KR20180113267A - Method and apparatus for estimating direction of arrival using generation of virtual received signals based on uniform linear array antenna - Google Patents

Method and apparatus for estimating direction of arrival using generation of virtual received signals based on uniform linear array antenna Download PDF

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Abstract

Disclosed are an improved direction of arrival (DOA) estimation method and apparatus which employ a linear prediction extension technique, thereby having excellent resolution even with a small number of antennas. In an ULA antenna in which N actual antennas are spaced apart by an equal interval d in a row, a conversion matrix indicating the relationship between received signals received from i^th to (N-2+i)^th antennas and a received signal received from an (N-1+i)^th antenna is obtained. The obtained conversion matrix is multiplied by values corresponding to received signals received from (i+1)^th to (N-1+i)^th antennas to generate a virtual received signal received from a new virtual antenna corresponding to an (N+i)^th antenna. As incrementing, by one, the number i of signals received from the virtual antenna, obtaining the conversion matrix and generating the virtual received signal are repeated until the number i reaches a preset number M. By using a preset number M of virtual received signals and signals directly received from an N number of actual antennas together, a DOA estimation algorithm such as the Bartlett algorithm is performed to calculate a DOA. Because the DOA estimation method and apparatus can be used even when antenna intervals are narrow, a grating lobe is not generated while maintaining a high resolution. It is not required to set an initial sector. The number of virtual antennas can be increased three times or more than the number of actual antennas.

Description

균일 선형 배열 안테나 기반의 가상 수신신호 생성을 이용한 도래각 추정 방법 및 장치 {Method and apparatus for estimating direction of arrival using generation of virtual received signals based on uniform linear array antenna} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for estimating an arrival angle using a virtual reception signal based on a uniform linear array antenna,

본 발명은 균일 선형 배열(uniform linear array: ULA) 안테나 관련 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ULA 안테나를 기반으로 가상의 수신신호를 생성하여 수신신호의 도래각(direction of arrival: DOA)을 추정하는 방법과 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a technique related to a uniform linear array (ULA) antenna, and more particularly, to a technique of generating a virtual received signal based on a ULA antenna and estimating a direction of arrival (DOA) And more particularly,

자율 주행 차량 시스템에서 가장 중요한 문제 중 하나는 사람의 안전이다. 예기치 않은 자동차 사고를 예방하기 위해 카메라, 무선 탐지 및 거리 측정 (radio detection and ranging: RADAR) 및 광 탐지 및 거리 측정 (light detection and ranging: LIDAR)과 같은 많은 센서가 자율 차량에 사용되고 있다. 다양한 표적 감지 센서들 중에서 악천후에 사용될 수 있는 레이더가 널리 연구되고 있다.One of the most important problems in autonomous vehicle systems is human safety. Many sensors such as cameras, radio detection and ranging (RADAR) and light detection and ranging (LIDAR) are used in autonomous vehicles to prevent unexpected car accidents. Among various target detection sensors, radar that can be used in bad weather is widely studied.

예를 들어, 전방에 2대의 차량이 레이더 센서로부터 같은 거리에 서로 인접해 있을 때, 레이더는 전방의 차량이 1대가 아닌 2대가 존재한다고 인식할 수 있어야 한다. 표적들의 속도 및 거리(range)가 비슷한 경우 여러 표적을 분리하기 위해 표적으로부터 수신되는 수신신호의 DOA을 정확하게 추정하는 것이 중요하다. 따라서 다중 신호 분류 (multiple signal classification: MUSIC) 알고리즘과 회전 불변 기법을 통한 신호 파라미터의 추정(estimation of signal parameters via rotational invariance technique: ESPRIT) 알고리즘과 같은 고해상도 수신신호 DOA 추정 알고리즘이 지난 수십 년 동안 연구되어 왔다. 또한 최근 몇 년 동안에는 MUSIC 알고리즘보다 신호 대 잡음비(SNR)의 영향을 덜 받는 바틀렛(Bartlett) 알고리즘이 관심을 받고 많이 사용되고 있다.For example, when two cars in front are adjacent to each other at the same distance from the radar sensor, the radar must be able to recognize that there are two cars ahead of them. If the velocities and ranges of the targets are similar, it is important to accurately estimate the DOA of the received signal received from the target to separate multiple targets. Therefore, high-resolution received signal DOA estimation algorithms such as the multiple signal classification (MUSIC) algorithm and the estimation of signal parameters via rotational invariance technique (ESPRIT) algorithms have been studied for decades come. Also, in recent years, the Bartlett algorithm, which is less affected by the signal-to-noise ratio (SNR) than the MUSIC algorithm, has received much attention and is being widely used.

ULA 형태의 안테나를 사용하여 표적을 찾을 때, 정밀한 해상도와 높은 정확도를 얻기 위해서는 좁은 메인 빔 폭과 낮은 사이드 로브(lobe)가 요구된다. 안테나 어레이의 구경(aperture)이 넓은 경우, 메인 로브의 빔 폭은 좁다. 좁은 빔 폭은 밀접하게 인접한 표적들도 구별할 수 있게 해준다. 그러나 사이드 로브 (side lobes) 및 그레이팅 로브 (grating lobes)가 발생하여 표적의 위치를 결정하는 것을 방해 할 수 있다. When searching for a target using an ULA-type antenna, a narrow main beam width and a low side lobe are required to achieve precise resolution and high accuracy. When the aperture of the antenna array is wide, the beam width of the main lobe is narrow. The narrow beam width allows for the identification of closely adjacent targets. However, side lobes and grating lobes can occur and prevent positioning of the target.

또한, 이 안테나 어레이의 넓은 구경은 너무 큰 공간을 차지한다. Also, the wide aperture of this antenna array occupies a space that is too large.

이런 문제점들을 한꺼번에 해결하기 위해 여러 가지 방법들이 제안되었지만, 아직까지는 만족할만한 해결책으로 평가받지 못하고 있다.Several methods have been proposed to solve these problems at once, but they have not yet been evaluated as a satisfactory solution.

레이더의 수신신호 도래각 측정 시 분해능을 높이기 위해서는 안테나 수를 늘리는 것이 좋다. 하지만 실제의 물리적 안테나의 수를 늘리면 그것들이 차지하는 공간이 넓어지는 문제가 있다. 실제 안테나 수를 늘리는 대신 그것을 이용한 가상의 안테나를 만들어 전체 안테나 수가 늘어난 효과를 얻을 수 있다. 기존의 방법은 늘릴 수 있는 가상 안테나의 개수가 실제 안테나 수에 영향을 받는 방식이어서 한계가 있었다.It is better to increase the number of antennas in order to increase the resolution when measuring the arrival of the received signal of the radar. However, increasing the number of actual physical antennas increases the space occupied by them. Instead of increasing the number of actual antennas, a virtual antenna using the antenna can be used to increase the total number of antennas. The existing method is limited because the number of virtual antennas that can be increased is influenced by the actual number of antennas.

본 발명은 ULA 안테나 환경에서 늘일 수 있는 가상 안테나의 개수를 종래기술에 비해 더 많게 하고, 제한된 안테나 구경 크기에서 좁은 빔 폭과 낮은 사이드 로브를 가지게 하고 그레이팅 로브를 발생시키지 않음으로써 수신신호 도래각 분해능을 더 향상시킬 수 있는 ULA 안테나 기반의 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 도래각 추정 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has the advantage that the number of virtual antennas that can be extended in the ULA antenna environment is increased compared to the prior art, the narrow beam width and the low side lobe are limited and the grating lobe is not generated at the limited antenna aperture size, The present invention also provides a method and an apparatus for estimating a received signal arrival angle using a virtual received signal generation based on a ULA antenna.

상기 목적을 달성하기 위한 실시예들에 따르면, ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정방법은, N개의 실제 안테나가 일렬로 등간격 d 로 이격 배치된 ULA 안테나에서, i번째부터 'N-2+i'번째까지의 안테나로 받은 수신신호들과 'N-1+i'번째 안테나로 받은 수신신호의 관계를 나타내는 변환 행렬을 구하는 단계; 구해진 변환 행렬을 'i+1'번째부터 'N-1+i'번째까지의 안테나로 받은 수신신호들에 해당하는 값에 곱해서 'N+i'번째에 해당하는 새로운 가상안테나로 받은 가상 수신신호를 생성하는 단계; 및 가상 안테나로 수신하는 신호의 개수 i를 하나씩 증가시키면서, 상기 개수 i가 미리 설정된 개수 M에 이를 때까지 상기 변환행렬을 구하는 단계와 상기 가상 수신신호를 생성하는 단계를 반복적으로(recursively) 수행하는 단계를 포함한다.According to embodiments of the present invention, a received signal DOA estimation method using ULA antenna-based virtual receive signal generation is a method of estimating a received signal DOA using a ULA antenna in which N actual antennas are spaced apart by a uniform distance d , Obtaining a transformation matrix representing a relationship between received signals received by the (N-2) th antenna and received signals received by the (N-1 + i) th antenna; The transformed matrix obtained is multiplied by a value corresponding to the received signals received from the (i + 1) th to the (N-1 + i) th antennas, and the virtual received signal received by the new virtual antenna corresponding to the (N + ≪ / RTI > And a step of obtaining the transformation matrix until the number i reaches a preset number M while increasing the number i of signals received by the virtual antenna by one and generating the virtual reception signal recursively .

상기 수신신호 DOA 추정방법의 일 실시예에 있어서, 상기 미리 설정된 개수 M는 적어도 신호 대 잡음 비(SNR) 및 상기 안테나들의 간격을 고려하여 정하되, 수신신호 도래각(DOA) 분해능의 성능 향상이 이루어질 수 있는 최대의 가상 안테나 개수일 수 있다. In one embodiment of the received signal DOA estimation method, the predetermined number M is determined in consideration of at least a signal-to-noise ratio (SNR) and an interval of the antennas, and a performance improvement of a received signal arrival angle (DOA) The maximum number of virtual antennas that can be received.

상기 수신신호 DOA 추정방법의 일 실시예에 있어서, 상기 미리 설정된 개수 M는 상기 실제 안테나 개수 N의 적어도 3배 이상일 수 있다. In one embodiment of the received signal DOA estimation method, the preset number M may be at least three times the actual number N of antennas.

