KR101185480B1 - Improvement method of the accuracy of beat frequency in fmcw radar for detecting and tracking a high speed moving target - Google Patents

Improvement method of the accuracy of beat frequency in fmcw radar for detecting and tracking a high speed moving target Download PDF

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KR101185480B1
KR101185480B1 KR1020120026443A KR20120026443A KR101185480B1 KR 101185480 B1 KR101185480 B1 KR 101185480B1 KR 1020120026443 A KR1020120026443 A KR 1020120026443A KR 20120026443 A KR20120026443 A KR 20120026443A KR 101185480 B1 KR101185480 B1 KR 101185480B1
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조병래
이종민
선선구
이정수
김상일
박찬수
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Abstract

PURPOSE: A method for improving the accuracy of a beat frequency in an FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) radar is provided to improve the accuracy of distance and speed by improving the accuracy of the beat frequency of a high speed moving object. CONSTITUTION: An RF receiver receives a reflected signal from a target. A data acquisition unit mixes the received signal and a reference waveform formed in a reference waveform generator. A signal processor predicts a beat frequency by Fourier transforming the acquired signal. The signal processor calculates distance and speed. A controller controls a modulation width and modulation time of a waveform generator by receiving speed information from the signal processor. The waveform generator generates a baseband waveform of an FMCW radar according to the command of the controller. An RF transmitter radiates the RF signal through a transmission antenna by receiving a transmission waveform of the waveform generator. [Reference numerals] (AA) Speed information feedback; (BB) Controller; (CC) Transmission waveform controller; (DD) Reference waveform controller; (EE) Changing a modulation width according to speed; (FF) Waveform generator; (GG) Transmission waveform generator; (HH) Reference waveform generator; (II) RF transmitter; (JJ) Antenna; (KK) Signal processor; (LL) Data acquisition unit; (MM) RF receiver; (NN) Antenna

Description

고속 이동체의 탐지/추적을 위한 ＦＭＣＷ 레이다에서 비트주파수의 정확도 향상 기법 {IMPROVEMENT METHOD OF THE ACCURACY OF BEAT FREQUENCY IN FMCW RADAR FOR DETECTING AND TRACKING A HIGH SPEED MOVING TARGET}TECHNICAL IMPROVEMENT METHOD OF THE ACCURACY OF BEAT FREQUENCY IN FMCW RADAR FOR DETECTING AND TRACKING A HIGH SPEED MOVING TARGET}

본 발명은 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 탐지/추적을 위한 고속 이동체의 거리 정확도 향상 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고속 이동체의 속도를 이용하여 비트 주파수의 오차 보정을 위한 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for improving the distance accuracy of a fast moving object for detecting / tracking a fast moving object in an FMCW radar, and more particularly, to a method for compensating an error of a bit frequency using the speed of a fast moving object.

기존의 특허에서는 목표물의 속도에 따른 비트 주파수를 이용하여 거리 산출에서의 오차 보정을 수행하는 기술적 사상은 도출이 가능하지만, 용이하게 도출할 수 있는지 여부에 대하여 판단을 받아볼 여지가 있다. 또한, 상승 변조 신호와 하강 변조 신호의 비트 주파수를 합산하여 비트 주파수의 오차를 경감시키는 기술들이 있으나, 본 특허와 같이 고속 이동체의 속도를 이용하여 비트 주파수의 오차 보정을 위한 구체적인 방법은 없었다.
In the existing patent, the technical idea of performing error correction in distance calculation using a bit frequency according to the speed of the target can be derived, but there is room for judgment as to whether or not it can be easily derived. In addition, there are techniques for reducing the error of the bit frequency by summing the bit frequencies of the rising modulation signal and the falling modulation signal, but there is no specific method for error correction of the bit frequency by using the speed of the fast moving body as in the present patent.

본 발명은 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이다에서 고속 이동체의 탐지/추적을 위한 고속 이동체의 거리 정확도 향상 방법에 관한 기술이다. FMCW 레이다에서 속도 및 거리는 송신파형과 수신파형의 차인 비트 신호를 통해 추출한다. 보통의 경우 파형의 변조 시간동안 이동체가 움직인 거리가 작아 변조시간 동안 비트주파수의 변화가 없는 것으로 가정한다. 그러나 고속 이동체(로켓탄이나 유도탄)의 경우 파형의 변조 시간동안에도 거리의 움직임이 무시할 수 없을 정도로 발생하게 된다. 이런 오차를 보정하기 위하여 이동체의 속도를 예측하고 이를 보상하는 방법을 제안한다.
The present invention relates to a method for improving the distance accuracy of a fast moving object for detecting / tracking a fast moving object in a frequency modulation continuous wave (FMCW) radar. In the FMCW radar, the speed and distance are extracted from the bit signal, which is the difference between the transmit and receive waveforms. In general, it is assumed that the moving distance of the moving object during the modulation time of the waveform is small, so that there is no change in the bit frequency during the modulation time. However, in the case of a high speed mobile vehicle (rocket grenade or guided missile), the movement of distance occurs even during the modulation time of the waveform. In order to correct this error, we propose a method of predicting the speed of a moving object and compensating for it.

