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KR102587986B1 - Mpsk-mimo fmcw 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치및 그 방법 - Google Patents

Mpsk-mimo fmcw 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치및 그 방법 Download PDF

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KR102587986B1
KR102587986B1 KR1020230086243A KR20230086243A KR102587986B1 KR 102587986 B1 KR102587986 B1 KR 102587986B1 KR 1020230086243 A KR1020230086243 A KR 1020230086243A KR 20230086243 A KR20230086243 A KR 20230086243A KR 102587986 B1 KR102587986 B1 KR 102587986B1
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KR
South Korea
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signal
radar
angle
target signal
distance
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Active
Application number
KR1020230086243A
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Inventor
김경태
박정기
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 MPSK-MIMO FMCW 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, MPSK-MIMO FMCW 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치에 의해 수행되는 멀티패스 신호 탐지 방법에 있어서, 상기 MPSK-MIMO FMCW 레이다를 이용하여 레이다에서 송출 후 반사되어 수신된 레이다 신호를 획득하는 단계; 상기 레이다 신호로부터 거리-속도 맵을 생성하는 단계; 상기 거리-속도 맵을 분석하여 상기 거리-속도 맵 내의 각 표적 신호에 대한 도래각(DoA)을 추정하는 단계; 상기 각 표적 신호에 대해 추정된 도래각을 기준으로 상기 거리-속도 맵에 공간 필터를 각각 적용하여 각 표적 신호를 공간 필터링하는 단계; 각 표적 신호 별로 공간 필터링된 거리-속도 맵을 분석하여 각 표적 신호에 대한 출발각(DoD)을 추정하는 단계; 및 상기 표적 신호 별로 상기 표적 신호에 대해 추정된 도래각과 출발각을 서로 비교하여, 각 표적 신호가 재실자에게서 직접 반사된 신호인지 또는 멀티패스 신호인지를 구분하여 식별하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 다수의 멀티패스 성분이 간섭원으로 작용하는 실내 환경에서 MPSK-MIMO FMCW 레이다를 이용한 레이다 신호를 분석함으로써, 사람으로부터 직접 반사된 다이렉트패스 신호와 멀티패스 신호를 구분할 수 있어, 멀티패스에 의한 오탐지를 줄일 수 있도록 한다.

Description

MPSK-MIMO FMCW 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치 및 그 방법{Multipath signal detection apparatus based on MPSK-MIMO FMCW radar and method thereof}
본 발명은 MPSK-MIMO FMCW 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실내에서 재실자의 위치를 추정할 때 가장 문제가 되는 멀티패스 신호를 식별하여 멀티패스에 의한 오탐지를 줄일 수 있는 MPSK-MIMO FMCW 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
자동으로 재실자의 위치를 추정할 수 있는 재실자 측위 시스템은 독거노인 낙상 감지, 재실자 계수 추정, 스마트 홈의 전력 제어 등 다양한 실내 애플리케이션에 활용될 수 있다.
이때, 실내로부터 유용한 정보를 획득하기 위한 다양한 센서 중에서 레이다는 사생활 침해의 여지가 없고 조도 등의 외부 환경에 영향을 받지 않는 장점이 있어 최근 각광받고 있다.
레이다를 이용해 재실자 측위를 수행할 때 가장 문제가 되는 것은 멀티패스 신호이다.
도 1은 레이다 수신 신호의 경로의 일례를 기하학적으로 표현한 도면이다. 도 1과 같이, 실내 레이다 수신 신호는 재실자로부터 직접적으로 반사되어 수신된 다이렉트 패스(Direct Path) 신호 이외에도, 재실자 및 벽, 바닥, 가구 등에 여러 번 반사된 후 수신되는 멀티패스 신호(multipath)가 다수 포함되어 있으며, 이러한 멀티패스 신호는 수많은 오탐지를 야기한다.
이러한 멀티패스는 실제로 존재하는 사람 이외에 다수의 허위 표적을 유발하기 때문에 반드시 제거되어야 한다.
