차량용 레이더 시스템에 대한 수요가 증가함에 따라서, 상호 간섭 문제는 차량 안전을 보장하기 위해 해결해야 할 결정적인 이슈가 되었다. Frequency modulated continuous wave(FMCW) 레이더의 상호 간섭은 잡음 전력 증가의 형태로 나타나며, 이는 간섭체로 인한 타겟 검출의 실패로 이어진다. 기존의 FMCW 레이더의 주파수 추정을 위하여 사용되는 fast Fourier transform (FFT) 기법은 차량용 레이더 간섭 환경에서는 취약하다. 이러한 단점을 극복하기 위하여, 본 연구에서는 간섭환경에서 사용하기 위한 고해상도 주파수 추정 기법을 제안한다. 제안된 알고리즘의 성능을 입증하기 위하여, 77GHz 전방 감시용FMCW 레이더 시스템을 도입하였다. 제안된 기법은 간섭환경에서도 정확하게 주파수를 추정할 수 있는 multiple signal classification, estimation of signal parameters via rotational invariance techniques과 같은 고해상도 알고리즘을 이용한다. 실험결과로부터 제안된 알고리즘이 기존의 FFT 알고리즘에 비해 신호 대 간섭비 측면에서 14 dB 이상의 마진을 가짐을 확인하였다.
차량용 레이더 시스템에 대한 수요가 증가함에 따라서, 상호 간섭 문제는 차량 안전을 보장하기 위해 해결해야 할 결정적인 이슈가 되었다. Frequency modulated continuous wave(FMCW) 레이더의 상호 간섭은 잡음 전력 증가의 형태로 나타나며, 이는 간섭체로 인한 타겟 검출의 실패로 이어진다. 기존의 FMCW 레이더의 주파수 추정을 위하여 사용되는 fast Fourier transform (FFT) 기법은 차량용 레이더 간섭 환경에서는 취약하다. 이러한 단점을 극복하기 위하여, 본 연구에서는 간섭환경에서 사용하기 위한 고해상도 주파수 추정 기법을 제안한다. 제안된 알고리즘의 성능을 입증하기 위하여, 77GHz 전방 감시용FMCW 레이더 시스템을 도입하였다. 제안된 기법은 간섭환경에서도 정확하게 주파수를 추정할 수 있는 multiple signal classification, estimation of signal parameters via rotational invariance techniques과 같은 고해상도 알고리즘을 이용한다. 실험결과로부터 제안된 알고리즘이 기존의 FFT 알고리즘에 비해 신호 대 간섭비 측면에서 14 dB 이상의 마진을 가짐을 확인하였다.
With the increased demand for automotive radar systems, mutual interference between vehicles has become a crucial issue that must be resolved to ensure better automotive safety. Mutual interference between frequency modulated continuous waveform (FMCW) radar system appears in the form of increased n...
With the increased demand for automotive radar systems, mutual interference between vehicles has become a crucial issue that must be resolved to ensure better automotive safety. Mutual interference between frequency modulated continuous waveform (FMCW) radar system appears in the form of increased noise levels in the frequency domain and results in a failure to separate the target object from interferers. The traditional fast fourier transform (FFT) algorithm, which is used to estimate the beat frequency, is vulnerable in interference-limited automotive radar environments. In order to overcome this drawback, we propose a high-resolution frequency estimation technique for use in interference environments. To verify the performance of the proposed algorithms, a 77GHz FMCW radar system is considered. The proposed method employs a high-resolution algorithm, specially the multiple signal classification and estimation of signal parameters via rotational invariance techniques, which are able to estimate beat frequency accurately.
With the increased demand for automotive radar systems, mutual interference between vehicles has become a crucial issue that must be resolved to ensure better automotive safety. Mutual interference between frequency modulated continuous waveform (FMCW) radar system appears in the form of increased noise levels in the frequency domain and results in a failure to separate the target object from interferers. The traditional fast fourier transform (FFT) algorithm, which is used to estimate the beat frequency, is vulnerable in interference-limited automotive radar environments. In order to overcome this drawback, we propose a high-resolution frequency estimation technique for use in interference environments. To verify the performance of the proposed algorithms, a 77GHz FMCW radar system is considered. The proposed method employs a high-resolution algorithm, specially the multiple signal classification and estimation of signal parameters via rotational invariance techniques, which are able to estimate beat frequency accurately.
