KR20230001996A - 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템 - Google Patents

간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수개의 서로 다른 UWB 레이더센서가 혼재하는 상황에서 다른 기기가 송출한 초광대역 신호로 인한 간섭을 최소화하거나 배제할 수 있도록 하여 각각의 UWB 레이더센서가 정확한 거리 측정이 가능하도록 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템을 개시한다.

Description

간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템{Ultra-wideband radar system that eliminates interference}
본 발명은 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템에 관한 것으로 특히 UWB(Ultra Wide Band) 신호를 송 수신하여 대상체의 존재 유무 및 대상체와의 거리를 측정하는 시스템이 다수 존재하여 서로 간의 간섭이 측정에 방해가 되는 경우 이를 해결할 수 있도록 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 출원인은 UWB(Ultra Wide Band, 초광대역) 레이더 센서를 이용한 대상체의 위치 측정 시스템을 개발하고 특허 출원하여 등록받은 바 있으며(대한민국 등록특허공보 제10-2247289 ; 이하 '인용발명'이라 함), 여기에서 UWB(Ultra Wide Band) 레이더 센서는 GHz 대의 UWB신호를 송출하고 송출한 신호가 되돌아온 것을 수신하는 기능을 가지며, 신호 송출 및 수신 시간을 측정함으로써 대상체(사람이나 물체)의 존재 유무를 확인하고 대상체와의 거리를 산출할 수 있도록 하는 것이다.
이러한 UWB 레이더 센서는 동일 기기 간에 동일한 초광대역 주파수를 사용하므로 서로 다른 UWB 레이더 센서의 송출 신호 간에 간섭이 발생할 수 있으며, 이러한 간섭을 피하기 위해서는 각각의 UWB 레이더 센서의 신호 송출 범위가 중첩되지 않도록 설치하거나 인접한 UWB 레이더 센서와 서로 동기 신호를 주고받아 번갈아 동작하도록 해야 한다.
하지만 동일한 초광대역 주파수를 사용하는, 합의되지 않은 서로 다른 UWB 기기가 다양하게 혼재된 상황에서는 UWB 기기 간의 간섭을 피할 수 없으며, 하나의 기기가 송출한 초광대역 신호가 다른 UWB 기기들에게는 간섭으로 작용하여 정확한 데이터를 취득하는데 장애요소가 된다.
즉, 도 1에서와 같이, UWB 레이더 센서 A(1)가 동작하여 대상체(2)와의 거리 측정하는 동안 간섭체인 다른 UWB 레이더 센서(3)가 간섭을 일으키는 상황이 발생될 수 있는 것이다.
UWB 레이더 센서 A(1)는 UWB 신호(4)를 송신하여 이 신호가 대상체(2)에 부딪쳐 되돌아오는 신호(5)를 수신하여 송신시간과 수신시간 간의 시간차를 이용하여 거리를 측정하는데, 이 때 UWB 레이더 센서 B(3)가 UWB 레이더 센서 A(1)와 같은 주파수의 UWB 신호(6)을 송신하면 UWB 레이더 센서A (1)는 UWB 레이더 센서 B(3)의 UWB신호(6 또는 7)로 인해 착오를 일으킬 가능성이 발생한다.
따라서 합의되지 않은 서로 다른 UWB 기기가 다양하게 혼재된 상황에서 발생될 수 있는 간섭을 피할 수 있도록 인용발명을 개선하고자 한다.
대한민국 등록특허공보 제10-2247289
본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 복수개의 서로 다른 UWB 레이더센서가 혼재하는 상황에서 다른 기기가 송출한 초광대역 신호로 인한 간섭을 최소화하거나 배제할 수 있도록 하여 각각의 UWB 레이더센서가 정확한 거리 측정이 가능하도록 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템을 제공함에 있다.
본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 UWB신호를 송수신하는 UWB 레이더 센서와, UWB 레이더 센서를 제어하고 대상체의 위치를 산출하는 호스트위치인식장치가 구성된 초광대역 레이더 시스템에 있어서,
상기 UWB 레이더 센서는 매측정마다 난수를 생성하는 난수생성부가 구비되고, 상기 난수생성부가 생성한 난수를 UWB 레이더 센서의 측정주기에 더하여 연속된 측정 간의 시간차를 난수에 의해 매번 다르게 하는 것이며,
상기 연속된 측정 간의 시간차를 난수에 의해 매번 다르게 하는 UWB 레이더 센서는 인접한 측정에서 랜덤으로 수신되는 신호를 배제하여 간섭을 제거하는 것이다.
