KR20170133804A - Fmcw 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치 및 방법 - Google Patents

Fmcw 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호를 생성하는 신호 생성부, 상기 송신신호를 탐지 공간에 방사하는 신호 송신부, 상기 송신신호가 상기 탐지 공간에 존재하는 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신하는 신호 수신부, 상기 송신신호와 상기 반사신호 간의 차 주파수 성분에 해당하는 비트 주파수를 산출하는 비트주파수 산출부, 상기 비트 주파수를 고속 푸리에 변환하고 환경잡음 제거하여 이동타겟에 대한 제1 FFT값을 산출하며, 상기 제1 FFT값의 패턴을 설정된 거리별 FFT값의 패턴과 각각 상관도를 측정하여 상기 설정된 거리별 FFT값 중 상기 제1 FFT값의 패턴과 가장 유사한 하나 FFT값을 파악하고, 파악한 하나의 FFT값에 대응한 거리를 이동타겟의 거리로 판단하는 신호처리부, 그리고 상기 설정된 거리별 FFT값에 대한 정보를 저장하고 있는 패턴 저장부를 포함하는 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치 및 방법{APPARATUS OF FMCW RADAR SYSTEM FOR DETECTING MOVING TARGET AND METHOD THEREOF}
본 발명은 FMCW 레이더 시스템에서 이동타겟과의 거리를 탐지하는 이동타겟 탐지 장치 및 방법에 관한 것이다.
침입자나 차량 등의 이동타겟을 탐지하는 장치는 보안 시스템이나, 차량의 능동 안전 시스템 등에 사용되고 있다. 그리고 이동타겟을 감지하는 장치로 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더가 이용되고 있다. 일반적인 FMCW 레이더는 주파수가 변조된 송신파를 연속으로 발사하여 물체에 의해 반사되는 반사파를 수신하고, 송신파와 반사파 간의 차 주파수 성분인 비트 주파수를 FFT(Fast Fourier Transform)한 후 FFT한 결과(FFT 스펙트럼)의 FFT 포인트별로 신호세기를 분석하여 이동타겟의 탐지를 수행하고 도플러 주파수에 기초하여 물체의 속도 및 거리를 감지한다.
FMCW 레이더 시스템에서, 이동타겟을 탐지하면 FFT 결과가 침입자가 발생하기 않는 상황에 대비하여 크게 증가하게 되고, 이때 레이더와 이동타겟과의 거리에 해당하는 FFT 포인트의 신호세기가 가장 크게 나타난다.
그런데 이러한 종래의 FMCW 레이더는 FFT 포인트별로 신호세기를 산출하고 비교하는 등을 해야 하므로 연산량이 많은 문제가 있다.
한편 종래의 FMCW 레이더는 변조대역(modulation bandwidth)이 적을수록 이동타겟의 거리 산출에 오차가 증가하는 문제가 있다. 예컨대, 1m 해상도 성능을 가지도록 FMCW 레이더를 구현하려면 다음의 수학식 1에 의해 최소 150MHz의 변조대역이 필요하다.
Figure pat00001
그리고 5m 거리에 있는 물체에 대하여 종래의 FMCW 레이더 시스템에 150MHz, 150MHz/2, 150MHz/4, 150MHz/8의 변조대역을 이용하여 비트주파수(beat frequency)에 대한 FFT 결과를 보면 도 1과 같이 나타난다. 여기서 비트주파수는 레이더에서 송신한 송신신호와 송신신호가 물체에 의해 반사되어 수신된 반사신호 간의 차 주파수 성분이다.
도 1에서, (a)는 150MHz를 이용한 경우의 FFT 결과(즉, FFT 스펙트럼) 파형이고, (b)는 75MHz를 이용한 경우의 FFT 결과 파형이며, (c)는 37.5MHz를 이용한 경우의 FFT 결과 파형이고, (d)는 18.75MHz를 이용한 경우의 FFT 결과 파형이다.
도 1을 참고하면, 150MHz의 변조대역을 이용하는 경우에는 물체가 5m에 있다고 정확한 정보를 나타내지만, 75MHz의 변조대역을 이용하는 경우에는 4m로 나타나서 1m의 거리 오차가 발생하고, 37.5MHz의 변조대역을 이용하는 경우에는 3m로 나타나서 2m의 거리 오차가 발생하며, 17.75MHz의 변조대역을 이용하는 경우에는 1m로 나타나서 4m의 거리 오차가 발생한다.
이런 이유로 협대역을 이용하는 근거리 고해상도 레이더에서 광대역 FMCW 레이더를 사용하지 못하거나 협대역을 이용하여 종래의 광대역을 이용하는 결과를 얻지 못하는 원인이 되고 있다.