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문제 정의
기존의 FMCW 레이더 시스템이 이용하는 FFT 기법은 차량용 레이더의 간섭 환경에서 취약하다. 본 논문에서는 기존 시스템이 가지는 감지 성능의 한계를 정량적으로 분석하였다. 또한 부공간 기법 기반의 비트 주파수 추정 알고리즘을 제안하였다.
본 연구는 차량용 레이더 시스템에서 주파수 영역의 분석을 통한 고해상도 비트 주파수 추정 기법을 제안한다. 제안된 기법은 부공간 기법(subspace method)으로 알려진 multiple signal classification (MUSIC)[6]과 the estimation of signal parameters via rotational invariance techniques (ESPRIT)[7]의 주파수 영역에서의 응용기법에 기반한다.
따라서 증가된 잡음 전력이 포함된 주파수 영역의 신호를 정확하게 구분해 내는 추정 기법이 필요하다. 이에 간섭 상황에서도 고해상도로 비트 주파수를 추정 할 수 있는 알고리즘을 제안한다.
가설 설정
또한 출력 파워는 10 mW이며, 2048개의 FFT 포인트를 이용한다. 본 환경에서, 최대 동작 거리는 200m를 가정하였으며, 이에 대한 최대 왕복 지연 시간은 1.33이며, 최대 비트 주파수는 133 kHz이다.
제안 방법
5 dB의 신호 대 간섭비까지 감지 할 수 있다. Indirect 간섭 시나리오의 신호 대 간섭비의 분포가 31 dB까지임을 고려하면, 제안된 기법은 전방 타겟 차량의 위치에 상관없이 indirect 간섭에 대해 타겟을 검출할 수 있다. MUSIC과 ESPRIT은 거의 비슷한 감지 성능을 보여준다.
간섭 환경에서의 주파수 추정 성능을 정량적으로 평가하기 위하여, 타겟 감지 확률을 신호 대 간섭비 (SIR)에 대해서 분석하였다. SIR은 레이더와 타겟차량, 그리고 간섭차량의 거리를 이용하여 계산되었다.
본 논문에서는 기존 시스템이 가지는 감지 성능의 한계를 정량적으로 분석하였다. 또한 부공간 기법 기반의 비트 주파수 추정 알고리즘을 제안하였다. 차량용 레이더를 이용한 실험 결과로부터 기존 알고리즘 대비 14dB 이상의 신호대 간섭비 이득을 가짐을 확인하였다.
본 절에서는, 측정 실험 환경을 기술하고, 실험 결과로부터 제안된 기법을 기존의 FFT 알고리즘과 비교한다. 성능 입증을 위하여 그림 2의 간섭 시나리오에 서 실험을 수행하였다.
주파수 추정 성능을 정량적으로 평가하기 위하여, 신호 대 간섭비에 대한 추정 성능 확률을 비교하였다. 성능 평가 실험은 레이더로부터 타겟사이의 거리를 일정하게 유지하고 간섭 차량의 위치를 변화시켜 가면서 수행하였다. 각각의 위치에 대해서 1600개의 독립적인 주기를 측정하였으며, FBSS를 위한 subsample 개수는 100개를 이용하였다.
특히 MUSIC은 스펙트럼의 피크 추출 기법이 요구되는 반면, ESPRIT은 주파수 성분을 바로 계산하기 때문에 계산 량을 측면에서 효율적이다. 제안된 기법을 입증하기 위하여, 시험 필드에서 측정 실험을 수행하였다. 본 연구에서 이용된 측정 데이터는 77GHz 전방감시용 레이더를 이용하여 수집하였다.
주파수 추정 성능을 정량적으로 평가하기 위하여, 신호 대 간섭비에 대한 추정 성능 확률을 비교하였다. 성능 평가 실험은 레이더로부터 타겟사이의 거리를 일정하게 유지하고 간섭 차량의 위치를 변화시켜 가면서 수행하였다.
대상 데이터
성능 평가 실험은 레이더로부터 타겟사이의 거리를 일정하게 유지하고 간섭 차량의 위치를 변화시켜 가면서 수행하였다. 각각의 위치에 대해서 1600개의 독립적인 주기를 측정하였으며, FBSS를 위한 subsample 개수는 100개를 이용하였다. 그림 6에서 보여지는 것과 같이 100% 타겟 감지 확률을 기준으로 FFT 기법인 -17.