도 2는 실내 공간에 재실자 2명이 존재한 상황에서 레이다를 이용하여 획득한 거리 프로파일을 예시한 도면이다. 도 2에서는 실제 타겟이 2명(Target1, 2)임에도 불구하고 각 사람에게서 직접 반사된 다이렉트 패스 신호 이외에도, 멀티패스 신호들이 다수 탐지된 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 레이다 수신 신호에는 다이렉트 패스 신호 이외의 다양한 멀티패스 신호들이 혼재되어 있어, 어떠한 신호가 타겟에서 직접 반사된 신호인지 혹은 타겟과 장애물을 거친 멀티패스에 의한 신호인지 정확히 식별될 수 있어야 한다. 또한 식별된 멀티패스 신호는 오탐지 방지를 위해 제거되어야 한다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제2021-0001840호(2021.01.07 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 MPSK-MIMO FMCW 레이다를 이용한 레이다 신호를 이용하여 각 표적 신호에 대한 도래각을 추정하고 추정한 각도를 기준으로 공간 필터를 적용한 레이다 신호로부터 출발각을 추정한 다음 추정한 도래각과 출발각을 비교함으로써 멀티패스 신호 및 다이렉트패스 신호를 구분할 수 있는 MPSK-MIMO FMCW 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, MPSK-MIMO FMCW 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치에 의해 수행되는 멀티패스 신호 탐지 방법에 있어서, 상기 MPSK-MIMO FMCW 레이다를 이용하여 레이다에서 송출 후 반사되어 수신된 레이다 신호를 획득하는 단계; 상기 레이다 신호로부터 거리-속도 맵을 생성하는 단계; 상기 거리-속도 맵을 분석하여 상기 거리-속도 맵 내의 각 표적 신호에 대한 도래각(DoA)을 추정하는 단계; 상기 각 표적 신호에 대해 추정된 도래각을 기준으로 상기 거리-속도 맵에 공간 필터를 각각 적용하여 각 표적 신호를 공간 필터링하는 단계; 각 표적 신호 별로 공간 필터링된 거리-속도 맵을 분석하여 각 표적 신호에 대한 출발각(DoD)을 추정하는 단계; 및 상기 표적 신호 별로 상기 표적 신호에 대해 추정된 도래각과 출발각을 서로 비교하여, 각 표적 신호가 재실자에게서 직접 반사된 신호인지 또는 멀티패스 신호인지를 구분하여 식별하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 멀티패스 신호 탐지 방법은, 거리-속도 맵을 생성하는 단계 이전에, 상기 레이다 신호로부터 클러터를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 도래각을 추정하는 단계는, 상기 거리-속도 맵에 포함된 위상 정보를 이용하여 각 표적 신호에 대한 도래각(DoA)을 추정할 수 있다.
또한, 상기 공간적으로 필터링하는 단계는, 상기 거리-속도 맵에 대해 각 도래각 별로 Capon 빔포머를 갖는 Capon Filter 알고리즘을 적용하여 각 표적 신호를 공간적으로 필터링할 수 있다.
또한, 상기 식별하는 단계는, 상기 표적 신호 별로 상기 추정한 도래각과 출발각 간의 편차를 연산하고, 상기 편차가 임계값 미만인 경우 해당 표적 신호를 재실자로부터 직접 반사된 신호로 식별하고, 상기 편차가 임계값 이상인 경우 해당 표적 신호를 멀티패스 신호로 식별할 수 있다.
그리고, 본 발명은, 상기 MPSK-MIMO FMCW 레이다를 이용하여 레이다에서 송출 후 반사되어 수신된 레이다 신호를 획득하는 신호 획득부; 상기 레이다 신호로부터 거리-속도 맵을 생성하는 신호 처리부; 상기 거리-속도 맵을 분석하여 상기 거리-속도 맵 내의 각 표적 신호에 대한 도래각(DoA)을 추정하는 도래각 추정부; 상기 각 표적 신호에 대해 추정된 도래각을 기준으로 상기 거리-속도 맵에 공간 필터를 각각 적용하여 각 표적 신호를 공간 필터링하는 공간 필터부; 각 표적 신호 별로 공간 필터링된 거리-속도 맵을 이용하여 각 표적 신호에 대한 출발각(DoD)을 추정하는 출발각 추정부; 및 상기 표적 신호 별로 상기 표적 신호에 대해 추정된 도래각과 출발각을 서로 비교하여, 각 표적 신호가 재실자에게서 직접 반사된 신호인지 또는 멀티패스 신호인지를 구분하여 식별하는 신호 식별부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 다수의 멀티패스 성분이 간섭원으로 작용하는 실내 환경에서 MPSK-MIMO FMCW 레이다를 이용한 레이다 신호를 분석함으로써, 사람으로부터 직접 반사된 다이렉트패스 신호와 멀티패스 신호를 구분할 수 있어, 멀티패스에 의한 오탐지를 줄일 수 있도록 한다.
도 1은 레이다 수신 신호의 경로의 일례를 기하학적으로 표현한 도면이다.
도 2는 실내 공간에 재실자 2명이 존재한 상황에서 레이다를 이용하여 획득한 거리 프로파일을 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 MPSK-MIMO FMCW 레이다의 송수신 구조를 개념적으로 설명한 도면이다.
도 4는 다이렉트 경로와 멀티패스 경로 신호에서의 출발각과 도래각을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 MPSK-MIMO FMCW 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5를 이용한 멀티패스 신호 탐지 방법을 설명하는 도면이다..
도 7은 본 발명의 실시예에서 클러터 제거 전과 후의 레이더 신호로부터 획득한 R-V 맵을 비교한 도면이다.
도 8은 표적 신호의 추정된 도래각을 기초로 공간 필터링한 거리-속도 맵으로부터 표적 신호의 출발각을 추정하는 개념을 설명한 도면이다.
도 9는 레이다 신호로부터 추정한 도래각 스펙트럼과 특정 도래각을 기준으로 공간 필터링한 맵을 사용하여 출발각을 추정한 결과를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 기법에 대한 시뮬레이션을 위한 실험 환경을 보여주는 도면이다.
도 11은 도 10의 실험 환경에서 시뮬레이션을 통해 획득한 R-V 맵을 보여주는 도면이다.
도 12는 도 11에 도시된 R-V 맵을 통해 분석된 DoA 스펙트럼과 DoA 추정 값을 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12에서 추정된 도래각 과 을 이용하여 공간 필터한 신호로부터 각각 출발각을 추정한 결과를 각각 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 기법의 성능 시험을 위한 실제 실험 환경을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 15는 도 14의 (a)와 같은 오픈된 실내 공간에 재실자가 1명 존재하는 상황에서 획득한 레이다 신호에 대한 R-V 맵 결과를 보여주는 도면이다.
