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KR101138292B1 - 전방관측 3차원 영상 레이더 장치 및 그를 이용한 3차원 영상 획득방법 - Google Patents

전방관측 3차원 영상 레이더 장치 및 그를 이용한 3차원 영상 획득방법 Download PDF

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KR101138292B1
KR101138292B1 KR1020100046406A KR20100046406A KR101138292B1 KR 101138292 B1 KR101138292 B1 KR 101138292B1 KR 1020100046406 A KR1020100046406 A KR 1020100046406A KR 20100046406 A KR20100046406 A KR 20100046406A KR 101138292 B1 KR101138292 B1 KR 101138292B1
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KR
South Korea
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signal
antenna
image
transmitter
generating
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KR1020100046406A
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선선구
박규철
조병래
하종수
Original Assignee
국방과학연구소
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Priority to US13/105,096 priority patent/US8471759B2/en
Priority to FR1154272A priority patent/FR2960299A1/fr
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Abstract

본 발명은 전방관측 3차원 영상 레이더 장치 및 그를 이용한 3차원 영상 획득방법에 관한 것이다. 본 발명의 전방관측 3차원 영상 레이더 장치는, 전방에 있는 물체의 관측을 위해 방사될 RF 신호를 생성하는 송신부; 송신부에 의해 생성된 RF 신호를 외부로 방사하는 송신 안테나; 송신 안테나로부터 방사된 신호에 대해 전방의 물체로부터 반사된 신호를 수신하는 수신 안테나; 수신 안테나를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)와 상기 송신부로부터의 송신신호를 혼합하여 디지털 신호로 변환하는 수신부; 및 송신부와 수신부의 동작을 제어하고, 송신부가 RF 신호를 생성하도록 하는 명령을 송출하며, 상기 수신부에 의해 변환된 디지털 신호를 입력받아 전방 물체에 대한 위상 정보를 추출하고, 간섭계 원리를 이용하여 고도정보를 생성하여 3차원 레이더 영상을 생성하는 신호처리부를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 레이더 전방에 대해 고도정보를 포함한 3차원 영상을 얻을 수 있고, 수신안테나 별로 수신기를 독립적으로 적용하여 송?수신기를 구현함으로써 수신기에 대한 지연소자 적용의 어려움을 극복할 수 있으며, 레이더 영상을 실시간으로 고속처리할 수 있다.

Description

전방관측 3차원 영상 레이더 장치 및 그를 이용한 3차원 영상 획득방법{Foward-looking 3D imaging radar and method for acquiring 3D images using the same}
본 발명은 전방관측 3차원 영상 레이더 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 레이더 전방에 대해 고도 정보를 포함한 3차원 영상을 얻을 수 있고, 수신안테나 별로 수신기를 독립적으로 적용하여 송?수신기를 구현함으로써 수신기에 대한 지연소자 적용의 어려움을 극복할 수 있으며, 레이더 영상을 실시간으로 고속처리할 수 있는 전방관측 3차원 영상 레이더 장치 및 그를 이용한 3차원 영상 획득방법에 관한 것이다.
무인차량의 야지 자율 주행을 위한 영상레이더 장치에 대한 연구는 미국 육군 연구소에서 논문을 통해 발표된 적이 있으나, 이는 2차원 영상 레이더에 관한 연구이다. 2차원 영상레이더의 경우 고도 정보를 포함하지 않는다. 또한, 종래 2차원 영상을 처리하는 수목 투과용 초광대역 레이더 장치에서, 수신기에 RF 지연소자를 적용하고 안테나 별로 지연시간을 달리하여 신호를 수신함으로써 수신기의 수를 줄일 수 있는 방법이 제시되었으나, 빠른 시간에 RF 지연소자에 의해 정교한 시간 지연을 구현하는 것이 매우 어려워 실제적으로 하드웨어 구현이 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 레이더 전방에 대해 고도 정보를 포함한 3차원 영상을 얻을 수 있고, 수신안테나 별로 수신기를 독립적으로 적용하여 송?수신기를 구현함으로써 수신기에 대한 지연소자 적용의 어려움을 극복할 수 있으며, 레이더 영상을 실시간으로 고속처리할 수 있는 전방관측 3차원 영상 레이더 장치 및 그를 이용한 3차원 영상 획득방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전방관측 3차원 영상 레이더 장치는,
전방에 있는 물체의 관측을 위해 방사될 RF 신호를 생성하는 송신부;
상기 송신부에 의해 생성된 RF 신호를 외부로 방사하는 송신 안테나;
상기 송신 안테나로부터 방사된 신호에 대해 전방의 물체로부터 반사된 신호를 수신하는 수신 안테나;
상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)와 상기 송신부로부터의 송신신호를 혼합하여 디지털 신호로 변환하는 수신부; 및
상기 송신부 및 수신부의 동작을 제어하고, 송신부가 RF 신호를 생성하도록 하는 명령을 송출하며, 상기 수신부에 의해 변환된 디지털 신호를 입력받아 전방 물체에 대한 위상 정보를 추출하고, 간섭계 원리를 이용하여 고도정보를 생성하여 3차원 레이더 영상을 생성하는 신호처리부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 송신부는 송신 파형을 생성하는 DDS(Direct Digital Synthesizer)와, 상기 DDS에 의해 생성된 송신 파형 중 최적의 주파수를 갖는 송신 파형을 선택하기 위한 4채널 필터뱅크와, 상기 4채널 필터뱅크를 거쳐 선택된 송신 파형의 출력을 증폭하는 고출력 증폭기를 포함한다.
