KR20190118912A - Fmcw 레이다의 신호 처리 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이다 신호 처리 방법 및 장치가 제공된다. 장치가, 표적으로부터 반사되어 수신된 처프 신호에 대응하는 디지털 신호가 획득되는 상태에서, 하나의 처프 신호별로 레인지 FFT(Fast Fourier Transform) 수행하고 그 결과로부터 거리에 해당하는 비트 주파수를 검출하고, 나머지 처프 신호에 대해 레인지 FFT를 수행하고 그 결과로부터 거리에 해당하는 비트 주파수들을 검출한다. 모든 처프 신호를 토대로 획득한 비트 주파수들 중 하나의 비트 주파수에 대해서 도플러 FFT를 수행하고 그 결과로부터 속도에 해당하는 비트 주파수를 검출하고, 상기 도플러 FFT가 수행된 비트 주파수와 상기 검출된 속도에 해당하는 비트 주파수를 이용하여 거리와 속도를 추정한다.

Description

FMCW 레이다의 신호 처리 방법 및 장치{Method and apparatus for signal processing in FMCW radar}

본 발명은 신호 처리에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이다의 신호 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.

레이다 시스템은 표적을 탐지하기 위해 고안된 레이다 파형을 송신하고 표적(target)이 반사한 신호를 수신하여 신호처리를 함으로써 표적을 탐지하는 시스템이다.

FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이다는 주파수 스윕(sweep) 모양을 톱니파, 삼각파, 사다리꼴 형태로 변조시킨 처프(chirp) 신호를 송신하고, 표적에 의해 반사되어 수신된 신호를 디지털 신호로 처리하여 표적의 거리와 속도를 검출한다. 이를 위해, 일반적으로 2D-FFT(Fast Fourier Transform) 방법을 사용한다. 2D-FFT는 각 처프의 디지털 신호를 FFT를 한 후, 이를 다시 FFT를 하는 것으로서, 첫번째 FFT를 레인지(Range) FFT라고 명명하고, 두번째 FFT를 도플러(Doppler) FFT라고 명명한다.

레인지 FFT와 도플러 FFT 수행 후에는 특정 거리에서 특정 속도로 움직이는 표적이 있을 때 그 지점에 해당하는 거리/속도주파수에서 강한 신호가 발생하며, 정해진 수식을 통해 거리와 속도를 검출한다.

그러나 이 방법을 사용하기 위해서는 레인지 FFT 결과를 저장할 메모리 공간과, 도플러 FFT 결과를 저장할 메모리 공간이 많이 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이다에서 메모리 사용량을 감소시키면서 거리와 속도를 검출할 수 있는 신호 처리 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 따른 레이다 신호 처리 방법은, FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이다 신호 처리 방법으로서, 장치가, 표적으로부터 반사되어 수신된 처프 신호에 대응하는 디지털 신호가 획득되는 상태에서, 하나의 처프 신호별로 레인지 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하고 그 결과로부터 거리에 해당하는 비트 주파수를 검출하는 단계; 나머지 처프 신호에 대해 레인지 FFT를 수행하고 그 결과로부터 거리에 해당하는 비트 주파수들을 검출하는 단계; 상기 장치가, 모든 처프 신호를 토대로 획득한 비트 주파수들 중 하나의 비트 주파수에 대해서 도플러 FFT를 수행하고 그 결과로부터 속도에 해당하는 비트 주파수를 검출하는 단계; 및 상기 장치가, 상기 도플러 FFT가 수행된 비트 주파수와 상기 검출된 속도에 해당하는 비트 주파수를 이용하여 거리와 속도를 추정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이다 신호 처리에서 톱니파를 레이다 파형으로 사용하고 표적의 거리와 속도를 검출하기 위한 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하는 2D-FFT 에서, FFT 결과를 저장하는 메모리의 사용량을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

특히, 레인지 FFT 처리시에 하나의 처프 신호의 레인지 FFT 결과를 저장하기 위한 메모리 공간, 검출된 표적 개수만큼의 레인지 FFT 빈을 저장하기 위한 메모리 공간, 그리고 하나의 레인지 FFT 빈의 도플러 FFT 결과를 저장하는 메모리 공간만이 사용되므로, 기존의 레이다 신호 처리에 비하여 메모리 사용량이 매우 적다. 따라서, 외부 메모리 추가 없이 장치(예: MCU(microcontroller unit))의 한정된 메모리만으로도 원하는 결과를 얻을 수 있으므로, 레이다 센서의 제작 비용도 절감할 수 있다.