도 16은 도 15의 (b)에 도시된 R-V 맵으로부터 추정한 DoA 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 17은 도 16에서 추정된 도래각 에 대해 공간 필터링을 적용하여 출발각을 추정한 결과를 보여주는 도면이다.
도 18은 도 14의 (b)와 같은 협소한 실내 공간에 재실자가 2명 존재한 상황에서 획득한 레이다 신호를 이용한 도래각과 출발각 추정 결과의 일례를 보여주는 도면이다.
도 19는 도 14의 (b)와 같은 협소한 실내 공간에 재실자가 2명 존재한 상황에서 획득한 레이다 신호를 이용한 도래각과 출발각 추정 결과의 다른 예시를 보여주는 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 MPSK-MIMO FMCW 레이다를 기반으로 하는 멀티패스 신호 탐지 기법에 대한 것으로, 실내 공간에서 사람을 탐지할 때 사람에게서 직접 반사된 신호와 멀티패스 신호를 식별함으로써, 멀티패스 신호를 완화하고 멀티패스에 의한 오탐지를 줄일 수 있는 기법을 제시한다.
MPSK-MIMO FMCW 레이다는 다중 입출력(Multiple-Input-Multiple-Output) 방식과 MPSK(M Phase Shift Keying) 방식을 이용한 FMCW 레이다 장치를 의미한다.
구체적으로, MPSK-MIMO FMCW 레이다는 복수의 송신 안테나(예: 송신 어레이 안테나)를 통하여 레이다 신호를 송출하고 복수의 수신 안테나(예:수신 어레이 안테나)를 통해 레이다 신호를 수신한다. 또한, 각각의 송신 안테나마다 서로 다른 값의 위상천이를 인가하는 방식으로 MPSK 코드를 삽입하여 송신 신호를 분리하는 CDM(Code Division Multiplexing) 방식을 이용한다.
MIMO를 이용하는 경우 송신 안테나와 수신 안테나의 개수가 높아져서 SNR 증가를 확보할 수 있고, 각도 추정 분해능을 높일 수 있다. 또한, MPSK 방식을 이용하는 경우 송신 안테나 별로 신호 위상을 달리 부가하여 수신기 입장에서 어떤 송신 안테나로부터 수신된 신호인지 구분할 수 있다.
본 발명은 이와 같은 MPSK-MIMO FMCW 레이다를 이용하여 레이다 수신 신호로부터 각 표적을 탐지하고 탐지된 각 표적이 사람으로부터 다이렉트로 반사된 신호(이하, 사람 신호)인지 혹은 사람과 주변 장애물에 의해 여러 번 반사된 후 수신된 멀티패스 신호인지를 구분함으로써, 효율적인 사람 탐지가 가능하게 하고, 나아가 효율적인 재실자 측위를 가능하게 한다.
본 발명의 실시예에 따른 멀티패스 신호 탐지 장치는 MPSK-MIMO FMCW 레이다 장치를 포함하여 구성되거나 MPSK-MIMO FMCW 레이다 장치와 연결되어 동작할 수 있다. 또한, 멀티패스 신호 탐지 장치는 측위가 필요한 실내 공간에 설치되어 재실자 탐지(측위, 카운트 등)에 활용될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, MPSK-MIMO FMCW 레이더의 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 MPSK-MIMO FMCW 레이다의 송수신 구조를 개념적으로 설명한 도면이다.
여기서, MPSK-MIMO FMCW 레이다를 위한 다중 송수신 안테나는 NTX 개의 송신 안테나와, NRX 개의 수신 안테나로 이루어진 것을 가정한다. 이들은 각각 송신 어레이 안테나, 수신 어레이 안테나에 해당한다.
도 3의 (a)에 나타낸 는 송신 안테나에 대한 신호의 출발각(DoD)을 나타내고, (b)에 나타낸 은 수신 안테나에 대한 신호의 도래각(DoA)를 나타낸다. 일반적으로, 레이다에서 송출 후 사람으로부터 직접 반사된 다이렉트 패스의 경우 와 가 일치하지만, 사람과 장애물을 여러번 경유한 멀티패스 신호의 경우 와 는 서로 일치하지 않는다.
도 3의 (a)는 각 송신 안테나(0, 1, …, NTX-1 번째 송신 안테나)의 송신 신호, (b)는 각 수신 안테나(0, 1, …, NRX-1 번째 수신 안테나)의 수신 신호를 보여준다. 도 3에서 dtx는 송신 안테나 간 간격을 나타내고, drx는 수신 안테나 간 간격을 나타낸다.
도 3의 (a)에서 i번째 송신 안테나의 송신 신호는 아래 수학식 1과 같이 표현된다.
여기서, 는 i번째 송신 안테나의 송신 신호, m은 처프의 인덱스, t는 시간 인덱스, i는 송신 안테나의 인덱스이다. 여기서, i={0, 1, …, NTX-1}로 표현된다.
는 처프 신호를 나타내며 아래 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
여기서, fo는 처프 시작 주파수(chirp start frequency), B는 주파수 밴드폭, Tp는 처프 지속시간(chirp duration)을 나타낸다.
