KR20190122425A - 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법과 이를 위한 차량용 레이더 시스템 - Google Patents

차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법과 이를 위한 차량용 레이더 시스템 Download PDF

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서울대학교산학협력단
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Abstract

차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법과 이를 위한 차량용 레이더 시스템이 제공된다. 주기적으로 배치된 철제 도로구조물은 레이더 클러터를 발생시켜 차량용 레이더 시스템의 타겟 감지 성능을 열화시킨다. 철제 구조물은 주기적으로 존재하기 때문에 주기적인 간섭 신호가 발생하는 점에 착안하여, 인접한 레이더 스캔들 간의 관계를 이용하여 주기적인 레이더 클러터를 억제할 수 있다. 이를 위해, 레이더 시스템에서, 제1 레이더 스캔과 제2 수신신호 간의 상호상관값을 계산하고 그 중에서 가장 큰 값에 대응되는 거리지연을 구한다. 제1 수신신호를 거리지연만큼 이동시킨 후 제2 수신신호와 비교하여, 비슷한 크기를 가지는 주파수 성분을 철제 도로구조물에 의해 반사된 레이더 클러터로서 추출하여 억제한다. 레이더 클러터가 제거되고 남은 주파수 성분에서 크기가 큰 주파수 성분은 타겟 차량이 반사한 신호 성분으로 볼 수 있다. 이처럼 인접한 레이더 스캔 간의 관계를 이용하여 주기적인 클러터를 효과적으로 억제할 수 있다.

Description

차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법과 이를 위한 차량용 레이더 시스템 {Method of suppressing periodic clutters included in received signal of automotive radar system due to road iron-structures and automotive radar system for the same}
본 발명은 레이더 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 철제 도로구조물에 의해 야기되는 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법과 이를 위한 차량용 레이더 시스템에 관한 것이다.
최근에 자동차 안전에 대한 대중들의 관심이 증대됨에 따라, 자동차용으로 고안된 센서들의 역할이 더욱 중요해지고 있다. 자동차용 센서로는 예컨대, 소나(Sonar), 비전(Vision), 라이더(Lidar), 레이더(Radar) 센서 시스템 등이 있다. 이 센서들 중에서 레이더 센서는 자율주행 자동차에는 거의 필수적인 것으로 인식되고 있다. 그 이유는 레이더 센서가 빛이 없는 조건이나 악천후와 같이 열악한 환경 조건에서도 주변 탐지능력이 견고(robust)하기 때문이다. 특히, 운전자의 안전을 위해서는 레이더의 신뢰성 있는 탐지 성능이 보장될 필요가 있다. 레이더가 목표물을 정확하게 탐지하지 못하면 운전자를 심각한 위협에 빠지게 할 수도 있다.
도로의 가장자리에는 가드레일 또는 방음벽이 설치될 수 있다. 또한, 도로의 일정 구간에 철제 구조물들이 주기적으로 위치하여 터널을 형성하도록 설치될 수 있다. 철제 구조물로 만든 이러한 도로구조물(이하, '철제 도로구조물'이라 함)을 레이더 시스템을 장착한 차량이 통과할 수 있다. 일반적으로 그러한 철제 도로구조물은 주기적으로 배치된 다수의 '철제 프레임'들을 포함할 수 있다.
다수의 주기적 철제 프레임들은 차량용 레이더 신호를 반사시켜 레이더 클러터(radar clutter)라는 원치 않는 노이즈(에코신호)를 주기적으로 생성한다. 그러한 주기적 반사 신호가 레이더 시스템으로 유입될 때, 레이더 시스템은 레이더 시야(FOV)에 위치한 원하는 타겟 자동차를 정확하게 탐지하기가 어렵게 된다. 이렇듯 주기적 레이더 클러터는 자동차의 레이더 시스템의 타겟 감지 성능을 저하시킬 수 있고, 결과적으로 목표물의 오검출로 이어질 수 있다.
본 발명은 주기적 철제 프레임들을 포함하는 철제 도로구조물에 의해 야기되는 주기적인 레이더 클러터를 효율적으로 억제함으로써 철제 도로구조물 내에서도 타겟을 정확하게 탐지할 수 있는 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 이러한 방법을 수행하기 위한 차량용 레이더 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 다수의 철제 프레임을 포함하는 철제 도로구조물에 의한 주기적인 레이더 클러터를 억제하는 효율적인 방법이 개시된다. 철제 프레임(steel frames)들은 주기적으로 설치되어 있다. 그 철제 프레임들에 대응하는 비트 주파수들 또한 규칙적인 간격으로 나타난다. 또한, 레이더 시스템 장착 차량이 주기적인 철제 프레임들을 통과할 때 레이더 스캔(radar scans) 상에 이 현상이 유지된다. 따라서 현재와 이전에 수신된 레이더 신호 사이의 관계를 이용하여 주기적 철제 프레임들에 대응하는 비트 주파수를 결정할 수 있다.
이를 위해 먼저, 인접하는 두 레이더 스캔들 즉, 현재 수신 레이더 스캔과 직전 수신 레이더 스캔 간의 상호상관(cross-correlation)을 계산한다. 계산된 상호상관에 기초하여 인접한 두 레이더 스캔들 사이의 거리지연(delay) 값을 구한다. 그런 다음, 직전 수신 레이더 스캔을 산출된 거리지연 값만큼 이동시킨다. 왜냐하면 그 두 인접 레이더 스캔 간의 거리 차이를 산출된 지연 값을 사용하여 보상할 수 있기 때문이다. 마지막으로, 거리 보상된 레이더 스캔과 현재 수신 레이더 스캔 간의 공통 주파수 성분의 크기를 억제한다.