본 발명의 하나의 실시예는 협대역의 변조대역을 이용하여 광대역의 변조대역을 이용하는 것과 동일한 결과를 얻도록 하는 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 하나의 실시예는 침입 탐지 및 침입자와의 거리를 산출하기 위한 연산량을 줄이는 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치는 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호를 생성하는 신호 생성부, 상기 송신신호를 탐지 공간에 방사하는 신호 송신부, 상기 송신신호가 상기 탐지 공간에 존재하는 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신하는 신호 수신부, 상기 송신신호와 상기 반사신호 간의 차 주파수 성분에 해당하는 비트 주파수를 산출하는 비트주파수 산출부, 상기 비트 주파수를 고속 푸리에 변환하고 환경잡음 제거하여 이동타겟에 대한 제1 FFT값을 산출하며, 상기 제1 FFT값의 패턴을 설정된 거리별 FFT값의 패턴과 각각 상관도를 측정하여 상기 설정된 거리별 FFT값 중 상기 제1 FFT값의 패턴과 가장 유사한 하나 FFT값을 파악하고, 파악한 하나의 FFT값에 대응한 거리를 이동타겟의 거리로 판단하는 신호처리부, 그리고 상기 설정된 거리별 FFT값에 대한 정보를 저장하고 있는 패턴 저장부를 포함한다.
상기 신호처리부는 상기 비트주파수를 고속 푸리에 변환하여 현재 FFT값을 산출하는 FFT부, 상기 현재 FFT값에서 이전 FFT값을 제거하여 환경잡음 제거된 FFT값을 산출하는 환경잡음 제거부, 상기 환경잡음 제거된 FFT값의 각 FFT 포인트별 신호세기를 합산하고 합산한 신호세기를 설정값과 비교하여 이동타겟의 존재 유무를 판단하고 이동타겟 존재시에 상기 환경잡음 제거된 FFT값을 상기 제1 FFT값으로 판단하는 이동타겟 파악부, 상기 제1 FFT값의 각 FFT 포인트별 신호세기를 정규화하는 정규화부, 상기 정규화부에 의해 정규화된 제1 FFT값의 각 FFT 포인트별 신호세기값의 패턴을 상기 설정된 거리별 FFT값의 각 FFT 포인트별 신호세기값의 패턴과 비교하여 상관도를 측정하고 상기 설정된 거리별 FFT값 중 상기 정규화된 상기 제1 FFT값의 패턴과 가장 유사한 하나의 FFT값을 파악하는 상관도 측정부, 그리고 상기 가장 유사한 하나의 FFT값에 대응하여 저장된 거리를 이동타겟의 거리로 판단하는 거리 판단부를 포함한다.
상기 패턴은 FFT 포인트별 신호세기값이거나, FFT 포인트별 신호세기값으로 표현되는 곡선의 형태이다. 상기 상관도 측정부는 하기 수학식 3을 이용하여 상관도를 측정한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 방법은 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호를 탐지 공간에 방사하는 단계, 상기 탐지 공간에 존재하는 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신하는 단계, 상기 송신신호와 상기 반사신호 간의 차 주파수 성분에 해당하는 비트 주파수를 산출하는 단계, 상기 비트주파수를 고속 푸리에 변환하여 현재 FFT값을 산출하는 단계, 상기 현재 FFT값에서 이전 FFT값을 제거하여 환경잡음 제거된 FFT값을 산출하는 단계, 상기 환경잡음 제거된 FFT값의 신호세기를 설정값과 비교하고 상기 측정된 신호세기가 상기 설정값을 초과하면 이동타겟 감지로 판단하고 상기 환경잡음 제거된 FFT값을 이동타겟의 FFT값으로 판단하는 단계, 상기 이동타겟의 FFT값을 정규화하는 단계, 정규화한 이동타겟의 FFT값의 각 FFT 포인트별 신호세기값의 패턴을 상기 설정된 거리별 FFT값의 각 FFT 포인트별 신호세기값의 패턴과 비교하여 상관도를 측정하는 단계, 측정된 상관도를 기반으로 상기 설정된 거리별 FFT값 중 정규화한 이동타겟의 FFT값의 패턴과 가장 유사한 하나의 FFT값을 파악하는 단계, 그리고 상기 가장 유사한 하나의 FFT값에 대응하여 저장된 거리를 이동타겟의 거리로 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 할 수 있다.본 발명의 실시예에 따르면, 협대역의 변조대역을 이용하여 광대역의 변조대역을 이용하는 것과 동일한 결과를 얻고, 침입 탐지 및 침입자와의 거리를 산출하기 위한 연산량을 줄이는 효과를 제공한다.