수학식 1에서, 는 i번째 송신 안테나에 적용되는 MPSK 코드이고, 로 정의된다. 만일, 송신 안테나가 4개(NTX=4)이면, 각 송신 안테나의 인덱스는 i={0,1,2,3}이 되고, 송신 안테나 별 적용되는 MPSK 코드는 각각 ={0, 1/4, 1/2, 3/4}이 된다. 즉, 각 송신 안테나에 서로 다른 코드(위상)가 부가됨에 따라, 송신 안테나 별로 1/NTX 씩 위상 차가 발생하게 된다.
각각의 수신 안테나를 통해서는 NTX개의 모든 송신 안테나의 신호가 혼합되어 수신된다. 이때 수신 안테나에서는 각 송신 안테나 별 부여된 서로 다른 위상 값을 이용해서 각 송신 안테나의 신호를 구분할 수 있다.
도 3의 (c)는 각 수신 안테나(0, 1, …, NRX-1 번째 수신 안테나) 별로 수신된 수신 신호의 위상 정보를 나타낸 것으로, 이러한 위상 정보는 레이다 신호를 거리-속도 축으로 표현한 R-V 맵(Range-Velocity Map)을 통해서 확인될 수 있다. 이때, αj,i는 i번째 송신 안테나에서 송신된 후 j번째 수신 안테나에 수신된 신호의 위상 정보를 나타낸다.
각 송신 안테나에 서로 다른 코드(위상)가 부가됨에 따라, 수신 신호에서는 도 3의 (c)과 같이, 각 송신 안테나의 신호가 도플러(velocity) 방향에 대해 서로 다른 위치에 뜨게 된다. 만일, 송신 안테나가 3개인 경우, 수신 신호의 R-V 맵 상에 평행한 3줄의 신호 형태가 나타나게 된다. 이는 각 송신 안테나의 신호 사이에는 수학식 1에서 에 따라 서로 다른 송신 안테나에 부과되는 위상값 에 비례하는 위상 차가 발생한 것과 관계된다. 이때 각 송신 안테나의 신호 간에는 출발각에 비례하는 위상 차가 발생한다.
아울러, 도 3의 (c)를 보면, 각 수신 안테나의 수신 신호 간에는 에 따라 도래각()에 비례하는 위상 차이가 발생한 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 R-V 맵 상의 위상 신호를 분석하면 도래각과 출발각을 확인할 수 있다.
다만, 여러 사람이 R-V 맵 상의 동일 지점에 겹쳐 존재할 수도 있고, 다른 멀티패스 신호와도 겹칠 수도 있으며, 여러 타겟의 신호가 겹치면 서로 간섭되어 위상 왜곡이 발생하면서 정확한 위상 정보를 얻기가 불가능해진다.
즉, 단순히 수신 신호에서 변환된 R-V 맵을 활용하여 출발각을 분석할 경우 위상 왜곡으로 인한 각도 추정 오차가 발생하므로, 본 발명의 실시예에서는 레이다 수신 신호에 대한 R-V 맵으로부터 수신 방향의 도래각을 먼저 추정 후, 추정한 도래각을 기준으로 공간 필터(예: Capon 알고리즘)를 적용하여 해당 각도(또는 각도 범위)의 신호만을 효과적으로 활용하여 출발각을 추정하도록 한다.
본 발명의 실시예에서는 이렇게 추정된 도래각과 출발각이 서로 임계값 이내로 일치하는지 여부를 확인하여, 일치하는 경우에는 해당 신호가 사람 신호(사람을 맞고 사람에게서 직접 반사된 신호)인 것으로 판단하고, 일치하지 않는 경우에는 멀티패스 신호인 것으로 판단한다.
도 4는 다이렉트 경로와 멀티패스 경로 신호에서의 출발각과 도래각을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4의 좌측 그림은 복수의 송수신 안테나를 갖는 MIMO 레이다를 통해서 사람(T)으로부터 직접적으로 반사된 다이렉트 패스(Direct-path)와 사람(T)과 벽과 같은 장애물(P)을 거친 멀티패스(Multipath)의 신호 경로를 예시하고 있다.
아래 표 1은 도 4에서 나타낸 3가지 전파 경로(O->T->O, O->T->P->O, O->P->T->O) 각각에서의 도래각(DoA, 수신 신호 각도)과 출발각(DoD, 송신 신호 각도)을 정리한 도표이다.
Direct-path Multipath Multipath
전파 경로 O->T->O O->T->P->O O->P->T->O
도래각(DoA) θT θP θT
출발각(DoD) θT θT θP
이와 같이, 사람으로부터 직접 반사된 다이렉트 패스의 경우 신호의 DoD와 DoA가 모두 θT로 일치하지만, 멀티패스 경로의 경우 신호가 나간 각도인 DoD와 신호가 들어온 각도인 DoA가 일치하지 않는 것을 확인할 수 있다.
이하에서는 상술한 내용을 바탕으로 본 발명의 실시예에 따른 멀티패스 신호 식별
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 MPSK-MIMO FMCW 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5를 이용한 멀티패스 신호 탐지 방법을 설명하는 도면이다.
도 5에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 MPSK-MIMO FMC 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치(100)는 신호 획득부(110), 신호 처리부(120), 도래각 추정부(130), 공간 필터부(140), 출발각 추정부(150), 신호 식별부(160)를 포함한다. 여기서 각 부(110~160)의 동작 및 각 부 간의 데이터 흐름은 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다.