본 발명의 실시예들에 따른 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법은, 도로 구간을 이동하는 차량의 레이더 시스템에서, 레이더 신호를 전방으로 송출하여 전방의 물체들에 의해 반사된 레이더 수신신호를 수신하는 단계와, 상기 레이더 시스템에서, 순차적으로 수신되는 시간영역의 제1 수신신호와 제2 수신신호를 주파수영역의 제1 레이더 스캔과 제2 레이더 스캔으로 각각 변환하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한, 상기 레이더 시스템에서, 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 거리지연을 구하는 단계와, 상기 레이더 시스템에서, 상기 제1 레이더 스캔을 산출된 거리지연 만큼 이동시켜 인접한 상기 제1 및 제2 레이더 스캔 간의 거리 차이를 보상하는 단계와, 상기 레이더 시스템에서, 거리 보상된 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간에 공통되는 주파수 성분의 크기를 복수의 철제 도로구조물에 의해 야기된 레이더 클러터로서 추출하여 억제시키는 단계를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 변환하는 단계에서 상기 제1 수신신호와 상기 제2 수신신호를 주파수 영역의 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔으로 변환하는 것은 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 이루어질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 거리지연을 구하는 단계는, 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 상호상관(cross-correlation) 값을 계산하는 단계와, 그 계산된 상호상관 값들 중 최대값에 기초하여 상기 거리지연을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 거리지연을 산출하는 단계는, 상기 값들 중 최대값에 대응하는 FFT 인덱스를 결정하는 단계와, 그 결정된 FFT 인덱스에서 NF/2 (여기서, FFT 포인트 수(시간-샘플의 개수)임)를 뺀 값을 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 상기 거리지연으로 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 거리지연을 구하는 단계는, 상기 반사된 레이더 수신신호의 측정주기와 상기 차량의 주행속도를 이용하여 이동거리를 산출하는 단계와, 그 산출된 이동거리를 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 상기 거리지연으로 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 억제시키는 단계는, 상기 레이더 시스템에서, 상기 제2 레이더 스캔과 상기 거리지연 만큼 이동된 제1 레이더 스캔 간의 크기를 비교하여 크기 차이가 소정 범위 이내인 주파수 성분을 상기 복수의 철제 프레임에 의해 야기된 레이더 클러터로서 추출하는 단계와, 상기 레이더 시스템에서, 추출된 주파수 성분의 상기 레이더 클러터를 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔에서 억제시키고 남은 나머지 주파수 성분의 크기에 기초하여 전방의 타겟 차량을 식별하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 억제시키는 단계에서, 상기 레이더 클러터에 해당하는 주파수 성분을 상기 제1 및 제2 레이더 스캔에서 억제하기 위해, 상기 레이더 클러터의 주파수 성분 대신에 0을 대입하거나 또는 주변의 주파수 성분의 평균값을 대입할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 레이더 클러터로서 추출하는 단계는, 상기 제2 레이더 스캔과 거리 보상된 상기 제1 레이더 스캔의 모든 주파수 성분 간의 크기 차이를 산출하는 단계와, 그 산출된 크기 차이가 소정 범위 이내이면 억제시켜야 할 상기 레이더 클러터로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복수의 철제 도로구조물은 복수의 철제 프레임이 주기적으로 배치된 철제 터널, 철제 방음벽, 또는 철제 가드레일일 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 차량용 레이더 시스템은 패스밴드부와 디지털 신호 처리부를 포함할 수 있다. 상기 패스밴드부는 레이더 신호를 전방으로 송출하였을 때 전방의 물체들에 의해 반사되는 레이더 수신신호의 중간주파수 신호를 추출하여 디지털 신호로 변환한다. 상기 디지털 신호처리부는, 상기 패스밴드부로부터 순차적으로 제공되는 시간영역의 디지털 신호 형태의 제1 수신신호와 제2 수신신호를 주파수영역의 제1 레이더 스캔과 제2 레이더 스캔으로 각각 변환하는 기능과, 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 거리지연을 구하는 기능과, 상기 제1 레이더 스캔을 산출된 거리지연 만큼 이동시켜 인접한 상기 제1 및 제2 레이더 스캔 간의 거리 차이를 보상하는 기능과, 그리고 거리 보상된 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간에 공통되는 주파수 성분의 크기를 복수의 철제 도로구조물에 의해 야기된 레이더 클러터로서 추출하여 억제시키는 기능을 포함한다. 상기 디지털 신호처리부는 상기 기능들을 수행함으로써, 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 디지털 신호처리부는, 상기 제1 수신신호와 상기 제2 수신신호에 대하여 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행함으로써 주파수 영역의 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔으로 변환할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 거리지연을 구하는 기능은, 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 상호상관(cross-correlation) 값을 계산하는 기능과, 그 계산된 상호상관 값들 중 최대값에 대응하는 FFT 인덱스를 결정하는 기능과, 그 결정된 FFT 인덱스에서 NF/2 (여기서, FFT 포인트 수(시간-샘플의 개수)임)를 뺀 값을 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 상기 거리지연으로 산출하는 기능을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 거리지연을 구하는 기능은, 상기 반사된 레이더 수신신호의 측정주기와 상기 레이더 시스템이 장착된 차량의 주행속도를 이용하여 이동거리를 산출하는 기능과, 그 산출된 이동거리를 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 상기 거리지연으로 산출하는 기능을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 억제시키는 기능은, 상기 제2 레이더 스캔과 상기 거리지연 만큼 이동된 제1 레이더 스캔 간의 크기를 비교하여 크기 차이가 소정 범위 이내인 주파수 성분을 상기 복수의 철제 프레임에 의해 야기된 레이더 클러터로서 추출하는 기능과, 추출된 주파수 성분의 상기 레이더 클러터를 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔에서 억제시키고 남은 나머지 주파수 성분의 크기에 기초하여 전방의 타겟 차량을 식별하는 기능을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 디지털 신호처리부는, 상기 레이더 클러터에 해당하는 주파수 성분을 상기 제1 및 제2 레이더 스캔에서 억제하기 위해, 상기 레이더 클러터의 주파수 성분 대신에 0을 대입하거나 또는 주변의 주파수 성분의 평균값을 대입할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 레이더 클러터로서 추출하는 기능은, 상기 제2 레이더 스캔과 거리 보상된 상기 제1 레이더 스캔의 모든 주파수 성분 간의 크기 차이를 산출하는 기능과, 산출된 크기 차이가 소정 범위 이내이면 억제시켜야 할 상기 레이더 클러터로 판단하는 기능을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 도로에 설치된 주기적인 철제 도로구조물(프레임)이 야기하는 레이더 클러터를 정확하게 추출하여 억제할 수 있다. 차량용 레이더 시스템의 레이더 수신신호에서 레이더 클러터를 억제함으로써 타겟 차량을 정확하게 구분해낼 수 있다. 고속으로 주행하는 차량의 레이더 시스템에 적용하여 타겟 차량을 신속하게 감지해낼 수 있다. 따라서 차량용 레이더 시스템의 타겟 감지 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 레이더 시스템 장착 차량이 철제 터널 구조물이나, 방음벽 및 가드 레일 등과 같은 다른 유형의 주기적인 철제 도로구조물들을 통과할 때 이들 철제 도로구조물에 의한 타겟 차량의 오검출을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이더 시스템의 구성을 예시하는 블록도이다.
도 2는 레이더 시스템 장착 차량이 도로의 일반 구간에서부터 전이 구간을 거쳐 주기적인 철제 도로구조물이 설치된 터널 구간까지 주행하는 상황을 나타낸다.
도 3은 차량용 레이더 시스템에서 송출된 레이더 신호의 반사신호를 수신하여 그 속에 포함된 레이더 클러터를 억제하여 타겟 차량을 정확하게 식별해내는 신호처리의 전반적인 과정을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법의 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 철제 터널이 없는 일반 구간, 철제 터널로의 전이 구간, 그리고 철제 터널 내부의 터널 구간에서의 반사된 레이더 수신신호의 주파수 스펙트럼을 예시한다.
도 6은 두 수신신호 간의 상호상관의 최대값을 구해 거리지연을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6에서 구한 거리지연만큼 제1 수신신호를 이동시켜 레이더 클러터에 해당하는 주파수 성분을 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 4의 흐름도의 단계 S800의 구체적인 실행절차를 나타낸다.
도 9의 (1)과 (2)는 600번째 레이더 스캔에 관하여 원래의 주파수 스펙트럼의 크기 응답과 레이더 클러터가 제거된 주파수 스펙트럼의 크기 응답을 각각 예시적으로 나타낸다.
도 10은 철제 방음벽에 대하여 차량에 장착된 레이더 시스템이 수신한 반사신호의 원래의 크기 응답과 레이더 클러터 억제된 크기 응답을 나타낸다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 관해 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 레이더 시스템(10)의 예시적인 구성을 나타낸다. 이 레이더 시스템(10)은 수신 안테나(60) 및 송신 안테나(70), 이 송수신 안테나(60, 70)에 연결된 무선통신모듈(RF module)(20), 패스밴드부(30), 디지털 신호 처리부(Digital Signal Processor: DSP, 40)를 포함할 수 있다. 레이더 시스템(10)은 디지털신호처리부(40)에 연결되는 사용자 인터페이스(User Interface, 50)를 더 포함할 수 있다.