또한, 상기 송신부는 RF 신호로서, 바람직하게는 1GHz 이상의 초광대역 신호를 생성한다.
또한, 상기 송신 안테나는 2개의 안테나로 구성된다.
또한, 상기 2개의 송신 안테나와 상기 송신부 사이에는 2개의 송신 안테나 중 한 개를 선택하기 위한 RF 스위치가 더 설치된다.
또한, 상기 수신부는 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)의 저잡음을 증폭하는 저잡음 증폭기와, 상기 송신부로부터의 송신신호를 수신하여 증폭하는 증폭기와, 상기 저잡음 증폭기를 거쳐 저잡음 증폭된 수신신호와 상기 증폭기를 거쳐 증폭된 송신신호를 혼합하는 혼합기와, 상기 혼합기를 거친 혼합신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환하는 A/D(analog-to-digital) 변환기를 포함한다.
또한, 상기 수신 안테나는 다수의 단위 안테나로 이루어진 안테나 어레이 (array)로 구성된다.
또한, 상기 수신 안테나 어레이는 2차원 배열로 구성된다.
또한, 상기 수신 안테나 어레이에서 다수의 단위 안테나 간의 수평방향 간격은 λ(송신 파형의 중심주파수)/2로 설정하고, 수직방향 간격(d)은 d ≤λ로 설정한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3차원 영상 획득방법은, RF 신호를 생성하는 송신부, RF 신호를 방사하는 송신 안테나, 전방물체로부터 의 반사신호를 수신하는 수신 안테나, 수신신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환하는 수신부 및 3차원 레이더 영상을 생성하는 신호처리부를 포함하는 전방관측 3차원 영상 레이더 장치를 이용한 3차원 영상 획득방법으로서,
a) 전방에 있는 물체의 관측을 위해 상기 송신부에 의해 RF 신호를 생성하는 단계;
b) 상기 생성된 RF 신호를 상기 송신 안테나에 의해 외부로 방사하는 단계;
c) 상기 방사된 신호에 대해 전방의 물체로부터 반사된 신호를 상기 수신 안테나에 의해 수신하는 단계;
d) 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)와 상기 송신부에 의해 생성된 RF 신호를 상기 수신부에 의해 혼합하여 디지털 신호로 변환하는 단계; 및
e) 상기 수신부에 의해 변환된 디지털 신호를 상기 신호처리부에 의해 입력받아 전방 물체에 대한 위상 정보를 추출하고, 간섭계 원리를 이용하여 고도정보를 생성하여 3차원 레이더 영상을 생성하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 단계 a)에서 상기 송신부에 의해 RF 신호를 생성한 후, 그 생성된 송신 파형 중 최적의 주파수를 갖는 송신 파형을 4채널 필터뱅크에 의해 선택하는 단계; 및 상기 4채널 필터뱅크에 의해 선택된 송신 파형의 출력을 고출력 증폭기에 의해 증폭하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 단계 a)에서 상기 송신부에 의해 생성되는 RF 신호로서, 바람직하게는 1GHz 이상의 초광대역 신호를 생성한다.
또한, 상기 단계 d)에서 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)의 저잡음을 저잡음 증폭기에 의해 증폭하는 단계와; 상기 송신부에 의해 생성된 RF 신호를 증폭기에 의해 입력받아 증폭하는 단계; 및 상기 저잡음 증폭기에 의해 저잡음 증폭된 수신신호와 상기 증폭기에 의해 증폭된 RF 신호를 혼합기에 의해 혼합하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 단계 d)에서 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)와 상기 송신부에 의해 생성된 RF 신호를 상기 수신부에 의해 혼합한 신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환하기 위해, LFM(Linear Frequency Modulation) 신호의 비트주파수를 검출한 후 비트주파수를 샘플링한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 레이더 전방에 대해 고도정보를 포함한 3차원 영상을 얻을 수 있고, 수신안테나 별로 수신기를 독립적으로 적용하여 송?수신기를 구현함으로써 수신기에 대한 지연소자 적용의 어려움을 극복할 수 있으며, 레이더 영상을 실시간으로 고속처리할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전방관측 3차원 영상 레이더 장치의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 전방관측 3차원 영상 레이더 장치의 송신부와 수신부의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 전방관측 3차원 영상 레이더 장치의 송신부에서 송신되는 FM 파형을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 전방관측 3차원 영상 레이더 장치의 수신 안테나 어레이 구조를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 전방관측 3차원 영상 레이더 장치를 이용한 3차원 영상 획득방법의 전체적인 실행과정을 보여주는 흐름도.
