KR20190036704A - Vco 비선형성에 의한 거리 측정 오차 최소화를 위한 선형회귀법 기반 보정 방법 및 이를 적용한 fmcw 레이더 - Google Patents

Abstract

VCO 비선형성에 의한 거리 측정 오차 최소화를 위한 선형회귀법 기반 보정 방법 및 이를 적용한 FMCW 레이더가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 레이더는, VCO를 구비하며 VCO를 이용한 주파수 변조를 통해 송신 레이더 신호를 생성하여 송신하고, 대상 물체에서 반사된 레이더 신호를 수신하는 송수신 모듈 및 송신 레이더 신호와 수신 레이더 신호의 주파수 차이를 산출하여 대상 물체까지의 거리를 계산하고, 선형 모델을 이용하여 계산된 거리를 보정하는 신호 처리부를 포함하고, 선형 모델은 대상 물체까지의 실제 거리들과 대상 물체까지의 측정 거리들을 이용한 연산을 통해 생성한다. 이에 의해, VCO가 가진 전 주파수 변조 대역을 사용하면서 추가적인 HW 없이 높은 거리 해상도를 갖는 정확한 거리 측정이 가능해진다.

Description

VCO 비선형성에 의한 거리 측정 오차 최소화를 위한 선형회귀법 기반 보정 방법 및 이를 적용한 FMCW 레이더{Linear Regression Based Distance Correction Method for Minimizing Distance Measurement Error by VCO Nonlinearity and FMCW Radar using the same}

본 발명은 FMCW(Frequency Modulated Continous Wave) 레이더 관련 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 VCO 비선형성에 의한 거리 측정 오차를 보정하기 위한 방법 및 이를 적용한 FMCW 레이더에 관한 것이다.

FMCW 방식의 레이더는 펄스 방식의 레이더와 다르게 송신 신호가 연속적으로 방사되고, 이와 동시에 주파수를 변조하여 대상물체에 맞아 재방사 되어 들어오는 신호와 송신 신호 간의 시간 지연으로 인한 주파수 차이를 통하여 거리 측정을 하는 레이더 기술이다.

따라서 주파수를 변조하는 선형성에 따라 FMCW의 거리 측정 성능이 좌우되는데, 일반적으로 FMCW 레이더는 도 1에 도시된 바와 같이 송신 신호의 주파수 변조를 위해 VCO(Voltage Controlled Oscillator : 전압 제어 발진기)를 사용한다.

VCO는 입력 전압에 따라 주파수를 변조시킬 수 있지만, 도 2에 나타난 바와 같이 출력되는 주파수가 입력 전압 대비 선형적이지 못하기 때문에 FMCW의 거리 측정 오차가 크게 발생할 수 있는 원인이 된다.

이러한 VCO의 비선형적 주파수 변조 특성을 보완하기 위하여. 첫 번째로 VCO의 주파수 변조 특성 값을 테이블화하여 VCO의 선형적 구간에 한정된 입력 전압 값만을 사용할 수 있는데, 이러한 방식은 주파수 변조 범위를 제한하는 문제점이 있었다.

두 번째로 PLL 같은 전형적인 feedback loop 구조를 사용하여 요구하는 주파수와 VCO로부터 출력되는 주파수를 비교하여 그 차이만큼을 보상하는 형태로 VCO의 비선형을 보완할 수 있지만, PLL 내부 분주기의 변환 속도의 한계로 인하여 수 또는 수십 ns 간격으로 주파수를 변조할 수 없기 때문에 비선형성을 보정하기 위한 방법으로 충분하지 않다.

세 번째로 DDS(Direct Digital Synthesizer)를 이용하여 디지털적으로 낮은 주파수의 신호를 생성한 다음 체배하는 방식을 사용하여 선형성에서는 우수한 성능을 확보할 수 있으나, 디지털 형태로 주파수를 생성하기 때문에 주파수 변조의 불연속성이 발생하여 높은 거리 해상도를 요구하는 경우에는 부적합하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, VCO가 가진 전 주파수 변조 대역을 사용하면서 추가적인 HW 없이 높은 거리 해상도를 갖는, VCO 비선형성에 의한 거리 측정 오차 최소화를 위한 거리 보정 방법 및 이를 적용한 FMCW 레이더를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이더는, VCO를 구비하며, VCO를 이용한 주파수 변조를 통해 송신 레이더 신호를 생성하여 송신하고, 대상 물체에서 반사된 레이더 신호를 수신하는 송수신 모듈; 및 송신 레이더 신호와 수신 레이더 신호의 주파수 차이를 산출하여 대상 물체까지의 거리를 계산하고, 선형 모델을 이용하여 계산된 거리를 보정하는 신호 처리부;를 포함하고, 선형 모델은, 대상 물체까지의 실제 거리들과 대상 물체까지의 측정 거리들을 이용한 연산을 통해 생성한다.