수신 안테나(60)와 송신 안테나(70)는 각각 복수의 안테나를 포함할 수 있다. 특히, 수신 안테나(60)는 복수의 안테나들이 등간격으로 일렬로 배치된 균일 선형 배열 (Uniform Linear Array: ULA) 안테나일 수 있다. 송신 안테나(70)를 통해 송출된 무선주파수 레이더신호가 전방의 타겟에서 반사되어 되돌아오는 레이더 신호를 ULA 수신 안테나(60)가 수신할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 무선통신모듈(20)은 저잡음 증폭기(Low-Noise Amplifier: LNA)(22), 파형발생기(Waveform Generator, 24), 발진기(26), 그리고 펄스 증폭기(Pulse Amplifier: PA, 28)를 포함할 수 있다.
저잡음 증폭기(LNA)(22)는 수신 안테나(60)에 연결되어 그 수신 안테나(60)가 잡은 미약한 신호를 증폭시킬 수 있다. 파형발생기(24)는 디지털 신호 처리부(40)가 제공하는 디지털 출력신호에 기초하여 소정의 아날로그 파형을 갖는 신호를 생성할 수 있다. 발진기(26)는 파형발생기(24)가 생성한 신호를 무선 송출하기 위해 무선주파수(RF) 신호로 변환할 수 있다. 발진기(26)는 예컨대 전압제어발진기(Voltage Control Oscillator: VCO)로 구성될 수 있다. 전력증폭기(PA, 28)는 발진기(26)에서 출력되는 신호를 송출에 필요한 출력으로 증폭하여 송신 안테나(70)에 제공할 수 있다.
패스밴드부(30)는 주파수 믹서(Frequency Mixer, 32)와, 저역통과필터(Low-Pass Filter: LPF, 34), 그리고 아날로그-디지털 변환기(Analog-to-Digital Converter: A/D 변환기, 36)를 포함할 수 있다.
주파수 믹서(32)는 저잡음 증폭기(22)에서 출력되는 수신신호와 발진기(26)에서 출력되는 발진신호를 혼합할 수 있다. 주파수 믹서(32)의 출력신호는 그 두 신호의 주파수 성분을 혼합한 주파수 성분을 가질 수 있다. 저역통과필터(LPF, 34)는 이 주파수 믹서(32)의 출력신호에 포함된 상기 수신신호와 상기 발진신호의 합 주파수를 제거하여 중간주파수(IF)의 신호출력을 추출할 수 있다. A/D 변환기(36)는 LPF(34)를 통해 얻어지는 중간주파수 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이렇게 변환된 디지털 신호는 DSP(40)에 제공될 수 있다.
DSP(40)는 A/D변환기(36)에서 제공되는 디지털 신호를 후술하는 본 발명에 따른 레이더 클러터 억제방법 알고리즘에 따라 처리할 수 있다. 또한, 타겟 검출을 위해 전방으로 송출할 신호를 생성하여 RF 모듈(20)에 제공할 수 있다.
사용자 인터페이스(UI, 50)는 DSP(40)의 처리 결과를 사용자가 알 수 있도록 표시하거나 또는 사용자의 지시를 DSP(40)에 전달할 수 있다.
도 2는 레이더 시스템(10) 장착 차량(100)이 도로의 일반 구간에서부터 전이 구간을 거쳐 주기적인 철제 도로구조물이 설치된 터널 구간까지 주행하는 상황을 나타낸다. 도 3은 도 2의 차량(100)의 레이더 시스템(10)이 송출한 레이더 신호의 반사신호를 수신하여 그 속에 포함된 레이더 클러터를 억제하여 타겟 차량(110)을 정확하게 식별해내는 신호처리의 전반적인 과정을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 다양한 철제 도로구조물 중에서 레이더 시스템(10) 장착 차량(100)이 철제 터널(150)을 주행하는 경우는 레이더의 감지 성능에 최악의 영향을 미친다. 그러므로 이하에서는 차량이 철제 터널(150)을 주행하는 경우를 주된 예로 하여 설명하기로 한다.
도 2와 도 3을 참조하면, 도 2의 차량용 레이더 시스템(10)은 예컨대 주파수 변조 연속파(Frequency Modulation Continuous Wave: FMCW) 레이더 시스템으로 구현될 수 있다. 도 2에 도시된 것처럼 레이더 시스템(10)을 장착한 차량(100)이 철제 터널(150)이 설치된 도로 구간을 향해 주행 중인 경우를 고려한다. 도로는 철제 터널(150)이 없는 일반 구간(구간 A), 일반 도로 구간에서 철제 터널(150)로 접근하는 전이 구간(구간 B), 그리고 주기적인 철제 도로구조물로 구성된 철제 터널(150) 내부의 터널 구간(구간 C)으로 구분할 수 있다.
철제 터널(150)에서의 예시적인 레이더 신호 측정 환경은 다음과 같이 할 수 있다. 레이더 시스템(10) 장착 차량(100)이 주행하는 동안, 그 레이더 시스템(10)은 레이더 신호를 전방으로 송출하고, 전방에서 반사된 레이더 신호를 수신할 수 있다. 측정에 사용하는 레이더 시스템(10)은 예컨대 장거리 레이더(long-range radar: LRR)일 수 있으나, 이는 일예에 불과할 뿐이고, 본 발명은 이것에 국한되지 않는다. 레이더 시스템(10)의 송신안테나(70)는 예컨대 단일-요소 송신안테나(a single-element transmit antenna)일 수 있고, 수신안테나(60)는 4-요소 ULA 수신안테나(a four-element receiving uniform linear array antenna)일 수 있으나, 이는 일예에 불과하고, 본 발명은 이것에 국한되지 않는다. ULA 수신안테나(60)에서, 인접 안테나 요소들 간의 간격은 예컨대 1.8λ로 할 수 있다. 여기서, λ는 레이더 신호의 파장이다. 또한, ULA 수신안테나(60)의 반전력 빔폭(half-power beamwidth)은 예를 들어 약 7˚, 레이더 시스템(10)의 시야각(FOV)은 약 -10˚~10˚ 범위로 할 수 있다.
이런 측정 환경에서, 도로에서 주행 중인 차량(100)의 레이더 시스템(10)이 송신안테나(70)를 통해 레이더 신호를 송출할 수 있다 (S10 단계). 레이더 시스템(10)의 송신 안테나(70)는 예컨대 FMCW 레이더 신호를 송출할 수 있다.
레이더 송신신호의 주파수는 시간에 따라 선형적으로 변할 수 있다. 따라서 송신신호 T(t)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
......(1)
여기서, t는 시간, A T 는 송신신호의 진폭, f c 는 변조된 신호의 반송파 주파수, ΔB 는 동작 주파수 대역폭, ΔT 는 스윕 시간(sweep time)을 나타낸다.
실제의 예시적인 측정에 있어서, 식 (1)의 반송주파수 fc, 동작 주파수 대역폭 ΔB, 그리고 스윕 시간 ΔT는 각각 예를 들어 76.5GHz, 500MHz 및 5ms로 각각 주어질 수 있다. 또한, 사용된 FFT 포인트의 수는 적절히 정할 수 있는데, 예를 들어 2048개로 정할 수 있다. FMCW 레이더 신호의 한 사이클은 예컨대 60ms 일 수 있다. 여기서, 그 60ms는 예컨대 10ms의 신호 송출 시간과 예컨대 50ms의 신호 처리 시간으로 구성될 수 있다. 이 사이클을 레이더 스캔(a radar scan)이라고 한다.
