KR20090027924A - 표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크및 그 방법 - Google Patents

표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표적 추적장치에서의 관심표적의 이동 속도를 측정하기 위해 이용되는 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크 및 그 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 필터뱅크는, 이동속도를 측정하기 위하여 표적에 전송한 신호가 반사되면, 반사된 신호를 수신하고, 수신된 신호의 주파수를 매치시키는 정합필터와, 정합필터로부터 출력된 신호를 이용하여 표적과의 거리를 측정하는 적어도 하나의 레인지 게이트와, 레인지 게이트로부터 출력되는 신호를 수신하고, 수신한 신호를 주파수 대역별로 필터링하여 표적의 도플러 주파수를 출력하는 협대역 필터를 포함한다.
Figure P1020070093126
도플러, 필터뱅크, 추적, 관심표적, 주파수, 로직, 변조

Description

표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크 및 그 방법{FILTER BANK FOR EXTRACTING DOPPLER FREQUENCY IN TARGET DETECTOR AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 표적 추적장치에서의 관심표적의 이동 속도를 측정하기 위해 이용되는 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 레이더 장치는 물체에 일정 시간 전파를 송신하고, 물체에서 반사되는 전파를 수신함으로써 송신과 수신 간의 시간을 계산하여 물체까지의 상대거리를 검출하여 수신된 신호의 주파수 성분으로부터 그 상대속도 등을 계산하여 감지하는 것이다.
움직이는 표적의 속도 측정은 도플러 신호를 이용하는 것으로 도플러 신호를 탐지하고 처리함으로써 표적의 이동 속도에 관련된 정보를 얻을 수 있다. 실제 처리 과정에서 사용되는 필터의 구현은 협대역의 필터뱅크를 각 프로세서별로 할당하는 처리하는 병렬적인 구조를 취한다. 정밀한 측정장치일수록 연산에 필요한 샘플주파수는 상대적으로 높은 값이 요구되며, 이에 따른 데이터량도 많아진다.
일반적으로 도플러 주파수를 탐지하는 방식은 관심표적에 대한 여러 번의 샘플을 추출하여 얻게 된다. 이때 여러 번의 샘플을 취하여 연산하는 것이 한 번 수 행하는 경우보다는 시간적인 안배가 필요하다. 또한, 간섭신호에 대한 영향이 크지 않은 경우, 즉 운용 주파수에 대한 간섭영향이 외부로부터 크지 않은 경우에는 상대적으로 변복조에 대한 기술적 조작이 크지 않다. 그러나 간섭신호에 대한 극복이 필요한 시스템의 경우에는 운용 주파수에 대한 변복조 스킴이 추가되어 전체적인 구성이나 인터페이스가 복잡하게 된다.
현재 사용되는 도플러 프로세싱의 방법으로는 앞서 언급된 여러 번의 샘플을 구하는 방식과 단일 빔에 대한 스펙트럼 비교 방식을 혼용해서 사용하고 있다. 단일 빔에 대한 스펙트럼 비교방식은 두 신호의 콘볼루션(Convolution) 연산에 의한다. 연산 결과는 시간축상에서 수행하는 것과 주파수상에서 수행하는 것이 동일한 결과를 얻게 된다. 다만 포인트 수가 50개수 이상의 콘볼루션 연산에서는 시간축보다 주파수축에서 수행하는 것이 연산 시간이 월등히 빨라서 통상적으로 주파수상의 스펙트럼 비교방식을 선호한다.
한편 필터뱅크를 구성할 때 요구 시간 내에 처리해야 할 데이터량 및 필터 채널의 수가 많아지면, 입력되는 RAW 데이터를 일시적으로 저장해야 하는 물리적인 메모리 및 프로세서가 필요하게 되어 그에 따른 복잡도가 증가한다. 이때, RAW 데이터는 데이터 처리과정에서 임시로 발생하는 데이터를 가리킨다.
또한 소프트웨어적인 처리를 위해서는 고속의 DSP(Digital Signal Processor) 및 PPC를 이용하게 되는데, 1개 프로세서에서는 동일 시간대에 단일 채널에 대한 도플러 필터링을 수행하게 되므로 요구시간에 대한 제약이 있어 로직 구현과 비교하여 보면 소프트웨어적인 처리가 상대적으로 취약하다.
주파수 상의 스펙트럼 비교 방식을 이용하여 고속의 DSP를 이용한 필터뱅크를 구성하면 전체 운용시간 대비 동시처리가 요구되는 경우에는 필터뱅크의 채널 수에 따라 DSP의 개수가 소요되어 전체적인 구성이 복잡하게 된다. 뿐만 아니라 시스템의 하드웨어적인 크기가 증가하는 것도 피할 수 없다.
