초록:
지능형 교통 시스템(ITS) 분야에서 단일 레이더와 체크포인트 카메라의 전통적인 조합은 높은 비용과 데이터 융합의 어려움으로 어려움을 겪습니다. 밀리미터파 레이더와 카메라를 통합하는 레이더-시각 통합 시스템은 비용을 최적화하고 데이터 융합을 심화하여 점차 ITS의 인식 계층에서 핵심 장치로 자리 잡고 있습니다. 이 백서에서는 밀리미터파 레이더 성능을 향상시키기 위해 AWR2243 듀얼 칩 솔루션을 선택한 RFchip 캐스케이딩 기술의 활용에 대해 설명합니다. 전문가급 보안 칩과 결합하여 장거리 감지 기능을 갖춘 레이더-시각 통합 시스템을 설계했습니다. 알고리즘 수준에서는 다중 센서 융합 전략을 채택하고, RepViT 백본 특징 추출 네트워크를 도입하고 SIoU 손실 함수를 사용하여 바운딩 박스 회귀 정확도를 최적화함으로써 YOLOv8n 표적 탐지 알고리즘을 개선합니다. 개선된 모델은 매개변수 수를 241개 줄이고 모델 크기를 221개 축소하여 높은 정확도를 유지하면서도 계산 효율을 크게 향상시켰습니다. 실제 교통 시나리오 테스트를 통해 이 시스템은 최대 감지 범위 350미터, 감지 정확도 97% 이상의 교통 교차로 360° 모니터링을 달성하여 장거리 레이더-시각 통합 시스템의 설계 요건을 충족하고 강력한 엔지니어링 적용 가능성을 보여주었습니다.

1. 소개
도시화가 가속화되고 차량 수가 증가함에 따라 도로 교통 상황은 더욱 복잡해지고 있습니다. 교통 관리 효율성과 안전성을 높이는 지능형 교통 시스템(ITS)은 기술 발전 측면에서 주목받고 있습니다. 다양한 교통 인식 센서 중 레이더-영상 통합 시스템은 밀리미터파 레이더와 비디오 카메라의 장점을 결합한 시스템입니다. 이 융합은 빛이나 기상 조건의 영향을 받지 않는 레이더의 정밀한 거리 및 속도 측정과 카메라의 직관적인 목표물 인식 및 풍부한 정보를 제공합니다. 레이더-영상 통합 시스템은 기존의 레이더와 카메라를 별도로 배치하는 방식에 비해 하드웨어 비용, 데이터 동기화, 시스템 통합 측면에서 상당한 이점을 제공하여 보다 효율적으로 교통 상황을 인식하고 이벤트를 감지할 수 있습니다.

최근 몇 년 동안 밀리미터파 레이더 기술과 레이더-시각 융합 시스템이 빠르게 발전하고 있습니다. 밀리미터파 레이더는 도플러 효과를 사용하여 목표물의 속도와 거리를 감지하며, 작동 주파수 대역, 칩 아키텍처, 안테나 설계 등의 요인에 의해 성능에 영향을 받습니다. 탐지 거리에 따라 밀리미터파 레이더는 단거리와 장거리 유형으로 분류됩니다. 데이터 처리는 처리 속도와 시스템 유연성의 균형을 맞추기 위해 FPGA 또는 FPGA+DSP 아키텍처를 사용하는 경우가 많습니다. 주파수 대역으로는 24GHz와 77GHz 레이더가 널리 사용됩니다. 77GHz 대역은 파장이 짧고 안테나 크기가 작으며 감지 범위가 넓고 해상도가 높기 때문에 장거리 트래픽 모니터링 시나리오에 특히 적합합니다.

그러나 기존의 레이더-시각 통합 시스템 설계 연구는 제한적이며, 대부분의 솔루션은 탐지 범위나 비용에 대한 문제에 직면해 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 이 백서에서는 77GHz 밀리미터파 레이더와 RF칩 캐스케이딩 기술을 기반으로 장거리 탐지 기능을 갖춘 레이더-시각 통합 시스템의 설계 솔루션을 제안합니다. 이 백서에서는 하드웨어 아키텍처와 알고리즘 최적화 전략을 자세히 설명하고 시스템의 실현 가능성과 신뢰성을 테스트합니다.