송신안테나(70)를 통해 송출된 레이더 송신신호는 전방의 물체들에 부딪혀 반사될 수 있다. 반사된 레이더 신호는 레이더 시스템(10)의 수신안테나(60)를 통해 수신될 수 있다(S20 단계). 예컨대, 레이더 송신신호 T(t)가 L 개의 정지된 타겟 물체로부터 반사될 때, 수신안테나(60)를 통해 수신되는 수신신호에는 잡음도 포함될 수 있다. 수신안테나(60)를 통해 수신되는 수신신호 R(t)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
......(2)
여기서, A Rl (l = 1, 2, ..., L)은 l 번째 타겟으로부터 반사된 신호의 진폭이고, f dl 는 레이더 시스템(10) 장착 차량의 속도에 의해 야기된 도플러 주파수이며, t dl 은 l 번째 타겟과 레이더 시스템(10) 사이의 거리에 의해 야기되는 시간지연이다. 또한, d l (t)는 l 번째 타겟의 거리 정보를 포함하는 원하는 신호이고, n(t)는 수신 안테나(60)에서 추가된 잡음을 나타낸다.
수신안테나(60)에 수신된 수신신호 R(t)는 LNA(22)를 거치면서 증폭될 수 있다. 증폭된 수신신호는 발진기(26)가 생성한 송신신호 T(t)와 함께 주파수 믹서(32)로 제공되어 혼합될 수 있다(S30 단계). 주파수 믹서(32)는 그 수신신호와 발진신호를 혼합한 신호를 생성할 수 있다.
주파수 믹서(32)의 출력신호 M(t)는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00003
......(3)
주파수 믹서(32)의 출력신호 M(t)는 LPF(34)에 제공될 수 있다. LPF(34)를 거치면서 상기 출력신호 M(t)의 고주파 성분이 제거될 수 있다. 즉, LPF(34)는 그 수신신호와 송신신호의 혼합 주파수를 제거하여 중간주파수(IF)의 신호를 추출할 수 있다(S30 단계). LPF(34)의 출력신호 LPF(ㅇ)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00004
......(4)
LPF(34)의 출력신호 LPF(M(t)) 즉, 그 중간주파수(IF) 신호는 A/D 변환기(36)를 통해 디지털 신호로 변환될 수 있다(S40 단계).
변환된 디지털 수신신호는 DSP(40)에 제공될 수 있다. 차량의 전방에 주기적인 철제 구조물이 존재하는 경우, 수신 안테나(60)에 수신되는 레이더 신호에는 철제 도로구조물에 의한 주기적인 레이더 클러터가 포함되어 있을 수 있다. DSP(40)에 제공되는 그 디지털 신호에도 역시 그 주기적인 레이더 클러터가 포함될 수 있다. DSP(40)에서는 변환된 디지털 수신신호에 포함된 그 레이더 클러터를 억제하여 타겟 차량을 정확하게 식별하기 위한 신호처리를 수행할 수 있다(S50 단계).
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 철제 도로구조물에 의해 레이더 수신신호에 포함되게 된 주기적인 레이더 클러터를 억제하기 위한 방법의 알고리즘을 나타내는 흐름도이다. 이 알고리즘은 도 3의 S50단계에서의 신호처리를 위한 알고리즘이기도 하다.
도 4를 도 1 및 2와 함께 참조하면, 이 레이더 클러터 억제 방법의 알고리즘은 컴퓨터 프로그램으로 구현되어 데이터 저장수단(비도시)에 저장될 수 있다. 그리고 DSP(40)는 그 데이터 저장수단에 저장된 컴퓨터 프로그램을 불러와서 실행할 수 있다.
A/D 변환기(36)로부터 출력되는 디지털 수신신호는 DSP(40)에 순차적으로 입력될 수 있다. DSP(40)에서는 수신신호에 포함된 주파수 성분의 추출을 위한 처리를 수행할 수 있다.
DSP(40)에 입력되는 디지털 수신신호는 시간 영역의 기저대역 신호이다. DSP(40)는 특정 기준시점 이후 첫 번째 수신된 제1 수신신호를 주파수 영역의 신호로 변환할 수 있다(S100 단계). 이는 예컨대 푸리에 변환을 통해 수행할 수 있다. LPF(34)에서 출력신호 LPF(M(t))는 코사인 신호의 합이다. DSP(40)에 제공되는 이의 디지털 변환신호도 마찬가지이다. DSP(40)에서, 상기 디지털 변환신호에 대하여 푸리에 변환을 적용하여 각 코사인 신호의 주파수를 추출할 수 있다. 실제 자동차 레이더 시스템에서는, 신속한 신호처리를 위해 '고속' 푸리에 변환(FFT)이 적용될 수 있다.
S100 단계에서의 변환을 통해 얻어지는 주파수 영역의 제1 수신신호는 메모리(비도시)에 저장될 수 있다(S200 단계). 메모리는 DSP(40)의 내장 메모리일 수 있다.
DSP(40)는 상기 특정 기준시점 이후 두 번째 수신되는 제2 수신신호에 대해서도 제1 수신신호와 마찬가지로 푸리에 변환을 수행하여 주파수 영역의 제2 수신신호로 변환할 수 있다(S300 단계).
S300 단계에서 변환된 주파수 영역의 상기 제2 수신신호도 상기 메모리(비도시)에 저장될 수 있다(S400 단계).
예시적인 실시예에 따르면, S100 및 S200 단계에서 FFT 결과의 크기만 취득하여, 그 FFT 결과의 크기를 메모리에 저장할 수 있다. S300 및 S400 단계에서도 마찬가지로 FFT 결과의 주파수 크기만 취득하여, 그 FFT 결과의 주파수 크기를 메모리에 저장할 수 있다.
S100 단계 및 S300 단계에서 변환된 주파수영역에서의 제1 및 제2 수신신호에서 추출되는 주파수
Figure pat00005
는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00006
......(5)
여기서, R l 및 v l 은 각각 l 번째 타겟과 차량의 레이더 시스템(10) 사이의 거리 및 상대속도이고, c는 레이더 신호의 전파 속도이다.
FMCW 레이더 시스템(10)에서, 동작 대역폭 ΔB, 스윕 시간 ΔT, 레이더 신호의 전파속도 c, 및 변조된 신호의 반송파 주파수 f c 는 이미 고정되어 있다. 그렇기 때문에, 상향 및 하향 처프 신호(up-chirp and down-chirp signals) 모두로부터 추출된 비트 주파수들을 사용하면, 타겟 물체와 레이더 시스템(10) 사이의 거리 R l 및 타겟 물체와 레이더 시스템(10) 간의 상대속도 v l 을 추정할 수 있다.
주파수가 근접한 두 주파수의 진동을 겹칠 때, 그 두 주파수간의 차이로 진동하는 파가 생긴다. 이것을 비트라 하고, 그 진동수를 비트 주파수라 한다. 일반적으로, 위에서 언급하였듯이 철제 터널(150)은 일정한 간격을 가지면서 주기적으로 설치된 다수의 철제 프레임들을 포함할 수 있다. 주기적 철제 프레임들에 관한 비트 주파수들 즉, 주기적인 철제 프레임들에 의해 반사되어 차량의 레이더 시스템(100)에 수신되는 레이더 신호에 포함된 비트 주파수
Figure pat00007
는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00008
......(6)
여기서, p는 철제 프레임들의 위치이며, R 1 는 첫 번째 철제 프레임과 레이더 사이의 거리이며, I는 철제 프레임들 사이의 간격이고, v p 는 p번째 철제 프레임과 차량의 레이더 시스템(10) 사이의 상대속도이다.
