기로 구성될 수 있고, 상기 RF 수신부(130)는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA), Mixer, 가변이득 증폭기(Variable Gain Amplifier, VGA), 아날로그-디지털 변환기(Analog-Digital Converter, ADC)로 구성될 수 있다.
상기 RF 송신부(110) 및 RF 수신부(130)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공공연히 사용되는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이때, 상기 RF 송신부(110)와 RF 수신부(130)는 오실레이터(150)에 의해 동기되어 동작하며, 상기 RF 수신부(130)로 입력되는 RF 대역 신호는 RF 송신부(110)로부터 전송된 RF 대역 신호가 물체(O)에 반사되어 되돌아온 신호로서, RF 수신부(130)에 의해 변환되어 신호 처리부(160)로 출력되는 신호는 기저 대역 신호(rn)이다.
설명의 편의를 위하여, RF 송신부(110)로 입력되어 RF 대역 신호로 변환되는 기저 대역 신호(sn)를 ‘송신 기저 대역 신호’라 하고, RF 수신부(130)에 의해 변환되어 신호 처리부(160)로 출력되는 기저 대역 신호(rn)를 ‘수신 기저 대역 신호’라 한다.
상기 신호 처리부(160)는 RF 수신부(130)로부터 출력되는 수신 기저 대역 신호를 수신하여, 외부 물체(O)의 움직임으로 인해 발생하는 도플러를 측정하여 도플러 측정값을 출력한다.
상기 신호 처리부(160)의 구체적인 구성 및 동작에 대해서는 첨부된 도 2를 참조하여 하기에서 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 캐리어 도플러 레이더의 신호 처리부의 구성을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 신호 처리부(200)는 도 1의 신호 처리부(160)에 적용될 수 있는 것으로서, RF 수신부(130)로부터 출력되는 기저 대역 신호를 수신하고, 수신한 기저 대역 신호를 처리하여 도플러 측정값을 출력한다.
구체적으로, 상기 신호 처리부(200)는 푸리에 변환부(210), 랜덤 선택부(220), 제 1 곱셈부(230), 위상 추출부(240), 제 2 곱셈부(250), 필터부(260), 필터변수 계산부(270) 및 출력부(280)로 구성될 수 있다.
상기 푸리에 변환부(210)는 수신 기저 대역 신호(rn)를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 통해 N개의 주파수 신호(R0 ~ RN-1)로 변환한다.
예를 들어, 상기 푸리에 변환부(210)는 N-point FFT을 이용할 수 있으며, N개의 주파수 신호(R0 ~ RN-1)는 기저 대역 신호에 포함되어 있는 캐리어이다.
상기 랜덤 선택부(220)는 푸리에 변환부(210)로부터 출력되는 N개의 주파수 신호 중 임의의 M개의 주파수 신호(Q0 ~ QM-1)를 선택한다. 그 이유는 앞에서 [해결하고자 하는 과제] 항목과 [발명의 효과] 항목에서 언급한 것과 같은 본 발명의 목적을 달성하고 효과를 얻기 위하여, M개의 주파수를 임의로 선택하여 그들의 평균치를 사용하게 되면 전체 N개의 평균치를 사용하는 것에 비해 성능차는 별로 없으면서도 계산복잡도를 줄일 수 있기 때문이다.
이때, 상기 랜덤 선택부(220)는 하기의 수학식 1을 이용하여 N개의 주파수 신호(R0 ~ RN-1)에서 임의의 M개의 주파수 신호(Q0 ~ QM -1, 여기서 Q0 = Rm (0), Q1 = Rm (1), …, QM -1 = Rm (M-1))를 선택한다.
[수학식 1]
Figure 112016071401497-pat00003
여기서, m(0), …, m(M-1)은 새로운 수신 기저 대역 신호(rn)의 주파수 신호(Q0 ~ QM -1)가 입력될 때마다 달라진다.
그리고, 상기 제 1 곱셈부(230)는 병렬로 구성되는 다수의 곱셈기로 이루어져, 랜덤 선택부(220)에 의해 임의 선택되어 출력되는 M개의 주파수 신호(Q0 ~ QM -1) 각각에 캘리브레이션 상수(Cm(0), Cm(1), …, Cm(M-1))를 곱하여, 병렬적으로 한 번에 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호(Y0, Y1, …, YM -1)를 출력한다.