본 발명의 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 탐지/추적을 위한 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상 방법은,In the FMCW radar of the present invention, the method for improving the accuracy of the bit frequency of the fast moving object for detecting / tracking the fast moving object is

레이다에서 수신된 비트 신호(

Figure 112012020885684-pat00001
)에 퓨리에변환을 통해 비트 주파수를 예측하고 예측된 비트 주파수를 통해 표적의 속도(v)를 예측하는 제 1 단계;The bit signal received from the radar (
Figure 112012020885684-pat00001
A first step of predicting the bit frequency through a Fourier transform and predicting the velocity v of the target based on the predicted bit frequency;

상기 제 1 단계에서 계산된 속도(v)를 이용하여 다음 수학식 3과 같이 보상신호를 계산하는 제 2 단계;A second step of calculating a compensation signal using the speed v calculated in the first step as shown in Equation 3 below;

상기 제 2 단계에서 계산된 보상신호(

Figure 112012020885684-pat00002
)를 레이다에서 수신된 신호(
Figure 112012020885684-pat00003
)에 곱하여 산출된
Figure 112012020885684-pat00004
*
Figure 112012020885684-pat00005
가 보상된 신호(
Figure 112012020885684-pat00006
)가 되는 제 3 단계;The compensation signal calculated in the second step (
Figure 112012020885684-pat00002
) Is the signal received from the radar (
Figure 112012020885684-pat00003
Calculated by multiplying
Figure 112012020885684-pat00004
*
Figure 112012020885684-pat00005
Compensated signal (
Figure 112012020885684-pat00006
A third step);

퓨리에변환을 통해 상기 보상된 신호(

Figure 112012020885684-pat00007
)의 비트 주파수를 예측하는 제 4 단계:The compensated signal through a Fourier transform
Figure 112012020885684-pat00007
Fourth step of predicting the bit frequency of

상기 제 1 단계에서 제 4 단계까지 과정을 수렴할 때까지 반복적으로 수행하여 정확도를 향상시키는 제 5 단계;를 A fifth step of improving accuracy by repeatedly performing the process from the first step to the fourth step;

포함하는 것을 특징으로 한다..

또한, 상기 제 2 단계에서 계산된 속도(v)를 이용하여 보상신호를 다음 수학식 3과 같이 계산하는 것이다.In addition, the compensation signal is calculated using Equation 3 using the speed v calculated in the second step.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112012020885684-pat00008
Figure 112012020885684-pat00008

여기서, BW는 주파수 변조폭, T는 변조 시간, v는 표적의 속도이며, c는 빛의 속도이고, t는 샘플링 시간이며, 그 시간은 0에서

Figure 112012020885684-pat00009
까지 간격은
Figure 112012020885684-pat00010
이고,
Figure 112012020885684-pat00011
는 레이다의 수신 신호 샘플링 주파수이며, N은 샘플링 개수이다.Where BW is the frequency modulation width, T is the modulation time, v is the speed of the target, c is the speed of light, t is the sampling time, and the time is zero.
Figure 112012020885684-pat00009
Spacing until
Figure 112012020885684-pat00010
ego,
Figure 112012020885684-pat00011
Is the received signal sampling frequency of the radar, and N is the sampling number.

또한, 삼각형 변조 파형을 사용하는 FMCW 레이다의 경우, 상기 표적의 속도를 상승 변조 신호의 비트 주파수

Figure 112012020885684-pat00012
, 하강 변조 신호의 비트 주파수
Figure 112012020885684-pat00013
를 더하여 속도(
Figure 112012020885684-pat00014
,
Figure 112012020885684-pat00015
)를 예측하는 것이다.Also, for an FMCW radar using a triangular modulation waveform, the speed of the target raises the bit frequency of the modulated signal.
Figure 112012020885684-pat00012
The bit frequency of the down-modulated signal
Figure 112012020885684-pat00013
Plus speed (
Figure 112012020885684-pat00014
,
Figure 112012020885684-pat00015
) Is predicted.

또한, CW-LFM(Continuous Wave - Linear Frequency Modulation) 파형을 사용하는 FMCW 레이다의 경우, CW 파형에서 추출된 비트 신호를 이용하여 속도(

Figure 112012020885684-pat00016
,
Figure 112012020885684-pat00017
)를 예측하는 것이다.Also, in case of FMCW radar that uses CW-LFM (Continuous Wave-Linear Frequency Modulation) waveform, the speed (
Figure 112012020885684-pat00016
,
Figure 112012020885684-pat00017
) Is predicted.

본 발명의 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상하기 위한 장치로서,An apparatus for improving the accuracy of the bit frequency of a high-speed mobile in the FMCW radar of the present invention,

표적에 의해 반사되는 신호가 수신안테나를 거쳐 수신되는 RF 수신부;An RF receiver for receiving a signal reflected by the target through a reception antenna;

상기 RF 수신부에서 수신된 신호는 기준파형발생부에 의해 형성된 기준파형과 믹싱되는 데이타 획득부; A data acquisition unit configured to mix the signal received by the RF receiver with a reference waveform formed by the reference waveform generator;

상기 데이타 획득부에서 획득된 신호를 퓨리에 변환을 통해 비트 주파수를 예측하고 속도 및 거리를 계산하는 신호처리부; A signal processor for predicting a bit frequency and calculating a speed and a distance by performing a Fourier transform on the signal obtained by the data acquisition unit;

상기 신호처리부로부터 속도정보를 수신하여 파형발생부의 변조폭(BW) 및 변조시간(T)를 제어하는 제어부; A control unit which receives the speed information from the signal processor and controls the modulation width BW and the modulation time T of the waveform generator;

상기 제어부의 명령에 따라 FMCW 레이다의 기저대역 파형(송신파형포함)을 발생하는 파형발생부; A waveform generator for generating a baseband waveform (including a transmission waveform) of the FMCW radar according to a command of the controller;

상기 파형발생부로부터의 송신파형을 수신하여 송신안테나를 통해 RF 신호를 방사하는 RF 송신부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.And an RF transmitter for receiving a transmission waveform from the waveform generator and radiating an RF signal through a transmission antenna.

