KR20240005536A - 타깃의 속도 추정 방법 및 그 장치 - Google Patents

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KR20240005536A
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Abstract

속도 모호성없이 타깃의 속도를 올바르게 추정할 수 있는 타깃의 속도 추정 방법 및 그 장치가 개시된다. 타깃의 속도 추정 장치는, 타깃에 의해 반사되는 에코 신호를 수신하는 에코 신호 수신부; 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환으로 추정된 도플러 주파수를 추출하여 명확하지만 모호성이 있는 제1 추정 속도()를 도출하는 제1 추정 속도 도출부; 상기 에코 신호에 대해 다중 프레임 동안 측정된 거리비를 사용하여 모호성이 없는 제2 추정 속도()를 도출하는 제2 추정 속도 도출부; 상기 제1 추정 속도와 상기 제2 추정 속도를 근거로 모호성 매개변수()를 계산하는 모호성 매개변수 계산부; 및 상기 모호성 매개변수에 기초하여 타깃의 명확한 속도(vtrue)를 (여기서, , , λ는 신호의 파장, 는 도플러 주파수, Tc는 신호 발생 간 지속 시간)의 수식을 이용하여 산정하는 속도 산정부를 포함한다.

Description

타깃의 속도 추정 방법 및 그 장치{METHOD FOR ESTIMATING VELOCITY OF TARGET AND DEVICE THEREFOR}
본 발명은 타깃의 속도 추정 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 속도 모호성없이 타깃의 속도를 올바르게 추정할 수 있는 타깃의 속도 추정 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
최근에는 레이더의 감지 성능을 개선하기 위해 다중입력다중출력(MIMO) 안테나 구성을 갖춘 레이더가 상용화되고 있다. 전송 채널 간의 직교성을 보장하기 위해, 다양한 신호 다중화 기술이 MIMO 레이더에서 사용되고 있다. 특히, 시분할 다중화(TDM) 방법은 단순한 하드웨어 구조 때문에 널리 사용된다. 하지만, TDM 기반 방법의 가장 큰 단점은 동종의 처프 사이의 지속 시간이 송신 안테나(Tx)의 수에 비례하여 증가한다는 것이다. 감소된 최대 감지 가능 속도는 레이더의 감지 능력을 현저하게 저하시킬 수 있다.
속도 모호성을 해결하고 레이더의 최대 감지 가능 속도를 확장하기 위해 많은 연구가 수행되었다. 예를 들어, 인접한 처프 사이의 주파수 변화를 줌으로써 처프 시퀀스 변조 체계가 제안되었다. 또한 다양한 처프 반복 주기를 가진 전송 신호가 사용되었다.
그러나, 이러한 방법과 관련된 주요 단점은 기존 하드웨어를 수정해야 한다는 것이다. 또한 속도 모호성 문제를 완화하기 위해 두 개의 인접한 프레임 사이의 거리 변화를 사용하였다. 다만, 레이더로 감지할 수 있을 정도로 인접 프레임 간 거리 차이가 크지 않은 경우에는 이 방법을 적용할 수 없다. 또한 두 프레임에 대한 거리 변화 기반 방법의 성능은 불안정하며 레이더의 거리 감지 능력에 민감하다는 특징이 있다.
한국등록특허 제10-2133743호(2020. 07. 14.) 한국등록특허 제10-1957342호(2019. 03. 14.) 한국등록특허 제10-1163074호(2012. 07. 05.)
