[논문]지능형 레이더 기술 동향

구본태; 박필재; 한선호

doi:10.22648/etri.2021.j.360202

지능형 레이더 기술 동향
Trends in Intelligent Radar Technology 원문보기

전자통신동향분석 = Electronics and telecommunications trends, v.36 no.2, 2021년, pp.12 - 21

구본태 (초경량지능형반도체연구실) , 박필재 (초경량지능형반도체연구실) , 한선호 (초경량지능형반도체연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Intelligent radar sensors are applied in many industries, such as the automobile, aerospace, and defense industries (for security and surveillance), and for traffic monitoring and management as well as environmental and weather monitoring. Furthermore, they are used in smart cities, homes, and buildings, wherein intelligent motion sensing is required in daily life. It is mentioned that it is being used. In addition, ETRI introduces a phased array-based intelligent radar for drone detection and a human name detection radar technology based on which humans can be detected in case of a disaster.

주제어

표/그림 (15)

그림 그림 1 인피니언 60GHz 레이더센서 MMIC 블록도[6]
그림 그림 2 24GHz Traffic Radar(ITS) 시연[8]
표 표 1 ETRI 드론탐지 지능형 레이더시스템 규격[11]
그림 그림 3 드론탐지 레이더 시스템 블록도[11]
그림 그림 4 (a) FMCW 생성칩, (b) TX 2×2 Core 칩, (c) RX 2×2 Core 칩, (d) 4CH 수신칩[12]
그림 그림 5 드론탐지 레이더 신호처리 블록도[13]
그림 그림 6 드론과 새의 MD영상으로 구별 (a) 드론 MD 영상, (b) 조류 MD 영상, (c) 시간축 푸리에변화(드론), (d) 시간축 푸리에변화(조류)[13]
그림 그림 7 MD영상의 특성벡터추출 및 CNN 적용[13]
표 표 2 IR-UWB 방식의 인명탐지 레이더 규격[14]
그림 그림 8 IR-UWB 기반 TTWR 인명탐지 칩 블록도[14]
그림 그림 9 레이더 수신기의 샘플링 타이밍도[14]
표 표 3 상용 TTWR 제품과 그 기능[16-20]
표 표 4 Radar transceiver ICs와 타 TTWR 칩 비교[15]
그림 그림 10 걷고 있는 사람에 대한 실험결과 (a) A-Scan raw data, (b) target location at the frame[15]
그림 그림 11 IR-UWB 기반 TTWR 칩 사진[15]

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 고에서는 각광받고 있는 다양한 지능형 레이더 기술 동향을 소개하고자 한다.
본 고에서는 레이더가 카메라 및 통신과 융합하여 자율주행/자율비행, 교통감시의 핵심기술로 적용되며 스마트시티, 홈 건물에서의 무선센싱, 드론탐지 등 다양한 센싱 응용에 활용되고 있는 지능형 레이더 기술 동향을 살펴보았으며, 본 연구실에서 개발하고 있는 소형무인이동체 탐지를 위한 AESA 기반의 지능형 레이더 시스템의 핵심 반도체기술과 안개와 벽, 붕괴 잔해물 등을 투과하여 재난 환경에서 인명을 탐지할 수 있는 TTWR 지능형 레이더 핵심 반도체 기술을 소개하였다. 점차 고해상도의 저전력 초소형 레이더 기술의 응용 분야가 확대될 것으로 생각되며, 타 센싱 기술과 융합하여 지능형 시스템으로 향상 발전할 것으로 기대된다.

