KR20200114467A - 레이다 표적 검출 연산량 감소 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표적 정보를 얻기 위해서 수행되는 고속퓨리에변환 횟수를 신호 개수 판별기법을 통해 줄이고자 한다. 본 발명의 구성은 다음과 같다. 수신된 신호에 대한 거리 고속퓨리에변환을 수행하여 거리 주파수를 계산하여 거리를 검출한다. 타겟 개수 판별을 통해 같은 거리에 타겟이 1개인지 판별한다. 타겟이 1개인 것으로 판별되면 수신채널들의 거리 주파수 계산(range FFT)을 하여 각도를 검출하고, 한 개 채널을 고속퓨리에변환(Doppler FFT)하여 속도를 검출한다. 상기 타겟 개수 판별을 통해 같은 거리에 다중 타겟이 있는 경우에는 기존 방식과 동일하게 모든 채널의 모든 첩에 대하여 거리 주파수를 구한다. 거리 주파수를 도플러 축으로 고속퓨리에변환을 한번 더 진행하여 도플러 축에 대하여 문턱치 이상의 값을 선택하여 검출 개수 M을 결정하고 해당 값에 대한 각도와 속도를 도플러 축에서 검출한다.

Description

레이다 표적 검출 연산량 감소 방법 및 장치 {Method and apparatus for reducing number of radar target detection operations}

본 발명은 다수의 수신 안테나를 가지는 FMCW 레이더 시스템에서 고유값을 이용하여 타겟(표적)의 개수를 사전에 판별하여, 표적 정보(거리, 속도, 각도)를 얻기 위해 사용되는 불필요한 연산을 줄이는 기술에 관한 것이다.

레이다는 시스템 요구사항에 맞게 생성된 신호를 안테나를 통하여 송신한 후 표적으로부터 반사되어 돌아온 에코(echo) 신호를 안테나 및 수신부를 이용하여 감지한 후 신호 처리를 통해 표적의 거리, 속도, 각도 등을 검출하는 기능을 수행한다. 레이다 신호의 파형은 그 형태에 따라 크게 Pulse radar, CW(Continuous waveform) radar, FMCW(Frequency modulated CW) radar로 구별된다.

FMCW 레이다는 시간에 따라 주파수가 변조되는 신호를 사용하며, 송신 신호와 수신 신호 간 차이인 비트 주파수(beat frequency) 성분에 따라 표적의 거리를 추정하며, 도플러 주파수(Doppler frequency) 성분에 따라 표적의 이동 속도를 도출한다. 이동객체를 탐지하기 위한 응용분야에서는 도플러 주파수 변화량이 비트 주파수에 미치는 영향을 낮추도록 하는 고속첩 열(fast-chirp train) 변조방식이 주로 이용된다.

도 1은 레이다 시스템에서 2D FFT(Two Dimensional Fast Fourier Transform) 기법을 이용하여 거리, 속도, 각도를 검출하는 일반적인 방식을 설명하고 있다.

FMCW 레이다의 송신부가 다중 채널을 통해 신호를 송신하면 수신부는 표적에서 반사되는 신호를 받는다. 송수신 제어부에서는 송신 신호와 수신 신호의 차이인 비트 신호를 신호처리부에 보낸다. 신호처리부에서는 송수신 간의 주파수 차이(비트 주파수, beat frequency)를 이용하여 신호처리를 한다. 비트 주파수에는 표적의 거리와 도플러(속도)에 대한 주파수 변화 정보가 포함되어 있다. 특정 시간 동안 여러 개의 수신 첩(chirp)에서 얻어지는 비트 신호를 거리(range)와 도플러(Doppler), 즉, 속도 축에 대하여 고속퓨리에변환(FFT)하여 주파수 축에 대한 신호의 진폭과 위상 값을 얻는다.