멀티패스 신호 탐지 장치(100)는 MPSK-MIMO FMCW 레이다 장치(미도시)를 포함하여 구성되거나 MPSK-MIMO FMCW 레이다 장치(미도시)와 연결되어 동작할 수 있다. 또한 멀티패스 신호 탐지 장치(100)는 MPSK-MIMO FMCW 레이다 장치(미도시)의 동작을 제어할 수도 있다.
먼저, 신호 획득부(110)는 MPSK-MIMO FMCW 레이다를 이용하여 레이다에서 송출 후 반사되어 수신된 레이다 신호를 획득한다(S610).
여기서 신호 획득부(110)는 레이다 장치(미도시)에 포함된 신호 수신부에 해당할 수도 있지만, 레이다 장치의 신호 수신부와 연결되어 레이다 수신 신호를 전달받을 수도 있다. 신호 획득부(110)는 획득한 레이다 신호를 신호 처리부(120)로 전달할 수 있다.
여기서, 신호 처리부(120)는 신호 획득부(110)로부터 전달되는 레이다 신호로부터 R-V 맵을 생성하기 전에 클러터(Clutter)를 제거할 수 있다(S620).
레이다 신호에 포함된 클러터 성분(clutter signal)은 고정된 물체(예: 벽, 가구 등)로부터 반사된 신호 성분에 해당할 수 있다. 이와 같이, 고정된 객체에 의한 클러터 성분은 레이다 신호에서 제거 또는 억압되는 것이 바람직하다.
레이다 장치를 통해 취득한 신호에 클러터 제거 기법을 적용하여 실내 환경에 존재하는 사람을 탐지하는 알고리즘은 기존에 다양하게 존재한다. 따라서 클러터 제거는 기 공지된 다양한 기법이 적용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 클러터 제거 전과 후의 레이더 신호로부터 획득한 R-V 맵을 비교한 도면이다. 이러한 도 7을 통해 클러터 제거 이후 레이다 신호에서 클러터(Clutter) 성분은 억압되고 표적 신호가 상대적으로 높게 조정된 것을 알 수 있다.
여기서, 클러터 제거 이후에 검출된 표적 신호에는 도 7의 (b)와 같이, 사람에게서 직접 반사된 다이렉트 패스 신호(사람 신호)와, 사람과 장애물을 거친 멀티패스 신호가 모두 포함된 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예의 경우, 전체 탐지된 표적 신호 중에서 멀티패스에 해당한 허위 표적 성분을 효과적으로 구분하고, 이를 통해 멀티패스에 의한 오탐지를 방지할 수 있다.
다음, 신호 처리부(120)는 클러터가 제거된 레이다 신호로부터 거리-속도 맵을 생성한다(S630).
여기서, 신호 처리부(120)는 레이다 신호를 푸리에 변환(예: Fast Fourier Transform)하여 거리-속도 맵을 생성할 수 있다. 거리-속도 맵에는 거리와 속도 축에 대한 레이다 신호의 위상 정보가 포함되어 있다.
신호 처리부(120)는 거리-속도 맵에 타겟 탐지 알고리즘을 적용하여 임계 이상의 피크 값을 가지는 복수의 표적 신호를 탐지할 수 있고, 탐지 결과를 도래각 추정부(130)로 제공할 수 있다.
도래각 추정부(130)는 이러한 거리 속도 맵을 분석하여 거리-속도 맵 내의 각 표적 신호에 대한 도래각(DoA)을 추정한다(S640).
여기서, 도래각 추정부(130)는 거리-속도 맵에 포함된 위상 정보를 이용하여 각 표적 신호에 대한 도래각을 추정할 수 있으며, 구체적으로 거리-속도 맵 내의 탐지된 각 표적 신호에 대한 위상 성분을 분석하여 각 표적 신호의 도래각을 추정할 수 있다.
다음으로, 공간 필터부(140)는 각 표적 신호에 대해 추정된 도래각을 기준으로 거리-속도 맵에 공간 필터(spatial filter)를 적용하여 각 표적 신호를 공간 필터링(Spatial Filtering)한다(S650).
이러한 S650 단계는 S630 단계에서 거리-속도 맵 내에서 각 도래각의 각도에 해당한 신호를 공간적으로 빔포밍하는 과정을 의미한다. 이를 위해, 공간 필터부(140)는 거리-속도 맵에 대해 각 도래각 별로 Capon 빔포머를 갖는 Capon Filter 알고리즘을 적용하여 각 표적 신호를 공간적으로 필터링할 수 있다. Capon 알고리즘은 기 공지된 기법이며 Capon 빔포밍 기능을 포함한다.
만일, 거리-속도 맵 내의 탐지된 표적 신호가 3개인 경우, 각 표적 신호에 대해 추정된 각각의 도래각을 기반으로 해당 도래각의 신호를 개별적으로 빔포밍하고 강화할 수 있다. 빔포밍 시에는 해당 도래각을 중심으로 하는 범위의 협소 각도 영역을 활용하여 빔포밍을 수행할 수 있다.
Capon 알고리즘은 관심 각도 영역의 검출을 기반으로 설계되어 특정 각도 영역에 대해 신호를 필터링하고 빔포밍할 수 있다. 이에 따라, 각 표적 신호 별로 공간 필터링이 이루어진 거리-속도 맵이 얻어질 수 있다.
