KR101308831B1 - 펄스 도플러 레이더 수신기 및 방법 - Google Patents

펄스 도플러 레이더 수신기 및 방법 Download PDF

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Abstract

탐지 대상의 속도 정밀도를 향상시키는 펄스 도플러 레이더 수신기 및 방법을 개시한다.
일 실시예로서, 펄스 도플러 레이더 수신기 및 방법은, 탐지 대상의 거리 및 속도를 측정하는데 있어 필요한 계산량을 줄이고 메모리를 효율적으로 적용할 수 있어 펄스 레이더를 낮은 복잡도로 구현하는데 크게 이바지할 수 있고, 펄스 레이더를 효율적으로 구현하여 펄스 레이더 기반의 다양한 차량 응용, 조선 응용, 로봇 응용 그리고 보안 응용에 적용될 수 있다.

Description

펄스 도플러 레이더 수신기 및 방법{PULSE DOPPLER RADAR RECEIVER AND METHOD}
본 발명의 실시예들은 탐지 대상의 속도 정밀도를 향상시키는 펄스 도플러 레이더 수신기 및 방법에 관한 것이다.
종래 자동차에서는 운전자의 시야에 의존해서 운전자가 자동차의 진행 방향을 예측하고 운전하였다. 그러나 이와 같은 방법에서 운전자가 운행 경험이 풍부하지 못하거나 혹은 운전자가 일시적으로 차량의 진행 방향을 잘못 판단한 경우 사고가 발생할 수 있다. 요즘에는 사용자들이 위와 같은 사고를 대비하기 위해서 레이더나 비전 시스템을 이용하여 주변상황 인식을 사용하고 있다. 특히 펄스-도플러 레이더에서 거리 정밀도를 높이기 위해서는 레인지 게이트(range gate)간의 간격을 줄여야 한다. 속도 정밀도를 높이기 위해서는 속도 측정을 위한 체류 시간(dwell time)을 늘려야 한다. 수신되는 모든 신호 크기는 바이트(byte)단위이고, 펄스반복간격(PRI; Pulse Repetition Interval)내의 모든 레인지 게이트 샘플의 수는 L이고, 체류 시간 내의 모든 펄스반복간격 수를 M이라고 가정하면, 레이더에서 필요한 메모리의 크기는 M*L 바이트가 필요하다. 그리고, 속도탐지를 위한 FFT의 수는 레인지 게이트 수와 같은 L가 필요하며, 각각의 FFT는 M 포인트 이상의 사이즈가 필요하다. 수신해야 하는 체류 시간이 늘어날수록 메모리 사이즈는 증가하고, FFT 포인트가 커지기 때문에, 복잡도도 상승하게 된다. 차량용 레이더는 속도 정밀도가 최소한 1m/s를 요구하고 있기 때문에, 이를 만족하기 위한 메모리 사이즈와 하드웨어 복잡도는 임베디드 시스템에 적용하기에 어려움이 발생한다.
본 발명의 일실시예는 작은 메모리 용량과 낮은 하드웨어 복잡도를 가지고 높은 정밀도를 갖는 속도 예측 시스템을 제공하는 펄스 도플러 레이더 수신기 및 방법을 제공한다.
상기의 일실시예를 이루기 위한, 펄스 도플러 레이더 수신기는, 수신단에서 샘플링된 펄스 데이터를 저장하는 메모리; 및 상기 저장된 펄스 데이터를 열방향으로 푸리에 변환하고, 상기 푸리에 변환에 따른 변환 결과값을 이용하여 정수 부분(integer part)과 분수 부분(fractional part)을 연산하며, 상기 정수 부분과 상기 분수 부분으로부터 도플러 주파수를 계산하는 계산부를 포함한다.
또한, 상기 일실시예를 달성하기 위한 기술적 방법으로서, 펄스 도플러 레이더 수신 방법은, 수신단에서 샘플링된 펄스 데이터를 메모리에 저장하는 단계; 상기 저장된 펄스 데이터를 열방향으로 푸리에 변환하는 단계; 상기 푸리에 변환에 따른 변환 결과값을 이용하여 정수 부분(integer part)과 분수 부분(fractional part)을 연산하는 단계; 및 상기 정수 부분과 상기 분수 부분으로부터 도플러 주파수를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 탐지 대상의 거리 및 속도를 측정하는데 있어 필요한 계산량을 줄이고 메모리를 효율적으로 적용할 수 있어 펄스 레이더를 낮은 복잡도로 구현하는데 