도 1은 종래의 FMCW 레이더 시스템에서 변조대역별 FFT 결과 파형을 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이동타겟을 탐지하기 위한 과정을 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 37.5MHz 변조대역에서 환경잡음 제거 전과 제거 후의 16 포인트 FFT값을 보인 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 거리별 신호세기 패턴의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 거리별 FFT값을 설정하는 과정을 보인 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이동타겟 탐지 장치의 상세 회로도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 방법을 보인 순서도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 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 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치 및 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치의 블록 구성도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 이동타겟 탐지 장치는 신호 생성부(110), 신호 송신부(120), 신호 수신부(130), 비트주파수 산출부(140), 신호 처리부(150) 및 패턴 저장부(160)를 포함한다.
신호 생성부(110)는 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호를 생성한다. 예를 들어, 신호 생성부(110)는 주파수가 일정한 기울기로 증가하다가 감소하는 삼각파 형태의 송신신호를 생성할 수 있다. 이 경우에, 신호 생성부(110)는 목표물을 탐지하기 위한 레졸루션(resolution)에 기초하여 샘플링 주파수 및 샘플링 신호의 주파수 상승폭을 설정할 수 있다. 예를 들어, 신호 생성부(110)는 1m 거리의 레졸루션을 갖도록 설계된 경우이면, 송신신호에 대해 샘플링 주파수를 150MHz, 샘플링 신호의 주파수 상승폭을 6.6kHz로 설정된다. 그리고 신호 생성부(110)는 삼각파의 송신신호를 변조하여 특정 위상 값을 갖는 아날로그 신호의 형태로 변조한다. 예컨대, 변조된 아날로그 형태의 신호는 코사인 신호나 사인 신호 등이다.
신호 송신부(120)는 신호 생성부(110)에서 생성된 아날로그 형태의 송신신호를 증폭하여 FMCW 레이더의 외부인 탐지 공간에 방사한다. 이동타겟 탐지 장치는 고정된 목표물을 탐지하는 것이 아니고, 해당 공간 어디든지 출현될 수 있는 이동타겟을 탐지하는 장치이기 때문에 탐지 공간 전체에 송신신호를 방사하여 이동타겟을 탐지한다.
신호 수신부(130)는 신호 송신부(120)로부터 방사된 송신신호가 탐지 공간에 존재하는 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신한다. 여기서, 목표물이라 함은 레이더가 설치된 탐지하는 공간에 레이더가 탐지하는 대상(물체, 벽면, 사람 등)을 의미한다. 반사신호는 송신신호에 대해 소정의 지연시간을 가지고 수신된다. 반사신호의 지연시간은 목표물의 거리가 멀수록 증가되며, 지연시간이 클수록 송신신호와 반사신호 간의 차 주파수 성분(이하 '비트 주파수(beat frequency)'라고 함)이 커진다.
비트주파수 산출부(140)는 송신신호와 반사신호 간의 차 주파수 성분인 비트주파수를 산출한다.
일 예로, 비트주파수 산출부(140)는 다음의 과정을 통해 비트 주파수를 산출한다. 우선 비트주파수 산출부(140)는 수신된 송신신호와 반사신호에 대하여 다음의 수학식 2과 같이 연산한다.
Figure pat00002
수학식 2에서, Φtx는 송신신호의 위상을 나타내고, Φrx는 반사신호의 위상이며, cos(Φtx)는 신호 생성부(110)에서 생성된 코사인(cos) 신호이다.
그런 다음 비트주파수 산출부(140)는 수학식 2와 같이 연산한 신호를 저역통과필터(Low Pass Filter)를 이용하여 송신신호의 위상과 반사신호의 합 주파수 성분을 필터링하여 제거하고, 송신신호와 반사신호의 차 주파수 성분(즉, 비트 주파수)만을 남긴다.
신호처리부(150)는 비트주파수 산출부(140)에서 산출한 비트 주파수를 이용하여 새로운 목표물의 발생 여부 즉, 이동타겟 탐지를 판단하고, 이동타겟 탐지시 이동타겟에 대응하는 신호세기 패턴을 생성하며 기 설정된 신호세기 패턴들과 비교하여 상관도가 높은 신호세기 패턴을 파악하고, 파악한 신호세기 패턴에 대응된 거리를 침입자 거리로 파악한다. 여기서 신호세기 패턴은 비트 주파수를 FFT한 결과를 이용하여 얻어진 FFT 포인트별 신호세기에 대한 패턴이고, 기 설정된 신호세기 패턴은 거리별로 얻어진 신호세기 패턴이다.