상기 수신신호 DOA 추정방법의 일 실시예에 있어서, 상기 안테나 간격 d는 상기 수신신호의 파장 λ보다 크지 않는 것일 수 있다.In one embodiment of the received signal DOA estimation method, the antenna spacing d may not be greater than the wavelength? Of the received signal.

상기 수신신호 DOA 추정방법의 일 실시예에 있어서, 상기 변환 행렬은 수신신호들 간의 관계에 기초하여 선형 최소 제곱 (Linear Least Square: LLS) 방법을 사용하여 구할 수 있다.In one embodiment of the received signal DOA estimation method, the transform matrix may be obtained using a linear least squares (LLS) method based on a relationship between received signals.

상기 수신신호 DOA 추정방법의 일 실시예에 있어서, 전방의 표적으로부터 반사되어 되돌아오는 시간 도메인의 무선신호를 N개의 실제 안테나가 수신하는 단계; 수신된 시간 도메인의 무선신호를 주파수 도메인의 신호로 변환하는 단계; 및 변환된 주파수 도메인의 신호 중 비트 주파수에 해당하는 신호를 시간 도메인의 신호로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 변환 행렬을 구하는 데 이용되는 신호는 비트 주파수에 해당하는 신호에 대응하는 시간 도메인 신호일 수 있다.In one embodiment of the method for estimating a received signal DOA, the method includes the steps of: N real antennas receiving radio signals in a time domain reflected back from a target ahead; Converting a radio signal of the received time domain into a signal of a frequency domain; And converting the signal corresponding to the bit frequency of the signal of the converted frequency domain into a signal of the time domain. Also, the signal used to obtain the transformation matrix may be a time domain signal corresponding to a signal corresponding to a bit frequency.

상기 수신신호 DOA 추정방법의 일 실시예에 있어서, 상기 '주파수 도메인의 신호로 변환하는 단계'는, 상기 '수신된 시간 도메인의 무선신호를' 힐버트 변환을 이용하여 복소수 신호 형태로 변환하는 단계; 상기 복소수 신호에 대하여 푸리에변환을 수행하는 주파수 도메인의 신호로 변환하는 단계; 및 변환된 주파수 도메인의 신호를 캘리브레이션 하는 단계를 포함할 수 있다. In one embodiment of the method for estimating a received signal DOA, the step of converting to a frequency domain signal includes: converting the received time domain radio signal into a complex signal form using Hilbert transform; Converting the complex-valued signal into a frequency-domain signal for performing Fourier transform; And calibrating the signal in the transformed frequency domain.

상기 수신신호 DOA 추정방법의 일 실시예에 있어서, 상기 '비트 주파수에 해당하는 신호를 시간 도메인의 신호로 변환하는 단계'는, 변환된 주파수 도메인의 신호 중에서 비트 주파수에 해당하는 신호를 추출하는 단계; 및 추출한 비트 주파수에 해당하는 신호를 역 푸리에변환하여 시간 도메인의 신호로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment of the received signal DOA estimation method, the step of converting the signal corresponding to the 'bit frequency into the signal in the time domain' includes extracting a signal corresponding to a bit frequency among the signals in the converted frequency domain ; And converting the signal corresponding to the extracted bit frequency into an inverse Fourier transformed signal and a time domain signal.

상기 수신신호 DOA 추정방법의 일 실시예에 있어서, 상기 미리 설정된 개수(M)의 가상의 수신신호와 상기 N개의 실제 안테나로 직접 받은 수신신호를 함께 이용하여 소정의 수신신호 DOA 추정 알고리즘을 수행함으로써 수신신호 DOA를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the reception signal DOA estimation method, a predetermined reception signal DOA estimation algorithm is performed by using the virtual reception signal of the predetermined number (M) and the reception signal directly received by the N actual antennas together And calculating the received signal DOA.

상기 수신신호 DOA 추정방법의 일 실시예에 있어서, 상기 소정의 수신신호 DOA 추정 알고리즘은 바틀렛 알고리즘일 수 있다.In one embodiment of the received signal DOA estimation method, the predetermined received signal DOA estimation algorithm may be a Bartlett algorithm.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 의하면, 일렬로 등간격 d 로 이격 배치되고 전방에서 입사되는 무선신호를 수신하는 N개의 실제 안테나를 포함하는 ULA 수신 안테나; 상기 ULA 수신 안테나의 각 안테나를 통해 수신된 N개의 수신신호로부터 소정의 신호를 추출하여 N개의 디지털 신호로 변환하는 수신부; 및 상기 수신부가 제공하는 상기 N개의 디지털 신호를 제공받아 가상 안테나를 통해 수신되는 미리 설정된 M개의 가상 수신신호를 생성하고, 생성된 상기 M개의 가상 수신신호와 상기 수신부가 제공하는 상기 N개의 디지털 신호를 함께 이용하여 수신신호 DOA 추정값을 산출하는 신호처리부를 포함하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정 장치가 제공된다. 상기 수신신호 DOA 추정 장치에 있어서, 상기 M개의 가상 수신신호는 (a) i번째부터 'N-2+i'번째까지의 안테나로 받은 수신신호들과 'N-1+i'번째 안테나로 받은 수신신호의 관계를 나타내는 변환행렬을 구하는 처리와, (b) 구해진 변환행렬을 'i+1'번째부터 'N-1+i'번째까지의 안테나로 받은 수신신호들에 해당하는 값에 곱해서 'N+i'번째에 해당하는 새로운 가상안테나로 받은 가상 수신신호를 생성하는 처리의 두 처리 (a)와 (b)를 가상 안테나로 수신하는 신호의 개수 i를 하나씩 증가시키면서, 상기 개수 i가 M에 이를 때까지 반복적으로(recursively) 수행하는 것에 의해 생성된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a ULA receiving antenna including N actual antennas spaced apart from each other by an equal distance d and receiving radio signals incident from a front side, A receiver for extracting a predetermined signal from N received signals received through the antennas of the ULA receiving antenna and converting the signals into N digital signals; And a controller configured to receive the N digital signals provided by the receiver to generate M preset virtual reception signals received through a virtual antenna, to generate M virtual reception signals and N digital signals And a signal processing unit for calculating a reception signal DOA estimation value by using the received signal DOA estimation value. In the received signal DOA estimation device, the M virtual reception signals are (a) received signals received from the i-th to (N-2 + i) (B) multiplying the obtained transformation matrix by a value corresponding to the reception signals received from the (i + 1) th to the (N-1 + i) th antennas, (A) and (b) of a process of generating a virtual reception signal received by a new virtual antenna corresponding to the (N + i) -th antenna, the number i of signals to be received by the virtual antenna is incremented by one, By recursively repeating the process until it reaches the end.

상기 수신신호 DOA 추정 장치의 일 실시예에 있어서, 상기 미리 설정된 개수 M은 상기 실제 안테나 개수 N의 적어도 3배 이상일 수 있다.In one embodiment of the received signal DOA estimator, the predetermined number M may be at least three times the actual number N of antennas.

상기 수신신호 DOA 추정 장치의 일 실시예에 있어서, 상기 신호처리부는 수신신호들 간의 관계에 기초하여 선형 최소 제곱 (Linear Least Square: LLS) 방법을 사용하여 상기 변환 행렬을 구할 수 있다.In one embodiment of the received signal DOA estimator, the signal processor may obtain the transform matrix using a linear least squares (LLS) method based on a relationship between received signals.

상기 수신신호 DOA 추정 장치의 일 실시예에 있어서, 상기 신호처리부는 (c) 전방의 표적으로부터 반사되어 되돌아오는 시간 도메인의 무선신호를 N개의 실제 안테나가 수신하는 처리, (d) 시간 도메인의 무선신호를 주파수 도메인의 신호로 변환하는 처리, 그리고 (e) 변환된 주파수 도메인의 수신신호 중 비트 주파수에 해당하는 신호를 시간 도메인의 신호로 변환하는 처리를 통해 상기 변환 행렬을 구하는 데 이용되는 신호를 만들어낼 수 있다.(C) a process in which N actual antennas receive radio signals in a time domain reflected back from a target in front of the target, (d) (E) a signal used to obtain the transform matrix through a process of converting a signal corresponding to a bit frequency of the received signal of the transformed frequency domain into a signal in the time domain, Can be created.

상기 수신신호 DOA 추정 장치의 일 실시예에 있어서, 상기 신호처리부는, 상기 '주파수 도메인의 신호로 변환하는 처리'(d)를 위해, (f) 상기 '수신된 시간 도메인의 무선신호를' 힐버트 변환을 이용하여 복소수 신호 형태로 변환하는 처리, (g) 상기 복소수 신호에 대하여 푸리에변환을 수행하는 주파수 도메인의 신호로 변환하는 처리, 그리고 (h) 변환된 주파수 도메인의 신호를 캘리브레이션 하는 처리를 수행할 수 있다.In one embodiment of the reception signal DOA estimating apparatus, the signal processing unit may further include: (f) a signal processing unit for converting the 'received wireless signal in the time domain' into ' (G) a process of converting the complex number signal into a signal of a frequency domain for performing a Fourier transform, and (h) a process of calibrating a signal of the converted frequency domain. can do.

상기 수신신호 DOA 추정 장치의 일 실시예에 있어서, 상기 신호처리부는, 상기 '비트 주파수에 해당하는 신호를 시간 도메인의 신호로 변환하는 처리'(e)를 위해, (i) 변환된 주파수 도메인의 신호 중에서 비트 주파수에 해당하는 신호를 추출하는 처리, 그리고 (j) 추출한 비트 주파수에 해당하는 신호를 역 푸리에변환하여 시간 도메인의 신호로 변환하는 처리를 수행할 수 있다.In the embodiment of the reception signal DOA estimating apparatus, the signal processing unit may be configured to (i) convert the signal corresponding to the bit frequency into a signal in the time domain, Extracting a signal corresponding to a bit frequency from the signal, and (j) performing inverse Fourier transform on a signal corresponding to the extracted bit frequency to convert the signal into a time domain signal.

본 발명은 표적으로부터 반사되어 돌아오는 실제 수신신호들 간의 관계에 기초한 외삽법(extrapolation)을 통해 가상의 안테나를 만든다. 본 발명에 따른 변환 벡터를 이용한 개선된 수신신호 DOA 추정 기술은 안테나 개구 크기가 작은 경우에도 상당히 높은 분해능을 갖는다. The present invention creates a virtual antenna through extrapolation based on the relationship between the actual received signals reflected back from the target. The improved received signal DOA estimation technique using the transformed vector according to the present invention has a significantly higher resolution even when the antenna aperture size is small.