따라서, 상기의 문제점을 해결하고 효율적인 연산 및 처리를 위해 관심표적에 대한 도플러 주파수 추출을 위한 필터뱅크의 구성을 효율적인 동시처리 로직(Combinational Logic)으로 구현하는 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 표적 추적장치에서의 관심표적의 이동 속도를 측정하기 위해 이용되는 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크는, 이동속도를 측정하기 위하여 표적에 전송한 신호가 반사되면, 상기 반사된 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호의 주파수를 매치시키는 정합필터와, 상기 정합필터로부터 출력된 신호를 이용하여 상기 표적과의 거리를 측정하는 적어도 하나의 레인지 게이트(Range Gate)와, 상기 레인지 게이트로부터 출력되는 신호를 수신하고, 상기 수신한 신호를 주파수 대역별로 필터링하여 상기 표적의 도플러 주파수를 출력하는 협대역 필터를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 방법은, 이동속도를 측정하기 위하여 표적에 전송한 신호가 반사되면, 상기 반사된 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호를 A/D 변환하는 과정과, 상기 A/D 변환한 신호에 대한 다운샘플링 데이터를 생성하는 과정과, 상기 다운샘플링 데이터에 대한 고속 푸리에 연산(FFT:Fourier Transform)을 수행하는 과정과, 상기 고속 푸리에 연산에 따른 출력 데이터가 생성되면, 동기신호를 생성하여 각각의 도플러 주파수를 추출하기 위한 필터뱅크에 연결된 카운터를 활성화시키는 과정과, 상기 카운터가 활성화되면, 적어도 하나의 메모리를 동작시키고, 상기 메모리들에 대응하는 어드레스를 순차적으로 생성하고, 상기 메모리들에 상기 생성된 어드레스를 제공하는 과정과, 상기 고속 푸리에 연산에 따른 출력 데이터와, 상기 메모리들에 기 저장된 복제(Raplica) 데이터들을 각 인덱스별로 컴플렉스 곱셈연산하는 과정과, 상기 곱셈연산되어 출력된 데이터들에 대한 역 고속 푸리에 연산(IFFF : Inverse Fast Fourier Transform)을 수행하여 출력하는 과정을 포함한다.
본 발명에 따르면 본 발명은 표적 추적장치에서의 관심표적의 이동 속도를 측정하기 위해 이용되는 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크 및 그 방법이 제공된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
표적 추적장치는 이동하는 표적에 전파를 송신하고, 송신된 전파가 상기 표적으로부터 반사되면 그 반사파를 이용하여 표적의 이동속도를 측정한다. 표적 추적장치에 이동하는 표적로부터 반사되는 신호가 수신되면, A/D 컨버터(10)가 수신된 신호를 A/D 변환한다. 변환된 신호는 정합필터(Matched Filter)(20)에서 매치되 는 주파수가 결정된다.
Range Gate(30)는 정합필터(20)에서 주파수가 결정된 신호를 수신한다. Range Gate(30)는 표적과 표적 추적장치 간의 거리에 따라서 각기 다른 범위로 나누어진다. 표적 추적장치는 Range Gate(30)를 이용하여 표적과 추적장치 간의 거리를 구한다. 또한, 표적 추적장치는 각 Range Gate(30)에 연결된 협대역필터(Narrow Bandpass Filter)(40) 중 신호가 출력된 협대역필터(40)가 필터링하는 주파수의 범위가 무엇이냐에 따라서 표적으로부터 반사되는 신호의 주파수를 추정할 수 있다.
M개의 Rage Gate(30)는 각각 N개의 협대역필터(40)를 포함하여 수신되는 데이터를 다시 한 번 각각의 주파수별 신호로 필터링한다. 각각의 협대역 필터(40)를 통과한 주파수는 각 협대역 필터(40), 즉 CH 1~CH N의 각 채널에 대응하는 주파수의 신호만을 통과시킨다. 이때, M, N은 임의의 자연수이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 도플러 필터뱅크를 통과한 신호를 도시한 그래프이다.
도플러 필터뱅크를 통과한 신호는 도 2에서 보는 바와 같이 각각의 필터에 따라 구간별로 구분할 수 있다. 도 2에서는 (2M-1)개의 필터에 따른 주파수 구간별 신호를 도시하였다. 도 1의 도플러 필터뱅크를 통과한 신호는 주파수별로 협대역의 대역폭을 가지는 신호들로 나누어진다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 샘플링 횟수에 따라 검출된 피크치를 도시한 그래프이다.
