[논문]FPGA 고속병렬처리 구조의 FMCW LiDAR 신호처리 알고리즘 개발

이종헌; 최지은; 라종필

doi:10.13067/jkiecs.2024.19.2.335

[국내논문] FPGA 고속병렬처리 구조의 FMCW LiDAR 신호처리 알고리즘 개발
Development of Parallel Signal Processing Algorithm for FMCW LiDAR based on FPGA

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.19 no.2, 2024년, pp.335 - 343

이종헌 (람다이노비전(주)) , 최지은 (람다이노비전(주)) , 라종필 (람다이노비전(주))

초록
AI-Helper

본 논문은 FMCW LiDAR의 실시간 표적 신호처리 기법에 관해 기술하고 있다. FMCW LiDAR는 높은 검출민감도를 가져 낮은 출력만으로 장거리 측정이 가능하면서도 눈, 비, 안개 등 열악한 환경에서 강건한 검출성능을 가져 자율주행자동차용 차세대 LiDAR로 주목받고 있다. 본 논문은 주파수 영역의 신호처리를 위해 필요한 고속 데이터 획득, 전송 및 병렬 신호처리를 위한 하드웨어 구조에 대해 기술하였다. 획득된 시계열 신호로부터 주파수 특성을 분석하기 위하여, 푸리에 변환 연산을 FPGA로 구현하였다. 변환된 주파수영역 데이터로부터 강건한 표적검출 성능을 확보하기 위한 C-FAR 알고리즘에 대해 기술하였다. 표적의 스펙트럼 신호로부터 주파수 측정값의 해상도를 향상하고, 측정된 주파수 값을 표적의 거리 및 속도 정보로 변환하는 과정에 대해 상세히 기술하였다. 스캐너 2D 위치 및 표적의 거리 정보를 활용하여 3차원 영상으로 변환하고 이를 전시하였다. 제안된 FPGA 구조의 병렬 신호처리 알고리즘 적용을 통하여 FMCW LiDAR의 실시간 표적 신호처리 및 고해상도 영상획득 성능을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Real-time target signal processing techniques for FMCW LiDAR are described in this paper. FMCW LiDAR is gaining attention as the next-generation LiDAR for self-driving cars because of its detection robustness even in adverse environmental conditions such as rain, snow and fog etc. in addition to its long range measurement capability. The hardware architecture which is required for high-speed data acquisition, data transfer, and parallel signal processing for frequency-domain signal processing is described in this article. Fourier transformation of the acquired time-domain signal is implemented on FPGA in real time. The paper also details the C-FAR algorithm for ensuring robust target detection from the transformed target spectrum. This paper elaborates on enhancing frequency measurement resolution from the target spectrum and converting them into range and velocity data. The 3D image was generated and displayed using the 2D scanner position and target distance data. Real-time target signal processing and high-resolution image acquisition capability of FMCW LiDAR by using the proposed parallel signal processing algorithms based on FPGA architecture are verified in this paper.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림 1. FMCW LiDAR 센서의 거리측정 원리 Fig. 1 Principle of FMCW range measurement
그림 그림 2. FMCW LiDAR 신호처리 과정 Fig. 2 FMCW LiDAR signal processing procedure
그림 그림 3. ADC 데이터 획득 블록도 Fig. 3 Block diagram of data acquisition
그림 그림 4. 스캐너 이동 방식 (a) 스캔 순서 테이블 (b) DAC 출력 파형 Fig. 4 Scanner movement (a) Table of scan order, (b) DAC output graph
그림 그림 5. 스캔 위치에 따른 FFT 실행 위치 Fig. 5 Scan position and FFT computation
그림 그림 6. 윈도우에 따른 주파수 오차 Fig. 6 Window v.s. frequency error
그림 그림 7. Chirp Rising(UP)과 Falling(DOWN)에서 FFT 처리하는 샘플 위치 Fig. 7 FFT Samples at Chirp Rising(UP) and Chirp Falling(DOWN)
그림 그림 8. Matlab System Generator를 이용한 FFT 구현 Fig. 8 FFT implementation using Matlab System Generator
그림 그림 9. CFAR-CA 알고리즘의 개념도 Fig. 9 Concepts of CFAR-CA algorithm
그림 그림 10. (a) ADC 입력파형, (b) CFAR 알고리즘 적용 결과 FFT 스펙트럼 Fig. 10 (a) ADC input signal, (b) Spectral results of CFAR algorithm
그림 그림 11. 2차 다항식 보간법에 의한 거리해상도 개선 Fig. 11 2^nd Polynomial interpolation for rangeenhancement
그림 그림 12. Range-Enhancement 주파수 오차 측정 (a) DDS 출력 주파수와 측정된 주파수 (b) 주파수 오차 Fig. 12 Frequency error of range- enhancement (a) DDS output frequency vs. measured frequency (b) frequency error
그림 그림 13. FMCW LiDAR 신호처리 시험보드 Fig. 13 Board under test for FMCW LiDAR signal processing
그림 그림 14. Vivado 블록도 Fig. 14 Vivado block diagram
그림 그림 15. FPGA 자원 사용량 Fig. 15 FPGA resource usage
그림 그림 16. 3D Point Cloud 획득 영상 Fig. 16 3D Point Cloud acquisition image

