KR20180118007A - 레이더 시스템에서의 표적 검출 방법 및 장치 - Google Patents

레이더 시스템에서의 표적 검출 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

레이더 시스템은 표적 검출을 위해 송신된 신호가 표적으로부터 반사되어 수신되는 신호를 주파수 영역의 신호로 변환한 후, 상기 주파수 영역의 신호에 대해 각 주파수 성분의 신호세기의 제곱값을 계산하고, CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘에서 사용하는 크기 인자의 제곱값을 계산하며, 상기 신호세기의 제곱값과 크기 인자의 제곱값을 CFAR 알고리즘의 입력 값으로 사용하여 표적을 검출한다.

Description

레이더 시스템에서의 표적 검출 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING TARGET IN RADAR SYSTEM}
본 발명은 레이더 시스템에서의 표적 검출 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더 시스템에서 표적을 검출할 때 CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘을 수행하기 위해 신호 주파수 스펙트럼의 크기(amplitude)를 계산할 때 제곱근(square root) 연산을 하지 않음으로써 전체 처리 속도를 향상시킬 수 있는 레이더 시스템에서의 표적 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.
레이더 시스템은 표적(target)을 탐지하기 위해 생성된 신호를 송신하고 표적으로부터 반사된 신호를 수신하여 신호 처리를 수행함으로써 표적을 탐지하는 시스템이다.
레이더 시스템은 반사된 신호를 ADC(Analog Digital Converter)를 이용해 디지털 신호로 샘플링하고 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행한 후 CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘을 수행한다. 이때 CFAR 알고리즘을 수행하기 위해서 각 주파수 성분의 신호 세기(크기)를 계산하게 된다. FFT를 수행한 후의 각 주파수 성분은 실수(real) 값과 허수(imaginary) 값을 가지는 복소수 a+jb로 표현되는데, 이때 신호 세기는
Figure pat00001
으로 구할 수 있다. 이렇게 계산된 신호 세기를 이용하여 CFAR 알고리즘을 통해서 임계값(threshold)을 구한 후 신호 세기와 임계값을 비교하여 표적을 검출한다. 경우에 따라 신호세기 대신 전력(power) 혹은 전력 이득(power gain)을 계산하여 CFAR 알고리즘에 입력하기도 한다.
이와 같이, 레이더 시스템은 FFT의 결과로부터 주파수 성분의 신호세기를 계산하고 CFAR 알고리즘을 통해 임계값을 구한 후 임계값보다 큰 신호를 표적의 신호로 검출하지만, 신호세기를 구하기 위한 과정에서 제곱근(Root-square) 연산을 수행해야 하고, 제곱근 연산은 많은 계산량을 요구하므로, 전체 신호처리 속도를 저하시킨다.
본 발명이 해결하려는 과제는 CFAR 알고리즘을 사용하는 레이더 시스템에서 제곱근 계산 과정에 의해 발생하는 전체 신호처리 속도 저하 문제를 해소할 수 있는 레이더 시스템에서의 표적 검출 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 레이더 시스템에서 표적을 검출하는 방법이 제공된다. 표적 검출 방법은 표적 검출을 위해 송신된 신호가 표적으로부터 반사되어 수신되는 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 단계, 상기 주파수 영역의 각 주파수 성분 신호에 대해 신호세기의 제곱값을 계산하는 단계, CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘에서 사용하는 크기 인자의 제곱값을 계산하는 단계, 그리고 상기 신호세기의 제곱값과 크기 인자의 제곱값을 CFAR 알고리즘의 입력 값으로 사용하여 표적을 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 의하면, FFT 결과로부터 CFAR 알고리즘을 실행하기 위한 신호세기를 도출할 때, 제곱근 연산에 따라 발생하는 처리속도 저하 문제를, 제곱근 연산을 제거 혹은 최소화 함으로써 전체 신호 처리 속도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 레이더 시스템에서의 표적 검출 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 CFAR 알고리즘을 설명하는 도면이다.
도 3 내지 도 5는 각각 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 시스템에서의 표적 검출 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 시스템에서의 표적 검출 장치를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 시스템에서의 표적 검출 방법 및 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일반적인 레이더 시스템에서의 표적 검출 방법을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 CFAR 알고리즘을 설명하는 도면이다.
도 1을 참고하면, 레이더 시스템은 표적을 탐지하기 위해 생성된 신호를 송신하고, 표적으로부터 반사된 신호를 수신하여 처리함으로써, 표적을 검출한다.
레이더 시스템은 표적으로부터 반사된 신호를 수신하면, 반사된 신호에 대해 ADC(Analog Digital Converter)를 수행하여 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환한 후(S10), 주파수 추정을 위하여 변환된 디지털 신호에 대해 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT)을 수행하여 주파수 영역의 신호로 변환한다(S20).
