[논문]무인 차량 탑재형 전방 관측 영상 레이다 가능성 연구

선선구; 조병래; 박규철; 남상호

doi:10.5515/kjkiees.2010.21.11.1285

무인 차량 탑재형 전방 관측 영상 레이다 가능성 연구
Feasibility Study of Forward-Looking Imaging Radar Applicable to an Unmanned Ground Vehicle 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.21 no.11 = no.162, 2010년, pp.1285 - 1294

선선구 (국방과학연구소) , 조병래 (국방과학연구소) , 박규철 (국방과학연구소) , 남상호 (삼성탈레스)

초록
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무인 차량의 야지 자율 주행을 위한 목적으로 수풀 뒤쪽에 가려져 있는 장애물을 탐지하고 회피하기 위해 수풀을 투과하여 차량의 전방을 고해상도로 영상화 할 수 있는 근거리 초광대역 영상 레이다를 설계한다. 광대역 특성에 적합하고 배열 구성이 용이한 소형 평판형 비발디 안테나를 설계하고 방사 패턴 및 정재파비를 측정한다. 영상의 거리 해상도를 기준으로 대역폭을 분석하고, 방위각 해상도를 기준으로 수신용 배열 안테나를 설계한다. 수신용 배열 안테나의 간격과 영상 해상도 및 표적의 신호 중첩 관계를 분석한다. 수풀로 부터 반사되는 신호를 수신하기 위해 회로망 분석기를 이용하여 계단 주파수 파형을 사용하는 합성 개구면 레이다를 구성한다. 제안한 방법은 수풀에서 코너 반사기를 위치시키고 이것의 반사 신호를 영상화함으로써 수풀의 투과 특성 및 레이다 영상의 해상도를 분석하여 무인 차량에 적용가능성을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study describes the design and verification of short range UWB(Ultra Wideband) imaging radar that is able to display high resolution radar image for front area of a UGV(Unmanned Ground Vehicle). This radar can help a UGV to navigate autonomously as it detects and avoids obstacles through foliage. We describe the relationship between bandwidth of transmitting signal and range resolution. A vivaldi antenna is designed and it's radiation pattern and reflection are measured. It is easy to make array antenna because of small size and thin shape. Aperture size of receiving array antenna is determined by azimuth resolution of radar image. The relation of interval of receiving antenna array, image resolution and aliasing of target on a radar image is analyzed. A vector network analyzer is used to obtain the reflected signal and corner reflectors as targets are positioned at grass field. Applicability of the proposed radar to UGV is proved by analysis of image resolution and penetrating capability for grass in the experiment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 위에서 설명한 무인 차량의 야지 자율 주행을 위해 사용될 수 있고, 수풀 투과가 가능한 바이 스태틱(bi-static) 전방 관측 영상 레이다를 설계한다. 먼저 소형의 무인 차량에 장착 가능한 레이다의 시스템 설계 요구 조건을 도출하고, 이것으로 부터 레이다의 형상 설계 및 영상 해상도와의 관계, 주파수 대역별 감쇄 데이터 분석, 송신기 위치에 따른 영상 해상도, 안테나 설계, 수신 안테나 배열의 크기 및 안테나 간 간격에 따른 해상도를 시뮬레이션 및 실측 데이터를 통해 분석한다.
이 논문에서는 무인 차량의 전방에 장착하여 야지 자율 주행에 사용될 수 있는 전방 관측용 초광대역 합성 개구 레이다의 시스템 설계 및 실험에 대해 기술하였다. 레이다 센서의 경우 주파수의 특성에 따라 물질을 투과하는 특성이 달라지므로 야지에 존재하는 수풀을 투과할 수 있는 레이다를 장착할 경우 CCD 센서, IR 센서 및 LADAR(Laser Radar) 센서가 갖지 못하는 장점을 가지고 있어 무인 차량의 자율 주행에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.

가설 설정

이 레이다는 무인 차량의 전방에 장착하여 운행하여야 하므로 수신 안테나의 높이는 1.3 m 미만으로 정하였다. 수풀 투과 특성을 고려하여 주파수 대역을 정하였으며, 고해상도 영상 획득을 위하여 광대역의 주파수 대역폭을 정하였다.

