KR20140071828A - 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법 - Google Patents

레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이더 신호의 레인지 데이터(Range Data)가 입력되면, 레지스터가 거리를 인덱스로 하여 셀 데이터 형태로 데이터 위치를 정렬하는 제1단계, 슬라이딩 윈도우(Sliding Window)가 상기 레지스터를 스캔하여 적어도 하나 이상의 테스트셀(Test Cell)을 지정하고, 적어도 하나 이상의 참조셀(Reference Cell)을 지정하는 제2단계, 비교기가 상기 테스트셀과 상기 참조셀의 데이터 값을 각각 비교하는 제3단계 및, 상기 비교기의 비교 결과에 따라 상기 참조셀보다 큰 데이터 값의 테스트셀을 표적 데이터로 판정하고, 상기 참조셀보다 작은 데이터 값의 테스트셀을 잡음으로 처리하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법{Method for Increasing Target Detection Ratio of Radar Signal}
본 발명은 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이더 장치의 CFAR(Constant False Alram Rate)에서 근거리 표적에 대한 표적 오탐지를 최소화시켜서 탐지 확률을 증대시킬 수 있도록 하는 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 레이더에 적용되는 CFAR(Constant False Alram Rate)은 수신 신호의 임계치(Threshold)를 결정하는 방법으로서, 주변거리(Reference Cell)와 표적유무의 판단을 위한 표본거리(Test Cell)와의 신호 크기를 비교하여, 그 비교 결과에 따라 수신 신호가 잡음인지 또는 표적신호인지를 구분 한다.
한편, 레이더에서 전파를 송신하고 나서 수신되는 신호에는 표적 뿐만 아니라 잡음이 섞인 신호가 포함되어 있는데, 잡음이 섞인 신호는 시간 및 공간에 따라 지속적으로 변화하기 때문에, 표적을 정확하게 탐지하기 위해서는 CFAR 검파를 통한 임계치의 가변이 불가피하다.
CFAR 검파 방식은 수신 신호의 파워와 임계치의 비교를 통한 신호 검파를 이용하게 되는데, 임계치는 비교하고자 하는 신호의 추정 잡음 파워와 스케일 상수의 곱으로 정의되며, 곱해지는 상수는 사전에 정의된 오경보율에 의해서 결정 된다.
CFAR 검파를 위한 기법으로는 CA-CFAR, OS-CFAR 등과 같은 다양한 CFAR 들이 존재하지만, 종래 CFAR 검파에 사용하는 표본(Test Cell)은 공통적으로 1개만 사용한다.
통상적인 레이더의 역활은 가시거리 이상의 표적이 대상이기 때문에 근거리와 원거리에 대한 구분 조건을 신호 레벨로 규정하고 있지만, 레이더를 차량에 적용하는 경우에는 차량의 주행 특성상 1 미터(m) 미만에서 수백 미터(m)까지의 가시거리 수준을 탐지 범위로 잡아야 하기 때문에, 통상의 레이더에서 사용하는 조건과는 상이한 조건을 갖는 것이 필요하다.
관련 기술로는 국내공개특허 제2002-0069686호(레이더 신호 처리장치의 표적탐지 연산구조)(2002.09.05)가 있다.
그런데, 차량용 레이더의 경우에는 범퍼와 같이 낮은 위치에 배치되고 동일한 높이의 표적을 탐지하므로 오탐지할 수 있는 지면 클러터에 쉽게 노출되고, 특히 표적(즉, 차량) 거리에 따라 각기 다른 거리분포를 갖기 때문에 오탐지의 확률이 증가할 수 밖에 없다.