본 발명은 적은 수의 안테나를 사용하는 경우에도 많은 안테나가 있을 때와 같은 효과를 낼 수 있다. 본 발명에 따르면, 기존의 외삽법과는 달리 가상 안테나의 수를 실제의 물리적 안테나 수의 적어도 3배 이상으로 증가시킬 수 있다. 본 발명은 선형 예측 확장을 이용하여 가상 안테나 수를 많이 늘릴 수 있고, 그에 따라 분해능 향상 정도도 더욱 커진다. Even when a small number of antennas are used, the present invention can achieve the same effect as when there are many antennas. According to the present invention, unlike the conventional extrapolation method, the number of virtual antennas can be increased to at least three times the actual number of physical antennas. According to the present invention, the number of virtual antennas can be greatly increased by using the linear prediction extension, and the degree of resolution improvement is further increased.

또한, 본 발명은 수신신호 DOA 추정 시, 종래의 보간 방법과는 달리, 초기 검출대상 섹터를 설정할 필요가 없기 때문에 종래의 보간 방법보다 훨씬 간단하다. Further, unlike the conventional interpolation method, the present invention is much simpler than the conventional interpolation method because it is not necessary to set the initial detection target sector when estimating the received signal DOA.

본 발명은 안테나 간격이 좁은 경우에도 사용될 수 있기 때문에 높은 해상도를 유지하면서 그레이팅 로브(grating lobe)를 생성하지 않는 이점이 있다. 그레이팅 로브 가 생기지 않기 때문에 그레이팅 로브 (grating lobe)가 실제 표적으로 오판되는 경우가 생기지 않는다. 즉, 제한된 안테나 구경 크기에서 좁은 빔 폭과 낮은 사이드 로브와 낮은 그레이팅 로브를 동시에 가지므로, 고해상도를 실현할 수 있다.  The present invention has the advantage of not generating a grating lobe while maintaining a high resolution because it can be used even when the antenna interval is narrow. Since there is no grating lobe, the grating lobe is not misjudged as an actual target. That is, since a narrow beam width, a low side lobe and a low grating lobe are simultaneously provided at a limited antenna aperture size, high resolution can be realized.

본 발명은 자율주행 차량용 레이더에 적용할 수 있다. 향상된 분해능을 통해 전방에 근접해 있는 복수 대의 차량들을 한 대로 오인하지 않고 실제 차량 대수만큼 정확하게 인식할 수 있게 해준다. 이에 의해 정확한 전방 감시가 가능하고 차량 충돌 사고 등을 효과적으로 예방할 수 있다. The present invention can be applied to a radar for an autonomous vehicle. The enhanced resolution allows multiple vehicles near the front to be recognized as accurately as the actual number of vehicles without being mistaken for one. As a result, it is possible to precisely observe the front side and effectively prevent a vehicle collision accident or the like.

도 1은 N개의 안테나가 ULA의 형태로 배열된 ULA 안테나의 무선신호 수신을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 시스템의 구성을 예시한다.
도 3은 본 발명에 따른 방법에 기초한 수신신호 DOA의 추정 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 도 3의 흐름도의 단계 S200의 구체적인 실행 절차를 나타낸다.
도 5는 도 3의 흐름도의 단계 S300의 구체적인 실행 절차를 나타낸다.
도 6은 도 3의 흐름도의 단계 S400의 구체적인 실행 절차를 나타낸다.
도 7은 도 2의 시스템의 DSP에서 본 발명에 따른 방법에 기초한 수신신호 DOA 추정을 위한 연산과정을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 가상 안테나를 이용한 가상 안테나 수신신호를 증가시키는 방법을 개념적으로 도시한다.
도 8은 실제 안테나의 수신신호를 이용하여 가상 안테나의 수신신호를 산출하는 본 발명의 방법을 개념적으로 도시한다.
도 9는 본 발명의 알고리즘을 차량용 레이더 장치에 적용하여 전방의 2대의 차량을 인식하는 상황을 나타낸다.
도 10은 실제의 안테나 배열과 가상 안테나를 이용한 확장 배열 각각에 대한 바틀렛 의사 스펙트럼(Bartlett pseudospectrum)을 예시한다.
도 11의 (a)와 (b)는 레이더 장치의 검출대상 섹터가 [-5°, 5°]로 좁은 경우와 [-15°, 15°]로 넓은 경우 각각에 대하여 본 발명에 따른 알고리즘°으로 가상 안테나의 수신신호를 생성하여 바틀렛 알고리즘을 적용한 경우와, 종래의 보간법으로 가상 수신신호를 생성하여 바틀렛 알고리즘을 적용한 경우의 바틀렛 의사 스펙트럼을 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 외삽 알고리즘에 의해 생성된 가상 안테나의 수의 변화에 따른 표적 위치의 추정 성능에 관한 평균 제곱근 오차(root mean square error: RMSE)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13은 안테나 수의 증가에 따른 RMSE error의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 14는 ULA 어레이에서 64 개의 안테나가 사용될 때 각 안테나에 대한 수신신호 강도를 도시한다.
도 15는 가상 안테나의 위치 변화 및 안테나 수의 증가에 따른 변환 벡터 u의 구성요소 값의 변화를 나타낸다.
1 shows a wireless signal reception of a ULA antenna in which N antennas are arranged in the form of a ULA.
Figure 2 illustrates the configuration of a system for implementing the method according to the present invention.
3 is a flow chart illustrating an estimation procedure of a received signal DOA based on the method according to the present invention.
Fig. 4 shows a concrete execution procedure of step S200 of the flowchart of Fig.
FIG. 5 shows a concrete execution procedure of step S300 of the flowchart of FIG.
FIG. 6 shows a concrete execution procedure of step S400 of the flowchart of FIG.
Fig. 7 shows a calculation procedure for the received signal DOA estimation based on the method according to the invention in the DSP of the system of Fig.
FIG. 8 conceptually shows a method of increasing a virtual antenna receive signal using a virtual antenna according to the present invention.
FIG. 8 conceptually shows a method of the present invention for calculating a reception signal of a virtual antenna using a reception signal of an actual antenna.
Fig. 9 shows a situation in which two vehicles in front are recognized by applying the algorithm of the present invention to a radar system for a vehicle.
FIG. 10 illustrates a Bartlett pseudospectrum for an actual antenna array and an extended array using a virtual antenna, respectively.
11A and 11B are diagrams for explaining the algorithm according to the present invention for the case where the detection target sector of the radar apparatus is narrowed to [-5 deg., 5 deg.] And when it is wide to [-15 deg., 15 deg. And a Bartlet pseudo spectrum in a case where a Bartlet algorithm is applied by generating a virtual reception signal by a conventional interpolation method.
12 is a graph showing a change in a root mean square error (RMSE) with respect to the estimation performance of a target position according to a change in the number of virtual antennas generated by an extrapolation algorithm according to the present invention.
13 is a graph showing a change in an RMSE error with an increase in the number of antennas.
14 shows the received signal strength for each antenna when 64 antennas are used in a ULA array.
15 shows a change in the component value of the conversion vector u as the positional change of the virtual antenna and the increase in the number of antennas.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 관해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 N개의 안테나가 일렬로 등간격 d 로 이격 배치된 ULA 안테나에서 전방의 표적으로부터 반사되어 되돌아오는 무선신호를 수신하는 것을 나타낸다. 이와 같은 ULA 형태의 안테나에서, 수신신호

Figure pat00001
는 다음과 같이 표현 될 수 있다.FIG. 1 shows that N antennas receive a radio signal reflected from a target ahead in a ULA antenna spaced apart by an equal distance d in a row. In such an ULA type antenna,
Figure pat00001
Can be expressed as follows.

Figure pat00002
......(1)
Figure pat00002
......(One)

여기서,

Figure pat00003
,
Figure pat00004
는 전치 연산자, N 은 안테나의 수를 나타낸다.
Figure pat00005
는 스티어링 행렬(steering matrix)이다. 스티어링 행렬은 다음과 같이 주어진 스티어링 벡터
Figure pat00006
로 구성된다.here,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
Denotes a permutation operator, and N denotes the number of antennas.
Figure pat00005
Is a steering matrix. The steering matrix is given by:
Figure pat00006
.

Figure pat00007
......(2)
Figure pat00007
......(2)

여기서, L은 표적의 수, λ는 안테나의 수신신호의 파장, d i 는 첫 번째 안테나에서 i 번째 안테나까지의 거리, 본 발명의 실시예에서는 ULA가 사용되기 때문에

Figure pat00008
이고, 여기서 d 는 안테나 간격이다.
Figure pat00009
는 시간 t에서의 Lx1 입사 신호 벡터를 나타내며,
Figure pat00010
는 Nx1 제로 평균 백색 가우시안 잡음 벡터(zero mean white Gaussian noise vector)를 나타내고,
Figure pat00011
는 ULA 안테나 배열의 연장선과 직각을 이루는 직선과 각 안테나로 수신되는 입사 신호 벡터가 이루는 각을 나타낸다.Here, L is the number of the target ,? Is the wavelength of the received signal of the antenna, d i is the distance from the first antenna to the i- th antenna, ULA is used in the embodiment of the present invention
Figure pat00008
, Where d is the antenna spacing.
Figure pat00009
Represents the Lx1 incident signal vector at time t,
Figure pat00010
Denotes a Nx1 zero mean white Gaussian noise vector,
Figure pat00011
Represents the angle formed by a straight line perpendicular to the extension line of the ULA antenna array and an incident signal vector received by each antenna.

수신된 신호의 자기 상관 행렬(autocorrelation matrix)은 다음과 같이 추정 될 수 있다.The autocorrelation matrix of the received signal can be estimated as follows.

Figure pat00012
......(3)
Figure pat00012
(3)

여기서,

Figure pat00013
는 기대값(Expectation)을 나타내고,
Figure pat00014
는 수신신호
Figure pat00015
의 상관행렬을 나타내며,
Figure pat00016
는 공액 전치 연산(conjugate transpose operation)을 나타낸다. 만약 신호가 에르고드적(ergodic: 상당한 기간이 지난 후, 하나의 체계가 최초의 상태와 거의 비슷한 상태로 돌아가는 조건 하에 있는)인 경우, 앙상블 평균(ensemble average)은 시간 평균으로 표현할 수 있으므로 시간 평균을 사용하여 자기 상관 행렬
Figure pat00017
를 계산할 수 있다.here,
Figure pat00013
Represents an expected value,
Figure pat00014
Lt; RTI ID =
Figure pat00015
≪ / RTI >
Figure pat00016
Represents a conjugate transpose operation. If the signal is ergodic, then the ensemble average can be expressed as a time average, so that if the system is under a condition that returns to a state almost similar to the original state, Using Autocorrelation Matrices
Figure pat00017
Can be calculated.