도 6은 본 발명에 따른 3차원 영상 획득방법에 있어서, 신호 송/수신 및 신호처리 과정을 타이밍도로 보여주는 도면.
도 7은 두 개의 안테나로부터 고도정보를 획득하기 위한 원리를 설명하는 도면.
도 8은 2행의 안테나 어레이를 이용하여 3차원 영상정보를 획득하는 과정을 보여주는 흐름도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 전방관측 3차원 영상 레이더 장치를 나타낸 것으로서, 도 1은 장치의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 송신부와 수신부의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전방관측 3차원 영상 레이더 장치는, 송신부(110), 송신 안테나(120a,120b), 수신 안테나(130), 수신부(140), 신호처리부(150)를 포함한다.
상기 송신부(110)는 전방에 있는 물체의 관측을 위해 방사될 RF 신호를 생성한다.
상기 송신 안테나(120a,120b)는 상기 송신부(110)에 의해 생성된 RF 신호를 외부로 방사한다.
상기 수신 안테나(130)는 상기 송신 안테나(120)로부터 방사된 신호에 대해 전방의 물체로부터 반사된 신호를 수신한다.
상기 수신부(140)는 상기 수신 안테나(130)를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)와 상기 송신부(110)로부터의 송신신호를 혼합하여 디지털 신호로 변환한다.
상기 신호처리부(150)는 상기 송신부(110) 및 수신부(140)의 동작을 제어하고, 송신부(110)가 RF 신호를 생성하도록 하는 명령을 송출하며, 상기 수신부(140)에 의해 변환된 디지털 신호를 입력받아 전방 물체에 대한 위상 정보를 추출하고, 간섭계 원리를 이용하여 고도정보를 생성하여 3차원 레이더 영상을 생성한다.
여기서, 상기 송신부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 송신 파형을 생성하는 DDS(111)와, 그 DDS(111)에 의해 생성된 송신 파형 중 최적의 주파수를 갖는 송신 파형을 선택하기 위한 4채널 필터뱅크(112)와, 상기 4채널 필터뱅크(112)를 거쳐 선택된 송신 파형의 출력을 증폭하는 고출력 증폭기(113)를 포함한다. 여기서, 이와 같이 4채널 필터뱅크(112)를 두는 이유는 주파수의 선택에 따라 RF 신호의 물질 투과 특성이 다르므로, 레이더 전방의 수풀의 밀도에 따라 최적의 주파수를 선택해서 사용하기 위한 것이다.
또한, 상기 송신부(110)는 RF 신호로서, 바람직하게는 1GHz 이상의 초광대역 신호를 생성한다. 이와 같이 초광대역 신호를 생성하는 것은 대역폭이 넓을수록 더 좋은 거리해상도를 얻을 수 있기 때문이다. 예를 들어, 2 GHz의 대역폭 신호를 사용할 경우 나이퀴스트(Nyquist) 샘플링 이론에 의해 4 GHz 샘플링 속도로 A/D 변환을 수행해야 신호의 에일리어싱(aliasing)을 줄일 수 있으나, 이 정도의 높은 샘플링 속도와 높은 비트 주파수를 보장하는 A/D 변환기는 현재로서는 찾을 수 없다.
따라서, 본 발명에서는 도 3과 같은 LFM 파형을 송신하고, 수신부(140)에서 비트주파수를 샘플링하는 방법을 적용하며, 이에 의해 A/D 변환 샘플링 속도를 줄일 수 있다. 도 3에서 참조번호 301은 송신파형을 나타내고, 302는 수신파형을 나타낸다. 한편, 비트주파수 fb는 다음의 수학식 1로 계산된다. 수학식 1에서 R은 거리, △F는 대역폭, c는 빛의 속도, Tp는 dwell time을 각각 나타낸다. 예를 들어, R = 30m, △F = 2GHz, Tp = 0.4msec 일 때, fb = 1 MHz가 되어, 비트주파수를 샘플링할 경우 최소 2 MHz 이상의 속도로 샘플링하면 신호의 에일리어싱을 막을 수 있다.
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또한, 상기 2개의 송신 안테나(120a,120b)와 상기 송신부(110) 사이에는 2개의 송신 안테나(120a,120b) 중 한 개를 선택하기 위한 RF 스위치(160)가 더 설치된다.