이를 위해, 신호처리부(150)는 FFT부(151), 환경잡음 제거부(152), 이동타겟 파악부(153), 정규화부(154), 상관도 측정부(155) 및 거리 판단부(156)를 포함한다.
FFT부(151)는 비트주파수 산출부(140)에서 산출한 비트 주파수를 각각 고속 푸리에 변환을 수행하여 FFT 스펙트럼 즉, FFT값을 산출한다. 즉, FFT값은 FFT 포인트마다 소정의 신호세기를 나타내는 형태로 표시되며, FFT 포인트별 신호세기에는 노이즈(클러터 등)를 포함한다(도 3 참조).
환경잡음 제거부(152)는 현재 측정된 탐지 공간의 환경에서 환경잡음을 제거하여 새로운 정보만을 남긴다. 여기서 환경잡음이란 새로운 목표물이 침입하지 않는 상태에 대한 레이더 측정 정보로서 노이즈 및 고정타겟의 정보를 포함한다. 이러한 환경잡음은 현재 측정한 FFT값의 입장에서 바로 이전에 측정한 이전 FFT값이 이에 해당한다. 따라서 환경잡음 제거부(152)는 현재 측정된 FFT값에서 이전 측정된 FFT값을 제거하는 동작을 수행하여 새로운 정보만을 남긴다. 만약 새로운 목표물이 침입하지 않은 상태가 되면 이전 FFT값과 현재 FFT값은 동일한 값이 되므로 새로운 정보가 없는 결과 즉, '0'이라는 신호세기(파워)를 출력하게 된다. 그러나 실제로는 외부 환경(노이즈 및 클러터 등)의 변화에 의해 환경잡음 제거부(152)는 FFT 포인트(point)별로 신호세기가 나타나는 형태의 결과를 출력한다. 물론 새로운 목표물이 침입하는 상태가 되면 환경잡음 제거부(152)는 새로운 목표물에 대응하는 FFT값이 출력된다.
이해를 돕기 위해 환경잡음 제거부(152)에 대한 일 예에 따른 동작을 도 3을 참고하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이동타겟을 탐지하기 위한 과정을 보인 도면이다.
도 3에서 (a)는 이전 FFT값이고, (b)는 현재 FFT값으로, 동일한 탐지 공간 내에서의 결과물이다. FFT 포인트가 4개라고 하는 경우에 이전 FFT값과 현재 FFT값에는 각 FFT 포인트별로 신호세기(노이즈 포함)가 나타나며, 환경잡음 제거부(152)에 의해 현재 FFT값에서 이전 FFT값을 제거하면 도 3의 (c)와 같이 이전환경에 대비하여 변화된 정보에 대응하는 FFT 포인트별 신호세기만이 남는다. 이때 변화된 정보는 이전환경에 대해 새로운 정보로서 이동타겟에 대한 정보이다.
여기서 동일 FFT 포인트에서 이전 FFT값이 더 크면 신호세기는 '-'값을 가지게 되는데, 이 경우에 환경잡음 제거된 FFT값에는 해당 FFT 포인트의 신호세기를 “0”으로 하거나 절대값으로 하여 표시한다.
환경잡음 제거부(152)의 동작은 전술한 일 예 이외에, 이전 FFT값과 현재 FFT값을 이용하여 탐지공간에서 변화된 FFT값만 추출하는 기술이라면 이용이 가능하다.
참고로 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 37.5MHz 변조대역에서 환경잡음 제거 전과 제거 후의 16 포인트 FFT값을 보인 도면이다. 그리고 환경잡음 제거전의 신호세기는 환경잡음 제거후의 신호세기에 비해 104 배만큼 크다. 도 4에서, (a)는 5m 거리에 있는 타겟을 대상으로 한 환경잡음 제거전의 FFT값이고, (b)는 5m 거리에 있는 타겟을 대상으로 한 환경잡음 제거후의 FFT값이다. 그리고 (c)는 6m 거리에 있는 타겟을 대상으로 한 환경잡음 제거전의 FFT값이고, (d)는 6m 거리에 있는 타겟을 대상으로 한 환경잡음 제거후의 FFT값이다.
도 4의 (a)와 (b)를 참고하면, 5m 거리의 타겟에 대한 환경잡음 제거전 FFT값의 각 포인트별 신호세기에 대한 패턴은 환경잡음 제거후에 패턴이 변화하였음을 알 수 있으며 이때의 패턴은 5m 거리에 위치한 이동타겟의 패턴임을 알 수 있다. 이와 마찬가지로, 도 4의 (c)와 (d)를 참고하면, 6m 거리의 타겟에 대한 환경잡음 제거전 FFT값의 각 포인트별 신호세기에 대한 패턴은 환경잡음 제거후에 패턴이 변화하였음을 알 수 있으며, 5m 거리에 위치한 이동타겟의 패턴임을 알 수 있다.
