[논문]자율주행 무인차량용 레이더 신호처리부 개발 및 성능 분석

신승용; 최준혁; 박상현; 염동진; 김정렬

doi:10.9766/kimst.2013.16.4.514

자율주행 무인차량용 레이더 신호처리부 개발 및 성능 분석
Development and Performance Analysis of Radar Signal Processing for Autonomous Unmanned Ground Vehicle 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.16 no.4, 2013년, pp.514 - 522

신승용 (LIG넥스원 ISR 연구센터) , 최준혁 (LIG넥스원 ISR 연구센터) , 박상현 (국방과학연구소) , 염동진 (국방과학연구소) , 김정렬 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we present signal processing procedure and carry out performance analysis of FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) radar for Autonomous Unmanned Vehicle(AUV). In order to detect range profile and velocity of the unknown target, we must implement two step FFT(Fast Fourier Transform) procedure. And the DBF(Digital Beam Forming) algorithm has to be performed to obtain the angle information of the unknown target. To verify the performance of manufactured autonomous unmanned ground vehicle FMCW radar, we use the data of the real corner reflecter target.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

다음으로 본 논문에서 제시한 자율주행 무인차량용 레이더의 신호처리부의 성능을 검증하기 위해 이동표적(차량)에 대한 시험결과에 대해 나타낸다. Fig.
FMCW 레이더는 송신 신호와 수신 신호의 곱을 이용한 방식을 바탕으로 표적에 대한 정보를 획득한다. 따라서 본 절에서는 FMCW 레이더의 송신 신호와 수신 신호에 대해서 자세히 기술하도록 한다. FMCW 레이더의 송신 신호는 다음의 수식 (2)와 같이 표현한다.
본 논문에서는 자율주행 무인차량에서 미 확인된 표적에 대한 거리, 속도 및 방위각에 대한 정보를 효과적으로 추출하기 위한 FMCW 레이더의 신호처리 구조와 절차에 대해 기술하였다. 자율주행 무인차량용 FMCW 레이더에 대한 고정표적과 이동표적의 실제 시험을 통해 레이더 신호처리기에 대한 절차를 검증 하였고 성능을 입증하였다.
본 논문에서는 자율주행 무인차량용 FMCW 레이더의 디지털 신호 처리를 통해 정지 및 이동 표적을 탐지하여 표적 정보(거리, 속도, 방위각)를 추출하는 신호처리 절차를 소개하고 있다. 그리고 몬 논문에서 제안한 FMCW 레이더 신호처리 절차를 적용한 신호처리기를 제작하여 실제 시험을 통한 성능 분석에 대한 결과를 나타내었다.
본 절에서는 차량용 FMCW 레이더의 신호처리부에서 제안된 신호처리 절차를 이용하여 표적의 거리정보와 속도정보를 획득하기 위한 시험에 대해서 기술하였다. 자율주행 무인차량용 FMCW 레이더의 시험을 하기 위한 환경은 W밴드의 주파수에서 200 MHz의 대역폭을 가진다.