또한, 상기 수신부(140)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 수신 안테나(130)를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)의 저잡음을 증폭하는 저잡음 증폭기(141)와, 상기 송신부(110)로부터의 송신신호를 수신하여 증폭하는 증폭기(142)와, 상기 저잡음 증폭기(141)를 거쳐 저잡음 증폭된 수신신호와 상기 증폭기(142)를 거쳐 증폭된 송신신호를 혼합하는 혼합기(143)와, 그 혼합기(143)를 거친 혼합신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(144)를 포함한다.
또한, 상기 수신 안테나(130)는 다수의 단위 안테나(130u)로 이루어진 안테나 어레이로 구성된다. 이와 같이 어레이로 구성하는 것은 동시에 신호를 획득하기 위한 것이다.
또한, 상기 수신 안테나(130) 어레이는 도 4에 도시된 바와 같이, 2차원 배열로 구성된다.
또한, 상기 수신 안테나(130) 어레이에서 다수의 단위 안테나(130u) 간의 수평방향 간격은 λ(송신 파형의 중심주파수)/2로 설정하고, 수직방향 간격(d)은 d ≤λ로 설정한다. 여기서, 이와 같이 수평방향 간격을 λ/2로 설정하는 것은 실험을 통해 얻은 결과로서, 이와 같이 설정할 경우에 최적의 해상도를 갖는 영상을 획득할 수 있기 때문이다. 또한, 수직방향 간격을 d ≤λ로 설정하는 것은 수직방향의 각 안테나의 조합에서 각도 모호성을 해결할 수 있기 때문이다.
여기서, 또한 상기 단위 안테나(130u)는 광대역 신호를 송신 및 수신할 수 있는 안테나로서 안테나의 종류에 특별히 제한을 두지 않는다.
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 전방관측 3차원 영상 레이더 장치를 이용하여 3차원 영상을 획득하는 방법에 대하여 설명해 보기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 전방관측 3차원 영상 레이더 장치를 이용한 3차원 영상 획득방법의 전체적인 실행과정을 보여주는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 3차원 영상 획득방법은, RF 신호를 생성하는 송신부(110), RF 신호를 방사하는 송신 안테나(120a,120b), 전방물체로부터의 반사신호를 수신하는 수신 안테나(130), 수신신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환하는 수신부(140) 및 3차원 레이더 영상을 생성하는 신호처리부(150)를 포함하는 전방관측 3차원 영상 레이더 장치를 이용한 3차원 영상 획득방법으로서, 먼저 전방에 있는 물체의 관측을 위해 상기 송신부(110)에 의해 RF 신호를 생성한다(단계 S510).
그런 후, 상기 생성된 RF 신호를 상기 송신 안테나(120a 또는 120b)에 의해 외부로 방사한다(단계 S520). 그리고, 방사된 신호에 대해 전방의 물체로부터 반사된 신호를 상기 수신 안테나(130)에 의해 수신한다(단계 S530). 그런 다음, 그 수신 안테나 (130)를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)와 상기 송신부(110)에 의해 생성된 RF 신호를 상기 수신부(140)에 의해 혼합하여 디지털 신호로 변환한다(단계 S540).
이후, 상기 수신부(140)에 의해 변환된 디지털 신호를 상기 신호처리부(150)에 의해 입력받아 전방 물체에 대한 위상 정보를 추출하고, 간섭계 원리를 이용하여 고도정보를 생성하여 3차원 레이더 영상을 생성한다(단계 S550). 이와 같이, 위상 정보를 추출하고, 간섭계 원리를 이용하여 고도정보를 생성하여 3차원 레이더 영상을 생성하는 과정에 대해서는 뒤에서 도 8을 참조하여 더 상세히 설명하기로 한다.
여기서, 상기 단계 S510에서 상기 송신부(110)에 의해 RF 신호를 생성한 후, 그 생성된 송신 파형 중 최적의 주파수를 갖는 송신 파형을 4채널 필터뱅크(112)에 의해 선택하는 단계; 및 상기 4채널 필터뱅크(112)에 의해 선택된 송신 파형의 출력을 고출력 증폭기(113)에 의해 증폭하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 단계 S510에서 상기 송신부(110)에 의해 생성되는 RF 신호로서, 바람직하게는 1GHz 이상의 초광대역 신호를 생성한다.