제안 방법

수풀의 투과 특성을 파악하기 위해 중심 주파수에 따른 신호의 감쇄 특성을 측정하였으며, 이를 바탕으로 레이다의 중심 주파수를 2～5 GHz 대역으로 정하였다. 광대역에 적합한 비발디 안테나를 개발하고, 회로망 분석기를 이용하여 계단형 주파수를 사용하는 레이다를 구현하였다. 송신과 수신 안테나가 분리되어 있는 bi-static 레이다로 구성하고, 수신 안테나를 스캔하여 합성 개구 레이다를 구성하여 레이다 영상을 생성하였다.
레이다 설계를 위해 국내 수풀 지역에서의 마이크로파의 감쇄량을 그림 1과 같이 시스템을 구성하여 측정하였다. 총 6회에 걸쳐서 3개의 다른 장소에 대해 여름 및 가을철에 측정한 감쇄량의 평균 및 편차는 그림 2와 같다.
본 논문에서는 위에서 설명한 무인 차량의 야지 자율 주행을 위해 사용될 수 있고, 수풀 투과가 가능한 바이 스태틱(bi-static) 전방 관측 영상 레이다를 설계한다. 먼저 소형의 무인 차량에 장착 가능한 레이다의 시스템 설계 요구 조건을 도출하고, 이것으로 부터 레이다의 형상 설계 및 영상 해상도와의 관계, 주파수 대역별 감쇄 데이터 분석, 송신기 위치에 따른 영상 해상도, 안테나 설계, 수신 안테나 배열의 크기 및 안테나 간 간격에 따른 해상도를 시뮬레이션 및 실측 데이터를 통해 분석한다. 설계된 비발디 안테나를 제작하고 제작한 안테나와 회로망 분석기를 사용하여 계단 주파수를 송신하는 레이다를 구현한다.
먼저 소형의 무인 차량에 장착 가능한 레이다의 시스템 설계 요구 조건을 도출하고, 이것으로 부터 레이다의 형상 설계 및 영상 해상도와의 관계, 주파수 대역별 감쇄 데이터 분석, 송신기 위치에 따른 영상 해상도, 안테나 설계, 수신 안테나 배열의 크기 및 안테나 간 간격에 따른 해상도를 시뮬레이션 및 실측 데이터를 통해 분석한다. 설계된 비발디 안테나를 제작하고 제작한 안테나와 회로망 분석기를 사용하여 계단 주파수를 송신하는 레이다를 구현한다. 코너 반사기를 표적으로 사용하여 이것을 수풀 뒤에 위치시키고 제안한 방법의 레이다를 사용하여 광대역 신호를 획득하여 제안한 레이다의 효용성을 입증한다.
제안한 레이다의 수풀 투과 능력 및 수풀 뒤의 표적에 대한 영상화 가능성을 입증하기 위해 풀이 많이 자란 운동장에서 그림 6(a)의 장치를 이용하여 시험을 하였다. 송신 주파수는 2～4 GHz, 4～6 GHz, 6～8 GHz, 8～10 GHz의 4 가지 경우에 대해 측정하였다. 합성 개구면 구성을 위한 수신 안테나 배열의 크기는 방위각 해상도가 약 4.
광대역에 적합한 비발디 안테나를 개발하고, 회로망 분석기를 이용하여 계단형 주파수를 사용하는 레이다를 구현하였다. 송신과 수신 안테나가 분리되어 있는 bi-static 레이다로 구성하고, 수신 안테나를 스캔하여 합성 개구 레이다를 구성하여 레이다 영상을 생성하였다. 운동장에서 코너 반사기를 표적으로 하여 합성 개구면 영상을 만들어 거리 해상도 및 방위각 해상도를 입증하였고, 수풀에 가려진 코너 반사기 영상을 생성해 봄으로써 유효성을 입증하였다.