그리고, 선형 모델은, 보정된 거리들과 실제 거리들 간의 편차를 최소로 하는 함수일 수 있다.

또한, 선형 모델은, 보정된 거리들과 실제 거리들 간의 차들에 대한 제곱 평균(square mean)을 최소로 하는 함수일 수 있다.

그리고, 함수는, 계산된 거리를 입력으로 하고, 보정된 거리를 출력으로 하는 1차 함수일 수 있다.

또한, 선형 모델은, 제곱 평균이 임계값 미만이 될 때까지 반복하여 재생성될 수 있다.

그리고, 선형 모델은, VCO의 비선형성으로 발생하는 거리 측정 오차를 보정하기 위한 모델일 수 있다.

또한, 송신 레이더 신호는, FMCW 레이더 신호일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 레이더 기반 거리 측정 방법은, VCO를 이용한 주파수 변조를 통해 송신 레이더 신호를 생성하여 송신하는 단계; 대상 물체에서 반사된 레이더 신호를 수신하는 단계; 송신 레이더 신호와 수신 레이더 신호의 주파수 차이를 산출하여 대상 물체까지의 거리를 계산하는 단계; 선형 모델을 이용하여 계산된 거리를 보정하는 단계;를 포함하고, 선형 모델은, 대상 물체까지의 실제 거리들과 대상 물체까지의 측정 거리들을 이용한 연산을 통해 생성한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, FMCW 레이더의 VCO가 갖는 전 주파수 변조 대역에 대해 비선형성에 의한 거리 측정 오차를 최소화할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, PLL과 같은 추가적인 HW 설계에 대한 부담을 덜고 continuous wave를 생성함으로써 수 또는 수십 ns 간격으로 주파수를 발생시켜 사용할 수 있게 된다.

아울러, 본 발명의 실시예들에 따르면, DDS를 이용하여 디지털 형태로 주파수를 생성함으로 인한 불연속적 주파수 변조 없이 연속적인 continuous wave를 발생시켜 사용할 수 있게 함으로써 높은 거리 해상도 구현이 가능하다.

도 1은 FMCW 레이더의 기본 구조,
도 2는 VCO의 비선형성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW 레이더의 구조를 도시한 블럭도,
도 4는 VCO의 입력 전압에 따른 출력 주파수 특성,
도 5는 선형회귀모델을 생성하기 위해 사용된 대상 물체까지의 실제 거리들과 측정 거리들을 나타낸 표,
도 6은 선형회귀모델이 도출되는 과정을 도식적으로 나타낸 도면,
도 7 내지 도 9는 구글의 tensorflow를 이용하여 선형회귀모델을 도출한 결과를 나타낸 도면들이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예에서는, 작은 송신 출력으로도 펄스식 레이더와 같은 성능을 얻을 수 있고 비교적 구조가 간단하여, 소출력, 저비용으로 구현이 가능한 FMCW(Frequency Modulated Continous Wave) 레이더의 VCO(Voltage Controlled Oscillator) 비선형성에 의한 거리 측정 오차 최소화를 위한 선형회귀법(Linear Regression) 기반 보정 방법을 제시한다.

본 발명의 실시예에서는 24GHz 대역의 FMCW 레이더를 상정하였으나, 이는 예시적인 것으로써 다른 대역의 FMCW 레이더에 대해서도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 24GHz ISM 대역 FMCW 레이더의 구조를 도시한 블럭도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이더는, DSP(110), 주파수 카운터(120), 제어 신호 처리부(130), 송수신 신호 처리부(140), RF 모듈(150), 송신 안테나(160) 및 수신 안테나(170)를 포함한다.