여러 샘플에 대한 도플러 주파수의 검출은 피크(Peak)치를 이용하여 구할 수 있다. 도 3과 같이 검출된 피크치를 최종 샘플 포인트 수만큼 고속 푸리에 연산(FFT:Fourier Transform)를 수행하면 아래 도 4와 같이 최종 도플러 주파수를 추출할 수 있다. 도 3에서 검출된 피크치는 샘플 횟수에 따라 최대 피크치의 고속 푸리에 연산으로 추출된 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 표적 추적장치에서의 검출된 피크치를 고속 푸리에 연산하여 검출된 도플러 신호를 도시한 그래프이다. 도 4를 참조하면 입력데이터의 도플러 주파수는 1×104임을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 주파수축상의 콘볼루션 연산을 통한 디지털 신호 프로세서의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
디지털 신호 프로세서에서 수행되는 동작은 다음과 같다. A/D 컨버터(110)는 표적으로부터 반사되는 신호를 수신하여 A/D 변환하고, DDC(Direct Digital Converter) 로직(120)은 A/D 변환된 신호를 입력받아 다운샘플링(Down-sampling) 데이터를 생성한다. 데이터의 샘플링은 FFT 로직(130)에서 담당한다. 또한, FFT 로직(130)은 입력과 출력단에 부동 소수점 연산 및 타이밍 딜레이 로직을 구성하여 전체적인 동기를 맞춘다. 카운터(미도시)는 활성화되면 각 메모리(140)를 동작시키면서 순차적으로 어드레스를 생성하여 메모리(140)로 제공한다.
본 실시예에 따른 디지털 신호 프로세서는 동시 처리를 수행하지만 필터뱅크의 채널수 및 연산 시간이 허락하는 경우에는 메모리를 각 채널별로 사용하지 않는 다. 메모리(140)에는 각 도플러 채널에 대해 천이된 복제(Raplica) 성분이 저장되어 있다. 데이터의 처리과정에서 메모리를 각 채널별로 사용하지 않고, 하나의 메모리로 사용하는 경우에는 하나의 메모리와 기준 주파수만의 스펙트럼 성분을 이용하여 도 8과 같이 채널에 따른 기 설정된 딜레이 연산을 수행한다. 이때, 채널별 천이 구간은 0비트를 추가하여 순차적으로 처리할 수 있다.
FFT 로직(130)에서 연산된 연산 결과와, 메모리(140)에서 출력된 복제 데이터는 각 인덱스별로 곱셈기(Multiplier Logic)(160)로 입력되고, 곱셈기(160)는 상기 두 데이터에 대하여 곱셈 연산을 수행한다. 곱셈기(160)에서 출력된 데이터는 IFFF(Inverse Fast Fourier Transform) 로직(160)으로 출력되고, IFFF 로직은 곱셈기(160)로부터 출력된 데이터를 이용하여 역 고속 푸리에 연산을 수행한다.
단일 펄스에 대한 신호 검출인 경우에는 변조신호에 대한 스펙트럼 비교를 통해 신호를 검출할 수 있다. 아래 식 1과 같이 수신신호에 대한 스펙트럼의 비교법은 시간축상의 콘볼루션 연산으로 송수신 신호의 정합도를 판별하여 필터 출력을 얻게 된다. 기 설정된 포인트 이상의 콘볼루션 연산은 시간축이 아닌 주파수축 상에서 수행하는 것이 바람직하다.
Figure 112007066460733-PAT00001
Figure 112007066460733-PAT00002
스펙트럼 비교법은 아래 도 6과 같이 제로 도플러 상의 변조 스펙트럼을 바 탕으로 하여 도플러가 발생하였을 경우 전체적인 에너지는 그대로 유지하면서 중앙을 기점으로 하여 좌측 또는 우측으로 천이되는 결과로 나타난다. 따라서, 도 5에서 적용된 모델을 통해 최종 정합필터를 통과하면, 변조신호의 에너지는 복제신호가 나타나는 주파수 채널상에서만 반응하여 출력된다.
Control & Monitoring Logic(170)은 표적 추적기의 전반적인 동작을 제어한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 도플러 주파수 천이에 따른 신호를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면 도플러 현상으로 인한 주파수 천이를 알 수 있다. (a)에서 중앙(Center)에 위치해있던 신호가 (b)에서는 Delta f로 이동하였음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서 정합필터에서 출력된 데이터를 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 표적 추적장치로부터 수신되는 신호와 매치되는 주파수를 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5에서 딜레이 로직이 추가된 주파수축상의 콘볼루션 연산을 통한 디지털 신호 프로세서의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다. 도 8을 참조하면, '-1'의 계수를 가지는 두 개의 딜레이(delay) 로직이 추가되어 #2, #3의 곱셈기가 추가되었음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서 최종 구현된 필터의 출력도를 도시한 도면이다.