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에 착안한 것으로, 본 발명의 목적은 추가적으로 하드웨어를 설치하거나 변경하지 않고 도플러 주파수와 거리 변화율을 결합하여 속도 모호성없이 타깃의 속도를 올바르게 추정할 수 있는 한 타깃의 속도 추정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 타깃의 속도 추정 방법을 수행하는 타깃의 속도 추정 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 타깃의 속도 추정 방법은, 타깃에 의해 반사되는 에코 신호를 수신하는 단계; 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환으로 추정된 도플러 주파수를 추출하여 명확하지만 모호성이 있는 제1 추정 속도()를 도출하는 단계; 상기 에코 신호에 대해 다중 프레임 동안 측정된 거리비를 사용하여 모호성이 없는 제2 추정 속도()를 도출하는 단계; 상기 제1 추정 속도와 상기 제2 추정 속도를 근거로 모호성 매개변수()를 계산하는 단계; 및 상기 모호성 매개변수에 기초하여 타깃의 명확한 속도(vtrue)를 (여기서, , , λ는 신호의 파장, 는 도플러 주파수, Tc는 신호 발생 간 지속 시간)의 수식을 이용하여 산정하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 제1 추정 속도는, 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 이용하여 도플러 주파수를 추출하고, 상기 도플러 주파수를 이용한 속도를 추정하여 도출될 수 있다.
일실시예에서, 상기 도플러 주파수는,
(여기서, Ts와 Tl은 인접 샘플과 처프 사이의 지속시간, φ는 잔여 위상 항, M은 샘플 개수, fb와 fd는 각각 m축과 l축에 따른 주파수로 비트 주파수와 도플러 주파수)의 비트 신호에 2차원(2D) 고속 푸리에 변환(FFT)을 적용하여 추정될 수 있다.
일실시예에서, 상기 제2 추정 속도는, 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 이용한 타깃의 거리 정보를 추출하고, 시간에 따른 거리 값 누적 및 선형 방정식을 수립하고, 최소자승법(LS)을 이용한 거리 변화율을 추정하여 도출될 수 있다.
일실시예에서, 상기 모호성 매개변수()는, 의 수식에 의해 계산될 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 타깃의 속도 추정 장치는, 타깃에 의해 반사되는 에코 신호를 수신하는 에코 신호 수신부; 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환으로 추정된 도플러 주파수를 추출하여 명확하지만 모호성이 있는 제1 추정 속도()를 도출하는 제1 추정 속도 도출부; 상기 에코 신호에 대해 다중 프레임 동안 측정된 거리비를 사용하여 모호성이 없는 제2 추정 속도()를 도출하는 제2 추정 속도 도출부; 상기 제1 추정 속도와 상기 제2 추정 속도를 근거로 모호성 매개변수()를 계산하는 모호성 매개변수 계산부; 및 상기 모호성 매개변수에 기초하여 타깃의 명확한 속도(vtrue)를 (여기서, , , λ는 신호의 파장, 는 도플러 주파수, Tc는 신호 발생 간 지속 시간)의 수식을 이용하여 산정하는 속도 산정부를 포함한다.
일실시예에서, 상기 제1 추정 속도 도출부는, 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 이용하여 도플러 주파수를 추출하고, 상기 도플러 주파수를 이용한 속도를 추정하여 상기 제1 추정 속도를 도출할 수 있다.
일실시예에서, 상기 제2 추정 속도 도출부는, 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 이용한 타깃의 거리 정보를 추출하고, 시간에 따른 거리 값 누적 및 선형 방정식을 수립하고, 최소자승법(LS)을 이용한 거리 변화율을 추정하여 상기 제2 추정 속도를 도출할 수 있다.
일실시예에서, 상기 모호성 매개변수 계산부는, 의 수식을 통해 상기 모호성 매개변수()를 계산할 수 있다.
이러한 타깃의 속도 추정 방법 및 그 장치에 의하면, FMCW 레이더에서 속도 모호성 문제를 해결하는 기술로서, 제한된 최대 감지 속도를 높여 타깃의 속도 추정 성능을 높일 수 있다. 또한 추가적으로 하드웨어를 설치하거나 변경하지 않고 상용 레이더의 속도 추정 성능 한계를 개선하는 기술로서, 기존 상용화 레이더의 디지털 신호 처리단에서 간단히 구현할 수 있다. MINO 안테나를 사용할 때뿐만 아니라 SISO 안테나를 사용할 때도 본 발명을 적용할 수 있다. 본 발명을 통해 속도 모호성 문제를 해결하여 레이더의 타깃 검출 성능을 향상시켜 사업성 측면에서 이득이 있다.