참고문헌 (11)

J. La and J. Choi, "Development of Wideband？Frequency Modulated Laser for High Resolution？FMCW LiDAR Sensors," J. of the Korea Institute？of Electronic Communication Sciences, vol. 18, no.？6, 2023, pp. 1023-1030.
J. Kwon, T. Kim, T. Hwang, and H. Park, "A？Development of effective object detection system？using multi-device LiDAR sensor in vehicle？driving Environment," J. of the Korea Institute of？Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 2,？2018, pp. 313-320.
S. Lee, K. Kim, J Park, H Moon and H. Lee,？"Development of Indoor Structure Scanner using？2D LIDAR," J. of the Korea Institute of Electronic？Communication Sciences, vol. 18, no. 6, 2023, pp.？1189-1196.
C. Kim, N. Kim, and S. Lee, FMCW LiDAR？system with variable point FFT and analog filter,"？Proceedings of Symposium of the Korean Institute of？communications and Information Sciences,？Pyeongchang, Korea, 2020, pp. 594-595.
J. Kim, Y. Ju, and E. Kim, "Object Recognition？Technology using LiDAR Sensor for Obstacle？Detection of Agricultural Autonomous Robot," J.？of the Korea Institute of Electronic Communication？Sciences, vol. 16, no. 3, 2021, pp. 565-570.
B. Cho, S. Sun, and J. Lee, "A Study on the？Implementation of FMCW LiDAR for Detecting？Small UAVs," J. of the Korean Institute of？Information Technology, vol. 19, no.1, 2021, pp.？99-106.
H. Jaong, J. Kim, G. Kim, C. Park, S. Jun, M. Jo,？H. Lee, and C. Kim, "Simultaneous distance and？vibration mapping of FMCW-LiDAR with a？kinetic external cavity diode laser," Optics and？Lasers in Engineering, vol. 160, 1, 2023. p. 107283.
B. Behroozpour, P. A. M. Sandborn, M. C. Wu,？and B. E. Boser, "Lidar System Architectures and？Circuits," IEEE Communications Magazine, vol. 55,？no. 10, 10, 2017, pp. 135-142.

상세보기
M. Okano and C. Chong, "Swept Source Lidar:？simultaneous FMCW ranging and？nonmechanical beam steering with a？wideband swept source," Optics Express, vol. 28,？issue 16, Aug. 2020, pp. 23898-23915.

상세보기
Y. Lee, H. Yun, S. Kim, S. Heo, and Y. Jung,？"Design of FMCW Radar Signal Processor for？Human and Objects Classification Based on？Respiration Measurement," Journal of Advanced？Navigation Technology, vol. 25, no. 4, 8, 2021, pp.？305-312.
M. Gasior and J. L. Gonzalez, "Improving FFT？Frequency Measurement Resolution by Parabolic？and Gaussian Spectrum Interpolation" AIP？Conference Proceedings Series, vol. 732, 2004, pp.？276-285.

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