다음으로, 출발각 추정부(150)는 각 표적 신호 별로 공간 필터링된 거리-속도 맵을 이용하여 각 표적 신호에 대한 출발각(DoD)을 추정한다(S670). 이때, 출발각 추정부(150)는 공간 필터링된 거리-속도 맵 내의 각 표적 신호에 대한 위상 성분을 이용하여 각 표적 신호의 출발각을 추정할 수 있다.
도 8은 표적 신호의 추정된 도래각을 기초로 공간 필터링한 거리-속도 맵으로부터 표적 신호의 출발각을 추정하는 개념을 설명한 도면이다.
도 8에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예는 S630 단계에서 얻은 거리-속도 맵을 통해 각 표적 신호에 대한 도래각()을 먼저 추정한다. 그런 다음 각 표적 신호 별로 추정한 도래각을 기준으로 신호를 디지털 빔포밍(공간 필터링)하여 얻은 거리-속도 맵을 통해 표적 신호의 출발각()을 각각 추정할 수 있다. 참고로 이러한 도 8은 송신 안테나가 3개이므로 이에 대응하여 수신 신호의 R-V 맵에서 평행한 3줄의 신호 형태가 나타난 것을 확인할 수 있다.
다음, 신호 식별부(160)는 표적 신호 별로 표적 신호에 대해 추정된 도래각과 출발각을 서로 비교하여, 각 표적 신호가 사람에게서 직접 반사된 신호인지 또는 멀티패스 신호인지를 구분하여 식별한다(S670).
신호 식별부(160)는 각 표적 신호에 대해 출발각(DoD, 송신 신호 각도)과 도래각(DoA, 수신 신호 각도)을 분석함으로써 최종적으로 멀티패스 신호와 사람 신호를 구분하여 식별한다.
이를 통해, 전체 탐지된 표적 신호 중에서 멀티패스에 해당한 허위 표적 성분을 효과적으로 제거할 수 있고, 멀티패스에 의한 오탐지를 방지할 수 있다.
여기서, 신호 식별부(160)는 각 표적에 대한 출발각과 도래각을 비교하여 사람으로부터 직접 반사된 신호인 사람 신호와 여러번 반사된 멀티패스 신호를 구분할 수 있다.
여기서, 사람으로부터 다이렉트로 반사된 신호의 경우 출발각과 도래각이 동일하지만, 멀티패스 신호의 경우 출발각과 도래각이 상이하다.
이러한 점을 토대로 신호 식별부(160)는 해당 표적 신호에 대해 추정한 도래각과 출발각 간의 각도 편차를 연산 후, 각도 편차가 기 설정된 임계값 미만인 경우 DoA와 DoD가 일치하는 것으로 판단하여 해당 표적 신호를 사람 신호(다이렉트 패스 신호)로 식별할 수 있다.
또한, 신호 식별부(160)는 도래각과 출발각 간 각도 편차가 임계값 이상이면, DoA와 DoD가 일치하지 않는 것으로 판단하여 해당 표적 신호를 멀티패스 신호로 식별할 수 있다. 여기서 임계값은 기 설정될 수도 있고 레이다 신호 분석 과정에서 설정 알고리즘에 의해 결정될 수도 있다.
도 9는 레이다 신호로부터 추정한 도래각 스펙트럼과 특정 도래각을 기준으로 공간 필터링한 맵을 사용하여 출발각을 추정한 결과를 보여주는 도면이다.
도 9의 왼쪽 그림은 레이다 신호로부터 추정한 DoA 스펙트럼으로, 3개의 타겟 신호에 대응하여 총 3개의 도래각(,,)이 추정된 것을 알 수 있다. 오른쪽 그림은 DoA 스펙트럼 상의 두 번째 도래각(17°)을 기준으로 공간 필터를 적용하여 추정한 출발각(17°)을 보여준다. 그 결과 출발각(DoD)과 도래각(DoA)이 17°로 동일하므로 이에 해당한 표적 신호는 사람 신호로 판단할 수 있다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 멀티패스 탐지 기법의 시뮬레이션 결과를 설명한다.
도 10은 본 발명의 기법에 대한 시뮬레이션을 위한 실험 환경을 보여주는 도면이다. 시뮬레이션 실험 환경은 총 4가지 전파 경로(P1,P2,P3,P4)가 존재하며, 각 경로에서 레이다 신호의 송수신 거리(range)와 도래각(DoA)은 표 2와 같다.
전파 경로 Range (m) DoA (°)
O->T1->O (P1) 5.23 -23.9
O->T2->O (P2) 5.22 17
O->T1->P->O (P3) 7.34 60
O->P->T1->O (P4) 7.34 -24.9
표 3은 시뮬레이션에 사용된 MIMO FMCW 레이다 장치의 사양을 나타낸다. 레이다의 송신 안테나와 수신 안테나는 각각 4개이다.