철제 프레임들은 속도가 제로이다. 그러므로 식 (6)에서 도플러 주파수(f dp )는 모든 p에 대해 상수로 간주될 수 있다. 따라서 이 항은 레이더 시스템(10) 장착 차량의 속도에만 의존한다. 또한 인접한 비트 주파수들 간의 차이는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00009
......(7)
ΔB, ΔT, c 및 I가 고정값을 가지기 때문에 인접한 비트 주파수들 간의 차이는 일정한 값으로 유지된다. 따라서 철제 프레임들에 해당하는 비트 주파수들은 규칙적인 간격으로 나타난다. 또한, 인접한 비트 주파수들 간의 차이(
Figure pat00010
)는 레이더 시스템(10) 장착 차량(10)의 속도에 상관없이 일정하게 유지된다. 왜냐하면 그것은 속도 v p 에 의존하지 않기 때문이다.
차량(100)의 전방의 철제 터널(150)에 의해 반사되어 차량의 레이더 시스템(10)의 수신안테나(60)에 수신된 수신신호의 m 번째 스캔을 고려한다. 식 (4)에서 LPF(34)로부터 얻어지는 시간-샘플된 신호 LPF(M(t))는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00011
......(8)
여기서, N F 는 FFT 포인트 수(시간-샘플의 개수)이다.
레이더 시스템(10)의 수신안테나(60)를 통해 수신된 신호의 시간-샘플된 신호 LPF(M(t))가 예컨대 FFT 변환을 통해 주파수 영역의 신호로 변환되었을 때, m 번째 스캔의 신호에 대한 FFT 결과는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00012
......(9)
앞에서 언급한 바와 같이, FFT를 x m 에 적용하면 각 코사인 파에 해당하는 주파수 성분들이 추출될 수 있다. 예컨대 레이더 시스템(10)을 장착한 차량(100)이 철제 터널(150)과 멀리 떨어진 일반 구간(구간 A)을 주행할 때는 그 차량(100)의 정면에 위치한 타겟 물체에 해당하는 몇 개의 주파수 피크만이 FFT 결과에 나타날 수 있다. 만약 차량(100)이 전이 구간(구간 B)을 지나 철제 터널(150) 내부의 터널 구간(구간 C) 안으로 진입하면, 그 레이더 시스템(10)의 수신 안테나(60)에는 많은 반사신호가 수신될 수 있다. 이 수신신호는 많은 철제 프레임에 의해 반사된 수신신호일 수 있다. 따라서 FFT 수행 결과는 이 경우 많은 주파수 성분으로 구성된다.
이는 다음과 같이 정의된 FFT 결과의 크기 응답(magnitude response)에서 잘 나타난다.
Figure pat00013
......(10)
Figure pat00014
는 전체 FFT 포인트 개수의 절반 N F /2에 대해 대칭이므로, 전체 FFT 결과의 절반만 사용될 수 있다.
위와 같이 얻은 주파수 영역의 수신신호들을 이용하여 철제 터널(150)을 인식할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 철제 터널(150)을 정확하게 인식하기 위해, 차량(100)에 장착된 레이더 시스템(10)의 수신신호 분포를 이용하여 철제 터널(150)에 의한 레이더 클러터를 억제하는 처리를 수행할 수 있다.
도 5는 레이더 시스템 장착 차량(100)이 철제 터널(150)이 없는 일반 구간(구간 A), 철제 터널(150)로의 전이 구간(구간 B), 그리고 철제 터널(150) 내부의 터널 구간(구간 C) 각각에서 반사된 레이더 수신신호에 대한 FFT 처리를 하여 얻어진 주파수 스펙트럼을 예시한다. 구간 A, 구간 B, 그리고 구간 C의 주파수 스펙트럼은 예컨대 150번째 레이더 스캔(S150), 350번째 레이더 스캔(S350), 그리고 550번째 레이더 스캔(S550)의 주파수 스펙트럼이다.
도 5를 참조하면, 가로축은 FFT 인덱스(k)를 나타내고 이는 레이더 시스템(10)으로부터의 거리에 해당하며, 세로축은 주파수 크기를 나타내며 이는 레이더 수신신호의 세기에 해당한다. 레이더 시스템(10) 장착 차량(100)이 일반 구간(구간 A)에 있을 때에는, 주기적으로 매우 적은 양의 주기적 레이더 클러터가 나타난다. 이 구간에서는, 차량(100)의 전방에 있는 타겟 물체들에 해당하는 주파수 성분들은 크게 나타나므로 타겟 물체들을 정확하게 탐지할 수 있다. 타겟 물체의 탐지는 예컨대 일정 오경보율 (constant false-alarm rate: CFAR) 알고리즘을 사용하여 수행될 수 있다.
그 차량(100)이 철체 터널(150) 가까이 접근하여 전이 구간(구간 B)에 있을 때에는 차량(100)이 아직 철제 터널(150) 안으로 들어가지 않았지만, 멀리 있는 터널(150)이 차량(100)의 레이더 시스템(10)에 의해 검출될 수 있다. 철제 터널(150)의 주기적인 철제 구조체에 의해 반사된 신호가 나타나기 시작함을 알 수 있다. 이는 도 5의 (2)의 구간 B의 주파수 스펙트럼에서 FFT 인덱스 450이후부터 주기적인 레이더 클러터가 나타나는 것을 통해 확인할 수 있다. 즉, 전이 구간(구간 B)에서의 수신신호의 특성은 일반 구간(구간 A) 및 후술할 터널 구간(구간 C)에서의 신호 특성을 혼합한 것으로 관찰될 수 있다.
그리고 그 차량(100)이 주기적인 강철 프레임으로 구성되어 있는 철제 터널(150) 내부에 완전히 진입하여 터널 구간(구간 C)에 있을 때에는, 도 5의 (3)에 도시된 것처럼 FFT 인덱스 전체에 걸쳐서 철제 구조체로부터 반사되는 주기적인 신호 즉, 원치 않는 레이더 클러터가 검출된다. 레이더 클러터 때문에, 레이더 시스템(10)에서 차량(100) 전방의 타겟 물체가 순간적으로 사라져버려 레이더 시스템(10)의 탐지 성능을 저하시킬 수 있다. 왜냐하면 원하는 타겟 물체들에 해당하는 주파수 성분의 크기가 어떤 순간에 주기적인 레이더 클러터에 묻혀 구별해내기가 어렵기 때문이다. 이 경우 예컨대 CFAR 알고리즘을 사용하여 차량(100)의 전방에 위치하는 타겟 물체를 식별할 수 없다.
