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Improved Detectors of 24 GHz UWB Short Range Radar system in Automotive Applications

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Abstract
이 논문에서는 자동차 응용 프로그램 분야에 필요한 UWB 레이더의 연구와 개발에 대하여 논하였다. 자동차 부문에서 24 GHz Ultra Wide Band short range radar는 도로 안전성과 승객의 안정을 높이고 충돌을 피하기 위한 좋은 발상으로서 최근 많은 관심을 받고 있다. UWB radar신호는 다른 신호 영역과 비교하여 고유의 주파수와 대역폭을 나타낸다. 24 GHz Ultra Wide Band Short Range Radar (UWB SRR)는 지정된 대상을 감지하기 위한 기술로 자동차 부문에서 그 수요가 크게 증가되고 있다. 이 연구에서는 자동차의 응용프로그램에 적용할 수 있는 24 GHz UWB SRR 감지기를 설계하는 것을 집중적으로 다루었다. 유럽 연합 집행 기관 European Commission 에서는 UWB SRR을 도로의 안전성을 향상시킬 수 있는 중요한 세계적인 기술 중 하나라고 발표했다. 또한 유럽에서는 자동차 응용프로그램에서 사용되는 주파수를 24 GHz 주파수 영역으로 고정하였다. 특히 UWB SRR에서 사용되는 주파수 영역은 21.625 GHz에서 26.625 GHz로 할당되었다.
이번 연구의 목적은 Monte Carlo 시뮬레이션을 이용하여 고정된 허위경고 가능성을 위한 24 GHz UWB SRR 감지기의 감지성능을 분석하는 것에 있다. 감지기의 감지 성능은 가우스 잡음 환경과 coherent weibull clutter 환경에서 고정되거나 이동하는 단일대상에 대하여 측정하였고 다수의 대상에 대해서는 다루지 않았다. 이 논문에서 보여주는 coherent weibull clutter 모델은 실제 도로에서 발생되는 상황과 거의 같도록 하였다. 또한 clutter 모델은 제로-평균 비선형 변환 블록 zero-mean non-linear transformation block (ZMNL) 을 사용하여 자동차 응용프로그램에 알맞은 clutter 환경으로 변경할 수 있도록 하였으며 다양한 도로사정에 따른 실험을 수행하여 고정 또는 이동 대상에 모두 적용할 수 있도록 하였다. 대상에서 반사되는 에너지가 분산된 경우 이번 연구에서 제안된 슬라이딩 윈도우 감지기 sliding window detector 는 현재 상용화된 감지기와 비교하였을 때 월등한 감지 성능을 가지고 있다. 모두가 아는 바와 같이 24 GHz UWB 감지기는 지정대상의 각 flare point 부터 반사되는 전체 에너지의 비율에 따라서 달라진다. 만약 UWB 신호와 같이 펄스나비 pulse width 가 매우 좁으면 에너지는 더 분산되며 이런 경우 슬라이딩 윈도우 감지기가 신호를 감지하기에 매우 적합하다. 마지막으로, 제안된 감지기는 시간과 기억장치를 효율적으로 사용할 수 있는 UWB 감지기로서 150 km/hr 이상인 지정대상의 최고상대속도를 측정할 수 있다.
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논문에서 보여주는 pulse radar 는 먼저 대상 범위를 결정하고 결정된 범위 목록의 FFT 를 순차적으로 사용하여 지정대상의 속도를 계산한다. 그리하여 FFT 처리시간과 자동차 안전 응용 프로그램에서 사용되는 24 GHz UWB SRR 감지기의 기억장치의 요구사항을 줄일 수 있다. 이로써 자동차 응용 프로그램에서의 안전체계는 복잡한 하드웨어를 간소화하기 위해 최소의 처리시간과 적은 기억장치를 필요로 한다. 이 때문에 사고를 방지하고 많은 교통량을 확인하기 위해 사전충돌 및 에어백과 같은 안전장치에 대한 자동제동장치의 배치를 위한 반응시간이 우선적으로 순위가 부여된다.