파라미터 값
Chirp start frequency 77.36 GHz
Frequency bandwidth 3.07 GHz
Chirp duration 51 μs
Pulse repetition interval 19 MHz
Number of chirps in single frame 126
Number of Txs (NTx) 4
Tx antenna spacing (dTx) 1.9 mm
Number of Rxs (NRx) 4
Rx antenna spacing (dRx) 1.9 mm
도 11은 도 10의 실험 환경에서 시뮬레이션을 통해 획득한 R-V 맵을 보여주는 도면이다. 도 11을 보면, P1과 P2 경로를 통한 신호 간에 레인지와 속도가 겹쳐 보이고, P3와 P4 경로를 통한 신호 간에도 거리와 속도가 겹쳐 보인다. 서로 다른 경로의 신호가 동일한 레인지와 속도 범위에 겹치게 되면 R-V 맵 상에서 위상 왜곡이 발생할 수 있기 때문에 공간 필터링 과정이 필요하다.
도 12는 도 11에 도시된 R-V 맵을 통해 분석된 DoA 스펙트럼과 DoA 추정 값을 보여주는 도면이다. DoA 스펙트럼을 통해서는 총 3개의 도래각 성분(,,)이 검출되었다.
도 13은 도 12에서 추정된 도래각 과 을 이용하여 공간 필터한 신호로부터 각각 출발각을 추정한 결과를 각각 보여주는 도면이다. 도 13의 상단에서 좌측 그림과 우측 그림은 각각 도래각 과 을 이용하여 R-V 맵에 공간 필터링한 결과 신호를 나타낸다. 도 13의 하단 그림은 각각 상단 그림으로부터 추정한 출발각 성분을 보여준다.
이때, 도 13의 하단 좌측 그림의 경우 두 번째 도래각 에 대한 출발각 추정 결과로, 도래각과 출발각이 서로 동일(DoA = DoD = 17°)하므로 사람 신호로 식별되며, 하단 우측 그림의 경우 세 번째 도래각 을 이용한 출발각 추정 결과로, 도래각과 출발각이 상이(DoA = 63°, DoD = -26°)하므로 사람 신호가 아닌 멀티패스 신호로 식별될 수 있다.
다음은 실제 실내 환경에서 수행한 실험 결과를 설명한다. 실험에 사용된 레이다 장치의 파라미터는 아래의 표 4와 같다.
파라미터 값
Chirp start frequency 77.47 GHz
Frequency bandwidth 2.53 GHz
Chirp duration 32 μs
Pulse repetition interval 14 MHz
Number of chirps in single frame 126
Number of Txs (NTx) 3
Tx antenna spacing (dTx) 3.8 mm
Number of Rxs (NRx) 4
Rx antenna spacing (dRx) 1.9 mm
실제 실험에서는 3개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나를 활용하였다.
도 14는 본 발명의 기법의 성능 시험을 위한 실제 실험 환경을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 14의 (a)는 좀더 오픈된 실내 공간이고, (b)는 협소한 실내 공간에 해당한다.
도 15는 도 14의 (a)와 같은 오픈된 실내 공간에 재실자가 1명 존재하는 상황에서 획득한 레이다 신호에 대한 R-V 맵 결과를 보여주는 도면이다.
도 15의 (a)는 원 신호로부터 클러터 제거 없이 R-V 맵을 생성한 것이고 (b)는 클러터 제거 후 R-V 맵을 생성한 것을 보여준다. 클러터 제거를 통해서 R-V 맵 내에서 표적 신호의 크기가 강화된 것을 알 수 있다. 이때 사용된 송신 안테나가 3개이므로 표적 신호 하나당 3줄 형태의 신호가 보여지며, 이 중에서 임계 이상의 표적 신호는 2개로 볼 수 있다.
도 16은 도 15의 (b)에 도시된 R-V 맵으로부터 추정한 DoA 스펙트럼을 보여주는 도면이다. 도 15의 (b) 하단 그림에서 보이는 2개의 표적 신호(피크 신호)에 대응하여 2개의 도래각(,)이 각각 추정되었다. 이때, 은 -40°, 은 1°이다.
도 17은 도 16에서 추정된 도래각 에 대해 공간 필터링을 적용하여 출발각을 추정한 결과를 보여주는 도면이다. 도 17의 (a)는 첫 번째 도래각 에 대해 공간 필터링을 적용한 결과이다. 도 17의 (b)는 두 번째 도래각 에 대한 출발각 추정 결과로, 도래각과 출발각이 상이(DoA = -40°, DoD = -1°)하므로 사람 신호가 아닌 멀티패스 신호로 식별될 수 있다.
도 18은 도 14의 (b)와 같은 협소한 실내 공간에 재실자가 2명 존재한 상황에서 획득한 레이다 신호를 이용한 도래각과 출발각 추정 결과의 일례를 보여주는 도면이다. 이러한 도 18의 경우 2명의 사람이 R-V맵 상에서 겹쳐 존재하는 상황이다.
도 18의 (a)는 R-V 맵, (b)는 (a)를 이용하여 추정한 도래각, (c)는 추정한 도래각을 이용하여 공간 필터링에 의해 추정한 출발각을 정리한 도표이다. 도표에 나타낸 세 가지 케이스 중에서 출발각과 도래각이 임계값 이내로 일치하는 케이스는 두 가지이고 나머지 하나는 멀티패스 신호에 해당한다.
