REMI Lab강의 노트

Radar Signal Processing R08

8장 Range-Doppler 처리

정리

  • FMCW 프레임은 Ns×NcN_s\times N_c 샘플 행렬이다. 열은 chirp 하나(fast time nn), 행은 같은 샘플 자리의 chirp 순서(slow time mm)이다.
  • 거리는 chirp 안의 beat 주파수 fb=2KR/cf_b=2KR/c이다. 열 방향 DFT의 피크 bin krk_r에서 R=kr cfs/(2KNs)R=k_r\,cf_s/(2KN_s)를 구한다. 분해능은 ΔR=c/(2B)\Delta R=c/(2B), 최대 거리는 Rmax⁡=cfs/(2K)R_{\max}=cf_s/(2K)이다.
  • 속도는 chirp마다 도는 위상 Δϕ=−4πvrTc/λ\Delta\phi=-4\pi v_rT_c/\lambda이다. 행 방향 DFT의 피크 bin kdk_d에서 vr=−kdλ/(2NcTc)v_r=-k_d\lambda/(2N_cT_c)를 구한다. 분해능은 Δv=λ/(2NcTc)\Delta v=\lambda/(2N_cT_c)이다.
  • 두 DFT를 차례로 하면 RD 맵이 된다.
  • 위상은 2π2\pi마다 같으므로 ∣vr∣>vmax⁡=λ/(4Tc)|v_r|>v_{\max}=\lambda/(4T_c)이면 속도가 aliasing되어 2vmax⁡2v_{\max}의 정수배만큼 어긋나 읽힌다. TcT_c를 줄이면 vmax⁡v_{\max}는 커지고 Rmax⁡R_{\max}는 준다.
  • 윈도우는 사이드로브와 straddle loss를 줄이고(사각 −13.3 dB와 3.92 dB, Hann −31.5 dB와 1.42 dB) 메인로브를 넓힌다.

개념 확인

대역폭을 B=1B=1 GHz로 넓히면 거리 분해능 ΔR\Delta R는 몇 m인가?

풀이

답 0.15 m

힌트 분해능은 대역폭만이 정한다.

ΔR=c/(2B)=3×108/(2×109)=0.15\Delta R=c/(2B)=3\times10^8/(2\times10^9)=0.15 m이다. 예제의 300 MHz보다 대역폭이 3.33배 넓어 분해능도 3.33배 좋아진다. fsf_s, NsN_s, TcT_c는 이 값에 들어가지 않는다.

예제 레이다에서 chirp 반복 간격만 Tc=100T_c=100 µs로 늘리면 최대 속도 vmax⁡v_{\max}는 몇 m/s인가?

풀이

답 9.73 m/s

힌트 chirp마다 도는 각이 ±180°\pm180°를 넘지 않아야 한다.

vmax⁡=λ/(4Tc)=3.893 mm/(4×100 μs)=9.73v_{\max}=\lambda/(4T_c)=3.893\text{ mm}/(4\times100\,\mu\text{s})=9.73 m/s이다. 반복 간격이 두 배이면 같은 속도에서 chirp마다 도는 각도 두 배라서 최대 속도는 절반이 된다.

예제 레이다에서 30 m에 정지한 표적은 거리 DFT의 몇 번 bin에 피크를 만드는가?

풀이

답 60

힌트 range bin 하나가 cfs/(2KNs)=0.4997cf_s/(2KN_s)=0.4997 m이다.

fb=2KR/c=2×6×1012×30/c=1.201f_b=2KR/c=2\times6\times10^{12}\times30/c=1.201 MHz이고 kr=fbNs/fs=1.201×256/5.12=60.04k_r=f_bN_s/f_s=1.201\times256/5.12=60.04이다. 피크는 bin 60에 선다.

예제 레이다가 25 m/s로 다가오는 차를 약 14 m/s로 멀어지는 차로 보고했다. 이유로 옳은 것을 고르라.

  1. (가) 윈도우가 피크를 옆 bin으로 옮겼다.
  2. (나) 프레임 길이 3.2 ms가 너무 짧아 속도 분해능이 모자랐다.
  3. (다) chirp마다 도는 위상이 −231.2°-231.2°라서 +128.8°+128.8°와 구별되지 않는다.
  4. (라) 다가오는 차의 beat 주파수가 높아져 range bin을 넘어갔다.
풀이

답 (다) chirp마다 도는 위상이 −231.2°-231.2°라서 +128.8°+128.8°와 구별되지 않는다.

  • (가) 윈도우는 피크의 높이와 폭을 바꾸지만 자리를 bin 수십 개만큼 옮기지 않는다.
  • (나) 분해능이 모자라면 가까운 속도를 가르지 못할 뿐 부호가 뒤집히지 않는다.
  • (라) beat의 변화(range-Doppler coupling)는 0.3 m 남짓으로 속도의 부호를 바꾸지 않는다. 속도는 위상에서 구한다.

Δϕ=−4πvrTc/λ=−231.2°\Delta\phi=-4\pi v_rT_c/\lambda=-231.2°이다. 위상은 360°360°의 정수배를 더해도 같으므로 레이다는 −231.2°+360°=+128.8°-231.2°+360°=+128.8°로 읽는다. 양의 각은 멀어지는 표적이고, vr=−λ⋅128.8°/(720° Tc)=−13.93v_r=-\lambda\cdot128.8°/(720°\,T_c)=-13.93 m/s이다. 실제 속도에서 2vmax⁡=38.932v_{\max}=38.93 m/s를 뺀 값이다.

참고 자료

  • M. A. Richards, Fundamentals of Radar Signal Processing, 2nd ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill Education, 2014, ISBN 978-0-07-179832-7. 3장(펄스 레이다의 자료 수집, 데이터 큐브와 샘플링), 5장(Doppler 처리, 윈도우, straddle loss).
  • R. M. O'Donnell, Introduction to Radar Systems, MIT Lincoln Laboratory, MIT OpenCourseWare RES.LL-001, Spring 2007. https://ocw.mit.edu/courses/res-ll-001-introduction-to-radar-systems-spring-2007/
  • C. Iovescu and S. Rao, "The fundamentals of millimeter wave radar sensors," Texas Instruments, Dallas, TX, USA, White Paper SPYY005. https://www.ti.com/lit/pdf/spyy005
  • S. Lee, J. Yoon, H. Kim, J. Kim, and B. Kim, "Ego vehicle speed estimation with automotive corner radar under velocity ambiguity using optimized MobileNetV3," IEEE Access, vol. 13, pp. 117404–117419, 2025, doi: 10.1109/ACCESS.2025.3585938. RD 맵 그림의 측정 자료(차량 코너 레이다, Site 3).
  • 신호 및 시스템 7장 이산시간 시스템의 푸리에 해석. DFT, bin과 주파수, 샘플링과 aliasing, 관측 시간과 주파수 간격.

함께 읽을 자료

  • 김병관, 「레이다신호처리」 강의 노트, 충남대학교, 2025: FMCW, fast time과 slow time, 데이터 큐브, 윈도우, 누설, straddle
  • 김병관, 「레이다신호처리」 강의 노트, 충남대학교, 2025: 속도 aliasing, 중국인의 나머지 정리, blind zone, PRF 조합
  • 김병관, 대학원 강의 「레이다 신호처리 및 인공지능」, 충남대학교, 2026: beat frequency 유도, 거리 FFT, slow-time 위상, 2차원 FFT, 윈도우, range-Doppler coupling