도 1은 FMCW 레이더 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 2는 도 1의 FMCW 레이더 시스템에서 전송되는 처프 신호를 설명하기 위한 파형도이다.
도 3은 앨리어싱으로 인해 잘못 추정된 명확한 감지 영역의 외부 속도의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 타깃의 속도 추정 장치를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 5는 모호하게 추정된 속도와 여러 후보 속도의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 다중 프레임에 누적된 추정 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 타깃의 속도 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 거리 및 속도 추정 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 프레임이 진행됨에 따라 세 타깃의 범위 변화를 보여주는 도면이다.
도 10a 내지 도 10d는 다양한 속도 추정 방법들의 비교를 위한 그래프들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
주파수 변조 연속파(Frequency Modulation Continuous Wave, 이하 FMCW) 레이더 시스템은 신호의 주파수가 시간의 선형 함수인 선형 주파수 변조 방식을 사용한다.
도 1은 FMCW 레이더 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, FMCW 레이더 시스템(100)은 로컬 오실레이터(110), 송신 안테나(120), 수신 안테나(130), 믹서(140), 로우패스필터(150), 아날로그-디지털 컨버터(160) 및 디지털 신호 처리기(170)를 포함한다.
로컬 오실레이터(110)는 송신 안테나(110)를 통해 주기적으로 전송되는 처프 신호를 생성한다. 전송된 처프 신호는 다음 수식 (1)과 같이 표현될 수 있다.
[수식 1]
여기서 fc, K 및 Tc는 각각 전송된 처프 신호의 반송 주파수, 주파수 기울기 및 지속 시간을 나타낸다.
도 2는 도 1의 FMCW 레이더 시스템에서 전송되는 처프 신호를 설명하기 위한 파형도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, L개의 연속적인 처프에 대해 전송이 반복된다. 한 사이클에서 전송되는 L개의 처프 집합을 프레임이라고 하며, 각 프레임은 타깃의 범위와 속도를 추정하는 데 사용된다.
도 1을 다시 참조하면, 전송된 신호는 레이더의 감지 범위에 있는 산란체에 의해 반사되고 지연된 에코 신호는 수신 안테나(130)를 통해 수신된다. 그런 다음 수신된 신호는 전송된 신호와 믹서(140)에 의해 혼합되고 혼합된 신호에는 로우패스필터(150)에 의한 로우패스 필터링이 적용된다. 직교 복조를 사용하면, 샘플링 후 수신된 신호를 일반적으로 비트 신호라고 하는 지수 형식으로 아래 수식(2)로 표현할 수 있다.
[수식 2]
여기서, Ts와 Tl은 인접 샘플과 처프 사이의 지속시간, φ는 잔여 위상 항, M은 샘플 개수이다. 또한, fb와 fd는 각각 m축과 l축에 따른 주파수로 비트 주파수와 도플러 주파수로 표기한다.
비트 주파수(fb)와 도플러 주파수(fd)는 각각 거리와 속도의 함수로 아래의 수식 (3)과 같이 표현될 수 있다.
[수식 3]
여기서, K는 전송된 신호의 반송파 주파수 기울기이고, R과 v는 타깃의 거리와 속도이고, λ는 신호의 파장이다.
비트 주파수(fb)와 도플러 주파수(fd)는 수식(2)의 비트 신호에 2차원(2D) 고속 푸리에 변환(FFT)을 적용하여 추정할 수 있다.
따라서, 타깃의 거리와 속도는 각각 와 로 추정할 수 있다.