또한, 상기 신호처리부에서 상기 속도 및 거리 계산은, 일정 음속(340 m/s)을 초과하는 고속표적인 경우에는, 정확도 향상을 위한 속도 및 거리 계산 처리를 행하는 것이다.In the signal processing section, the speed and distance calculations are performed for speed and distance calculation processing to improve accuracy in the case of high speed targets exceeding a predetermined sound speed (340 m / s).

또한,상기 고속표적인 경우, 정확도 향상을 위한 속도 및 거리 계산 처리는,표적의 속도에 따른 변화될 주파수 변조폭을 보정한 기준파형과 RF 신호파를 믹싱하여 계산하는 것을 포함하는 것이다.In addition, in the case of the high-speed target, the speed and distance calculation process for improving the accuracy includes mixing and calculating a reference waveform corrected with the frequency modulation width to be changed according to the speed of the target and the RF signal wave.

또한,상기 고속표적인 경우, 정확도 향상을 위한 속도 및 거리 계산 처리는,In the case of the high-speed target, the speed and distance calculation process for improving the accuracy,

표적이 탐지될 때까지 정해진 변조폭(BW)을 송수신하는 제 1 처리;A first process of transmitting and receiving a predetermined modulation width BW until a target is detected;

상기 표적이 탐지되면 신호처리부에서 계산된 속도 정보를 제어부를 전송하는 제 2 처리;A second process of transmitting a control unit to the speed information calculated by the signal processing unit when the target is detected;

제어부의 기준파형제어부는 표적의 속도에 따라 변화될 변조폭을 계산하여 파형발생부에 전송하는 제 3 처리; A third process of calculating the modulation width to be changed according to the speed of the target and transmitting the calculated waveform to the waveform generator;

기준파형발생부는 변화된 변조폭(

Figure 112012020885684-pat00018
)에 따라 기준파형을 생성하는 제 4 처리;The reference waveform generator has a changed modulation width (
Figure 112012020885684-pat00018
A fourth process of generating a reference waveform according to;

RF 수신신호와 새로 형성된 기준파형이 믹싱되어 데이터 획득부를 통해 신호를 획득하는 제 5 처리; A fifth process of mixing the RF received signal with the newly formed reference waveform to obtain a signal through a data acquisition unit;

처리부에서 속도와 거리를 계산하고, 계산된 속도정보는 제어부로 전송하는 제 6 처리;A sixth process of calculating a speed and a distance in the processor and transmitting the calculated speed information to the controller;

표적이 사라지기 전까지 제 3 처리 이후 과정을 반복하는 제 7 처리;A seventh treatment of repeating the process after the third treatment until the target disappears;

표적이 사라지면 기준파형제어부에서는 변조폭을 변화(BW'→ BW)하여 기준파형발생부로 전송하는 제 8 처리;를 포함하는 것을 특징으로 한다.When the target disappears, the reference waveform control unit is an eighth process for changing the modulation width ( BW ' → BW ) to transmit to the reference waveform generating unit.

또한,상기 제 3 처리에서, 제어부의 기준파형제어부는 표적의 속도에 따라 변화될 변조폭을 다음 수학식 4와 같이 계산하여 파형발생부에 전송하는 것이다.In addition, in the third process, the reference waveform control unit of the control unit calculates a modulation width to be changed according to the speed of the target as shown in Equation 4 and transmits it to the waveform generation unit.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112012020885684-pat00019
Figure 112012020885684-pat00019

여기서 BW는 주파수 변조폭, v는 신호처리부에서 계산된 표적의 속도이며, c는 빛의 속도이다. Where BW is the frequency modulation width, v is the velocity of the target calculated by the signal processor, and c is the velocity of light.

또한, 제 1 항의 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상 방법은 FMCW 레이다의 하드웨어를 수정하지 않고, 수신된 신호를 신호처리하는 방법을 이용하여 보상하는 방법인 것이다.In addition, the method of improving the accuracy of the bit frequency of the fast moving object of claim 1 is a method of compensating by using a method of signal processing the received signal without modifying the hardware of the FMCW radar.

ＦＭＣＷ 레이다에서 고속 이동체의 비트주파수의 정확도를 향상하여, 거리/속도 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
The FMC radar has an advantage of improving the accuracy of the bit frequency of the high-speed mobile body, thereby improving the distance / speed accuracy.

도 1은 일반적인 FMCW 레이다에서 비트 신호를 추출하는 방법이다.
도 2는 기존 FMCW 레이다에서 고속 이동체에 의한 왜곡된 비트 신호이다.
도 3은 본 발명에 따른 수신기의 기준 신호 가변적 변화 방법에 대한 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 주파수 보상 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 신호의 스팩트럼이다.1 is a method of extracting a bit signal from a general FMCW radar.
2 is a distorted bit signal by a fast moving body in a conventional FMCW radar.
3 is a block diagram of a reference signal variable change method of a receiver according to the present invention.
4 is a bit frequency compensation result of a fast moving body in the FMCW radar according to the present invention.
5 is a spectrum of a bit signal of a fast moving body in the FMCW radar according to the present invention.