5 GHz 의 중심 주파수를 가지고, 500 MHz, 5 ms의 대역폭, 첩 주기를 가진다. 또한 출력 파워는 10 mW이며, 2048개의 FFT 포인트를 이용한다. 본 환경에서, 최대 동작 거리는 200m를 가정하였으며, 이에 대한 최대 왕복 지연 시간은 1.
본 실험에서 사용된 FMCW 레이더는 차량의 전면부에 부착하였다. 모든 실험은 오픈 스페이스에서 진행되었고, 10 dBsm의 radar cross section을 갖는 차량을 타겟으로 이용하였다. 실험에 사용된 FMCW 레이더의 파라미터는 76.
성능 입증을 위하여 그림 2의 간섭 시나리오에 서 실험을 수행하였다. 본 실험에서 사용된 FMCW 레이더는 차량의 전면부에 부착하였다. 모든 실험은 오픈 스페이스에서 진행되었고, 10 dBsm의 radar cross section을 갖는 차량을 타겟으로 이용하였다.
제안된 기법을 입증하기 위하여, 시험 필드에서 측정 실험을 수행하였다. 본 연구에서 이용된 측정 데이터는 77GHz 전방감시용 레이더를 이용하여 수집하였다. 측정 결과로부터 간섭 환경에서의 타겟 차량의 감지 성능을 상당히 개선하였음을 확인하였다.
모든 실험은 오픈 스페이스에서 진행되었고, 10 dBsm의 radar cross section을 갖는 차량을 타겟으로 이용하였다. 실험에 사용된 FMCW 레이더의 파라미터는 76.5 GHz 의 중심 주파수를 가지고, 500 MHz, 5 ms의 대역폭, 첩 주기를 가진다. 또한 출력 파워는 10 mW이며, 2048개의 FFT 포인트를 이용한다.
이론/모형
ESPRIT 알고리즘은 이산 시간 샘플간의 shift-invariance 특성을 이용하며, 이는 신호 부공간 행렬들 간의 invariance 특성으로 이어진다. 시간 영역 샘플들로부터 x1(n) = [x[n] x[n+1] ⋯ x[n+L-2]]T 와 x2(n) = [x[n+1] x[n+2] ⋯ x[n+L-1]]T와 같이 두 개의 부분집합으로 나누면 (L-1 > M), (8)의 # 으로부터 다음과 같이 표현 할 수 있다.
그림 2의 direct, indirect 간섭에 대해서, 각각 -31 dB, -63 dB의 SIR이 분포함을 확인하였다. FMCW 레이 더의 믹서 출력은 FFT, MUSIC, ESPRIT 알고리즘을 이용하여 평가되었다. 피크값 추출을 위해서는 ordered statistic CFAR 알고리즘을 적용하였고 false alarm rate는10-6으로 설정하였다.
이러한 고해상도 기법은 수신신호의 공분산 행렬의 고유값 분석을 수행함으로서 파라미터를 추정한다. 공분산 행렬을 효율적으로 추정하기 위해서 forward-backward spatial smoothing (FBSS)을 이용한다[8]. 주파수의 개수, 즉 타겟의 개수를 추정하기 위하여 minimum description length (MDL)을 이용한다[9].
샘플의 개수가 제한적이면 공분산 행렬의 개수가 매우 작으므로, 추정 성능의 열화를 가져온다. 이를 보완하기 위해서 다음과 같은 forward-backward spatial smoothing(FBSS) 기법을 사용한다[8] .
따라서 간섭 환경에서 타겟의 주파수를 정확하게 추정해 내는 것은 중요한 이슈이다. 전형적인 FMCW 레이더 시스템은 주파수 추정을 위하여 fast Fourier transform(FFT) 기법을 이용한다. 그러나 기존의 FFT 기법은 간섭환경에서 높은 확률로 타겟의 주파수 추정을 실패한다.
본 연구는 차량용 레이더 시스템에서 주파수 영역의 분석을 통한 고해상도 비트 주파수 추정 기법을 제안한다. 제안된 기법은 부공간 기법(subspace method)으로 알려진 multiple signal classification (MUSIC)[6]과 the estimation of signal parameters via rotational invariance techniques (ESPRIT)[7]의 주파수 영역에서의 응용기법에 기반한다. 이러한 고해상도 기법은 수신신호의 공분산 행렬의 고유값 분석을 수행함으로서 파라미터를 추정한다.
FMCW 레이 더의 믹서 출력은 FFT, MUSIC, ESPRIT 알고리즘을 이용하여 평가되었다. 피크값 추출을 위해서는 ordered statistic CFAR 알고리즘을 적용하였고 false alarm rate는10-6으로 설정하였다. CFAR 임계값 보다 큰 주파수 성분에 대해서는 타겟의 주파수로 결정된다.