도 1은 FMCW 레이다의 신호를 나타낸 예시도이다.
도 2는 레인지 FFT를 나타낸 도이다.
도 3은 도플러 FFT를 나타낸 도이다.
도 4는 레이다 신호 처리에서의 메모리 구조를 나타낸 예이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 구조를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 레이다 신호 처리 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 레이다 신호 처리 장치의 구조도이다.

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 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이다의 신호 처리 방법 및 장치에 대하여 설명한다.

도 1은 FMCW 레이다의 신호를 나타낸 예시도이다.

FMCW 레이다는 예를 들어, 도 1과 같은 톱니파(saw-tooth waveform)의 처프(chirp) 신호(또는 간략하게 "처프"라고도 함)를 송신하며, 시간 Tm 동안 선형적으로 주파수 변조되는 처프 신호를 연속적으로 N개 송신한다. 이러한 톱니파를 송신한 후 표적에 의해 반사되어 수신된 신호를 다운컨버트(down-covert)하여 디지털 샘플링하고, 디지털 샘플링된 신호를 처리하여 표적의 거리와 속도를 검출한다.

이때, 2D-FFT(Fast Fourier Transform) 방법에 따라 각 처프의 디지털 신호를 FFT를 한 후, 이를 다시 FFT를 한다. 첫번째 FFT를 레인지(Range) FFT라 하고, 두번째 FFT를 도플러(Doppler) FFT라고 한다.

도 2는 레인지 FFT를 나타낸 도이다.

첨부한 도 2에 예시된 바와 같이, 각 처프의 디지털 신호(어둡게 표시된 부분) 개수가 2의 제곱수가 아니라면 FFT 입력 개수를 2의 제곱수로 만들기 위해, "0"을 채워 넣는 제로 패딩(zero-padding)(흰색으로 표시된 부분)하여 FFT를 수행한다.

한편, 처프의 시간 길이가 매우 짧기 때문에 표적이 이동하더라도 각 처프에서는 동일한 위치에서 표적이 있는 것으로 나타난다. 다만 표적이 이동하기 때문에 비트주파수의 위상이 변화하며, 이 위상 변화는 표적의 도플러 주파수에 의해 나타난다.

도 3은 도플러 FFT를 나타낸 도이다.

각 처프의 표적이 검출된 주파수 지점을 FFT 입력으로 사용하여 FFT를 하면, 도 3과 같은 도플러 주파수를 구할 수 있다.

이러한 레인지 FFT와 도플러 FFT 수행 후에 특정 거리에서 특정 속도로 움직이는 표적이 있을 때, 그 지점에 해당하는 거리/속도주파수(이하 비트주파수라고 명명함)에서 강한 신호가 발생하며, 해당 신호와 정해진 수식을 통해 거리와 속도를 검출한다. 이 경우, 레인지 FFT 결과를 저장할 메모리 공간과, 도플러 FFT를 저장할 메모리 공간이 많이 필요하다.

본 발명의 실시 예에서는 2D-FFT 과정에서 메모리 사용량을 줄이면서 거리와 속도를 검출할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.

일반적으로 레이다 신호 처리에서, FFT 결과를 저장하는 메모리는 도 4와 같은 구조로 이루어질 수 있다.

도 4는 레이다 신호 처리에서의 메모리 구조를 나타낸 예이다.

기존에는, 도 4의 (a)에서와 같이, 레인지 FFT의 결과를 저장할 메모리(M1)와 도플러 FFT의 결과를 저장할 메모리(M2)가 서로 분리되어 있다.

또는, 도 4의 (b)에서와 같이, 레인지 FFT의 결과를 저장한 메모리(M1)를 도플러 FFT의 결과를 저장할 메모리로 재사용한다.

