본 논문은 투과성이 좋고 실내 환경에 강건하며, 수십 센티미터(cm) 급의 고정밀 측위가 가능하다는 점에서 주목 받고 있는 IR-UWB(Impulse-Radio Ultra Wideband) 레이더 시스템에서 신호의 특성을 이용한 적응형 다중 목표물 추정 알고리즘을 제안한다. 목표물에 의해 반사되는 신호는 Peak를 갖는 다는 특성으로 다중의 Peak를 추정하는 알고리즘을 제안하였다. 이러한 알고리즘의 성능을 확인하기 위해서 레이더 앞에 다중 목표물을 두고 기존의 기법과 다중 목표물 추정 알고리즘을 비교하였다. 하나의 송신 안테나와 수신안테나로 목표물들의 위치를 실시간으로 추정한다. 기존의 최고 신호 도출 방식에 비해 추정할 수 있는 수가 늘어나고 다중으로 목표물 도출이 가능하다. 기존의 기법은 하나의 목표물만 추정하다보니 평균 제곱 오차가 1이 나오는 반면 다중 목표물 추정 알고리즘은 약 0.05의 결과가 도출된다. 본 논문에서 제시한 기법은 하나의 IR-UWB모듈 환경에서 다중의 목표물을 추정 및 응용에 적용할 수 있을 것이라 기대된다.
본 논문은 투과성이 좋고 실내 환경에 강건하며, 수십 센티미터(cm) 급의 고정밀 측위가 가능하다는 점에서 주목 받고 있는 IR-UWB(Impulse-Radio Ultra Wideband) 레이더 시스템에서 신호의 특성을 이용한 적응형 다중 목표물 추정 알고리즘을 제안한다. 목표물에 의해 반사되는 신호는 Peak를 갖는 다는 특성으로 다중의 Peak를 추정하는 알고리즘을 제안하였다. 이러한 알고리즘의 성능을 확인하기 위해서 레이더 앞에 다중 목표물을 두고 기존의 기법과 다중 목표물 추정 알고리즘을 비교하였다. 하나의 송신 안테나와 수신안테나로 목표물들의 위치를 실시간으로 추정한다. 기존의 최고 신호 도출 방식에 비해 추정할 수 있는 수가 늘어나고 다중으로 목표물 도출이 가능하다. 기존의 기법은 하나의 목표물만 추정하다보니 평균 제곱 오차가 1이 나오는 반면 다중 목표물 추정 알고리즘은 약 0.05의 결과가 도출된다. 본 논문에서 제시한 기법은 하나의 IR-UWB 모듈 환경에서 다중의 목표물을 추정 및 응용에 적용할 수 있을 것이라 기대된다.
In this paper, we propose an adaptive multi-target estimation algorithm using the characteristics of signals in the IR-UWB(Impulse-Radio Ultra Wideband) radar system, which is attracting attention because it has good transparency, robustness to the indoor environment, and high precision positioning ...
In this paper, we propose an adaptive multi-target estimation algorithm using the characteristics of signals in the IR-UWB(Impulse-Radio Ultra Wideband) radar system, which is attracting attention because it has good transparency, robustness to the indoor environment, and high precision positioning of tens of centimeters. We proposed an algorithm that estimates multiple peaks with the characteristic that the signal reflected by the target has a peak. To verify the performance of these algorithms, multiple targets were placed in front of the radar and the existing technique and the multi - target estimation algorithm were compared. The location of the targets is estimated in real time with one transmitting antenna and one receiving antenna. The number of estimates can be increased compared with the existing peak signal derivation method, and multiple targets can be derived. The conventional technique estimates only one target, which results in a mean square error of 1 while a multi - target estimation algorithm yields a result of about 0.05. The proposed method is expected to be able to apply multiple targets to the estimation and application in one IR-UWB module environment.
