KR20120080064A - 물체 탐지 방법 및 그 레이더 시스템 - Google Patents

물체 탐지 방법 및 그 레이더 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체 탐지 방법 및 그 레이더 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 큰 DC 성분을 제거할 수 있으며 높은 주파수 해상도를 제공할 수 있는 물체 탐지 방법 및 그 레이더 시스템에 관한 것이다.

Description

물체 탐지 방법 및 그 레이더 시스템{OBJECT DETECTION METHOD AND RADAR SYSTEM FOR PROVIDING THE SAME METHOD}
본 발명은 물체 탐지 방법 및 그 레이더 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 큰 DC 성분을 제거할 수 있으며 높은 주파수 해상도를 제공할 수 있는 물체 탐지 방법 및 그 레이더 시스템에 관한 것이다.
종래의 일반적인 레이더 시스템은, 주파수 변조된 신호를 송신 한 후, 물체로부터 반사된 신호를 복조하여 물체의 거리, 속도 정보를 얻는데, 이때 수신신호를 복조하기 위하여 믹서를 사용하여 송수신 신호를 곱하므로, 송수신 시간 지연값이 변조신호에 따른 주파수 차이로 나타나게 되며, 이로 인해, 고정된 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)를 사용하여 주파수성분을 구할 경우, 표본화 주파수(샘플링 주파수)가 낮을수록 우수한 해상도를 얻게 되며, 높은 해상도의 주파수 성분을 얻기 위해서는 신호의 변화 정도를 느리게 하여 길게 송신해야 하는 단점이 있다. 또한 레이더 시스템의 신호는 거리에 따라 크게 감쇄되므로, 근거리 물체로부터 들어오는 신호 또는 송수신 안테나의 격리(Isolation) 결함으로 인하여 수신된 신호는 큰 DC 값을 가지므로, 원거리 신호의 다이나믹 레인지(Dynamic range)를 줄이게 되는 단점이 있다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 큰 DC 성분을 제거할 수 있으며 높은 주파수 해상도를 제공할 수 있는 레이더 시스템과, 이 레이더 시스템의 물체 탐지 방법을 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 송신된 송신신호를 일정 시간만큼 지연하여 제1신호를 출력하는 지연기; 상기 송신된 송신신호가 물체에 반사되어 수신된 수신신호와 상기 제1신호를 믹싱하는 믹서; 상기 믹싱된 신호에서 고주파성분을 제거하여 제2신호를 출력하는 고주파성분 제거기; 상기 제2신호를 샘플링하는 샘플러; 상기 샘플링된 신호에서 잡음을 제거하여 제3신호를 출력하는 디지털 필터; 제1푸리에 변환 길이에 근거하여 상기 제3신호를 제1푸리에 변환하여 제4신호를 출력하는 제1변환기; 미리 정의된 물체 존재 가능 주파수 판단 함수와 상기 제4신호에 근거하여 상기 물체가 존재하는 주파수 영역을 판단하는 일정 오경보율 처리기; 제2푸리에 변환 길이와 상기 판단된 주파수 영역의 인덱스정보에 근거하여 상기 제3신호를 제2푸리에 변환하는 제2변환기를 포함하는 레이더 시스템을 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은, 레이더 시스템의 물체 탐지 방법에 있어서, 송신신호를 송신하는 단계; 상기 송신된 송신신호를 일정 시간만큼 지연하여 제1신호를 생성하는 단계; 상기 송신된 송신신호가 물체에 반사되어 수신된 수신신호와 상기 제1신호를 믹싱하는 단계; 상기 믹싱된 신호에서 고주파성분을 제거하여 제2신호를 생성하는 단계; 상기 제2신호를 샘플링하는 단계; 상기 샘플링된 신호에서 잡음을 제거하여 제3신호를 생성하는 단계; 제1푸리에 변환 길이에 근거하여 상기 제3신호를 제1푸리에 변환하여 제4신호를 생성하는 단계; 미리 정의된 물체 존재 가능 주파수 판단 함수와 상기 제4신호에 근거하여 상기 물체가 존재하는 주파수 영역을 판단하는 단계; 제2푸리에 변환 길이와 상기 판단된 주파수 영역의 인덱스정보에 근거하여 상기 