KR20140083568A - 레퍼런스 셀 분할 평균 기법에 의한 ｃｆａｒ 검파 방법 및 이를 적용한 레이더 시스템 - Google Patents

레퍼런스 셀 분할 평균 기법에 의한 ｃｆａｒ 검파 방법 및 이를 적용한 레이더 시스템 Download PDF

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Abstract

레퍼런스 셀 분할 평균 기법에 의한 CFAR 검파 방법 및 이를 적용한 레이더 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 CFAR 검파 방법은, 수신된 레이더 신호를 구성하는 다수의 레퍼런스 셀들을 다수의 블럭들로 분할하고, 분할된 블럭들 중 하나의 평균 파워와 테스트 셀의 파워를 비교하여 타겟 유무를 검출한다. 이에 의해, 레퍼런스 셀에 클러터 혹은 원치 않는 표적 신호가 있는 경우는 물론, 비균질 잡음 환경에서도 검파 성능이 떨어지지 않게 된다.

Description

레퍼런스 셀 분할 평균 기법에 의한 ＣＦＡＲ 검파 방법 및 이를 적용한 레이더 시스템{CFAR detection method with reference cell division average scheme and radar system using the same}
본 발명은 레이더 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이더 시스템에 적용되는 CFAR(Constant False Alarm Rate) 검파 방법에 관한 것이다.
레이더 시스템에서, 수신신호가 안테나를 통해서 들어오면, 신호처리부에서는 수신된 신호가 목표물에 의해서 반사되어 온 신호인지 아닌지를 구분해야 한다. 또한, 신호 검파기는 시간에 따라 변하는 주변 환경에서도 타겟 신호를 획득할 수 있어야 한다.
CFAR 검파는 안테나 주변 환경이 변화하더라도 일정하게 정해진 오경보율을 기준으로 타겟 신호를 획득할 수 있는 레이더 신호 검파 기법이다.
CFAR 검파 방식은 수신 신호 파워와 트레스홀드(Threshold)의 비교를 통해서 신호를 검파한다. 트레스홀드는 비교하고자 하는 신호의 추정 잡음 파워에 계산된 상수의 곱으로 정의되며, 곱해지는 상수는 고려되는 주변의 신호의 수와 오경보율에 의해서 결정이 된다.
다양한 CFAR 기법들 중에서 현재 가장 많이 사용되고 있는 검파기법은 CA CFAR(Cell Average Constant False Alarm Rate) 기법이다. CA CFAR 검파 기법에서는 비교하고자 하는 신호(Test cell)의 잡음 파워는 주변 신호들의 평균 파워으로 추정한다. 테스트 셀의 잡음파워가 추정이 되면 설계자가 정한 오경보율과 주변 신호의 수로 계산된 상수가 곱해지고 테스트 셀의 트레스홀드가 결정된다.
도 1은 기존의 CA CFAR 검파 기법의 설명에 제공되는 도면이다.
기존의 CA CFAR 검파 기법은 표적 신호 주변 레퍼런스 셀(Reference Cell)을 모두 더해서 셀 수로 나누므로, 테스트 셀(Test Cell)에서의 잡음 파워는 레퍼런스 셀의 평균에 의해 추정된다.
기존 CA CFAR의 경우 신호 검파 성능이 우수하고, 계산 방법이 간단하지만, 1) 다중 표적 환경에서 검파 성능 저하되고, 2) 비균질 잡음 환경에서의 검파 성능 저하된다는 취약점이 있다.
1. 다중 표적 환경에서 검파 성능 저하
CA CFAR 검파 기법은 테스트 셀의 잡음 파워를 주변 신호들의 평균 파워로써 추정을 한다. 그런데, 만약 주변 신호들 중에서 또 다른 타겟 신호가 존재할 경우에는 추정 잡음 파워가 증가하게 되고, 트레스홀드 역시 증가하게 된다. 따라서, 다중 타겟 환경에서의 CA CFAR 기법은 검파 성능이 저하된다.
도 2는 다중 타겟 환경에서의 수신신호를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 붉은 원부분을 확대한 도면이다. 도 2와 도 3에 도시된 바에 따르면, 500 번째 신호 근처에서 두 개의 신호가 존재함을 확인할 수 있다.
도 4는 도 2에 나타난 신호에 대해 CA CFAR 검파를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4의 붉은 원부분을 확대한 도면이다.
도 4와 도 5에 나타난 바에 따르면, 타겟 신호 2는 트레스홀드 보다 높은 파워를 나타내면서 검파가 되었지만 타겟 신호 1은 두 번째 신호의 영향으로 높아진 트레스홀드에 의해 검파되지 않았음을 확인할 수 있다.
위 시뮬레이션을 통해, CA CFAR 검파 기법은 다중 타겟 환경에서 타겟 신호들이 근접할 경우 타겟 신호 검파에 치명적인 약점이 있는 것을 확인할 수 있다.
2. 비균질 잡음 환경에서의 검파 성능 저하
기존의 CA CFAR 검파 기법의 경우 클러터에 의해서 갑자기 잡음 파워가 증가 하는 구간 즉, 비균질 잡음 구간에서는 증가한 잡음 파워에 의해서 오경보의 확률이 높아지는 단점이 있다.
도 6은 비균질 잡음 환경에서 CA CFAR 검파를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6의 중간 부분을 확대한 도면이다.
위 시뮬레이션에서는 500번째 신호 근처에서 잡음 파워가 갑자기 증가하도록 하였으며, 이에 따라 신호가 없는데도 불구하고 신호가 있다고 판단되는 오경보가 나타났다.
