KR20150035038A - 초음파 시스템의 노이즈 제거 장치 및 방법 - Google Patents

초음파 시스템의 노이즈 제거 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 송신한 신호가 물체에 반사되어 들어올 때 수신한 신호로부터 외부 잡음을 제거하여 잡음에 대한 강건성을 증대하기 위한 초음파 시스템의 노이즈 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.
이에 본 발명은, 매질 측으로 송신 신호를 송신한 뒤, 상기 매질에서 반사되어 돌아오는 수신 신호를 수신하는 제1과정; 상기 수신 신호 중 정상신호로 인식하는 주파수 범위 외부의 잡음을 제거하는 제2과정; 상기 수신 신호 중 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호와, 상기 송신 신호와의 상호상관성을 산출하는 제3과정; 상기 상호상관성을 산출한 결과에 따라 상기 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 정상신호 또는 잡음으로 판단하는 제4과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 방법을 제공한다.

Description

초음파 시스템의 노이즈 제거 장치 및 방법 {System and method for removing noise of ultrasonic system}
본 발명은 송신한 신호가 물체에 반사되어 들어올 때 수신한 신호로부터 외부 잡음을 제거하여 잡음에 대한 강건성을 증대하기 위한 초음파 시스템의 노이즈 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 물체에 반사되어 돌아오는 초음파 신호는 송신한 초음파 신호와 동일한 특성을 갖는다. 즉, 초음파 신호는 물체에 반사되어 돌아올 때 매질 및 매체에 따른 신호 크기의 감쇄를 제외하면 주파수, 파형의 길이 등의 특성은 변화가 없다.
PAS(Parking Assist System), SPAS(Smart Parking Assist System) 등과 같이 초음파 센서를 이용한 시스템은 송신한 신호가 매질에 반사되어 들어오는 시간을 이용하여 상기 매질과의 거리를 산출하며, 매질에 반사된 신호가 들어올 때 외부 잡음을 제거하기 위해 대역통과필터(Band Pass Filter)를 사용한다.
도 8을 보면, 종래의 초음파 시스템은 매질에 반사되어 돌아오는 신호(수신 신호)를 감지하는 초음파 센서(10), 수신 신호에서 외부 잡음을 제거하는 대역통과필터(30), 외부 잡음을 제거한 수신 신호의 진폭을 변조하는 진폭변조기(AMP)(20), 진폭변조기의 출력값에서 고주파 성분을 제거하는 에지검출기(40), 및 상기 수신 신호의 입력 시간(수신 시간)과 송신 신호의 출력 시간(송신 시간) 간에 시간차를 이용하여 매질과의 거리를 계산하는 제어기(50)로 구성된다.
이러한 종래의 초음파 시스템은 초음파 센서를 통해 송신한 신호가 반사체에 반사되어 들어올 때 수신된 신호의 포락선을 검출하여, 검출한 포락선이 일정 크기 이상인 경우 물체로 인식하고 이에 대한 경보를 발생하거나 혹은 거리 정보를 수집하여 PAS 또는 SPAS의 기능을 수행하게 된다.
그러나, 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 대역통과필터의 주파수 범위 내에 일정 크기 이상의 외부 잡음이 존재하는 경우, 상기와 같은 종래의 초음파 시스템은 이를(대역통과필터의 범위 내에 존재하는 일정 크기 이상의 외부 잡음을) 정상 신호로 인식하여 오경보를 발생시키게 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해, 기존의 초음파 시스템은 외부 잡음과 수신 신호의 구분을 위해 신호의 송신 및 수신의 과정을 두 번 수행한다. 즉, 한 번 물체에 반사되어 돌아온 수신 신호가 잡음인지 아닌지를 확인하기 위해 한번 더 신호의 송수신 과정을 수행함으로써 수신 신호와 외부 잡음을 구분하는 것이다.
그러나, 이 경우 초음파 신호의 송수신 시간과 두 번의 신호처리 과정으로 인해 시스템 지연이 발생하게 되고, 이에 초음파 시스템의 성능 하락을 초래하게 된다.
