KR20190040637A - 레이다 DoA 추정 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 수신 안테나를 가지는 레이터 시스템에서 표적의 각도를 추정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 레이다 DoA 추정 시스템은, 표적에 의해 반사된 신호를 이용하여 표적을 검출하는 표적 검출부와, 검출된 표적에 해당하는 FFT bin 데이터를 선택하는 데이터 선택부 및 선택된 FFT bin 데이터를 이용하여 표적의 각도를 검출하는 표적 각도 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이다 DoA 추정 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ESTIMATING RADAR DoA}

본 발명은 복수의 수신 안테나를 가지는 레이다 시스템에서 표적의 각도를 추정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

레이다(Radar)는 무선탐지와 거리측정(Radio Detection And Ranging)의 약어로, 전자기파를 물체에 발사시켜 그 물체로부터 반사되는 전자기파를 수신하여, 물체와의 거리, 방향, 고도 등을 알아내는 장치이다.

레이다 센서는 표적 검출을 위해 고안된 레이다 파형을 전송하고 반사되는 수신 신호를 처리하여 표적의 거리, 속도, 각도를 검출한다.

종래 기술에 따르면 수신채널의 빔을 특정 방향으로 조향한 후 표적을 검출하고 거리, 속도, 각도를 추정하는 방식으로서, 조향하는 각도를 세밀히 조정하게 되는 경우 연산량이 많아지는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 표적을 먼저 검출한 후 표적에 해당하는 주파수 주변의 주파수 성분을 이용하여 표적의 각도를 계산함으로써, 적은 계산량으로 신호처리 속도가 빠르고 정확한 각도 탐지가 가능한 레이다 DoA 추정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 레이다 DoA 추정 시스템은, 표적에 의해 반사된 신호를 이용하여 표적을 검출하는 표적 검출부와, 검출된 표적에 해당하는 FFT bin 데이터를 선택하는 데이터 선택부 및 선택된 FFT bin 데이터를 이용하여 표적의 각도를 검출하는 표적 각도 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 레이다 DoA 추정 시스템 및 방법은, 모든 안테나에 대하여 전 대역의 주파수 신호 데이터를 이용함에 따라 신호처리 수행에 많은 계산량이 요구되는 종래 기술과 달리, CFAR(Constant False Alarm Rate) 프로세스 적용에 따라 검출된 표적에 대해 DBF(Digital Beamforming)를 적용하여, 표적에 해당하는 주파수 주변의 주파수 성분을 이용하여 표적 각도 계산을 수행함으로써, 계산량이 적고 신호처리 속도가 빠르며 각도 탐지의 정확성을 확보하는 것이 가능한 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 레이다 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 FMCW(Frequency Modulation Continuous Waveform) 파형을 나타내는 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 디지털 빔포밍을 사용하는 레이다 시스템의 수신부를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이다 DoA 추정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 표적 검출 및 DBF 알고리즘 적용을 나타내는 도면이다.
도 7은 conventional beamforming 알고리즘이 적용된 본 발명의 실시예에 따른 레이다 DoA 추정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 8은 MUSIC(MUltiple SIgnal Classification) 알고리즘이 적용된 본 발명의 실시예에 따른 레이다 DoA 추정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 레이다 DoA 추정 시스템을 이용한 기설정된 거리 및 각도에 배치된 표적에 대한 실험 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서, 이하에서는 당업자의 이해를 돕기 위하여 본 발명이 제안된 배경을 먼저 살펴보기로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 레이다 시스템을 나타내는 구성도로서, 레이다 센서의 동작을 설명하기 위해 송신안테나(20, TX1)와 수신안테나(30, RX1)가 하나씩 구비되는 구성 예를 나타낸다.

파형 생성기(10, waveform generator)가 생성한 레이다 파형은 송신안테나(20)를 통해 전송되고, 수신안테나(30)는 표적에 의해 반사된 신호를 수신한다.

수신된 신호는 믹서 및 저주파필터(40)를 통해 기저대역 신호로 변환된다.

이 때, 기저대역 신호는 직교좌표계에서 크기와 위상으로 표현하는 방식인 I(In-phase)/ Q(quadrature-phase) 신호로 변환되어 출력되며, 경우에 따라 I 신호 또는 Q 신호만 출력되기도 한다.

