차량용 레이더(automotive radar)는 크기, 무게, 비용 등의 문제로 적은 수의 수신 채널을 가진 안테나를 사용한다. 이때, 스펙트럼 추정 기법 중 하나인 relaxation(RELAX) 기법을 이용하면, 표적의 방위각뿐만 아니라, 빔 내에 존재하는 표적의 개수 추정 또한, 가능하다. 하지만, 차량용 레이더의 적은 수신 채널 개수로 인하여, 정밀하지 않은 각도 영역에서의 스펙트럼 추정이 이루어지며, 이는 부정확한 방위각 추정 성능을 야기한다. 이를 개선하기 위해 본 논문에서는 minimum length description(MDL) 기준을 통한 표적 개수의 추정과 결부한 root-multiple signal classification(root-MUSIC) 기법을 이용하여 표적의 정확한 방위각을 추정하도록 제안한다. 시뮬레이션에서는 세 점 표적들이 안테나 빔 내에 존재할 때, 제안한 방법이 더 나은 방위각 추정 결과를 도출할 수 있음을 보인다.
차량용 레이더(automotive radar)는 크기, 무게, 비용 등의 문제로 적은 수의 수신 채널을 가진 안테나를 사용한다. 이때, 스펙트럼 추정 기법 중 하나인 relaxation(RELAX) 기법을 이용하면, 표적의 방위각뿐만 아니라, 빔 내에 존재하는 표적의 개수 추정 또한, 가능하다. 하지만, 차량용 레이더의 적은 수신 채널 개수로 인하여, 정밀하지 않은 각도 영역에서의 스펙트럼 추정이 이루어지며, 이는 부정확한 방위각 추정 성능을 야기한다. 이를 개선하기 위해 본 논문에서는 minimum length description(MDL) 기준을 통한 표적 개수의 추정과 결부한 root-multiple signal classification(root-MUSIC) 기법을 이용하여 표적의 정확한 방위각을 추정하도록 제안한다. 시뮬레이션에서는 세 점 표적들이 안테나 빔 내에 존재할 때, 제안한 방법이 더 나은 방위각 추정 결과를 도출할 수 있음을 보인다.
In order to satisfy several conditions with respect to size, weight, and costs, automotive radars use an antenna consisting of a small number of receiving channels. If RELAX technique is applied to the automotive radars, angles of targets located in antenna beam can be estimated as well as the numbe...
In order to satisfy several conditions with respect to size, weight, and costs, automotive radars use an antenna consisting of a small number of receiving channels. If RELAX technique is applied to the automotive radars, angles of targets located in antenna beam can be estimated as well as the number of the targets. However, a small number of receiving channels in the antenna leads to inaccurate spectral estimation in angle domain, which in turn degrades performance of RELAX technique. Therefore, in this study, root-MUSIC technique coupled with MDL criterion is introduced to decide accurate angles of targets in antenna beam. In simulations, we show superior performance of proposed scheme using simulation results when three point targets are located in antenna beam.
In order to satisfy several conditions with respect to size, weight, and costs, automotive radars use an antenna consisting of a small number of receiving channels. If RELAX technique is applied to the automotive radars, angles of targets located in antenna beam can be estimated as well as the number of the targets. However, a small number of receiving channels in the antenna leads to inaccurate spectral estimation in angle domain, which in turn degrades performance of RELAX technique. Therefore, in this study, root-MUSIC technique coupled with MDL criterion is introduced to decide accurate angles of targets in antenna beam. In simulations, we show superior performance of proposed scheme using simulation results when three point targets are located in antenna beam.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이러한 차량용 레이더를 이용해 주변 도로 상황을 탐지하려면 기본적으로 안테나 빔 내에 존재하는 모든 표적들에 대해 상대적인 거리 및 속도, 방위각을 측정할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 그 중 빔 내에 존재하는 다중표적의 방위각을 추정하는 데에 초점을 맞춘다.
본 논문에서는 표적의 정확한 방위각 추정 과정의 자세한 설명을 위하여 레이더가 선형 주파수 변조 파형(Linear Frequency Modulated Waveform: LFM waveform)을 송/수신할 경우를 가정하여 각 수신 채널에서 저장한 최종 신호를 모델링 한다. 그 후, 모델링한 신호를 RELAX 기법, MDL 기법, 그리고 root-MUSIC 기법에 적용하여 각 기법에 대해 논한다.
가설 설정
안테나 빔 내에는 세 표적이 존재하며, 각 표적은 점산란 원(point scatterer)으로 가정하였다. 표적 1, 표적 2, 표적 3의 RCS 크기는 각각 0.