3 m 미만으로 정하였다. 수풀 투과 특성을 고려하여 주파수 대역을 정하였으며, 고해상도 영상 획득을 위하여 광대역의 주파수 대역폭을 정하였다. 방위각 해상도 향상을 위하여 송신 안테나를 좌, 우 양쪽에 배치하였다[8].
레이다 센서의 경우 주파수의 특성에 따라 물질을 투과하는 특성이 달라지므로 야지에 존재하는 수풀을 투과할 수 있는 레이다를 장착할 경우 CCD 센서, IR 센서 및 LADAR(Laser Radar) 센서가 갖지 못하는 장점을 가지고 있어 무인 차량의 자율 주행에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다. 수풀의 투과 특성을 파악하기 위해 중심 주파수에 따른 신호의 감쇄 특성을 측정하였으며, 이를 바탕으로 레이다의 중심 주파수를 2～5 GHz 대역으로 정하였다. 광대역에 적합한 비발디 안테나를 개발하고, 회로망 분석기를 이용하여 계단형 주파수를 사용하는 레이다를 구현하였다.
그림 2의 그래프에서 가로축은 주파수를 나타내고 세로축은 한 방향(one way) 감쇄량을 나타낸다. 안테나는 광대역 비발디 안테나를 사용하였고, 측정 장비로 회로망 분석기를 사용하였다. 안테나의 편파는 수직 편파를 사용하였고, 안테나의 거리는 10 m이었다.
송신과 수신 안테나가 분리되어 있는 bi-static 레이다로 구성하고, 수신 안테나를 스캔하여 합성 개구 레이다를 구성하여 레이다 영상을 생성하였다. 운동장에서 코너 반사기를 표적으로 하여 합성 개구면 영상을 만들어 거리 해상도 및 방위각 해상도를 입증하였고, 수풀에 가려진 코너 반사기 영상을 생성해 봄으로써 유효성을 입증하였다.
초광대역 안테나 형태에는 혼 안테나를 비롯한 여러 가지 형태가 있으나, TSA(Tapered Slot Antenna)에 속하는 비발디 안테나는 광대역 특성과 비교적 높은 지향성, 그리고 평판형으로써 초박형, 소형, 경량 특성을 갖는다. 제안한 시스템에 적용할 수 있는 적절한 안테나의 결정 인자로는 정재파비로 표시되는 정합 조건(넓은 임피던스 대역폭), 안테나 효율, 송신기로 부터 파형의 왜곡 없이 전달하기 위한 복사 패턴, 복사 패턴에 의해서 나타나는 주파수 독립인 주빔(mainlobe) 특성, 안테나 전달 함수로 표현되는 군 지연(group delay) 및 이득 평탄도(gain flatness) 등이 있다.
제안한 안테나는 2～5 GHz의 동작 주파수 대역, 2:1의 정재파비, 70° 이상의 방위각 빔 폭, 50° 이상의 고각 빔 폭 및 5 dBi의 이득을 갖도록 설계하였다.
코너 반사기를 전방 7 m 위치에 1개를 두고, 그것의 좌, 우측에 약 25° 각도로 1개씩 두어 총 3개의 코너 반사기를 점 표적으로 사용하였다.
앞에서 언급한 시스템의 구현 가능성을 확인하기 위하여 그림 5와 같이 시스템을 구성하였다. 회로망 분석기를 통해 송신, 수신하였으며, 그림 3(a)의 비발디 안테나를 송, 수신 안테나로 사용하였다. 송신 안테나는 수신 안테나 배열의 좌, 우에 설치하였다.