또한, 상기 단계 S540에서 상기 수신 안테나(130)를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)의 저잡음을 저잡음 증폭기(141)에 의해 증폭하는 단계와; 상기 송신부 (110)에 의해 생성된 RF 신호를 증폭기(142)에 의해 입력받아 증폭하는 단계; 및 상기 저잡음 증폭기(141)에 의해 저잡음 증폭된 수신신호와 상기 증폭기(142)에 의해 증폭된 RF 신호를 혼합기(143)에 의해 혼합하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 단계 S540에서 상기 수신 안테나(130)를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)와 상기 송신부(110)에 의해 생성된 RF 신호를 상기 수신부(140)에 의해 혼합한 신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환하기 위해, LFM 신호의 비트주파수를 검출한 후 비트주파수를 샘플링한다. 이와 같은 비트주파수 샘플링에 대해서는 상기 수학식 1과 관련하여 앞에서 설명했으므로 여기서는 설명을 생략한다.
이상과 같은 일련의 과정에 있어서, 상기 송신부(110) 및 수신부(140)에 의한 신호 송?수신과 신호처리부(150)에 의한 신호처리와 관련하여 도 6을 참조하여 부연 설명을 해보기로 한다.
도 6은 본 발명에 따른 3차원 영상 획득방법에 있어서, 신호 송/수신 및 신호처리 과정을 타이밍도로 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 참조번호 601로 표현된 송신 안테나 "Tx.1"으로 604의 시간, 즉 Tp 시간(dwell time)에 송신 안테나 "Tx.1"을 통해 파형을 송신하고, 603으로 표현된 수신 안테나 "Rx.1"으로부터 "Rx.N"까지의 모든 수신 안테나를 통해 동시에 신호를 수신한다. 이때 시간 △, 즉 607의 시간은 최대 탐지거리의 왕복거리를 시간으로 환산한 시간이다. 따라서 "Tp + △"의 시간 동안 수신안테나는 신호를 수신한다. 605의 시간 Td1은 602의 "Tx.2" 안테나로 파형을 송신하기 전까지의 준비시간이다. 그리고, 606으로 표현된 시간은 신호처리에 소요되는 시간을 나타낸다.
한편, 수신 안테나에 의해 획득된 RF 수신신호로부터 레이더 영상을 생성하는 방법으로는 Back Projection, ω-K migration 방법 등 SAR 레이더(Synthetic Aperture Radar) 영상화 방법을 적용한다. 이상과 같은 방법들에 대한 구체적인 설명은 본 실시예에서는 생략한다. 다만, 본 발명의 3차원 영상 획득방법을 설명하기 위해 Back-projection 알고리즘을 바탕으로 설명한다. 도 4의 d 만큼 떨어진 두 개의 수신 안테나로부터 획득한 각각의 영상픽셀들은 위상 정보 φ1과 φ2를 가진다. 한 픽셀의 고도 정보를 얻기 위해서는 도 7에서 보듯이 거리의 차 △R, 즉, 제1 수신 안테나(Ant1)와 전방물체 간의 측정거리 R1과, 제2 수신 안테나(Ant2)와 전방물체 간의 측정거리 R2 간의 거리의 차를 구해야 하는데, 다음의 수학식 2와 같은 두 안테나에서 얻어진 위상차 φ와 △R, 수신신호의 파장 λ의 관계를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112010031789654-pat00002
도 7에서 고도정보 h는 두 안테나간 거리 d와, 안테나 장착높이 H, 및 제1 수신 안테나(Ant1)에서 전방물체까지의 측정한 거리 R 및 위의 수학식 2에서 위상차를 기반으로 구한 △R로부터 다음의 수학식 3과 같이 구할 수 있다.
Figure 112010031789654-pat00003
도 8은 2행의 안테나 어레이를 이용하여 3차원 영상정보를 획득하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 이는 상기 도 5의 흐름도의 단계 S550에서의 위상 정보를 추출하고, 간섭계 원리를 이용하여 고도정보를 생성하여 3차원 레이더 영상을 생성하는 프로세스를 보다 상세하게 보여주는 것으로서, 먼저 수신 안테나 1번 행 및 2번 행(도 4의 401 및 402)에 의해 각각 측정된 신호를 이용하여 2차원 레이더 영상정보를 각각 획득한다(단계 S801,S802).
그런 후, 각각 획득된 영상정보의 각각의 픽셀의 위상(φ1,φ2)을 계산한다(단계 S803,S804). 그리고, 상기 계산된 각 픽셀의 위상(φ1,φ2)으로부터 두 픽셀 간의 위상차(φ=φ1-φ2)를 계산한다(단계 S805). 여기서, 상기 위상차(φ=φ1-φ2)는 전술한 상기 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
이후, 각 픽셀의 고도정보(h)를 계산한다(단계 S806). 여기서, 고도정보(h)는 전술한 상기 수학식 3에 의해 계산될 수 있다.