우선, 그림 1과 같이 N개의 수신 채널로 이루어진 균일 선형 배열(Uniform Linear Array: ULA) 안테나를 사용하는 경우를 가정한다. 하나의 송신 채널에서는 LFM 파형을 송신하며, 각 수신 채널에서는 최종적으로 표적에 맞고 되돌아오는 LFM 파형에 대해 디램핑(deramping) 과정[8]을 거친 후의 신호를 저장한다.
제안 방법
본 논문에서는 표적의 정확한 방위각 추정 과정의 자세한 설명을 위하여 레이더가 선형 주파수 변조 파형(Linear Frequency Modulated Waveform: LFM waveform)을 송/수신할 경우를 가정하여 각 수신 채널에서 저장한 최종 신호를 모델링 한다. 그 후, 모델링한 신호를 RELAX 기법, MDL 기법, 그리고 root-MUSIC 기법에 적용하여 각 기법에 대해 논한다.
은 수신 채널의 공간 영역(spatial domain)과 표적이 존재하는 각도 영역(angular domain) 사이의 퓨리에(Fourier) 관계를 이용하여 각도 영역의 스펙트럼(spectrum)을 추정하는 퓨리에 기반 기법이다. 다시 말해, 수신 채널에서 얻은 신호들을 이용하여 퓨리에 변환(Fourier transform)을 수행하면 각도 영역에서의 스펙트럼을 얻을 수 있는데 이 때 RELAX 기법을 이용해 스펙트럼의 극값(pole)에 해당하는 신호 세기가 높은 순서부터 점상 분포 함수(Point Spread Function: PSF)를 재구성하여 원래의 스펙트럼을 예측한다. 이를 통해 표적의 방위각뿐만 아니라, 빔내에 존재하는 표적 개수 또한, 추정 가능한 장점이 존재한다.
본 연구의 시뮬레이션에서는 RELAX 기법의 방위각 추정 결과와 MDL 기준과 결부한 root-MUSIC 기법을 이용해 얻은 방위각 추정 결과의 비교를 위해 차량용 레이더에 장착한 안테나를 6개의 수신 채널로 이루어져 있는 ULA 안테나로 설정하였다. 사용하는 ULA 안테나의 수신 채널간의 간격은 λ로 동일하다.
그림 2와 같이, 초기에 표적 1, 표적 2, 표적 3의 중심은 직교 좌표계(cartesian coordinate) [x y z] 내에서 각각 [10 3 0] m, [20 0 0] m, [15 —3 0] m에 위치하며, 레이더는 직교 좌표계 중심에 위치한다. 이 때, 표적 2와 3을 고정시킨 채로 표적 1의 x방향으로의 위치를 10 m에서 30 m 까지 0.3 m의 간격으로 변화시킬 때마다 시뮬레이션을반복 수행하였다. 이를 통해, 빔 내에 존재하는 표적들의 배치가 변할 때마다 각 방위각 추정 기법의 성능을 비교할 수 있다.
이에 따라, 분해능이 좋지 않은 스펙트럼 및 PSF가 형성됨으로 인하여 정밀하지 않은 스펙트럼을 추정하며, 이는 부정확한 표적의 개수 및 방위각 추정을 야기한다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 MDL 기법을 이용하여 빔 내에 존재하는 표적의 개수를 추정한 후, 스펙트럼추정 기법 중 하나인 root-MUSIC 기법을 사용하여 표적의 방위각을 추정하는 방법을 제시한다.
이론/모형
본 논문에서 다루는 RELAX 기법은 1차원 RELAX 기법으로서, 앞서 구성한 식 (2)의 신호 행렬 S를 1차원 RELAX 기법에 적용하기 위해 아래와 같은 연산을 거친 후 N × 1 크기의 벡터 #를 형성한다.
이에 따라, 분해능이 좋지 않은 스펙트럼 및 PSF가 형성됨으로 인하여 정밀하지 않은 스펙트럼을 추정하며, 이는 RELAX 기법의 부정확한 표적의 개수 및 방위각 추정을 야기한다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 mi-nimum length description(MDL) 기준[7]을 이용하여 빔 내에 존재하는 표적의 개수를 추정한 후, 스펙트럼 추정 기법 중 하나인 root-multiple signal classification(root-MU-SIC) 기법[4]을 사용하여 표적의 방위각을 추정하는 방법을 제시한다.