철제 터널(150)과 같은 철제 도로구조물에서 타겟 물체를 정확하게 식별하기 위해서는 주기적인 레이더 클러터를 효과적으로 억제할 필요가 있다. 철제 도로구조물의 철제 프레임들은 주기적으로 설치되고 고정된 타겟 물체로 간주될 수 있다. 그렇기 때문에 그에 대응하는 비트 주파수는 일정한 간격으로 나타날 수 있다. 이러한 현상은 철제 도로구조물을 주행하는 차량(100)에 대하여 인접하는 레이더 스캔 전체에 걸쳐 유지된다. 따라서 이러한 점들에 기초하여, m번째 레이더 스캔과 (m-1)번째 레이더 스캔 간의 관계를 이용하여 주기적인 레이더 클러터를 억제할 수 있다. 즉, 두 스캔 간의 상호상관(cross-correlation)을 사용하여 주기적인 레이더 클러터를 억제할 수 있다.
다시 도 4 참조하면, 주파수 영역의 제1 수신신호와 제2 수신신호가 확보되면, 이 두 수신신호 즉, 두 레이더 스캔 간의 상호상관을 계산한다(S500 단계). 두 스캔 간의 상호상관은 아래 식을 이용하여 계산될 수 있다.
Figure pat00015
......(11)
그런 다음, 계산된 주파수 영역의 제1 수신신호와 제2 수신신호 간의 거리 지연을 산출한다(S600 단계). 여기서, 거리 지연은 제1 수신신호의 수신시점과 제2 수신신호의 수신시점 간의 시간 동안 차량(100)이 이동한 거리를 의미한다. 예시적인 실시예에 따르면, 두 수신신호 간의 거리 지연은 두 수신신호 간의 상호상관 값을 이용하여 구할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 수신신호 간의 상호상관 값들 중에서 가장 큰 값으로부터 거리 지연을 구할 수 있다. 이를 위해, 아래 식을 이용하여 상호상관 값 R( m, m-1) (q) 중에서 최대값에 대응하는 FFT 인덱스를 결정한다.
Figure pat00016
......(12)
차량(100)은 고정된 철제 도로구조물 내에서 앞으로 이동하기 때문에 상호상관의 최대값에 대응되는 FFT 인덱스 d (m, m-1) 은 일반적으로 N F /2보다 큰 값을 갖는다. 상호상관 값 R( m, m-1) (q) 중에서 최대값에 대응하는 FFT 인덱스 d (m, m-1) 은 구하고자 하는 인접한 두 레이더 스캔 간의 거리 지연은
Figure pat00017
으로 계산될 수 있다.
도 6은 인접하는 두 수신신호 간의 상호상관의 최대값을 구해 거리지연을 산출하는 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 6의 (1)과 (2)는 m-1 번째 레이더 스캔의 일부인 10개의 주파수 응답과 m 번째 레이더 스캔의 일부인 10개의 주파수 응답을 각각 나타내며, 도 6의 (3)은 m-1 번째 레이더 스캔과 m번째 레이더 스캔 간의 상호상관의 최대값을 찾는 것을 도시한다. 도 6에서, 빨간색 작은 원은 철제 구조물에 대응하는 주파수 성분이고, 검정색 엑스(x)는 전방에 존재하는 타겟 차량(110)에 대응하는 주파수 성분이고, 파란색 큰 원은 두 레이더 스캔들 간에 상호 상관된 지점을 나타낸다. 도 6의 (3)에서는, N F /2 값은 1025이고 레이더 스캔의 상호상관 값들 중 최대값에 대응되는 FFT 인덱스 d (m, m-1) 이 1023이다. 따라서 도 6의 예에서 거리 지연은 2로 계산된다.
거리 지연을 산출하고 나서, m-1 번째 레이더 스캔(즉, 제1 수신신호)의 크기 응답의 요소들을 계산된 거리 지연
Figure pat00018
의 FFT 인덱스만큼 이동시킨다(S700 단계).
Figure pat00019
는 인접한 두 레이더 스캔(m-1번째와 m번째 레이더 스캔) 간의 거리 차이로 간주될 수 있기 때문이다.
도 7은 도 6의 (1)의 m-1 번째 레이더 스캔을 구해진 거리지연만큼 이동시켜 레이더 클러터에 해당하는 주파수 성분을 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7의 (1)과 (2)는 거리지연 보상된 제1 수신신호와 제2 수신신호의 주파수 응답 크기를 각각 나타낸다. 도 6에서 구한 거리 지연이 2 FFT 인덱스이므로, m-1번째 레이더 스캔을 FFT 인덱스 2만큼 이동시키면 된다. 도 7의 (1)에서 붉은 색 굵은 사각형 내부의 주파수 응답신호가 거리 보상된 레이더 스캔이다.
거리-보상된 m-1 번째 레이더 스캔의 크기 응답은 다음과 같이 표현될 수 있다. 값이 손실된 부분에 대해
Figure pat00020
개의 0을 덧붙일 수 있다.
Figure pat00021
......(13)
여기서,
Figure pat00022
는 거리-보상된 레이더 스캔의 크기 응답의 요소이다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 상기 거리 지연은 인접하는 두 레이더 스캔 간의 상호상관을 이용하지 않고 다른 방법으로 구할 수도 있다. 차량(100)의 주행 속도와 반사된 레이더 신호의 측정주기(즉, 레이더 스캔의 측정주기)를 알 수도 있다. 이 경우, 차량(100)의 주행 속도와 레이더 스캔의 측정주기를 곱한 값을 인접한 두 레이더 스캔 간의 거리 지연으로 산출할 수도 있다.
위와 같이 제1 수신신호에 대한 거리지연만큼의 보상 처리를 하고 난 다음에는, 제2 수신신호(m번째 스캔)와 거리 지연된 제1 수신신호(m-1 번째 스캔)를 비교하여 크기가 비슷한 주파수 성분을 추출한다(S800 단계). 도 8은 S800 단계의 실행 절차를 좀 더 자세하게 도시한다.
도 8을 참조하면, 먼저 거리 지연만큼 거리 보상된 제1 수신신호(m-1 번째 스캔)와 제2 수신신호(m 번째 스캔)의 모든 주파수 성분 간의 크기 차이를 산출한다(S810 단계).
그런 다음, 산출된 두 수신신호 간의 주파수 성분 간의 크기 차이를 문턱값과 비교한다(S820 단계). S820 단계의 비교에서, 두 수신신호의 주파수 응답 크기 간의 차이가 소정 크기보다 크면, 정상적인 타겟 물체에 의해 야기된 주파수 성분으로 볼 수 있으므로 그대로 보존한다(S840 단계).
반면에 S820 단계의 비교에서, 두 수신신호의 주파수 응답 크기 간의 차이가 상기 소정 크기 이하이면, 그 주파수 응답 크기는 철제 프레임들이 야기한 레이더 클러터에 해당하므로 제거해야 할 주파수 성분으로 판단할 수 있다(S830 단계). 도 7에서, 파란색 큰 원으로 표시된 주파수 응답 크기들이 제거해야 할 레이더 클러터에 해당하는 주파수 성분으로 볼 수 있다.
제거해야 할 레이더 클러터를 추출하기 위해, 다음 식을 만족하는 FFT 인덱스를 구할 수 있다.
Figure pat00023
......(14)
여기서
Figure pat00024
는 작은 문턱값이다. 식(14)에서 타이트한 임계값으로 예컨대
Figure pat00025
= 0.1을 사용할 수 있다.
