[논문]도래각 추정 성능 향상을 위한 배열 안테나 보정 기법

송희망; 조성훈; 이재은; 정성희; 신현출

doi:10.5370/kiee.2015.64.5.786

도래각 추정 성능 향상을 위한 배열 안테나 보정 기법
Antenna Array Compensation for Improved DOA Estimation 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.64 no.5, 2015년, pp.786 - 791

송희망 (Dept. of Electronic Engineering, Soongsil University) , 조성훈 (Dept. of Electronic Engineering, Soongsil University) , 이재은 (Mando) , 정성희 (Mando) , 신현출 (Dept. of Electronic Engineering, Soongsil University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a signal processing method for calibrating an antenna array to solve the inaccuracy of Direction of Arrival(DOA). Using reference data quantifying amplitude and phase distortion levels for each angles, we compensate each radar array’s amplitude and phase distortion. The proposed method is applied to the Bartlett, Capon and MUSIC algorithms, Using 77 GHz Frequency Modulated Continuous Wave(FMCW) Long Range Radar(LRR) signal, we experimentally demonstrate the performance improvement after the proposed compensation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근 자동차 기술에 있어서 핵심은 ‘안전 운행’ 이다. 기상 조건이나 운전자의 부주의, 운행 중의 돌발 상황 등으로부터 사고를 방지하기 위한 목적이다. 이를 위해 다양한 센서 기술들이 존재하나, 이 중 레이더 센서는 시계 확보나 기상 조건 등에 대한 영향을 가장 적게 받아 설치 비율이 꾸준히 증가하고 있다[1-3].
본 논문에서는 amplitude와 phase의 response를 이용하여 각도 추정의 부정확성의 문제를 해결하고자 한다. 기존의 방법은 채널별 amplitude와 phase의 mismatch 문제만을 해결하였다.

제안 방법

기존의 방법은 채널별 amplitude와 phase의 mismatch 문제만을 해결하였다. 그러나 본 논문에서 제안하는 방법은 각도별 amplitude와 phase의 왜곡 정도를 수치화한 reference 데이터를 이용한 신호처리를 통해 채널별 amplitude와 phase의 mismatch 뿐만 아니라 sensor position error, signal pointing error, mutual coupling 문제를 동시에 처리하였다. 제안하는 배열 안테나 보정 기법의 성능을 Bartlett, Capon, MUSIC 알고리즘에 적용하여 도래각 추정의 정확성 향상을 확인하였다.
그러나 본 논문에서 제안하는 방법은 각도별 amplitude와 phase의 왜곡 정도를 수치화한 reference 데이터를 이용한 신호처리를 통해 채널별 amplitude와 phase의 mismatch 뿐만 아니라 sensor position error, signal pointing error, mutual coupling 문제를 동시에 처리하였다. 제안하는 배열 안테나 보정 기법의 성능을 Bartlett, Capon, MUSIC 알고리즘에 적용하여 도래각 추정의 정확성 향상을 확인하였다.

대상 데이터

신호에 사용된 데이터는 77 GHz Frequency Modulated Continuous Wave(FMCW) Long Range Radar(LRR) 신호를 입력 신호로 사용하였고, reference 데이터는 챔버에서 미리 확보된 데이터를 이용하였으며 MATLAB으로 시뮬레이션 하였다.

이론/모형

Capon 알고리즘은 입력 신호의 공분산 행렬의 역행렬을 이용한다. Bartlett, MUSIC에서 사용하는 입력 신호를 똑같이 사용하게 되면 공분산 행렬의 rank가 1이 되어 역행렬을 구하지 못하게 된다.
Bartlett, MUSIC에서 사용하는 입력 신호를 똑같이 사용하게 되면 공분산 행렬의 rank가 1이 되어 역행렬을 구하지 못하게 된다. 따라서 입력 신호의 k개의 샘플을 얻어 Capon 알고리즘을 적용하였다. 샘플 수 k=21에 대해서 시뮬레이션 하였다.
디지털 빔형성 방식은 수신단의 배열 안테나를 이용하여 수행하게 되는데[4], 배열 안테나 신호 처리 기법은 접근 방법에 따라 spectral 알고리즘과 parametric 알고리즘으로 나눠지게 된다. 본 논문에서는 공간 스펙트럼에 기반을 두는 spectral 알고리즘을 이용한다. Spectral 알고리즘은 최대점을 탐색하는 방법에 따라 빔형성 알고리즘[5]과 부공간 알고리즘으로 구분된다.

성능/효과

표 1은 –11°∼0°의 실제 각을 변경해가며 보정 전과 보정 후의 결과를 보여준다. Bartlett과 MUSIC 알고리즘은 모든 각도에 대해서 보정 후 실제 도래각과 일치하여 보정 효과가 있음을 볼 수 있다. Capon 알고리즘은 실제 각 0°에 대해서는 보정 후 –1°로 잘못 추정하는 부분이 있으나 전체적으로 보정 효과가 있음을 볼 수 있다.
5° 정도의 실제 도래각과 차이가 있는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 배열 안테나 보정을 통해 실제 도래각으로 보정되는 결과를 확인할 수 있었다.
실험 결과 보정 전에는 실제 도래각과 일치하는 경우도 있지만 대부분의 값에서 0.5°에서 1.5° 정도의 실제 도래각과 차이가 있는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 배열 안테나 보정을 통해 실제 도래각으로 보정되는 결과를 확인할 수 있었다.

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