성능/효과
그림 4(a)는 MDL 기준을 통한 표적의 개수 추정이 정확히 이루어졌음을 보여준다. 또한, 그림 4(b)의 root-MUSIC 기법의 방위각 추적 결과는 빔 내에 존재하는 모든 표적들에 대한 실제 방위각을 유사하게 나타내었으며, 결과적으로, MDL 기준과 결부한 root-MUSIC 기법은 RELAX 기법과 달리 전체적인 도로 상황의 탐지가 가능함을 알 수 있다.
본 논문에서는 적은 개수의 수신 채널로 이루어진 차량용 레이더에서 MDL 기준과 결부한 root-MUSIC 기법을 이용하여 빔 내의 존재하는 모든 표적에 대한 방위각 추정 시, RELAX 기법에 비해 더 우월한 방위각 추정 결과를 도출할 수 있음을 확인하였다. 향후 연구로는 표적의 개수를 달리 하거나, 잡음의 정도를 달리하는 등의 다양한 시뮬레이션 조건에서 각각의 알고리즘에 따른 방위각 추정 성능을 평가해야 할 것이다.
후속연구
본 논문에서는 적은 개수의 수신 채널로 이루어진 차량용 레이더에서 MDL 기준과 결부한 root-MUSIC 기법을 이용하여 빔 내의 존재하는 모든 표적에 대한 방위각 추정 시, RELAX 기법에 비해 더 우월한 방위각 추정 결과를 도출할 수 있음을 확인하였다. 향후 연구로는 표적의 개수를 달리 하거나, 잡음의 정도를 달리하는 등의 다양한 시뮬레이션 조건에서 각각의 알고리즘에 따른 방위각 추정 성능을 평가해야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
차량용 레이더의 안테나에 RELAX 기법을 이용하면 어떤 효과가 있는가?
차량용 레이더(automotive radar)는 크기, 무게, 비용 등의 문제로 적은 수의 수신 채널을 가진 안테나를 사용한다. 이때, 스펙트럼 추정 기법 중 하나인 relaxation(RELAX) 기법을 이용하면, 표적의 방위각뿐만 아니라, 빔 내에 존재하는 표적의 개수 추정 또한, 가능하다. 하지만, 차량용 레이더의 적은 수신 채널 개수로 인하여, 정밀하지 않은 각도 영역에서의 스펙트럼 추정이 이루어지며, 이는 부정확한 방위각 추정 성능을 야기한다.
대표적인 방위각 추정 기법에는 무엇이 있는가?
대표적인 방위각 추정 기법으로는 모노펄스 기법(mo-nopulse technique)[2]과 스펙트럼 추정 기법(spectral esti-mation technique)[3]～[6]이 존재한다. 그 중 모노펄스 기법은 표적마다의 정확한 방위각을 추출하기 위해 동일한 표적에 대한 수신 신호끼리 구분지어 해당하는 표적의방위각 추정을 수행하여야 하며, 이 과정에서 잘못된 구분으로 인해 부정확한 방위각 추정 결과를 야기할 수 있다.
차량용 레이더는 어떤 안테나를 사용하는가?
차량용 레이더(automotive radar)는 크기, 무게, 비용 등의 문제로 적은 수의 수신 채널을 가진 안테나를 사용한다. 이때, 스펙트럼 추정 기법 중 하나인 relaxation(RELAX) 기법을 이용하면, 표적의 방위각뿐만 아니라, 빔 내에 존재하는 표적의 개수 추정 또한, 가능하다.
참고문헌 (8)
H. Rohling, C. Moller, "Radar waveform for automotive radar systems and applications", Radar Conference 2008, pp. 1-4, May, 2008.
S. M. Sherman, Monopulse Principles Andtechniques, Dedham, MA: Artech House, 1994.
J. Li, P. Stoica, "Efficient mixed-spectrum estimation with applications to target feature extraction", IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 44, no. 2, 1996.
A. Vesa, "Direction of arrival estimation using MUSIC and root-MUSIC algorithm", In Proc., 18th Telecommunications Forum TELFOR 2010, pp. 582-585, Nov, 2010.
P. Stoica, R. Moses, Introduction to Spectral Analysis, Prentice Hall, Inc., New Jersey 07458.
조희진, 최각규, 한승구, 김경태, 송성찬, "RELAX 기법을 이용한 미사일의 길이 추정 신호 처리 기법 연구", 한국전자파학회논문집, 24(3), pp. 292-298, 2013.
M. Wax, I. Ziskind, "Detection of the number of coherent signals by the MDL principle", IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 37, no. 8, pp. 1190-1196, 1989.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.