이와 같이 하여 본 발명은 주기적으로 UWB 초광대역 신호를 송수신하여 거리를 측정하는 과정을 변경하여 기존 시스템에서 측정주기에 따라 고정된 값을 갖는 연속된 측정 간의 시간차를 난수에 의해 매번 다르게 설정하는 과정을 거치게 되며, 이로 인해 다른 UWB 레이더 센서로 인한 간섭 신호가 인접한 측정에서 서로 다른 시간 위치에 상이하게 나타나게 할 수 있으며, 인접 측정 간에 난수성을 갖는 신호 측정값을 배제함으로써 간섭체인 다른 UWB 레이더 센서 신호의 간섭으로 인한 오류를 제거할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.
또한 본 발명의 UWB 레이더 센서는 설치할 때 다른 UWB 레이더 센서의 존재 유무를 미리 파악하고 송출 신호 영역의 중첩을 회피하여 설치할 필요 없이 근본적으로 UWB 레이더 센서의 혼재하고 변화하는 환경에서도 효과적으로 사용할 수 있으며, 특히 움직이는 물체에 설치할 시 물체가 움직이는 도중에 신호 중첩 영역이 일시적으로 만들어지더라도 이에 상관없이 간섭을 배제하고 일관되게 측정이 가능하게 하여 UWB 레이더 센서의 활용도를 증대시킬 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.
도1은 합의되지 않은 서로 다른 UWB 기기가 다양하게 혼재된 상황에서 다른 UWB 레이더센서로부터 간섭을 받는 상황을 묘사한 설명도.
도2는 본 발명에 의한 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템을 구체적으로 예시한 실시예의 구성도.
도3은 본 발명에 의한 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템의 UWB 레이더 센서 구성을 구체적으로 예시한 실시예의 구성도.
도4는 본 발명에 의한 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템의 UWB 레이더 센서에서 송신, 수신, 간섭신호 도착시간의 도표.
이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템의 구체적인 실시예의 전체적인 구성을 도 2와 도 3으로 도시하였다.
이에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명은 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템은 UWB신호를 송수신하는 UWB 레이더 센서(200)와, UWB 레이더 센서(200)를 제어하고 대상체(300)의 위치를 산출하는 호스트위치인식장치(100)가 구성된 초광대역 레이더 시스템에 있어서,
상기 UWB 레이더 센서(200)는 매측정마다 난수를 생성하는 난수생성부(220)가 구비되고, 상기 난수생성부(220)가 생성한 난수를 UWB 레이더 센서(200)의 측정주기에 더하여 연속된 측정 간의 시간차를 난수에 의해 매번 다르게 하는 것이며,
상기 연속된 측정 간의 시간차를 난수에 의해 매번 다르게 하는 UWB 레이더 센서(200)는 인접한 측정에서 랜덤으로 수신되는 신호를 배제하여 간섭을 제거하는 것이다.
이를 각 구성요소별로 더욱 상세하게 설명하면, 상기 호스트위치인식장치(100)는 UWB 레이더 센서(200)의 측정정보에 의해 대상체(300)의 공간적 위치를 산출할 수 있으며, 상기 UWB 레이더 센서(200)는 호스트위치인식장치(100)의 제어에 따라 송신 모드 또는 송수신 모드로 작동될 수 있고, UWB 레이더 센서(200)가 UWB신호를 송신하여 수신하는 것을 측정이라 하며, 측정 후 다음 측정까지의 시간 간격(송신 후 다음 송신까지 시간 간격)은 측정주기(측정간격)이고, 이러한 UWB 레이더 센서(200)는 서로 간섭되지 않는 범위에서 다수개가 구성될 수 있다.
이러한 상기 UWB 레이더 센서(200)는 도 3에서 구체적으로 예시한 바와 같이, 동기신호생성부(201), 제어 및 소스신호생성부(202), UWB 신호생성부(203), 신호전송부(204), 스위치부(205), 신호지연부(206), 신호수신부(207), 신호처리부(209), 호스트인터페이스(208), 안테나(210), 난수생성부(220)가 구성될 수 있으며, 상기 안테나(210)가 송수신 별로 분리되는 경우 스위치부(205)는 생략될 수 있다.
상기 동기신호생성부(201)는 내부 동기신호를 생성한다. 상기 동기신호는 일정 주기를 가지는 펄스 신호이며, 동기신호생성부(201)는 동기신호에 맞추어 제어 및 소스신호생성부(202)가 동작하도록 제어 신호를 인가한다.
상기 제어 및 소스신호생성부(202)는 UWB신호를 만들기 위한 제어 및 소스 신호를 생성하여 UWB신호생성부(203), 신호지연부(206)에 전달하는 것이며, 상기 난수생성부(220)는 UWB 레이더 센서(200)의 매 측정마다 제한된 범위 내의 서로 다른 난수를 생성하여 상기 제어 및 소스신호생성부(202)에 전달하여 제어 및 소스 신호를 난수에 따라 매번 다른 시간차를 두고 생성할 수 있도록 하는 것이다.