도 1은 종래 차량용 레이더에서의 근거리 및 원거리의 표적 거리에 따른 조사 각도와 거리 분포 상태를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 동일한 폭(W)를 갖는 표적 차량이 서로 다른 거리에 있는 경우, 레이더가 표적 차량에 대해 인지하는 거리의 분포가 근거리 표적 차량의 거리(r1, r1-1)와 원거리 표적 차량의 거리(r2, r2-1)에 따라 서로 다르게 나타남을 알 수 있고, 각 근거리 표적 차량의 각도(θ1)와 원거리 표적 차량의 각도(θ2) 간의 차이에 의해 근거리 표적에 대한 거리분포는 원거리 표적에 비해 넓게 나타나게 된다.
도 2는 종래 차량용 레이더에서의 표적거리에 따른 거리분포의 편차를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 근거리와 원거리의 표적 차량에 있어서, 근거리 표적 차량은 원거리 표적 차량에 비해서 상대적으로 중앙 직선거리와 모서리 대각선 거리의 사이각이 커서 단일 표적의 거리분포가 넓게 나타나게 되는데, 거리분포가 넓다는 것은 레인지 데이터(Range Data) 또는 레지스터(Register)에서 여러 셀의 표적에 해당되는 신호 크기가 나타나는 것을 의미한다.
이와 같이, 종래 CFAR 검파 방식은 표적을 검파하기 위한 셀의 개수가 제한적이기 때문에, 근거리와 같이 여러 개의 셀에 표적신호 분포를 갖는 경우 표적 거리뿐만 아니라 주변 거리의 신호가 커져서 표적을 탐지하지 못할 가능성이 높고, 여러 셀에 표적신호 분포를 갖게 되면 비교 대상의 임계값이 높아져서 표적 신호가 잡음화되는 현상이 나타난다는 문제점이 발생된다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로서, 레이더를 이용한 CFAR 검파에 있어서 근거리 표적이 여러 셀에 할당되는 것을 이용하여 테스트 셀의 크기를 증가시켜 평균화하고, 주변 거리의 셀 범위를 테스트 셀과 이격시켜서 근거리에서 넓은 분포를 갖는 표적에 대한 오탐지 확률을 감소시키는 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일측면에 따른 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법은, 레이더 신호의 레인지 데이터(Range Data)가 입력되면, 레지스터가 거리를 인덱스로 하여 셀 데이터 형태로 데이터 위치를 정렬하는 제1단계, 슬라이딩 윈도우(Sliding Window)가 상기 레지스터를 스캔하여 적어도 하나 이상의 테스트셀(Test Cell)을 지정하고, 적어도 하나 이상의 참조셀(Reference Cell)을 지정하는 제2단계, 비교기가 상기 테스트셀과 상기 참조셀의 데이터 값을 각각 비교하는 제3단계 및, 상기 비교기의 비교 결과에 따라 상기 참조셀보다 큰 데이터 값의 테스트셀을 표적 데이터로 판정하고, 상기 참조셀보다 작은 데이터 값의 테스트셀을 잡음으로 처리하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계는, 테스트셀 평균화기가 적어도 하나 이상의 상기 테스트셀을 평균화 처리하는 단계 및, 참조셀 평균화기가 적어도 하나 이상의 상기 참조셀을 평균화 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계는, 상기 슬라이딩 윈도우가 적어도 하나 이상의 상기 테스트셀 이전 셀 범위의 셀 데이터를 제1참조셀로 지정하고, 적어도 하나 이상의 상기 테스트셀 이후 셀 범위의 셀 데이터를 제2참조셀로 지정하고, 제1 및 제2참조셀 평균화기가 각기 담당하는 상기 제1참조셀 및 제2참조셀을 각각 평균화 처리하는 단계, 감산기가 상기 제1참조셀과 제2참조셀을 감산하여 상기 적어도 하나 이상의 테스트셀 개수와 동일화 처리하는 단계 및, 상기 동일화 처리된 참조셀에 스케일 상수를 적용하여 승산 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계에서, 상기 슬라이딩 윈도우는 상기 테스트셀의 개수를 "(거리분포 편차/거리 분해능)+1"에 의해 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계에서, 상기 거리 분해능은 "레이더 신호의 광속/2*주파수 대역폭"에 의해 정의되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 레이더에서 근거리 표적이 여러 셀에 할당되는 것을 이용하여 테스트 셀의 크기를 증가시켜 평균화하고 주변거리의 셀 범위를 테스트 셀과 이격시켜 분포가 넓은 표적에 대한 오탐지 확률을 감소시킬 수 있도록 함으로써, 거리에 적응적인 CFAR의 적용을 통해 근거리 표적의 오경보 확률을 감소시켜서 레이더의 성능을 향상시킬 수 있고, CA-CFAR, OS-CFAR 뿐만 아니라 다른 형태의 CFAR에도 동일한 성능으로 적용할 수 있다.