즉, 도 1에서와 같이 비트 신호를 FFT하여 표적 거리(range) 주파수를 구하며(11), 여러 개의 첩에서 얻어지는 거리 주파수를 도플러(Doppler) 축으로 FFT하여 표적의 속도에 대한 주파수 정보를 얻는다(12). 각도 정보는 다중 수신 채널 간의 위상 차이를 이용하여 계산하는데, 2D-FFT를 통해 얻어진 거리-속도 주파수 영역에서 신호의 크기가 문턱치 이상 되는 주파수를 표적으로 인식하고(13) 각 채널별로 해당되는 주파수 영역의 위상을 계산하여 표적의 각도를 검출한다. 거리(R)와 속도(V) 정보는, 문턱치 이상 되어 표적으로 인식한 거리 주파수(

)와 도플러 주파수(

)를 이용하여 도 2의 우측에 나타낸 계산식으로 얻어진다. N개의 표적에 대해서 처리가 완료되었는지 확인(14)하여 N개의 처리가 완료되면 검출 동작이 종료된다.

도 2의 좌측은 FMCW 레이다의 전송 파형 중 Fast-Ramp 파형을 사용하는 경우를 나타내고 우측은 이 파형을 사용할 때의 거리와 속도를 계산식을 나타낸다. 도 2에서

은 주파수 스윕(sweep)의 대역폭을 의미하고,

는 주파수가 sweep되는 동안의 시간, 즉, 파형이 전송되는 시간을 의미한다.

는 전송되는 파형의 중심 주파수를 의미하고, c는 빛의 속도를 의미한다.

FMCW 레이다에서 도플러 고속퓨리에변환을 하고 각도를 추정하는 가장 큰 이유는 같은 거리의 타겟을 분리하기 위함이다. 거리와 속도는 한 채널의 거리주파수와 도플러 주파수 결과만 있어도 계산이 가능하지만, 각도의 경우에는 채널간 위상 차이를 보기 위해 4개 채널의 고속퓨리에 결과가 필요하다. 즉, 각도를 추정하기 위해선 모든 채널에 대한 거리 고속퓨리에변환과 도플러 고속퓨리에변환을 해야 한다.

따라서 본 발명의 목적은 표적 정보를 얻기 위해서 수행되는 고속퓨리에변환 횟수를 신호 개수 판별기법을 통해 줄이고자 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 다중 타겟이 있는 대부분의 경우 타겟들은 같은 거리가 아닌 곳에 있을 확률이 높기 때문에 사전에 같은 거리에 타겟이 있는지 판단하여 같은 거리에 단일 타겟이 있을 때의 채널 간 거리 주파수의 위상 결과만 가지고 각도를 검출한다면 도플러 고속퓨리에변환의 연산 수를 줄일 수 있을 것이다.

상기 해결 수단을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

수신된 신호에 대한 거리 고속퓨리에변환을 수행하여 거리 주파수를 계산하여 거리를 검출한다.

타겟 개수 판별을 통해 같은 거리에 타겟이 1개인지 판별한다. 타겟이 1개인 것으로 판별되면 수신채널들의 거리 주파수 계산(range FFT)을 하여 각도를 검출하고, 한 개 채널을 고속퓨리에변환(Doppler FFT)하여 속도를 검출한다.

상기 타겟 개수 판별을 통해 같은 거리에 다중 타겟이 있는 경우에는 기존 방식과 동일하게 모든 채널의 모든 첩에 대하여 거리 주파수를 구한다.

거리 주파수를 도플러 축으로 고속퓨리에변환을 한번 더 진행하여 도플러 축에 대하여 문턱치 이상의 값을 선택하여 검출 개수 M을 결정하고 해당 값에 대한 각도와 속도를 도플러 축에서 검출한다.

이상 소개한 본 발명의 과제해결 수단은 추후 설명하는 도면과 실시형태의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

표적이 다른 거리에 있는지 사전에 파악하여 속도 정보를 얻기 위한 Doppler FFT는 1개 채널에 대해서만 계산하고 각도는 거리 주파수에서 얻어지는 위상차를 가지고 검출하여 레이다 신호처리 과정에서의 고속퓨리에변환 연산량을 크게 감소시킬 수 있다.