2. 시스템 설계 개요

레이더-영상 통합 시스템은 레이더와 비디오의 두 가지 주요 부분으로 나뉩니다. 비디오 섹션에는 메인 제어 칩과 이미지 획득 모듈이 포함되어 있으며, 이미지 품질을 보장하기 위해 5MP 센서를 사용합니다. 레이더 섹션은 AWR2243 듀얼 칩 캐스케이딩 솔루션을 사용하여 6-송신, 8-수신 안테나 어레이를 형성하고 동기화 신호를 통해 마스터-슬레이브 모드 협력을 가능하게 합니다. RF 신호 품질을 개선하기 위해 이 시스템은 RF칩에 전원을 공급하는 전용 전원 관리 칩을 사용합니다. 비디오 DSP는 센서를 제어하여 비디오 데이터를 수집하고 내부적으로 레이더와 비디오 데이터 융합을 통합합니다.

2.1 비디오 섹션 디자인
비디오 섹션은 전문가급 보안 칩인 H13403V100을 사용하며, MIPI 프로토콜을 통해 5MP 센서에 연결되어 고화질 비디오 데이터 수집 및 전송을 가능하게 합니다. 이 칩은 강력한 이미지 처리 및 데이터 스케줄링 기능을 제공하여 다중 센서 융합 알고리즘을 지원합니다.

2.2 RF칩 모듈 설계
밀리미터파 레이더 RF칩 캐스케이딩은 시스템 성능을 향상시키는 효과적인 방법입니다. 여러 개의 RF칩을 동기화함으로써 송신 전력과 수신 감도를 개선하여 감지 범위와 각도 해상도를 향상시킬 수 있습니다. 핵심 RF칩으로 선택된 AWR2243은 76-81GHz 주파수 대역에서 작동하며 고집적도와 뛰어난 RF 성능을 제공합니다. 하나의 AWR2243은 3개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나를 지원하며, 두 개의 칩을 캐스케이딩하면 송신 6개, 수신 8개로 확장되어 시스템 유연성과 감지 정확도가 크게 향상됩니다.

2.3 레이더 데이터 수집 모듈 설계
레이더 데이터 수집에는 AM2732 DSP + FPGA 솔루션이 사용됩니다. AM2732는 SPI 인터페이스를 통해 마스터-슬레이브 AWR2243 칩을 제어하고 프론트엔드 센서로부터 LVDS 데이터를 수신하며 목표 거리 및 속도 측정과 같은 기본 처리를 수행합니다. FPGA는 레이더 데이터 수집 및 전달, LVDS 프로토콜을 통해 비디오 제어 보드에 데이터 전송, 메인 DSP에서 레이더-시각 데이터 융합을 완료하는 역할을 담당합니다.

3. 알고리즘 설계

레이더-시각 통합 시스템의 핵심은 다중 센서 융합 알고리즘에 있습니다. 이 시스템은 표적 감지, 추적 및 데이터 연결을 포함하여 레이더 포인트 클라우드와 비디오 이미지 융합 처리를 메인 DSP에서 구현합니다.

3.1 레이더 표적 탐지
레이더 표적 탐지는 밀도에 따라 샘플을 분할하여 구형이 아닌 분산된 표적 지점을 효과적으로 인식하는 DBSCAN 클러스터링 알고리즘을 사용하여 트래픽 시나리오에서 다중 표적 및 다중 모양 탐지에 적합합니다.

3.2 이미지 대상 감지
이미지 표적 감지는 백본, 목, 머리 구성 요소를 포함하는 YOLOv8n 모델을 기반으로 합니다. 이 백서에서는 탐지 정확도와 모델 효율성을 더욱 향상시키기 위해 RepViT 백본 네트워크를 도입하고 SIoU 손실 함수를 사용하여 바운딩 박스 회귀를 최적화합니다.

4. 결론

이 백서에서는 AWR2243 듀얼 RF칩 캐스케이딩 기술을 기반으로 한 장거리 레이더-시각 통합 시스템 설계를 제안합니다. 이 시스템은 다중 센서 융합 알고리즘 및 개선된 YOLOv8n 감지 모델과 결합된 하드웨어 캐스케이딩을 통해 안테나 성능을 향상시킵니다. 이 시스템은 최대 감지 범위가 350미터에 이르는 97% 이상의 감지 정확도를 달성하여 ITS 시나리오에서 장거리 교통 모니터링의 요구 사항을 충족합니다. 테스트 결과는 시스템의 안정성과 신뢰성을 검증하여 뛰어난 엔지니어링 애플리케이션 가치를 제공합니다.