KR101312420B1 - 레이더를 이용한 타겟 판단 장치 및 그 방법 - Google Patents

레이더를 이용한 타겟 판단 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이더를 이용한 타겟 판단 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟 판단 장치는, 적어도 하나의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 이용하여 비트 신호를 생성하는 비트 신호 생성부와, 상기 생성된 비트 신호로부터 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수를 추출하는 비트 주파수 추출부와, 상기 추출된 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수에 대해 기 설정된 주파수 셀 구간마다 전력 스펙트럼 밀도를 연산하는 전력 스펙트럼 밀도 연산부와, 상기 연산된 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 유사도를 이용하여 상기 타겟이 동일 대상인지 여부를 판단하는 판단부를 포함한다.
이에 따라, 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 이용하여 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수의 전력 분포를 이용하여 타겟의 유사도를 판단함으로써 복수의 타겟을 정확하게 판별할 수 있다.

Description

레이더를 이용한 타겟 판단 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING OF TARGET USING RADAR}
본 발명은 레이더를 이용한 타겟 판단 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이더의 송신 및 수신 신호를 비교하여 타겟이 동일한지 여부를 판단하는 기술이 개시된다.
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 속도는 높은 정확도로 동시에 측정될 수 있어야 한다.
타겟의 거리 및 속도를 측정하기 위한 레이더로서는 주파수 변조 연속파형(FMCW : Frequency Modulation Continuous Wave) 방식의 레이더가 가장 널리 사용되고 있다. 하지만, 복수 개의 타겟이 존재하는 경우, 두 가지의 관점에서 거리와속도를 검출하는 데 모호성(Ambiguities)이 나타난다. 첫 번째 관점은 검출된 비트주파수(Beat Frequency)로부터 상대적인 속도와 거리를 얼마나 정확하게 분리할 수 있는지에 대한 문제이고, 두 번째 관점은 비트 주파수들을 정확하게 조합하여 복수 개의 타겟을 검출할 수 있는지에 대한 문제이다.
FMCW 레이더는 동일한 장애물에 대해서 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수인 2개의 비트 주파수가 존재한다. 따라서, FMCW 레이더에서 다중 장애물을 동시에 탐지하는 경우 장애물 수의 2배 만큼 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수가 존재하며, 정확한 레이더 탐지를 위해서는 동일한 타겟에 해당하는 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수를 찾아내는 것이 무엇보다도 중요하다.
기존의 페어링 신호처리기법은 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수의 전력 특성만을 비교함으로써 전압 제어 발전기(VCO : voltage controlled oscillator)의 비선형성 등에 의해서 여러 가지 오류가 발생하는 문제점이 있다. 본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1125276호(2012. 03. 02)에 기재되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 이용하여 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수의 전력 분포를 이용하여 타겟의 유사도를 판단하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟 판단 장치는, 적어도 하나의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 이용하여 비트 신호를 생성하는 비트 신호 생성부와, 상기 생성된 비트 신호로부터 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수를 추출하는 비트 주파수 추출부와, 상기 추출된 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수에 대해 기 설정된 주파수 셀 구간마다 전력 스펙트럼 밀도를 연산하는 전력 스펙트럼 밀도 연산부와, 상기 연산된 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 유사도를 이용하여 상기 타겟이 동일 대상인지 여부를 판단하는 판단부를 포함한다.
또한, 상기 레이더 송신신호 및 레이더 수신신호는, 주파수 변조된 연속파형 신호이며, 업 첩 신호 및 다운 첩 신호를 포함할 수 있다.
또한, 상기 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도의 간의 유사도가 기준 유사도 값보다 큰 주파수 셀 구간에서, 상기 타겟의 위치를 연산하는 타겟 위치 연산부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 판단부는, 기 설정된 주파수 셀 구간 중 상기 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 차이의 절대값이 최소가 되는 셀 구간에서 유사도를 판단할 수 있다.
또한, 상기 판단부는, 기 설정된 주파수 셀 구간 중 상기 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 차이의 제곱값이 최소가 되는 셀 구간에서 유사도를 판단할 수 있다.