다음, 레이더 시스템은 각 주파수 성분의 신호에 대해 제곱근(Root-square) 연산을 수행하여 각 주파수 성분의 신호 세기 A를 계산한 후(S30), CFAR 알고리즘을 수행하여 표적을 검출한다(S40). FFT를 수행한 후의 각 주파수 성분의 신호는 실수(real) 값과 허수(imaginary) 값을 가지는 복소수 a+jb로 표현되는데, 이때 신호 세기 A는
Figure pat00002
으로 계산될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2를 참고하면, CFAR 알고리즘 중 OS(Ordered Statistics)-CFAR 알고리즘을 사용하는 레이더 시스템은 각 주파수 성분의 신호 세기를 계산한 후, 계산된 신호 세기 값 A를 레지스터(Register)에 저장한다. 레지스터의 전체 셀 개수에 해당하는 디지털 신호의 샘플이 FFT의 입력으로 주어지고, FFT의 결과 값들로 각각 신호 세기 값 A를 계산한 후, 레지스터의 각 셀에 저장된다. 예를 들어, 레지스터의 전체 셀 개수를 N이라고 하면 FFT를 하고 난 후 N개의 a+jb 형태의 주파수 성분의 신호가 출력된다. 디지털 신호의 샘플링 주파수를 fs라고 하면 m 번째 셀을 표현하는 주파수 성분 f는 (fs/N)*(m-1)이 된다(m=1, 2, …, N). 레지스터의 m번째 셀에는 FFT 결과 중 m번째 a+jb의 값으로 계산된 신호 세기 A가 저장된다.
신호 세기 값이 저장된 레지스터의 각 셀들은 슬라이딩 윈도우(Sliding window)를 기준으로 참조 셀(Reference cell)과 테스트 셀(Cell under test), 그리고 가드 셀(Guard cell)로 구분된다. 테스트 셀은 표적인지 아닌지를 판단해야 할 셀을 나타내며, 참조 셀은 테스트 셀의 표적 여부를 판단할 주변 셀들을 나타낸다. 테스트 셀의 값은 참조 셀의 관련 연산을 통해 추출된 값과 비교하여 표적인지 아닌지가 결정된다. 가드 셀은 테스트 셀의 양쪽에 있는 적어도 하나의 셀을 나타내며, 표적으로부터 반사된 신호가 테스트 셀과 바로 인접한 셀에 영향을 줄 수 있기 때문에, 가드 셀은 테스트 셀의 표적 여부를 판단하기 위해 사용되지 않는다.
레지스터에 저장된 신호 세기 값은 슬라이딩 윈도우에 의해 오른쪽 참조 셀과 왼쪽 참조 셀로 나누어진다. 레이더 시스템은 오른쪽 참조 셀과 왼쪽 참조 셀의 신호 세기 값을 크기 순서대로 정렬한 후, 그 중 임의의 i번째 셀의 신호 세기 값을 구한다. 다음, i번째 셀의 신호 세기 값을 크기 인자(Scaling Factor) K와 곱하여 임계값(threshold)을 생성하고, 테스트 셀의 신호 세기 값과 임계값을 비교하여 테스트 셀의 신호가 표적의 신호인지 검출한다. 여기서, 크기 인자 K는 임계값 생성을 위해 임의로 설정되는 값이다. 이러한 동작은 윈도우 슬라이딩을 통해 모든 셀에서 이루어진다.
이와 같이, OS-CFAR 알고리즘을 효과적으로 구현하기 위해서는
Figure pat00003
로 표현되는 제곱근 연산, 정렬 연산 및 i번째 셀 선택 및 곱셈 연산 등이 수행된다. 모든 셀에 대해 표적 여부를 판단하기 위해 이러한 연산을 반복적으로 수행해야 하며, 특히 신호세기를 계산하기 위한 제곱근 연산은 많은 계산량을 요구하므로, 전체 신호 처리 속도를 저하시키는 요인이 된다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는 신호 세기를 계산하기 위한 제곱근 연산을 제거 혹은 최소화 함으로써 전체 신호 처리 속도를 향상시킬 수 있는 방법을 제안한다. 아래에서는 CFAR 알고리즘 중 OS-CFAR 알고리즘을 예로 들어서 설명하지만, 다른 CFAR 알고리즘이 사용될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 시스템에서의 표적 검출 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참고하면, 레이더 시스템은 표적으로부터 반사된 신호에 대해 ADC를 수행하여 아날로그신호에서 디지털 신호로 변환하고(S310), 디지털 신호에 대해 FFT를 수행한 후(S320), 각 주파수 성분의 신호 세기를 계산할 때 도 1과 같이 제곱근 연산을 하지 않은 값을 구한다. 즉, 주파수 영역의 신호가 실수(real) 값과 허수(imaginary) 값을 가지는 복소수 a+jb로 표현될 때, 레이더 시스템은 수학식 1과 같이 각 주파수 성분의 신호 세기의 제곱값 A2을 계산한다(S330). 계산된 신호 세기의 제곱값 A2이 레지스터에 저장된다.