이러한 구조로 이루어지는 메모리를 사용하면서 레이다 신호 처리를 수행하는 경우, 모든 처프 신호에 대하여 레인지 FFT를 수행하고, 모든 레인지 FFT 결과에 대하여 도플러 FFT를 수행하며, 그리고 모든 레인지 FFT 결과와 모든 도플러 FFT 결과를 토대로 비트 주파수를 검출하여 거리 및 속도를 추정한다. 이와 같이 거리 및 속도 정보를 동시에 추출하는 신호 처리에서는 메모리에 모든 처프 신호에 대한 FFT 결과들을 저장하기 위한 메모리 공간이 요구되어 메모리 사용량이 증가한다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 도 5와 같이 메모리를 구성한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 구조를 나타낸 예시도이다.

본 발명의 실시 예에서, 메모리(M)는, 한 개의 레인지 FFT의 결과를 저장하기 위한 제1 메모리부(m1), 비트 주파수가 검출된 레인지 FFT 빈(Bin)의 인덱스를 저장하는 제2 메모리부(m2), 검출된 비트 주파수 개수만큼의 레인지 FFT 빈을 저장하는 제3 메모리부(m3), 그리고 한 개의 레인지 FFT 빈의 도플러 FFT의 결과를 저장하는 제4 메모리부(m4)를 포함한다.

이러한 구조로 이루어지는 메모리(M)를 토대로 다음과 같은 레이다 신호 처리를 수행한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 레이다 신호 처리 방법의 흐름도이다.

먼저, 레이다 신호 처리 장치는 톱니파 형태의 처프 신호를 송신하며(설정 시간 동안 선형적으로 주파수 변조되는 처프 신호를 연속적으로 다수개 송신할 수 있음), 표적에 의해 반사되어 수신된 신호를 다운컨버트(down-covert)하여 디지털 샘플링하여 디지털 신호를 획득한다. 송신되는 신호와 수신되는 신호 사이에는 거리에 따른 주파수 차이가 발생한다.

이와 같이 처프 신호 송신에 따라 표적으로부터 반사되어 수신된 신호에 대응하는 디지털 신호가 획득되어 있는 상태에서, 레이저 신호 처리 장치는 도 6에서와 같이, 먼저 한 개 처프 신호에 대해 레인지 FFT를 수행하고(S100), 거리에 해당하는 비트 주파수를 검출한다(S110). 만일, 표적이 여러 개이면, 거리에 해당하는 비트 주파수도 여러 개가 검출된다. 레이다 신호 처리 장치는 검출된 비트 주파수의 FFT 빈(Bin) 값을 메모리에 저장한다(S120). 여기서, 단계(S100)에서 수행된 하나의 처프 신호에 대한 레인지 FFT의 결과는 메모리(M)의 제1 메모리부(m1)에 저장되며, 단계(S110)에서 비트 주파수가 검출된 레인지 FFT 빈의 인덱스가 제2 메모리부(m2)에 저장되고, 검출된 레인지 FFT 빈 값이 제3 메모리부(m3)에 저장된다.

다음, 나머지 처프 신호에 대해서도 위에 기술된 바와 같이 레인지 FFT를 수행하고, 레인지 FFT 결과로부터 앞 단계에서 검출한 비트 주파수의 레인지 FFT 빈과 같은 위치에 있는 레인지 FFT 빈을 가져와서 메모리(M)의 제3 메모리부(m3)에 저장한다(S130). 이러한 과정을 모든 처프 신호에 대해 수행한다(S140). 따라서 모든 처프 신호에 대하여 검출된 비트 주파수의 레인지 FFT 빈 값들이 메모리(M)의 제3 메모리부(m3)에 저장된다.

이러한 레인지 FFT 처리 과정이 완료되면, 레이다 신호 처리 장치는 메모리(M)에서, 검출된 비트 주파수 개수만큼의 레인지 FFT 빈을 저장하는 제3 메모리부(m3)에 저장된 데이터를 이용하여 도플러 FFT를 수행한다. 이때, 하나의 비트 주파수에 대해서만 도플러 FFT를 수행하기 때문에, 하나의 도플러 FFT 결과를 저장할 메모리 공간만이 요구된다.