이렇게 하여 위상차(φ=φ1-φ2) 및 고도정보(h)가 계산되면, 모든 픽셀이 계산되었는지를 판별한다(단계 S807). 이 판별에서, 모든 픽셀이 계산되지 않았으면(즉, 계산되지 않은 픽셀이 아직 남아 있으면), 수신 안테나 1번 행 및 2번 행에 대하여 각각 상기 단계 S803, S804로 프로그램 진행을 회귀시키고, 모든 픽셀이 계산되었으면, 2차원 영상 한 장과 상기 단계 S806에서 계산된 고도정보를 바탕으로 3차원 영상정보 맵을 생성한다(단계 S808).
이상과 같은 도 8의 과정은 한 개의 송신 안테나를 통해 RF 신호를 송신 후, 3차원 영상정보를 획득하는 방법이다. 그러나, 두 개의 송신 안테나를 사용하여 아래와 같이 영상의 품질을 향상시키는 방법이 있다.
<방법 1> : 3차원 영상의 픽셀정보를 평균하는 방법
a) 제1 송신 안테나(도 1의 120a)을 이용하여 RF 신호를 송신하고, 두 개의 수신 안테나 어레이(도 4의 수신 안테나 어레이 401 및 402)를 이용하여 도 8의 흐름도의 순서대로 프로세스를 진행하여 두 장의 2차원 영상 및 고도정보를 획득한다.
b) 제2 송신 안테나(도 1의 120b)를 이용하여 RF 신호를 송신하고, 두 개의 수신 안테나 어레이(도 4의 수신 안테나 어레이 401 및 402)를 이용하여 도 8의 흐름도의 순서대로 프로세스를 진행하여 두 장의 2차원 영상 및 고도정보를 획득한다.
c) 상기 단계 a)와 b)에서 각각 획득된 2차원 영상 및 고도정보 간의 움직임량을 영상등록방법이나 차량에 장착된 타코메타(tachometer)를 이용하여 계산하고, 그 계산된 움직임량을 상기 단계 b)에서 획득된 2차원 영상 및 고도정보에 반영하여 2차원 영상 및 고도정보를 보상하여 2차원 영상 및 고도정보에 대한 평균 맵을 생성함으로써 3차원 영상정보 맵을 생성한다.
<방법 2> : 제1 수신기 및 제2 수신기에서 획득된 위상을 평균하는 방법
a) 제1 송신 안테나(도 1의 120a)를 이용하여 RF 신호를 송신하고, 두 개의 수신 안테나 어레이(도 4의 수신 안테나 어레이 401 및 402)를 이용하여 위상 정보가 포함된 원시 데이터를 획득한다.
b) 제2 송신 안테나(도 1의 120b)를 이용하여 RF 신호를 송신하고, 두 개의 수신 안테나 어레이(도 4의 수신 안테나 어레이 401 및 402)를 이용하여 위상 정보가 포함된 원시 데이터를 획득한다.
c) 제1 송신 안테나를 통해 RF 신호를 송신 후, 레이더가 장착된 차량이 움직였을 경우 제2 송신 안테나를 사용해 얻은 위상정보에는 차량의 움직임에 따라 위상정보가 변한다. 이것을 보상하기 위해 차량에 타코메타를 장착하여 차량속도를 측정하여 차량의 이동 거리를 계산하고, 그를 바탕으로 다음의 수학식 4를 이용하여 위상보상값(φcomp)을 계산하여, 계산된 위상보상값(φcomp)을 상기 단계 b)에서 얻은 원시 데이터에 반영하여 위상을 보상한다.
Figure 112010031789654-pat00004
여기서, fc는 중심 주파수이며, v는 차량의 속도, c는 빛의 속도, Ta는 도 6에서의 Tp + Td1이다.
d) 두 개의 수신 안테나 어레이(도 4의 수신 안테나 어레이 401 및 402) 별로 상기 단계 a)에서 획득된 원시 데이터와 상기 단계 c)에서 획득된 원시 데이터의 각각의 위상을 평균한다.