RF 모듈(150)은 VCO를 임베드 하고 있으며, 임베드된 VCO를 이용한 주파수 변조를 통해 송신 레이더 신호로 24GHz ISM 대역의 FMCW를 생성하여 송신 안테나(160)를 통해 송신한다.

송신 안테나(160)를 통해 송신된 레이더 신호는 대상 물체에서 반사되어, 수신 안테나(170)를 통해 RF 모듈(150)에 수신된다. 수신된 레이더 신호는 송신된 레이더 신호와 함께 송수신 신호 처리부(140)를 통해 A/D 변환되어 DSP(110)로 전달된다.

DSP(110)는 VCO의 주파수 변조를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하며, 생성된 제어 신호는 제어 신호 처리부(130)를 통해 D/A 변환되어 RF 모듈(150)의 VCO로 인가된다.

그리고, DSP(110)는 송수신 신호 처리부(140)를 통해 전달받은 송신 레이더 신호와 수신 레이더 신호의 주파수 차이를 산출하고, 산출된 주파수 차이를 기초로 대상 물체까지의 거리를 계산한다.

24GHz ISM 대역으로 주파수 변조를 수행하기 위해서는, RF 모듈(150)에 임베드 되어 있는 VCO의 특성을 살펴볼 필요가 있다. VCO의 전압 제어 특성을 도 4에 제시하였다.

도 4에 제시된 VCO의 특성 곡선에 의해서도 알 수 있는 바와 같이, VCO는 비선형적인 특성을 가지고 있다. 이에 따라, DSP(110)는 선형회귀모델을 이용하여 주파수 차이를 기초로 계산한 대상 물체까지의 거리를 보정한다.

선형회귀모델은, 대상 물체까지의 실제 거리들과 대상 물체까지의 측정 거리들을 이용한 연산을 통해 생성하는 모델로, 구체적으로 이하에서 제시하는 방법에 의해 생성된다.

도 5는 선형회귀모델을 생성하기 위해 사용된 대상 물체까지의 실제 거리들과 측정 거리들을 나타낸 표이다. 도 5에 제시된 실제 거리들과 측정 거리들을 기초로 측정 거리들을 실제 거리들에 근사하도록 보정하는 선형회귀모델은 다음의 수학식 1에서 제시한 1차 함수이다.

[수학식 1]

선형성이 요구되는 관계로 1차 함수를 상정하였으며, 선형회귀모델은 측정 거리(주파수 차이를 기초로 계산된 거리)를 입력으로 하고, 보정된 거리를 출력으로 하는 함수에 해당한다.

다음, 아래의 수학식 2에 제시된 비용 함수를 최소로 하는 선형회귀모델을 도출한다.

[수학식 2]

여기서, x는 대상 물체까지의 측정 거리(주파수 차이를 기초로 계산된 거리)이고, y는 대상 물체까지의 실제 거리이다. 수학식 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 비용 함수는 보정된 거리들과 실제 거리들 간의 차들에 대한 제곱 평균(square mean)이다.

비용 함수를 최소로 하는 선형회귀모델을 도출을 위해, 선형회귀모델을 업데이트, 구체적으로는 선형회귀모델의 "W"와 "b"를 업데이트하면서, 비용 함수를 반복적으로 산출하는 것이 필요하며, 도 6에는 선형회귀모델이 도출되는 과정을 도식적으로 나타내었다.

선형회귀모델 업데이트와 비용 함수 산출의 반복 횟수에 대한 제한은 없지만, 비용 함수 값이 정해진 임계값 미만이 될 때까지 반복하는 것으로 구현하는 것이 바람직하다.

한편, 이 절차는 다양한 툴을 사용하여 수행 가능하며, 도 7에는 구글의 tensorflow를 이용하여 선형회귀모델을 도출한 결과를 나타내었다.

도 7에는 좌측에서 우측으로 순서대로 계산 횟수, 비용 함수 값, W 값 및 b 값을 나타낸다. 처음 추정치에서는 비용 함수의 값이 6.8 정도의 높은 값을 나타내었으나 20번째에서는 0.16 정도의 값을 나타내었고 근사화 횟수를 반복 증가시키면서 마지막 5000번째에서는 0.0006 정도의 매우 작은 값을 얻을 수 있다.