제3신호를 제2푸리에 변환하는 단계; 및 상기 제2푸리에 변환된 제3신호에 근거하여 상기 물체의 속도 정보 및 거리 정보를 획득하는 단계를 포함하는 레이더 시스템의 물체 탐지 방법을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 송신신호를 송신하는 송신안테나; 상기 송신신호를 일정 시간만큼 지연시키는 지연기; 상기 송신신호가 물체에 반사된 신호를 수신신호로서 수신하는 수신안테나; 상기 수신신호를 상기 일정 시간만큼 지연된 송신신호와 믹싱함으로써 상기 수신신호를 복조하는 복조기; 및 상기 복조된 수신신호에 근거하여 상기 물체에 대한 속도 정보 및 거리 정보를 획득하는 물체 탐지부를 포함하는 레이더 시스템을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 송신된 송신신호가 물체에 반사되어 수신된 수신신호를 복조하는 복조기; 상기 복조된 수신신호를 샘플링하는 샘플러; 상기 샘플링된 수신신호를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 수행하는 제1변환기; 상기 고속 푸리에 변환된 수신신호를 첩-이산 푸리에 변환(Chirp-Discrete Fourier Transform, Chirp-DFT)하는 제2변환기; 및 상기 첩-이산 푸리에 변환된 수신신호에 근거하여 상기 물체에 대한 속도 정보 및 거리 정보를 획득하는 물체 탐지부를 포함하는 레이더 시스템을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 큰 DC 성분을 제거할 수 있고 높은 주파수 해상도를 제공할 수 있는 레이더 시스템과, 이 레이더 시스템의 물체 탐지 방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템에 대한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템에서의 신호들을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템에 대한 연산량 감소 효과를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템에 대한 주파수 해상도 향상 효과를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템의 물체 탐지 방법에 대한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)에 대한 블록도이다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)은 송신신호(STX)를 송신하고, 이 송신신호가 물체(반사체)에 반사된 신호가 수신신호(SRX)로 수신되면, 수신신호를 이용하여 물체의 속도 정보 및 거리 정보 등을 파악하여 물체를 탐지하는 시스템으로서, FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더 시스템이라고도 한다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)은, 아날로그 제어기(101), VCO(Voltage Control Oscillator, 이하 "VCO"라 칭함) 제어기(102), 발진기(Oscillator, 103), 송신안테나(104) 등을 포함하는 신호 송신부와, 지연기(105), 수신안테나(106), 믹서(Mixer, 107), 고주파성분 제거기(108), 샘플러(109), 디지털 필터(110), 제1변환기(111), 일정 오경보율(CFAR: Constant False Alarm Rate, 이하 "CFAR" 이라 칭함) 처리기(112) 및 제2변환기(113) 등을 포함하는 신호 수신부를 포함한다.
신호 송신부에서, 아날로그 제어기(101)는 VCO 제어기(102)를 제어하고, VCO 제어기(102)는 아날로그 제어기(101)에 의한 제어에 따라 발진기(103)를 제어하며, 발진기(103)는 VCO 제어기(102)에 의한 제어에 따라 송신신호(STx(t))를 생성한다. 발진기(103)에 의해 생성된 송신신호(STx(t))는 송신안테나(104)를 통해 공간상에 송신된다.