e) 위상 평균한 두 개의 데이터를 이용하여 각각 2차원 영상을 얻고, 도 8의 흐름도의 순서대로 프로세스를 진행하여 3차원 영상정보 맵을 생성한다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 전방관측 3차원 영상 레이더 장치 및 그를 이용한 3차원 영상 획득방법은, 각 수신 안테나 행을 이용하여 2개의 2차원 영상을 생성하고 두 개의 2차원 영상에서 각 위상을 찾아 두 위상차를 이용하여 간섭계 방식에 의해 고도정보를 획득함으로써 레이더 전방에 대해 고도정보를 포함한 3차원 영상을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 전방관측 3차원 영상 레이더 장치를 무인차량에 장착할 경우 무인차량의 야지 자율주행 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전방관측 3차원 영상 레이더 장치는 수신안테나 별로 수신기를 독립적으로 적용하여 송?수신기를 구현함으로써 수신기에 대한 지연소자 적용의 어려움을 극복할 수 있으며, 레이더 영상을 실시간으로 고속처리할 수 있는 장점이 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110...송신부 111...DDS(Direct Digital Synthesizer)
112...4채널 필터뱅크 113...고출력 증폭기
120a,120b...송신 안테나 130...수신 안테나
140...수신부 141...저잡음 증폭기
142...증폭기 143...혼합기
144...A/D 변환기 150...신호처리부
160...RF 스위치

Claims (16)

  1. 전방에 있는 물체의 관측을 위해 방사될 RF 신호를 생성하는 송신부;
    상기 송신부에 의해 생성된 RF 신호를 외부로 방사하는 송신 안테나;
    상기 송신 안테나로부터 방사된 신호에 대해 전방의 물체로부터 반사된 신호를 수신하는 수신 안테나;
    상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)와 상기 송신부로부터의 송신신호를 혼합하여 디지털 신호로 변환하는 수신부; 및
    상기 송신부 및 수신부의 동작을 제어하고, 송신부가 RF 신호를 생성하도록 하는 명령을 송출하며, 상기 수신부에 의해 변환된 디지털 신호를 입력받아 전방 물체에 대한 위상 정보를 추출하고, 간섭계 원리를 이용하여 고도정보를 생성하여 3차원 레이더 영상을 생성하는 신호처리부를 포함하며,
    상기 송신부는,
    송신 파형을 생성하는 DDS(Direct Digital Synthesizer);
    상기 DDS에 의해 생성된 송신 파형 중 최적의 주파수를 갖는 송신 파형을 선택하기 위한 4채널 필터뱅크; 및
    상기 4채널 필터뱅크를 거쳐 선택된 송신 파형의 출력을 증폭하는 고출력 증폭기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전방관측 3차원 영상 레이더 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송신부는 RF 신호로서, 1GHz 이상의 초광대역 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전방관측 3차원 영상 레이더 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 송신 안테나는 2개의 안테나로 구성되는 것을 특징으로 하는 전방관측 3차원 영상 레이더 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2개의 송신 안테나와 상기 송신부 사이에는 2개의 송신 안테나 중 한 개를 선택하기 위한 RF 스위치가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 전방관측 3차원 영상 레이더 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수신 안테나는 다수의 단위 안테나로 이루어진 안테나 어레이(array)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전방관측 3차원 영상 레이더 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수신 안테나 어레이는 2차원 배열로 구성되는 것을 특징으로 하는 전방관측 3차원 영상 레이더 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수신 안테나 어레이에서 다수의 단위 안테나 간의 수평방향 간격은 λ(송신 파형의 중심주파수)/2로 설정하고, 수직방향 간격(d)은 d ≤λ로 설정하는 것을 특징으로 하는 전방관측 3차원 영상 레이더 장치.
  9. RF 신호를 생성하는 송신부, RF 신호를 방사하는 송신 안테나, 전방물체로부터 의 반사신호를 수신하는 수신 안테나, 수신신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환하는 수신부 및 3차원 레이더 영상을 생성하는 신호처리부를 포함하는 전방관측 3차원 영상 레이더 장치를 이용한 3차원 영상 획득방법으로서,
    a) 전방에 있는 물체의 관측을 위해 상기 송신부에 의해 RF 신호를 생성하는 단계;
    b) 상기 생성된 RF 신호를 상기 송신 안테나에 의해 외부로 방사하는 단계;
    c) 상기 방사된 신호에 대해 전방의 물체로부터 반사된 신호를 상기 수신 안테나에 의해 수신하는 단계;
    d) 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)와 상기 송신부에 의해 생성된 RF 신호를 상기 수신부에 의해 혼합하여 디지털 신호로 변환하는 단계; 및
    e) 상기 수신부에 의해 변환된 디지털 신호를 상기 신호처리부에 의해 입력받아 전방 물체에 대한 위상 정보를 추출하고, 간섭계 원리를 이용하여 고도정보를 생성하여 3차원 레이더 영상을 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 단계 d)에서 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호(아날로그 신호)와 상기 송신부에 의해 생성된 RF 신호를 상기 수신부에 의해 혼합한 신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환하기 위해, LFM(Linear Frequency Modulation) 신호의 비트주파수를 검출한 후 비트주파수를 샘플링하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 획득방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 단계 e)에서 위상 정보를 추출하고, 간섭계 원리를 이용하여 고도정보를 생성하여 3차원 레이더 영상을 생성하는 프로세스는,
    e-1) 수신 안테나 1번 행 및 2번 행에 의해 각각 측정된 신호를 이용하여 2차원 레이더 영상정보를 각각 획득하는 단계;
    e-2) 상기 각각 획득된 영상정보로부터 각각의 픽셀의 위상(φ1,φ2)을 계산하는 단계;
    e-3) 상기 계산된 각 픽셀의 위상(φ1,φ2)으로부터 두 픽셀 간의 위상차(φ=φ1-φ2)를 계산하는 단계;
    e-4) 상기 각 픽셀의 고도정보(h)를 계산하는 단계;
    e-5) 이렇게 하여 위상차(φ=φ1-φ2) 및 고도정보(h)가 계산되면, 모든 픽셀이 계산되었는지를 판별하는 단계;
    e-6) 상기 단계 e-5)의 판별에서, 모든 픽셀이 계산되지 않았으면, 수신 안테나 1번 행 및 2번 행에 대하여 각각 상기 단계 e-2)로 프로그램 진행을 회귀시키는 단계; 및
    e-7) 상기 단계 e-5)의 판별에서, 모든 픽셀이 계산되었으면, 2차원 영상 한 장과 상기 단계 e-4)에서 계산된 고도정보를 바탕으로 3차원 영상정보 맵을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 획득방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 단계 e-3)에서 상기 위상차(φ=φ1-φ2)는 다음의 수식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 획득방법.