성능/효과
한 조건에서 MUSIC에 대한 스펙트럼은 CFAR 임계값에 대한 뚜렷한 피크값을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 제안된 알고리즘은 FFT에 비해 우수한 주파수 추정 성능을 보여줌을 확인하였다.
제안된 기법은 indirect 간섭 시나리오에 대해서 타겟 위치에 관계없이 충분히 타겟을 감지 할 수 있으며, direct 간섭 시나리오에 대해서도 상당한 감지 성능의 개선을 보여준다. 이로부터 제안된 알고리즘이 차량용 레이더 간섭 환경에 잘 적용되었음을 입증하였다. 따라서 고해상도 주파수 추정 알고리즘은 간섭 완화 기법으로 충분히 이용할 수 있다.
주파수의 개수, 즉 타겟의 개수를 추정하기 위하여 minimum description length (MDL)을 이용한다[9]. 제안된 기법은 FFT 기법에 비해 주파수 해상도를 상당히 개선시킨다. 특히 MUSIC은 스펙트럼의 피크 추출 기법이 요구되는 반면, ESPRIT은 주파수 성분을 바로 계산하기 때문에 계산 량을 측면에서 효율적이다.
차량용 레이더를 이용한 실험 결과로부터 기존 알고리즘 대비 14dB 이상의 신호대 간섭비 이득을 가짐을 확인하였다. 제안된 기법은 indirect 간섭 시나리오에 대해서 타겟 위치에 관계없이 충분히 타겟을 감지 할 수 있으며, direct 간섭 시나리오에 대해서도 상당한 감지 성능의 개선을 보여준다. 이로부터 제안된 알고리즘이 차량용 레이더 간섭 환경에 잘 적용되었음을 입증하였다.
또한 부공간 기법 기반의 비트 주파수 추정 알고리즘을 제안하였다. 차량용 레이더를 이용한 실험 결과로부터 기존 알고리즘 대비 14dB 이상의 신호대 간섭비 이득을 가짐을 확인하였다. 제안된 기법은 indirect 간섭 시나리오에 대해서 타겟 위치에 관계없이 충분히 타겟을 감지 할 수 있으며, direct 간섭 시나리오에 대해서도 상당한 감지 성능의 개선을 보여준다.
본 연구에서 이용된 측정 데이터는 77GHz 전방감시용 레이더를 이용하여 수집하였다. 측정 결과로부터 간섭 환경에서의 타겟 차량의 감지 성능을 상당히 개선하였음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주행보조 시스템에 대한 기술 및 응용제품들의 예시는 무엇이 있는가?
차량 안전 및 편의에 대한 수요가 증가함에 따라, 주행보조 시스템에 대한 기술 및 응용제품들이 활발히 연구개발 중이다. 예를 들면, 스마트 크루즈 컨트롤, 긴급제동시스템, 차선유지보조시스템, 사각지대감 지시스템 등이 있다[1]. 이러한 기술들은 위험한 상황에서 운전자에게 경고를 줄 뿐만 아니라 필요에 따라서는 직접 브레이크를 조작한다.
fast Fourier transform의 단점은 무엇인가?
Frequency modulated continuous wave(FMCW) 레이더의 상호 간섭은 잡음 전력 증가의 형태로 나타나며, 이는 간섭체로 인한 타겟 검출의 실패로 이어진다. 기존의 FMCW 레이더의 주파수 추정을 위하여 사용되는 fast Fourier transform (FFT) 기법은 차량용 레이더 간섭 환경에서는 취약하다. 이러한 단점을 극복하기 위하여, 본 연구에서는 간섭환경에서 사용하기 위한 고해상도 주파수 추정 기법을 제안한다.
fast Fourier transform의 단점을 극복하기 위해서 어떤 방법이 제안되는가?
기존의 FMCW 레이더의 주파수 추정을 위하여 사용되는 fast Fourier transform (FFT) 기법은 차량용 레이더 간섭 환경에서는 취약하다. 이러한 단점을 극복하기 위하여, 본 연구에서는 간섭환경에서 사용하기 위한 고해상도 주파수 추정 기법을 제안한다. 제안된 알고리즘의 성능을 입증하기 위하여, 77GHz 전방 감시용FMCW 레이더 시스템을 도입하였다.
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