Figure pat00004
다음, 레이더 시스템은 CFAR 알고리즘에서 사용하는 크기 인자 K의 제곱값 K2을 계산한다. 레이더 시스템은 각 주파수 성분의 신호 세기의 제곱값 A2과 크기 인자 K의 제곱값 K2을 이용하여 도 2에서 설명한 바와 같은 OS-CFAR 알고리즘을 수행하여 테스트 셀에 대해 표적 여부를 검출한다(S340, S350). 즉, 레이더 시스템은 오른쪽 참조 셀과 왼쪽 참조 셀의 신호 세기의 제곱값을 크기 순서대로 정렬한 후 그 중 임의의 i번째 셀의 신호 세기의 제곱값 A2을 선택한다. 다음, 레이더 시스템은 i번째 셀의 신호 세기의 제곱값 A2을 크기 인자 K의 제곱값 K2과 곱하여 임계값을 생성하고, 테스트 셀의 신호 세기의 제곱값 A2과 임계값을 비교하여 테스트 셀의 신호가 표적의 신호인지 검출한다.
여기서 신호 세기 A 대신 신호 세기의 제곱값 A2을 사용함에 따라 크기 인자 K의 제곱값 K2을 임계값 생성에 사용하였으나, 필요에 따라 임계값 생성을 위해 새로운 크기 인자 값을 설정하여 사용할 수 있다.
레이더 시스템은 테스트 셀의 신호가 표적의 신호로 검출되면, 해당 신호세기의 제곱값 A2에 대해 제곱근 연산을 수행하여 신호세기 A를 계산할 수 있다(S360). 또한 레이더 시스템은 수학식 2와 같이 전력 이득 G를 계산할 수 있다(S370).
Figure pat00005
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 시스템에서의 표적 검출 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참고하면, 레이더 시스템은 표적으로부터 반사된 신호에 대해 ADC를 수행하여 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하고(S410), 디지털 신호에 대해 FFT를 수행한 후(S420), 각 주파수 성분의 신호에 대해, 각 주파수 성분의 신호 세기의 제곱값 A2을 계산한다(S430). 다음, 레이더 시스템은 계산된 신호 세기의 제곱값 A2을 이용하여 수학식 2와 같이 신호세기의 제곱값 A2에 대한 전력 이득 값 G를 계산한다(S440). 도 4에 도시된 방법은 도 3과 달리 OS-CFAR 알고리즘의 입력으로 전력 이득을 이용한다. 계산된 전력 이득 값 G는 레지스터에 저장된다.
다음, 레이더 시스템은 각 주파수 성분의 신호세기의 제곱값 A2에 대한 전력 이득 값 G와 크기 인자 K1을 이용하여 도 2에서 설명한 바와 같은 OS-CFAR 알고리즘을 수행하여 테스트 셀에 대해 표적 여부를 검출한다(S450, S460). 즉, 레이더 시스템은 오른쪽 참조 셀과 왼쪽 참조 셀의 전력 이득 값 G를 크기 순서대로 정렬한 후 그 중 임의의 i번째 셀의 전력 이득 값 G를 선택한다. 다음, 레이더 시스템은 i번째 셀의 전력 이득 값 G를 크기 인자 K1과 곱하여 임계값을 생성하고, 테스트 셀의 전력 이득 값 G와 임계값을 비교하여 테스트 셀의 신호가 표적의 신호인지 검출한다. 여기서 크기 인자 K1은 도 3에 도시된 크기 인자 K의 제곱값인 K2이 될 수도 있고, 아니면 전력 이득을 입력으로 사용함에 따라 새로운 값으로 설정될 수도 있다.
레이더 시스템은 테스트 셀의 신호가 표적으로 결정되면, 해당 전력 이득 값 G로부터 수학식 3과 같이 신호 세기 A를 계산할 수 있다(S470).
Figure pat00006
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 시스템에서의 표적 검출 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참고하면, 레이더 시스템은 표적으로부터 반사된 신호에 대해 ADC를 수행하여 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하고(S510), 디지털 신호에 대해 FFT를 수행한 후(S520), 각 주파수 성분의 신호세기에 대해, 각 주파수 성분의 신호세기의 제곱값 A2을 계산한다(S530).
다음, 레이더 시스템은 레이더 시스템은 계산된 신호 세기의 제곱값 A2을 이용하여 수학식 2와 같이 신호 세기의 제곱값 A2에 대한 전력 이득 값 G를 계산한 후, 해당 전력 이득 값 G를 레지스터에 저장한다(S540).
