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KR101454621B1 - 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치 및 그 방법 - Google Patents

레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치 및 그 방법 Download PDF

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KR101454621B1
KR101454621B1 KR1020130036562A KR20130036562A KR101454621B1 KR 101454621 B1 KR101454621 B1 KR 101454621B1 KR 1020130036562 A KR1020130036562 A KR 1020130036562A KR 20130036562 A KR20130036562 A KR 20130036562A KR 101454621 B1 KR101454621 B1 KR 101454621B1
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Abstract

본 발명은 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 연속된 파형을 전송한 후 위상변화를 이용하여 속도를 탐지하는 레이더에서, 타겟에 대한 거리와 속도를 검출할 때 거리-속도맵에서 피크전력을 탐지한 후 기준전력을 통해 타겟을 선택하여 거리와 속도를 검출함으로써, 계산량을 줄이고 거리와 속도를 동시에 검출할 수 있어 검출성능을 향상시킬 수 있다.

Description

레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치 및 그 방법{APPARATUS FOR DETECTING RANGE AND VELOCITY OF TARGET BY USING RADAR AND METHOD THEREOF}
본 발명은 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속된 파형을 전송한 후 위상변화를 이용하여 속도를 탐지하는 레이더에서 타겟에 대한 거리와 속도를 검출할 때 계산량을 줄일 수 있도록 한 FMCW 레이더의 거리 속도 검출장치 및 그 방법에 관한 것이다.
오늘날 레이더 기반의 운전자 안전 시스템의 활용 범위는 계속 넓어지고 있다. 특히, 적응 순항 제어(ACC:Adaptive Cruise Control) 시스템 등은 24 GHz와 77 GHz 레이더를 이용하여 이미 시장에서 상용화되었다.
이러한 운전자 안전 시스템에서는 복수 개의 타겟이 존재하는 상황에서도 각 타겟의 거리 및 속도를 높은 정확도로 동시에 측정할 수 있어야 한다.
타겟의 거리 및 속도를 측정하기 위한 레이더로써는 주파수 변조 연속파형(FMCW: Frequency Modulation Continuous Wave) 방식의 레이더가 가장 널리 사용되고 있다. 이러한 운전자 안전 시스템은 주변 타겟을 검출하여 그 기능을 수행하게 되기 때문에 타겟 검출 정확도에 따라 시스템의 성능이 좌우된다. 특히, 운전자 안전 시스템의 경우 일반적으로 정지타겟 보다는 이동하는 이동타겟에 대한 검출 정확도가 더욱 필요하다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허 10-2011-0002171호(2011.01.07.) "레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출 방법 및 장치와 그를 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체"가 있다.
FMCW 레이더는 선형적 주파수 변조 신호를 송신한 후 수신된 신호와 주파수 차이를 통해 타겟과의 거리 및 속도를 탐지한다.
즉, 수신 비트 주파수는 거리-비트 주파수와 도플러-주파수의 조합으로 나타나기 때문에 이 조합을 수학적으로 풀어냄으로써 타겟의 거리와 속도를 동시에 탐지 할 수 있다.
도 1은 일반적인 FMCW 레이더를 나타낸 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 FMCW 레이더는 비교적 빠른 PRI(Pulse repetition)를 가지는 램프(ramp)를 전송한 후 타겟에 반사되는 신호를 수신하여 2단계 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 거리 및 속도를 탐지한다.
이때 전체 N * PRI 구간만큼의 시간은 이동타겟이 움직이지 않을 만큼 아주 짧기 때문에 이 구간동안의 비트 주파수 변화는 무시한다. 또한 PRI가 아주 짧아 상대적으로 거리-비트 주파수가 매우 높게 나타나므로(FMCW 레이더에서는 거리-비트 주파수가 PRI에 반비례), 수신 비트-주파수에서 도플러 천이는 거의 무시될 수 있다.
이러한 원리는 수신단에서 각 PRI의 비트-신호는 1차 FFT를 통해 거리 정보를 얻는데 이용된다. 그리고, 각 PRI 별로 저장된 1차 FFT의 결과는 다시 2차 FFT를 통해 속도 정보를 획득하는데 이용된다. 즉, 2차 FFT를 통해 동일한 거리로 탐지된 타겟의 위상 변화를 탐지함으로써 속도 정보를 얻는다.
이렇게 2단계 FFT를 통해 얻어진 거리-속도맵에 해당하는 전력값들을 이용하여 타겟의 거리 및 속도를 탐지하게 된다. 즉, 도 1에서 거리-속도맵의 RV(m,n)가 m번째 거리와 n번째 속도의 전력값을 나타낸다.