본 발명은 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 탐지/추적을 위한 고속 이동체의 거리 정확도 향상 방법에 관한 기술이다. FMCW 레이다에서 속도 및 거리는 송신파형과 수신파형의 차인 비트 신호를 통해 추출한다. 보통의 경우 파형의 변조 시간동안 이동체가 움직인 거리가 작아 변조시간 동안 비트주파수의 변화가 없는 것으로 가정한다. 그러나 고속 이동체(로켓탄이나 유도탄)의 경우 파형의 변조 시간동안에도 거리의 움직임이 무시할 수 없을 정도로 발생하게 된다. 이런 오차를 보정하기 위하여 이동체의 속도를 예측하고 이를 보상하는 방법을 제안한다.
The present invention relates to a method for improving the distance accuracy of a fast moving object for detecting / tracking a fast moving object in an FMCW radar. In the FMCW radar, the speed and distance are extracted from the bit signal, which is the difference between the transmit and receive waveforms. In general, it is assumed that the moving distance of the moving object during the modulation time of the waveform is small, so that there is no change in the bit frequency during the modulation time. However, in the case of a high speed mobile vehicle (rocket grenade or guided missile), the movement of distance occurs even during the modulation time of the waveform. In order to correct this error, we propose a method of predicting the speed of a moving object and compensating for it.

도 1은 일반적인 FMCW 레이다에서 비트 신호를 추출하는 방법을 보여주고 있다. 도 1의 (11)은 송신 신호이며, (12)는 표적에 의해 반사되는 신호이다. 두 신호 차이인 비트 신호의 주파수는 도 1의 (13)과 같이 추출가능하다. 그러나 도 2와 같이 고속 이동체의 경우 표적에 의해 반사되는 신호가 변조 시간동안 변화하기 때문에 비트 신호의 왜곡을 주게 된다. 도 2 (21)의 송신파형에 대해, 도 2의 (22)는 변조시간 동안 stationary한 특성을 가지는 표적에 의한 반사 신호이며, (23)과 (24)는 고속으로 접근하는 표적, 고속으로 멀어지는 표적에 의한 반사 신호이다. 고속으로 접근하거나 멀어지는 표적에 대해 변조 시간동안 비트 주파수가 변하게 된다. 이 경우 비트 주파수에 왜곡을 주게 되어 정확도가 떨어지게 된다. 도 2와 같이 상승방향 변조일 경우 stationary한 특성을 가지는 표적에 대한 비트 주파수(

Figure 112012020885684-pat00020
)는 도 2의 (25)과 같으며 수학식 1과 같이 구할 수 있다.
1 illustrates a method of extracting a bit signal from a general FMCW radar. 1, 11 is a transmission signal, and 12 is a signal reflected by a target. The frequency of the bit signal, which is the difference between the two signals, can be extracted as shown in (13) of FIG. However, as shown in FIG. 2, in the case of the high speed moving object, the signal reflected by the target changes during the modulation time, thereby causing distortion of the bit signal. For the transmission waveform of Fig. 2 (21), Fig. 2 (22) is a reflection signal by a target having a stationary characteristic during the modulation time, and (23) and (24) are targets approaching at high speeds and moving away at high speeds. Reflected signal by the target. For targets approaching or moving away at high speeds, the bit frequency changes during the modulation time. In this case, the bit frequency is distorted and accuracy is lowered. Bit frequency for the target having the stationary characteristic in the uplink modulation as shown in FIG.
Figure 112012020885684-pat00020
) Is the same as (25) of FIG. 2 and can be obtained as shown in Equation 1.

Figure 112012020885684-pat00021
Figure 112012020885684-pat00021

여기서,

Figure 112012020885684-pat00022
는 표적의 속도에 의해 발생하는 주파수이며,
Figure 112012020885684-pat00023
은 레이다와 표적까지 거리에 의해 발생하는 주파수이다. BW는 주파수 변조폭, T는 변조 시간,
Figure 112012020885684-pat00024
는 표적까지 거리이다.
Figure 112012020885684-pat00025
는 레이다의 파장이며,
Figure 112012020885684-pat00026
는 빛의 속도이다.
here,
Figure 112012020885684-pat00022
Is the frequency generated by the speed of the target,
Figure 112012020885684-pat00023
Is the frequency generated by the distance from the radar to the target. BW is the frequency modulation width, T is the modulation time,
Figure 112012020885684-pat00024
Is the distance to the target.
Figure 112012020885684-pat00025
Is the wavelength of the radar,
Figure 112012020885684-pat00026
Is the speed of light.

만약 고속으로 접근하는 표적의 경우 도 2의 (23)과 같이 표적에 의해 신호가 반사될 것이며, 비트 주파수(fb)는 도 2의 (26)과 같으며 수학식 2와 같이 시간의 함수로 나타낼 수 있다.
If the target approaches at high speed, the signal will be reflected by the target as shown in (23) of FIG. 2, and the bit frequency f b is the same as that of (26) of FIG. Can be represented.

Figure 112012020885684-pat00027
Figure 112012020885684-pat00027

여기서 BW는 주파수 변조폭, T는 변조 시간,

Figure 112012020885684-pat00028
는 표적까지 거리, v는 표적의 속도이며, t는 샘플링 시간이다.
Where BW is the frequency modulation width, T is the modulation time,
Figure 112012020885684-pat00028
Is the distance to the target, v is the velocity of the target, and t is the sampling time.

고속으로 멀어지는 표적의 경우 도 2의 (24)와 같이 표적에 의해 신호가 반사될 것이며, 비트 주파수는 도 2의 (27)과 같다.In the case of a target moving away at a high speed, the signal will be reflected by the target as shown in (24) of FIG. 2, and the bit frequency is as shown in (27) of FIG.

고속 이동체의 비트 신호 왜곡을 보정하기 위한 방법은 다음과 같다.
A method for correcting bit signal distortion of a fast moving object is as follows.

① 수신된 비트 신호 보상 방법① Received bit signal compensation method

이 방법은 종래의 FMCW 레이다의 하드웨어를 수정하지 않고, 수신된 신호를 신호처리 방법을 이용하여 보상하는 방법이다.
This method is a method of compensating a received signal using a signal processing method without modifying the hardware of the conventional FMCW radar.