도 1은 종래 차량용 레이더에서의 근거리 및 원거리의 표적 거리에 따른 조사 각도와 거리 분포 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 차량용 레이더에서의 표적거리에 따른 거리분포의 편차를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법이 적용되는 레이더 신호의 표적 탐지 장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법에서 거리분포 편차 및 표적 거리에 따라 테스트셀의 개수가 결정되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법에 대한 동작을 설명하는 플로우차트이다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법이 적용되는 레이더 신호의 표적 탐지 장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법이 적용되는 레이더 신호의 표적 탐지 장치는, 레인지 데이터 수신부(10), 레지스터(20), 슬라이딩 윈도우(Sliding Window)(30), 테스트셀 평균화기(40), 제1 및 제2참조셀 평균화기(42, 44), 감산기(50), 승산기(60), 스케일 상수 발생기(70), 비교기(80), 표적 레지스터(90)를 포함한다.
상기 레지스터(20)는 레인지 데이터 수신부(10)를 통해 입력되는 레인지 데이터를 거리에 따라 부여되는 인덱스 별로 일시 저장하여 각각 셀 데이터로서 위치시킨다.
상기 슬라이딩 윈도우(30)는 상기 레지스터(20)의 슬라이딩 윈도우 스캔을 통해서, 각 인덱스에 따라 구분되는 다수개의 셀 데이터 중에서 복수개의 셀 데이터를 테스트 셀(Test Cell)(t0∼tn)로 지정함에 의해 테스트 셀의 개수를 결정하고, 상기 테스트 셀(t0∼tn)의 이전 셀 범위의 데이터를 복수개의 제1참조셀(Reference Cell)(v0∼vn)로서 지정하여 제1참조셀 개수를 결정하며, 상기 테스트 셀(t0∼tn)의 이후 셀 범위의 데이터를 복수개의 제2참조셀(w0∼wn)로서 지정하여 제2참조셀 개수를 결정한다.
상기 테스트셀 평균화기(40)는 상기 슬라이딩 윈도우(30)의 슬라이딩 윈도우 스캔을 통해 개수가 결정된 테스트셀(t0∼tn)의 데이터를 평균화한다.
상기 제1참조셀 평균화기(42)는 상기 슬라이딩 윈도우(30)의 슬라이딩 윈도우 스캔을 통해 개수가 결정된 제1참조셀(v0∼vn)의 데이터를 평균화하게 되고, 상기 제2참조셀 평균화기(44)는 상기 슬라이딩 윈도우(30)의 슬라이딩 윈도우 스캔을 통해 개수가 결정된 제2참조셀(w0∼wn)의 데이터를 평균화한다.
상기 감산기(50)는 상기 제1참조셀 평균화기(42)를 통해 평균화된 제1참조셀(v0∼vn) 데이터와, 상기 제2참조셀 평균화기(44)를 통해 평균화된 제2참조셀(w0∼wn) 데이터를 각각 감산 처리하여 참조셀의 개수를 상기 테스트셀의 개수에 대하여 동일화한다.
상기 승산기(60)는 상기 감산기(50)를 통해서 동일화 처리된 참조셀 데이터를 상기 스케일 상수 발생기(70)에서 발생되는 스케일 상수와 승산하여 출력한다.