아래에 있는 부분의 마지막 값은 도출된 선형회귀모델에 각각 1m와 2m에서의 측정값을 입력하였을 때 얻어진 보정 값으로 실제 거리와의 오차가 매우 적음을 알 수 있다.

나아가, 도 8과 도 9에 나타난 측정 거리들과 보정된 거리들을 실제 거리들에 비교해 봄으로써, 오차가 줄어들었음을 확인할 수 있다.

지금까지, VCO 비선형성에 의한 거리 측정 오차 최소화를 위한 선형회귀법 기반 보정 방법 및 이를 적용한 FMCW 레이더에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.

본 발명의 실시예에 따른 선형회귀법 기반 보정 방법 및 시스템은, 종래의 방법들의 가진 여러 가지 단점들을 극복하면서 손쉽게 거리 측정 오차를 보정하기 위한 방안으로, '보정된 거리와 실제 거리 간의 제곱 평균이 최소'가 되게 하는, 측정 거리를 입력으로 하여 보정된 거리를 출력하는 선형회기모델을 도출하여, 보정된 거리를 산출한다.

위 실시예에서 제시한 비용 함수, 보정된 거리들와 실제 거리들 간의 제곱 평균 함수는 구현의 일 예로 언급한 것으로 보정된 거리들과 실제 거리들 간의 편차가 최소인 하는 다른 함수로 대체될 수 있다.

뿐만 아니라, 선형회귀모델 역시 구현의 일 예로 언급한 것으로 다른 종류의 선형 모델로 대체될 수 있음은 물론이다.

나아가, FMCW 레이더 이외의 다른 레이더에 사용되는 VCO의 비선형성을 보정하기 위한 방법에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.

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.

110 : DSP
120 : 주파수 카운터
130 : 제어 신호 처리부
140 : 송수신 신호 처리부
150 : RF 모듈
160 : 송신 안테나
170 : 수신 안테나

Claims (8)

1. VCO(Voltage Controlled Oscillator)를 구비하며, VCO를 이용한 주파수 변조를 통해 송신 레이더 신호를 생성하여 송신하고, 대상 물체에서 반사된 레이더 신호를 수신하는 송수신 모듈; 및
   송신 레이더 신호와 수신 레이더 신호의 주파수 차이를 산출하여 대상 물체까지의 거리를 계산하고, 선형 모델을 이용하여 계산된 거리를 보정하는 신호 처리부;를 포함하고,
   선형 모델은,
   대상 물체까지의 실제 거리들과 대상 물체까지의 측정 거리들을 이용한 연산을 통해 생성한 것을 특징으로 하는 레이더.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   선형 모델은,
   보정된 거리들과 실제 거리들 간의 편차를 최소로 하는 함수인 것을 특징으로 하는 레이더.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   선형 모델은,
   보정된 거리들과 실제 거리들 간의 차들에 대한 제곱 평균(square mean)을 최소로 하는 함수인 것을 특징으로 하는 레이더.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   함수는,
   계산된 거리를 입력으로 하고, 보정된 거리를 출력으로 하는 1차 함수인 것을 특징으로 하는 레이더.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   선형 모델은,
   제곱 평균이 임계값 미만이 될 때까지 반복하여 재생성되는 것을 특징으로 하는 레이더.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   선형 모델은,
   VCO의 비선형성으로 발생하는 거리 측정 오차를 보정하기 위한 모델인 것을 특징으로 하는 레이더.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   송신 레이더 신호는,
   FMCW(Frequency Modulated Continous Wave) 레이더 신호인 것을 특징으로 하는 레이더.
   
8. VCO(Voltage Controlled Oscillator)를 이용한 주파수 변조를 통해 송신 레이더 신호를 생성하여 송신하는 단계;
   대상 물체에서 반사된 레이더 신호를 수신하는 단계;
   송신 레이더 신호와 수신 레이더 신호의 주파수 차이를 산출하여 대상 물체까지의 거리를 계산하는 단계;
   선형 모델을 이용하여 계산된 거리를 보정하는 단계;를 포함하고,
   선형 모델은,
   대상 물체까지의 실제 거리들과 대상 물체까지의 측정 거리들을 이용한 연산을 통해 생성한 것을 특징으로 하는 레이더 활용 거리 측정 방법.
   

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