- 1단계 : 레이다에서 수신된 신호비트 신호(

Figure 112012020885684-pat00029
)에 퓨리에변환(Fourier Transform)을 통해 비트 주파수를 예측한다. 예측된 비트 주파수를 통해 표적의 속도(v [meter/sec])를 예측한다.-Step 1: Signal bit signal received from radar
Figure 112012020885684-pat00029
We estimate the bit frequency through Fourier transform. The predicted bit frequency is used to predict the velocity of the target ( v [meter / sec]).

도 1의 삼각형 변조 파형을 사용하는 FMCW 레이다의 경우 상승 변조 신호의 비트 주파수

Figure 112012020885684-pat00030
, 하강 변조 신호의 비트 주파수
Figure 112012020885684-pat00031
를 더하여 속도(
Figure 112012020885684-pat00032
,
Figure 112012020885684-pat00033
)를 예측할 수 있다.Bit Frequency of Rising Modulation Signal for FMCW Radar Using Triangle Modulation Waveform of FIG.
Figure 112012020885684-pat00030
The bit frequency of the down-modulated signal
Figure 112012020885684-pat00031
Plus speed (
Figure 112012020885684-pat00032
,
Figure 112012020885684-pat00033
) Can be predicted.

만약 CW-LFM 파형을 사용하는 FMCW 레이다의 경우, CW 파형에서 추출된 비트 신호를 이용하여 속도(

Figure 112012020885684-pat00034
,
Figure 112012020885684-pat00035
)를 예측할 수 있다.
If the FMCW radar uses a CW-LFM waveform, the velocity (
Figure 112012020885684-pat00034
,
Figure 112012020885684-pat00035
) Can be predicted.

- 2단계 : 1단계에서 계산된 속도(v)를 이용하여 수학식 3과 같은 보상 신호를 계산한다.
Step 2: Calculate a compensation signal as shown in Equation 3 using the speed v calculated in step 1.

Figure 112012020885684-pat00036
Figure 112012020885684-pat00036

여기서, BW는 주파수 변조폭, T는 변조 시간, v는 표적의 속도이며, c는 빛의 속도이다. t는 샘플링 시간이며, 그 시간은 0에서

Figure 112012020885684-pat00037
까지 간격은
Figure 112012020885684-pat00038
이다.
Figure 112012020885684-pat00039
는 레이다의 수신 신호 샘플링 주파수이며, N은 샘플링 개수이다.
Where BW is the frequency modulation width, T is the modulation time, v is the speed of the target, and c is the speed of light. t is the sampling time, from 0 to
Figure 112012020885684-pat00037
Spacing until
Figure 112012020885684-pat00038
to be.
Figure 112012020885684-pat00039
Is the received signal sampling frequency of the radar, and N is the sampling number.

- 3단계 : 2단계에서 계산된 보상 신호를 레이다에서 수신된 신호(

Figure 112012020885684-pat00040
)에 곱한다. 보상된 신호(
Figure 112012020885684-pat00041
)는
Figure 112012020885684-pat00042
*
Figure 112012020885684-pat00043
이다.
Step 3: The signal received from the radar
Figure 112012020885684-pat00040
Multiply by) Compensated signal (
Figure 112012020885684-pat00041
)
Figure 112012020885684-pat00042
*
Figure 112012020885684-pat00043
to be.

-4단계 : 퓨리에변환(Fourier Transform)을 통해 보상된 신호(

Figure 112012020885684-pat00044
)의 비트 주파수를 예측한다.Step 4: Signal compensated through Fourier Transform
Figure 112012020885684-pat00044
Predict the bit frequency.

4단계에서 예측된 비트주파수는 1단계에서 예측된 비트주파수에 비해 고속 표적의 경우 보상이 되어 정확도가 높아질 것이다.The bit frequency predicted in step 4 will be compensated for the high speed target compared to the bit frequency predicted in step 1, so that the accuracy will be higher.

-5단계 :1단계에서 4단계까지 과정을 수렴할 때까지 반복적으로 수행할 경우 정확도는 더 높아질 것이다.
Step 5: If you repeat the process from step 1 to step 4, the accuracy will be higher.

② 수신기의 기준 신호 가변적 변화 방법② Variable change of reference signal of receiver

이 방법은 송신파형발생부는 종래의 FMCW 레이다와 동일하나, 수신파형발생부는 표적의 속도에 따라 변조폭을 가변하는 방법이다.
In this method, the transmission waveform generator is the same as the conventional FMCW radar, but the reception waveform generator varies the modulation width according to the speed of the target.

도 3은 표적의 속도에 따라 수신파형발생부의 변조폭을 가변하는 FMCW 레이다의 블록도이다. 제어부는 파형발생부를 제어하는 기능을 가지고 있다. 파형발생부의 변조폭(BW)와 변조 시간(T)를 제어한다. 파형발생부는 제어부의 명령에 따라 FMCW 레이다의 기저대역 파형을 발생하게 된다. 송신파형은 송신파형발생부에 의해 형성되어, RF송신부와 송신안테나를 거쳐 RF 신호를 통해 방사하게 된다. 표적에 의해 반사되는 신호는 수신안테나와 RF수신부를 거쳐 수신된다. 수신된 신호는 기준파형발생부에 의해 형성된 기준파형과 믹싱되어 데이터 획득부에 의해 획득되어진다. 신호처리부에서는 획득된 신호를 퓨리에변환(Fourier Transform)을 통해 비트주파수를 예측하게 되고 속도와 거리를 계산한다.
3 is a block diagram of an FMCW radar for varying a modulation width of a reception waveform generator according to a speed of a target. The controller has a function of controlling the waveform generator. The modulation width BW and the modulation time T of the waveform generator are controlled. The waveform generator generates a baseband waveform of the FMCW radar according to a command of the controller. The transmission waveform is formed by the transmission waveform generator, and radiates through the RF signal through the RF transmitter and the transmission antenna. The signal reflected by the target is received via the receiving antenna and the RF receiver. The received signal is mixed with the reference waveform formed by the reference waveform generator and obtained by the data acquisition unit. The signal processor predicts the bit frequency through Fourier transform and calculates the speed and distance.