한편, 새로운 목표물이 침입하지 않는 상태의 환경잡음 제거부(152)의 FFT값과 새로운 목표물이 침입한 상태의 환경잡음 제거부(152)의 FFT값은 신호세기의 값이 다르다. 이는 외부 환경 즉, 노이즈의 크기 변화에 의해 측정된 FFT값은 그 크기가 작고, 새로운 목표물에 의해 측정된 FFT값은 그 크기가 크다. 따라서 본 발명의 신호처리부(150)는 FFT값의 크기의 차이를 이용하여 이동타겟의 침입을 탐지하게 되는데, 이때에 이동타겟의 침입 탐지를 위해 이동타겟 파악부(153)가 이용된다.
이동타겟 파악부(153)는 환경잡음 제거부(152)에서 출력한 FFT값에서 각 FFT 포인트별 신호세기(amplitude)를 합산하고 합산한 신호세기를 설정값과 비교하여 이동타겟의 존재 유무를 판단한다. 여기서 설정값은 새로운 목표물이 침입하지 않는 상태에서 외부 환경의 변화에 의해 발생되는 FFT값의 최대값으로 설정하는 것이 이상적이다. 이에 따르면 설정값은 약 3dB 정도이다. 물론 설정값은 설치 환경에 따라 3dB보다 작거나 크게 설정할 수 있다.
따라서 이동타겟 파악부(153)는 신호세기가 설정값 이하이면 이동타겟이 탐지되지 않았다고 판단하고, 신호세기가 설정값을 초과하면 이동타겟이 탐지되었다고 판단한다. 이동타겟 파악부(153)는 이동타겟이 탐지되었다고 판단하면 환경잡음 제거부(152)로부터 수신된 FFT값을 이동타겟의 FFT값(예; 도 4의 (b), (d))으로 하여 정규화부(154)에 제공한다.
정규화부(154)는 이동타겟에 대한 FFT값 즉, 각 FFT 포인트별 신호세기를 정규화한다. 이때 정규화는 신호세기의 최대값 또는 최소값을 설정값으로 만들고, 다른 FFT 포인트별 신호세기를 최대값 또는 최소값이 설정값으로 조정된 비율만큼 조절되게 한다. 여기서 정규화부(154)에 의해 FFT값의 real값과 image값이 정규화된다.
상관도 측정부(155)는 정규화부(154)에 의해 정규화된 이동타겟의 FFT값을 패턴 저장부(160)에 저장된 거리별 FFT값 각각과 상관도를 측정한다. 이때 상관도는 이동타겟의 FFT값에서 FFT 포인트별 신호세기의 패턴과 비교할 하나의 거리의 FFT값에서 FFT 포인트별 신호세기의 패턴(도 5 참조)의 유사성 정도이다. 여기서 패턴은 FFT 포인트별 신호세기값이거나 FFT 포인트별 신호세기값으로 이루어진 곡선이다.
따라서 상관도 측정부(155)는 FFT 포인트별 신호세기를 기준으로 정규화된 이동타겟의 FFT값과 거리별 FFT값 간의 패턴 상관도를 측정하거나, 곡선의 형태를 기준으로 이동타겟의 FFT값과 거리별 FFT값 간의 패턴 상관도를 측정한다. FFT 포인트별 신호세기를 기준으로 하는 경우에 상관도 측정부(155)는 다음의 수학식 3을 이용하여 상관도를 측정한다.
Figure pat00003
수학식 3에서, NormRS[i]는 정규화된 FFT값에서 신호세기의 real값이고, LUTRS는 패턴 저장부(160)에 저장된 거리별 FFT값에서 신호세기의 real값이다. 그리고 NormIM[i]는 정규화된 FFT값에서 신호세기의 image값이고, LUTIM는 패턴 저장부(160)에 저장된 거리별 FFT값에서 신호세기의 image값이다. 그리고 e[R]은 상관도에 해당하는 유클리드 거리(Euclidean Distance)이다.
수학식 3에 따르면, 상관도 측정부(155)는 정규화된 이동타겟의 FFT값과 기 설정된 거리별 FFT값에서 동일 FFT 포인트의 신호세기값을 비교하여 비교하는 두 신호세기값의 차이를 파악한다. 이상적으로는 정규화된 이동타겟의 FFT값의 FFT 포인트별 신호세기값은 하나의 설정 FFT값과 일치하게 되나, 실제적으로는 잡음 등의 외부환경에 의해 약간의 오차가 발생한다.