신호 수신부에서, 지연기(105)는 송신안테나(104)를 통해 송신된 송신신호(STx(t))를 일정 시간(TD)만큼 지연하여 제1신호(SLO(t))를 출력하고, 수신안테나(106)는 송신안테나(104)를 통해 송신된 송신신호(STx(t))가 물체에 반사된 신호를 수신신호(SRx(t))로서 수신한다. 믹서(107)는 수신안테나(106)를 통해 수신된 수신신호(SRx(t))와 송신신호(STx(t))가 일정 시간(TD)만큼 지연된 제1신호(SLo(t))를 믹싱(Mixing)하여 수신신호(SRx(t))를 복조하며, '복조기'라고도 한다. 고주파성분 제거기(108)는 믹서(107)를 통해 믹싱된 신호에서 고주파성분을 제거하여 제2신호(SP(t))를 출력한다. 샘플러(109)는 고주파성분이 제거된 제2신호(SP(t))를 샘플링한다. 디지털 필터(110)는 샘플러(109)에서 샘플링된 신호에서 잡음을 제거하여 제3신호(SD(n))를 출력한다. 제1변환기(111)는 제1푸리에 변환 길이(N)에 근거하여 제3신호(SD(n))를 제1푸리에 변환하여 제4신호(FD(k))를 출력한다. CFAR 처리기(112)는, 미리 정의된 물체 존재 가능 주파수 판단 함수(e(k)와 제4신호(FD(k))에 근거하여 물체가 존재하는 주파수 영역을 판단한다. 이러한 CFAR 처리기(112)는, 일 예로, CA(Cell-Average)-CFAR 처리기일 수 있다. 제2변환기(113)는 제2푸리에 변환 길이(K)와 일정 오경보율 처리기(112)에서 판단된 주파수 영역의 인덱스정보에 근거하여 제3신호(SD(n))를 제2푸리에 변환한다. 그리고, 물체의 속도 정보 및 거리 정보를 획득하는 물체 탐지부(114)를 더 포함할 수 있다.
전술한 지연기(105)는, 송신신호가 지연되는 일정 시간을 결정함에 있어서, 근거리 성분이 미리 정의된 고주파 대역 이상에서 나타나도록 하는 일정 시간을 결정할 수 있다.
제1변환기(111)에서 수행하는 제1푸리에 변환은, 일 예로서 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform, 이하 "FFT"라 칭함)이다.
또한 제2변환기(113)에서 수행하는 제2푸리에 변환은, 일 예로서, 이산 푸리에 변환(DFT: Discrete Fourier Transform, 이하 "DFT"라 칭함)일 수 있다. 또한, DFT 중에서도, 첩-이산 푸리에 변환(Chirp-DFT)일 수 있다.
제1변환기(111)에서 수행하는 제1푸리에 변환과 제2변환기(113)에서 수행하는 제2푸리에 변환에 각각 이용되는 제1푸리에 변환 길이(N)와 제2푸리에 변환 길이(K)는, 제1푸리에 변환 길이(N)와 제2푸리에 변환 길이(K)를 곱한 값(N*K)이 레이더 시스템(100)에서 요구하는 최소 주파수 해상도에 따라 결정되는 푸리에 푸리 변환 길이(M)가 되도록 결정될 수 있다.
전술한 제2변환기(113)는, 제2푸리에 변환 길이(K)에 근거한 제2푸리에 변환을 통해, 제1푸리에 변환에 의해 결정된 주파수 해상도를 제2푸리에 변환 길이(K) 배만큼 증가시킨다. 즉, 제1푸리에 변환에 의해 결정된 주파수 해상도를 제2푸리에 변환 길이(K) 배 한 주파수 해상도는, 레이더 시스템(100)에서 요구하는 최소 주파수 해상도이다.
전술한 제2변환기(113)는, Chirp-DFT 등의 제2푸리에 변환을 통해, 제2푸리에 변환 길이(K)에 해당하는 개수만큼의 주파수 값을 획득한다.
이에, 물체 탐지부(114)는, 획득된 주파수 값을 토대로 각 첩(Chirp) 주기 동안 가장 큰 파워를 갖는 비트 주파수를 계산하고, 계산된 비트 주파수에 근거하여 물체의 속도 정보 및 거리 정보를 획득함으로써 물체를 탐지한다.