또한, 상기 판단부는, 기 설정된 주파수 셀 구간 중 상기 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 상관값이 최대가 되는 셀 구간에서 유사도를 판단할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟 판단 방법은, 레이더를 이용한 타겟 판단 장치를 이용한 타겟 판단 방법에 있어서, 적어도 하나의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 이용하여 비트 신호를 생성하는 단계와, 상기 생성된 비트 신호로부터 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수를 추출하는 단계와, 상기 추출된 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수에 대해 기 설정된 주파수 셀 구간마다 전력 스펙트럼 밀도를 연산하는 단계와, 상기 연산된 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 유사도를 이용하여 상기 타겟이 동일 대상인지 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 이용하여 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수의 전력 분포를 이용하여 타겟의 유사도를 판단함으로써 복수의 타겟을 정확하게 판별할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟 판단 장치의 구성도,
도 2는 도 1에 따른 타겟 판단 장치를 이용한 레이더를 이용한 타겟 판단 방법의 흐름도,
도 3은 도 2에 따른 레이더를 이용한 타겟 판단 방법 중 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 설명하기 위한 예시도,
도 4는 도 2에 따른 레이더를 이용한 타겟 판단 방법 중 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수 간의 유사도를 판단하는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟 판단 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 따른 타겟 판단 장치를 이용한 레이더를 이용한 타겟 판단 방법의 흐름도이다.
이하, 도 1 및 도 2를 통해 레이더를 이용한 타겟 판단 장치 및 이를 이용한 타겟 판단 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟 판단 장치(100)는, 비트 신호 생성부(110), 비트 주파수 추출부(120), 비트 주파수 추출부(120), 판단부(140)를 포함한다.
먼저, 비트 신호 생성부(110)는 적어도 하나의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 이용하여 비트 신호를 생성한다(S210). 여기서, 타겟(target)은 레이더 신호를 수신하여 이를 반사하는 대상체를 의미하며 건물 구조물과 같은 정지 대상체 또는 차량과 같은 이동 대상체를 포함한다. 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더에서 주파수 변조된 신호를 타겟에 대해 연속적으로 송신 또는 수신하는 신호일 수 있다. 이러한 주파수 변조된 연속파형 신호는 업 첩(up chirp) 신호 및 다운 첩(down chirp) 신호를 포함하게 된다.
또한, 비트 신호 생성부(110)는 레이더 송신 신호와 레이더 수신 신호 간의 주파수 차이를 기초로 하여 비트(beat) 신호를 생성한다. 비트 신호는 업 비트 주파수를 가지는 업 비트 신호와 다운 비트 주파수를 가지는 다운 비트 신호를 포함한다. 타겟이 복수 개인 경우, 타겟에 대한 레이더 송신 신호와 레이더 수신 신호의 개수도 그에 따라 증가하므로, 복수의 타겟에 서로 다른 주파수를 가지는 레이더 송신 신호를 전송할 수 있으며, 그에 따라 수신되는 레이더 수신 신호도 서로 다른 주파수를 가지게 된다.
다음으로, 비트 주파수 추출부(120)는 비트 신호 생성부(110)에서 생성된 비트 신호를 입력받아, 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수를 추출한다(S220). 앞서 설명한 바와 같이, 비트 신호는 주파수가 근접한 두 개의 업 비트 신호와 다운 비트 신호 간의 주파수의 진동이 겹칠 때 양 주파수의 차로 진동하는 신호이다. 비트 주파수 추출부(120)는 비트 신호에 대한 진동수를 분석하여 업 비트 주파수를 가지는 업 비트 신호와 다운 비트 주파수를 가지는 다운 비트 신호를 추출한다.
다음으로, 전력 스펙트럼 밀도 연산부(130)는 비트 주파수 추출부(120)에서 추출된 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수에 대해 기 설정된 주파수 셀 구간마다 전력 스펙트럼 밀도를 연산한다(S230). 전력 스펙트럼 밀도 연산부(130)는 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수 각각에 대해 사용자가 설정한 윈도윙 크기(windowing size)로 주파수 구간을 나눈 복수의 주파수 셀마다 전력 스펙트럼 밀도(PSD : Power Spectral Density)를 연산한다. 이에 따라, 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수 각각에 대한 전체 주파수 중 셀 주파수 구간에 따른 전력 스펙트럼 밀도 분포를 획득할 수 있다.
다음으로, 판단부(140)는 전력 스펙트럼 밀도 연산부(130)에서 연산된 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수 각각의 전력 스펙트럼 밀도 간의 유사도를 이용하여 타겟이 동일 대상인지 여부를 판단한다(S240). 동일한 타겟의 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 분포는 동일하게 나타나고, 서로 다른 타겟 간의 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 분포는 상이하게 나타난다.