다음, 레이더 시스템은 전력 이득 값 G와 크기 인자 K2를 이용하여 CA(Cell Average)-CFAR 알고리즘을 수행하여 테스트 셀에 대해 표적 여부를 검출한다(S550, S560). 즉, 레이더 시스템은 오른쪽 참조 셀과 왼쪽 참조 셀의 전력 이득 값 G의 평균 값을 크기 인자 K2와 곱하여 임계값을 생성하고, 테스트 셀의 전력 이득 값 G와 임계값을 비교하여 테스트 셀의 신호가 표적의 신호인지 검출한다. 여기서 크기 인자 K2는 도 3에서의 크기 인자 K의 제곱값인 K2이 될 수도 있고, 아니면 사용하는 CFAR 알고리즘에 따른 새로운 값으로 설정될 수 있다.
레이더 시스템은 테스트 셀의 신호가 표적으로 결정되면, 해당 전력이득 값 G를 이용하여 신호세기 A를 계산할 수 있다(S570).
이와 같이, 도 5에 도시된 방법은 도 4와 달리 전력 이득을 입력으로 하는 CA-CFAR 알고리즘을 사용한다.
도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 시스템은 신호세기를 계산하기 위한 제곱근 연산을 제거하거나 제곱근 연산을 도 1에 비해 최소화시킬 수 있으므로, 표적 검출을 위한 전체 신호 처리 속도를 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 시스템에서의 표적 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 6을 참고하면, 레이더 시스템에서의 표적 검출 장치(600)는 적어도 하나의 프로세서(610), 메모리(620), 저장 장치(630) 및 입출력(input/output, I/O) 인터페이스(640)를 포함한다.
적어도 하나의 프로세서(610)는 중앙 처리 유닛(central processing unit, CPU)이나 기타 칩셋, 마이크로프로세서 등으로 구현될 수 있다.
메모리(620)는 동적 랜덤 액세스 메모리(dynamic random access memory, DRAM), 램버스 DRAM(rambus DRAM, RDRAM), 동기식 DRAM(synchronous DRAM, SDRAM), 정적 RAM(static RAM, SRAM) 등의 RAM과 같은 매체로 구현될 수 있다.
저장 장치(630)는 하드 디스크 (hard disk), CD-ROM(compact disk read only memory), CD-RW(CD rewritable), DVD-ROM(digital video disk ROM), DVD-RAM, DVD-RW 디스크, 블루레이(blu-ray) 디스크 등의 광학 디스크, 플래시 메모리, 다양한 형태의 RAM과 같은 영구 또는 휘발성 저장 장치로 구현될 수 있다. 저장 장치(630)는 CFAR 알고리즘에 필요한 입력 값인 신호세기나 신호전력 혹은 신호 전력의 이득을 저장하는 레지스터를 포함할 수 있다.
I/O 인터페이스(640)는 프로세서(610) 및/또는 메모리(620)가 저장 장치(630)에 접근할 수 있도록 한다. 또한 I/O 인터페이스(640)는 사용자와 인터페이스를 제공할 수 있다.
프로세서(610)는 CFAR 알고리즘에 필요한 입력 값을 계산하고, CFAR 알고리즘을 수행하여 표적을 검출하는 기능을 수행할 수 있다. 프로세서(610)는 CFAR 알고리즘에 필요한 입력 값을 계산하고, CFAR 알고리즘을 수행하여 표적을 검출하는 기능을 구현하기 위한 프로그램 명령을 메모리(620)에 로드시켜, 도 3 내지 도 5를 참고로 하여 설명한 표적 검출 동작이 수행되도록 제어할 수 있다. 그리고 이러한 프로그램 명령은 저장 장치(630)에 저장되어 있을 수 있으며, 또는 네트워크로 연결되어 있는 다른 시스템에 저장되어 있을 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

  1. 레이더 시스템에서 표적을 검출하는 방법으로서,
    표적 검출을 위해 송신된 신호가 표적으로부터 반사되어 수신되는 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 단계,
    상기 주파수 영역의 신호에 대해 각 주파수 성분의 신호세기의 제곱값을 계산하는 단계,
    CFAR(Constant False Alarm Rate) 알고리즘에서 사용하는 크기 인자의 제곱값을 계산하는 단계, 그리고
    상기 신호세기의 제곱값과 크기 인자의 제곱값을 CFAR 알고리즘의 입력 값으로 사용하여 표적을 검출하는 단계
    를 포함하는 표적 검출 방법.
KR1020170051301A 2017-04-20 2017-04-20 레이더 시스템에서의 표적 검출 방법 및 장치 KR102059407B1 (ko)

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