이상에서 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)과, 레이더 시스템(100)에서 송수신되는 신호와 내부의 신호처리를 도 2를 참조하고 신호 수학식을 예로 들어 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)에서의 신호들을 나타낸 예시도로서, 도 2의 (a)는 송신신호 STx(t), 송신신호 STx(t)가 일정 시간(TD)만큼 지연된 제1신호 SLo(t), 수신신호 SRx(t) 를 나타낸 도면이다. 도 2의 (b)는 수신신호 SRx(t)가 복조된 신호를 나타낸 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 송신안테나(104)를 통해, 도 3과 같은 주파수를 갖는 송신신호 STx(t)를 송신할 경우, 송신신호 STx(t)는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서, A 는 송신신호 STx(t)의 진폭이며, f0는 송신 시작주파수, 그리고 T는 각 첩 신호(Chirp Signal)의 주기를 나타낸다. α는 첩 신호의 주파수변화 정도를 결정하는 상수이며, φTx는 송신신호 STx(t)의 위상 지연을 나타내는 상수이고, Λ()는 삼각파를 나타내는 함수이며, 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00002
송신안테나(104)로부터 송신된 송신신호 STx(t)가 위치(R,θ)에서 방위각(Azimuth) 방향으로 v의 속력으로 가까워지는 반사체(물체)에서 반사되었을 경우, 수신안테나(106)를 통해 수신된 수신신호 SRx(t)는 하기 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
상기 수학식 3에서, B는 거리에 따른 감쇄 전의 수신신호 SRx(t)의 진폭이며, 1/(cτ)4는 거리에 따른 감쇄항, φRx는 수신신호 SRx(t)의 위상 지연이고, τ는 수신신호 SRX(t)의 시간지연으로 하기 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
즉, 물체에 의해 반사되어 수신된 수신신호 SRx(t)는 신호의 왕복 여행 시간(Round Trip Time)만큼 지연을 가지며, 이값은 물체가 초기위치 R에서 v의 속도로 이동한 왕복 거리를 전파의 속도 c로 나눈 값과 같다.
수학식 3과 같은 수신신호가 수신되면, "종래의 레이더 시스템"은 송신신호와 수신신호를 믹서(107)에 통과시켜 복조한 이후, 고주파 성분(2f0) 영역을 제거한다. 이때, 종래의 레이더 시스템에서 복조되어 고주파 성분이 제거된 신호는 수학식 5와 같다.
Figure pat00005
상기 수학식 5에서,
Figure pat00006
는 콘볼루션(convolution) 연산을 나타내며, hLPF(t)는 저주파 여파기의 임펄스(impulse) 응답이다. 그리고 vt/c 값은 R/c보다 상대적으로 작으므로 하기 수학식 6과 같이 근사화할 수 있으며, φC(t)는 복조된 신호 Sf(t)의 고정 위상 지연으로 하기 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
보통의 경우에는, 수학식 7과 같이 표현될 수 있는 φC(t)에 의한 시간에 따른 위상변화는
Figure pat00009
에 비하여 매우 작다. 따라서
Figure pat00010
으로 둘 수 있다. 수학식 5를 보면 τ가 작을수록 신호의 주파수 성분이 DC에 가까워지는 것을 확인할 수 있으며, 거리에 따른 감쇄가 적기 때문에, 신호의 크기가 커지는 것을 알 수 있다. 따라서 근거리에 반사체가 있거나 송신안테나(104) 및 수신안테나(106)의 격리가 불완전하여 송신신호 STx(t)가 수신안테나(106)로 바로 전달되는 경우, DC 성분으로 인하여 ADC(analog to digital converter)의 다이나믹 레인지(dynamic range)를 줄이게 된다. 더욱이 근거리 반사체에서 수신되는 DC 성분에 의한 포화(saturation)이 일어나지 않도록 신호 수신부의 게인(gain)을 줄일 경우, 최대 감지 거리가 감소하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)은, 근거리 신호에 의한 DC 성분을 제거하고, 더욱 높은 거리 및 속도 해상도를 얻기 위하여 제안되었으며, 먼저 근거리의 DC 성분을 없애기 위하여, 수신신호 SRx(t) 복조시, 지연기(105)에 의해 송신신호 STx(t)를 일정 시간(TD)만큼 지연시킨 제1신호 SLo(t)를 이용한다. 지연기(105)에 의해 송신신호 STx(t)가 일정 시간(TD)만큼 지연된 제1신호 SLo(t)는, 도 2의 (a)에 도시되어 있으며 하기 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00011
상기 수학식 8에서, TD는 아날로그 시간 지연이며, φLo는 지연신호인 제1신호 SLo(t)의 위상 지연 값이다.
