[논문]유속 측정 레이다에서의 도플러 주파수 추정에 관한 연구

이종길

doi:10.6109/jkiice.2013.17.7.1551

유속 측정 레이다에서의 도플러 주파수 추정에 관한 연구
A Study on Estimation of Doppler Frequency in a Current Velocity Measurement Radar 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.17 no.7, 2013년, pp.1551 - 1557

이종길 (Department of Information and Telecommunication Engineering, Incheon National University)

초록
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수자원 관리를 위하여 활용되고 있는 레이다 센서는 도플러 주파수를 추정함으로서 표면 유속을 측정한다. 따라서 도플러 주파수 추정치에서의 높은 신뢰성 및 정확도가 요구된다. 그러나 유속 관련 도플러 스펙트럼은 측정 환경 및 기상 상태에 따라 매우 다양한 형태를 나타낼 수 있다. 따라서 현재 레이다 센서에서 사용되는 기존의 유속정보 추출 알고리즘의 정확도 및 신뢰성에 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 기존의 방법을 개선할 수 있는 도플러 스펙트럼 첨두치 주파수 추정에 의한 유속 정보 추출 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 기존 방법에 비하여 더 정확한 유속의 측정이 가능함을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

A current velocity measurement radar estimates Doppler frequencies to extract the corresponding surface velocity information. Therefore, it is required to maintain the high degree of reliability and accuracy of Doppler frequency estimates. However, Doppler spectra of water surface return echoes can have very widely varying shapes according to measurement environments and weather conditions. Therefore, serious problems may arise in maintaining the reliability and accuracy of conventional velocity estimating algorithm in a radar sensor. Therefore, in this paper, a newly suggested algorithm is proposed for improvement using estimation of peak Doppler frequencies. The proposed method shows that the more accurate velocity measurement can be possible comparing with the conventional one.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 이러한 측정환경의 변화에 무관하게 표면 유속 정보를 정확하고 지속적으로 측정하게 위해서는 기존 유속 추정방법의 개선이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 이러한 기존의 도플러 주파수 추정방법의 한계점을 극복하기 위하여 반사파 도플러 스펙트럼내의 정현파 분석을 통한 스펙트럼 피크 치 추정에 의한 유속 측정 방법을 제안하였다.
이러한 경우 식(3)에서의 유속 추정 값은 실제 유속 값과는 상당한 오차를 보일 수 있다. 따라서 이러한 기존의 방법을 개선하기 위하여 수신 도플러 스펙트럼의 첨두치들을 추정함으로서 유속을 측정하는 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 유속 측정을 위한 개선된 도플러 주파수 추정 방법을 제안하였다. 유속 레이다에 실제로 수신되는 신호들과 거의 유사한 다양한 모의 도플러 스펙트럼 신호들을 이용하여 그 성능을 비교, 검증하였다.
이제 브래그 파에 의하여 형성되는 두 개의 스펙트럼에 대한 전력 값이 서로 다르게 나타나거나 편이 되는 경우를 살펴보았다. 먼저 표면파에 의하여 형성되는 두 개의 도플러 스펙트럼 전력 값이 서로 상이하게 나타나는 경우를 그림 3에 표시하였다.