저속 표적이나 고정 표적의 경우 신호처리부에서 계산된 속도와 거리의 정확도가 보장이 되었으나, 고속 표적의 경우 정확도가 낮아진다. 일정 음속(340m/sec)을 초과하는 고속 표적의 정확도를 높이기 위한 속도 및 거리 계산 처리는 다음과 같이 수행한다.
In the case of a low speed target or a fixed target, the accuracy of the speed and distance calculated by the signal processor is guaranteed, but in the case of a high speed target, the accuracy is low. The speed and distance calculation process for increasing the accuracy of a high speed target exceeding a certain sound speed (340 m / sec) is performed as follows.

-1 처리 : 표적이 탐지될 때까지 정해진 변조폭(BW)을 송수신한다.-1 Processing: Transmit and receive the specified modulation width ( BW ) until the target is detected.

-2 처리 : 표적이 탐지되면 신호처리부에서 계산된 속도 정보를 제어부를 전송한다.-2 Processing: When the target is detected, the control unit transmits the speed information calculated by the signal processing unit.

-3 처리 : 제어부의 기준파형제어부는 표적의 속도에 따라 변화될 변조폭(BW')을 수학식 4와 같이 계산하여 파형발생부에 전송한다. -3 processing: The reference waveform control unit of the control unit calculates the modulation width BW 'to be changed according to the speed of the target as shown in Equation 4 and transmits it to the waveform generation unit.

Figure 112012020885684-pat00045
Figure 112012020885684-pat00045

여기서 BW는 주파수 변조폭, v는 신호처리부에서 계산된 표적의 속도이며, c는 빛의 속도이다. Where BW is the frequency modulation width, v is the velocity of the target calculated by the signal processor, and c is the velocity of light.

-4 처리 : 기준파형발생부는 변화된 변조폭(

Figure 112012020885684-pat00046
)에 따라 기준파형을 생성한다.-4 processing: the reference waveform generator has changed modulation width (
Figure 112012020885684-pat00046
To generate a reference waveform.

-5 처리 : RF 수신신호와 새로 형성된 기준파형이 믹싱되어 데이터 획득부를 통해 신호 획득한다.-5 Processing: The RF received signal and the newly formed reference waveform are mixed to obtain a signal through the data acquisition unit.

-6 처리 : 신호처리부에서 속도와 거리를 계산한다. 계산된 속도정보는 제어부로 전송한다. -6 Process: The signal processor calculates the speed and distance. The calculated speed information is transmitted to the controller.

-7 처리 : 3단계 이후 표적이 사라지기 전까지를 반복한다.-7 Treatment: Repeat after step 3 until the target disappears.

-8 처리 : 표적이 사라지면 기준파형제어부에서는 변조폭을 변화(BW'→ BW)하여 기준파형발생부로 전송한다.
-8 Treatment: When the target disappears, the reference waveform controller changes the modulation width ( BW ' → BW ) and sends it to the reference waveform generator.

그림 4는 그림 3의 수신기의 기준 신호 가변적 변화 방법을 통해 비트 주파수를 보상한 결과를 보여주고 있다. 그림 4의 (41)은 송신 신호이며 또한 수신기의 기준 신호이다. 수학식 2에서 보듯이 고속 이동체의 경우 비트 주파수는 시간의 함수이며, 속도에 의해 변화되는 비트 주파수만큼 수신기 기준 신호의 대역폭을 조정하면 보상이 된다. 즉, 그림 4의 (42)는 속도 정보를 이용하여 변조폭을 BW에서

Figure 112012020885684-pat00047
로 변경하여 만든 수신기의 기준 신호이며, 그림 4의 (43)은 (41)의 송신 신호에 대한 표적의 반사 신호이다. 그림 4의 (44)는 보상 전의 왜곡된 비트 신호이며, (45)는 속도 정보를 이용하여 수신기의 기준 신호를 보정 후의 비트 신호가 된다.Figure 4 shows the result of compensating the bit frequency through the variable reference signal variation method of the receiver of Figure 3. (41) in Figure 4 is the transmission signal and also the reference signal of the receiver. As shown in Equation 2, in the case of a fast moving body, the bit frequency is a function of time, and it is compensated by adjusting the bandwidth of the receiver reference signal by the bit frequency which is changed by the speed. That is, (42) in Figure 4 shows the modulation width in BW using the velocity information.
Figure 112012020885684-pat00047
This is the reference signal of the receiver made by changing the signal to 43. Figure 43 (43) is the reflected signal of the target with respect to the transmission signal of (41). (44) in Fig. 4 is a distorted bit signal before compensation, and (45) is a bit signal after compensating the reference signal of the receiver using the speed information.

그림 5는 속도가 500m/sec인 고속 이동체에 대해 보상 전후의 비트 신호의 스팩트럼 예를 보여주고 있다.Figure 5 shows an example of the spectrum of the bit signal before and after compensation for a high speed vehicle with a speed of 500m / sec.