일반적으로 FMCW 레이더에서 전력을 탐지하는 방법으로는 일정 오경보율(CFAR; Constant False Alarm Rate) 탐지를 대부분 사용한다. CFAR는 RV(m,n) 주변의 전력값들을 평균내어 비교한 후, RV(m,n)가 타겟인지 아닌지를 판단하는 방법이다.
이때, RV(m,n) 주변의 전력값들의 경계는 윈도우 크기에 의해 결정된다. 따라서 모든 RV(m,n)가 타겟인지 아닌지를 판단해야 하므로, 윈도우를 이용해서 모든 RV(m,n)를 스캔해야 하므로 그 계산량이 많이 소모된다.
예를들어, 도 2에 도시된 바와 같이 거리방향의 주변 전력값들만 평균을 취해서 사용하는 방법, 도 3에 도시된 바와 같이 속도방향의 주변 전력값들만 평균을 취해서 사용하는 방법, 마지막으로 4에 도시된 바와 같이 거리 및 속도 방향의 모든 주변 전력값들의 평균을 이용하는 방법으로 타겟을 선택하여 거리와 속도를 검출해야하기 때문에 많은 계산량으로 인해 검출성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창작된 것으로서, 연속된 파형을 전송한 후 위상변화를 이용하여 속도를 탐지하는 레이더에서, 타겟에 대한 거리와 속도를 검출할 때 거리-속도맵에서 피크전력을 탐지한 후 기준전력을 통해 타겟을 선택하여 거리와 속도를 검출함으로써, 계산량을 줄이고 거리와 속도를 동시에 검출할 수 있도록 하는, 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치는 연속된 파형을 전송한 후 타겟들에 의해 반사되어 수신된 신호에 대해 2단계 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 산출된 전력값으로 구성된 거리-속도맵에서 각 거리별로 피크전력을 탐지하는 피크전력 탐지부; 피크전력 탐지부에서 탐지된 피크전력에 대해 기준전력을 적용하여 타겟을 선택하는 기준전력 탐지부; 및 기준전력 탐지부에서 선택된 타겟에 대한 거리와 속도를 검출하는 거리속도 검출부;를 포함하되, 기준전력 탐지부는 피크전력이 기준전력보다 높은 타겟을 선택하고, 선택된 타겟에 대한 속도를 선택하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 기준전력 탐지부는 CFAR(Constant False Alarm Rate) 탐지를 통해 생성된 기준전력을 적용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 기준전력 탐지부는 미리 설정된 고정 기준전력을 적용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법은 피크전력 탐지부가 연속된 파형을 전송한 후 타겟들에 의해 반사되어 수신된 신호에 대해 2단계 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 산출된 전력값으로 구성된 거리-속도맵에서 각 거리별로 피크전력을 탐지하는 단계; 기준전력 탐지부가 각 거리별 피크전력에 대해 기준전력을 적용하여 타겟을 선택하는 단계; 및 거리속도 검출부가 선택된 타겟에 대한 거리와 속도를 검출하는 단계를 포함하되, 타겟을 선택하는 단계는 피크전력이 기준전력보다 높은 타겟을 선택하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 기준전력을 적용하는 단계는 CFAR(Constant False Alarm Rate) 탐지를 통해 생성된 기준전력을 적용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 기준전력을 적용하는 단계는 고정 기준전력을 설정하여 적용하는 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명은 연속된 파형을 전송한 후 위상변화를 이용하여 속도를 탐지하는 레이더에서, 타겟에 대한 거리와 속도를 검출할 때 거리-속도맵에서 피크전력을 탐지한 후 기준전력을 통해 타겟을 선택하여 거리와 속도를 검출함으로써, 계산량을 줄이고 거리와 속도를 동시에 검출할 수 있어 검출성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 FMCW 레이더를 나타낸 개념도이다.
도 2는 FMCW 레이더에서 거리방향으로 스캔하여 CFAR을 적용하는 예시도이다.
도 3은 FMCW 레이더에서 속도방향으로 스캔하여 CFAR을 적용하는 예시도이다.
도 4는 FMCW 레이더에서 거리와 속도방향으로 스캔하여 CFAR을 적용하는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치를 나타낸 블록구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치에서 피크전력 탐지부의 탐지결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치에서 기준전력 탐지부의 탐지결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치 및 그 방법의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치를 나타낸 블록구성도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치에서 피크전력 탐지부의 탐지결과를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치에서 기준전력 탐지부의 탐지결과를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치는 신호변환부(10), 거리-속도맵 저장부(20), 피크전력 탐지부(30), 기준전력 탐지부(40), 거리속도 검출부(50)를 포함한다.