위 2가지 시뮬레이션을 통해, 기존의 CA CFAR 검파기법은 평균 연산에 의해서 트레스홀드가 결정되기 때문에, 주변 신호(interference target) 혹은 갑자기 증가하는 잡음 신호에 대해서 오경보 혹은 미경보 발생 확률이 높다는 단점이 있음을 확인할 수 있다.
실제의 레이더 신호 수신 환경은 주변에 클러터와 다수의 타겟이 존재하기에 균질한 잡음 환경을 기대하기 어렵다. 더욱이, 차량용 레이더의 경우 레이더의 Field Of View 안에 다수의 타겟이 존재할 확률이 크고, 타겟이 근접해 있기에 다중 타겟 환경과 비균질 환경에서의 강건한 검파 기법이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 다중 표적 환경과 클러터 존재 환경에서 주변 간섭 신호의 영향을 받지 않고, 표적 신호를 검파할 수 있는 CFAR 검파 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, CFAR 검파 방법은, 레이더 신호를 수신하는 단계; 수신된 레이더 신호를 구성하는 다수의 레퍼런스 셀들을 다수의 블럭들로 분할하는 단계; 및 분할된 블럭들 중 하나의 평균 파워와 테스트 셀의 파워를 비교하여, 타겟 유무를 검출하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 검출단계는, 분할된 블럭별 평균 파워들을 계산하는 단계; 계산된 평균 파워들을 오름차순으로 정렬하는 단계; 정렬된 평균 파워들 중 하나를 대표 파워로 선정하는 단계; 선정된 대표 파워로부터 트레스홀드를 생성하는 단계; 및 상기 트레스홀드와 테스트 셀의 파워를 비교하여, 타겟 유무를 판단하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 선정단계는, 오름차순이 중간인 평균 파워를 대표 파워로 선정할 수 있다.
그리고, 상기 생성단계는, 선정된 대표 파워에 가중치를 곱하여 트레스홀드를 생성할 수 있다.
또한, 상기 분할단계는, 상기 다수의 레퍼런스 셀들을 동수(同數)의 블럭들로 분할할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 레이더 시스템은, 레이더 신호를 발신하고 반사되는 레이더 신호를 수신하는 레이더 모듈; 및 상기 레이더 모듈을 통해 수신된 레이더 신호를 구성하는 다수의 레퍼런스 셀들을 다수의 블럭들로 분할하고, 분할된 블럭들 중 하나의 평균 파워와 테스트 셀의 파워를 비교하여 타겟 유무를 검출하는 프로세서;를 포함한다.
그리고, 상기 프로세서는, 분할된 블럭별 평균 파워들을 계산하고, 계산된 평균 파워들을 오름차순으로 정렬하며, 정렬된 평균 파워들 중 하나를 대표 파워로 선정하고, 선정된 대표 파워로부터 트레스홀드를 생성하며, 상기 트레스홀드와 테스트 셀의 파워를 비교하여 타겟 유무를 판단할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 선택된 특정 구간 평균 파워 기준으로 테스트 셀의 잡음 파워를 추정하기 때문에, 레퍼런스 셀에 클러터 혹은 원치 않는 표적 신호가 있는 경우는 물론, 비균질 잡음 환경에서도 검파 성능이 떨어지지 않게 된다.
도 1은 기존의 CA CFAR 검파 기법의 설명에 제공되는 도면,
도 2는 다중 타겟 환경에서의 수신신호를 나타낸 도면이고,
도 3은, 도 2의 붉은 원부분을 확대한 도면,
도 4는, 도 2에 나타난 신호에 대한 CA CFAR 검파를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면,
도 5는, 도 4의 붉은 원부분을 확대한 도면,
도 6은 비균질 잡음 환경에서 CA CFAR 검파를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면,
도 7은, 도 6의 중간 부분을 확대한 도면,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CFAR 검파 방법의 개념 설명에 제공되는 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 CFAR 검파 방법의 흐름도,
도 10은, 도 2에 나타난 신호에 대한 본 실시예에 따른 CFAR 검파를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면,
도 11은 비균질 잡음 환경에서 본 실시예에 따른 CFAR 검파를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면,
도 12는, 도 11의 중간 부분을 확대한 도면, 그리고,
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이더 시스템의 블럭도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 CFAR 검파 방법의 개념 설명에 제공되는 도면이다.
본 실시예에 따른 CFAR 검파 방법은, 기존의 CA CFAR이 가지는 다중 타겟 환경과 비균질 잡음 환경에서의 단점을 극복한 새로운 CFAR 검파 기법으로, 트레스홀드(Threshold)를 결정하는데 주변 신호들의 전체 평균 파워 대신 주변 신호들을 다수의 블럭들로 구분하고, 블럭별 평균 파워를 계산한 후 대표 블럭을 선정하며, 트래스홀드는 그 선정된 블럭 평균 파워를 기초로 생성한다.