제안 방법

ETRI AESA 기반 드론탐지 지능형 레이더 시스템 구성은 8×8 어레이 안테나와 FMCW 신호를 생성하는 FMCW 생성부, FMCW 송신신호를 안테나로 증폭 및 위상변화를 하는 RF 송신기, 8×8 위상배열 수신 안테나를 통해 들어온 탐지 신호를 저 잡음 증폭하고, 저주파 대역으로 변환하며 비트 주파수만을 컷오프하여 ADC로 전달하는 수신부, ADC를 통과한 드론탐지 신호처리부와 빔제어부 그리고 데이터 연관, 드론추적, 새와 드론을 구별하기 위한 데이터 처리부 그리고 GUI로 구성이 되었다. 개념적인 블록도를 그림 3에 나타냈다.
FMCW 생성칩은 X-band에서 FMCW 신호를 생성하기 위하여 아날로그 PLL 방식으로 설계하였으며, chirp BW 150MHz와 chirp time 250μs 을 만족한다. TX 2×2 Core칩은 6bit의 Phase-shifter 와 3-stage TX gain을 갖는 Drive Amp로 구성하였다.
RF 송수신부는 TSMC 65nm GP 공정을 사용하여 4개 칩으로 설계하였다.
레이더 시스템이 최적의 솔루션이라 판단하였다. 개발한 ETRI 휴대형 벽 투과 레이더, 즉 TTWR(Through-The-Wall Radar)은 특히 연기, 벽 및 붕괴된 파편으로 인해 제한된 시야의 재난환경에서 구조 효율성을 향상시킬 수 있으며, 감지 문제를 극복하고 소형 폼 팩터를 유지하기 위한 TTWR SoC(System-On-Chip) 구성 및 아키텍처를 제안하였다. 표 2에 ETRI IR-UWB 방식의 TTWR 인명탐지 레이더 규격을 나타냈다[14].
송수신 빔 조향 제어를 담당하며, SPI 인터페이스로 빔제어 모듈을 통제한다. 고속동작을 위해 신호처리 일부 블록을 HW IP 로 설계하였으며, 제1차 FFT, 제2차 FFT를 통해 거리, 각도, 속도를 검출하게 되며, 클러스트링 처리를 수행한다. 그림 5에 임베디드 신호처리 플랫폼과 주변 모듈 구성도를 나타냈다.
자동차시장에서 밀리미터파(mmWave) 차량용 레이더가 장착하기 시작했고, 낮은 비용에 성능이 뛰어난 레이더가 개발되어 차량의 ADAS 시스템에 레이더를 탑재했다. 미국과 유럽 등 대부분 지역에서는 레이더를 이용한 운전자 보조·능동안전 장치 탑재가 법제화되고 있다.
소형드론의 탐지거리는 1km 이상을 목표로 하며, 최대속도 27m/s을 비행하는 드론을 탐지할 수 있다. 저가격, 저전력 시스템을 위하여 CMOS RF 송수신 칩과 임베디드 드론탐지 신호처리 플랫폼과 드론과 새를 구별할 수 있는 식별 알고리즘을 보유한 지능형 레이더 시스템으로 구성된다. 표 1에 ETRI 드론탐지 지능형 레이더 시스템 규격을 나타냈다[11].
드론과 조류는 블레이드의 회전과 날갯짓이라는 서로 상이한 미세운동으로 인해 발생하는 미세도플러를 이용한 특성벡터를 추출하여 표적을 분별할 수 있다. 조류와 드론의 표적을 모델링하고, 표적의 시간의 따른 미세도플러 변화도를 STFT(Short-Time Fourier Transform)을 통해 2D 영상을 획득하는 미세도플러 스펙토그램(Spectrogram)으로 특성벡터를 추출하였다. 그림 6에 드론과 조류의 MD(Micro Doppler) 영상과 시간축 푸리에변환 특성을 나타냈다[13].
차세대 전파응용시스템의 성능분석과 설계를 위한 전파 및 시스템 통합 해석(안테나 특성, 인체 전자파 영향, 실내·외 전파반사, 시스템 성능분석 등)을 지원하는 시뮬레이션 SW 개발 및 새로운 전파응용 제품 개발 시 손쉽게 활용할 수 있는 플랫폼 구축을 핵심목표로 하며, 또한 물체 인식이 가능한 정밀 영상 레이더와 통신 기능을 동시에 수행할 수 있는 융합시스템 개발을 통해 기존 통신만으로는 할 수 없었던 상황 인식과 센싱 정보 활용 통신(예: V2X) 및 협동 레이더에도 초점을 두고 있다. 여러 개의 군집 드론에 레이더 송수신기를 활용하여 고품질의 SAR 영상을 획득하고, 사회간접자본/산림/농작물 모니터링, 재난감시 등 다양한 사회문제 해결 등에 활용될 수 있도록 하며, 기존 레이더 센서가 제공하지 않았던 3차원 빔포밍이나 가변레이더를 반도체 칩으로 구현하여 스마트 시티, 홈, 건물 등 다양한 환경에 적용 가능한 지능형 레이더 시스템 개발을 추진하고 있다.

대상 데이터

저전력 소형의 지능형 모션센싱 시스템을 위하여 안테나를 패키지에 내장(AIP: Antenna In Package)하는 추세이며, 이 MMIC 패키지는 1Tx /1Rx 안테나를 내장하고, 수평 및 수직 반전력 빔 폭(Half-power Beamwidth)이 80°를 커버할 수 있는 브로드한 빔 폭과 움직임 탐지기능을 포함하는 3.3 ×6.7×0.56mm의 소형 패키지로 구성되었다.