여기서, 상기 스케일 상수 발생기(70)에서 발생되는 스케일 상수는 미리 설정된 표적 오탐지에 의한 오경보율에 의해서 결정된다.
상기 비교기(80)는 상기 테스트셀 평균화기(40)를 통해 평균화된 복수개의 테스트셀(t0∼tn)을 상기 승산기(60)를 통해 승산 처리되어 출력되는 참조셀과 각각 비교하여 표적 유무의 판정 결과에 따른 셀 데이터를 출력한다.
상기 표적 레지스터(90)는 상기 비교기(80)의 비교 동작을 통해서 표적으로 판정된 셀 데이터를 입력받아 저장한다.
여기서, 상기 슬라이딩 윈도우(30)는 테스트 셀의 개수를 거리에 따라 결정하는 방식으로 적용하게 되는데, 테스트셀의 개수를 결정하기 위해서는 레이더의 거리 분해능과 표적의 크기를 정해야 한다.
레이더의 거리 분해능은 "δR=c/(2*Δf)"로 정의되는데, 여기서 "c"는 광속으로서 "c=3x10^8m/s"로 정의하고, "Δf"는 주파수 대역폭을 나타내는데 "Δf"가 200 MHz와 500 MHz인 경우에 거리 분해능인 "δR"은 각각 0.75 m와 0.3 m가 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법에서 거리분포 편차 및 표적 거리에 따라 테스트셀의 개수가 결정되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 표적 차량의 폭이 3 m인 것으로 간주한 경우에, 거리분포 편차는 거리 1 m에서 0.8 m로 시작하여 거리가 증가할수록 감소하게 되고, 테스트셀의 개수는 거리의 증가에 반비례하여 감소하게 된다.
한편, 상기 테스트셀의 개수는 "(거리분포 편차/거리 분해능)+1"에 의해 계산되어 결정할 수 있도록 하되 소수점 이하를 제외한 개수로서 결정되는데, 최소 테스트셀의 개수는 1개이고, 최대 개수는 거리 분해능과 표적, 그리고 거리에 따라 달라진다.
이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법에 대한 동작을 도 5의 플로우차트를 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법에 대한 동작을 설명하는 플로우차트이다.
먼저, 레이더로부터 거리 데이터가 레인지 데이터 수신부(10)를 통해 입력되면(S10), 상기 레인지 데이터 수신부(10)에 입력된 레인지 데이터를 레지스터(20)에 거리에 따라 결정되는 인덱스 별로 정렬하여 위치시킨다(S11).
그 상태에서, 슬라이딩 윈도우(30)에서는 상기 레지스터(20)의 슬라이딩 윈도우 스캔을 통해서 해당 레지스터(20)의 인덱스에 따라 표적 검출을 위한 테스트셀(t0∼tn)의 개수를 결정하고(S12), 테스트셀 평균화기(40)는 상기 복수개의 테스트셀(t0∼tn)을 평균화 처리한다(S13).
이와 더불어, 상기 슬라이딩 윈도우(30)는 상기 레지스터(20)의 슬라이딩 윈도우 스캔을 통해서 해당 레지스터(20)의 인덱스에 따라 상기 테스트셀 이전 셀 범위의 데이터를 제1참조셀(v0∼vn)로 지정하여 제1참조셀의 개수를 결정함과 동시에, 상기 테스트셀 이후 셀 범위의 데이터를 제2참조셀(w0∼wn)로 지정하여 제2참조셀의 개수를 결정한다(S14).
또한, 제1 및 제2참조셀 평균화기(42, 44)는 상기 제1참조셀(v0∼vn) 데이터와, 상기 제2참조셀(w0∼wn) 데이터를 각각 평균화 처리하고(S15), 감산기(50)는 상기 제1 및 제2참조셀 평균화기(42, 44)로부터의 제1참조셀 및 제2참조셀을 감산 처리하여 상기 테스트셀(t0∼tn)의 개수와 동일화하는 처리를 수행한다(S16).