도 1: 일반적인 레이다 신호 처리의 순서도
도 2: 도 1의 신호처리에 사용되는 Fast-Ramp 파형의 레이다 신호 예시도
도 3: 본 발명에 따른 레이다 신호 처리의 순서도
도 4: 본 발명에서의 고속퓨리에변환 연산량을 나타내는 큐브
도 5: 일반적인 방식의 고속퓨리에변환 연산량을 나타내는 큐브

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 기술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한 이하에서는 본 발명을 방법 측면의 구성요소 명칭인 '...단계' 또는'... 동작'이라는 용어로 설명하겠지만, 이러한 방법 측면의 설명으로도 본 발명의 장치적 측면에 대한 설명은 커버될 수 있음은 자명하다.

도 3은 본 발명에 따른 레이다 표적(타겟) 검출을 위한 신호처리의 순서도이다.

21: 수신된 채널 1번의 아날로그 신호에 대한 디지털신호를 고속퓨리에변환(FFT) 프로세스에 적용한다.

22, 23: 거리 FFT의 문턱치 계산 기법을 적용하여 거리 주파수에서 검출되는 개수(N)를 결정하고 거리를 검출한다.

24: 마지막의 단계 31과 연동하여 N개에 대해서 처리가 완료되었는지 확인하여 N개의 처리가 완료되면 신호처리 동작이 종료된다.

25: 단계 21~23에 의해 검출된 거리 주파수로는 같은 거리에 다수의 타겟(다중 타겟)이 있는지를 확인하기 어렵기 때문에 본 발명에서는 동일한 range bin에서 다중 타겟의 존재 여부를 검출하는 과정을 거친다. 대부분의 다중 타겟의 경우에 타겟들은 같은 거리가 아닌 곳에 있을 확률이 높기 때문에 아래의 절차에서처럼 같은 거리에 다중 타겟이 있는지 여부를 판단하여 동일한 range bin 위치에 검출된 표적이 한 개 있을 때의 채널 간 거리 주파수의 위상 결과를 가지고 각도를 검출함으로써 도플러 고속퓨리에변환의 연산 수를 줄이고자 하는 것이 본 발명의 기본 출발이다. 같은 거리의 다중 타겟을 검출하기 위하여 해당 주파수의 인덱스(N번째 피크) 주변의 수신 안테나의 개수 이상되는 데이터를 이용하여 신호 행렬 X를 생성한다.

26: 생성된 신호 행렬로부터 수학식 1과 2를 이용하여 고유값을 유도한다.

수학식 1은 공분산 행렬 R을 유도하는 식이며, 수학식 1에서 R은 도 3의 25의 과정으로 얻어진 주파수 신호 행렬의 공분산행렬을 의미한다, 고유값 유도식은 수학식 2와 같다.

수학식 2의 I는 단위 행렬이고,

는 수학식 1을 통해서 구하고자 하는 고유값이다.

이며 여기서 M은 수신 안테나 개수를 의미한다.

27: 수학식 2를 통해 유도된 고유값에서, 수학식 3의 고유값 특성에서 보듯이 신호가 아닌 잡음의 고유값은 잡음의 분산값이며 신호의 고유값은 잡음의 고유값에 비해 큰 값이 나오는 특성을 갖는바, 이 성질을 이용하여 타겟 개수를 결정할 수 있다. 따라서 수학식 3의 고유값 특성을 이용하여 타겟 개수를 결정한다.

타겟 개수를 판별하기 위해서 MDL(Minimum description length)(수학식 4)나 GMDL(Gaussian MDL)기법(수학식 5) 등을 사용할 수 있다.

28: 타겟 개수 판별을 통해 같은 거리에 타겟이 1개인지 판별한다. 타겟이 1개인 것으로 판별되면 도 3의 아래 왼쪽의 절차(동일 거리 단일 타겟 검출)를 진행하고, 타겟이 1개가 아닌 것으로 판별되면(즉, 동일 거리 다중 타겟 검출이면) 도 3의 아래 오른쪽의 절차(range bin 다중 검출)를 진행한다.