예를 들면, 초음파 시스템을 적용한 차량이 빠르게 움직이는 경우 시스템 지연으로 인해 물체 인식이 지연되어 운전자에게 정확한 정보를 제공할 수 없게 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 개선하기 위해 고안한 것으로서, 상호상관함수를 사용하여 정상 신호로 인식하는 주파수 범위 내에 존재하는 잡음을 판별하고 제거하는 동시에, 시간에 따라 주파수 변화를 가지는 송신 신호를 사용함으로써 일부 수신 신호에 주파수 천이현상이 발생하더라도 송신 신호와 수신 신호 간에 상호상관성을 유지하여 도플러 현상에 대한 강건성을 확보할 수 있는 초음파 시스템의 노이즈 제거 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 매질 측으로 송신 신호를 송신한 뒤, 상기 매질에서 반사되어 돌아오는 수신 신호를 수신하는 제1과정; 상기 수신 신호 중 정상신호로 인식하는 주파수 범위 외부의 잡음을 제거하는 제2과정; 상기 수신 신호 중 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호와, 상기 송신 신호와의 상호상관성을 산출하는 제3과정; 상기 상호상관성을 산출한 결과에 따라 상기 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 정상신호 또는 잡음으로 판단하는 제4과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 제3과정에서는, 상기 송신 신호와, 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 존재하는 신호 간에 상호상관성을
Figure pat00001
를 이용하여 산출하며, 여기서 f(x)는 송신 신호를 시간에 따라 나타낸 함수이고, g(x+τ)는 수신 신호를 시간에 따라 나타낸 함수이다.
또한 바람직하게, 상기 제4과정에서는, 산출한 상호상관성 수치가 임계값 이상이면 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 정상신호(정상 수신 신호)로 판단하고, 산출한 상호상관성 수치가 임계값 미만이면 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 잡음으로 판단한다.
또한 바람직하게, 상기 송신 신호로는 시간에 따라 주파수의 변화를 가지는 주파수 변조 신호를 사용한다.
또한 본 발명은, 매질 측으로 송신 신호를 송신한 뒤, 상기 매질에서 반사되어 돌아오는 수신 신호를 수신하는 초음파 센서; 상기 수신 신호 중 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호와, 상기 송신 신호와의 상호상관성을 산출하는 상호상관검출기; 상기 상호상관검출기의 출력값을 임계값과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 상기 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 정상신호 또는 잡음으로 판단하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 장치를 제공한다.
상기 본 발명에 따른 노이즈 제거 장치는, 상기 수신 신호 중 정상신호로 인식하는 주파수 범위 외부의 잡음을 제거하는 대역통과필터를 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 상호상관검출기는 상기 송신 신호와, 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 존재하는 신호 간에 상호상관성을
Figure pat00002
를 이용하여 산출하며, 여기서 f(x)는 송신 신호를 시간에 따라 나타낸 함수이고, g(x+τ)는 수신 신호를 시간에 따라 나타낸 함수이다.
또한 바람직하게, 상기 제어기는 상호상관검출기의 출력값이 임계값 이상이면 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 정상신호(정상 수신 신호)로 판단하고, 상호상관검출기의 출력값이 임계값 미만이면 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 잡음으로 판단한다.
또한 바람직하게, 상기 초음파 센서는 송신 신호로서 시간에 따라 주파수의 변화를 가지는 주파수 변조 신호를 사용한다.