크게 이바지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 펄스 레이더를 효율적으로 구현하여 펄스 레이더 기반의 다양한 차량 응용, 조선 응용, 로봇 응용 그리고 보안 응용에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 도플러 레이더 수신기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 변환 결과값을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 도플러 레이더 수신 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은 FFT 값을 이용하여 대상체의 속도를 추출하는데 고정된 메모리로 인해 결정된 속도 정밀도를 향상시켜 속도를 효율적으로 예측할 수 있는 수신기 및 방법을 개시한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 도플러 레이더 수신기(이하, 수신기로 표기)를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 수신기는 수신단(110), 메모리(120), 주파수 감지부(130), 주파수 추정부(140), 계산부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
메모리(120)는 수신단(110)에서 샘플링된 펄스반복간격 내의 펄스 데이터를 열 방향으로 레인지 셀(range cell)로 할당하고, 펄스반복간격마다 행 방향으로 펄스 데이터를 레인지 셀로 할당한다. 예를 들어, Rij는 수신기의 메모리(120)에서 i번째 펄스반복간격 내의 j번째 레인지 셀로 정의된다.
대상체(object)의 속도는 메모리(120)에 저장된 모든 펄스 데이터를 열방향으로 푸리에 변환(Fourier Transform)을 수행하여 변환 결과값을 추출한다. 이때 속도를 추출하는데 필요한 계산량은 레인지 셀의 수와 펄스반복간격 수에 따라서 메모리(120) 크기는 결정된다.
수신기에서 측정하고자 하는 도플러 주파수(
Figure 112011072970258-pat00001
)는 정수 부분(
Figure 112011072970258-pat00002
)과 분수 부분(
Figure 112011072970258-pat00003
)으로 나뉜다.
Figure 112011072970258-pat00004
본 발명의 일실시예에서 수신기는 두 단계로 도플러 주파수를 측정한다. 먼저, 주파수 감지부(130)는 주파수 변환의 변환 결과값의 최대값을 갖는 인덱스를 추출한다. 이 단계를 수행하는 장치를 주파수 감지부(130)라고 정의한다. 최대값을 갖는 인덱스가 도플러 주파수의 정수 부분이 된다.
Figure 112011072970258-pat00005
주파수 추정부(140)는 도플러 주파수의 분수 부분인
Figure 112012088830464-pat00006
를
Figure 112012088830464-pat00007
와
Figure 112012088830464-pat00008
의 인덱스에 해당하는 변환 결과값을 이용하여 추출할 수 있다. 이 단계를 수행하는 장치를 주파수 추정부(140)라고 정의한다. 주파수 추정부(140)는 상기 정수 부분과, 상기 정수 부분에 1 가산한 부분에 해당하는 변환 결과값으로부터 상기 분수 부분을 연산한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 변환 결과값을 도시한 도면이다.
Figure 112011072970258-pat00009
와
Figure 112011072970258-pat00010
의 변환 결과값은 도 2와 같이 도시된다. 실선은 변환 결과값을 나타내고, 점선은 사각형 윈도우가 적용된 사인 함수의 DTFT(Discrete Time Fourier Transform) 결과를 나타낸다. FFT는 DTFT를 주파수 영역에서 샘플링하기 때문에,