가설 설정

그림 2는 표면파의 분산정도가 매우 커서 상당부분이 서로 중첩되면서 두 개의 도플러 스펙트럼 첨두치를 볼 수 없는 경우를 나타낸다. SNR은 15dB 로 표면유속은 0.75m/sec 로 가정하였으며 표면파의 분산에 의한 표준편차를 나타내는 각각의 대칭형 모델에서의 대응되는 스펙트럼 폭은 0.3 m/sec 로 하였다. 그림 2에서 볼 수 있는 것처럼 유속에 의하여 도플러 천이된 표면파에 의한 첨두치가 각각 0.
23) m/sec 에 해당하는 도플러 주파수에서 다소 분산된 형태의 두 개의 스펙트럼 라인이 나타나게 될 것이다. 레이다 동작 주파수는 24GHz ISM 대역의 중심주파수인 24.125 GHz 를 사용하는 것으로 가정하였다. 그림 1에서의 모의 신호는 레이다 조향 각도에 의한 수면 입사각을 60도로 SNR 값을 15dB 로 설정하였으며 스펙트럼의 전력의 크기가 같은 두 개의 대칭적인 스펙트럼 모델을 이용하였다.
먼저 유속이 -1.62 m/sec 이며 수면에서의 브래그 공진에 의하여 일어나는 표면파의 위상속도를 0.23 m/sec 정도로 가정하여 브래그 스펙트럼의 분산이 비교적 크게 형성되는 경우를 고찰하여 보았다. 이러한 경우 그림 1에서 보는 바와 같이 (-1.

제안 방법

수면으로부터 수신되는 도플러 스펙트럼은 기상환경, 또는 레이다 센서의 운용 환경에 따라 다양한 형태를 보일 수는 있으나 표면 유속 측정을 위해서는 첨두치가 나타나는 주파수, 즉 복소 정현파의 수 M을 2 개로 하는 것이 가장 적절하다. 따라서 본 논문에서 제안한 방법은 EV 방법을 적용하여 두 개의 정현파에 대응하는 첨두치 도플러 주파수를 추정하고 첨두치 값의 크기 여부에 상관없이 두 개의 도플러 주파수들의 평균값으로 유속 정보를 추출하는 것이다.
따라서 본 논문에서는 두 개의 첨두치를 갖는 수표면 반사 도플러 스펙트럼에서의 도플러 주파수, 즉 유속을 추정하기 위하여 하모닉 신호에서의 고유 벡터를 이용한 스펙트럼 추정방식의 하나인 EV(eigenvector) 방법 주 고유벡터(principal eigenvectors)를 갖는 자기 상관 함수에서의 p-M 개의 잡음 부 공간 고유벡터들(noise subspace eigenvectors)은 정현파 신호벡터와 직을 적용하였다[9]. 따라서 M 개의 복소 정현파 신호가 존재하는 경우라면 p 개의 고유벡터(eigenvectors) 및 M 개의교(orthogonal)한다.
따라서 이러한 다양한 형태의 도플러 스펙트럼 모의 신호들을 이용하여 유속 측정을 위하여 제안된 방법의 성능 정도를 기존의 방법과 비교, 분석하였다.
우선 제안된 방법을 더 정확하고 효율적으로 검증하기 위하여 매우 다양한 환경에서 발생할 수 있는 여러 가지 스펙트럼 모델들을 이용하여 모의신호들을 발생시켰다. 이렇게 얻어진 다양한 모의신호들을 이용하여 제안된 방법을 적용하여 각각의 유속추정 결과 값들을 구하였으며 그 값들을 기존의 방법에 의한 추정 값들과 비교하고 분석하였다.
본 논문에서는 유속 측정을 위한 개선된 도플러 주파수 추정 방법을 제안하였다. 유속 레이다에 실제로 수신되는 신호들과 거의 유사한 다양한 모의 도플러 스펙트럼 신호들을 이용하여 그 성능을 비교, 검증하였다. 결과분석에서 언급한 바와 같이 기존의 추정 방법보다는 거의 모든 경우에서 훨씬 향상된 결과를 보여준다.
이러한 시간영역에서 나타나는 도플러 주파수를 추정하기 위해서 일반적으로 푸리어 변환을 통한 도플러 필터 뱅크를 구현하여 수신 스펙트럼을 얻게 된다. 이렇게 얻어진 도플러 스펙트럼을 이용하여 수 표면유속정보의 추출 및 수면에서의 와류 현상이나 교란 정도(turbulence) 등에 대한 정보를 얻기 위하여 평균도플러 주파수 및 스펙트럼의 분산 정도 등을 추정하게 된다. 이러한 평균 도플러 주파수나 분산의 추정은 도플러 필터뱅크 구현을 위한 푸리어 변환 과정을 거치지 않고도 시간 영 역에서의 I, Q 신호의 자기상관 함수(autocorrelation)를 이용하여 추정할 수도 있다.