성능/효과

[15, 21-24]. 10m 범위에서 정교한 해상도로 검출됨을 확인할 수 있으며, 그림 11에 제작한 TSMC 0.13μm 공정의 IR-UWB 기반의 TTWR 인명탐지 레이더 칩 사진을 나타냈다.
그림 7에 다중표적의 중첩된 MD영상에서 특성 벡터와 CNN 알고리즘을 적용할 경우 구별성능 비교를 나타냈으며, CNN 알고리즘을 적용할 경우 미식별된 드론수가 상대적으로 적어 3~4% 정도 성능이 다소 우수한 것으로 예측할 수 있었다. 다중표적일 때 탐지 성능과 식별 성능 향상을 위해 다양한 인공지능 알고리즘이 레이더 시스템에 접목되고 있다.
한치 앞도 보이지 않는 재난환경에서 인명을 탐지하여 생명을 구조할 수 있는 인명탐지기술로 휴대형 레이더 시스템이 최적의 솔루션이라 판단하였다. 개발한 ETRI 휴대형 벽 투과 레이더, 즉 TTWR(Through-The-Wall Radar)은 특히 연기, 벽 및 붕괴된 파편으로 인해 제한된 시야의 재난환경에서 구조 효율성을 향상시킬 수 있으며, 감지 문제를 극복하고 소형 폼 팩터를 유지하기 위한 TTWR SoC(System-On-Chip) 구성 및 아키텍처를 제안하였다.

후속연구

RF 보드와 메인보드로 이뤄진 레이더 모듈이 성능과 가격에 따라 두 가지 스타일로 바뀔 것이라고 전망된다. 고성능 레이더 모듈은 다수의 안테나와 다수의 MMIC에 PMIC를 결합하며, DSP와 딥러닝 (Deep Learning) 기능을 갖춘 ECU(Electronic Control Unit)가 컴퓨팅 성능을 제공하고, 비용 효율적인 레이더 모듈은 싱글보드의 MMIC 또는 MCU에 안테나와 PMIC를 결합한 형태로 개발될 것으로 예측할 수 있다.
고도의 센싱 기술, 인공지능(AI) 기술, 네트워크 기술이 필요함은 물론이다. 긍정적인 면에서 살펴볼 때 플라잉카는 복잡한 도로가 아닌 탁 트인 하늘을 날기 때문에 설정된 경로만 이탈하지 않는다면 하늘은 지상보다 복잡하지 않고 중앙관제소가 통제하기 용이할 수 있어서 자율비행 플라잉카가 완전 자율주행차보다 더 빨리 상용화될 가능성도 기대할 수 있다. 그러나 역시 관건은 수직 이착륙, 소음감소, 배터리에 대한 완성도를 높이는 데 있을 것이다.
‘트래픽 레이더’에 내장된 카메라에 컴퓨터 비전 모델을 적용, 레이더 신호처리 시 영상분석 정보를 결합해 같은 차선에서 여러 대의 차가 같은 속도로 접근할 때도 이를 완벽히 분리해 인식하는 기능을 포함하고 있으며, 내장된 IoT 기능은 차량의 정보를 수집 후 무선으로 서버에 전달하여 측정된 교통량을 활용해 해당 지역의 향후 교통량을 예측하는 빅데이터 사업으로 확장 예측된다[7]. 보다 향상된 지능형 트래픽 레이더 기술의 발전으로 수집된 실시간 교통 데이터 및 통계자료는 스마트시티 및 자율주행에 기여할 것으로 기대된다.
핵심 반도체 기술을 소개하였다. 점차 고해상도의 저전력 초소형 레이더 기술의 응용 분야가 확대될 것으로 생각되며, 타 센싱 기술과 융합하여 지능형 시스템으로 향상 발전할 것으로 기대된다.

참고문헌 (24)

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S. Carpenter, "자율 주행 자동차 레이더: 시뮬레이션을 통한 레이더 성능 향상," Ansys Advantage Magazine, 제12권 제1호, 2018. https://www.ansys.com/ko-kr/about-ansys/advantagemagazine/volume-xii-issue-1-2018/autonomous-vehicleradar
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e4ds news, "자율형 레이더 센서로 지능형 모션 센싱 구현하려면?," 2020. 11. 18, https://www.e4ds.com/sub_view.asp?ch2&t0&idx12312
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Traffic Radar, "스마트시티 구축을 위한 최적의 솔루션, 지능형교통관리시스템," Bitsensing, 2019. 12.
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일간스포츠, "[이코노미스트] 자율주행차 멈춘 사이 먼저 난다," 2019. 10. 20, http://m.isplus.joins.com/news/article/article.aspx?ctg1100&Total_ID23609139#_enliple
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구본태 외,"소형드론탐지용 AESA 기반 지능형 레이더 시스템 구현," 대한전자공학회 하계학술대회 논문집, 2019. 6, pp. 1466-1467.
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구본태 외, "드론탐지 레이더 핵심기술 개발," 연차보고서 2020. 12.
구본태 외, "비가시, 붕괴잔해물/벽을 투과하여 인명탐지 및 구조자 안전 확보를 위한 개인 휴대/부착형 인명탐지 센서 및 시스템 개발," 2연차 보고서, 2020. 11.
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원문보기 상세보기
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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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