Figure pat00018
......(4)
Figure pat00018
......(4)

여기서, K 는 시간 샘플의 개수이다.Here, K is the number of time samples.

한편, 바틀렛 알고리즘(Bartlett Algorithm)의 목표는 잡음의 크기를 일정하게 유지하면서 수신된 신호의 전력을 최대화하는 가중치 벡터를 결정하는 것이다. 어레이 출력은 수신신호에 가중치 벡터 w 를 곱한 값으로 표현 될 수 있다.On the other hand, the goal of the Bartlett Algorithm is to determine a weight vector that maximizes the power of the received signal while keeping the magnitude of the noise constant. The array output may be expressed as a value obtained by multiplying the received signal by a weight vector w .

Figure pat00019
......(5)
Figure pat00019
(5)

여기서, w 는 Nx1 가중치 벡터이고, y(t)는 수신신호의 가중 출력이다. 각도 θ에서 오는 신호가 있으면 어레이 출력은 다음과 같이 표현될 수 있다.Where w is the Nx1 weight vector and y (t) is the weighted output of the received signal. If there is a signal coming from the angle θ, the array output can be expressed as:

Figure pat00020
......(6)
Figure pat00020
(6)

여기서

Figure pat00021
이고,
Figure pat00022
은 잡음 분산을 나타낸다. 잡음 성분의 크기를 일정하게 유지하기 위해,
Figure pat00023
로 설정한다. 따라서 식 (6)의 해는 다음과 같다.here
Figure pat00021
ego,
Figure pat00022
Represents the noise variance. To keep the size of the noise component constant,
Figure pat00023
. Therefore, the solution of equation (6) is as follows.

Figure pat00024
......(7)
Figure pat00024
(7)

바틀렛 알고리즘의 출력 스펙트럼은 다음과 같이 나타낼 수 있다.The output spectrum of the Bartlett algorithm can be expressed as:

Figure pat00025
......(8)
Figure pat00025
......(8)

도 2는 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 ULA 안테나 기반 레이더 시스템의 예시적인 구성을 나타낸다. 이 레이다 시스템(10)은 ULA 수신 안테나(60)에 연결된 수신부(30)와, ULA 송신 안테나(70)에 연결된 송신부(20), 그리고 송신부(20)와 수신부(30)에 연결된 디지털신호처리부(40)를 포함할 수 있다. 레이다 시스템(10)은 신호처리부(40)에 연결된 사용자 인터페이스(User Interface, 50)를 더 포함할 수 있다. 2 shows an exemplary configuration of a ULA antenna based radar system for implementing the method according to the present invention. The radar system 10 includes a receiving unit 30 connected to a ULA receiving antenna 60, a transmitting unit 20 connected to a ULA transmitting antenna 70, a digital signal processing unit connected to the transmitting unit 20 and the receiving unit 30, 40). The radar system 10 may further include a user interface 50 connected to the signal processing unit 40.

ULA 수신 안테나(60)와 ULA 송신 안테나(70)는 각각 다수의 안테나를 포함할 수 있다. 특히, ULA 수신 안테나(60)는 다수의 안테나가 등간격으로 일렬로 배치된 ULA 형태의 안테나 배열을 가질 수 있다. 송신 안테나(70)를 통해 송출된 무선주파수 신호가 전방의 표적에서 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 ULA 수신 안테나(60)가 수신할 수 있다.The ULA receive antenna 60 and the ULA transmit antenna 70 may each include a plurality of antennas. In particular, the ULA receiving antenna 60 may have a ULA type antenna array in which a plurality of antennas are arranged in a line at equal intervals. The ULA receiving antenna 60 can receive a reflected signal that is reflected from a target ahead of the radio frequency signal transmitted through the transmitting antenna 70 and returned.

송신부(20)는 송신 안테나(70)를 통해 전방의 표적으로 레이더 신호를 무선으로 송출한다. 일 실시예에 따르면, 송신부(20)는 파형발생기(Waveform Generator, 24), 발진기(26), 전력증폭기(Power Amplifier: PA, 28)를 포함할 수 있다. 파형발생기(24)는 신호처리부(40)가 제공하는 디지털 송신신호에 기초하여 원하는 주기와 모양의 아날로그 파형을 갖는 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어 신호발생기(24)는 삼각파형의 변조된 신호(삼각파)를 송신신호로서 발진기(26)에 제공할 수 있다. 발진기(26)는 파형발생기(24)가 생성한 송신신호를 무선 송출하기 위해 고주파수의 무선주파수(RF) 신호로 변환한다. 발진기(26)는 예를 들어 파형발생기(24)가 제공하는 송신신호의 주파수 변조를 수행할 수 있다. 또한, 발진기(26)는 그 변환된 RF 신호를 수신부(30)의 혼합기(34)에 참조신호로 제공할 수 있다. 전력 증폭기(28)는 발진기(26)에서 출력되는 RF 신호를 송출에 필요한 출력으로 증폭하여 송신 안테나(70)에 제공한다. 발진기(26)는 예컨대 전압제어발진기(Voltage Control Oscillator: VCO)로 구성될 수 있다.The transmission unit 20 wirelessly transmits the radar signal to the target ahead through the transmission antenna 70. [ According to one embodiment, the transmitter 20 may include a waveform generator 24, an oscillator 26, and a power amplifier (PA) 28. The waveform generator 24 can generate a signal having an analog waveform of a desired period and shape based on the digital transmission signal provided by the signal processing unit 40. [ For example, the signal generator 24 may provide a triangular waveform modulated signal (triangular wave) to the oscillator 26 as a transmit signal. The oscillator 26 converts the transmission signal generated by the waveform generator 24 into a high frequency radio frequency (RF) signal for wireless transmission. The oscillator 26 may, for example, perform frequency modulation of the transmit signal provided by the waveform generator 24. [ The oscillator 26 may also provide the converted RF signal to the mixer 34 of the receiver 30 as a reference signal. The power amplifier 28 amplifies the RF signal output from the oscillator 26 to an output required for transmission and provides the amplified RF signal to the transmission antenna 70. The oscillator 26 may be composed of, for example, a voltage controlled oscillator (VCO).

수신부(30)는 송신 안테나(70)에서 송출된 후 전방의 표적에 부딪혀 반사되어 되돌아오는 RF 신호를 수신 안테나(60)를 통해 전달받는다. 수신부(30)는 그 RF 신호를 송신부(20)의 발진기(26)로부터 제공된 참조 신호를 기초로 하향 변환한 다음 디지털 신호로 변환하여 신호처리부(40)에 제공할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 수신부(30)는 수신 안테나(60)를 구성하는 각 안테나마다 저잡음 증폭기(Low-Noise Amplifier: LNA)(32), 믹서(34), 그리고 아날로그-디지털 변환기(Analog-to-Digital Converter: ADC, 38)를 포함할 수 있다.The receiving unit 30 receives the RF signal reflected from the target after being transmitted from the transmitting antenna 70 and reflected back to the target through the receiving antenna 60. The receiving unit 30 down-converts the RF signal based on the reference signal provided from the oscillator 26 of the transmitting unit 20, converts the RF signal into a digital signal, and provides the digital signal to the signal processing unit 40. The receiver 30 includes a low-noise amplifier (LNA) 32, a mixer 34, and an analog-to-digital converter 34 for each antenna constituting the receiving antenna 60. The low- -Digital Converter: ADC, 38).

저잡음 증폭기(32)는 ULA 수신 안테나(60)의 대응 안테나에 연결되어 ULA 수신 안테나(60)가 잡은 미약한 수신신호를 증폭시킨다. 저잡음 증폭기(32)에 의해 증폭된 수신신호는 혼합기(34)에 제공된다. 혼합기(34)는 상기 증폭된 수신신호와 송신부(20)의 발진기(26)로부터 제공되는 상기 RF 신호 간의 주파수 차이에 기초하여 상기 수신신호를 하향 변환할 수 있다. 즉, 혼합기(34)에서는 상기 증폭된 수신신호와 송신부(20)의 발진기(26)로부터 제공되는 상기 RF 신호가 혼합되어, 그 두 신호 간의 주파수 차이가 산출되고, 그 산출된 차주파수를 주파수로 갖는 비트 신호(beat signal)가 얻어진다. 혼합기(34)에서 얻어지는 비트 신호는 ADC(38)에 의해 디지털 신호로 변환된다. 이렇게 얻어진 디지털 수신신호는 신호처리부(40)로 제공된다. 수신부(30)는 혼합기(34)에서 출력되는 상기 비트 신호에 포함된 저주파성분을 제거하기 위한 저역통과필터(Low-Pass Filter: LPF,36)를 더 포함할 수 있다.The low noise amplifier 32 is connected to a corresponding antenna of the ULA receiving antenna 60 to amplify a weak reception signal captured by the ULA receiving antenna 60. The received signal amplified by the low-noise amplifier 32 is supplied to the mixer 34. [ The mixer 34 may downconvert the received signal based on the frequency difference between the amplified received signal and the RF signal provided from the oscillator 26 of the transmitter 20. That is, in the mixer 34, the amplified received signal and the RF signal provided from the oscillator 26 of the transmitter 20 are mixed, the frequency difference between the two signals is calculated, and the calculated difference frequency is converted into a frequency A beat signal is obtained. The bit signal obtained in the mixer 34 is converted into a digital signal by the ADC 38. The digital received signal thus obtained is provided to the signal processing unit 40. The receiving unit 30 may further include a low-pass filter (LPF) 36 for removing a low-frequency component included in the bit signal output from the mixer 34.