제안 방법

FMCW 레이더의 소형화 및 경량화를 위해서 레이더 송․수신기의 구조를 호모다인(homodyne) 구조로 설계하였다. 그러나 이렇게 레이더의 송․수신기를 호모다인 구조로 제작하면 레이더의 표적 반사 신호를 수신할 때 송신 신호가 수신 신호에 흘러 들어가는 누설(leakage) 현상이 발생한다.
10은 FMCW 레이더 수신 신호에 대한 클리핑과 Hanning 윈도우 함수를 적용하기 전과 후에 대한 ADC 로깅(logging) 데이터에 대한 결과를 나타내고 있다. 과도영역에 대한 클리핑 영역(clipping region) 을 ADC 로깅 데이터에 대해 30개의 셀에 대해서 클리핑하였다. 그리고 이러한 누설(leakage) 성분 및 과도현상에 의한 신호의 왜곡현상의 문제점을 해결하고 신호의 안정성을 확보하기 위해서 자율주행 차량용 레이더 수신 신호에 윈도우 함수를 적용하였다.
과도영역에 대한 클리핑 영역(clipping region) 을 ADC 로깅 데이터에 대해 30개의 셀에 대해서 클리핑하였다. 그리고 이러한 누설(leakage) 성분 및 과도현상에 의한 신호의 왜곡현상의 문제점을 해결하고 신호의 안정성을 확보하기 위해서 자율주행 차량용 레이더 수신 신호에 윈도우 함수를 적용하였다. 클리핑 및 HPF를 수행한 ADC 로깅 데이터에 대한 윈도는 Hanning 윈도우 함수를 적용하였다.
8은 실제 제작한 자율주행 무인차량용 FMCW 레이더 신호처리기 보드의 형상을 나타내고 있다. 레이더 수신부에서 신호를 수신하는 채널은 8개의 ADC (Analog-to-Digital Converter)로 구성하였다.
본 논문에서는 이러한 과도 영역에 의해 문제점을 해결하기 위해서 ADC 로깅 데이터의 과도 영역 (transient region)에 대해 클리핑(clipping)을 적용 하였다.
그러나 이렇게 레이더의 송․수신기를 호모다인 구조로 제작하면 레이더의 표적 반사 신호를 수신할 때 송신 신호가 수신 신호에 흘러 들어가는 누설(leakage) 현상이 발생한다. 이러한 호모다인 구조로 인한 누설 성분은 저주파 성분으로 본 논문에서는 호모다인 구조로 인한 누설 현상을 HPF(High Pass Filter)를 이용함으로서 해결하였다.
본 논문에서는 자율주행 무인차량에서 미 확인된 표적에 대한 거리, 속도 및 방위각에 대한 정보를 효과적으로 추출하기 위한 FMCW 레이더의 신호처리 구조와 절차에 대해 기술하였다. 자율주행 무인차량용 FMCW 레이더에 대한 고정표적과 이동표적의 실제 시험을 통해 레이더 신호처리기에 대한 절차를 검증 하였고 성능을 입증하였다.
자율주행 무인차량용 FMCW 레이더에서 표적에 대한 정보를 획득하기 위해서 본 논문에서 제작한 신호 처리기에서는 송신 신호와 수신 신호의 차이를 이용한 deramp 신호 처리 방식을 이용하였다. 이렇게 deramp 신호 처리 방식을 이용하면 Fig.
클리핑및 윈도우 함수 적용 전의 결과를 보면 1 m 근방의 신호는 송․수신기의 호모다인 구조에 의해 발생한 누설(leakage) 성분에 의해서 발생한 성분이다. 호모다인 구조에서 발생한 누설성분은 저주파 성분으로 HPF (High Pass Filter)를 이용하여 제거하였다. 따라서 본 레이더 시스템의 최소탐지 거리를 2 m로 설정하였다.

대상 데이터

17은 이동표적의 진행방향에 대한 디지털 빔 포밍(digital beamforming)의 결과를 나타낸다. 본 논문에서 제작한 신호처리기는 수신 채널이 8개의 ADC로 구성되어 있으며, 방위각 탐지 범위가 -30도에서 +30도 이다. 따라서 빔들간의 간격이 9도와 8도의 간격으로 각각 -30도, -21도, -13도, -4도, +4도, +13도, +21도, +30도에서 수신빔이 형성된다.

데이터처리

본 논문에서는 자율주행 무인차량용 FMCW 레이더의 디지털 신호 처리를 통해 정지 및 이동 표적을 탐지하여 표적 정보(거리, 속도, 방위각)를 추출하는 신호처리 절차를 소개하고 있다. 그리고 몬 논문에서 제안한 FMCW 레이더 신호처리 절차를 적용한 신호처리기를 제작하여 실제 시험을 통한 성능 분석에 대한 결과를 나타내었다.

이론/모형

FMCW 레이더의 신호처리에 대한 절차는 디지털 신호처리를 통해 정지 표적 및 이동 표적을 탐지하여 표적의 정보(거리, 속도, 방위각)를 추출하기 위해서 고속 퓨리에 변환 신호처리 알고리즘을 이용하였다.
그리고 이러한 누설(leakage) 성분 및 과도현상에 의한 신호의 왜곡현상의 문제점을 해결하고 신호의 안정성을 확보하기 위해서 자율주행 차량용 레이더 수신 신호에 윈도우 함수를 적용하였다. 클리핑 및 HPF를 수행한 ADC 로깅 데이터에 대한 윈도는 Hanning 윈도우 함수를 적용하였다. Fig.