데이터처리

우선 제안된 방법을 더 정확하고 효율적으로 검증하기 위하여 매우 다양한 환경에서 발생할 수 있는 여러 가지 스펙트럼 모델들을 이용하여 모의신호들을 발생시켰다. 이렇게 얻어진 다양한 모의신호들을 이용하여 제안된 방법을 적용하여 각각의 유속추정 결과 값들을 구하였으며 그 값들을 기존의 방법에 의한 추정 값들과 비교하고 분석하였다.

이론/모형

수신 신호의 주파수 영역 스펙트럼 추정을 위해서는 앞에서 기술한 바와 같이 푸리어 변환을 하기 위하여 DFT 방법을 적용한다. 일반적으로 계산량 측면에서 훨씬 효율적인 FFT(Fast Fourier Transform) 기법이 주로 사용되고 있다.

성능/효과

유속 레이다에 실제로 수신되는 신호들과 거의 유사한 다양한 모의 도플러 스펙트럼 신호들을 이용하여 그 성능을 비교, 검증하였다. 결과분석에서 언급한 바와 같이 기존의 추정 방법보다는 거의 모든 경우에서 훨씬 향상된 결과를 보여준다. 특히 스펙트럼 분산이 크게 발생하거나 편향성, 또는 전력비가 다른 도플러 스펙트럼들이 발생하는 경우 기존의 방법에서는 심각한 추정오차가 발생할 수 있으나 제안된 방법을 적용할 경우 비교적 신뢰성 있는 유속 도플러 주파수 추정이 가능하였다.
3 m/sec 로 하였다. 그림 2에서 볼 수 있는 것처럼 유속에 의하여 도플러 천이된 표면파에 의한 첨두치가 각각 0.52 m/sec 및 0.98 m/sec 에 대응되는 도플러 주파수에서 나타나야 하지만 표면파의 매우 큰 분산으로 인하여 FFT 스펙트럼에서 두 개의 첨두치를 구별하는 것이 매우 어렵다는 것을 확인할 수 있다.
그림 4에서 볼 수 있는 것처럼 좌측으로 더 크게 분산되어 나타나는 오른쪽 도플러 스펙트럼으로 인하여 전체적인 도플러 스펙트럼의 모양이 상당히 왜곡되어 나타나게 되는 것을 알 수 있다. 이러한 경우 기존 방법에 의한 유속 도플러 주파수 추정치는 158.71 Hz 로 나타나며 제안된 방법에 의한 도플러 주파수 추정치는 170.50 Hz 를 얻을 수 있다. 유속에 대응하는 도플러 주파수의 참값이 173.
85 Hz 로 표시된다. 제안된 방법을 적용하면 그림 1에 다이아몬드로 표시된 2개의 첨두치 추정 도플러 주파수의 평균 값인 -223.49 Hz 를 얻게 된다. 표면 유속에 대응하는 도플러 주파수의 참값이 -224.
그러나 제안된 방법의 경우는 상대적으로 오차가 작게 나타나 신뢰만한 측정치를 보여준다고 할 수 있다. 즉, 수신 도플러 스펙트럼에서 상대적인 첨두치 전력 값의 차이나 분산 또는 편이 현상에 의하여 다양한 형태의 스펙트럼이 나타날 수 있지만 제안된 방법을 활용하면 전력이 강하게 나타나는 순으로 두 개의 첨두치 도플러 주파수만을 추정함으로서 유속정보 추출에서의 정확도를 개선할 수 있음을 확인하였다.
결과분석에서 언급한 바와 같이 기존의 추정 방법보다는 거의 모든 경우에서 훨씬 향상된 결과를 보여준다. 특히 스펙트럼 분산이 크게 발생하거나 편향성, 또는 전력비가 다른 도플러 스펙트럼들이 발생하는 경우 기존의 방법에서는 심각한 추정오차가 발생할 수 있으나 제안된 방법을 적용할 경우 비교적 신뢰성 있는 유속 도플러 주파수 추정이 가능하였다. 따라서 향후 본 논문에서 제안한 방법을 적용한다면 더 신뢰성 있고 안정적인 유속 도플러 주파수 추정치를 획득할 수 있을 것이며 이에 따라 표면 유속 측정 레이다에서의 정확도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
49 Hz 를 얻게 된다. 표면 유속에 대응하는 도플러 주파수의 참값이 -224.47 Hz 이므로 제안된 방법을 이용하면 거의 정확한 도플러 추정치를 얻을 수 있다. 그러나 기존의 방법에 의해서는 무시할 수 없을 정도의 상당한 오차가 발생할 수 있음을 보여준다.