도 8에 도시된 CFAR 검파 방법에 대해 도 9를 참조하여 상세히 설명한다. 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CFAR 검파 방법의 흐름도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 먼저, 레이더 신호를 수신하고(S110), 수신된 레이더 신호를 구성하는 다수의 레퍼런스 셀들(주변 신호들)을 다수의 블럭들로 분할한다(S120).
구체적으로, S120단계는 도 8에 도시된 바와 같이 4개의 레퍼런스 셀들을 하나의 블럭으로 분할하여, 결과적으로 16개의 레퍼런스 셀들을 4개의 블럭들로 분할 할 수 있다.
이와 같이, 각 블럭들에 포함되는 레퍼런스 셀들의 개수는 동일하게 할 수 있지만, 일부의 블럭에 대해서는 포함되는 레퍼런스 셀들의 개수를 다르게 할 수도 있다.
또한, 하나의 블럭에 포함되는 레퍼런스 셀의 개수에 대한 제한은 없으며, 분할하는 블럭의 개수에 대해서도 제한은 없다. 필요와 신호의 특성에 따라 적정 수로 구현하는 것이 바람직하다.
다음, S120단계에서 분할된 블럭별 평균 파워들을 계산하고(S130), 계산된 평균 파워들을 오름차순으로 정렬한다(S140).
이후, S140단계를 통해 정렬된 평균 파워들 중 하나를 대표 파워로 선정한다(S150). S150단계에서의 대표 파워 선정은 오름차순이 중간인 평균 파워로 할 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같은 시스템과 같이 4개의 평균 파워가 계산되는 경우에는, 오름차순이 2번째 또는 3번째인 평균 파워를 대표 파워로 선정한다.
만약, 5개의 평균 파워가 계산되는 경우에는, 오름차순이 3번째인 평균 파워를 대표 파워로 선정함이 바람직하다.
다음, S150단계에서 선정된 대표 파워에 가중치(αnew)를 곱하여 트레스홀드(Threshold)를 생성한다(S160). S160단계에서 사용되는 가중치(αnew)는 시스템의 특성과 신호의 특성을 고려하여 선정한다.
이후, S160단계에서 선정된 트레스홀드와 테스트 셀의 파워를 비교하여, 타겟 유무를 검출한다(S170). 구체적으로, 테스트 셀의 파워가 트레스홀드 이상이면 테스트 셀에 타겟이 존재하는 것으로 판단한다. 반면, 테스트 셀의 파워가 트레스홀드 보다 작으면, 테스트 셀에 타겟이 존재하지 않는 것으로 판단한다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 CFAR 검파 방법에 대한 시뮬레이션 결과를, 기존의 CA CFAR 검파 방법과 비교한다. 이를 위해, 앞선 기존의 CA CFAR 검파 방법에 대해 수행한 시뮬레이션과 동일한 잡음 파워와 동일한 환경에서, 본 실시예에 따른 CFAR 검파 방법에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
이하에서, 다중 타겟 환경에서의 두 검파 방법의 시뮬레이션 결과를 비교한 후, 비균질 잡음 환경에서의 두 검파 방법의 시뮬레이션을 비교한다.
다중 타겟 환경에서, 기존의 CA CFAR 검파 기법에 대한 시뮬레이션한 결과는 도 5에 나타나 있고, 본 실시예에 따른 CFAR 검파 방법의 시뮬레이션 결과는 도 10에 나타나 있다.
도 5에서 붉은 실선은 기존의 CA CFAR 기법에 따라 산출된 트레스홀드이고, 도 10에서 녹색 실선은 본 실시예에 따른 CFAR 방법에 따라 산출된 트레스홀드이다.
두 시뮬레이션 비교에서 확인할 수 있듯이 같은 신호에 각각의 검파 기법을 적용했을 때, 기존의 CA CFAR 기법이 적용된 경우는 첫 번째 타겟 신호가 트레스홀드를 넘지 못한 반면, 본 실시예에 따른 CFAR 검파 기법에서는 근접한 두 타겟 신호 모두 트레스홀드를 넘은 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 CFAR 검파 방법은, 다중 타겟 환경에서 기존의 검파 방법보다 우수한 성능을 보임을 확인할 수 있다.
비균질 잡음 환경에서, 기존의 CA CFAR 검파 기법에 대한 시뮬레이션한 결과는 도 6,7에 나타나 있고, 본 실시예에 따른 CFAR 검파 방법의 시뮬레이션 결과는 도 11,12에 나타나 있다.
도시된 바에 따르면, CA CFAR 기법의 경우 잡음 파워가 갑자기 증가하는 구간에 오경보가 발생하였지만, 같은 잡음 신호에서 본 실시예에 따른 CFAR 검파 방법에서는 오경보가 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에 따른 CFAR 검파 방법은 전체 레퍼런스 셀들의 평균 연산으로 트레스홀드를 정하는 기존의 기법보다 비균질 잡음 환경에서 강건한 검파 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이더 시스템의 블럭도이다. 본 실시예에 따른 레이더 시스템(200)은 차량에 적용가능하며, 도 13에 도시된 바와 같이, 레이더 모듈(210), 프로세서(220) 및 저장부(230)를 구비한다.
레이더 모듈(210)은 레이더 신호를 발신하고 반사되는 레이더 신호를 수신한다. 프로세서(220)는 전술한 도 9에 도시된 CFAR 검파 알고리즘을 수행한다. 저장부(230)는 도 9에 도시된 CFAR 검파 알고리즘이 프로그램으로 저장되어 있고, 프로세서(220)가 이 알고리즘을 수행함에 있어 발생하는 데이터를 저장하는 저장공간을 제공한다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
200 : 레이더 시스템
210 : 레이더 모듈
220 : 프로세서
230 : 저장부

