[논문]차량용 펄스 레이더에서 간섭영향에 대한 검출기의 성능 분석

이종훈; 고석준

doi:10.14372/iemek.2019.14.1.11

차량용 펄스 레이더에서 간섭영향에 대한 검출기의 성능 분석
Performance Analysis of Detector in Automobile Pulse Radar with Considering Interference 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.14 no.1, 2019년, pp.11 - 18

이종훈 (Daegu Gyeonbuk Institute of Science & Technology) , 고석준 (Jeju National Nubiversity)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we consider interferences from other automobile pulse radars using same frequency spectrum. In order to eliminate the interference, we propose the PN code modulation method. This method uses the cross-correlation between PN codes with different seed. The ROC performance is used for comparing the proposed detector to conventional method. And the proposed detector can decide the present or absent of targets and measure the range of the targets by using memory buffer of range gate. Especially, we use false alarm probability for all range gates. That is the false alarm if in any one range gate the false alarm occurs. From the simulation result, we can see that the proposed detector with using PN code is not influenced by interferences.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 차량용 펄스 레이더 송신기 구조 Fig. 1 Transmitter of automobile pulse Radar
그림 그림 2. 다른 레이더에서 발생된 3개의 간섭신호 Fig. 2 Interference signals from other 3 other radars
그림 그림 3. 차량용 펄스 레이더의 수신기 구조 Fig. 3 Receiver of automobile pulse Radar
그림 그림 4. 검출기 구조 Fig. 4 Structure of detector
그림 그림 5. 기존 방식에서 SNR에 따른 ROC 성능 Fig. 5 ROC for various SNR in conventional method
그림 그림 6. 제안하는 방식에서 SNR에 따른 ROC 성능 Fig. 6 ROC for various SNR in proposed method
표 표 1. 시뮬레이션 파라메타 Table 1. Parameters of computer simulation
그림 그림 7. SNR=-18dB에서 간섭신호의 진폭에 따른기존방식에서의 ROC성능 Fig. 7 At SNR=-18dB, ROC for various interference’s amplitude in conventional method
그림 그림 9. 간섭신호와 SNR에 따른 제안하는 방식에서의 ROC성능 Fig. 9 ROC for various interference and SNR in proposed method
그림 그림 8. SNR=-18dB에서 간섭신호 수와 진폭에 따른 기존방식에서의 ROC성능 Fig. 8 At SNR=-18dB, ROC for various interference’s number in conventional method
그림 그림 10. 간섭환경에서 SNR에 따른 제안하는 방식과 기존방식의 ROC성능 Fig. 10 ROC for interference and various SNR in proposed and conventional method

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 간섭 신호에 대한 검출기의 성능 열화에 대한 분석을 제시하였다. 제안하는 방식은 레이더 송신기에서 펄스를 생성할 때 PN 코드를 이용하여 가우시안 펄스를 변조하였다.
이러한 다른 차량의 간섭문제는 자율주행자동차를 구현함에 있어서 안정성 확보에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 본 논문에서는 간섭에 영향을 받지 않는 검출기 알고리즘과 이러한 간섭 신호에 대한 검출기의 성능 열화에 대한 분석을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 기존 문헌에서 사용하였던 방식과 다르게 모든 거리 게이트를 고려하여 성능을 제시하고자 한다. 검출기의 성능은 모든 거리 게이트들에 대해 임계치와 비교하여 목표물의 유무를 판단하는 것이다.

가설 설정

본 논문에서 ADC의 샘플링 타임은 T_s=8ns, 펄스폭 T_p=2ns이며, 지연기는 D=2ns로 사용한다. 따라서 그림 3에서 최종 샘플링 타임은 펄스당 한 샘플이 되도록 하였으며, 샘플링된 값은 가우시안 펄스의 피크지점에서 샘플링이 이루어졌다고 가정하였다. n-번째 T_PRI내의 k-번째 T_p에서 샘플되었다고 한다면, t=nT_PRI+kT_p에서 수신신호는 다음과 같다.
또한, TPRI는 펄스반복주기, we는 반송파의 각주파수, ψ0는 반송파의 초기 위상으로 수식을 간략화 하기 위해 본 논문에서는 “0”으로 가정한다.
우선, 수신기에서 가우시안 펄스에 대한 샘플링은 피크지점에서 이루어졌다고 가정하였다. 또한, 수신신호의 위상은 고정값을 사용하였으며, 이동체를 고려하지 않아 도플러 효과는 존재하지 않다고 가정하였다.
본 논문에서 사용된 파라메타들은 표1에 나타냈다. 우선, 수신기에서 가우시안 펄스에 대한 샘플링은 피크지점에서 이루어졌다고 가정하였다. 또한, 수신신호의 위상은 고정값을 사용하였으며, 이동체를 고려하지 않아 도플러 효과는 존재하지 않다고 가정하였다.