대상 데이터

시험에 사용한 회로망 분석기의 송신 주파수는 3～5 GHz이며, 계단 주파수 구성을 위한 주파수 측정 개수는 801개이었다. 점 표적으로 높이가 20 cm인 코너 반사기를 사용하였다.
안테나는 광대역 비발디 안테나를 사용하였고, 측정 장비로 회로망 분석기를 사용하였다. 안테나의 편파는 수직 편파를 사용하였고, 안테나의 거리는 10 m이었다. 1～5 GHz까지 측정한 감쇄량 측정 시험에서 그림 2에서 알 수 있는 바와 같이 5 GHz의 감쇄량은 한 방향 기준으로 최대 30 dB 수준이었다.
시험에 사용한 회로망 분석기의 송신 주파수는 3～5 GHz이며, 계단 주파수 구성을 위한 주파수 측정 개수는 801개이었다. 점 표적으로 높이가 20 cm인 코너 반사기를 사용하였다. 코너 반사기를 전방 7 m 위치에 1개를 두고, 그것의 좌, 우측에 약 25° 각도로 1개씩 두어 총 3개의 코너 반사기를 점 표적으로 사용하였다.

이론/모형

이 가운데 back projection 방법은 구현이 간단하고 직접적인 방법인 반면에 알고리즘 수행시간이 많이 걸리는 단점이 있다. 그러나, 이 연구에서는 실시간 수행 능력을 배제한 레이다 구현 가능성을 확인하는 것이므로 back projection 방법을 사용한다. 합성 개구 레이다 개념에서 레이다와 표적 간의 시선 각도는 그림 4와 같이 시간에 따라 변하고, 레이다는 수신 신호의 시이퀀스를 수집하여 영상 정보를 생성한다.
코너 반사기를 전방 7 m 위치에 1개를 두고, 그것의 좌, 우측에 약 25° 각도로 1개씩 두어 총 3개의 코너 반사기를 점 표적으로 사용하였다. 레이다 영상 신호 처리는 위에서 설명한 back projection 방법을 사용하였다.

성능/효과

2 m의 코너 반사기는 풀 뒤에 숨겨놓았다. 그림 10(b)와 (c)는 각각 2～4 GHz, 6～8 GHz 주파수를 사용하였을 경우의 레이다 영상이며, 예측한 대로 2～4 GHz 주파수를 사용한 경우가 수풀 투과력이 가장 좋았으며, 6～8 GHz, 8～10 GHz일 때 획득된 영상에서 수풀 뒤의 코너 반사기나 7 m 이상의 표적을 찾을 수 없었고, 단지 4.3 m의 개방된 코너 반사기 만을 영상화 할 수 있었다. 이 시험은 회로망 분석기를 사용하여 수풀 투과 전방 관측 영상 레이다의 가능성을 확인할 수 있는 시험으로 수풀 투과를 위해서는 적어도 중심 주파수가 5 GHz 보다는 낮아야 한다는 것을 알 수 있었다.
제안한 안테나는 2～5 GHz의 동작 주파수 대역, 2:1의 정재파비, 70° 이상의 방위각 빔 폭, 50° 이상의 고각 빔 폭 및 5 dBi의 이득을 갖도록 설계하였다. 설계한 내용을 토대로 안테나를 제작하고, 위에서 기술한 요구 조건들을 측정하여 이를 만족함을 확인하였다. 그림 3의 (a)는 제작한 초광대역 안테나의 형상을 나타내고 있다.
3 m의 개방된 코너 반사기 만을 영상화 할 수 있었다. 이 시험은 회로망 분석기를 사용하여 수풀 투과 전방 관측 영상 레이다의 가능성을 확인할 수 있는 시험으로 수풀 투과를 위해서는 적어도 중심 주파수가 5 GHz 보다는 낮아야 한다는 것을 알 수 있었다.
그림 3의 (a)는 제작한 초광대역 안테나의 형상을 나타내고 있다. 제작한 안테나에 대한 정재파 측정 결과 2～5 GHz 주파수에서 2:1 이하로 안정된 반사 특성을 가짐을 알 수 있었다.
그림 8(a)는 안테나 간격이 8 cm일 경우이고, (b)는 안테나 간격이 16 cm일 경우이다. 중심 표적에 대해서는 유사 개구면 크기(1.36 m 및 1.28 m) 내에서 모두 유사한 방위각 및 거리 해상도가 나타났다. 하지만 예상대로 중심 표적에 대해서 grating lobe가 발생한 것을 확인할 수 있었다.
설계된 비발디 안테나를 제작하고 제작한 안테나와 회로망 분석기를 사용하여 계단 주파수를 송신하는 레이다를 구현한다. 코너 반사기를 표적으로 사용하여 이것을 수풀 뒤에 위치시키고 제안한 방법의 레이다를 사용하여 광대역 신호를 획득하여 제안한 레이다의 효용성을 입증한다. Ⅱ장에서는 무인 차량의 자율 주행에 적합한 수준의 레이다 시스템 요구 조건 및 시스템 설계 파라메타에 대해 분석하여 전방 관측 영상 레이다 설계에 대해 기술하고, Ⅲ장에서는 수풀에서의 데이터 획득 및 영상화 실험 및 분석에 대해 기술하며, Ⅳ장에서 결론을 맺는다.