신호변환부(10)는, FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더에서 도 1에 도시된 바와 같이 PRI(Pulse Repetition)를 갖는 연속된 파형을 전송한 후 타겟들에 의해 반사되어 수신된 신호에 1차 FFT룰 수행하여 거리 정보를 얻고, 각 PRI 별로 저장된 1차 FFT의 결과에 대해 다시 2차 FFT를 수행하여 속도 정보를 획득하여 거리-속도에 따른 전력값을 산출한다.
거리-속도맵 저장부(20)는 신호변환부(10)에서 산출된 거리-속도에 따른 전력값으로 매트릭스를 구성하여 행단위로 거리 인덱스(Range index)를 설정하고, 열단위로 속도 인덱스(Velocity index)를 설정하여 거리-속도맵을 구성하여 저장한다.
피크전력 탐지부(30)는 거리-속도맵 저장부(20)에 저장된 거리-속도맵에 대해 도 6에 도시된 바와 같이 행단위의 각 거리별로 전력값(PSD : Power Spectrum Density)을 비교하여 피크전력을 탐지한다.
즉, 동일 거리에 속도가 다른 타겟이 존재할 확률은 거의 없다는 가정 하에, 각 거리에서 가장 전력이 높은 피크전력을 탐지한다. 또한, 각 거리에 해당하는 속도 값을 얻을 수 있다.
기준전력 탐지부(40)는 피크전력 탐지부(30)에서 탐지된 피크전력에 대해 도 7에 도시된 바와 같이 기준전력(Threshold)을 적용하여 피크전력이 기준전력(A)보다 높은 타겟을 선택하고, 선택된 타겟에 대한 속도도 함께 선택한다.
이때 기준전력은 CFAR(Constant False Alarm Rate) 탐지를 통해 생성된 기준전력을 적용할 수도 있으며, 임의로 고정 기준전력을 설정하여 적용할 수도 있다.
거리속도 검출부(50)는 기준전력 탐지부(40)에서 선택된 타겟에 대한 거리와 속도를 검출한다.
이와 같이 본 발명에 의한 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치에 따르면, 연속된 파형을 전송한 후 위상변화를 이용하여 속도를 탐지하는 레이더에서, 타겟에 대한 거리와 속도를 검출할 때 거리-속도맵에서 피크전력을 탐지한 후 기준전력을 통해 타겟을 선택하여 거리와 속도를 검출함으로써, 계산량을 줄이고 거리와 속도를 동시에 검출할 수 있어 검출성능을 향상시킬 수 있으며, 자동차, 로봇, 조선 등 다양한 민군수용에 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치는 FMCW 레이더 뿐만 아니라 펄스-도플러 레이더와 같이 연속된 파형을 전송한 후 위상의 변화를 이용하여 속도를 탐지하는 레이더의 경우에도 적용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법에서는 먼저, FMCW 레이더에서 도 1에 도시된 바와 같이 PRI(Pulse Repetition)를 갖는 연속된 파형을 전송한 후 타겟들에 의해 반사되어 수신된 신호를 신호변환부(10)가 1차 FFT를 통해 거리 정보를 얻고, 각 PRI 별로 저장된 1차 FFT의 결과에 대해 다시 2차 FFT를 통해 속도 정보를 획득하여 거리-속도에 따른 전력값으로 매트릭스의 행단위로 거리 인덱스(Range indes)를 설정하고, 열단위로 속도 인덱스(Velocity index)를 설정하여 거리-속도맵을 구성한다(S10).
이후 피크전력 탐지부(30)는 거리-속도맵에 대해 도 6에 도시된 바와 같이 행단위의 각 거리별로 전력값(PSD : Power Spectrum Density)을 비교하여 피크전력을 탐지한다(S20).
즉, 동일 거리에 속도가 다른 타겟이 존재할 확률은 거의 없다는 가정 하에, 각 거리에서 가장 전력이 높은 피크전력을 탐지한다. 아울러, 각 거리에 해당하는 속도 값을 얻을 수 있다.
그런 다음 기준전력 탐지부(40)는 피크전력 탐지부(30)에서 탐지된 피크전력에 대해 도 7에 도시된 바와 같이 기준전력(Threshold)을 적용하여 피크전력이 기준전력(A)보다 높은 타겟을 선택하고, 선택된 타겟에 대한 속도도 함께 선택한다(S30).
이때 기준전력은 CFAR(Constant False Alarm Rate) 탐지를 통해 생성된 기준전력을 적용할 수도 있으며, 임의로 고정 기준전력을 설정하여 적용할 수도 있다.
이어서, 거리속도 검출부(50)는 이와 같이 거리-속도맵에서 피크전력 탐지와 기준전력 탐지를 통해 선택된 타겟에 대해 거리와 속도를 검출한다(S40).
이와 같이 본 발명에 의한 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법에 따르면, 연속된 파형을 전송한 후 위상변화를 이용하여 속도를 탐지하는 레이더에서, 타겟에 대한 거리와 속도를 검출할 때 거리-속도맵에서 피크전력을 탐지한 후 기준전력을 통해 타겟을 선택하여 거리와 속도를 검출함으로써, 계산량을 줄이고 거리와 속도를 동시에 검출할 수 있어 검출성능을 향상시킬 수 있으며, 자동차, 로봇, 조선 등 다양한 민군수용에 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법은 FMCW 레이더 뿐만 아니라 펄스-도플러 레이더와 같이 연속된 파형을 전송한 후 위상의 변화를 이용하여 속도를 탐지하는 레이더의 경우에도 적용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 신호변환부 20 : 거리-속도맵 저장부
30 : 피크전력 탐지부 40 : 기준전력 탐지부
50 : 거리속도 검출부