한편, FMCW 레이더 시스템에 의한 속도의 추정은 일반적으로 타깃의 도플러 주파수에 기반한다. 그러나, 나이퀴스트 정리에 따르면, 샘플링 주파수는 감지 가능한 최대 주파수에 상한을 둔다. l축을 따른 샘플링 주파수가 와 같기 때문에, 감지 가능한 도플러 주파수 영역은 이다. 이는 감지 가능한 속도 영역 으로 변환된다. 를 로 정의함으로써(), 명확한 속도의 감지 영역은 와 같다.
위상의 2π-주기성으로 인해, 명확한 감지 영역의 외부 속도는 명확한 감지 영역으로 다시 접힌다.
도 3은 앨리어싱으로 인해 잘못 추정된 명확한 감지 영역의 외부 속도의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 추정 속도()는 항상 [-vmax, vmax]에 있기 때문에, 추정 속도()는 다음 수식 (4)와 같이 표현할 수 있다.
[수식 4]
여기서, vtrue는 실제 속도, 는 바닥 함수, 은 도 2에 표시된 영역을 결정하는 정수 값이다.
정수 값 은 속도 모호성 해결에 중요한 역할을 하며 "모호성 매개변수(ambiguity parameter)"로 표시된다. 실제 속도(vtrue)는 수식 (4)의 항을 재정렬하여 모호하게 추정된 추정 속도()로부터 아래 수식 (5)와 같이 결정할 수 있다.
[수식 5]
따라서, 모호성 매개변수()가 결정되면 속도 모호성을 해결할 수 있다. 최소 제곱법(LS)에 기초한 모호성 매개변수의 추정 방법은 후술하기로 한다.
속도 모호성 문제는 송신시 여러 송신 안테나(120)가 사용될 때 특히 중요하다. 예를 들어, MIMO 전송을 위해 시분할 다중화(TDM) 방식을 사용하는 경우, 시간 간격을 분할하여 교대로 송신한다. 동종 처프 사이의 지속시간은 송신 안테나(120)의 수만큼 증가하고, 이에 따라 명확한 감지 영역은 송신 안테나(120)의 수만큼 감소한다. MIMO 구조는 레이더 산업에서 널리 사용되고 있기 때문에 속도 모호성을 해결하고 레이더의 최대 감지 속도를 증가시키는 것은 필요하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 타깃의 속도 추정 장치를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 타깃의 속도 추정 장치(200)는 에코 신호 수신부(210), 제1 추정 속도 도출부(220), 제2 추정 속도 도출부(230), 모호성 매개변수 계산부(240) 및 속도 산정부(250)를 포함한다.
에코 신호 수신부(210)는 타깃에 의해 반사되는 에코 신호를 수신한다.
제1 추정 속도 도출부(220)는 도플러 주파수 추출부(222) 및 제1 추정 속도 획득부(224)를 포함하여 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 이용한 도플러 주파수를 추출하고, 상기 도플러 주파수를 이용한 속도를 추정하여 제1 추정 속도()를 도출한다.
제2 추정 속도 도출부(230)는 거리 정보 추출부(232), 선형 방정식 수립부(234) 및 제2 추정 속도 획득부(236)를 포함하여 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 이용한 타깃의 거리 정보를 추출하고, 시간에 따른 거리 값 누적 및 선형 방정식을 수립하고, 최소자승법(LS)을 이용한 거리 변화율을 추정하여 제2 추정 속도()를 도출한다. 즉, 제2 추정 속도 도출부(230)는 다중 프레임에 대해 측정된 거리 속도를 사용하여 모호함이 없는 근사 속도인 제2 추정 속도()를 도출한다. 최소 제곱법(LS)은 추정 거리와 프레임 인덱스 사이의 선형 관계를 도출하는 데 사용된다.
모호성 매개변수 계산부(240)는 상기 제1 추정 속도와 상기 제2 추정 속도를 근거로 모호성 매개변수()를 계산한다.
도 5는 모호하게 추정된 속도와 여러 후보 속도의 예를 설명하기 위한 도면이다.