본 발명에 의하면, 상호상관함수를 이용한 노이즈 필터를 사용하여 외부 잡음에 대한 강건성을 강화하여 외부 잡음의 영향을 최소화하고, 도플러 현상에 대한 강건성을 확보함으로써 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 시스템은 한 번의 송신 및 수신 과정을 통해 외부 잡음을 판별하여 제거하므로, 기존의 초음파 시스템 대비, 다시 말해 외부 잡음과 수신 신호의 구분을 위해 신호의 송신 및 수신의 과정을 두 번 수행하는 기존의 초음파 시스템 대비, 시스템 성능이 향상된다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 시스템을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 초음파 시스템의 노이즈 제거시 도플러 현상에 대한 강건성을 확보하는 방법을 설명하기 위한 도면
도 3은 48KHz의 송신 신호에 대한 수신 신호와 40KHz의 잡음을 나타낸 파형과 이 파형의 주파수 분석 결과를 나타낸 그래프
도 4는 본 발명에 따른 초음파 시스템의 잡음 제거 효과를 종래의 초음파 시스템과 비교하여 나타낸 도면
도 5는 정상적인 수신 신호와 40KHz의 잡음, 도플러 현상이 발생하여 주파수가 상승된 수신 신호의 파형을 나타낸 도면
도 6은 도플러 현상이 발생하여 송신 신호 대비 수신 신호의 주파수가 20% 정도 상승한 경우, 본 발명에 따른 초음파 시스템에서 사용하는 송신 신호와 일반 초음파 신호의 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타낸 도면
도 7은 백색잡음 환경에서의 정상 수신 신호와 40KHz의 잡음, 도플러 현상으로 인해 20% 정도 주파수가 상승된 수신신호의 파형(a)과 상호상관검출기를 이용한 처리 결과를 나타낸 파형(b)
도 8은 종래의 초음파 시스템을 나타낸 구성도
도 9는 종래의 초음파 시스템의 문제점을 설명하기 위한 도면
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명은 초음파 신호의 송수신을 통하여 물체를 인식하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 기술에 관한 것으로, 정상 신호로 인식하는 주파수 범위에서 정상 신호와 외부 잡음을 구분하기 위해 상호상관함수를 이용한 상호상관검출기를 사용하여 초음파 시스템의 외부 잡음에 대한 강건성을 증대하고, 또한 상호상관함수를 이용한 두 신호의 유사성 검출 과정에서 도플러 현상에 의한 주파수 천이현상으로 인해 데이터의 왜곡이 발생할 수 있으므로 주파수의 변화를 가지는 송신 신호를 사용함으로써 일부 신호에 주파수 천이현상이 발생하더라도 송신 신호와 수신 신호의 상호상관성을 유지시켜 도플러 현상에 대한 강건성을 확보할 수 있도록 한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 시스템은 초음파 센서(1), 진폭변조기(AMP)(2), 대역통과필터(3), 상호상관함수를 이용한 상호상관검출기(4), 에지검출기(5), 및 제어기(6)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 초음파 센서(1)는 제어기(6)의 신호발생기(7)에서 발생한 신호를 매질 측으로 송신하고, 매질에서 반사되어 돌아오는 신호를 수신하는 기능을 한다.
상기 진폭변조기(2)는 수신한 신호의 진폭을 목표하는 바에 맞게 변조하는 기능을 한다.
상기 대역통과필터(3)는 정상 신호로 인식하는 주파수 범위(초음파 감지영역) 외부의 신호를 잡음으로 판단하여 제거하는 기능을 한다.
상기 상호상관검출기(4)는 정상 신호로 인식하는 주파수 범위 내에서 잡음을 판별하기 위해 유사성 또는 상호상관성을 산출하는 기능을 한다.
상기 에지검출기(5)는 상호상관검출기(4)의 출력값을 고주파 성분을 제거하고 크기값으로만 출력하는 기능을 한다.
상기 제어기(6)는 상호상관검출기(4)의 검출 결과, 정확하게는 에지검출기(5)의 출력값을, 실험을 통해 미리 설정해둔 임계값과 비교하여 정상신호 여부를 판단하고 잡음을 제거하며, 송신 신호의 정보와 외부 잡음을 제거한 수신 신호의 정보를 이용하여 일정 거리 내에 물체와의 거리를 계산하고 물체를 인식하는 등의 기능을 한다.
알려진 바와 같이, 물체에 반사되어 돌아오는 수신한 초음파 신호는 송신한 초음파 신호와 동일한 특성을 갖는다. 즉, 초음파 신호는 물체에 반사되어 돌아올 때, 매질과 매체에 따른 신호 크기의 감쇄를 제외하고, 주파수 및 파형의 길이 등의 특성은 변화가 없다. 따라서 수신된 신호는 송신된 신호와 유사성을 지닌 경우에만 송신 신호가 물체에 반사되어 수신된 것으로 판단될 수 있다.