Claims (10)

FMCW 레이다에서 고속 이동체의 탐지/추적을 위한 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상 방법으로서,
레이다에서 수신된 비트 신호(
Figure 112012055828960-pat00048
)에 퓨리에변환을 통해 비트 주파수를 예측하고 예측된 비트 주파수를 통해 표적의 속도(v)를 예측하는 제 1 단계;
상기 제 1 단계에서 계산된 속도(v)를 이용하여 보상신호를 계산하는 제 2 단계;
상기 제 2 단계에서 계산된 보상신호(
Figure 112012055828960-pat00049
)를 레이다에서 수신된 신호(
Figure 112012055828960-pat00050
)에 곱하여 산출된
Figure 112012055828960-pat00051
*
Figure 112012055828960-pat00052
가 보상된 신호(
Figure 112012055828960-pat00053
)가 되는 제 3 단계;
퓨리에변환을 통해 상기 보상된 신호(
Figure 112012055828960-pat00054
)의 비트 주파수를 예측하는 제 4 단계:
상기 제 1 단계에서 제 4 단계까지 과정을 반복적으로 수행하여 정확도를 향상시키며, 상기 반복적 수행은 상기 예측하는 표적의 속도가 일정한 값으로 수렴하면 상기 반복적 수행을 중단하는 제 5 단계;를
포함하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상 방법.A method for improving the accuracy of the bit frequency of a fast moving object for detecting / tracking a fast moving object in an FMCW radar,
The bit signal received from the radar (
Figure 112012055828960-pat00048
A first step of predicting the bit frequency through a Fourier transform and predicting the velocity v of the target based on the predicted bit frequency;
A second step of calculating a compensation signal using the speed v calculated in the first step;
The compensation signal calculated in the second step (
Figure 112012055828960-pat00049
) Is the signal received from the radar (
Figure 112012055828960-pat00050
Calculated by multiplying
Figure 112012055828960-pat00051
*
Figure 112012055828960-pat00052
Compensated signal (
Figure 112012055828960-pat00053
A third step);
The compensated signal through a Fourier transform
Figure 112012055828960-pat00054
Fourth step of predicting the bit frequency of
Improving accuracy by repeatedly performing the process from the first step to the fourth step, wherein the repetitive performance is a fifth step of stopping the repetitive performance when the velocity of the predicted target converges to a constant value;
Method for improving the accuracy of the bit frequency of the high-speed mobile in the FMCW radar comprising a. 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 단계에서 계산된 속도(v)를 이용하여 보상신호의 계산은 다음 수학식 3과 같이 계산하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상 방법.
[수학식 3]
Figure 112012020885684-pat00055

여기서, BW는 주파수 변조폭, T는 변조 시간, v는 표적의 속도이며, c는 빛의 속도이고, t는 샘플링 시간이며, 그 시간은 0에서
Figure 112012020885684-pat00056
까지 간격은
Figure 112012020885684-pat00057
이고,
Figure 112012020885684-pat00058
는 레이다의 수신 신호 샘플링 주파수이며, N은 샘플링 개수이다.The method of claim 1,
Computing the compensation signal using the speed (v) calculated in the second step is calculated as shown in Equation 3 below.
&Quot; (3) "
Figure 112012020885684-pat00055