도 19는 도 14의 (b)와 같은 협소한 실내 공간에 재실자가 2명 존재한 상황에서 획득한 레이다 신호를 이용한 도래각과 출발각 추정 결과의 다른 예시를 보여주는 도면이다. 도표에 나타낸 총 다섯 가지 케이스 중에서 하단의 두 가지 케이스는 출발각과 도래각이 임계값 이내로 일치하는 사람 신호에 해당하고, 나머지는 모두 멀티패스 신호에 해당한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 다수의 멀티패스 성분이 간섭원으로 작용하는 실내 환경에서 MPSK-MIMO FMCW 레이다를 이용한 레이다 신호를 분석함으로써, 사람으로부터 직접 반사된 다이렉트패스 신호와 멀티패스 신호를 구분할 수 있어, 멀티패스에 의한 오탐지를 줄일 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 단 하나의 수신 신호 프레임만을 이용해 클러터 및 멀티패스 신호에 의한 허위 표적을 빠른 시간내에 판별할 수 있고, 이는 사물인터넷 (Internet of Things: IoT) 시스템이 사람 신호만을 효과적으로 인식하는데 큰 도움을 줄 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 멀티패스 신호 탐지 장치 110: 신호 획득부
120: 신호 처리부 130: 도래각 추정부
140: 공간 필터부 150: 출발각 추정부
160: 신호 식별부

Claims (10)

  1. MPSK-MIMO FMCW 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치에 의해 수행되는 멀티패스 신호 탐지 방법에 있어서,
    상기 MPSK-MIMO FMCW 레이다를 이용하여 레이다에서 송출 후 반사되어 수신된 레이다 신호를 획득하는 단계;
    상기 레이다 신호로부터 거리-속도 맵을 생성하는 단계;
    상기 거리-속도 맵에 포함된 위상 정보를 이용하여 상기 거리-속도 맵 내의 각 표적 신호에 대한 도래각(DoA)을 추정하는 단계;
    상기 각 표적 신호에 대해 추정된 도래각을 기준으로 상기 거리-속도 맵에 공간 필터를 각각 적용하여 각 표적 신호를 공간 필터링하되, 상기 거리-속도 맵에 대해 각 도래각 별로 Capon 빔포머를 갖는 Capon Filter 알고리즘을 적용하여 각 표적 신호를 공간적으로 필터링하는 단계;
    각 표적 신호 별로 공간 필터링된 거리-속도 맵을 분석하여 각 표적 신호에 대한 출발각(DoD)을 추정하는 단계; 및
    상기 표적 신호 별로 상기 표적 신호에 대해 추정된 도래각과 출발각 간 편차를 연산하고, 상기 편차를 임계값과 비교하여, 각 표적 신호가 재실자에게서 직접 반사된 신호인지 또는 멀티패스 신호인지를 구분하여 식별하는 단계를 포함하는 멀티패스 신호 탐지 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    거리-속도 맵을 생성하는 단계 이전에, 상기 레이다 신호로부터 클러터를 제거하는 단계를 더 포함하는 멀티패스 신호 탐지 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 식별하는 단계는,
    상기 표적 신호에 대해 추정한 도래각과 출발각 간 편차를 연산하고, 상기 편차가 임계값 미만인 경우 해당 표적 신호를 재실자로부터 직접 반사된 신호로 식별하고, 상기 편차가 임계값 이상인 경우 해당 표적 신호를 멀티패스 신호로 식별하는 멀티패스 신호 탐지 방법.
  6. MPSK-MIMO FMCW 레이다 기반 멀티패스 신호 탐지 장치에 있어서,
    상기 MPSK-MIMO FMCW 레이다를 이용하여 레이다에서 송출 후 반사되어 수신된 레이다 신호를 획득하는 신호 획득부;
    상기 레이다 신호로부터 거리-속도 맵을 생성하는 신호 처리부;
    상기 거리-속도 맵에 포함된 위상 정보를 이용하여 상기 거리-속도 맵 내의 각 표적 신호에 대한 도래각(DoA)을 추정하는 도래각 추정부;
    상기 각 표적 신호에 대해 추정된 도래각을 기준으로 상기 거리-속도 맵에 공간 필터를 각각 적용하여 각 표적 신호를 공간 필터링하되, 상기 거리-속도 맵에 대해 각 도래각 별로 Capon 빔포머를 갖는 Capon Filter 알고리즘을 적용하여 각 표적 신호를 공간적으로 필터링하는 공간 필터부;
    각 표적 신호 별로 공간 필터링된 거리-속도 맵을 이용하여 각 표적 신호에 대한 출발각(DoD)을 추정하는 출발각 추정부; 및
    상기 표적 신호 별로 상기 표적 신호에 대해 추정된 도래각과 출발각 간 편차를 연산하고, 상기 편차를 임계값과 비교하여, 각 표적 신호가 재실자에게서 직접 반사된 신호인지 또는 멀티패스 신호인지를 구분하여 식별하는 신호 식별부를 포함하는 멀티패스 신호 탐지 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    거리-속도 맵을 생성 이전에, 상기 레이다 신호로부터 클러터를 제거하는 멀티패스 신호 탐지 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 신호 식별부는,
    상기 표적 신호에 대해 추정한 도래각과 출발각 간 편차를 연산하고, 상기 편차가 임계값 미만인 경우 해당 표적 신호를 재실자로부터 직접 반사된 신호로 식별하고, 상기 편차가 임계값 이상인 경우 해당 표적 신호를 멀티패스 신호로 식별하는 멀티패스 신호 탐지 장치.
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임소희. FMCW 레이더 기반 실내 사람 탐지를 위한 클러터 제거 기법 연구. 한국통신학회 학술대회논문집. 2022.* *

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