따라서 상관도 측정부(155)는 정규화된 이동타겟의 FFT값과 설정된 거리별 FFT값 각각과의 유클리드 거리를 파악하고, 유클리드 거리가 가장 짧은 즉, e[R]값이 가장 작은 하나의 설정 FFT값을 상관도가 가장 높은 값으로 파악한다.
거리 판단부(156)는 상관도 측정부(155)에서 파악한 상관도가 가장 높은 하나의 설정 FFT값에 대하여 해당 설정 FFT값에 대응된 거리를 파악하고, 이때의 거리를 이동타겟과의 거리로 판단한다.
패턴 저장부(160)는 거리별 FFT값을 저장하고 있으며, 저장된 FFT값(설정 FFT값)은 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치에서 측정하여 저장된 값이거나, 외부장치로부터 측정되어 저장된 값일 수 있다. 패턴 저장부(160)에 저장된 거리별 패턴값에 대한 일 예가 도 5에 도시되어 있다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 거리별 신호세기 패턴의 예시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 거리별 신호세기의 패턴(즉, 거리별 FFT값)은 신호세기의 최대값이 “1”로 동일하게 규정화되어 있으며, 거리별로 서로 다른 패턴을 가짐을 알 수 있다.
이하에서는 패턴 저장부(160)에 저장되는 설정 거리별 FFT값을 산출하는 과정을 도 6을 참조로 하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 거리별 FFT값을 설정하는 과정을 보인 순서도이다. 이하의 도 6을 참조로 한 설명에서는 최소 거리 1m에서 최대 거리 10m이며, 측정 거리 간격이 1m인 경우를 일 예로 하여 설명한다.
도 6을 참조하면, 탐지 공간에 물체를 측정할 거리 중 가장 짧은 거리인 1m에 위치시킨다. 이런 상태에서 FMCW 레이서 시스템의 이동타겟 탐지 장치는 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호를 생성하고 생성한 송신신호를 탐지 공간에 송신한다(S601).
이동타겟 탐지 장치는 송신신호가 탐지 공간에 존재하는 목표물을 포함하는 물체에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신하고(S602), 수신한 반사신호와 송신신호를 수학식 1과 같이 연산하고 송신신호와 반사신호의 곱에 대한 신호를 필터링하여 비트 주파수를 산출한다(S603).
이동타겟 탐지 장치는 비트 주파수를 FFT하여 FFT값을 산출하고(S604), 산출한 FFT값을 도 5와 같이 정규화한다(S605). 그런 다음 이동타겟 탐지 장치는 정규화한 FFT값을 1m 거리 정보와 매칭하여 룩업테이블로 패턴 저장부(160)에 저장한다(S606).
이후, 이동타겟 탐지 장치는 현재 측정한 거리가 설정된 최대거리 즉, 10m인지를 판단하고(S607), 10m이면 설정 FFT값 저장을 완료하고, 10m가 아니면 다음 간격의 거리인 2m에만 물체가 위치하도록 한 후(S607), S601 과정 내지 S606 과정을 반복한다.
이상과 같은 과정을 통해 패턴 저장부(160)에는 각 거리별 FFT값이 해당 거리정보와 매칭되어 룩업테이블로 저장된다.
이하에서는 도 7을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 이동타겟 탐지 장치의 회로 구성에 대하여 설명한다. 도 2의 이동타겟 탐지 장치의 블록도는 도 7과 같은 회로를 이용하여 구성될 수 있다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이동타겟 탐지 장치의 상세 회로도이다.
도 7을 참조하면, 송신신호를 생성하는 경우, 신호 생성부(110)는 합산부(111), 코사인(cos) 신호 생성부(112) 및 디지털 아날로그 컨버터(113)를 포함한다. 신호 생성부(110)는 샘플마다 주파수가 바뀌는 송신신호(fM(i))에 fbias를 더하여 주파수 대역을 조절한다. 비트주파수 산출부(140)는 fbias에 의해 고주파 대역으로 올라간 신호를 저역통과필터(LPF)로 제거하여 송신신호와 반사신호의 위상차 정보가 포함된 신호를 쉽게 얻을 수 있다.
신호 생성부(110)는 합산부(111)를 이용하여 송신신호 각각의 샘플 주파수를 합산하여 송신신호의 위상을 산출한다. 코사인(cos) 신호 생성부(112)는 산출한 위상을 이용하여 코사인(cos) 신호를 생성한다. 또한, 신호 생성부(110)는 디지털 아날로그 컨버터(DAC)(113)를 이용하여 코사인(cos) 신호를 아날로그 신호로 변환한다.