In this paper, we propose an adaptive multi-target estimation algorithm using the characteristics of signals in the IR-UWB(Impulse-Radio Ultra Wideband) radar system, which is attracting attention because it has good transparency, robustness to the indoor environment, and high precision positioning of tens of centimeters. We proposed an algorithm that estimates multiple peaks with the characteristic that the signal reflected by the target has a peak. To verify the performance of these algorithms, multiple targets were placed in front of the radar and the existing technique and the multi - target estimation algorithm were compared. The location of the targets is estimated in real time with one transmitting antenna and one receiving antenna. The number of estimates can be increased compared with the existing peak signal derivation method, and multiple targets can be derived. The conventional technique estimates only one target, which results in a mean square error of 1 while a multi - target estimation algorithm yields a result of about 0.05. The proposed method is expected to be able to apply multiple targets to the estimation and application in one IR-UWB module environment.
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문제 정의
하지만 이러한 정밀한 무선 측위에도 불구하고 다수의 레이더가 아니면 다수의 목표물을 추정하기 어려운 점이 사실이다. 따라서 본 논문에서는 하나의 IR-UWB 레이더를 이용하여 목표물의 개수를 실시간으로 추정해내는 알고리즘을 제안한다. 목표물 반사 신호와 다중 목표물과의 양상을 관찰하여 그 상관관계를 이용해 알고리즘을 설계하고 성능을 제시한다.
본 논문에서는 IR-UWB로 다중 목표물의 추정에 대해 연구를 진행하고 IR-UWB 모듈 하나로 다중 목표물의 위치와 수 추정을 위한 알고리즘을 제시하였다. 기존의 최대값을 이용한 추정 방식은 단일 목표물을 추정할 수 있지만 다중의 목표물을 추정하기 어렵다.
보통은 기존 방식을 이용하여 목표물을 추정하고 다중의 모듈을 이용하여 여러 목표물을 추정하는 방식을 이용한다. 하지만 본 논문에서는 모듈 하나로 다중의 목표물을 추정하는 알고리즘에 대해 제시한다. 신호의 특성을 이용한 다중 목표물 추정 알고리즘으로 반사되는 신호는 Peak값을 가지고 있다는 점을 이용하여 다중의 목표물을 추정한다.
제안 방법
따라서 본 논문에서는 다중 목표물을 도출하기 위해 그림 8]과 같은 신호의 특성에 따른 다중 목표물 추정 알고리즘과 신호 처리 흐름도를 제안하고 도출된 결과를 분석한다. 제안하는 알고리즘의 흐름도는 [그림 9]과 같다.
하지만 이 알고리즘은 노이즈에 의한 목표물 추정이 힘들다. 따라서 본 논문에서는 제안하는 알고리즘에 CA-CFAR 알고리즘을 합쳐 보다 정확한 목표물 수 추정 알 고리즘을 제안한다. 실험 측정 1m 내에서 다중의 목표물을 설정하고 기존의 기법과 제안하는 알고리즘의 성능 차이를 보였다.
대상 데이터
본 논문의 목표는 다중 목표물 추정에 있으므로 신호 처리 과정은 [9][10][12]을 참고 하여 다중 목표물의 거리를 추정하였다. 실험을 측정하기 위해 Novalda사의 IR-UWB 모듈 하나를 사용하여 실험을 진행한다. 모듈의 Kit 이름은 NVA-R661이며 성능은 [표 1]에 제시되어 있다.
데이터처리
거리에 따라 신호의 감쇄를 보상 처리로 신호의 기준을 맞추는 신호 처리를 진행 한다. 또한 Cross-correlation 및 탐지 알고리즘 처리를 진행하고 결과를 도출한다. 도출 후 실시간 처리를 위해 수신부로 돌아가 이 과정을 반복한다.
이론/모형
본 논문의 목표는 다중 목표물 추정에 있으므로 신호 처리 과정은 [9][10][12]을 참고 하여 다중 목표물의 거리를 추정하였다. 실험을 측정하기 위해 Novalda사의 IR-UWB 모듈 하나를 사용하여 실험을 진행한다.