그 다음에, 승산기(60)는 상기 감산기(50)를 통해 동일화 처리된 참조셀을 스케일 상수 발생기(70)로부터의 스케일 상수와 승산하여 출력한다(S17).
한편, 비교기(80)는 상기 S13 단계에서 평균화 처리된 복수개의 테스트셀을 상기 S17 단계에서 상기 승산기(60)를 통해 승산 처리된 참조셀과 각각 비교하게 된다(S18).
그 상태에서, 상기 비교기(80)는 데이터의 비교 동작을 통해 상기 테스트셀이 참조셀보다 데이터 값이 큰지를 판단하게 되는데(S19), 상기 테스트셀이 참조셀보다 크다고 판단하게 되면, 표적 데이터로 판정 처리하여(S20) 표적 레지스터(90)에 상기 테스트셀 데이터를 표적 데이터로서 저장한다(S21).
반면에, 상기 S19 단계의 판단 결과, 상기 테스트셀의 데이터 값이 참조셀보다 더 작은 값을 갖는다고 판단되면, 상기 테스트셀 데이터를 잡음으로 처리한다(S22).
한편, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에서는 테스트셀의 개수를 거리에 따라 각각 다르게 적용하여 근거리에만 국한되지 않고 거리와 무관하게 균일한 탐지 성능을 확보할 수 있도록 하는 것도 얼마든지 가능하다.
또한, 본 발명은 CA-CFAR, OS-CFAR 뿐만 아니라, 복합 기능을 갖거나 성능이 개선된 다양한 형태의 모든 CFAR에 적용이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10:레인지 데이터 수신부 20:레지스터
30:슬라이딩 윈도우 40:테스트셀 평균화기
42, 44:참조셀 평균화기 50:감산기
60:승산기 70:스케일 상수 발생기
80:비교기 90:표적 레지스터

Claims (5)

  1. 레이더 신호의 레인지 데이터(Range Data)가 입력되면, 레지스터가 거리를 인덱스로 하여 셀 데이터 형태로 데이터 위치를 정렬하는 제1단계;
    슬라이딩 윈도우(Sliding Window)가 상기 레지스터를 스캔하여 적어도 하나 이상의 테스트셀(Test Cell)을 지정하고, 적어도 하나 이상의 참조셀(Reference Cell)을 지정하는 제2단계;
    비교기가 상기 테스트셀과 상기 참조셀의 데이터 값을 각각 비교하는 제3단계; 및
    상기 비교기의 비교 결과에 따라 상기 참조셀보다 큰 데이터 값의 상기 테스트셀을 표적 데이터로 판정하고, 상기 참조셀보다 작은 데이터 값의 상기 테스트셀을 잡음으로 처리하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2단계는, 테스트셀 평균화기가 적어도 하나 이상의 상기 테스트셀을 평균화 처리하는 단계 및,
    참조셀 평균화기가 적어도 하나 이상의 상기 참조셀을 평균화 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2단계는, 상기 슬라이딩 윈도우가 적어도 하나 이상의 상기 테스트셀 이전 셀 범위의 셀 데이터를 제1참조셀로 지정하고, 적어도 하나 이상의 상기 테스트셀 이후 셀 범위의 셀 데이터를 제2참조셀로 지정하고,
    제1 및 제2참조셀 평균화기가 각기 담당하는 상기 제1참조셀 및 제2참조셀을 각각 평균화 처리하는 단계,
    감산기가 상기 제1참조셀과 제2참조셀을 감산하여 상기 적어도 하나 이상의 테스트셀 개수와 동일화 처리하는 단계 및,
    상기 동일화 처리된 참조셀에 스케일 상수를 적용하여 승산 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2단계에서, 상기 슬라이딩 윈도우는 상기 테스트셀의 개수를 "(거리분포 편차/거리 분해능)+1"에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2단계에서, 상기 거리 분해능은 "레이더 신호의 광속/2*주파수 대역폭"에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 레이더 신호의 표적 탐지 확률 증대 방법.
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