수학식 3의 수신신호 SRx(t), 수학식 6의 근사식, 수학식 8의 제1신호 SLo(t)을 사용하여 믹서(107)를 통해 믹싱한 후 고주파 신호를 제거한 제2신호 SP(t)를 구하면 하기 수학식 9와 같다.
Figure pat00012
Figure pat00013
보통의 경우에는, 수학식 10과 같이 표현될 수 있는 φP(t)에 의한 시간에 따른 위상 변화는,
Figure pat00014
에 의한 위상의 변화보다 작으므로,
Figure pat00015
으로 나타낼 수 있다.
따라서, 송신신호 STx(t)와 수신신호 SRx(t)가 도 2의 (a)에서 같을 때, 믹서(107)를 통과하고, 고주파성분 제거기(108)를 통과한 이후의 제2신호 SP(t)는 SRx(t)와 SLo(t)의 주파수 차이로 나타나며, 도 2의 (b)와 같이 도시될 수 있다.
그리고, 제2신호 SP(t)는 각 첩(chirp) 주기 동안 가장 큰 파워(power)를 갖는 주파수 성분을 측정하여 업 첩(up chirp)의 경우 비트 주파수 fbeat +로 나타내고 다운 첩(down chirp)의 경우 비트 주파수 fbeat -로 나타낼 때, fbeat +와 fbeat -는 수학식 11과 같다.
Figure pat00016
보통의 경우, 속도보다 거리가 주파수에 주는 영향이 크므로 수학식 11에서 마지막 성분을 제외하면, R이 작을수록 fbeat +, fbeat -의 절대값이 커져서 0일 경우 최대 주파수를 갖는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)에서는, 근거리 물체에 의하여 크게 반사된 신호나, 송수신안테나(104, 105) 격리의 불완전함으로 인하여 들어오는 신호의 주파수 대역을 고주파 대역으로 변경함으로써 입력 신호가 ADC에서 포화(saturation)되는 것을 방지해 준다.
이때, 대상 물체의 거리와 속도는 측정된 fbeat +과 fbeat -을 사용하여 수학식 12로부터 구할 수 있다.
Figure pat00017
본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)의 샘플러(109)가 제2신호 SP(t)를 샘플링하기 위한 최소 샘플링 주파수(fs)는 나이키스트 레이트(Nyquist rate)를 만족시키기 위하여 수학식 11이 가질 수 있는 값 중 최대값(이 0인 경우) 보다 2배 이상 커야 한다. 또한, 거리에 따른 신호의 지연보다 아날로그 회로에 의한 지연값이 커야 주파수의 중첩이 생기지 않는다. 이에 따른 최소 샘플링 주파수(fs)는 아래 수학식 13과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00018
상기 수학식 13에서, Vmax, Rmax는 측정 가능한 물체의 최대 속도 및 거리이다.
아래에서는, 물체 탐지, 즉 물체의 거리 및 속도를 얻기 위한 과정에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
물체의 거리 및 속도는, 수학식 12에서 알 수 있듯이, 수신신호 SRx(t)의 주파수로부터 결정될 수 있다.