제안 방법

또한, 검출기는 단순히 목표물의 유무만을 판단하는 것이 아니라 메모리 버퍼를 사용하여 모든 거리 게이트 (range gate)에 대해 판단하므로 특정 위치에서의 신호 검출은 거리를 가리키게 된다. 기존에는 오류검출확률을 특정 거리 게이트만을 고려하지만 본 논문에서는 모든 거리 게이트를 검토한다. 따라서 목표물이 존재하지 않은 경우에 어느 거리 게이트에서라도 신호가 검출되면 오류검출로 판단하도록 하였다.
기존에는 오류검출확률을 특정 거리 게이트만을 고려하지만 본 논문에서는 모든 거리 게이트를 검토한다. 따라서 목표물이 존재하지 않은 경우에 어느 거리 게이트에서라도 신호가 검출되면 오류검출로 판단하도록 하였다.
레이더는 일정 시간 간격으로 펄스를 전파하여 목표물의 유무를 판단하고 거리를 측정한다. 레이더 송신기는 그림 1에서처럼 일정 시간 간격을 생성하는 PRF 생성기 (Pulse Repetition Interval Generator)를 이용하여 T_PRI 간격으로 가우시안 펄스 생성기 (Gaussian Pulse Generator)로 트리거 (trigger)신호를 보낸다 [6].
이와 같은 구조는 하드웨어적으로 고속의 ADC에 대한 부담을 줄이기 위한 방법으로 고안한 것으로 성능에는 영향이 없다. 본 논문에서 ADC의 샘플링 타임은 T_s=8ns, 펄스폭 T_p=2ns이며, 지연기는 D=2ns로 사용한다. 따라서 그림 3에서 최종 샘플링 타임은 펄스당 한 샘플이 되도록 하였으며, 샘플링된 값은 가우시안 펄스의 피크지점에서 샘플링이 이루어졌다고 가정하였다.
본 논문에서 제안하는 방식은 레이더 송신기에서 펄스를 생성할 때 PN (Pseudo Noise) 코드를 이용하여 가우시안 펄스를 변조하는 것이다. 기존방식에서는 펄스 반복 구간마다 펄스를 변형 없이 보내지만, 본 논문에서는 PN 코드로 변조하므로 수신기에서 PN 코드의 상관성을 이용하여 다른 레이더에서 송신되어 수신되는 신호들은 거의 사라지게된다.
그림 5는 SNR에 따른 ROC로 오류검출확률에 대한 검출확률을 나타낸다. 본 논문에서는 10-3이하의 오류검출확률과 동시에 0.99이상의 검출확률을 을 얻기 위해 필요한 임계값과 SNR을 확인할 수 있는 ROC를 사용하였다. 동기 누적횟수는 N_C=512이며, 비동기 누적횟수는 N_NC=10을 사용하였다.
기저대역 신호는 가우시안 펄스 형태로 매우 짧은 펄스폭을 갖고 있으므로, 디지털 데이터로 변환하는 과정에서 고속의 ADC가 필요하게 된다. 본 논문에서는 시간 지연기를 이용하여 저속의 ADC 4개를 병렬로 연결된 구조로 변경하였다. 이와 같은 구조는 하드웨어적으로 고속의 ADC에 대한 부담을 줄이기 위한 방법으로 고안한 것으로 성능에는 영향이 없다.
레이더 수신기에 있는 검출기의 성능을 분석하기 위하여 ROC를 사용하였다. 오류검출확률은 목표물이 존재하지 않은 경우에 어느 위치 거리 게이트에서라도 신호가 검출되면 오류검출로 판단하도록 하였다. 시뮬레이션을 통해 얻은 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
본 논문에서는 간섭 신호에 대한 검출기의 성능 열화에 대한 분석을 제시하였다. 제안하는 방식은 레이더 송신기에서 펄스를 생성할 때 PN 코드를 이용하여 가우시안 펄스를 변조하였다. 수신기에서는 PN 코드의 상관성을 이용하여 다른 레이더에서 송신되어 수신되는 간섭신호들은 영향을 주지 않는다.

이론/모형

레이더 수신기에 있는 검출기의 성능을 분석하기 위하여 ROC (receiver operating characterist-ic)를 사용하였다. ROC 곡선 (수신자 조작 특성 곡선)은 모든 분류 임계값에서 분류 모델의 성능을 보여주는 그래프이다.
레이더 수신기에 있는 검출기의 성능을 분석하기 위하여 ROC를 사용하였다. 오류검출확률은 목표물이 존재하지 않은 경우에 어느 위치 거리 게이트에서라도 신호가 검출되면 오류검출로 판단하도록 하였다.
여기서 다른 레이더들도 다른 seed 값을 사용하여 PN 코드로 변조된다. 변조방식은 대표적인 BPSK (Binary Phase Shift Keying)방식을 사용하였다.

