KR20120074162A - Ｆｍｃｗ 방식을 이용한 거리측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 HWF(Hamming window function) 기법과 LSF(Least square fitting) 기법을 이용하여 거리 정밀도를 향상시켜 줄 수 있는 FMCW 방식을 이용한 거리측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 FMCW 방식을 이용한 거리측정 장치는 거리 측정을 위한 신호를 발생하여 타겟 쪽으로 송출하는 신호 송신부; 상기 타겟에 의해 반사되어 되돌아오는 신호를 수신하는 신호 수신부; 상기 신호 수신부의 출력을 대역 필터링하는 대역 필터부; 및 상기 대역 필터부의 출력에 HWP(Hamming window function) 함수를 적용시킨 후 FFT(Fast Fourier Transform) 변환시키고, FFT변환 결과를 LSF(Least square fitting) 방식으로 분석하여 상기 타겟까지의 거리를 산출하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.

Description

ＦＭＣＷ 방식을 이용한 거리측정 장치 및 방법{Apparatus and method for MEASURING DISTANCE USING FMCW TECHNIC}
본 발명은 FMCW 방식을 이용한 거리측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 거리 정밀도를 향상시켜 줄 수 있는 FMCW 방식을 이용한 거리측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 거리 정밀도 향상 기법은 FMCW(frequency modulated continuous wave)에 의해 수집된 신호에 영점(zero)을 추가하여 FFT(Fast Fourier Transform)를 취하는 방식을 사용하고 있다.
도1은 종래의 기술에 따른 거리측정 방법을 나타낸 도면이다.
타겟(target)측으로 거리 측정을 위한 신호를 송출하고(S1), 상기 신호 중 일부가 타겟에 의해 반사되어 다시 되돌아오면 이를 수신한다(S2).
그리고 송신 신호와 수신 신호를 비교하여 송신 신호와 수신 신호간 주파수 차를 반영하는 신호를 생성하고, 이를 대역 필터링하여 유용한 신호 성분을 가지는 저주파 신호 부분만 남긴다(S3).
그리고 대역 필터된 저주파 신호에 영점(zero)을 추가한 후(S4), FFT 변환하여 주파수 스펙트럼을 생성하고(S5), 이 주파수 스펙트럼에서 정점(peak)을 찾아(S6), 이를 타겟까지의 거리로 환산한다 (S7).
종래의 기술에서와 같이 대역 필터링된 신호에 영점(zero)을 추가하면, 신호 간격이 감소되어 신호 해상도를 높이는 것과 같은 현상을 만들게 된다. 이러한 방식은 영점 추가 동작에 해상도가 높아 보이는 것과 같은 효과를 제공하게 된다.
그러나 측정 정밀도를 높이기 위해서는 FFT 변환 후에 정점 주파수를 분해할 수 있는 분해능이 좋아야 하는데, 도1의 영점 추가 동작만으로는 분해능을 높이는데 한계가 있다. 즉, 해상도가 높아지면서 정점 주파수의 간격도 좁아져서 분해능이 개선되지 않는 단점을 가진다.
이에 본 발명에서는 HWF(Hamming window function) 기법과 LSF(Least square fitting) 기법을 이용하여 거리 정밀도를 향상시켜 줄 수 있는 FMCW 방식을 이용한 거리측정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 거리 측정을 위한 신호를 발생하여 타겟 쪽으로 송출하는 신호 송신부; 상기 타겟에 의해 반사되어 되돌아오는 신호를 수신하는 신호 수신부; 상기 신호 수신부의 출력을 대역 필터링하는 대역 필터부; 및 상기 대역 필터부의 출력에 HWP(Hamming window function) 함수를 적용시킨 후 FFT(Fast Fourier Transform) 변환시키고, FFT변환 결과를 LSF(Least square fitting) 방식으로 분석하여 상기 타겟까지의 거리를 산출하는 신호 처리부를 포함하는 거리 측정 장치를 제공한다.