이때, 상기 캘리브레이션 상수(C)는 도 1의 다중 캐리어 도플러 레이더(100)에서 송신되는 신호가 물체(O)로부터 전반사되는 경우에 있어서 주파수 신호 R이 모두 1이 되게 하는 상수이다.
그리고, 상기 위상 추출부(240)는 병렬로 구성되는 다수의 위상 추출기로 이루어져, 제 1 곱셈부(230)로부터 출력되는 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호(Y0, Y1, …, YM -1) 각각의 위상 값(θ0, θ1, …, θM-1)을 추출한다. 여기서, 상기 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호(Y0, Y1, …, YM -1)는 복소수이다.
그리고, 상기 제 2 곱셈부(250)는 병렬로 구성되는 다수의 곱셈기로 이루어져, 위상 추출부(240)로부터 추출되는 M개의 위상 값(θ0, θ1, …, θM-1) 각각에 거리 변환 상수(b/fm(0), b/fm(1), …, b/fm(M-1))를 곱하여, 병렬적으로 한 번에 M개의 거리 정보(d0, d1, …, dM -1)를 출력한다.
이때, b는 상수값으로서 b = c/4π(c는 광속 상수)와 같이 계산되고, fm(i)는 하기 수학식 2에 의해 결정된다.
[수학식 2]
Figure 112016071401497-pat00004
여기서, fmin는 기저 대역 신호의 최소 캐리어 주파수이고, Δf는 캐리어 간 간격을 의미하며, 도 3에 본 발명의 다중 캐리어 도플러 레이더에서 이용되는 다중 캐리어 기저 대역 신호를 주파수 영역으로 표시한 일례가 도시되어 있다.
상기 필터부(260)는 병렬로 구성되는 다수의 필터로 이루어져, 제 2 곱셈부(250)로부터 출력되는 M개의 거리 정보(d0, d1, …, dM -1)를 각각 필터변수(w0, w1, …, wM -1)로 병렬적으로 한 번에 필터링하며, 필터변수(w0, w1, …, wM -1)는 필터변수 계산부(270)로부터 제공된다.
상기 필터변수 계산부(270)는 제 1 곱셈부(230)로부터 출력되는 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호(Y0, Y1, …, YM -1)를 바탕으로 필터변수(w0, w1, …, wM -1)를 계산하여 출력한다.
이때, 상기 필터변수 계산부(270)는 하기의 수학식 3에 따라 필터변수를 계산한다.
[수학식 3]
Figure 112016071401497-pat00005
, 여기서 |Ym|은 복소수로 표현되는 Ym의 크기값을 의미한다.
따라서, 상기 필터변수 계산부(270)는 새로운 기저 대역 신호가 입력될 때마다 수학식 3을 이용하여 필터변수를 계산한다.
상기 출력부(280)는 필터부(260)로부터 출력되는 값을 합산하여 도플러 측정값(dout)을 출력한다.
따라서, 제 1 곱셈부(330), 위상 추출부(240), 제 2 곱셈부(250) 및 필터부(260)는 입력되는 신호에 대한 병렬 처리를 수행하기 때문에, 기존의 주파수 변조 연속 파형 방식에 비하여 고속으로 동작하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 다중 캐리어 도플러 레이더를 실시 예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 기재된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 다중 캐리어 도플러 레이더
110 : RF 송수신부 120 : 송신 안테나
130 : RF 수신부 140 : 수신 안테나
150 : 오실레이터 160, 200 : 신호 처리부
210 : 푸리에 변환부 220 : 랜덤 선택부
230 : 제 1 곱셈부 240 : 위상 추출부
250 : 제 2 곱셈부 260 : 필터부
270 : 필터변수 계산부 280 : 출력부

Claims (8)

  1. 다중 캐리어를 포함하는 기저 대역 신호를 송신한 후, 송신한 기저 대역 신호가 물체에 반사되어 되돌아오는 기저 대역 신호를 수신하고 이를 이용하여 도플러를 측정하는 도플러 레이더에 있어서,
    상기 수신한 기저 대역 신호를 푸리에 변환을 통해 N개의 주파수 신호로 변환하고, 변환된 N개의 주파수 중 임의의 M개의 주파수 신호를 선택하고, 선택된 M개의 주파수 신호 각각에 캘리브레이션 상수를 곱해 출력되는 M개의 주파수 신호 각각의 위상 값을 추출하고, 추출된 M개의 위상 값 각각에 거리 변환 상수를 곱하여 출력되는 M개의 거리 정보 각각에 필터를 적용하여 출력되는 값을 합산하여 도플러 측정값을 출력하도록 구성된 신호 처리부를 포함하는
    다중 캐리어 도플러 레이더.