출력된 I/Q 신호는 아날로그 신호인데, 디지털 신호처리를 위해 디지털 변환기(50, ADC)에서 디지털 신호로 변환되며, 고속 푸리에 변환부(60), 피크를 검출하기 위한 CFAR 프로세싱부(80), 추정부(90)를 거쳐 표적의 거리 및 속도가 검출된다.

레이다 파형은 그 형태에 따라 펄스(pulse) 레이다, CW(Continuous Waveform) 레이다, FMCW(Frequency modulated CW) 레이다로 구분되며, 도 2는 거리 및 속도 검출을 위한 삼각형 모양의 FMCW 파형 및 이를 이용한 거리, 속도 계산식을 나타낸다.

도 2의 (b)에서 B는 fmax-fmin이고, fB,up은 upchirp에서 검출된 표적에 해당하는 비트 주파수이고, fB,dn은 downchirp에서 검출된 표적에 해당하는 비트 주파수이다.

전술한 도 1 및 도 2와 같이, 레이다 파형을 전송하고, 표적에 의해 반사되어 수신하는 신호를 처리함으로써 표적의 거리 및 속도를 측정할 수 있으나, 각도 검출을 위해서는 2개 이상의 수신 안테나를 이용하여야 한다.

각도 검출을 위한 방법으로는 다양한 방법이 제안되었으나, 도 3을 참조하여 디지털포밍(digital forming) 방식을 사용하는 도래각 추정(direction of arrival estimation) 시스템을 설명한다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 아날로그 신호는 디지털 변환부(50)를 통해 디지털 신호로 변환되며, 고속 푸리에 변환부(60)에서 푸리에 변환을 수행한다.

이어서, 디지털 빔포밍부(70)는 수신채널의 빔을 조향한 후, CFAR 프로세싱부(80)에 의해 표적을 검출하고, 추정부(90)를 통해 표적의 거리, 속도, 각도가 추정된다.

이러한 과정은 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 탐지하고자 하는 모든 각도 범위에 대해 반복됨으로써, 조향하는 각도를 세밀하게 하는 경우 연산량이 많아지고 전체적인 신호처리 속도가 느려지는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 이하 도 4 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 서술하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이다 DoA 추정 시스템을 나타내는 블록도이다.

본 발명의 실시예에 따른 레이다 DoA 추정 시스템은 CFAR 프로세스를 먼저 적용하여 표적을 검출하고, 거리와 속도를 추정한 후, 검출된 표적에 대해 DBF를 적용하여 표적의 각도를 추적함으로써, DoA 추정에 있어 계산량을 감소시키고 전체적인 신호처리 속도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.

도 4를 참조하면, 수신된 아날로그 신호에 대하여 디지털 변환부(100)의 변환이 수행되고, 고속 푸리에 변환부(200)의 FFT 프로세스가 수행되며, 그 중 임의의 K번째 안테나에 해당하는 FFT 결과로부터 각 주파수 성분의 세기(또는 진폭, Amplitude)를 계산하여 CFAR 프로세싱부(300)의 CFAR 프로세스가 수행된다.

CFAR 프로세스 수행 후, 표적 검출부(400)는 표적의 거리와 속도를 검출한다.

FFT bin 데이터 선택부(500)는 각 수신 안테나의 FFT 결과로부터 검출된 표적 주파수 bin 주변에서, 임의의 개수만큼 FFT bin 데이터를 선택하고, 표적 각도 검출부(600)는 DBF를 수행하여 표적의 각도를 검출한다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 표적 검출 및 DBF 알고리즘 적용을 나타내는 도면으로서, 도 5에 도시한 바와 같이, 임의의 k번째 안테나에 해당하는 FFT 결과로부터 구한 각 주파수 성분의 세기를 파악한다.

CFAR 프로세스 수행에 따라, 각 주파수 성분이 표적에 해당하는 것인지 여부를 판단하기 위한 임계값(threshold)를 구하게 되며, 이러한 임계값을 구하는 방법은 CFAR 알고리즘에 따라 다양한 적용이 가능하다.

주파수 성분의 세기가 임계값보다 큰 경우, 표적으로 검출한다.