Author(s)
Purushothaman Surendran
Issued Date
2013
Awarded Date
2013. 2
Type
Dissertation
URI
http://dcoll.jejunu.ac.kr/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000006172
Affiliation
일반대학원
Department
대학원 전기전자공학과
Advisor
Ko,Seok Jun
Table Of Contents
1.Introduction ............................................................................................................................. 1
1.1 Radar Research and Development Challenges ............................................................... 1
1.2 International technology development status .................................................................. 4
1.3 Development of 24GHz UWB SRR in automobile industry .......................................... 6
1.4 Past and Present UWB Technology Work and Sources ................................................. 8
1.5 Scope and Contents of the Thesis ................................................................................. 11
2. Automotive Radar Technology Development Standards ..................................................... 13
2.1 Global Deployment of 24GHz UWB-SRR ................................................................... 13
2.2 FCC part 15 Ruling ....................................................................................................... 13
2.3 Parameter Specification ................................................................................................ 16
2.4 Information available for radar echo ............................................................................. 16
2.5 Range ............................................................................................................................ 17
2.6 Radial Velocity ............................................................................................................. 17
2.7 Size ............................................................................................................................... 17
2.8 Shape ............................................................................................................................. 18
3. Weibull Clutter Generation Method ..................................................................................... 19
3.1 Introduction ................................................................................................................... 19
3.2 Coherent Weibull Clutter Model .................................................................................. 19
3.3 Yule-Walker equation ................................................................................................... 21
3.4 Levinson Algorithm ...................................................................................................... 23
3.5 Simulation Result .......................................................................................................... 33
3.5.1 Correlation Co-efficients .......................................................................................... 33
3.5.2 Probability Density Function .................................................................................... 34
4. Stationary Target ................................................................................................................... 35
4.1 Conventional Detection Algorithm ............................................................................... 35
4.1.1 Single Pulse Linear Detection of Non-fluctuating Target ........................................ 39
4.1.2 Detection Threshold Determination .......................................................................... 44
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4.1.3 PD, PFA, S/N Curves .................................................................................................. 46
4.2 Proposed Detection Algorithm ..................................................................................... 50
4.2.1 Squared Sliding Window Detector ........................................................................... 52
4.2.2 Non-coherent Detector .............................................................................................. 54
4.3 Detection and False Alarm Probability ......................................................................... 58
4.4 Simulation result in Gaussian noise environment for squared sliding window detector ..................................................................................................................................... 58
4.4.1 Probability Density Function .................................................................................... 60
4.4.2 Region of Convergence (ROC) ................................................................................. 60
4.4.3 Detection Probability (PD) vs ?/N0 ........................................................................... 63
4.5 PD vs ?/N0 in Gaussian noise environment for non-coherent detectors ....................... 64
4.6 Simulation result in Weibull Clutter environment for square law detector .................. 67
4.6.1 Probability Density Function .................................................................................... 67
4.6.2 Region of Convergence curve ................................................................................... 68
4.6.3 Detection Probability Vs Shape Parameter ............................................................... 69
5. Moving Target ...................................................................................................................... 71
5.1 System Description ....................................................................................................... 71
5.2 Conventional Detection Algorithm for Velocity measure ............................................ 72
5.3 Proposed Detection Algorithm for velocity measure .................................................... 78
5.3.1 Time and Memory efficient detector ........................................................................ 78
5.3.2 Sliding Window detector .......................................................................................... 83
5.4 Simulation result in Gaussian noise for time and memory efficient detector ............... 85
5.4.1 Coherent and Non-coherent Integration.................................................................... 85
5.4.2 Doppler frequency resolution complexity ................................................................ 89
5.4.3 Detection Performance of Proposed Detector........................................................... 92
5.4.4 FFT Measurement time and Memory requirement ................................................... 93
5.5 Detection Performance of sliding window detector in Gaussian noise environment ... 95
5.6 Simulation result in Coherent Weibull Clutter environment ........................................ 96
5.6.1 Probability Density function ..................................................................................... 96
5.6.2 Region of Convergence............................................................................................. 97
6. Conclusions ........................................................................................................................... 99
Summary .................................................................................................................................... 101
References .................................................................................................................................. 103
Degree
Doctor
Publisher
제주대학교
Citation
Purushothaman Surendran. (2013). Improved Detectors of 24 GHz UWB Short Range Radar system in Automotive Applications
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Faculty of Applied Energy System > Electronic Engineering
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