Figure 112011072970258-pat00011
를 FFT의 대표값으로 할당한다. 따라서 FFT를 이용한 주파수 추정부(140)는 FFT 대표값에 따른 오차를 갖는다. 이를 해결하기 위해, 주파수 추정부(140)는 FFT의 윈도우 값이 사각형인 경우에 FFT 결과 수학식 3을 이용한다.
Figure 112011072970258-pat00012
따라서, 도플러 주파수
Figure 112011072970258-pat00013
는
Figure 112011072970258-pat00014
와
Figure 112011072970258-pat00015
를 통해서 예측된다. 계산부(150)는 주파수 감지부(130)와 주파수 추정부(140)를 이용하여 정수 부분과 분수 부분을 합산하여 도플러 주파수를 계산하고 도플러 주파수에 기반하여 탐지 대상의 거리와 속도를 추출한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 도플러 레이더 수신 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 펄스 도플러 레이더 수신 방법은 도 1에 도시된 펄스 도플러 레이더 수신기에 의해 구현될 수 있다. 이하, 도 3의 설명에서는 상술한 도 1을 함께 참조하여 도 3을 설명하여 발명의 이해를 도모한다.
단계 301에서 수신기는 수신단에서 샘플링된 펄스 데이터를 메모리에 저장한다. 수신기는 펄스반복간격 내의 샘플링된 펄스 데이터를 열 방향으로 레인지 셀(range cell)에 할당하고, 펄스반복간격마다 샘플링된 펄스 데이터를 행 방향으로 레인지 셀에 할당한다.
단계 302에서 수신기는 메모리에 저장된 모든 펄스 데이터를 열방향으로 푸리에 변환(Fourier Transform)을 수행하여 변환 결과값을 추출한다. 수신기는 측정하고자 하는 도플러 주파수를 정수 부분과 분수 부분으로 나뉜다.
수신기는 변환 결과값에 기반하여 도플러 주파수의 정수 부분과 도플러 주파수의 분수 부분을 계산한다.
단계 303에서 수신기는 푸리에 변환한 변환 결과값의 최대값을 갖는 인덱스를 추출하여 도플러 주파수의 정수 부분을 계산한다. 최대값을 갖는 인덱스가 도플러 주파수의 정수 부분이 된다.
단계 304에서 수신기는 도플러 주파수의 정수 부분과 푸리에 변환한 변환 결과값의 대표값을 이용하여 도플러 주파수의 분수 부분을 계산한다.
수신기는 도플러 주파수의 분수 부분을
Figure 112011072970258-pat00016
와
Figure 112011072970258-pat00017
의 인덱스에 해당하는 변환 결과값을 이용하여 추출할 수 있다.
Figure 112011072970258-pat00018
와
Figure 112011072970258-pat00019
의 변환 결과값은 도 2와 같이 도시된다. 실선은 변환 결과값을 나타내고, 점선은 사각형 윈도우가 적용된 사인 함수의 DTFT 결과를 나타낸다. FFT는 DTFT를 주파수 영역에서 샘플링하기 때문에,
Figure 112011072970258-pat00020
를 FFT의 대표값으로 할당한다. 따라서 FFT를 이용한 수신기는 FFT 대표값에 따른 오차를 갖는다. 이를 해결하기 위해, 수신기는 FFT의 윈도우 값이 사각형인 경우에 FFT 결과 수학식 3을 이용하여 도플러 주파수의 분수 부분을 계산한다.
단계 305에서 수신기는 계산된 도플러 주파수에 기반하여 탐지 대상의 거리와 속도를 추출한다. 수신기는 정수 부분과 분수 부분을 합산하여 계산된 도플러 주파수에 기반하여 탐지 대상의 거리와 속도를 추출한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 구성들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110 : 수신단
120 : 메모리
130 : 주파수 감지부
140 : 주파수 추정부
150 : 계산부