따라서 본 발명에서는 두 신호의 유사성을 수치로 나타낼 수 있는 상호상관함수의 특성을 이용하여 초음파감지영역(대역통과필터의 범위) 내에 존재하는 수신 신호일지라도 송신 신호의 특성과 다른 특성을 갖는다면 외부 잡음으로 판단한다.
본 발명에 따른 초음파 시스템은 상기 제어기(6) 내에 송신하는 신호에 대한 정보를 가지고 있으므로 송신 신호와 수신 신호의 유사성을 비교할 수 있다.
이때 수신 신호와 송신 신호의 유사성을 비교하기 위해 상호상관함수를 사용한다.
다시 말해, 수신 신호가 송신 신호와 유사한 또는 동일한 특성을 갖는지 여부를 판단하기 위해, 상호상관함수의 특성을 이용한다.
상호상관함수는 시간의 흐름에 따라 두 신호 간에 유사성의 정도를 크기로 나타내기 때문에, 상호상관함수를 이용하여 두 신호 간에 시간에 따른 상호상관성을 산출하는 상호상관검출기를 구현할 수 있다.
상기 상호상관함수는 임의의 두 신호 간에 시간에 따른 상관성을 나타내는 함수로서,
Figure pat00003
의 수식으로 나타낼 수 있다.
여기서, f(x)는 송신 신호를 시간에 따라 나타낸 함수이고, g(x+τ)는 수신 신호를 시간에 따라 나타낸 함수이다.
상기 상호상관검출기는 송신 신호와 수신 신호의 상호상관 과정을 통해 두 신호의 상호상관성을 산출함으로써 정상 신호로 인식하는 주파수 범위 내에 존재하는 잡음을 제거할 수 있도록 하기 위한 것이다.
구체적으로, 상기 상호상관검출기가 상호상관함수를 통해 송신 신호와 수신 신호 간에 유사성을 수치로 검출하면, 제어기는 에지검출기를 통과한 상호상관검출기의 검출값(출력값)을 이용하여 수신 신호가 정상신호인지 아니면 잡음인지를 판단한다.
상기 제어기는 에지검출기를 통과한 상호상관검출기의 출력값이, 임계치 이상이면 두 신호가 유사성을 가지는 것으로 판단하여 수신 신호를 정상신호로 인식하고, 임계치 미만이면 두 신호가 유사성을 가지지 않는 것으로 판단하여 수신 신호를 잡음으로 인식함으로써, 정상 신호로 인식하는 주파수 범위에 존재하는 잡음을 제거할 수 있게 된다.
이렇게 상호상관함수를 이용하여 송신 신호와 수신 신호 간에 유사성을 비교하는 과정에서는, 도플러 현상에 의한 주파수천이현상으로 인해 데이터의 왜곡이 발생할 수 있다.
상기 도플러 현상이란 어떤 파동이 파동원과 관찰지의 상대속도에 따라 주파수와 파장이 바뀌는 현상으로서, 아래의 수식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
여기서, f는 도플러 현상에 의한 현재 수신 신호의 주파수, f0는 송신 신호의 주파수, ㅿv는 파동원과 관찰지의 상대속도, c는 초음파의 속도이다. 초음파는 공기 중에서 보통 340m/s의 속도를 지닌다.
이러한 도플러 현상은 차량 혹은 감지하고자 하는 대상이 움직일 때 초음파를 송수신하는 경우 수신 신호의 주파수 특성의 변화를 발생시키게 된다.
즉, 도플러 현상은 수신 신호의 주파수천이를 발생시켜 수신 신호의 데이터를 왜곡시킬 수 있다.
따라서 도플러 현상에 의해 송신 신호와 수신 신호 간에 유사성이 감소되는 경우 상호상관 과정에서 정상적인 수신 신호를 잡음으로 판단하는 오인식이 발생할 수 있으며, 타겟을 감지하는 시스템 성능을 저하시킬 수 있다.
참고로, 초음파 시스템이 장착된 차량이 움직이는 경우 차속을 계산하여 상호상관 과정에 반영하여 보정할 수 있으나, 상대 물체가 움직이는 경우에는 이러한 과정이 쉽지 않다.