도 9에서는 순서에 따라 각각 #1 채널 필터출력, #2 채널 필터출력, #3 채널 필터출력, #4 채널 필터출력, #5 채널 필터출력을 도시하였다. 도 9의 표적 추적장치는 IF 도플러 신호가 50.4MHz이다. 도 9에서 도시된 각 필터의 범위는 0KHz, 160KHz, 320KHz, 480KHz, 640KHz이고, 도플러 주파수는 400KHz로서 #3 채널에서 도플러 주파수가 나타나고 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크의 구현 로직을 도시한 것이다. 또한, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서 수신하는 외부 테스트 신호를 생성하는 로직의 대략적인 구성을 도시한 블록도, 도 12는 DDC 로직의 대략적인 구성을 도시한 블록도, 도 13은 FFT 연산을 수행하는 FFT 로직의 대략적인 구성을 도시한 블록도이다. 또한, 도 14는 표적 추적장치에서의 동기신호를 발생 및 메모리 로직의 대략적인 구성을 도시한 블록도이고, 도 15는 표적 추적장치에서의 곱셈기 및 IFFT 필터 출력로직의 대략적인 구성을 도시한 블록도이다. 본 발명에 따른 표적 추적장치를 구현하기 위해서는 도 10~도 15에서 도시한 것과 같은 로직들이 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 도플러 필터뱅크를 통과한 신호를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 샘플링 횟수에 따라 검출된 피크치를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 표적 추적장치에서의 검출된 피크치를 FFT 연산하여 검출된 도플러 신호를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 주파수축상의 콘볼루션 연산을 통한 디지털 신호 프로세서의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 도플러 주파수 천이에 따른 신호를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서 정합필터에서 출력된 신호를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5에서 딜레이 로직이 추가된 주파수축상의 콘볼루션 연산을 통한 디지털 신호 프로세서의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
9는 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서 최종 구현된 필터의 출력도를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크의 구현 로직을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서 수신하는 외부 테스트 신호를 생성하는 로직의 대략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 DDC 로직의 대략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 추적장치에서의 고속 푸리에 연산을 수행하는 FFT 로직의 대략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 14는 표적 추적장치에서의 동기신호를 발생 및 메모리 로직의 대략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 15는 표적 추적장치에서의 곱셈기 및 IFFT 필터 출력로직의 대략적인 구성을 도시한 블록도이다.

Claims (3)

  1. 표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크에 있어서,
    이동속도를 측정하기 위하여 표적에 전송한 신호가 반사되면, 상기 반사된 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호의 주파수를 매치시키는 정합필터와,
    상기 정합필터로부터 출력된 신호를 이용하여 상기 표적과의 거리를 측정하는 적어도 하나의 레인지 게이트(Range Gate)와,
    상기 레인지 게이트로부터 출력되는 신호를 수신하고, 상기 수신한 신호를 주파수 대역별로 필터링하여 상기 표적의 도플러 주파수를 출력하는 협대역 필터를 포함함을 특징으로 하는 표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레인지 게이트는,
    상기 표적과의 거리를 적어도 하나의 범위별로 구분하고, 상기 구분된 범위에 따라 상기 정합필터로부터 출력되는 신호를 수신함을 특징으로 하는 표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 필터뱅크.
  3. 표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 방법에 있어서,
    이동속도를 측정하기 위하여 표적에 전송한 신호가 반사되면, 상기 반사된 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호를 A/D 변환하는 과정과,
    상기 A/D 변환한 신호에 대한 다운샘플링 데이터를 생성하는 과정과,
    상기 다운샘플링 데이터에 대한 고속 푸리에 연산(FFT:Fourier Transform)을 수행하는 과정과,
    상기 고속 푸리에 연산에 따른 출력 데이터가 생성되면, 동기신호를 생성하여 각각의 도플러 주파수를 추출하기 위한 필터뱅크에 연결된 카운터를 활성화시키는 과정과,
    상기 카운터가 활성화되면, 적어도 하나의 메모리를 동작시키고, 상기 메모리들에 대응하는 어드레스를 순차적으로 생성하고, 상기 메모리들에 상기 생성된 어드레스를 제공하는 과정과,
    상기 고속 푸리에 연산에 따른 출력 데이터와, 상기 메모리들에 기 저장된 복제(Raplica) 데이터들을 각 인덱스별로 컴플렉스 곱셈연산하는 과정과,
    상기 곱셈연산되어 출력된 데이터들에 대한 역 고속 푸리에 연산(IFFF : Inverse Fast Fourier Transform)을 수행하여 출력하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 표적 추적장치에서의 도플러 주파수를 추출하는 방법.
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