모호성 매개변수()를 결정함으로써 확실한 속도는 후보 속도 중에서 선택될 것이다.
다음으로, 모호함이 없는 근사 속도는 거리 정보를 사용하여 추정된다.
k번째 프레임에서 타깃의 추정 거리를 로 정의한다. 그런 다음 이러한 추정 속도는 Nf 연속 프레임에 대해 누적한다.
도 6은 다중 프레임에 누적된 추정 범위를 설명하기 위한 도면이다. 특히. 프레임 지수(k)의 함수로 를 표시한 결과가 양 및 음의 속도 모두로 보여준다.
도 6을 참조하면, 속도가 양수이면, 프레임이 전진함에 따라 추정 거리가 증가한다. 반면에 음의 속도에서는 그 반대이다. 두 경우 모두 선형 회귀 알고리즘을 사용하여 선형 관계식 및 모호성 없는 근사 속도를 얻을 수 있다.
선형 회귀 알고리즘 중에서 오차 제곱 합을 최소화하는 최소 제곱법(LS)을 사용한다. 인접한 프레임 간의 거리 차이는 와 같다. 여기서, 는 프레임의 지속 시간이고, 는 거리기반으로 추정된 속도이다. 따라서 선형 시스템 모델은 (여기서, C는 초기 거리 값)와 같이 주어진다. 방정식은 행렬 형태로 다음 수식(6)과 같이 표현할 수 있다.
[수식 6]
수식 (6)의 선형 방정식에서 의 최소 제곱법(LS)의 해는 로 주어진다. 여기서, 는 Moore-Penrose 역 연산자이다.
따라서, 를 계산하고, 첫 번째 원소를 추출하여 를 추정할 수 있다.
다음으로, 모호성 매개변수()는 에 가장 가까운 후보 속도를 구함으로써 결정된다. 즉, 모호성 매개변수()는 수식 (7)의 최적화 함수를 풀어서 결정된다.
[수식 7]
여기서, 는 거리기반으로 추정된 제2 추정 속도이다.
N은 정수라는 제약 조건에 따른다. 위의 최적화 문제에 대한 해법은 닫힌 형태로 다음 수식(8)과 같이 표현될 수 있다.
[수식 8]
도 4를 다시 참조하면, 속도 산정부(250)는 상기 모호성 매개변수()에 기초하여 타깃의 명확한 속도(vtrue)를 (여기서, , , λ는 신호의 파장, 는 도플러 주파수, Tc는 신호 발생 간 지속 시간)의 수식을 이용하여 산정한다.
이상에서 설명된 타깃의 속도 추정 장치(200)는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현되어 도 1에 도시된 디지털 신호 처리기(170)에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 타깃의 속도 추정 장치(200) 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.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 타깃의 속도 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 타깃에 의해 반사되는 에코 신호를 수신한다(단계 S100).
상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 이용한 도플러 주파수를 추출한다(단계 S102).
이어, 상기 도플러 주파수를 이용한 속도를 추정하여 제1 추정 속도()를 도출한다(단계 S104).
한편, 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 이용한 타깃의 거리 정보를 추출한다(단계 S108).
이어, 시간에 따른 거리 값 누적 및 선형 방정식을 수립한다(단계 S110).
이어, 최소자승법(LS)을 이용한 거리 변화율을 추정하여 제2 추정 속도()를 도출한다(단계 S112).
상기 제1 추정 속도와 상기 제2 추정 속도를 근거로 모호성 매개변수()를 계산한다(단계 S114).
상기 모호성 매개변수에 기초하여 타깃의 명확한 속도(vtrue)를 (여기서, , , λ는 신호의 파장, 는 도플러 주파수, Tc는 신호 발생 간 지속 시간)의 수식을 이용하여 산정한다(단계 S116),
본 실시예에 따른 타깃의 속도 추정 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
그러면, 이하에서 시뮬레이션된 데이터를 이용하여 제안된 속도 명확화 방법의 성능을 평가한다.