일 실시예에 따르면, 신호처리부(40)는 송신부(20), 수신부(30), 사용자 인터페이스(50)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 신호처리부(40)는 전방 표적으로부터 반사된 신호에 대응하는 디지털 정보를 수신부(30)로부터 제공받아 이하에서 설명하는 방법에 따라 연산 처리하여 전방 표적으로부터 수신되는 수신신호의 DOA를 추정한다. 또한, 신호처리부(40)는 발신 안테나(70)를 통해 표적으로 송출할 정보를 신호처리를 통해 생성하여 송신부(20)에 제공한다. 신호처리부(40)는 예를 들어 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor: DSP), 마이크로 컴퓨터 등으로 구현될 수 있다. According to one embodiment, the signal processing unit 40 can control the overall operation of the transmitting unit 20, the receiving unit 30, and the user interface 50. The signal processing unit 40 receives the digital information corresponding to the signal reflected from the forward target from the receiving unit 30 and performs arithmetic processing according to the method described below to estimate the DOA of the received signal received from the forward target. In addition, the signal processing unit 40 generates information to be transmitted as a target through the transmitting antenna 70 through signal processing, and provides the information to the transmitting unit 20. The signal processing unit 40 may be implemented by, for example, a digital signal processor (DSP), a microcomputer, or the like.

사용자 인터페이스(UI, 50)는 신호처리부(40)의 처리 결과를 표시하거나 또는 사용자의 지시를 신호처리부(40)에 전달한다.The user interface (UI) 50 displays the processing result of the signal processing unit 40 or delivers a user's instruction to the signal processing unit 40. [

도 2에 도시된 레이더 시스템(10)의 구성은 예시적인 것일 뿐이며, 무선신호의 변,복조 방식 등에 따라 다른 구성을 가질 수도 있음은 물론이다. 이 레이더 시스템(10)은 예를 들어 차량에 설치되어 차량용 레이더 장치로서 사용될 수 있다.The configuration of the radar system 10 shown in FIG. 2 is merely an example, and it is needless to say that the radar system 10 may have a different configuration depending on the demodulation method and the like of the radio signal. The radar system 10 may be installed in, for example, a vehicle and used as a radar apparatus for a vehicle.

본 발명에 따른 가상 안테나 신호 생성방법은 프로그램으로 구현될 수 있다. 그 프로그램은 신호처리부(40)에 내장되어 그것에 의해 실행될 수 있다.The method of generating a virtual antenna signal according to the present invention can be implemented by a program. The program can be embedded in the signal processing unit 40 and executed thereby.

도 3은 본 발명에 따른 방법에 기초한 수신신호 DOA의 추정 절차를 나타내는 흐름도이다. 도 7은 도 2의 레이다 시스템(10)의 신호처리부(40)에서 본 발명에 따른 방법에 기초한 수신신호 DOA 추정을 위한 연산과정을 도시한다. 3 is a flow chart illustrating an estimation procedure of a received signal DOA based on the method according to the present invention. Fig. 7 shows the calculation process for the received signal DOA estimation based on the method according to the invention in the signal processing section 40 of the radar system 10 of Fig.

레이다 시스템(10)에서 본 발명에 따른 수신신호 DOA를 추정하는 방법을 개략적으로 설명한다. 레이다 시스템(10)에서, 신호처리부(40)가 제공하는 디지털 송신신호에 기초하여 송신부(20)가 RF 신호를 만들어 송신 안테나(70)를 통해 송출한다. 송신 안테나(70)가 표적으로 송출한 RF 신호는 전방의 표적에 부딪혀 반사된다. ULA 수신 안테나(60)의 각 안테나는 그 표적에 반사되어 되돌아오는 RF 신호를 수신하여 수신부(30)에 전달할 수 있다. 수신부(30)는, 앞에서 언급했듯이 각 안테나(60)가 받은 RF 신호와 발진기(26)로부터 제공되는 상기 RF 신호 간의 주파수 차이에 기초한 비트 신호(beat signal)를 생성한 다음, 그것을 디지털 신호로 변환하여 신호처리부(40)에 제공한다(S100 단계). A method for estimating a received signal DOA according to the present invention will be schematically described in the radar system 10. In the radar system 10, the transmitting unit 20 generates an RF signal based on the digital transmission signal provided by the signal processing unit 40, and transmits the RF signal through the transmission antenna 70. [ The RF signal transmitted from the transmission antenna 70 as a target is reflected on the target in front of the target. Each antenna of the ULA receiving antenna 60 can receive the RF signal reflected back to the target and transmit it to the receiving unit 30. The receiving unit 30 generates a beat signal based on the frequency difference between the RF signal received from each antenna 60 and the RF signal provided from the oscillator 26 and converts it into a digital signal And provides it to the signal processing unit 40 (step S100).

수신부(30)가 신호처리부(40)에 제공한 그 수신 신호는 시간 도메인의 신호이다. 이를 주파수 도메인의 신호로 변환한다(S200 단계). 도 4의 흐름도는 도 3에 도시된 흐름도의 단계 S200의 구체적인 실행 절차를 나타낸다. 이를 참조하여 설명하면, 수신부(30)가 제공하는 시간 도메인의 신호는 신호처리부(40)에서 예를 들어 힐버트 변환(Hilbert Transform) 알고리즘을 이용하여 복소수 신호 형태로 변환될 수 있다(S210 단계). 그런 다음 그 변환된 복소수 신호는 패스트 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT) 알고리즘을 이용하여 주파수 도메인의 신호로 변환될 수 있다(S220 단계). 변환된 주파수 도메인 신호에 대하여 캘리브레이션 처리를 할 수 있다(S230 단계).The reception signal provided by the reception unit 30 to the signal processing unit 40 is a time domain signal. And converts it into a frequency domain signal (step S200). The flow chart of FIG. 4 shows a concrete execution procedure of step S200 of the flowchart shown in FIG. The signal in the time domain provided by the receiver 30 may be converted into a complex signal form using a Hilbert Transform algorithm in the signal processor 40 in operation S210. Then, the transformed complex signal can be converted into a frequency domain signal using Fast Fourier Transform (FFT) algorithm (operation S220). The converted frequency domain signal can be calibrated (step S230).

주파수 도메인으로 변환된 신호 중에서 비트 주파수(beat frequency)에 해당하는 신호는 시간 도메인의 신호로 다시 변환될 수 있다(S300 단계). 도 5의 흐름도는 S300 단계의 구체적인 실행절차를 나타낸다. 이를 참조하면, 푸리에 변환을 통해 얻어진 주파수 도메인 신호에서 비트 주파수 신호를 추출한다(S310 단계). 그 추출된 비트 주파수 신호에 대하여 역 패스트 푸리에 변환(IFFT)을 수행하여 시간 도메인의 신호로 변환한다(S320 단계).A signal corresponding to a beat frequency among the signals converted into the frequency domain can be converted into a signal in the time domain again (operation S300). The flow chart of FIG. 5 shows a concrete execution procedure of step S300. In operation S310, a bit frequency signal is extracted from the frequency domain signal obtained through the Fourier transform. And performs inverse fast Fourier transform (IFFT) on the extracted bit frequency signal to convert it into a time domain signal in step S320.

이렇게 하여 시간 도메인 신호가 얻어지면, 그 변환된 시간 도메인 신호를 이용하여 가상의 안테나를 통해 수신되는 가상의 수신신호를 생성한다(S400 단계). When a time domain signal is obtained in this way, a virtual reception signal received through a virtual antenna is generated using the converted time domain signal (step S400).

원하는 개수의 가상 안테나의 가상 수신신호가 얻어지면, 그 가상 수신신호와 실제의 물리적 안테나를 통해 수신된 신호를 함께 이용하여 수신신호 DOA 추정을 위한 알고리즘을 수행한다(S500 단계). When a virtual reception signal of a desired number of virtual antennas is obtained, an algorithm for estimating a reception signal DOA is performed using the virtual reception signal and a signal received through an actual physical antenna together at step S500.

본 발명은 예를 들어 바틀렛 알고리즘(Bartlett algorithm)의 해상도를 높이고 격자 로브와 사이드 로브의 레벨을 낮추기 위해 개선된 수신신호 DOA 추정 알고리즘을 제안한다. 기존의 배열 보간 알고리즘에서는 시야 범위를 나타내는 섹터를 설정해야 한다. 섹터 외부에 표적이 존재하면, 종래의 보간 알고리즘은 표적의 위치를 정확하게 추정할 수 없다. 또한 초기 섹터를 설정하려면 추가 단계를 수행해야 한다. 그러나 본 발명에 따른 방법은 섹터를 설정할 필요가 없다. The present invention proposes an improved received signal DOA estimation algorithm, for example, to increase the resolution of the Bartlett algorithm and to lower the level of lattice lobe and side lobes. In the conventional array interpolation algorithm, the sector indicating the visual range should be set. If a target is present outside the sector, conventional interpolation algorithms can not accurately estimate the position of the target. You also need to perform additional steps to set up the initial sector. However, the method according to the present invention does not need to set a sector.

도 6의 흐름도는 가상의 수신신호를 생성하는 S400 단계의 실행절차를 좀 더 구체적으로 나타낸다. 도 8은 ULA 수신 안테나(60)가 ULA 형태로 배치된 4개의 실제 안테나로 구성되는 경우, 그 4개의 실제 안테나의 수신신호를 이용하여 가상 안테나를 늘려가면서 그 가상 안테나의 수신신호를 생성하는 본 발명의 방법을 개념적으로 도시한다. 이 도면들을 더 참조하면서 가상의 수신신호를 만들어내는 처리(S400 단계)를 좀 더 구체적으로 설명한다. The flowchart of FIG. 6 shows the procedure of step S400 of generating a virtual received signal in more detail. 8 is a diagram illustrating a case where a ULA receiving antenna 60 is composed of four actual antennas arranged in the ULA form and a virtual antenna is generated using the received signals of the four actual antennas, And conceptually illustrates the method of the invention. The process of generating a virtual received signal with reference to these drawings (step S400) will be described in more detail.

ULA 수신 안테나(60)를 구성하는 실제 안테나가 N개라고 가정한다(도 8은 N=4인 경우이다). 먼저, 가상 안테나를 통해 받는 수신신호의 개수 i를 하나씩 증가시켜가면서(S410 및 S450 단계), 그 생성되는 가상 안테나를 통해 받는 가상의 수신신호를 만들어내는 처리(S420 및 S430 단계)를 반복적으로(recursively) 수행한다. 이러한 가상의 수신신호를 생성하는 처리(S420 및 S430 단계)는 가상의 안테나의 개수 i가 미리 설정해둔 최대 가상 안테나(또는 이를 통해 받는 가상의 수신신호)의 개수 M과 같아질 때까지 반복 수행한다(S440 단계). It is assumed that there are N actual antennas constituting the ULA receive antenna 60 (Fig. 8 is a case where N = 4). (Steps S420 and S430) of generating a virtual reception signal received through the generated virtual antenna while repeating steps (S420 and S430) while increasing the number i of reception signals received via the virtual antenna by one recursively. The process of generating such a virtual received signal (steps S420 and S430) is repeated until the number i of virtual antennas becomes equal to the number M of the preset maximum virtual antenna (or the virtual received signal received through it) (Step S440).