또한, 판단부(140)는 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 분포에 대해 주파수 셀 간의 유사도를 분석하여 기 설정된 기준 유사도 내에 포함되는 경우에는, 해당 레이더 수신 신호가 동일한 타겟에 대한 신호임을 판단할 수 있다. 이는 복수의 타겟에 대한 레이더 수신 신호가 수신되는 경우 보다 정확하게 동일 타겟에 대한 레이더 수신 신호인지 여부를 판단할 수 있다.
또한, 판단부(140)는 기 설정된 주파수 셀 구간 중 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 차이의 절대값이 최소가 되는 셀 구간에서 유사도를 판단할 수 있다. 각 주파수 셀 구간에서 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수 각각의 전력 스펙트럼 밀도값의 차이가 최소가 되면, 전체적인 전력 스펙트럼 밀도의 분포 형태가 동일한 것으로 되고, 유사도가 높은 전력 스펙트럼 밀도의 분포를 가지는 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수는 동일한 객체로 판단한다.
또한, 판단부(140)는 기 설정된 주파수 셀 구간 중 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 차이의 제곱값이 최소가 되는 셀 구간에서 유사도를 판단할 수 있다. 이는 특히 복수의 객체에 대한 업 비트 주파수 또는 다운 비트 주파수가 서로 비슷한 주파수를 가지는 경우에 판단을 용이하게 하기 위하여 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 차이의 제곱값을 연산하게 된다.
또한, 판단부(140)는 기 설정된 주파수 셀 구간 중 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 상관값이 최대가 되는 셀 구간에서 유사도를 판단할 수 있다. 이 경우, 각 주파수 셀 간의 교차 상관(cross correlation)을 연산하거나, 각 주파수 셀 간의 콘볼루션(convolution)을 연산하여 상관값을 구할 수 있다. 상관값이 최대가 되는 주파수 셀들은 서로 동일한 객체에 대한 레이더 송신 신호 또는 레이더 수신 신호의 주파수 구간을 나타낸다.
이와 같이, 판단부(140)는 복수의 객체에 대한 레이더 송신 신호에 대응하는 레이더 수신 신호로부터 추출된 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수를 주파수 셀마다 전력 스펙트럼 밀도를 연산하여, 그 중 유사도가 높은 주파수 셀들에 포함되는 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수는 동일 객체에 의한 레이더 수신 신호임을 판단하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 레이더를 이용한 타겟 판단 장치(100)는 위치 연산부(도시하지 않음)를 더 포함하며, 위치 연산부는 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도의 간의 유사도가 기준 유사도 값보다 큰 주파수 셀 구간에서 타겟의 위치를 연산할 수 있다. 이 경우, 타겟의 위치는 레이더와 타겟 사이의 거리, 타겟이 이동 물체인 경우에는 이동 속도 등을 포함하는 정보를 의미한다.
도 3은 도 2에 따른 레이더를 이용한 타겟 판단 방법 중 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3을 참조하면, 삼각파(triangular wave) 형태로 송수신되는 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 시간에 따른 주파수 변화를 나타낸다. 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호는 시간에 따라 주파수가 증가하는 업 첩 신호와 시간에 따라 주파수가 감소하는 다운 첩 신호를 가지고 있다. 레이더 송신 신호와 레이더 수신 신호 간에는 시간에 따른 주파수의 차이가 발생한다. 이러한 주파수 차이를 기초로 하여 비트 신호가 생성된다.
도 4는 도 2에 따른 레이더를 이용한 타겟 판단 방법 중 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수 간의 유사도를 판단하는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수의 주파수 셀에 따른 전력 스펙트럼 밀도의 분포를 나타낸다. 주파수 셀은 사용자가 설정한 윈도윙 크기(windowing size)로 나뉜다. 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도는 각 주파수 셀 간의 페이링(pairing)을 통해 서로 유사한 주파수셀을 탐색한다. 앞서 설명한 바와 같이 동일한 객체에 대한 업 비트 주파수의 전력 스펙트럼 분포와 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 분포는 동일한 형태를 나타낸다.