시뮬레이션에 사용된 FMCW 레이더 시스템의 매개변수는 표 1과 같다.
[표 1]
2개의 송신 안테나가 있는 MIMO 레이더 시스템을 가정했고, 최대 속도는 9.73m/s였다. 또한 레이더의 탐지 범위에 3개의 타깃이 있다고 가정하고 타깃의 범위와 속도를 표 2와 같이 설정하였다.
[표 2]
3개의 타깃 중 타깃 B의 속도는 N = 0에서 볼 수 있는 바와 같이 명확한 감지 영역 내부에 있다. 반면에, 나머지 두 타깃은 N = 1 및 N =-2으로 명확한 감지 영역 외부의 속도를 갖는다. 따라서, 타깃 A와 C의 속도는 모호하지 않은 감지 영역으로 다시 접혀 잘못된 추정으로 이어질 것으로 예상된다.
먼저, 비트 신호에 2D FFT를 적용하여 타깃의 범위와 속도를 동시에 추정하였다. 결과 2D 스펙트럼은 도 8에 나와 있다.
도 8은 거리 및 속도 추정 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 타깃 B의 속도는 5.02m/s로 정확하게 추정되었는데, 그 이유는 속도가 명확한 탐지 영역 안에 있기 때문이다. 하지만, 타깃 A와 C의 속도는 각각 -4.41m/s와 -2.59m/s로 잘못 추정되었다. 속도 모호성으로 인해 기존의 도플러 주파수 추정 방법은 큰 오류가 발생했다.
다음으로, 다중 프레임에 대한 범위 추정 결과를 누적하여 타깃의 범위 비율을 추정하였다.
도 9는 프레임이 진행됨에 따라 세 타깃의 범위 변화를 보여주는 도면이다.
도 9에서, 프레임 인덱스에 따른 범위 변화를 명확하게 나타내기 위해 프레임 수를 30으로 설정하였다. 하지만, 동적 환경에서 즉각적인 응답이 필요한 경우 프레임 수를 큰 값으로 설정할 수 없다. 범위율 계산을 위해 더 많은 프레임을 누적하면 예상 속도가 더 정확해 지지만 타깃의 속도 추정에 필요한 계산 시간도 늘어난다. 반면에 범위 비율 계산에 더 적은 수의 프레임을 사용하면 타깃의 속도 추정을 빠르게 수행할 수 있지만 추정된 속도를 신뢰할 수 없다.
범위율을 계산하기 위한 프레임 수는 원하는 응용 프로그램에 따라 적절하게 설정되어야 하는 설계 매개변수이다. 50ms 동안 데이터를 누적하는 데 해당하는 성능과 복잡성 간의 균형을 고려하여 프레임 수를 5로 설정했다. 모호성 매개변수(N)를 결정할 때 대략적인 속도 추정값만 필요하기 때문에 5개의 범위 정보를 사용하는 것으로 충분했으며, 범위 속도 추정값은 각각 20.49m/s, 0m/s 및 -23.42m/s이다. 모호성 매개변수(N)는 3개 타깃 모두에 대해 각각 1, 0 및 -2로 정확하게 추정되었으며, 명확한 속도는 15.06m/s, 5.02m/s 및 -22.05m/s로 재구성되었다.
또한 본 발명에 따른 방법의 성능을 기존의 도플러 주파수 추정 방법(Doppler frequency estimation method), 차동 범위 방법(differential range method), 가상 속도 방법(hypothetical velocity method)과 비교하였다.
타깃의 속도는 [-5vmax; 5vmax]로 설정하였고, 그 범위는 20m에서 80m 사이의 임의의 값으로 설정하였다.