이에 본 발명에서는 도플러 현상에 의한 영향을 최소화하여 시스템 성능을 유지하고 외부 잡음과 구분할 수 있도록 하기 위해, 송신 신호로 시간의 흐름에 따라 주파수의 변화를 가지는 신호를 사용한다.
상기 상호상관검출기를 이용한 상호상관 과정은 전술한 상호상관함수의 수식을 보면 알 수 있듯이 시간의 흐름에 따른 두 파형(신호)의 승산값을 시간의 이동에 따라 합산하는 과정을 포함한다.
따라서 일정 시간 동안 상호상관 과정을 거치는 두 신호의 특성이 유사하면 상호상관성은 높게 나타나게 된다.
앞서 언급한 것처럼, 도플러 현상이 발생하면 수신되는 신호의 주파수의 성분이 변이되어 송신하는 신호의 주파수 성분에 비해 높거나 낮게 나타나기 때문에 송신 신호와 수신 신호 간에 상호상관성이 하락한다.
그러나, 송신 신호의 주파수를 변화시키는 경우에는 도 2의 우측 그래프와 같은 결과를 얻을 수 있다.
도 2의 좌측 그래프는 사인(sine) 파형을 갖는 일반적인 초음파 신호를 송신 신호로 이용한 경우에 대해 송신 신호와 수신 신호 간에 유사성을 나타낸 것이다.
도 2의 좌측 그래프에 보이듯이, 일반적인 초음파 신호를 송신 신호로 사용하는 경우, 도플러 현상이 발생하게 되면 송신 신호와 수신 신호 간에 주파수의 특성이 유사한 구간이 발생하지 않아 두 신호 간에 상호상관성이 감소하게 되고, 이로 인해 시스템을 이용하여 물체와의 거리를 정확하게 인식하기 어렵게 된다.
도 2의 우측 그래프는 시간의 흐름에 따라 주파수의 변화를 가지는 신호를 송신 신호로 이용한 경우에 대해 송신 신호와 수신 신호 간에 유사성을 나타낸 것이다.
도 2의 우측 그래프에 보이듯이, 시간에 따라 주파수의 변화를 가지는 신호를 송신 신호로 사용하는 경우, 도플러 현상이 발생하게 되면 송신 신호에 비해 수신 신호가 전체적으로 더 큰 주파수를 갖게 되나, 앞서 말한 바와 같이 상호상관 과정은 시간의 흐름에 따른 두 파형(신호)의 승산값을 시간의 이동에 따라 합산하는 과정이기 때문에 송신 신호의 시간 지연된 파형을 보면 시간 지연된 송신 신호와 수신 신호 간에 일정 시간 동안 유사성이 유지되어 상대적으로 높은 상호상관성을 얻게 되는 것을 알 수 있다.
따라서 송신 신호로서 시간에 따라 주파수의 변화를 가지는 신호를 사용함으로써 도플러 현상에 대한 강건성을 확보하여 도플러 현상이 발생하더라도 그로 인한 데이터 왜곡을 최소화할 수 있다.
이때 상기 주파수의 변화는 시간에 따른 주파수의 증가, 감소, 2차 증가, 2차 감소, 증가 후 감소, 감소 후 증가 등과 같은 모든 형태의 변화를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 초음파 시스템을 시뮬레이션한 결과를 도 4 내지 7에 나타내었다.
도 3은 48KHz의 송신 신호에 대한 수신 신호와 40KHz의 잡음을 나타낸 파형과 이 파형의 주파수 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3의 주파수 분석 결과를 보면 알 수 있듯이, 수신 신호와 잡음은 모두 대역통과필터의 범위 내에 주파수를 갖는다.
도 4는 초음파 시스템에서 잡음 제거 과정을 수행한 결과를 나타낸 그래프로서, (a)는 도 3에 나타낸 수신 신호(정상신호)와 잡음이 기존의 초음파 시스템에서 잡음 제거 과정을 거친 결과를 나타낸 것이고, (b)는 도 3에 나타낸 수신 신호(정상신호)와 잡음이 본 발명에 따른 초음파 시스템에서 잡음 제거 과정을 거친 결과를 나타낸 것이다.