구체적으로 설명하면, 먼저 가상의 안테나의 개수 i에 1의 값을 부여한다(S410 단계). 가상의 수신신호를 만들어내기 위해, 첫 번째부터 (N-1)번째까지의 N-1개의 안테나로 받은 수신신호와, N번째 안테나로 받은 수신신호 간의 관계를 나타내는 변환 행렬(Transformation Matrix)을 구한다(i=1일 때의 S420 단계). 도 8의 (a)는 N=4인 경우 이를 예시하는데, 첫 번째부터 세 번째까지의 3개의 안테나로 수신된 신호 X1, X2, X3와 맨 마지막의 네 번째 안테나로 수신된 신호 X4 간의 관계를 나타내는 변환 행렬 U1을 구한다. 변환 행렬 U1는 1, 2, 그리고 3번 안테나의 수신신호에 가중치를 곱해서 4번 안테나의 수신신호를 만들어주는 벡터로서, 아래 식을 이용하여 구할 수 있다.Specifically, a value of 1 is assigned to the number i of virtual antennas (step S410). In order to generate a virtual reception signal, a transformation matrix (Transformation Matrix) representing a relationship between a reception signal received from the first to (N-1) th antennas and a reception signal received at the Nth antenna is obtained (step S420 when i = 1). FIG. 8A illustrates the case where N = 4, where signals X 1 , X 2 , and X 3 received by the first to third antennas and signal X 4 calculates a transformation matrix U 1 represents the relationship between. The transform matrix U 1 is a vector that multiplies the received signals of antennas 1, 2, and 3 by a weight to generate a received signal of antenna 4, which can be obtained using the following equation.

Figure pat00026
......(9)
Figure pat00026
(9)

Figure pat00027
......(10)
Figure pat00027
(10)

구한 변환 행렬 U1을 2번째부터 N번째까지의 N-1개의 안테나로 받은 수신신호에 해당하는 값에 곱하여 N+1번째에 해당하는 새로운 가상 수신신호를 만든다(i=1일 때의 S430 단계). 이 가상 수신신호는 새롭게 생성한 N+1번째의 안테나(이것은 첫 번째 가상 안테나임)를 통해 수신되는 가상 신호에 해당한다. 도 8의 (b)는 이를 예시하고 있다. 즉, 식 (11)로 나타낸 것처럼, 앞에서 구한 변환 행렬 U1을 2, 3, 그리고 4번 안테나로 수신한 신호에 곱하여 5번째 안테나(즉, 첫 번째 가상 안테나)의 수신신호 X5로 생성하는 것을 도시한다.(N + 1) -th virtual reception signal by multiplying the obtained transformation matrix U 1 by a value corresponding to a reception signal received from the second through N-th N-1 antennas (step S430 when i = 1 ). This virtual received signal corresponds to a virtual signal received through the newly generated (N + 1) th antenna (this is the first virtual antenna). Figure 8 (b) illustrates this. That is, as shown in equation (11), the conversion matrix U 1 obtained previously is multiplied by the signals received by the antennas 2, 3, and 4 to generate a reception signal X 5 of the fifth antenna (i.e., the first virtual antenna) Lt; / RTI >

Figure pat00028
......(11)
Figure pat00028
(11)

이렇게 만들어지는 가상 안테나의 수신신호의 개수 i가 미리 설정된 최대 가상 안테나(또는 이를 통해 받는 가상의 수신신호)의 개수 M에 도달할 때까지, S420 단계와 S430 단계를 반복해서 수행한다. 여기서, 최대 가상 안테나(또는 이를 통해 받는 가상의 수신신호)의 개수 M은 본 발명의 방법을 적용하여 수신신호 DOA 분해능의 성능 개선이 가능한 최대의 가상 안테나(가상 수신신호) 개수로 정의할 수 있다. 이 M의 값은 실제 사용 환경에서의 SNR, ULA 안테나(60)를 구성하는 안테나들 간의 간격 등에 따라 가변적일 수 있다. 실제 테스트에 따르면, 가상 안테나의 개수 M은 실제 안테나의 개수의 대략 3배 이상일 수 있다. Steps S420 and S430 are repeatedly performed until the number i of the received signals of the virtual antennas thus formed reaches the number M of the preset maximum virtual antennas (or the virtual reception signals received therethrough). Here, the number M of the maximum virtual antennas (or the virtual reception signals received through the virtual antennas) can be defined as the maximum number of virtual antennas (virtual reception signals) capable of improving the performance of the received signal DOA resolution by applying the method of the present invention . The value of M may vary depending on the SNR in the actual use environment, the interval between the antennas constituting the ULA antenna 60, and the like. According to actual tests, the number M of virtual antennas can be approximately three times or more the number of actual antennas.

도 8의 (c)는 앞에서와 같은 방법으로 X2, X3, X4 와 X5 간의 관계를 나타내는 변환 행렬 U2를 구한 다음, X3, X4, X5 에 변환 행렬 U2를 곱하여 i=2일 때의 새로운 가상의 수신신호 X6을 생성하는 것을 개념적으로 도시한다. 도 8의 (c)에 도시된 것처럼, 앞에서와 같은 방법으로 5개의 수신신호 중 맨 마지막 신호 이전의 3개의 실제 안테나의 수신신호 X2, X3, X4 에 가중치를 곱해서 맨 마지막의 가상 안테나의 수신신호 X5를 만들어주는 변환 행렬 U2를 구한 다음, X3, X4, X5 에 변환 행렬 U2를 곱하여 i=2일 때의 새로운 가상 안테나의 수신신호 X6을 생성하는 것을 개념적으로 도시한다.8 (c), a transformation matrix U 2 indicating the relationship between X 2 , X 3 , X 4 and X 5 is obtained in the same manner as described above, and then X 3 , X 4 , and X 5 are multiplied by a transformation matrix U 2 and i = conceptually shown to produce two new virtual received signal X 6 of the time of. As shown in FIG. 8C, the reception signals X 2 , X 3 , and X 4 of the three actual antennas before the last signal among the five reception signals are multiplied by weights in the same manner as described above, for obtaining the transformation matrix U 2 to make the reception signal X 5 is multiplied by the following, X 3, X 4, transform matrix U 2 to X 5 conceptually to the generation of the i = 2 the received signal X of the new virtual antenna 6 when the .

이와 같이 i 값을 1씩 증가시키면서 변환 행렬 Ui를 구하고, 그 구해진 변환 행렬 Ui를 이용하여 가상 수신신호를 생성하는 이와 같은 과정은 M개의 가상 수신신호가 만들어질 때까지 반복한다. 도 8의 (d)는 이를 예시한다. M개의 가상 신호를 받는 M개의 가상 안테나는 물리적인 실제 ULA 안테나(60)의 좌측과 우측에 각각 절반씩, 즉 M/2개씩 위치시킨 경우를 도시한다. 그 M개의 가상 안테나는 물리적인 실제 ULA 안테나(60)의 좌측이나 우측의 어느 한 쪽에만 위치하게 하거나, 또는 좌측과 우측에 배치되는 가상 안테나의 개수를 다르게 하는 것도 물론 가능하다. In this manner, the transformation matrix U i is obtained while increasing the i value by 1, and the process of generating the virtual reception signal using the obtained transformation matrix U i is repeated until M virtual reception signals are generated. Figure 8 (d) illustrates this. The M virtual antennas receiving the M virtual signals are respectively placed at the left and right sides of the physical ULA antenna 60, that is, in the order of M / 2. It is of course possible that the M virtual antennas are located on either the left or right side of the physical real ULA antenna 60 or the number of virtual antennas arranged on the left and right sides are different.

가상 안테나를 늘려가면서 가상의 수신신호를 생성하는 본 발명의 방법을 수식을 이용하여 일반화시켜 설명하면 다음과 같다. The method of the present invention for generating a virtual received signal while increasing the virtual antenna is generalized using the following equation.

변환 행렬 Ui를 변환 벡터(transformation) u로 표시할 수도 있다. 변환 벡터 u 선형 최소 제곱 (Linear Least Square: LLS) 방법을 사용하여 구할 수 있다. 그 변환 벡터는, 기존의 선형 예측 방법에서는, 수신신호의 상관 행렬을 이용하여 얻는다. 기존의 선형 예측 방법에서는 실제 안테나의 수의 최대 2 배의 가상 안테나 수를 생성할 수 있다. The transformation matrix U i may be represented by a transformation vector u . The transform vector u Can be obtained using the Linear Least Square (LLS) method. The conversion vector is obtained by using the correlation matrix of the received signal in the existing linear prediction method. In the conventional linear prediction method, the number of virtual antennas can be increased up to twice the number of actual antennas.

그에 비해, 본 발명은 수신신호들 간의 관계를 이용하여 변환 벡터 u를 직접 계산하므로, 기존의 방법보다 가상 안테나의 수를 더 많이 생성할 수 있다. 적어도 실제 안테나 수의 3배 이상의 가상 안테나를 생성할 수 있다. N개의 ULA 안테나가 있는 경우, N 번째 안테나의 수신신호

Figure pat00029
와 다른 안테나의 수신신호
Figure pat00030
의 관계를 이용하여 제1 안테나로부터 Nd 만큼 떨어진 N+1 번째 안테나의 수신신호를 예측할 수 있다.On the other hand, the present invention directly calculates the transform vector u using the relation between the received signals, so that it is possible to generate more virtual antennas than the conventional method. A virtual antenna of at least three times the actual number of antennas can be generated. If there are N ULA antennas, the received signal of the Nth antenna
Figure pat00029
And the reception signal of the other antenna
Figure pat00030
The reception signal of the (N + 1) th antenna that is Nd away from the first antenna can be predicted.