구체적으로, 레이다 신호 처리 장치는 메모리(M)의 제3 메모리부(m3)에서, 검출된 비트 주파수들의 레인지 FFT 빈들 중에서 하나를 선택하고, 선택된 하나의 레인지 FFT 빈의 비트 주파수에 대하여 도플러 FFT를 수행한다(S150). 여기서 하나의 레인지 FFT 빈에 대하여 수행된 도플러 FFT 결과가 메모리(M1)의 제4 메모리부(m4)에 저장된다. 도플러 FFT를 수행한 결과로부터 속도에 해당하는 비트 주파수를 검출한다(S160).

다음에, 레이다 신호 처리 장치는 검출된 거리에 해당하는 비트 주파수와 속도에 해당하는 비트 주파수를 이용하여 거리와 속도를 추정한다(S170). 이러한 과정(S150~S170)을 검출된 모든 거리 비트 주파수에 대해 반복한다. 즉, 메모리(M)의 제3 메모리부(m3)에 저장된 검출된 비트 주파수들의 레인지 FFT 빈들에 대하여 위의 과정(S150~S170)을 반복 수행한다.

위에 기술된 바와 같은 신호 처리 방법에서, 레인지 FFT 처리시에 하나의 처프 신호의 레인지 FFT 결과를 저장하기 위한 메모리 공간, 검출된 표적 개수만큼의 레인지 FFT 빈을 저장하기 위한 메모리 공간, 그리고 하나의 레인지 FFT 빈의 도플러 FFT 결과를 저장하는 메모리 공간만이 사용되므로, 기존의 레이다 신호 처리에 비하여 메모리 사용량이 매우 적다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 레이다 신호 처리 장치의 구조도이다.

첨부한 도 7에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 레이다 신호 처리 장치(1)는, 프로세서(110), 메모리(120) 및 입출력부(130)를 포함한다. 프로세서(110)는 위의 도 5 및 도 6을 토대로 설명한 방법들을 구현하도록 구성될 수 있다.

메모리(120)는 프로세서(110)와 연결되고 프로세서(110)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장한다. 메모리(120)는 프로세서(110)에서 수행하기 위한 동작을 위한 명령어(instructions)를 저장하고 있거나 저장 장치(도시하지 않음)로부터 명령어를 로드하여 일시 저장할 수 있다.

프로세서(110)는 메모리(120)에 저장되어 있거나 로드된 명령어를 실행할 수 있다. 프로세서(110)와 메모리(120)는 버스(도시하지 않음)를 통해 서로 연결되어 있으며, 버스에는 입출력 인터페이스(도시하지 않음)도 연결되어 있을 수 있다. 여기서, 프로세서(110)는 MCU(micro controller unit)일 수 있으며, 도 5와 같은 구조의 내부 메모리를 포함하는 형태로 구성될 수 있다. 또는 메모리(120)가 예를 들어, 도 5와 같은 구조로 이루어지는 메모리일 수 있다.

입출력부(130)는 프로세서(110)의 처리 결과를 출력하거나, 사용자 인터페이스를 통해 입력되는 데이터를 입력받아 프로세서(110)로 제공하도록 구성된다. 입출력부(130)는 예를 들어, FMCW 레이다에서 처프 신호 송신에 따라 표적으로부터 반사되어 수신된 신호에 대응하는 디지털 신호를 입력받아 프로세서(110)로 제공할 수 있다. 또는 프로세서(110)에 처리에 따라 추정된 거리 및 속도를 출력할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 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.

Claims (1)

1. FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이다 신호 처리 방법으로서,
   장치가, 표적으로부터 반사되어 수신된 처프 신호에 대응하는 디지털 신호가 획득되는 상태에서, 하나의 처프 신호별로 레인지 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하고 그 결과로부터 거리에 해당하는 비트 주파수를 검출하는 단계;
   나머지 처프 신호에 대해 레인지 FFT를 수행하고 그 결과로부터 거리에 해당하는 비트 주파수들을 검출하는 단계;
   상기 장치가, 모든 처프 신호를 토대로 획득한 비트 주파수들 중 하나의 비트 주파수에 대해서 도플러 FFT를 수행하고 그 결과로부터 속도에 해당하는 비트 주파수를 검출하는 단계; 및
   상기 장치가, 상기 도플러 FFT가 수행된 비트 주파수와 상기 검출된 속도에 해당하는 비트 주파수를 이용하여 거리와 속도를 추정하는 단계
   를 포함하는, 레이다 신호 처리 방법.

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