Where BW is the frequency modulation width, T is the modulation time, v is the speed of the target, c is the speed of light, t is the sampling time, and the time is zero.
Figure 112012020885684-pat00056
Spacing until
Figure 112012020885684-pat00057
ego,
Figure 112012020885684-pat00058
Is the received signal sampling frequency of the radar, and N is the sampling number. 제 1 항에 있어서,
삼각형 변조 파형을 사용하는 FMCW 레이다의 경우, 상기 표적의 속도를 상승 변조 신호의 비트 주파수
Figure 112012020885684-pat00059
, 하강 변조 신호의 비트 주파수
Figure 112012020885684-pat00060
를 더하여 속도(
Figure 112012020885684-pat00061
,
Figure 112012020885684-pat00062
)를 예측하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상 방법.The method of claim 1,
For an FMCW radar using a triangular modulating waveform, the speed of the target raises the bit frequency of the modulating signal.
Figure 112012020885684-pat00059
The bit frequency of the down-modulated signal
Figure 112012020885684-pat00060
Plus speed (
Figure 112012020885684-pat00061
,
Figure 112012020885684-pat00062
A method for improving the accuracy of the bit frequency of a fast moving body in the FMCW radar, characterized in that it is predicted. 제 1 항에 있어서,
CW-LFM 파형을 사용하는 FMCW 레이다의 경우, CW 파형에서 추출된 비트 신호를 이용하여 속도(
Figure 112012020885684-pat00063
,
Figure 112012020885684-pat00064
)를 예측하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상 방법.The method of claim 1,
For FMCW radars using CW-LFM waveforms, the bit
Figure 112012020885684-pat00063
,
Figure 112012020885684-pat00064
A method for improving the accuracy of the bit frequency of a fast moving body in the FMCW radar, characterized in that it is predicted. FMCW 레이다에서 고속 이동체의 탐지/추적을 위한 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상하기 위한 장치로서,
표적에 의해 반사되는 신호가 수신안테나를 거쳐 수신되는 RF 수신부;
상기 RF 수신부에서 수신된 신호는 기준파형발생부에 의해 형성된 기준파형과 믹싱되는 데이타 획득부;
상기 데이타 획득부에서 획득된 신호를 퓨리에 변환을 통해 비트 주파수를 예측하고 속도 및 거리를 계산하는 신호처리부;
상기 신호처리부로부터 속도정보를 수신하여 파형발생부의 변조폭(BW) 및 변조시간(T)를 제어하는 제어부;
상기 제어부의 명령에 따라 FMCW 레이다의 기저대역 파형(송신파형포함)을 발생하는 파형발생부;
상기 파형발생부로부터의 송신파형을 수신하여 송신안테나를 통해 RF 신호를 방사하는 RF 송신부;를
포함하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상하기 위한 장치.An apparatus for improving the accuracy of the bit frequency of a high speed vehicle for detecting / tracking a high speed vehicle in an FMCW radar,
An RF receiver for receiving a signal reflected by the target through a reception antenna;
A data acquisition unit configured to mix the signal received by the RF receiver with a reference waveform formed by the reference waveform generator;
A signal processor for predicting a bit frequency and calculating a speed and a distance by performing a Fourier transform on the signal obtained by the data acquisition unit;
A control unit which receives the speed information from the signal processor and controls the modulation width BW and the modulation time T of the waveform generator;
A waveform generator for generating a baseband waveform (including a transmission waveform) of the FMCW radar according to a command of the controller;
An RF transmitter for receiving a transmission waveform from the waveform generator and radiating an RF signal through a transmission antenna;
Apparatus for improving the accuracy of the beat frequency of the high-speed mobile in the FMCW radar comprising a. 제 5 항에 있어서,
상기 신호처리부에서 상기 속도 및 거리 계산은, 일정 음속(340 m/s)을 초과하는 고속표적인 경우에는, 정확도 향상을 위한 속도 및 거리 계산 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상하기 위한 장치.The method of claim 5, wherein
In the signal processing unit, the speed and distance calculation is performed in the case of a high speed target exceeding a predetermined sound speed (340 m / s), and a speed and distance calculation process is performed to improve accuracy. Device for improving frequency accuracy. 제 6 항에 있어서,
상기 고속표적인 경우, 정확도 향상을 위한 속도 및 거리 계산 처리는, 표적의 속도에 따른 변화될 주파수 변조폭을 보정한 기준파형과 RF 신호파를 믹싱하여 계산하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상하기 위한 장치.The method according to claim 6,
In the case of the high-speed target, the speed and distance calculation process for improving the accuracy, the FMCW radar, characterized in that by mixing the RF waveform and the reference waveform corrected for the frequency modulation width to be changed according to the target speed A device for improving the accuracy of the beat frequency of a fast moving object in the. 제 6 항에 있어서,
상기 고속표적인 경우, 정확도 향상을 위한 속도 및 거리 계산 처리는,
표적이 탐지될 때까지 정해진 변조폭(BW)을 송수신하는 제 1 처리;
상기 표적이 탐지되면 신호처리부에서 계산된 속도 정보를 제어부를 전송하는 제 2 처리;
제어부의 기준파형제어부는 표적의 속도에 따라 변화될 변조폭을 계산하여 파형발생부에 전송하는 제 3 처리;
기준파형발생부는 변화된 변조폭(BW')에 따라 기준파형을 생성하는 제 4 처리;
RF 수신신호와 새로 형성된 기준파형이 믹싱되어 데이터 획득부를 통해 신호를 획득하는 제 5 처리;
처리부에서 속도와 거리를 계산하고, 계산된 속도정보는 제어부로 전송하는 제 6 처리;
표적이 사라지기 전까지 제 3 처리 이후 과정을 반복하는 제 7 처리;
표적이 사라지면 기준파형제어부에서는 변조폭을 변화(BW'→ BW)하여 기준파형발생부로 전송하는 제 8 처리;를
포함하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상하기 위한 장치.The method according to claim 6,
In the case of the high-speed target, the speed and distance calculation process for improving the accuracy,
A first process of transmitting and receiving a predetermined modulation width BW until a target is detected;
A second process of transmitting a control unit to the speed information calculated by the signal processing unit when the target is detected;
A third process of calculating the modulation width to be changed according to the speed of the target and transmitting the calculated waveform to the waveform generator;
The reference waveform generator comprises: a fourth process of generating a reference waveform according to the changed modulation width BW ';
A fifth process of mixing the RF received signal with the newly formed reference waveform to obtain a signal through a data acquisition unit;
A sixth process of calculating a speed and a distance in the processor and transmitting the calculated speed information to the controller;
A seventh treatment of repeating the process after the third treatment until the target disappears;
When the target disappears, the reference waveform controller changes the modulation width (BW '→ BW) and transmits the eighth process to the reference waveform generator;
Apparatus for improving the accuracy of the beat frequency of the high-speed mobile in the FMCW radar comprising a. 제 8 항에 있어서,
상기 제 3 처리에서, 제어부의 기준파형제어부는 표적의 속도에 따라 변화될 변조폭을 다음 수학식 4와 같이 계산하여 파형발생부에 전송하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상하기 위한 장치.
[수학식 4]
Figure 112012055828960-pat00065

여기서 BW는 주파수 변조폭, v는 신호처리부에서 계산된 표적의 속도이며, c는 빛의 속도이다. The method of claim 8,
In the third process, the reference waveform control unit of the control unit calculates the modulation width to be changed according to the speed of the target as shown in Equation 4 and transmits to the waveform generator accuracy of the bit frequency of the high-speed moving object in the FMCW radar Device for improving.
&Quot; (4) "
Figure 112012055828960-pat00065

Where BW is the frequency modulation width, v is the velocity of the target calculated by the signal processor, and c is the velocity of light. 제 1 항의 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상 방법은 FMCW 레이다의 하드웨어를 수정하지 않고, 수신된 신호를 신호처리하는 방법을 이용하여 보상하는 방법인 것을 특징으로 하는 FMCW 레이다에서 고속 이동체의 비트 주파수의 정확도 향상 방법.The method of improving the accuracy of the bit frequency of the fast moving object of claim 1 is a method of compensating the received signal using a method of signal processing without modifying the hardware of the FMCW radar. How to improve accuracy.
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