도 10a 내지 도 10d는 다양한 속도 추정 방법들의 비교를 위한 그래프들이다. 특히, 도 10a는 기존의 도플러 방법에 의한 속도 추정을 나타낸 그래프이고, 도 10b는 차동 범위 방법에 의한 속도 추정을 나타낸 그래프이고, 도 10c는 가상 속도 방법에 의한 속도 추정을 나타낸 그래프이고, 도 10d는 본 발명에 따른 방법에 의한 속도 추정을 나타낸 그래프이다.
도 10a 내지 도 10d에서 보는 바와 같이, 기존의 도플러 주파수 추정 방법은 속도 모호성이 발생하여 [-vmax; vmax]의 외부 속도를 추정하는데 실패했다. 또한, 인접 프레임 간의 범위 변동을 계산하는 차동 범위 방법은 신뢰할 수 없는 추정을 초래했다. 상기 차동 범위 방법의 결과와 여러 가상 속도들을 결합한 가상 속도 방법이 훨씬 더 안정적인 성능을 보였다.
하지만, 불연속에서 알 수 있듯이 일부 속도 값에는 오류가 있었다. 이는 상기한 가상 속도 방법이 두 프레임의 범위 정보만 사용하고 범위 비율 추정치가 정확하지 않을 때 잘못된 가설을 선택하는 경우가 있기 때문이다.
이에 반해, 본 발명에 따라 제안되는 방법은 모든 관심 값에 대해 타깃의 속도를 정확하게 추정할 수 있었고 속도 모호성이 해결되었다.
따라서, 본 발명에 따라 제안되는 속도 명확화 방법이 하드웨어적 한계를 극복함으로써 레이더의 탐지 성능을 향상시키는 데 도움이 될 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 일반적으로 타깃의 속도 추정 방식에 사용되는 고속 푸리에 변환으로 추정된 도플러 주파수를 추출하여 명확하지만 모호성이 있는 제1 추정 속도를 추출하고, 다중 프레임 동안 측정된 거리비를 사용하여 모호성이 없는 근사 속도인 제2 추정 속도를 추정한다. 이때, 최소 자승법을 사용하여 추정된 거리와 프레임 인덱스 사이의 선형 관계를 추정하여 근사 속도를 추정한다. 이후, 상기 제1 추정 속도와 상기 제2 추정 속도를 이용하여 모호성 매개변수(N)을 결정한 후, 모호성이 없는 명확한 타깃의 속도를 도출한다.
이에 따라, 하드웨어를 추가하거나 변경하지 않고 간단한 신호처리 방식을 사용하여 타깃의 속도를 모호성 문제없이 명확히 추정할 수 있다.
종래의 기술들은 인접한 처프에 주파수 변화를 두거나 시간에 따른 주파수 기울기를 변화시켜 서로 다른 두 처프를 번갈아가며 송신하는 변조 기법을 사용하여 속도의 모호성 문제를 해결하고자 하였다.
하지만 본 발명은 하드웨어를 추가하거나 변경하지 않고 상용화 레이더의 디지털 신호 처리단에서 간단히 구현함으로써, 레이더의 속도 추정 성능 한계를 개선하여 레이더의 속도 감지 성능을 개선할 수 있다.