안테나 간격이 큰 배열 안테나를 쓰면, 전방에 비슷한 지점에 있는 복수 표적을 구분하는 분해능(해상도, resolution)은 좋아진다. 하지만, 안테나 간격이 0.5λ보다 큰 경우, 어느 정도 큰 사이드 로브가 생성된다. 안테나 간격이 1.0λ보다 큰 경우, 메인 로브의 크기와 유사한 크기를 갖는 일부 그레이팅 로브가 생성된다. 그레이팅 로브(grating lobe)는 중앙으로 가까워져 그것이 발생하면 메인 로브와 크기가 유사하기 때문에 그것을 표적과 구별하기가 어렵다. If you use an array antenna with a large antenna spacing, the resolution (resolution) that distinguishes multiple targets at similar points in the forward direction is better. However, when the antenna interval is larger than 0.5 ?, a somewhat large side lobe is generated. If the antenna spacing is greater than 1.0 [lambda], some grating lobes having a size similar to the size of the main lobe are created. It is difficult to distinguish the grating lobe from the target because the grating lobe is close to the center and is similar in size to the main lobe when it occurs.

그러나 본 발명에 따른 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성 방법을 이용하면 고해상도 빔을 형성 할 수 있다. ULA 안테나(60)의 안테나 간 간격이 1.0λ보다 짧은 경우에도 해상도는 1.0λ보다 큰 안테나 간격을 사용하는 기존의 Bartlett 알고리즘보다 높다. 그레이팅 로브가 생기지 않으면서 표적들을 구분해낼 수 있는 장점이 있다. 위의 설명에 기초하여 i 번째 추정 신호는 다음 방정식을 사용하여 얻을 수 있다.However, using the ULA-based virtual receive signal generation method according to the present invention, a high-resolution beam can be formed. Even when the spacing between the antennas of the ULA antenna 60 is shorter than 1.0 ?, the resolution is higher than that of the existing Bartlett algorithm using antenna spacings larger than 1.0 ?. It has the advantage of being able to distinguish the targets without causing a grating lobe. Based on the above description, the i th estimated signal can be obtained using the following equation.

Figure pat00031
......(12)
Figure pat00031
(12)

여기서,

Figure pat00032
는 (i+N-1) 번째 위치에 안테나가 있을 때 수신 될 것으로 예상되는 선형 예측 확장에 의해 생성된 (i-1) 번째 수신신호를 나타내고, 즉
Figure pat00033
는 이미 결정한 수신신호 벡터를 나타낸다.here,
Figure pat00032
Represents an (i-1) -th received signal generated by a linear prediction extension that is expected to be received when there is an antenna at the (i + N-1) -th position,
Figure pat00033
Indicates a previously determined received signal vector.

Figure pat00034
......(13)
Figure pat00034
(13)

식 (13)에서 선형 최소제곱법을 사용하여

Figure pat00035
Figure pat00036
사이의 차이의 노름(norm)을 최소화하는 변환 벡터
Figure pat00037
를 얻는다. 이는 다음과 같이 주어진다.Using the linear least squares method in Eq. (13)
Figure pat00035
Wow
Figure pat00036
A transformation vector that minimizes the norm of the difference between
Figure pat00037
. This is given by

Figure pat00038
......(14)
Figure pat00038
(14)

식 (14)에 의해 얻어진

Figure pat00039
를 사용하여 (i+N-1) 번째 안테나가 존재한다고 가정하면, 그 안테나로 들어오는 수신신호는 다음과 같이 예측 될 수 있다.(14) < / RTI >
Figure pat00039
Assuming that (i + N-1) th antenna exists, the received signal to the antenna can be estimated as follows.

Figure pat00040
......(15)
Figure pat00040
(15)

위의 방법을 사용하여 i+N+1, i+N+2, ..., (N+M)번째 가상 안테나의 수신신호를 예측할 수 있다. M은 가상 안테나들의 개수이다.

Figure pat00041
는 실제 안테나가 있는 위치에서 생성된 신호이므로 더 정확한 신호
Figure pat00042
를 사용한다. The received signals of the i + N + 1, i + N + 2, ..., (N + M) th virtual antennas can be predicted using the above method. M is the number of virtual antennas.
Figure pat00041
Is a signal generated at a position where an actual antenna exists, so that a more accurate signal
Figure pat00042
Lt; / RTI >

이와 같은 과정을 통해 원하는 개수의 가상 안테나의 수신신호가 얻어지면, 수신신호 DOA를 추정하는 알고리즘을 수행한다. 즉, N 개의 실제 안테나에 의해 수신된 신호 및 이들 신호에 의해 생성된 M 개의 추정된 수신신호를 사용하여 수신신호 DOA 추정 알고리즘을 수행한다. 수신신호 DOA 추정 알고리즘으로 사용할 수 있는 것은 예를 들어 공지된 바틀렛 알고리즘이거나 또는 다른 공지 알고리즘 또는 장래에 개발될 수도 있는 새로운 수신신호 DOA 추정 알고리즘일 수 있다.When a desired number of reception signals of the virtual antennas are obtained through the above process, an algorithm for estimating the reception signal DOA is performed. That is, the received signal DOA estimation algorithm is performed using the signals received by the N actual antennas and the M estimated reception signals generated by these signals. The received signal DOA estimation algorithm may be, for example, a known Bartlet algorithm or a new known received signal DOA estimation algorithm which may be developed in the future or other known algorithms.

본 발명에 따른 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성 방법은 표적 검출용 레이더 장치에 응용하여 수신신호 DOA를 고해상도로 추정할 수 있다. 도 9는 본 발명의 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성 알고리즘을 예컨대 자율주행 차량(100)용 레이더 장치(10)에 적용하여 전방의 2대의 차량(200a, 200c)을 인식하는 상황을 나타낸다. 도 10은 실제의 안테나 배열(안테나 간격 d = 0.8λ와 2.0λ)에 대한 기존의 보간법을 적용한 Bartlett 알고리즘을 적용한 경우(이하, '케이스 1'이라 함)의 바틀렛 의사 스펙트럼(Bartlett pseudospectrum)과, 실제의 안테나(안테나 간격 d =0.8λ)와 본 발명의 알고리즘(외삽법)에 따라 생성한 가상 안테나를 함께 이용한 확장 안테나 배열에 대한 바틀렛 알고리즘을 적용한 경우(이하, '케이스 2'라 함)의 의사 스펙트럼(Bartlett pseudospectrum)을 예시한다. 시뮬레이션에서 실제 안테나 수는 4개인 ULA 안테나를 사용하였다. 모든 시뮬레이션에서 SNR은 10dB로 설정되고, 검은 점선은 두 표적의 위치를 나타낸다. 레이더 장치(10)에서 두 대의 표적 차량(200a, 200b)까지의 사이각은 [-3°, 3.5°]이다. 가상 안테나의 수(M)는 16이다. 실제 안테나와 가상 안테나의 위치는 두 경우 모두 동일하다.The ULA-based virtual receive signal generation method according to the present invention can be applied to a radar device for target detection, so that the received signal DOA can be estimated with a high resolution. FIG. 9 shows a situation in which two vehicles 200a and 200c ahead are recognized by applying a ULA-based virtual reception signal generation algorithm of the present invention to, for example, a radar device 10 for an autonomous vehicle 100. FIG. FIG. 10 is a diagram showing the Bartlett pseudospectrum of the case where the Bartlett algorithm applying the existing interpolation method is applied to the actual antenna array (antenna spacing d = 0.8λ and 2.0λ) (hereinafter referred to as 'Case 1' In the case of applying the Bartlet algorithm for an extended antenna array using an actual antenna (antenna spacing d = 0.8?) And a virtual antenna generated according to the algorithm of the present invention (extrapolation method) together (hereinafter referred to as Case 2) Illustrate the Bartlett pseudospectrum. In the simulation, ULA antenna with four antennas was used. In all simulations, the SNR is set to 10dB and the black dotted line indicates the position of the two targets. The angle between the radar device 10 and the two target vehicles 200a and 200b is [-3 DEG, 3.5 DEG]. The number of virtual antennas (M) is 16. The positions of the actual antenna and the virtual antenna are the same in both cases.

2대의 차량(200a, 200b)이 레이더 장치(10)로부터 실질적으로 같은 거리에 서로 인접해 있는 경우(두 표적까지의 사이각 β가 작은 상황)를 고려한다. 실제 안테나를 통해 수신되는 신호만을 가지고 바틀렛 알고리즘을 적용하는 종래의 레이더 장치는 분해능이 좋지 못하여 전방에 차량이 2대가 아닌 한 대가 존재한다고 오인하게 된다(도 9의 (b)와 도 10의 '300'번의 파란색 그래프 참조). 안테나 간격이 큰 ULA 안테나 배열(예를 들어 안테나 간격 d=2λ인 경우)을 사용하면, 차량을 구분하는 분해능(resolution)은 좋아지게 되지만 그레이팅 로브가 발생하여 또 다른 문제가 생긴다(도 10의 320번의 검은색 그래프 참조). 하지만, 본 발명의 알고리즘을 적용하여 가상 안테나의 수신신호를 더 이용하여 바틀렛 알고리즘을 적용하는 레이더 장치(10)는 안테나 간격이 크지 않는 ULA 안테나 배열(예를 들어 안테나 간격 d=0.8λ인 경우)을 사용하고서도 분해능이 크게 향상되어 전방의 2대의 차량(200a, 200b)을 각각 별개의 차량으로 인식할 수 있다(도 10의 310번의 빨간색 그래프 참조). 그러므로 본 발명의 알고리즘은 ULA 안테나 배열의 안테나 간격 d가 안테나의 수신신호의 파장 λ보다 크지 않은 값으로 정해져도 그레이팅 로브를 발생시키지 않으면서 표적에 대한 분해능도 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다. Consider the case where two vehicles 200a and 200b are adjacent to each other at substantially the same distance from the radar device 10 (a situation where the angle? Between two targets is small). Conventional radar apparatuses using only the signals received through the actual antennas and applying the Bartlet algorithm have a poor resolution, and mistakenly believe that there is one vehicle ahead of the two vehicles (see FIG. 9 (b) and FIG. 10 (See the blue graph in the previous section). Using a ULA antenna array having a large antenna interval (for example, when antenna spacing d = 2?), The resolution for distinguishing a vehicle is improved, but a grating lobe is generated to cause another problem See the black graph on the right). However, the radar apparatus 10 applying the Bartlett algorithm using the received signal of the virtual antenna by applying the algorithm of the present invention may be applied to a ULA antenna array having a small antenna interval (for example, when the antenna interval d = 0.8λ) So that the two vehicles 200a and 200b on the front side can be recognized as separate vehicles (refer to the red graph 310 of FIG. 10). Therefore, the algorithm of the present invention is advantageous in that even if the antenna interval d of the ULA antenna array is set to a value not larger than the wavelength? Of the received signal of the antenna, the resolution for the target can be improved without generating the grating lobe.