  2. 제1항에 있어서, 상기 신호처리부는 상기 임의의 M개에 대해 병렬로, 주파수 신호 선택, 캘리브레이션 상수 곱하기, 위상 값 추출, 거리 변환 상수 곱하기, 및 필터 적용을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 캐리어 도플러 레이더.
  3. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
    상기 필터 적용 전에, 상기 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호를 바탕으로 필터변수를 계산하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 캐리어 도플러 레이더.
  4. 다중 캐리어를 포함하는 기저 대역 신호를 송신한 후, 송신한 기저 대역 신호가 물체에 반사되어 되돌아오는 기저 대역 신호를 수신하고 이를 이용하여 도플러를 측정하는 도플러 레이더에 있어서,
    상기 수신한 기저 대역 신호를 고속 푸리에 변환을 통해 N개의 주파수 신호로 변환하여 출력하는 푸리에 변환부;
    상기 N개의 주파수 신호 중 임의의 M개의 주파수 신호를 선택하여 출력하는 랜덤 선택부;
    상기 M개의 주파수 신호 각각에 캘리브레이션 상수를 곱하여, 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호를 출력하는 제 1 곱셈부;
    상기 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호 각각의 위상 값을 추출하여 M개의 위상 값을 출력하는 위상 추출부;
    상기 M개의 위상 값 각각에 거리 변환 상수를 곱하여 M개의 거리 정보를 출력하는 제 2 곱셈부;
    상기 M개의 거리 정보를 각각 필터변수로 필터링하는 필터부; 및
    상기 필터부로부터 출력되는 값을 합산하여 도플러 측정값을 출력하는 출력부를 포함하는 다중 캐리어 도플러 레이더.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제 1 곱셈부는 병렬로 구성되는 다수의 곱셈기로 이루어지고, 상기 위상 추출부는 병렬로 구성되는 다수의 위상 추출기로 이루어지고, 상기 제 2 곱셈부는 병렬로 구성되는 다수의 곱셈기로 이루어지고, 상기 필터부는 병렬로 구성되는 다수의 필터로 이루어져, 상기 수신된 신호에 대해 병렬 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 캐리어 도플러 레이더.
  6. 제4항에 있어서, 상기 랜덤 선택부는 하기의 수학식
    Figure 112020035657080-pat00009

    (여기서, N개의 주파수 신호는 R0 ~ RN-1로 표현되고, M개의 주파수 신호는 Q0 ~ QM-1로 표현되는 경우, M개의 주파수 신호는 Q0 = Rm(0), Q1 = Rm(1), …, QM-1 = Rm(M-1)로 정의됨)
    을 이용하여 N개의 주파수 신호 중 임의의 M개의 주파수 신호를 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 캐리어 도플러 레이더.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제 1 곱셈부로부터 출력되는 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호를 바탕으로 필터변수를 계산하여 상기 필터부로 출력하는 필터변수 계산부를 추가로 포함하는 다중 캐리어 도플러 레이더.
  8. 제7항에 있어서, 상기 필터변수 계산부는 하기의 수학식
    Figure 112020035657080-pat00010

    (여기서 |Ym|은 복소수로 표현되는 Ym의 크기값을 의미하고, Ym은 상기 제 1 곱셈부로부터 출력되는 캘리브레이션된 M개의 주파수 신호를 의미함)
    을 이용하여 필터변수(wm)를 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 캐리어 도플러 레이더.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007136610A2 (en) 2006-05-17 2007-11-29 University Of Hawaii Determining presence and/or physiological motion of one or more subjects with multiple receiver doppler radar systems
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007136610A2 (en) 2006-05-17 2007-11-29 University Of Hawaii Determining presence and/or physiological motion of one or more subjects with multiple receiver doppler radar systems
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