신호 송신부(120)는 믹서(mixer)(121)를 이용해 변환된 송신신호에 반송파(cosfc)를 곱하여 송신신호의 주파수 대역을 이동시킬 수 있으며, 주파수 대역이 이동된 신호를 탐지 공간으로 방사한다.
신호 수신부(130)는 반사신호를 수신하여 믹서(131)를 이용해 반송파와 곱하고, 다운 샘플링하여 기저대역(baseband)으로 반사신호의 주파수 대역을 이동시킨다.
비트신호 산출부(140)는 기저대역의 반사신호를 수학식 1과 같이 믹서(141)에 의해 코사인(cos) 신호와 곱해하고, 반사신호와 송신신호의 곱에 대한 신호를 아날로그 디지털 컨버터(ADC)(142)에 의해 디지털 신호로 변환한다. 그런 다음 비트신호 산출부(140)는 저역통과필터(LPF, 143)를 이용하여 변환된 신호의 고주파 성분을 제거하고, 신호 처리부(DSP)(150)에 송신신호와 반사신호의 차 주파수 성분인 비트 주파수를 제공한다.
이하에서는 도 8을 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 방법을 설명한다. 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 방법을 보인 순서도이다.
도 8을 참조하면, 이동타겟 탐지 장치는 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호를 생성하고(S801), 송신신호를 탐지 공간에 방사한다(S802).
이동타겟 탐지 장치는 송신신호가 탐지 공간에 존재하는 목표물을 포함하는 물체에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신하고(S803), 수신한 반사신호와 송신신호를 수학식 1과 같이 연산하고 같은 송신신호와 반사신호의 곱에 대한 신호를 필터링하여 비트 주파수를 산출한다(S804).
이동타겟 탐지 장치는 비트 주파수를 FFT하여 FFT값을 산출하고(S805), 산출한 FFT값에 대하여 환경잡음 제거를 수행한다(S806). 그런 다음 이동타겟 탐지 장치는 환경잡음이 제거된 FFT값의 FFT 포인트별 신호세기를 합산하고 합산한 신호세기를 설정값인 3dB를 초과하는 지를 판단한다(S807).
이동타겟 탐지 장치는 신호세기의 총합이 3dB 이하이면 이동타겟이 출현하지 않았다고 판단하고 계속해서 탐지 동작을 수행하며, 신호세기의 총합이 3dB를 초과하면 이동타겟이 탐지되었다고 판단하고 환경잡음 제거한 FFT값이 이동타겟에 대한 FFT값이라고 판단하여 환경잡음 제거한 FFT값을 정규화한다(S808).
이동타겟 탐지 장치는 정규화한 FFT값의 패턴을 패턴 저장부(160)에 저장된 설정된 거리별 FFT값의 패턴과 각각 비교하여 거리별 FFT값의 패턴에 대응하는 상관도를 각각 측정하고(S809), 측정한 각 상관도를 비교하여 유사성이 가장 큰 하나의 FFT값을 파악한다(S810).
이동타겟 탐지 장치는 유사성이 가장 큰 하나의 FFT값이 이동타겟의 FFT값에 대응하는 FFT값이라고 판단하고, 룩업테이블로부터 해당 FFT값에 대응하는 거리를 판단하여 이를 이동타겟과의 거리로 판단한다(S811).