    Figure 112010031789654-pat00005

    여기서, λ는 수신신호의 파장, △R은 제1 수신 안테나(Ant1)와 전방물체 간의 측정거리 R1과, 제2 수신 안테나(Ant2)와 전방물체 간의 측정거리 R2 간의 거리의 차를 각각 나타낸다.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 단계 e-4)에서 상기 고도정보(h)는 다음의 수식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 획득방법.
    Figure 112010031789654-pat00006

    여기서, H는 안테나 장착높이, d는 두 안테나간 거리, R은 제1 수신 안테나 1(Ant1)에서 전방물체까지의 측정 거리, △R은 제1 수신 안테나(Ant1)와 전방물체 간의 측정거리 R1과, 제2 수신 안테나(Ant2)와 전방물체 간의 측정거리 R2 간의 거리의 차를 각각 나타낸다.
  14. a) 제1 송신 안테나를 이용하여 RF 신호를 송신하고, 두 개의 수신 안테나 어레이를 이용하여 청구항 제10항에 기재된 영상 생성 프로세스의 순서대로 프로세스를 진행하여 두 장의 2차원 영상 및 고도정보를 획득하는 단계;
    b) 제2 송신 안테나를 이용하여 RF 신호를 송신하고, 두 개의 수신 안테나 어레이를 이용하여 청구항 제10항에 기재된 영상 생성 프로세스의 순서대로 프로세스를 진행하여 두 장의 2차원 영상 및 고도정보를 획득하는 단계; 및
    c) 상기 단계 a)와 b)에서 각각 획득된 2차원 영상 및 고도정보 간의 움직임량을 영상등록방법이나 차량에 장착된 타코메타(tachometer)를 이용하여 계산하고, 그 계산된 움직임량을 상기 단계 b)에서 획득된 2차원 영상 및 고도정보에 반영하여, 2차원 영상 및 고도정보를 보상하여 2차원 영상 및 고도정보에 대한 평균 맵을 생성함으로써 3차원 영상정보 맵을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 획득방법.
  15. a) 제1 송신 안테나를 이용하여 RF 신호를 송신하고, 두 개의 수신 안테나 어레이를 이용하여 위상 정보가 포함된 원시 데이터를 획득하는 단계;
    b) 제2 송신 안테나를 이용하여 RF 신호를 송신하고, 두 개의 수신 안테나 어레이를 이용하여 위상 정보가 포함된 원시 데이터를 획득하는 단계;
    c) 상기 제1 송신 안테나를 통해 RF 신호를 송신 후, 레이더가 장착된 차량이 움직였을 경우 상기 제2 송신 안테나를 사용해 얻은 위상정보의 변화를 보상하기 위해 위상보상값(φcomp)을 계산하고, 계산된 위상보상값(φcomp)을 상기 단계 b)에서 얻은 원시 데이터에 반영하여 위상을 보상하는 단계;
    d) 두 개의 수신 안테나 어레이 별로 상기 단계 a)에서 획득된 원시 데이터와 상기 단계 c)에서 획득된 원시 데이터의 각각의 위상을 평균하는 단계; 및
    e) 상기 위상 평균한 두 개의 데이터를 이용하여 각각 2차원 영상을 얻고, 청구항 제10항에 기재된 영상 생성 프로세스의 순서대로 프로세스를 진행하여 3차원 영상정보 맵을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 획득방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단계 c)에서의 위상정보가 변화를 보상하기 위해, 차량에 타코메타를 장착하여 차량속도를 측정하여 차량의 이동 거리를 계산하고, 그를 바탕으로 다음의 수식을 이용하여 위상보상값(φcomp)을 계산하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 획득방법.
    Figure 112010031789654-pat00007

    여기서, fc는 중심 주파수이며, v는 차량의 속도, c는 빛의 속도, Ta는 도 6에서의 Tp + Td1이다.




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