도 6을 참조하면, 예컨대 표적으로 검출된 주파수 성분의 FFT bin 번호를 J라고 하면, 각 수신 안테나의 FFT 결과로부터 [J-K, …, J+K] 번째에 해당하는 FFT bin을 모두 선택하여 DBF 알고리즘에 적용한다.

K는 0 이상의 값으로서, K가 증가할수록 DBF 알고리즘의 성능이 향상되나, 일정 개수 이상부터는 성능 변화폭의 차이가 없으므로, 시스템에 최적화된 K의 개수를 선택하는 것이 중요하다.

도 7은 conventional beamforming 알고리즘이 적용된 본 발명의 실시예에 따른 레이다 DoA 추정 시스템을 나타내는 블록도로서, 공분산 행렬 생성부(610), 공간 스펙트럼 계산부(640)를 포함하며, 도 8은 MUSIC(MUltiple SIgnal Classification) 알고리즘이 적용된 본 발명의 실시예에 따른 레이다 DoA 추정 시스템을 나타내는 블록도로서, 공분산 행렬 생성부(610), 고유치 구조 분석부(620), 신호 수 결정부(630), 공간 스펙트럼 계산부(640)를 포함한다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 레이다 DoA 추정 시스템을 이용하여 기설정된 거리 및 각도에 배치된 표적에 대한 실험 결과를 나타내는 도면이다.

도 9는 실제 레이다 센서로 3.3m, -15도에 위치한 표적을 측정한 데이터에 대하여, 본 발명의 DoA 추정 방법을 적용한 결과이며, 도 10은 실제 레이다 센서로 3.3m, -15도에 위치한 표적과 3.3m, 8도에 위치한 표적을 측정한 데이터에 대하여 본 발명의 DoA 추정 방법을 적용한 결과를 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따르면, 종래 기술과 달리 표적을 먼저 검출하고, 표적에 해당하는 주파수 주변의 주파수 성분들을 이용하여 표적의 각도를 계산함으로써, 적은 계산량에 의해 신호처리 속도가 빨라지고, 정확한 표적의 각도 탐지가 가능한 효과가 있다.

종래 기술에 따르면 각도를 먼저 지향하여 표적을 검출한 후에 표적의 거리와 속도를 구하게 되는데, 이는 모든 안테나에 대하여 전 대역의 주파수 신호 데이터를 이용하기 때문에 신호처리 수행에 많은 계산량이 요구된다.

아래 표 1은 종래 기술 및 본 발명에 따른 계산량 비교를 나타내는 표이다.

Operation	Multiplication	Addition	Division
			-

L은 신호 데이터의 개수를, N은 수신 안테나의 개수를 의미하는데, N에 대하여는 종래 기술과 본 발명이 동일하며, 종래 기술은 신호 데이터의 개수인 L이 본 발명보다 현저히 크기 때문에, 신호처리 시간이 많이 소요된다.

예컨대, 전체 주파수 bin의 개수가 1024개이고, 본 발명에서 DBF 알고리즘의 각도 분해능을 고려하여 선택된 bin의 개수가 3개인 경우를 가정하고, 수신 안테나의 개수(N)는 동일하게 8개임을 가정한다.

종래 기술에 따르면, 곱셈 횟수는 73728번(1024x(64+8)), 덧셈 횟수는 64512번(1024x(64-1))임에 반해,

본 발명의 실시예에 따르면 곱셈 횟수는 216번(3x(64+8)), 덧셈 횟수는 189번(3x(64-1))이므로, 본 발명의 실시예에 따른 경우 적은 계산량으로 빠른 신호처리가 가능함을 알 수 있다.

이제까지 본 발명의 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 디지털변환부 200: 고속 푸리에 변환부
300: CFAR 프로세싱부 400: 표적 검출부
500: FFT bin 데이터 선택부 600: 표적 각도 검출부

Claims (1)

1. 표적에 의해 반사된 신호를 이용하여 표적을 검출하는 표적 검출부;
   상기 표적 검출부에 의해 검출된 표적에 해당하는 FFT bin 데이터를 선택하는 데이터 선택부; 및
   상기 선택된 FFT bin 데이터를 이용하여 상기 표적의 각도를 검출하는 표적 각도 검출부
   를 포함하는 레이다 DoA 추정 시스템.

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