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110 : 신호 생성부 120 : 신호 송신부
130 : 신호 수신부 140 : 비트주파수 산출부
150 : 신호 처리부 151 : FFT부
152 : 환경잡음 제거부 153 : 이동타겟 파악부
154 : 정규화부 155 : 상관도 측정부
156 : 거리 판단부 160 : 저장부

Claims (7)

  1. 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호를 생성하는 신호 생성부,
    상기 송신신호를 탐지 공간에 방사하는 신호 송신부,
    상기 송신신호가 상기 탐지 공간에 존재하는 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신하는 신호 수신부,
    상기 송신신호와 상기 반사신호 간의 차 주파수 성분에 해당하는 비트 주파수를 산출하는 비트주파수 산출부,
    상기 비트 주파수를 고속 푸리에 변환하고 환경잡음 제거하여 이동타겟에 대한 제1 FFT값을 산출하며, 상기 제1 FFT값의 패턴을 설정된 거리별 FFT값의 패턴과 각각 상관도를 측정하여 상기 설정된 거리별 FFT값 중 상기 제1 FFT값의 패턴과 가장 유사한 하나 FFT값을 파악하고, 파악한 하나의 FFT값에 대응한 거리를 이동타겟의 거리로 판단하는 신호처리부, 그리고
    상기 설정된 거리별 FFT값에 대한 정보를 저장하고 있는 패턴 저장부
    를 포함하는 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 신호처리부는,
    상기 비트주파수를 고속 푸리에 변환하여 현재 FFT값을 산출하는 FFT부,
    상기 현재 FFT값에서 이전 FFT값을 제거하여 환경잡음 제거된 FFT값을 산출하는 환경잡음 제거부,
    상기 환경잡음 제거된 FFT값의 각 FFT 포인트별 신호세기를 합산하고 합산한 신호세기를 설정값과 비교하여 이동타겟의 존재 유무를 판단하고 이동타겟 존재시에 상기 환경잡음 제거된 FFT값을 상기 제1 FFT값으로 판단하는 이동타겟 파악부,
    상기 제1 FFT값의 각 FFT 포인트별 신호세기를 정규화하는 정규화부,
    상기 정규화부에 의해 정규화된 제1 FFT값의 각 FFT 포인트별 신호세기값의 패턴을 상기 설정된 거리별 FFT값의 각 FFT 포인트별 신호세기값의 패턴과 비교하여 상관도를 측정하고 상기 설정된 거리별 FFT값 중 상기 정규화된 상기 제1 FFT값의 패턴과 가장 유사한 하나의 FFT값을 파악하는 상관도 측정부, 그리고
    상기 가장 유사한 하나의 FFT값에 대응하여 저장된 거리를 이동타겟의 거리로 판단하는 거리 판단부
    를 포함하는 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 패턴은 FFT 포인트별 신호세기값이거나, FFT 포인트별 신호세기값으로 표현되는 곡선의 형태인 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치.
  4. 제2항에서,
    상기 상관도 측정부는 다음의 수학식을 이용하여 상관도를 측정하는 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 장치
    Figure pat00004

    상기 NormRS[i]는 정규화된 FFT값에서 신호세기의 real값, LUTRS는 패턴 저장부에 저장된 거리별 FFT값에서 신호세기의 real값, NormIM[i]는 정규화된 FFT값에서 신호세기의 image값, LUTIM는 패턴 저장부에 저장된 거리별 FFT값에서 신호세기의 image값, e[R]은 상관도에 해당하는 유클리드 거리(Euclidean Distance).
  5. 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호를 탐지 공간에 방사하는 단계,
    상기 탐지 공간에 존재하는 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신하는 단계,
    상기 송신신호와 상기 반사신호 간의 차 주파수 성분에 해당하는 비트 주파수를 산출하는 단계,
    상기 비트주파수를 고속 푸리에 변환하여 현재 FFT값을 산출하는 단계,
    상기 현재 FFT값에서 이전 FFT값을 제거하여 환경잡음 제거된 FFT값을 산출하는 단계,
    상기 환경잡음 제거된 FFT값의 신호세기를 설정값과 비교하고 상기 측정된 신호세기가 상기 설정값을 초과하면 이동타겟 감지로 판단하고 상기 환경잡음 제거된 FFT값을 이동타겟의 FFT값으로 판단하는 단계,
    상기 이동타겟의 FFT값을 정규화하는 단계,
    정규화한 이동타겟의 FFT값의 각 FFT 포인트별 신호세기값의 패턴을 상기 설정된 거리별 FFT값의 각 FFT 포인트별 신호세기값의 패턴과 비교하여 상관도를 측정하는 단계,
    측정된 상관도를 기반으로 상기 설정된 거리별 FFT값 중 정규화한 이동타겟의 FFT값의 패턴과 가장 유사한 하나의 FFT값을 파악하는 단계, 그리고
    상기 가장 유사한 하나의 FFT값에 대응하여 저장된 거리를 이동타겟의 거리로 판단하는 단계
    포함하는 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 패턴은 FFT 포인트별 신호세기값이거나, FFT 포인트별 신호세기값으로 표현되는 곡선의 형태인 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 방법.
  7. 제6항 또는 제6항에서,
    상기 상관도 측정 단계는 다음의 수학식을 이용하여 상관도를 측정하는 FMCW 레이더 시스템의 이동타겟 탐지 방법
    Figure pat00005

    상기 NormRS[i]는 정규화된 FFT값에서 신호세기의 real값, LUTRS는 패턴 저장부(160)에 저장된 거리별 FFT값에서 신호세기의 real값, NormIM[i]는 정규화된 FFT값에서 신호세기의 image값, LUTIM는 패턴 저장부(160)에 저장된 거리별 FFT값에서 신호세기의 image값, e[R]은 상관도에 해당하는 유클리드 거리(Euclidean Distance).
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