철제 프레임들에서 반사된 신호들의 강도가 전체 레이더 스캔에 걸쳐 비슷하다고 가정하면(거리에 따른 신호 강도의 보상은 이미 레이더 시스템(10)에서 수행된 것임), 위의 식에서 선택된 FFT 인덱스는 주기적인 철제 프레임(구조체)에 대응하는 비트 주파수를 나타내는 것을 볼 수 있다. 따라서 이들 선택된 FFT 인덱스에 대응하는 비트 주파수들에 해당하는 응답 크기들을 제거하거나 억제시킨다. 위와 같이 거리-보상된 (m-1)번째 레이더 스캔의 크기 응답을 m 번째 레이더 스캔의 크기 응답에 비교함으로써 상호 상관된 주파수 성분들을 찾을 수 있다. 도 7이 이러한 과정을 도식적으로 보여준다. 도 7에서 파란색 원으로 표시된 것처럼 주파수 성분들이 그에 해당한다.
다음으로, 레이더 클러터에 해당하는 주파수 성분을 수신신호에서 억제한다(S900 단계). S900 단계에서, 레이더 클러터에 해당하는 주파수 성분을 수신신호에서 억제하기 위한 방법으로, 레이더 클러터의 주파수 성분 대신에 0을 대입하거나 또는 주변의 주파수 성분의 평균값을 대입할 수 있다.
S900 단계에서, 예컨대 주변의 주파수 성분의 평균값을 대입하기 위해, 제거대상으로 선택된 FFT 인덱스에 대해 다음과 같이 크기를 보간할 수 있다.
Figure pat00026
......(15)
여기서 2N A 는 보간에 사용되는 크기들의 개수이다.
Figure pat00027
는 주기적인 레이더 클러터에 해당하는 크기이므로 보간에서 제외된다.
선택된 FFT 인덱스의 경우 보간에 제로-패딩(zero-padding)을 사용하면 레이더 클러터를 줄일 수 있다. 그러나 이 경우 CFAR 알고리즘이 제대로 작동하지 않을 수 있다. 왜냐하면 제로 패딩이 임계값 레벨을 낮추기 때문에 CFAR 알고리즘에 의해 모든 피크가 감지될 수 있기 때문이다. 그러므로 레이더 클러터의 크기를 제외한 주파수 응답 크기의 평균값을 사용할 수 있다. 또한, 레이더 클러터에 해당하는 실제 주파수 피크는 샘플링의 한계로 인해 1 FFT 인덱스만큼 앞뒤로 이동할 수 있으며, 레이더 클러터에 해당하는 주파수 성분은 측정된 데이터에서 세 개의 FFT 인덱스에 걸쳐서 나타날 수 있다. 따라서 (k * -1) 번째 및 (k * +1) 번째 주파수 응답 크기들도 다음과 같이 보간할 수 있다.
Figure pat00028
Figure pat00029
......(16)
식 (15)와 (16)에 따라 선택된 인덱스들의 크기를 보간함에 있어서, 예컨대 N A 가 1로 설정될 수도 있다. 이는 이웃하는 크기들만 보간에 사용됨을 나타낸다.
레이더 클러터에 해당하는 주파수 성분을 수신신호에서 제거하고 나면, 수신신호에는 타겟 물체에 해당하는 주파수 성분만이 남게 된다. 그렇게 하여 얻어진 수신신호의 나머지 주파수 성분의 크기에 기초하여 타겟 차량을 식별할 수 있다(S1000 단계). 일반적으로, 이동하는 타겟 물체와 레이더 시스템(10) 장착 차량(100) 간의 상대 거리 및 상대 속도는 일정하게 유지될 수 없다. 따라서 전방의 타겟 차량(110)에 대응하는 비트 주파수는 각의 레이더 스캔에서 변한다. 따라서 위와 같은 상호상관법을 사용함으로써, 원하는 타겟 물체들에 의한 주파수 응답의 크기를 제외하고 고정된 주기적인 철제 프레임들에 대응하는 크기들만 제거 내지 억제할 수 있다.
위와 같은 본 발명에 따르면, 철제 도로구조물에 의해 발생하는 주기적 레이더 클러터를 효과적으로 억제할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 도 9의 (1)과 (2)는 600번째 레이더 스캔에 관하여 레이더 클러터를 억제하기 전과 후의 파수 스펙트럼의 크기 응답을 각각 예시적으로 나타낸다.
도 9의 (1)에 도시된 것과 같이, 레이더 클러터 억제를 적용하기 전의 원래의 수신신호의 주파수 스펙트럼의 크기 응답에는 주기적 프레임들(구조체)에 대응하는 기본 주파수와 그것의 고조파가 지배적으로 나타난다. 주기적인 철제 프레임(구조체)들로부터의 여러 개의 주파수 피크가 존재한다. 이 경우 원하는 실제 타겟(파란색 원으로 표시됨)이 그 레이더 클러터(붉은 색 x로 표시됨)에 묻혀서 감지되지 않을 수 있다. 또한, CFAR 알고리즘을 사용하여 피크 검출을 수행하는 경우, 어느 피크가 타겟에 대응하는지를 식별하는 것이 어렵다. 이에 비해, 본 발명에 따른 레이더 클러터 억제 방법을 적용하면, 도 9의 (2)에서 알 수 있듯이 레이더 클러터에 해당하는 주파수 응답 크기는 억제되므로 실제 타겟에 대응하는 주파수 피크가 잘 추정될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 철제 방음벽과 같은 다른 철제 도로구조물에도 적용될 수 있다. 발명자들은 철제 방음벽에 대해서도 레이더 시스템 장착 차량(100)을 이용하여 본 발명에 따른 레이더 클러터 억제 방법을 수행하였다. 도 10은 철제 방음벽에 대하여 차량(100)에 장착된 레이더 시스템(10)이 수신한 반사신호의 원래의 크기 응답과 레이더 클러터 억제된 크기 응답을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 철제 방음벽에서 본 발명에 따른 레이더 클러터 억제 방법은 인접한 레이더 스캔들 간의 상호상관으로부터 거리 차이를 만족스럽게 추정할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 도면에서 붉은색 점선으로 표시된 그래프에 따르면, 주기적인 레이더 클러터가 억제되고 원하는 타겟 물체에 대응하는 주파수 피크가 CFAR 알고리즘에서 잘 식별될 수 있는 것을 보여준다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 방법은 철제 터널(150)을 포함하여 다른 유형의 철제 도로구조물의 주기적인 레이더 클러터를 잘 억제할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이더 클러터 억제 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 그 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 가독형(computer-readable) 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상에서 설명한 것처럼, 본 발명에 따른 레이더 클러터 억제 방법은 차량의 레이더 시스템에 적용되어 철제 도로구조물에서 발생하는 주기적인 레이더 클러터를 억제할 수 있다. 그러한 철제 도로구조물은 철제 프레임들이 동일한 간격으로 설치되어 있으므로, 그것들에 대응하는 비트 주파수들이 규칙적인 간격으로 나타난다. 그 규칙적인 간격은 철제 구조물에서 주행하는 차량(100)의 레이더 시스템의 레이더 스캔들 간에도 유지된다. 이 관계를 이용하여 현재의 레이더 스캔과 직전의 레이더 스캔 간의 상호상관을 계산하고, 이들 사이의 거리 차이(거리 지연)를 구할 수 있다. 직전의 레이더 스캔을 그 거리 차이만큼 이동시켜 거리-보상을 하고, 그렇게 거리-보상된 직전 레이더 스캔의 크기 응답을 현재의 레이더 스캔의 크기 응답과 비교하여, 주기적 구조물에 대응하는 비트 주파수들을 추출한다. 추출된 주파수의 크기 응답을 억제함으로써, 정상적인 타겟 물체에 해당하는 주파수 성분이 크게 남도록 한다. 본 발명에 따른 방법을 사용함으로써 전방 타겟 물체에 대한 오탐지가 크게 줄어들 수 있다.