또한 상기 UWB신호생성부(203)는 제어 및 소스신호생성부(202)의 제어 및 소스 신호에 의한 제어에 따라 UWB신호를 생성하며, 신호전송부(204)는 UWB신호생성부(203)에서 생성한 UWB신호를 스위치부(205)를 통해 외부로 전송한다.
상기 스위치부(205)는 UWB신호생성부(203)에서 생성한 UWB 송출 신호 여부에 따라 스위칭 동작을 수행하며, 신호전송부(204)와 안테나(210)를 전기적으로 연결하거나, 신호수신부(207)을 안테나(210)를 전기적으로 연결하며, 이에 따라 신호전송부(204)에 의한 신호가 안테나(210)로 전송되거나 안테나(210)에서 수신된 신호가 신호수신부(207)로 전달된다.
상기 안테나(210)는 스위치부(205)를 통해 신호전송부(204)에서 수신한 전기적신호를 RF신호로 전송하거나 RF신호를 수신하여 전기적신호로 바꾸어 신호수신부(207)에 전달한다.
상기 신호지연부(206)는 송출한 UWB신호가 되돌아오는 지연시간을 측정을 위해 UWB신호생성부(203)의 신호를 지연시켜 신호수신부(207)에 전달한다.
상기 신호처리부(209)는 신호수신부(207)을 통해 수신된 UWB신호의 세기와 수신시간 데이터를 이용하여 UWB신호의 세기가 설정된 임계치와 비교하여 대상체(300)의 감지 여부를 판단한다. 여기서 수신시간(RTT : Round trip time)은 UWB신호의 송출시점부터 되돌아온 UWB신호가 수신된 시간을 의미한다.
또한 상기 신호처리부(209)는 연속된 다수의 측정주기에서 랜덤으로 수신되는 UWB신호를 간섭 신호로 판단하여 배제하는 디지털필터가 구비될 수 있고, 동일 대상체(300)에 대한 반복 측정에 의해 RTT 마다 속도를 계산하여 설정값보다 큰 RTT는 배제하는 것일 수 있다.
상기 호스트인터페이스(208)은 호스트위치인식장치(100)로부터 송수신 또는 수신 모드로 설정 값을 받아 UWB 레이더 센서(200) 내부 레지스터 값을 설정하며, 측정 시작 명령을 수신하여 내부 동작을 시작하도록 할 수 있고, 신호처리부(209)에서 측정된 시간 값을 호스트위치인식장치(100)로 전송하는 역할을 수행한다.
이러한 본 발명에 의한 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템은 인접 측정의 최소 간격을 시간 △T라고 하고, 여기에 제한된 범위의 난수 값 R을 더하여 실제 측정 간격을 결정한다.
본 발명의 동작을 수학적으로 해석하면, 아래의 수식1과 같이, 동일한 시간 위치에 외부 간섭f(t)가 존재하고, 이 간섭을 주파수 영역으로 변환하면 F(w)라 할 때, 시간 R만큼 비켜 측정한 경우 f(t-R)이 관측되고, 이를 주파수 영역으로 변환하면 F(w)e-jwR가 된다. 측정을 여러 번 반복하여 기대값을 계산하면 아래의 수식1과 같이 나타나는데 여기서 측정 수를 늘리면 기대값이 0에 수렴하여 간섭의 효과를 배제할 수 있음을 알 수 있다.
<수식1>
Figure pat00001
이를 UWB 레이더센서(200)에서 송수신 신호 시점 및 간섭 신호시점으로 타임라인에서 도시하면 도4와 같다. 연속된 측정 간의 시간차를 난수에 의해 매번 다르게 하는 UWB 레이더센서(200)에서는 송신 신호 시점과 대상체(300)에서 반사된 수신 신호 시점의 차이가 대상체(300)까지의 거리에 따라 고정된 값인 '대상체 RTT' 로 나타나는 반면, 다른 UWB 레이더센서 송신 신호로 인한 간섭으로 나타나는, 송신 신호 시점과 간섭 신호 시점 차, '간섭 RTT'는 난수 간격을 가지는 송신시점으로 인해 랜덤 변수 값으로 나타나게 되므로, 신호처리부(209)에서 디지털필터를 통해 랜덤 변수 값으로 나타나는 간섭신호를 손쉽게 제거할 수 있게 되는 것이다.