후속연구

특히 스펙트럼 분산이 크게 발생하거나 편향성, 또는 전력비가 다른 도플러 스펙트럼들이 발생하는 경우 기존의 방법에서는 심각한 추정오차가 발생할 수 있으나 제안된 방법을 적용할 경우 비교적 신뢰성 있는 유속 도플러 주파수 추정이 가능하였다. 따라서 향후 본 논문에서 제안한 방법을 적용한다면 더 신뢰성 있고 안정적인 유속 도플러 주파수 추정치를 획득할 수 있을 것이며 이에 따라 표면 유속 측정 레이다에서의 정확도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
전자파를 이용한 레이다 시스템은 최근에 와서 자동차 및 산업용 센서로서의 활용성이 커지고 있으며 이외에도 다양한 응용분야에서의 연구가 진행되고 있다 [1-2]. 앞으로도 더 많은 민수분야에서의 연구 개발이 이루어질 것으로 기대된다. 이러한 레이다 센서는 수자원 관리용으로도 그 중요성이 부각되고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자파를 이용한 레이다 시스템의 최근 활용은?	전자파를 이용한 레이다 시스템은 최근에 와서 자동차 및 산업용 센서로서의 활용성이 커지고 있으며 이외에도 다양한 응용분야에서의 연구가 진행되고 있다 [1-2]. 앞으로도 더 많은 민수분야에서의 연구 개발이 이루어질 것으로 기대된다.
	수자원 관리를 위한 유속측정에 기존의 방법을 이용할 때 필요한 것은?	이러한 레이다 센서는 수자원 관리용으로도 그 중요성이 부각되고 있다. 수자원 관리를 위하여 기존의 방법으로 하천 및 강의 유속을 측정하는 것은 많은 인력과 비용 및 시간이 필요하다. 따라서 오래전부터 하천 또는 강바닥에 초음파 센서를 설치함으로서 정기적인 유속 측정을 가능하게 하는 방법을 모색하여 왔다[3].
	수표면 속도 측정에 레이다 센서를 사용하면 생기는 이점은?	따라서 강, 하천 등의 수표면 속도 측정을 할 수 있는 레이다 센서에 관련된 연구가 이루어지고 있다. 이러한 레이다는 손상 및 장애 등이 발생할 가능성이 매우 낮으며 정기적인 점검 및 정비 등이 훨씬 용이하다. 실제로 레이다로 측정한 결과들은 기존의 측정 결과 치들과 비교하여 볼 때 높은 신뢰성을 보이고 있다[4].

참고문헌 (11)

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M. Kaveh and A. J. Barabell, "The statistical performance of the MUSIC and the minimum-norm algorithms for resolving plane waves in noise," IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Process., vol. 34, pp. 331-341, 1986.

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저자의 다른 논문 :

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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