후속연구

향후 과제로는 이 논문의 내용을 바탕으로 2～5 GHz 대역의 중심 주파수를 사용하는 레이다의 송, 수신기를 제작하고, 편파에 따른 수풀 투과 특성을 시험을 통해 입증할 예정이다. 또한, 영상 레이다에서 고각 정보를 획득할 수 있는 방법으로 확장하여 3차원 영상 레이다를 개발할 예정이다.
이 논문에서는 무인 차량의 전방에 장착하여 야지 자율 주행에 사용될 수 있는 전방 관측용 초광대역 합성 개구 레이다의 시스템 설계 및 실험에 대해 기술하였다. 레이다 센서의 경우 주파수의 특성에 따라 물질을 투과하는 특성이 달라지므로 야지에 존재하는 수풀을 투과할 수 있는 레이다를 장착할 경우 CCD 센서, IR 센서 및 LADAR(Laser Radar) 센서가 갖지 못하는 장점을 가지고 있어 무인 차량의 자율 주행에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다. 수풀의 투과 특성을 파악하기 위해 중심 주파수에 따른 신호의 감쇄 특성을 측정하였으며, 이를 바탕으로 레이다의 중심 주파수를 2～5 GHz 대역으로 정하였다.
향후 과제로는 이 논문의 내용을 바탕으로 2～5 GHz 대역의 중심 주파수를 사용하는 레이다의 송, 수신기를 제작하고, 편파에 따른 수풀 투과 특성을 시험을 통해 입증할 예정이다. 또한, 영상 레이다에서 고각 정보를 획득할 수 있는 방법으로 확장하여 3차원 영상 레이다를 개발할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다른 센서 대비 레이다의 장점은?	무인 차량이 야지 자율 주행을 할 때 차량의 전방 및 주변에 대한 지형 정보, 즉 장애물, 웅덩이 및 바위와 같은 지형의 만곡에 대한 정보 획득을 위해서 영상 센서, 적외선 센서, 레이저 레이다 센서 및 영상 레이다가 복합적으로 사용될 수 있다. 레이다는 다른 센서와 달리 주파수 선택에 따라 수풀을 투과할 수 있는 능력을 가질 수 있어 다른 센서들의 단점을 보완할 수 있는 장점이 있다.
	수풀을 투과할 수 있는 능력을 영상화하고 정밀한 거리 해상도 및 방위각 해상도를 얻기 위해서는 어떤 레이다를 설계해야하는가?	마이크로파를 이용하여 수풀을 투과하여 수풀 뒤에 있는 물체를 영상화하기 위해서는 S 밴드(2～4 GHz) 이하 대역의 저주파 신호를 이용하고 정밀한 거리 해상도 및 방위각 해상도를 얻기 위해서는 배열형 수신 안테나를 장착하여 광대역 영상 레이다를 설계해야 한다[7],[8].
	레이다의 활용 분야는?	레이다는 군사용 목적으로 발명된 이래 장거리 표적의 탐지 및 추적용 레이다 위주로 발전하고 있으나, 현재에는 합성 개구면 영상 레이다, 민수 분야에서의 차량 충돌 방지 레이다 및 의료용 바이오 영상 레이다 및 무인 차량의 장애물 회피용 영상 레이다 분야에 이르기까지 그 사용이 널리 확대되고 있는 추세이다. 무인 차량이 야지 자율 주행을 할 때 차량의 전방 및 주변에 대한 지형 정보, 즉 장애물, 웅덩이 및 바위와 같은 지형의 만곡에 대한 정보 획득을 위해서 영상 센서, 적외선 센서, 레이저 레이다 센서 및 영상 레이다가 복합적으로 사용될 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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