상기 신호 처리부는 상기 대역 필터부의 출력에 HWP 함수를 적용시키는 HWP 수행부; 상기 HWP 수행부의 출력을 FFT 변환하여 주파수 스펙트럼을 획득하는 FFT 수행부; 및 상기 주파수 스펙트럼에서 5개의 측정 포인트를 획득하고, 상기 5개의 측정 포인트를 이용하여 2차식을 도출한 후, 상기 2차식의 정점을 산출하는 LSF 수행부; 및 상기 정점의 위치를 상기 타겟까지의 거리로 환산하는 거리 환산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 거리 측정을 위한 신호를 타겟 쪽으로 송출하고, 상기 타겟에 의해 반사되어 되돌아오는 신호를 획득하는 단계; 상기 획득된 신호를 대역 필터링하는 단계; 상기 대역 필터링된 신호에 HWP(Hamming window function) 함수를 적용시키는 단계; 상기 HWP 함수가 적용된 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 변환하여 주파수 스펙트럼을 생성하는 단계; 상기 주파수 스펙트럼을 LSF(Least square fitting) 방식으로 분석하여 정점 위치를 획득하는 단계; 및 상기 정점의 위치를 상기 타겟까지의 거리로 환산하는 거리 환산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법을 제공한다.
상기 정점 위치를 획득하는 단계는 상기 주파수 스펙트럼에서 5개의 측정 포인트를 획득하는 단계; 상기 5개의 측정 포인트를 이용하여 2차식을 도출하는 단계; 및 상기 2차식의 정점을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 FMCW 방식을 이용한 거리측정 장치 및 방법은 사이드 로브(Side Robe) 감소시켜 주는 효과를 가지는 HWF(Hamming window function) 기법과 주파수의 분해능을 증대시켜 주는 LSF(Least square fitting) 기법을 순차적으로 적용하여 타겟까지의 거리를 측정함으로써, 거리 측정 정밀도를 향상시켜 줄 수 있도록 한다.
도1은 종래의 기술에 따른 거리측정 방법을 나타낸 도면이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치를 LSF 기법에 따라 정점 획득 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치를 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 방법을 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에서는 HWF(Hamming window function) 기법과 LSF(Least square fitting) 기법을 순차적으로 적용함으로써, 거리 정밀도를 향상시켜 준다.
HWF 기법은 시간 도메인(Time Domain)에서 샘플링된 데이터에 HWF 함수를 컨볼루션(convolution)하여 계산하는 것으로, HWF 기법은 사이드 로브(Side Robe)를 80% 정도 감소시켜 주는 효과를 제공한다.
한편, LSF 기법은 주파수 스펙트럼 상에서 5개의 측정 포인트를 선정한 후, 5개의 측정 포인트는 2차 곡선의 모양을 가진다고 가정하고, 이를 수식화하여 최대 정점(peak)을 찾아내는 기법이다. 즉, LSF 기법은 도2에 도시된 바와 같이 5개의 측정 포인트(px[0]~px[4])를 2차식으로 가정하고 최대 정점이 되는 곳을 찾고 이를 dX로 획득한다. 이러한 방식은 주파수의 분해능을 높이는 효과를 제공한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치를 도시한 도면이다.
도3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치는 신호 송신부(11), 신호 수신부(12), 대역 필터부(20), 신호 처리부(30)를 포함하고, 신호 처리부(30)는 다시 HWF(Hamming window function) 수행부(31), FFT 수행부(32), LSF(Least square fitting) 분석부(33), 거리 환산부(34)를 포함할 수 있다.
신호 송신부(11)는 거리 측정을 위한 신호를 발생하여, 타겟(40)쪽으로 송출한다.
신호 수신부(12)는 타겟(40)에 의해 반사된 신호가 거리 측정 장치 쪽으로 재전송되면, 이를 수신한다. 그리고 신호의 송신시 주파수와 수신시 주파수를 비교하여 주파수 차이를 파악하고, 이에 상응하는 신호를 생성한다.
대역 필터부(30)는 신호 수신부(12)의 출력신호를 대역 필터링하여 유효한 신호 성분을 가지는 저주파 부분만을 남긴다.
신호 처리부(30)는 대역 필터부(30)의 출력에 HWP 함수를 적용시킨 후 FFT 변환시키고, FFT변환 결과를 LSF 방식으로 분석하여 타겟(40)까지의 거리를 산출한다. 즉, 신호 처리부(30)는 HWP 기법과 LSF 기법을 순차적으로 적용하여 타겟(40)까지의 거리를 산출한다.
HWF 수행부(31)는 시간 도메인(Time Domain)에서 대역 필터부(22)의 출력 신호에 HWF 함수를 컨볼루션(convolution)한다.
FFT 수행부(32)는 HWF 수행부(23)의 출력 신호를 FFT 변환하여, 주파수 스펙트럼을 생성한다.
LSF 분석부(33)는 FFT 수행부(24)에 의해 생성된 주파수 스펙트럼으로부터 5개의 측정 포인트를 획득한 후, 5개의 측정 포인트를 이용하여 2차식을 도출한다. 그리고 2차식의 정점(peak point)을 파악한다.