도 4의 (a)를 보면 알 수 있듯이, 기존의 초음파 시스템에서는 대역통과필터의 범위 내에 주파수를 갖는 잡음 역시 신호로 인식하게 되므로, 정상신호로 인식하는 임계치 이상의 값을 갖는 잡음을 정상신호로 오인식하게 된다.
반면, 도 4의 (b)를 보면 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 초음파 시스템에서는 상호상관검출기를 사용함으로써, 정상신호는 임계치(정상신호로 인식하는 임계치)보다 큰 값을 가지나 잡음은 송신 신호와의 유사성이 적어 임계치보다 작은 값을 가지게 되는 것을 확인할 수 있다.
따라서 시뮬레이션 등을 통해 상기 임계치를 설정함으로써 정상신호(수신 신호)와 정상신호로 인식하는 주파수 범위의 잡음을 효과적으로 구분가능함을 알 수 있다.
여기서, 상기 기존의 초음파 시스템은 30KHz ~ 75KHz의 대역통과필터만을 이용하여 외부 잡음을 제거하는 시스템이다.
도 5의 왼쪽과 오른쪽 도면은 각각 왼쪽에서부터 정상적인 수신 신호와 40KHz의 잡음, 도플러 현상이 발생하여 주파수가 상승된 수신 신호의 파형을 나타낸 것이다.
도 6은 도플러 현상이 발생하여 송신 신호 대비 수신 신호의 주파수가 20% 정도 상승한 경우, 본 발명에 따른 초음파 시스템에서 사용하는 송신 신호(주파수 변조 신호)와 일반 초음파 신호의 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
도 6의 왼쪽은 48KHz의 일반 신호를 송신한 경우의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이고, 도 6의 오른쪽은 33KHz ~ 63KHz의 주파수 변조 신호(시간에 따라 주파수가 변하는 신호)를 송신한 경우의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
즉, 도 6은 정상적인 수신 신호(정상신호)와 40KHz의 잡음, 도플러 현상이 발생하여 주파수가 상승된 수신 신호의 상호상관검출기 처리 결과를 나타낸 파형으로, 도 6의 왼쪽은 일반 신호를 사용한 경우의 상호상관검출기 처리 결과를 나타낸 것이고, 도 6의 오른쪽은 33KHz ~ 63KHz의 주파수 변조 신호(시간에 따라 주파수가 변화하는 신호)를 사용한 경우의 상호상관검출기 처리 결과를 나타낸 것이다.
도 6의 (a)에 보이듯이, 일반 신호를 사용한 경우 대역통과필터의 주파수 범위 내(30~75KHz)의 잡음(40KHz)은 상호상관함수를 이용한 필터링을 통해 억제하는 동시에, 도플러 현상이 적용된 수신 신호 역시 송신 신호와의 상관성이 감소되어 정상신호로 인식되지 못하고 상호상관함수를 이용한 필터링을 통해 억제되었다.
반면, 도 6의 (b)에 보이듯이, 시간에 따른 주파수 변화를 가지는 신호를 송수신하는 경우 도플러 현상이 적용된 수신 신호 역시 송신 신호와 높은 상관성을 가짐으로 진폭값이 크게 발생하여 정상신호로 인식하는 임계치를 초과한 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 전술한 시뮬레이션을 통해 확인한 바와 같이, 정상신호로 인식하는 임계치를 설정하여 정상신호(수신 신호)와 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내 잡음을 효과적으로 구분함으로써 시스템의 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 앞의 시뮬레이션의 경우 도플러 현상으로 기존 송신 주파수의 20% 가 상승한 주파수가 들어온 것을 가정하고, 이때 도플러 현상에 적용하는 상대속도를 약 380Km/h으로 가정한 것으로, 실제 초음파를 사용하는 환경(상대속도 20km/h 이하)에서는 그 영향(도플러 현상의 영향)이 훨씬 약하게 나타날 것을 알 수 있다. 따라서 주파수 변조 신호를 이용한 본 발명의 초음파 시스템은 실제 환경에서의 신뢰성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 신호 처리 과정에서 발생할 수 있는 문제는 센서 혹은 전자 장비로부터의 잡음 유입이다. 이때 잡음은 보통 백색잡음(white noise)이며 이는 평균이 0, 분산이 유한한 특성을 지닌다.