성능/효과

그림 10은 간섭 신호의 크기가 원신호에 비해 2배인 경우의 기존 방식과 제안하는 방식에서의 ROC성능이다. 결과적으로 기존 방식에서는 간섭 신호가 존재하는 경우에는 99%이상 간섭 신호를 원신호로 오인함을 알 수 있다. 즉, 거의 모든 임계치에 상관없이 P_fa=0.
첫째, SNR이 낮은 경우는 다른 거리 게이트들에서 발생하는 오류검출확률로 인해 ROC 성능이 나빠진다. 둘째, 기존 방식에서도 간섭신호의 진폭과 원하는 신호간의 비율이 1:1보다 커지면 성능에 크게 영향을 준다. 마지막으로, 제안하는 방식은 PN 코드를 이용하므로 간섭에 대한 영향이 없다.
둘째, 기존 방식에서도 간섭신호의 진폭과 원하는 신호간의 비율이 1:1보다 커지면 성능에 크게 영향을 준다. 마지막으로, 제안하는 방식은 PN 코드를 이용하므로 간섭에 대한 영향이 없다.
시뮬레이션을 통해 얻은 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다. 첫째, SNR이 낮은 경우는 다른 거리 게이트들에서 발생하는 오류검출확률로 인해 ROC 성능이 나빠진다. 둘째, 기존 방식에서도 간섭신호의 진폭과 원하는 신호간의 비율이 1:1보다 커지면 성능에 크게 영향을 준다.

후속연구

향후 진해해야 할 부분으로는 본 논문에서 고려하지 못한 수신 신호에서 진폭과 위상의 변화를 고려한 RCS에 대한 영향을 추가하는 것이다. 이것은 이동체의 움직임에 의해 발생하는 도플러 효과(shift 또는 spread)를 고려하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 레이더 수신기에 있는 검출기의 성능을 분석하기 위하여 무엇을 사용하였는가?	레이더 수신기에 있는 검출기의 성능을 분석하기 위하여 ROC (receiver operating characterist-ic)를 사용하였다. ROC 곡선 (수신자 조작 특성 곡선)은 모든 분류 임계값에서 분류 모델의 성능을 보여주는 그래프이다.
	receiver operating characterist-ic 곡선은 무엇인가?	레이더 수신기에 있는 검출기의 성능을 분석하기 위하여 ROC (receiver operating characterist-ic)를 사용하였다. ROC 곡선 (수신자 조작 특성 곡선)은 모든 분류 임계값에서 분류 모델의 성능을 보여주는 그래프이다. 따라서 원하는 오류검출확률 (10-3이하)을 얻기 위해 필요한 임계값 및 그 지점에서의 검출확률 (0.
	기존의 차량용 레이더 연구에서는 무엇에 대한 고려가 충분히 이루어지지 않았는가?	기존의 차량용 레이더 연구에서는 다른 차량에서 송신되어 수신되는 신호에 대한 고려가 많이 이루어지지 않았다. 즉, 차량용 레이더에 대한 규격을 통해 구현하는 과정에서 주어진 주파수 스펙트럼을 모든 차량들이 공용으로 사용하였을 경우에 대한 고민이 부족하였다.

참고문헌 (9)

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상세보기
K.M. Strohm, H.L. Bloecher, R. Schneider, J. Wenger, "Development of Future Short Range Radar Technology," Proceedings of IEEE European Radar Conference, pp. 165-168, 2005.
J. Wenger, "Automotive Radar-Status and Perspectives," Proceedings of IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, pp. 4, 2005.
M. Schneider, "Automotive Radar-Status and Trends," Proceedings of German Microwave Conference, pp. 144-147, 2005.
H. Dominik, "Short Range Radar-status of UWB Sensors and Their Applications," Proceedings of IEEE European Radar Conference, pp. 1530-1533, 2007.
SJ. Ko, "Spectrum Analysis of UWB Radar Transmitter for Short Range Automobile Applications," IEMEK J. Embed. Sys. Appl., Vol. 10, No. 2, pp.57-64, 2015 (in Korean).
M. Klitz, "An Automotive Short Range High Resolution Pulse Radar Network," Ph. D. Dissertation, Jan. 2002.
G. Minkler, J. Minkler, "The Principles of Automatic Radar Detection in Clutter "Magellan Book Company, 1990.
A. Viterbi, "CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication," Addison Wesley, 1995.

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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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