수신된 신호에서 배경 잡음 제거, 신호 감쇄 보상, Cross-correlation을 적용한다. 그 후 적용된 신호를 신호 포락선 처리한다.
처리된 신호로 펄스의 위치를 검출하는 데는 Cross-correlation을 필요로 하게 된다. 표적의 반사성분을 수신신호 r(t)와 송신펄스 s(t)의 Cross-correlation를 구하고 그 중에 최대값을 만족하는 성분을 표적의 반사성분으로 추정한다[11~12].
성능/효과
실험 측정 1m 내에서 다중의 목표물을 설정하고 기존의 기법과 제안하는 알고리즘의 성능 차이를 보였다. 기존의 기법은 한 목표물만 추정하는 반면 제안하는 알고리즘은 다중의 목표물을 정확하게 추정하는 것을 확인 할 수 있다. 기존의 기법은 하나의 목표물만 추정하다보니 평균 제곱 오차가 1이 나오는 반면 다중 목표물 추정 알고리즘은 약 0.
이는 문턱값을 설정하지 않고 도출하다보니 목표물의 수가 적고 신호가 적을 경우 정확하게 추정되지 않는 문제점이 있다. 다중 목표물 추정 알고리즘과 CFAR 알고리즘을 결합한 제시 방안은 목표물의 개수를 다른 알고리즘보다 정확하게 도출이 되었다. 이는 다중 목표물 추정 알고리즘에 문턱값을 정해줌으로서 노이즈 신호를 제거하고 목표물의 신호를 보 다 정확하게 도출한다
이는 모든 목표물이 1개로 추정되기 때문에 이러한 결과가 도출된다. 다중 목표물 추정 알고리즘은 목표 물이 0개 일때는 13.915의 큰 MSE를 갖지만 목표물이 2개 일때는 0.053의 작은 MSE가 도출되는 것을 확인 할 수 있다. 이는 문턱값을 설정하지 않고 도출하다보니 목표물의 수가 적고 신호가 적을 경우 정확하게 추정되지 않는 문제점이 있다.
다만 여러 물체만 인식할 뿐 정확하게 몇 개인지 도출하지 못하는 점이 보인다. 이를 해결하기 위해 문턱값을 CA-CFAR 기법을 통해 지정하고 그로 인해 제안한 기법을 적용한 결과 두 기법에 비해 정확한 성능의 결과[표 2]를 얻었다.
후속연구
본 논문에서 제시한 기법은 하나의 IR-UWB 모듈 환경에서 다중의 목표물을 추정 및 응용에 적용할 수 있을 것이라 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
포락선은 무엇인가?
단일 매개변수에 따라 정의된 곡선이 있을 때 모든 곡선에 접하는 곡선을 포락선이라 한다. 본 시스템에서 수신된 신호는 반사되는 물체에 따라 볼록한 형태로 나타난다.
IR-UWB 시스템이 정밀한 무선 측위가 가능한 이유는 무엇인가?
IR-UWB 시스템은 수백 Mhz~ 수 Ghz의 대역에 낮은 전력으로 초광대역 특성 및 간섭 특성을 갖고 높은 채널 용량과 다중 경로에 대한 세민한 분해가 용이해 오차가 수십 cm 이내의 정밀한 무선 측위가 가능하다[7]. 하지만 이러한 정밀한 무선 측위에도 불구하고 다수의 레이더가 아니면 다수의 목표물을 추정하기 어려운 점이 사실이다.
IR-UWB 레이더 기술은 대표적으로 어느 분야에서 연구되고 있는가?
특히 IR-UWB 레이더 기술은 위와 같은 특징들로 인해 다양한 분야에서 많은 연구가 진행되고 있다[2]. 대표적인 분야로 객체 위치 추정 및 측위[3][4], 사람 검출[5][6], 바이털 사인 모니터링[6] 등의 연구가 진행되고 있다.
참고문헌 (15)
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