종래의 레이더 시스템에서는, 수신신호 SRx(t)의 주파수 성분을 구하기 위하여, N-point FFT만을 사용한다. 이때, 최소 주파수 분해능은 f /2N 이다. 하지만 N 값이 작은 경우 2vmaxf0/c 값이 최소 분해능과 같거나 작으므로 두 물체의 거리가 확실히 구분 가능하더라도 정확한 속도 값을 얻을 수 없다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)에서는, 속도의 주파수 해상도를 높이기 위하여, N-point FFT만을 사용하는 것이 아니라, 2단의 푸리에 변환(제1푸리에 변환(이하, "N-point FFT"로 가정함), 제2푸리에 변환(이하, "K-point chirp DFT"로 가정함))을 사용한다. 2단의 푸리에 변환을 사용하는 방법에 대하여 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.
디지털 필터(110)를 통과한 제3신호를 SD(n)라고 할 때, 제3신호 SD(n)의 N-point FFT 결과는 하기 수학식 14와 같다.
Figure pat00019
주어진 거리 분해능 구현에 문제가 없도록 N 값(제1푸리에 변환 길이)을 결정 한 후, CFAR 처리기(112)를 통한 CA-CFAR를 사용하여 물체가 어느 주파수 영역에 있는지 확인한다. 이때 하기 수학식 15와 같은 물체 존재 가능 주파수 판단 함수(즉, k번째 주파수에 반사체가 있는지를 판단하는 함수)인 e(k)가 이용된다.
Figure pat00020
상기 수학식 15에서, e(k)가 1인 경우, e(k)가 1이 되게 하는 k번째 주파수에 반사체(물체)가 있는 경우이다. 그리고 L은 셀(cell)의 영역, M은 카드 셀(guard cell) 영역을 나타내는 상수이며, T는 임계 게인(threshold gain)이다. k는 물체가 존재하는 주파수 영역의 인덱스 정보일 수 있다.
제2변환기(113)는, 특정 i값에서 CA-CFAR 결과 e(i)가 1이고 |FD(i-1)|>|FD(i+1)| 일 경우에는 i-1에서부터 i 사이의 주파수 영역에서 chirp DFT를 수행하고, 그 외의 경우에서는 i에서 i+1 사이의 주파수 영역에서 chirp DFT를 수행한다.
K-point chirp DFT는 특정 주파수 i부터 fs/NK의 주파수 해상도로 K개의 주파수 값을 얻을 수 있다. 이러한 K-point chirp DFT 결과에 따라 변환된 신호(제2푸리에 변환된 제3신호)는 하기 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00021
전술한 바에 따르면, K-point chirp DFT를 더 수행하게 되면, N-point FFT를 수행한 것보다 주파수 i주변의 해상도는 K배 향상된 결과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)은, 동일한 주파수 해상도를 가질지라도, 한 번의 FFT를 수행하는 종래의 레이더 시스템에 비해 연산량이 매우 줄어드는 효과를 얻을 수 있다.
도 3은 이러한 연산량 감소 효과를 설명하기 위한 예시도로서, N-point FFT 이후 K-point chirp DFT를 수행한 경우(즉, 2단의 푸리에 변환을 수행한 경우)와, 동일한 주파수 해상도를 갖는 NK-point FFT(즉, 한번의 푸리에 변환을 수행한 경우)의 MAC(multiplication & addition) 사용량을 비교한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, chirp DFT를 사용하는 경우 단일 반사체에 대하여 660%의 연산량 감소를 가져온다. 여러 개의 반사체가 있는 경우, 우선 순위는 근거리의 반사체로부터 원거리의 반사체로 감소하게 되므로, 속도 성분은 가장 가까운 2개의 반사체만 구하여도 충분하다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)을 사용할 경우, 330%의 연산량을 줄일 수 있다.
아래에서는, 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)을 검증하기 위한 시뮬레이션과 그 결과를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)을 검증하기 위한 시뮬레이션에서는, 반사체가 10m 떨어진 곳에서 55m/s(약200km/h)로 멀어지는 경우로 하고, 24GHz에서 24.1GHz까지의 대역을 사용하는 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더 시스템인 것으로 모사하였다. 이때, T=10ms, 1024 tap의 FFT를 사용하였으며, 10 tap의 chirp DFT를 사용하였다. 또한 최대 반사체가 있는 거리를 300m로 가정하여 TD=2us 로 표본화 주파수(샘플링 주파수, fs)는 100kHz로 하였다.