Claims (7)

  1. 레이더 신호를 수신하는 단계;
    수신된 레이더 신호를 구성하는 다수의 레퍼런스 셀들을 다수의 블럭들로 분할하는 단계; 및
    분할된 블럭들 중 하나의 평균 파워와 테스트 셀의 파워를 비교하여, 타겟 유무를 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 CFAR 검파 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 검출단계는,
    분할된 블럭별 평균 파워들을 계산하는 단계;
    계산된 평균 파워들을 오름차순으로 정렬하는 단계;
    정렬된 평균 파워들 중 하나를 대표 파워로 선정하는 단계;
    선정된 대표 파워로부터 트레스홀드를 생성하는 단계; 및
    상기 트레스홀드와 테스트 셀의 파워를 비교하여, 타겟 유무를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 CFAR 검파 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 선정단계는,
    오름차순이 중간인 평균 파워를 대표 파워로 선정하는 것을 특징으로 하는 CFAR 검파 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 생성단계는,
    선정된 대표 파워에 가중치를 곱하여 트레스홀드를 생성하는 것을 특징으로 하는 CFAR 검파 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 분할단계는,
    상기 다수의 레퍼런스 셀들을 동수(同數)의 블럭들로 분할하는 것을 특징으로 하는 CFAR 검파 방법.
  6. 레이더 신호를 발신하고 반사되는 레이더 신호를 수신하는 레이더 모듈; 및
    상기 레이더 모듈을 통해 수신된 레이더 신호를 구성하는 다수의 레퍼런스 셀들을 다수의 블럭들로 분할하고, 분할된 블럭들 중 하나의 평균 파워와 테스트 셀의 파워를 비교하여 타겟 유무를 검출하는 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    분할된 블럭별 평균 파워들을 계산하고, 계산된 평균 파워들을 오름차순으로 정렬하며, 정렬된 평균 파워들 중 하나를 대표 파워로 선정하고, 선정된 대표 파워로부터 트레스홀드를 생성하며, 상기 트레스홀드와 테스트 셀의 파워를 비교하여 타겟 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.
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