본 발명은 자율주행 차량용 레이더 시스템에 적용될 수 있다. 보다 구체적인 이용형태로는, 자율주행 차량의 레이더 장치의 DSP에 내장되는 임베디드 프로그램의 형태로 구현되어 철제로 만들어진 도로구조물을 정확하게 인식하는 기술로서 이용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있다.
10: 레이더 시스템 20: 무선통신모듈
30: 패스밴드부 40: 디지털 신호 처리부
60: 수신 안테나 70: 송신 안테나
100: 레이더 시스템 장착 차량 110: 타겟 차량
150: 철제 터널

Claims (17)

  1. 도로 구간을 이동하는 차량의 레이더 시스템에서, 레이더 신호를 전방으로 송출하여 전방의 물체들에 의해 반사된 레이더 수신신호를 수신하는 단계;
    상기 레이더 시스템에서, 순차적으로 수신되는 시간영역의 제1 수신신호와 제2 수신신호를 주파수영역의 제1 레이더 스캔과 제2 레이더 스캔으로 각각 변환하는 단계;
    상기 레이더 시스템에서, 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 거리지연을 구하는 단계;
    상기 레이더 시스템에서, 상기 제1 레이더 스캔을 산출된 거리지연 만큼 이동시켜 인접한 상기 제1 및 제2 레이더 스캔 간의 거리 차이를 보상하는 단계; 및
    상기 레이더 시스템에서, 거리 보상된 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간에 공통되는 주파수 성분의 크기를 복수의 철제 도로구조물에 의해 야기된 레이더 클러터로서 추출하여 억제시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 변환하는 단계에서 상기 제1 수신신호와 상기 제2 수신신호를 주파수 영역의 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔으로 변환하는 것은 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 거리지연을 구하는 단계는, 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 상호상관(cross-correlation) 값을 계산하는 단계; 및 계산된 상호상관 값들 중 최대값에 기초하여 상기 거리지연을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 거리지연을 산출하는 단계는, 상기 값들 중 최대값에 대응하는 FFT 인덱스를 결정하는 단계; 및 결정된 FFT 인덱스에서 NF/2 (여기서, FFT 포인트 수(시간-샘플의 개수)임)를 뺀 값을 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 상기 거리지연으로 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 거리지연을 구하는 단계는, 상기 반사된 레이더 수신신호의 측정주기와 상기 차량의 주행속도를 이용하여 이동거리를 산출하는 단계; 및 산출된 이동거리를 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 상기 거리지연으로 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 억제시키는 단계는, 상기 레이더 시스템에서, 상기 제2 레이더 스캔과 상기 거리지연 만큼 이동된 제1 레이더 스캔 간의 크기를 비교하여 크기 차이가 소정 범위 이내인 주파수 성분을 상기 복수의 철제 프레임에 의해 야기된 레이더 클러터로서 추출하는 단계; 및 상기 레이더 시스템에서, 추출된 주파수 성분의 상기 레이더 클러터를 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔에서 억제시키고 남은 나머지 주파수 성분의 크기에 기초하여 전방의 타겟 차량을 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 억제시키는 단계에서, 상기 레이더 클러터에 해당하는 주파수 성분을 상기 제1 및 제2 레이더 스캔에서 억제하기 위해, 상기 레이더 클러터의 주파수 성분 대신에 0을 대입하거나 또는 주변의 주파수 성분의 평균값을 대입하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 레이더 클러터로서 추출하는 단계는, 상기 제2 레이더 스캔과 거리 보상된 상기 제1 레이더 스캔의 모든 주파수 성분 간의 크기 차이를 산출하는 단계; 및 산출된 크기 차이가 소정 범위 이내이면 억제시켜야 할 상기 레이더 클러터로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 복수의 철제 도로구조물은 복수의 철제 프레임이 주기적으로 배치된 철제 터널, 철제 방음벽, 또는 철제 가드레일인 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 따른 차량용 레이더 시스템의 수신신호에서 철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제하는 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터 가독형(computer-readable) 기록 매체.
  11. 레이더 신호를 전방으로 송출하였을 때 전방의 물체들에 의해 반사되는 레이더 수신신호의 중간주파수 신호를 추출하여 디지털 신호로 변환하는 패스밴드부; 및
    상기 패스밴드부로부터 순차적으로 제공되는 시간영역의 디지털 신호 형태의 제1 수신신호와 제2 수신신호를 주파수영역의 제1 레이더 스캔과 제2 레이더 스캔으로 각각 변환하는 기능; 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 거리지연을 구하는 기능; 상기 제1 레이더 스캔을 산출된 거리지연 만큼 이동시켜 인접한 상기 제1 및 제2 레이더 스캔 간의 거리 차이를 보상하는 기능; 그리고 거리 보상된 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간에 공통되는 주파수 성분의 크기를 복수의 철제 도로구조물에 의해 야기된 레이더 클러터로서 추출하여 억제시키는 기능을 포함하는 디지털 신호 처리부를 구비하여,
    철제 도로구조물에 의한 주기적 레이더 클러터를 억제할 수 있는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 디지털 신호처리부는, 상기 제1 수신신호와 상기 제2 수신신호에 대하여 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행함으로써 주파수 영역의 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔으로 변환하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 거리지연을 구하는 기능은, 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 상호상관(cross-correlation) 값을 계산하는 기능과, 그 계산된 상호상관 값들 중 최대값에 대응하는 FFT 인덱스를 결정하는 기능과, 그 결정된 FFT 인덱스에서 NF/2 (여기서, FFT 포인트 수(시간-샘플의 개수)임)를 뺀 값을 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 상기 거리지연으로 산출하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 상기 거리지연을 구하는 기능은, 상기 반사된 레이더 수신신호의 측정주기와 상기 레이더 시스템이 장착된 차량의 주행속도를 이용하여 이동거리를 산출하는 기능과, 그 산출된 이동거리를 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔 간의 상기 거리지연으로 산출하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템.
  15. 제11항에 있어서, 상기 억제시키는 기능은, 상기 제2 레이더 스캔과 상기 거리지연 만큼 이동된 제1 레이더 스캔 간의 크기를 비교하여 크기 차이가 소정 범위 이내인 주파수 성분을 상기 복수의 철제 프레임에 의해 야기된 레이더 클러터로서 추출하는 기능과, 추출된 주파수 성분의 상기 레이더 클러터를 상기 제1 레이더 스캔과 상기 제2 레이더 스캔에서 억제시키고 남은 나머지 주파수 성분의 크기에 기초하여 전방의 타겟 차량을 식별하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 디지털 신호처리부는, 상기 레이더 클러터에 해당하는 주파수 성분을 상기 제1 및 제2 레이더 스캔에서 억제하기 위해, 상기 레이더 클러터의 주파수 성분 대신에 0을 대입하거나 또는 주변의 주파수 성분의 평균값을 대입하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템.
  17. 제11항에 있어서, 상기 레이더 클러터로서 추출하는 기능은, 상기 제2 레이더 스캔과 거리 보상된 상기 제1 레이더 스캔의 모든 주파수 성분 간의 크기 차이를 산출하는 기능과, 산출된 크기 차이가 소정 범위 이내이면 억제시켜야 할 상기 레이더 클러터로 판단하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템.
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