29, 30: 타겟의 각도를 구하기 위해 수신채널들의 거리 주파수를 계산(range FFT)하여 각도를 검출한다.

32, 33: 속도를 구하기 위하여 한 개 채널을 고속퓨리에변환(Doppler FFT)하여 속도를 검출한다.

31: 각도와 속도의 검출이 완료되면, 앞서의 단계 24와 연동되어 다음 번 신호에 대한 처리를 수행하고 N개에 대해 처리가 완료되면 검출 동작이 종료된다.

34: 단계 28에서의 타겟 개수 판별을 통해 같은 거리에 다중 타겟이 있는 경우에는 기존 방식과 동일하게 모든 채널의 모든 첩에 대하여 거리 주파수를 구한다.

35, 37, 38: 거리 주파수를 도플러 축으로 고속퓨리에변환을 한번 더 진행하여 도플러 축에 대하여 문턱치 이상의 값을 선택하여 검출 개수 M을 결정하고 해당 값에 대한 각도(38)와 속도(37)를 도플러 축에서 검출한다. 도플러(Doppler) 축으로 FFT에 의해 속도에 대한 주파수 정보를 얻는 과정(37)과, 2D-FFT를 통해 얻어진 거리-속도 주파수 영역에서 신호의 크기가 문턱치 이상 되는 주파수를 표적으로 인식하여 각 채널별로 해당되는 주파수 영역의 위상을 계산하여 표적의 각도를 검출하는 과정(38)은 도 1에서 설명한 일반적인 방식으로 수행가능하다.

36, 39: M개의 표적에 대해서 처리가 완료되었는지 확인하여 M개의 처리가 완료되면 같은 거리 다중 타겟 검출 동작이 종료된다.

이상과 같이 본 발명은 기존의 방법과 달리 사전에 같은 거리에 타겟이 있는지 판단하여 고속퓨리에변환 연산 횟수를 줄이는 방법을 제안하였다.

도 4와 도 5는 다른 거리에 두 개의 표적이 있을 경우의 고속퓨리에변환 연산의 횟수(연산량)를 보여주는 큐브 그림이다. 도 5의 일반적인 방식에 비해 도 4의 본 발명의 고속퓨리에변환 연산량이 매우 감소된 것을 볼 수 있다. 도 4의 경우에 도플러 FFT 연산수(Number of Doppler FFT bins)와 거리 FFT 연산수(Number of range FFT bins)가 모든 안테나 개수(Number of antennas)에 대해 수행되지 않음을 알 수 있다.

이와 같이 표적이 다른 거리에 있는지 사전에 파악이 가능하다면 속도 정보를 얻기 위해 Doppler FFT를 1개 채널에 대해서만 계산하고 각도는 거리 주파수에서 얻어지는 위상차를 가지고 검출하도록 설계가 가능하다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (1)

1. 수신된 신호에 대한 거리 고속퓨리에변환을 수행하여 거리 주파수를 계산하여 거리를 검출;
   타겟 개수 판별을 통해 같은 거리에 타겟이 1개인지 판별하여, 타겟이 1개인 것으로 판별되면 수신채널들의 거리 주파수 계산(range FFT)을 하여 각도를 검출하고, 한 개 채널을 고속퓨리에변환(Doppler FFT)하여 속도를 검출;
   상기 타겟 개수 판별을 통해 같은 거리에 다중 타겟이 있는 경우에는 기존 방식과 동일하게 모든 채널의 모든 첩에 대하여 거리 주파수를 계산;
   상기 거리 주파수를 도플러 축으로 고속퓨리에변환을 한번 더 진행하여 도플러 축에 대하여 문턱치 이상의 값을 선택하여 검출 개수 M을 결정하고 해당 값에 대한 각도와 속도를 도플러 축에서 검출하는 것을 포함하는 레이다 표적 검출 연산량 감소 방법.
   
   
   
   
   
   
   

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