Claims (7)

  1. 연속된 파형을 전송한 후 타겟들에 의해 반사되어 수신된 신호에 대해 2단계 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 산출된 전력값으로 구성된 거리-속도맵에서 각 거리별로 피크전력을 탐지하는 피크전력 탐지부;
    상기 피크전력 탐지부에서 탐지된 상기 피크전력에 대해 기준전력을 적용하여 상기 타겟을 선택하는 기준전력 탐지부; 및
    상기 기준전력 탐지부에서 선택된 상기 타겟에 대한 거리와 속도를 검출하는 거리속도 검출부;를 포함하되,
    상기 기준전력 탐지부는, 상기 피크전력이 상기 기준전력보다 높은 타겟을 선택하고, 선택된 상기 타겟에 대한 속도를 선택하는 것을 특징으로 하는 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기준전력 탐지부는 CFAR(Constant False Alarm Rate) 탐지를 통해 생성된 상기 기준전력을 적용하는 것을 특징으로 하는 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 기준전력 탐지부는 미리 설정된 고정 기준전력을 적용하는 것을 특징으로 하는 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출장치.
  4. 피크전력 탐지부가 연속된 파형을 전송한 후 타겟들에 의해 반사되어 수신된 신호에 대해 2단계 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 산출된 전력값으로 구성된 거리-속도맵에서 각 거리별로 피크전력을 탐지하는 단계;
    기준전력 탐지부가 상기 각 거리별 피크전력에 대해 기준전력을 적용하여 상기 타겟을 선택하는 단계; 및
    거리속도 검출부가 선택된 상기 타겟에 대한 거리와 속도를 검출하는 단계;를 포함하되,
    상기 타겟을 선택하는 단계는, 상기 피크전력이 상기 기준전력보다 높은 타겟을 선택하는 것을 특징으로 하는 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 기준전력을 적용하는 단계는 CFAR(Constant False Alarm Rate) 탐지를 통해 생성된 상기 기준전력을 적용하는 것을 특징으로 하는 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 기준전력을 적용하는 단계는 고정 기준전력을 설정하여 적용하는 것을 특징으로 하는 레이더를 이용한 타겟의 거리 속도 검출방법.
  7. 삭제
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