수신신호 SRx(t)를 사용하여 fbeat +, fbeat -을 구한 결과는 도 4와 같으며, 도 4를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)에 대한 주파수 해상도 향상 효과를 확인해볼 수 있다.
도 4를 참조하면, 근거리에 반사체가 있음에도, 고주파 신호가 수신됨을 알 수 있으며, 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)은 DC 포화(saturation) 문제가 발생하지 않는다. 그리고 FFT 결과의 경우 주파수의 해상도가 낮으므로 최대값이 한 점으로 표현되므로 상세 주파수 정보를 얻을 수 없으나 chirp DFT를 사용하여 FFT의 두 점 사이를 확대함으로써 더욱 정확한 주파수 값을 얻을수있다. 즉, 더욱 향상된 주파수 해상도를 얻을 수 있다. 수학식 12를 사용하여 반사체의 거리와 속도를 구하면 R =10.4m , v = 54.57 m / s 이다. 수신신호로부터 정확한 반사체의 위치 및 속도 정보를 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)의 물체 탐지 방법에 대한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 시스템(100)의 물체 탐지 방법은, 송신신호를 송신하는 단계(S500)와, 송신된 송신신호를 일정 시간만큼 지연하여 제1신호를 생성하는 단계(S502)와, 송신된 송신신호가 물체에 반사되어 수신된 수신신호와 상기 제1신호를 믹싱하는 단계(S504)와, 믹싱된 신호에서 고주파성분을 제거하여 제2신호를 생성하는 단계(S506)와, 제2신호를 샘플링하는 단계(S508)와, 샘플링된 신호에서 잡음을 제거하여 제3신호를 생성하는 단계(S510)와, 제1푸리에 변환 길이에 근거하여 제3신호를 제1푸리에 변환하여 제4신호를 생성하는 단계(S512)와, 미리 정의된 물체 존재 가능 주파수 판단 함수와 제4신호에 근거하여 물체가 존재하는 주파수 영역을 판단하는 단계(S514)와, 제2푸리에 변환 길이와 판단된 주파수 영역의 인덱스정보에 근거하여 제3신호를 제2푸리에 변환하는 단계(S516)와, 및 제2푸리에 변환된 제3신호에 근거하여 물체의 속도 정보 및 거리 정보를 획득하는 단계(S518) 등을 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 큰 DC 성분을 제거할 수 있고 높은 주파수 해상도를 제공할 수 있는 레이더 시스템(100)과, 이 레이더 시스템(100)의 물체 탐지 방법을 제공하는 효과가 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 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.

Claims (11)

  1. 송신된 송신신호를 일정 시간만큼 지연하여 제1신호를 출력하는 지연기;
    상기 송신된 송신신호가 물체에 반사되어 수신된 수신신호와 상기 제1신호를 믹싱하는 믹서;
    상기 믹싱된 신호에서 고주파성분을 제거하여 제2신호를 출력하는 고주파성분 제거기;
    상기 제2신호를 샘플링하는 샘플러;
    상기 샘플링된 신호에서 잡음을 제거하여 제3신호를 출력하는 디지털 필터;
    제1푸리에 변환 길이에 근거하여 상기 제3신호를 제1푸리에 변환하여 제4신호를 출력하는 제1변환기;
    미리 정의된 물체 존재 가능 주파수 판단 함수와 상기 제4신호에 근거하여 상기 물체가 존재하는 주파수 영역을 판단하는 일정 오경보율 처리기; 및
    제2푸리에 변환 길이와 상기 판단된 주파수 영역의 인덱스정보에 근거하여 상기 제3신호를 제2푸리에 변환하는 제2변환기를 포함하는 레이더 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지연기는,