본 발명에 따른 초음파 시스템에서 사용하는 상호상관검출기는 상호상관함수를 이용하여 잡음을 필터링하는 것으로, 시간의 흐름에 따른 두 신호의 승산값을 합산하는 과정을 시간의 이동에 따라 반복함으로써 백색잡음에 대한 정보들을 상쇄하여 시스템의 신호처리에 큰 영향을 미치지 못한다.
도 7은 백색잡음 환경(신호대잡음비(SNR)=2)에서의 정상 수신 신호와 40KHz의 잡음, 도플러 현상으로 인해 20% 정도 주파수가 상승된 수신신호의 파형(a)과 상호상관검출기를 이용한 처리 결과를 나타낸 파형(b)을 도시하고 있다.
도 7에 보이듯이, 백색잡음 환경에서도 잡음을 임계치 아래로 억제하여 정상신호와 구분하는 동시에, 도플러 현상이 적용된 정상신호가 임계치를 초과하여 정상적인 수신 신호로서 인식됨을 알 수 있으며, 이에 본 발명에 따른 초음파 시스템은 센서 잡음에 대한 강건성 역시 확보할 수 있음을 알 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 설명에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 초음파 센서
2 : 진폭변조기
3 : 대역통과필터
4 : 상호상관검출기
5 : 에지검출기
6 : 제어기
7 : 신호발생기

Claims (11)

  1. 매질 측으로 송신 신호를 송신한 뒤, 상기 매질에서 반사되어 돌아오는 수신 신호를 수신하는 제1과정;
    상기 수신 신호 중 정상신호로 인식하는 주파수 범위 외부의 잡음을 제거하는 제2과정;
    상기 수신 신호 중 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호와, 상기 송신 신호와의 상호상관성을 산출하는 제3과정;
    상기 상호상관성을 산출한 결과에 따라 상기 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 정상신호 또는 잡음으로 판단하는 제4과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3과정에서는, 상기 송신 신호와, 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 존재하는 신호 간에 상호상관성을
    Figure pat00005

    를 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 방법.
    여기서, f(x)는 송신 신호를 시간에 따라 나타낸 함수이고, g(x+τ)는 수신 신호를 시간에 따라 나타낸 함수이다.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제4과정에서는, 산출한 상호상관성 수치가 임계값 이상이면 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 정상신호로 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제4과정에서는, 산출한 상호상관성 수치가 임계값 미만이면 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 잡음으로 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신 신호로는 시간에 따라 주파수의 변화를 가지는 주파수 변조 신호를 사용하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 방법.
  6. 매질 측으로 송신 신호를 송신한 뒤, 상기 매질에서 반사되어 돌아오는 수신 신호를 수신하는 초음파 센서;
    상기 수신 신호 중 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호와, 상기 송신 신호와의 상호상관성을 산출하는 상호상관검출기;
    상기 상호상관검출기의 출력값을 임계값과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 상기 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 정상신호 또는 잡음으로 판단하는 제어기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 수신 신호 중 정상신호로 인식하는 주파수 범위 외부의 잡음을 제거하는 대역통과필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 상호상관검출기는 상기 송신 신호와, 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 존재하는 신호 간에 상호상관성을
    Figure pat00006

    를 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 장치.
    여기서, f(x)는 송신 신호를 시간에 따라 나타낸 함수이고, g(x+τ)는 수신 신호를 시간에 따라 나타낸 함수이다.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어기는 상호상관검출기의 출력값이 임계값 이상이면 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 정상신호로 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 장치.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어기는 상호상관검출기의 출력값이 임계값 미만이면 정상신호로 인식하는 주파수 범위 내에 신호를 잡음으로 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 장치.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 초음파 센서는 송신 신호로서 시간에 따라 주파수의 변화를 가지는 주파수 변조 신호를 사용하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 노이즈 제거 장치.
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