성능/효과

앞부분의 신호는 송․수신기의 호모다인 구조에 의해 발생한 누설(leakage) 성분에 의해서 발생한 성분이다. 또한 그림의 결과를 보면 ADC로깅 데이터에 클리핑을 수행한 후 1차 FFT와 2차 FFT 신호처리 절차를 수행함에 있어서 Hanning 윈도우와 Chebyshev 윈도우 함수를 적용하여 표적에 대한 위치 및 속도 정보를 정확하게 획득할 수 있음을 확인할 수 있으며 영상의 퍼짐 현상도 해결할 수 있다.
여기서 표적과 누설성분을 제외한 다른 피크 값들은 실제 환경을 고려하여 야외에서 시험을 했기 때문에 클러터와 노이즈 성분이 시험데이터에 섞여서 나타난 현상이다. 또한 그림의 결과를 보면 윈도우 함수의 영향으로 부엽레벨이 낮아지고 신호가 안정화 되는 것을 확인할 수 있다.
15는 이동표적 차량에 대한 레이더의 신호처리 부에서 1차 FFT 신호처리를 수행한 결과를 보여주고 있으며, 표적이 20 m 근방에서 탐지되는 것을 확인할수 있다. 본 논문에서 제시한 신호처리 방법인 클리핑과 윈도우를 적용하여 호모다인구조에서 오는 누설성분이 확실히 제거됨을 볼 수 있다.여기서 표적과 누설 성분을 제외한 다른 피크 값들은 야외 시험환경에서 나타나는 클러터와 노이즈 성분이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인차량용 FMCW 레이더란?	무인차량용 FMCW 레이더는 선형적으로 주파수가 변조된 송신 신호와 표적에 의해서 반사된 수신 신호의 주파수 차이를 이용하여 표적의 거리, 속도 및 방위각 정보를 추출하는 방식이다[3～5].
	자율주행 무인차량이란 무엇인가?	자율주행 무인차량은 운전자의 조작 없이 스스로 주변의 외부환경을 인지하여 다른 차량이나 사람 등의 장애물을 감지하여, 장애물을 피해 자율적인 주행이 가능하도록 하는 차량을 말한다. 자율주행 무인차량의 장애물을 감지하기 위해 사용되는 FMCW 레이더는 외부환경의 영향을 받지 않고 장애물 표적의 거리 및 속도를 측정할 수 있는 장비로서 차량용 충돌 방지 시스템과 일반 표적 탐지 시스템에서 활용 된다[1,2].
	자율주행 무인차량의 충돌방지 시스템에 사용되는 각종 센서들이 갖는 제한점은 무엇이 있는가?	자율주행 무인차량의 충돌방지 시스템은 차량 근방에 존재하는 장애물을 인지하여 미연에 충돌을 방지하는 것을 목적으로 하고 있으며, 초음파 및 카메라 그리고 레이저 센서 등이 대표적인 충돌 방지 시스템으로 사용되고 있다. 초음파 센서는 공기에 의한 감쇄가 크고 직진성이 나빠서 표적을 탐지하는데 있어서 문제가 발생 할 수 있으며, 카메라는 야간이나 날씨의 영향을 많이 받는다. 또한 레이저 센서는 안개나 우천시 성능이 현저하게 떨어지고 다중 표적을 탐지하는데 있어서 어려움이 있다. 이에 반해서 FMCW 레이더는 날씨와 주․야 상관이 없이 표적을 탐지할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 차량용 충돌 방지 시스템에 사용되고 있다.

참고문헌 (6)

Rohling H., Meinecke M.,"Waveform Design Principles for Automotive Radar Systems", Radar, 2001 CIE International Conference on Proceedings, pp. 1-4 Oct., 2001.
W. Chang, L. Huan, L. Yubai, "A Practical FMCW Radar Signal Processing Method and Its System Implementation", in Int. Conf. ITS Telecomm., pp. 1195-1199, 2006.
Volker Winkler, "Range Doppler Detection for Automotive FMCW Radar", Proceedings of the 4th IEEE European Radar Conference, pp. 166-169, October, 2007.
신승용, 박상현, "차량용 FMCW 레이더 신호처리 개발", 한국통신학회 추계 마이크로파 및 전파학술 대회, p. 41, 2012년.
김민준, 천이환, 김주현, "Real FFT를 이용한 FMCW 레이더 신호처리", 한국해양 정보통신 학회논문지, 제11권 제12호, pp. 2227-2232, 2007년.
오우진, 이종훈, "차량용 FMCW 레이더 신호처리부 개발 및 주행시험", 한국해양 정보통신 학회논문지, 제14권 제7호, pp. 1565-1571, 2010년.

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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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