    근거리 성분이 미리 정의된 고주파 대역 이상에서 나타나도록 하는 상기 일정 시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1푸리에 변환은 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)이고, 상기 제2푸리에 변환은 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT)인 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이산 푸리에 변환은 첩-이산 푸리에 변환(Chirp-DFT)인 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1푸리에 변환 길이와 상기 제2푸리에 변환 길이는,
    상기 제1푸리에 변환 길이와 상기 제2푸리에 변환 길이를 곱한 값이 상기 레이더 시스템에서 요구하는 최소 주파수 해상도에 따라 결정되는 푸리에 푸리 변환 길이가 되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2변환기는,
    상기 제2푸리에 변환 길이에 근거한 상기 제2푸리에 변환을 통해, 상기 제1푸리에 변환에 의해 결정된 주파수 해상도를 상기 제2푸리에 변환 길이 배만큼 증가시키되,
    상기 제1푸리에 변환에 의해 결정된 주파수 해상도를 상기 제2푸리에 변환 길이 배 한 주파수 해상도는, 상기 레이더 시스템에서 요구하는 최소 주파수 해상도인 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2변환기는,
    상기 제2푸리에 변환 길이에 해당하는 개수만큼의 주파수 값을 획득하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 획득된 주파수 값을 토대로 각 첩(Chirp) 주기 동안 가장 큰 파워를 갖는 비트 주파수를 계산하고, 상기 계산된 비트 주파수에 근거하여 상기 물체의 속도 정보 및 거리 정보를 획득하는 물체 탐지부를 더 포함하는 레이더 시스템.
  9. 레이더 시스템의 물체 탐지 방법에 있어서,
    송신신호를 송신하는 단계;
    상기 송신된 송신신호를 일정 시간만큼 지연하여 제1신호를 생성하는 단계;
    상기 송신된 송신신호가 물체에 반사되어 수신된 수신신호와 상기 제1신호를 믹싱하는 단계;
    상기 믹싱된 신호에서 고주파성분을 제거하여 제2신호를 생성하는 단계;
    상기 제2신호를 샘플링하는 단계;
    상기 샘플링된 신호에서 잡음을 제거하여 제3신호를 생성하는 단계;
    제1푸리에 변환 길이에 근거하여 상기 제3신호를 제1푸리에 변환하여 제4신호를 생성하는 단계;
    미리 정의된 물체 존재 가능 주파수 판단 함수와 상기 제4신호에 근거하여 상기 물체가 존재하는 주파수 영역을 판단하는 단계;
    제2푸리에 변환 길이와 상기 판단된 주파수 영역의 인덱스정보에 근거하여 상기 제3신호를 제2푸리에 변환하는 단계; 및
    상기 제2푸리에 변환된 제3신호에 근거하여 상기 물체의 속도 정보 및 거리 정보를 획득하는 단계를 포함하는 레이더 시스템의 물체 탐지 방법.
  10. 송신신호를 송신하는 송신안테나;
    상기 송신신호를 일정 시간만큼 지연시키는 지연기;
    상기 송신신호가 물체에 반사된 신호를 수신신호로서 수신하는 수신안테나;
    상기 수신신호를 상기 일정 시간만큼 지연된 송신신호와 믹싱함으로써 상기 수신신호를 복조하는 복조기; 및
    상기 복조된 수신신호에 근거하여 상기 물체에 대한 속도 정보 및 거리 정보를 획득하는 물체 탐지부를 포함하는 레이더 시스템.
  11. 송신된 송신신호가 물체에 반사되어 수신된 수신신호를 복조하는 복조기;
    상기 복조된 수신신호를 샘플링하는 샘플러;
    상기 샘플링된 수신신호를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 수행하는 제1변환기;
    상기 고속 푸리에 변환된 수신신호를 첩-이산 푸리에 변환(Chirp-Discrete Fourier Transform, Chirp-DFT)하는 제2변환기; 및
    상기 첩-이산 푸리에 변환된 수신신호에 근거하여 상기 물체에 대한 속도 정보 및 거리 정보를 획득하는 물체 탐지부를 포함하는 레이더 시스템.
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