Claims (12)

  1. 펄스 데이터에 대한 푸리에 변환에 따른 변환 결과값의 최대값을 갖는 인덱스를 정수 부분(integer part)으로서 연산하는 주파수 감지부와, 상기 정수 부분과, 상기 정수 부분에 1 가산한 부분에 해당하는 상기 변환 결과값으로부터 분수 부분(fractional part)을 연산하는 주파수 추정부를 포함하는 계산부
    를 포함하고,
    상기 정수 부분
    Figure 112013046816991-pat00046
    에 해당하는 변환 결과값이,
    Figure 112013046816991-pat00047
    이고,
    상기 정수 부분에 1 가산한 부분에 해당하는 변환 결과값이,
    Figure 112013046816991-pat00048
    일 경우,
    상기 주파수 추정부는,
    Figure 112013046816991-pat00049
    로 부터
    상기 분수 부분
    Figure 112013046816991-pat00050
    의 추정치
    Figure 112013046816991-pat00051
    를,
    Figure 112013046816991-pat00052

    를 만족하여 연산하는
    펄스 도플러 레이더 수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 도플러 레이더 수신기는,
    수신단에서 샘플링된 상기 펄스 데이터를 저장하는 메모리
    를 더 포함하고,
    상기 계산부는,
    상기 저장된 펄스 데이터를 열방향으로 상기 푸리에 변환하는
    펄스 도플러 레이더 수신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변환 결과값이
    Figure 112013046816991-pat00053
    ,
    Figure 112013046816991-pat00054
    일 경우,
    상기 주파수 감지부는,
    상기 정수 부분
    Figure 112013046816991-pat00055
    를,
    Figure 112013046816991-pat00056

    를 만족하여 연산하는
    펄스 도플러 레이더 수신기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 계산부는,
    상기 정수 부분과 상기 분수 부분을 합산하여 도플러 주파수를 계산하고,
    상기 도플러 주파수에 기반하여 탐지 대상의 거리와 속도를 추출하는
    펄스 도플러 레이더 수신기.
  7. 펄스 데이터에 대한 푸리에 변환에 따른 변환 결과값의 최대값을 갖는 인덱스를 정수 부분으로서 연산하는 단계;
    상기 정수 부분과, 상기 정수 부분에 1 가산한 부분에 해당하는 상기 변환 결과값으로부터 분수 부분을 연산하는 단계; 및
    상기 정수 부분과 상기 분수 부분으로부터 도플러 주파수를 계산하는 단계
    를 포함하고,
    상기 정수 부분
    Figure 112013046816991-pat00057
    에 해당하는 변환 결과값이,
    Figure 112013046816991-pat00058
    이고,
    상기 정수 부분에 1 가산한 부분에 해당하는 변환 결과값이,
    Figure 112013046816991-pat00059
    일 경우,
    상기 분수 부분을 연산하는 단계는,
    Figure 112013046816991-pat00060
    로 부터
    상기 분수 부분
    Figure 112013046816991-pat00061
    의 추정치
    Figure 112013046816991-pat00062
    를,
    Figure 112013046816991-pat00063

    를 만족하여 연산하는 단계
    를 포함하는 펄스 도플러 레이더 수신 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 펄스 도플러 레이더 수신 방법은,
    수신단에서 샘플링된 상기 펄스 데이터를 메모리에 저장하는 단계; 및
    상기 저장된 펄스 데이터를 열방향으로 상기 푸리에 변환하는 단계
    를 더 포함하는 펄스 도플러 레이더 수신 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 변환 결과값이
    Figure 112013046816991-pat00064
    ,
    Figure 112013046816991-pat00065
    일 경우,
    상기 정수 부분을 연산하는 단계는,
    상기 정수 부분
    Figure 112013046816991-pat00066
    를,
    Figure 112013046816991-pat00067

    를 만족하여 연산하는 단계
    를 포함하는 펄스 도플러 레이더 수신 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 펄스 도플러 레이더 수신 방법은,
    상기 정수 부분과 상기 분수 부분을 합산하여 도플러 주파수를 계산하는 단계; 및
    상기 도플러 주파수에 기반하여 탐지 대상의 거리와 속도를 추출하는 단계
    를 더 포함하는 펄스 도플러 레이더 수신 방법.
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