도 4에서, 업 비트 주파수의 주파수 셀 6에서 주파수 셀 11까지의 전력 스펙트럼 밀도의 분포는 다운 비트 주파수의 주파수 셀 3에서 주파수 셀 8까지의 전력 스펙트럼 밀도의 분포와 동일한 형태를 나타내므로, 이는 동일한 타겟에 대한 레이더 수신 신호임을 판별할 수 있다. 이와 같이, 전력 스펙트럼 밀도의 분포를 이용하여 타겟의 동일성 여부를 판단함으로써 보다 정확하게 타겟을 식별할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예 따르면, 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 이용하여 업 비트 주파수와 다운 비트 주파수의 전력 분포를 이용하여 타겟의 유사도를 판단함으로써 복수의 타겟을 정확하게 판별할 수 있다.
이상에서 본 발명은 도면을 참조하면서 기술되는 바람직한 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 기재된 실시예로부터 도출 가능한 자명한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위의 기재에 의해 해석되어져야 한다.
100 : 타겟 판단 장치
110 : 비트 신호 생성부
120 : 비트 주파수 추출부
130 : 전력 스펙트럼 밀도 연산부
140 : 판단부

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 이용하여 비트 신호를 생성하는 비트 신호 생성부;
    상기 생성된 비트 신호로부터 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수를 추출하는 비트 주파수 추출부;
    상기 추출된 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수에 대해 기 설정된 주파수 셀 구간마다 전력 스펙트럼 밀도를 연산하는 전력 스펙트럼 밀도 연산부; 및
    상기 연산된 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 유사도를 이용하여 상기 타겟이 동일 대상인지 여부를 판단하는 판단부; 및
    상기 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도의 간의 유사도가 기준 유사도 값보다 큰 주파수 셀 구간에서, 상기 타겟의 위치를 연산하는 타겟 위치 연산부를 포함하는 레이더를 이용한 타겟 판단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이더 송신신호 및 레이더 수신신호는,
    주파수 변조된 연속파형 신호이며, 업 첩 신호 및 다운 첩 신호를 포함하는 레이더를 이용한 타겟 판단 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 판단부는,
    기 설정된 주파수 셀 구간 중 상기 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 차이의 절대값이 최소가 되는 셀 구간에서 유사도를 판단하는 레이더를 이용한 타겟 판단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 판단부는,
    기 설정된 주파수 셀 구간 중 상기 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 차이의 제곱값이 최소가 되는 셀 구간에서 유사도를 판단하는 레이더를 이용한 타겟 판단 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 판단부는,
    기 설정된 주파수 셀 구간 중 상기 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 상관값이 최대가 되는 셀 구간에서 유사도를 판단하는 레이더를 이용한 타겟 판단 장치.
  7. 레이더를 이용한 타겟 판단 장치를 이용한 타겟 판단 방법에 있어서,
    적어도 하나의 타겟에 대한 레이더 송신 신호 및 레이더 수신 신호를 이용하여 비트 신호를 생성하는 단계;
    상기 생성된 비트 신호로부터 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수를 추출하는 단계;
    상기 추출된 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수에 대해 기 설정된 주파수 셀 구간마다 전력 스펙트럼 밀도를 연산하는 단계;
    상기 연산된 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 유사도를 이용하여 상기 타겟이 동일 대상인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도의 간의 유사도가 기준 유사도 값보다 큰 주파수 셀 구간에서, 상기 타겟의 위치를 연산하는 단계를 포함하는 레이더를 이용한 타겟 판단 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 레이더 송신신호 및 레이더 수신신호는,
    주파수 변조된 연속파형 신호이며, 업 첩 신호 및 다운 첩 신호를 포함하는 레이더를 이용한 타겟 판단 방법.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 타겟이 동일 대상인지 여부를 판단하는 단계는,
    기 설정된 주파수 셀 구간 중 상기 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 차이의 절대값이 최소가 되는 셀 구간에서 유사도를 판단하는 레이더를 이용한 타겟 판단 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 타겟이 동일 대상인지 여부를 판단하는 단계는,
    기 설정된 주파수 셀 구간 중 상기 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 차이의 제곱값이 최소가 되는 셀 구간에서 유사도를 판단하는 레이더를 이용한 타겟 판단 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 타겟이 동일 대상인지 여부를 판단하는 단계는,
    기 설정된 주파수 셀 구간 중 상기 업 비트 주파수 및 다운 비트 주파수의 전력 스펙트럼 밀도 간의 상관값이 최대가 되는 셀 구간에서 유사도를 판단하는 레이더를 이용한 타겟 판단 방법.
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