즉, 동일한 대상체(300)에 대하여 UWB 레이더센서(200)의 송신 신호와 수신 신호는 일정한 관계가 있기 때문에 측정간격이 램덤으로 변하더라도 UWB 레이더센서(200)의 송신 신호에 대한 수신 신호는 일정하게 수신되지만 아무런 관계가 없는 간섭 신호는 UWB 레이더센서(200)의 송신 신호에 대해 랜덤하게 되는 것이며, 이러한 차이점을 더욱 명확하고 신속하게 구별하여 제거할 수 있도록 연속된 측정 간의 시간차를 난수에 의해 매번 다르게 하는 UWB 레이더 센서(200)는 설정된 횟수만큼 동일한 대상체(300)에 대하여 측정을 반복하여 누적한 결과를 측정 결과로 사용하여 랜덤으로 수신되는 신호를 간섭 신호로 판단하여 배제하도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한 상기 UWB 레이더 센서(200)는 인접한 측정들 간에 미리 지정된 상대 속도보다 큰 측정값을 배제하는 방식으로 간섭을 제거할 수도 있다. RTT(Round Trip Time)은 UWB신호(전자파)가 UWB 레이더 센서(200)에서 송신된 후 대상체(300)에 반사되어 되돌아와서 UWB 레이더 센서(200)에 수신되기까지 시간이며, 이는 UWB 레이더 센서(200)와 대상체(300)의 거리와 전파속도(광속)의 수식(수식2)으로 나타낼 수 있다.
<수식2>
Figure pat00002
여기에서 대상체(300)가 움직이는 물체인 경우, 연속된 측정에서 측정시간간격 동안 위치의 변화가 생기게 되며, 대상체RTT는 아래의 수식3과 같은 변화량을 가지게 된다.
<수식3>
Figure pat00003
그러나 합의되지 않은 센서 등과 같은 간섭체에서 송신한 신호가 간섭 신호로 수신되는 경우, 해당 간섭 신호는 본 발명의 UWB 레이더 센서(200)의 송신시간 기준으로 임의시간간격을 가지게 되며, 이는 대상체RTT 변화량이 임의시간간격임을 의미한다. 이 때 간섭 신호에 의한 대상체(300)의 상대속도를 계산하면 수식4와 같다.
<수식4>
Figure pat00004
상기 수식4에서 임의시간간격을 측정시간간격의 1%만 적용하더라도 간섭신호에 의한 대상체(300)의 상대속도는 광속의 0.5%에 달하며, 이를 시속으로 환산하면 5,400,000km/h로 실재할 수 없는 비현실적인 속도가 산출되며, UWB 레이더 센서(200)에서 이러한 결과를 내는 간섭 신호를 제거하면 간섭체의 영향을 제거할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 UWB 레이더 센서(200)에서 측정간격의 난수화는 측정간격을 매측정이 아닌 임의회수마다 변경함으로써 부분적으로 완화하여 적용할 수도 있으며, 이는 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다 할 수 있다. 일례로, 특정 횟수의 연속된 측정을 그룹으로 묶고 그룹내에서는 동일한 측정간격을 가지되 그룹별로 서로 다른 난수의 측정간격, 주기를 가지는 방식으로도 단순화할 수 있다.
이상에서, 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것이 아니고, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다.
100:호스트위치인식장치 200:UWB 레이더 센서
201:동기신호생성부 202:제어 및 소스신호생성부
203:UWB신호생성부 204:신호전송부
205:스위치부 206:신호지연부
207:신호수신부 208:호스트인터페이스
209:신호처리부 210:안테나
220:난수생성부 300:대상체

Claims (3)

  1. UWB신호를 송수신하는 UWB 레이더 센서와, UWB 레이더 센서를 제어하고 대상체의 위치를 산출하는 호스트위치인식장치가 구성된 초광대역 레이더 시스템에 있어서,
    상기 UWB 레이더 센서는 매측정마다 난수를 생성하는 난수생성부가 구비되고, 상기 난수생성부가 생성한 난수를 UWB 레이더 센서의 측정주기에 더하여 연속된 측정 간의 시간차를 난수에 의해 매번 다르게 하는 것이며,
    상기 연속된 측정 간의 시간차를 난수에 의해 매번 다르게 하는 UWB 레이더 센서는 인접한 측정에서 랜덤으로 수신되는 신호를 배제하여 간섭을 제거하는 것임을 특징으로 하는 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 UWB 레이더 센서는 인접한 측정들 간에 미리 지정된 상대 속도보다 큰 측정값을 배제하여 간섭을 제거하는 기작을 가진 것임을 특징으로 하는 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속된 측정 간의 시간차를 난수에 의해 매번 다르게 하는 UWB 레이더 센서는 설정된 횟수만큼 동일한 대상체에 대하여 측정을 반복하여 누적한 결과를 측정 결과로 사용하여 랜덤으로 수신되는 신호를 간섭 신호로 판단하여 배제하는 것임을 특징으로 하는 간섭을 배제하는 초광대역 레이더 시스템.
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