거리 환산부(34)는 정점 위치와 타겟 거리간 상관관계를 사전에 획득 및 저장한다. LSF 분석부(33)가 정점 위치를 파악하고, 상기 상관관계를 기반으로 정점 위치에 상응하는 타겟까지의 거리를 파악한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 방법을 도시한 도면이다.
먼저, 신호 송신부(11)를 통해 거리 측정을 위한 신호를 발생하여, 타겟(40)측으로 송출한다(S10).
그러면, 타겟(40)에 도달된 신호는 타겟(40)에 의해 다시 반사되어 거리 측정 장치측으로 재전송되고, 신호 수신부(12)는 이를 수신 및 획득한다(S11).
그리고 신호의 송신시 주파수와 수신시 주파수를 비교하여 주파수 차이를 파악하고, 이에 상응하는 신호를 생성한 후, 대역 필터부(30)를 통해 RF 송수신부(21)의 출력 신호를 대역 필터링하여 유효한 신호 성분을 가지는 저주파 부분만을 남긴다(S12).
그리고 신호 처리부(30)는 HWF 수행부(31)를 통해 시간 도메인(Time Domain)에서 대역 필터부(22)의 출력 신호에 HWF 함수를 적용시킨 후(S13), FFT 수행부(32)를 통해 FFT 변환하여 주파수 스펙트럼을 생성한다(S14).
그리고 LSF 분석부(33)를 통해 주파수 스펙트럼상에서 5개의 측정 포인트를 획득한 후, 5개의 측정 포인트를 이용하여 2차식을 도출하고, 2차식의 정점(peak point)을 파악한다(S15).
마지막으로, 거리 환산부(34)를 통해 LSF 분석부(33)에 의해 파악된 정점 위치를 거리로 환산함으로써, 타겟(40)까지의 거리를 파악한다(S16).
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
11: 신호 송신부 12: 신호 수신부
20: 대역 필터부 30: 신호 처리부
31: HWF 수행부 32: FFT 수행부
33: LSF 분석부 34: 거리 환산부

Claims (4)

  1. 거리 측정을 위한 신호를 발생하여 타겟 쪽으로 송출하는 신호 송신부;
    상기 타겟에 의해 반사되어 되돌아오는 신호를 수신하는 신호 수신부;
    상기 신호 수신부의 출력을 대역 필터링하는 대역 필터부; 및
    상기 대역 필터부의 출력에 HWP(Hamming window function) 함수를 적용시킨 후 FFT(Fast Fourier Transform) 변환시키고, FFT변환 결과를 LSF(Least square fitting) 방식으로 분석하여 상기 타겟까지의 거리를 산출하는 신호 처리부를 포함하는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 방식을 이용한 거리 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 신호 처리부는
    상기 대역 필터부의 출력에 HWP 함수를 적용시키는 HWP 수행부;
    상기 HWP 수행부의 출력을 FFT 변환하여 주파수 스펙트럼을 획득하는 FFT 수행부; 및
    상기 주파수 스펙트럼에서 5개의 측정 포인트를 획득하고, 상기 5개의 측정 포인트를 이용하여 2차식을 도출한 후, 상기 2차식의 정점을 산출하는 LSF 수행부; 및
    상기 정점의 위치를 상기 타겟까지의 거리로 환산하는 거리 환산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 FMCW 방식을 이용한 거리 측정 장치.
  3. 거리 측정을 위한 신호를 타겟 쪽으로 송출하고, 상기 타겟에 의해 반사되어 되돌아오는 신호를 획득하는 단계;
    상기 획득된 신호를 대역 필터링하는 단계;
    상기 대역 필터링된 신호에 HWP(Hamming window function) 함수를 적용시키는 단계;
    상기 HWP 함수가 적용된 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 변환하여 주파수 스펙트럼을 생성하는 단계;
    상기 주파수 스펙트럼을 LSF(Least square fitting) 방식으로 분석하여 정점 위치를 획득하는 단계; 및
    상기 정점의 위치를 상기 타겟까지의 거리로 환산하는 거리 환산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 방식을 이용한 거리 측정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 정점 위치를 획득하는 단계는
    상기 주파수 스펙트럼에서 5개의 측정 포인트를 획득하는 단계;
    상기 5개의 측정 포인트를 이용하여 2차식을 도출하는 단계; 및
    상기 2차식의 정점을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 FMCW 방식을 이용한 거리 측정 방법.
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