또한, 최근 레이더에 MIMO 안테나 배치를 사용하면서 송신 신호간 직교성 보장을 위하여 신호 다중화 방식이 고려되고 있다. 특히 TDM 방식의 경우 최대 감지 속도가 줄어드는 문제가 발생하는데, 이러한 경우에도 본 발명을 적용하여 효과적으로 속도 모호성 문제를 해결할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100 : FMCW 레이더 시스템 110 : 로컬 오실레이터
120 : 송신 안테나 130 : 수신 안테나
140 : 믹서 150 : 로우패스필터
160 : 아날로그-디지털 컨버터 170 : 디지털 신호 처리기
200 : 속도 추정 장치 210 : 에코 신호 수신부
220 : 제1 추정 속도 도출부 222 : 도플러 주파수 추출부
224 : 제1 추정 속도 획득부 230 : 제2 추정 속도 도출부
232 : 거리 정보 추출부 234 : 선형 방정식 수립부
236 : 제2 추정 속도 획득부 240 : 모호성 매개변수 계산부
250 : 속도 산정부

Claims (9)

  1. 타깃에 의해 반사되는 에코 신호를 수신하는 단계;
    상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환으로 추정된 도플러 주파수를 추출하여 명확하지만 모호성이 있는 제1 추정 속도()를 도출하는 단계;
    상기 에코 신호에 대해 다중 프레임 동안 측정된 거리비를 사용하여 모호성이 없는 제2 추정 속도()를 도출하는 단계;
    상기 제1 추정 속도와 상기 제2 추정 속도를 근거로 모호성 매개변수()를 계산하는 단계; 및
    상기 모호성 매개변수에 기초하여 타깃의 명확한 속도(vtrue)를 (여기서, , , λ는 신호의 파장, 는 도플러 주파수, Tc는 신호 발생 간 지속 시간)의 수식을 이용하여 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 타깃의 속도 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 추정 속도는, 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 이용하여 도플러 주파수를 추출하고, 상기 도플러 주파수를 이용한 속도를 추정하여 도출되는 것을 특징으로 하는 타깃의 속도 추정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 도플러 주파수는,

    (여기서, Ts와 Tl은 인접 샘플과 처프 사이의 지속시간, φ는 잔여 위상 항, M은 샘플 개수, fb와 fd는 각각 m축과 l축에 따른 주파수로 비트 주파수와 도플러 주파수)의 비트 신호에 2차원(2D) 고속 푸리에 변환(FFT)을 적용하여 추정되는 것을 특징으로 하는 타깃의 속도 추정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 추정 속도는, 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 이용한 타깃의 거리 정보를 추출하고, 시간에 따른 거리 값 누적 및 선형 방정식을 수립하고, 최소자승법(LS)을 이용한 거리 변화율을 추정하여 도출되는 것을 특징으로 하는 타깃의 속도 추정 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 모호성 매개변수()는, 의 수식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 타깃의 속도 추정 방법.
  6. 타깃에 의해 반사되는 에코 신호를 수신하는 에코 신호 수신부;
    상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환으로 추정된 도플러 주파수를 추출하여 명확하지만 모호성이 있는 제1 추정 속도()를 도출하는 제1 추정 속도 도출부;
    상기 에코 신호에 대해 다중 프레임 동안 측정된 거리비를 사용하여 모호성이 없는 제2 추정 속도()를 도출하는 제2 추정 속도 도출부;
    상기 제1 추정 속도와 상기 제2 추정 속도를 근거로 모호성 매개변수()를 계산하는 모호성 매개변수 계산부; 및
    상기 모호성 매개변수에 기초하여 타깃의 명확한 속도(vtrue)를 (여기서, , , λ는 신호의 파장, 는 도플러 주파수, Tc는 신호 발생 간 지속 시간)의 수식을 이용하여 산정하는 속도 산정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 타깃의 속도 추정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 추정 속도 도출부는, 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 이용하여 도플러 주파수를 추출하고, 상기 도플러 주파수를 이용한 속도를 추정하여 상기 제1 추정 속도를 도출하는 것을 특징으로 하는 타깃의 속도 추정 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제2 추정 속도 도출부는, 상기 에코 신호에 대해 고속 푸리에 변환을 이용한 타깃의 거리 정보를 추출하고, 시간에 따른 거리 값 누적 및 선형 방정식을 수립하고, 최소자승법(LS)을 이용한 거리 변화율을 추정하여 상기 제2 추정 속도를 도출하는 것을 특징으로 하는 타깃의 속도 추정 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 모호성 매개변수 계산부는,
    의 수식을 통해 상기 모호성 매개변수()를 계산하는 것을 특징으로 하는 타깃의 속도 추정 장치.
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