레이더 장치의 검출대상 섹터의 광협에 따라 수신신호 DOA 추정의 분해능에 차이가 있다. 도 11의 (a)는 레이더 장치의 검출대상 섹터가 [-5°, 5°]로 좁은 경우에 본 발명에 따른 알고리즘으로 가상 안테나의 수신신호를 생성하여 바틀렛 알고리즘을 적용한 경우와, 종래의 보간법으로 가상 수신신호를 생성하여 바트렛 알고리즘을 적용한 경우의 바틀렛 의사 스펙트럼을 나타낸다. 파란색 그래프(330)는 전자를 나타내고, 빨간색 그래프(340)는 후자를 나타낸다. 안테나 간격 d가 0.8λ이고, 실제 안테나 수 N은 4이고, 가상 안테나 수 M은 16으로 하였다. 실제 안테나와 가상 안테나의 위치는 두 경우 모두 같게 하였다. 검출대상 섹터의 범위가 좁아지면, 수신신호 DOA 추정 오차는 종래의 보간법을 적용한 경우가 본 발명의 방법을 적용한 경우에 비해 더 크다는 것을 보여준다. There is a difference in the resolution of the estimation of the received signal DOA according to the range of the detection target sector of the radar device. 11A shows a case in which a reception signal of a virtual antenna is generated by an algorithm according to the present invention when the detection target sector of the radar apparatus is narrowed to [-5 DEG, 5 DEG], and the Bartlet algorithm is applied, And a Bartlett pseudo spectrum when the Bartlet algorithm is applied. The blue graph 330 represents the former, and the red graph 340 represents the latter. The antenna spacing d is 0.8?, The actual number of antennas N is 4, and the number of virtual antennas M is 16. The positions of the actual antenna and the virtual antenna are the same in both cases. If the range of the target sector to be detected is narrowed, the received signal DOA estimation error shows that the case of applying the conventional interpolation method is larger than that of the method of the present invention.

도 11의 (b)는 레이더 장치의 검출대상 섹터가 [-15°, 15°]로 넓은 경우에 본 발명에 따른 알고리즘으로 가상 안테나의 수신신호를 생성하여 바틀렛 알고리즘을 적용한 경우와, 종래의 보간법으로 가상 수신신호를 생성하여 바트렛 알고리즘을 적용한 경우의 바틀렛 의사 스펙트럼을 나타낸다. 350번의 파란색 그래프가 전자의 경우에 해당하고, 360번의 빨간색 그래프가 후자의 경우에 해당한다. 종래의 보간법 알고리즘은 섹터가 넓어지면 본 발명의 알고리즘에 비해 각도 추정 성능이 크게 저하됨을 알 수 있다. 또한, 종래의 보간법 알고리즘은 섹터가 넓어지면 그레이팅 로브들이 발생하는 것을 볼 수 있다. 만약 표적이 해당 섹터 범위 내에 존재하지 않는다면, 성능은 더 나빠질 것이다.11 (b) shows a case in which the reception signal of the virtual antenna is generated by the algorithm according to the present invention and the Bartlet algorithm is applied when the detection target sector of the radar device is wide [-15 degrees, 15 degrees] And a Bartlett pseudo spectrum when the Bartlet algorithm is applied. The 350 blue graph corresponds to the former case, and the 360 red graph corresponds to the latter case. It can be seen that the conventional interpolation method algorithm significantly degrades the angular estimation performance when the sector is widened as compared with the algorithm of the present invention. Also, the conventional interpolation algorithm can see that when the sector is widened, the grating lobes occur. If the target is not within that sector range, performance will be worse.

한편, 가상의 안테나의 개수를 어느 정도 늘릴 수 있는지, 그리고 그 증가된 가상 안테나 개수의 타당성에 관해 설명한다. 표적의 위치를 추정하는 성능은 외삽법에 의해 생성된 안테나 개수가 증가함에 따라 변한다. 그 성능은 평균 제곱근 오차 (root-mean-square error: RMSE)를 사용하여 분석될 수 있다.On the other hand, how much the number of virtual antennas can be increased and the validity of the increased number of virtual antennas will be described. The performance of estimating the position of the target varies as the number of antennas generated by extrapolation increases. The performance may be analyzed using a root-mean-square error (RMSE).

Figure pat00043
......(16)
Figure pat00043
(16)

N s 는 시뮬레이션의 수를 나타내고,

Figure pat00044
는 m 번째 시뮬레이션에서 k 번째 표적의 추정된 각도를 나타낸다. 같은 조건에서 1000번의 시뮬레이션을 수행하였다. N s represents the number of simulations,
Figure pat00044
Represents the estimated angle of the k-th target in the m-th simulation. 1000 simulations were performed under the same conditions.

도 12는 본 발명에 따른 외삽 알고리즘에 의해 생성된 가상 안테나의 수의 변화에 따른 RMSE의 변화를 나타내는 그래프이다. 목표물이 SNR = 10dB 인 경우에 3°와 -3°에 위치한 경우, 두 표적을 분리할 수 없기 때문에 처음에는 해상도가 좋지 않고 RMSE가 높다. 그러나 선형적으로 예측된 확장에 의해 생성된 안테나의 수가 증가함에 따라, RMSE는 점차적으로 감소하고, 어떤 순간부터 특정 범위 내에서 포화가 관측되는 것을 알 수 있다.12 is a graph illustrating a change in RMSE according to a change in the number of virtual antennas generated by the extrapolation algorithm according to the present invention. If the target is located at 3 ° and -3 ° in case of SNR = 10dB, the resolution is not good at first and the RMSE is high because the two targets can not be separated. However, as the number of antennas generated by the linearly predicted extension increases, the RMSE gradually decreases and saturation is observed within a certain range from a certain moment.

도 13은 안테나 수의 증가에 따른 RMSE의 변화를 보여준다. 도 13에 도시된 바와 같이, 확장에 의해 생성된 가상 안테나의 수가 증가함에 따라, 새롭게 생성된 가상 안테나에 의해 수신된 신호의 에러가 커진다. 그러나 총 안테나 수가 약 20개를 초과하면 가상 안테나의 새로운 수신신호가 생성됨에 따라 전력의 강도가 약해지므로 오차 값은 1로 수렴한다.13 shows a change in RMSE with an increase in the number of antennas. As shown in FIG. 13, as the number of virtual antennas generated by the expansion increases, the error of the signal received by the newly generated virtual antenna increases. However, if the total number of antennas exceeds about 20, the strength of the power is weakened as the new received signal of the virtual antenna is generated, so that the error value converges to one.

도 14는 ULA 어레이에서 64 개의 안테나가 사용될 때 각 안테나에 대한 수신신호 강도를 도시한다. 빨간색 그래프(370)는 60 개의 실제 안테나 배열이고 파란색 그래프(380)는 4 개의 실제 안테나를 사용하여 본 발명의 방법을 수행하여 얻은 60 개의 확장 안테나 배열의 수신신호의 강도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 가상 안테나의 수가 특정 수 만큼 증가 할 때, 수신된 신호의 전력은 너무 작아지게 된다. 도 13에 도시 된 바와 같이 오차 값은 1로 수렴하고, 도 12에 도시된 것처럼 RMSE 값은 감소하지 않는다.14 shows the received signal strength for each antenna when 64 antennas are used in a ULA array. The red graph 370 is 60 real antenna arrays and the blue graph 380 is the intensity of the received signal of 60 extended antenna arrays obtained by performing the method of the present invention using four real antennas. As shown in Fig. 14, when the number of virtual antennas increases by a certain number, the power of the received signal becomes too small. The error value converges to 1 as shown in Fig. 13, and the RMSE value does not decrease as shown in Fig.

일반적으로, SNR 및 안테나 간격에 의해 영향을 받기는 하지만, 대략 16개의 확장된 가상 안테나 수신신호는 표적의 위치, 수신신호 DOA 추정 성능을 향상시키기에 충분하다.Generally, approximately 16 extended virtual antenna receive signals are sufficient to improve the position of the target, the received signal DOA estimation performance, although it is affected by SNR and antenna spacing.

도 15는 가상 안테나의 위치 변화 및 안테나 수의 증가에 따른 변환 벡터 u의 구성요소 값의 변화를 나타낸다. 상대적으로 좁은 안테나 간격을 갖는 ULA가 사용되기 때문에, 각 안테나에 의해 수신된 신호들 사이의 상관관계는 높다. 따라서 안테나 수가 대폭 증가하더라도 변환 벡터 u의 값은 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 변환 벡터 u의 원소가 처음부터 계속 변경되면 새로운 u를 얻는 과정에는 상당한 양의 계산이 필요하다. 그러나 가상 안테나 수가 40 개 이상 증가 할 때까지는 u가 변하지 않으므로 계산 측면에서 매우 효과적이다.15 shows a change in the component value of the conversion vector u as the positional change of the virtual antenna and the increase in the number of antennas. Since a ULA with a relatively narrow antenna spacing is used, the correlation between the signals received by each antenna is high. Therefore, it can be seen that the value of the transformation vector u remains constant even if the number of antennas increases greatly. If the elements of the transformation vector u continue to change from the beginning, a significant amount of computation is required to obtain the new u . However, u is not changed until the number of virtual antennas increases by more than 40, which is very effective in terms of calculation.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 변환 벡터 u를 이용한 개선된 수신신호 DOA 추정 방법은 프로그램으로 구현할 수 있다. 그 프로그램은 신호처리부(40)에 내장하여 시행할 수 있다.The improved received signal DOA estimation method using the conversion vector u according to the present invention described above can be implemented as a program. The program can be embedded in the signal processing unit 40 and implemented.

본 발명에 따른 변환 벡터 u를 이용한 개선된 수신신호 DOA 추정 방법은 안테나 개구 크기가 작은 경우에도 상당히 높은 분해능을 갖는다. 또한, 이 알고리즘은 적은 수의 안테나를 사용하는 경우에도 많은 안테나가 있을 때와 같은 효과를 낼 수 있다. 섹터를 설정할 필요가 없기 때문에 절차는 기존의 보간 방법보다 간단하다. 그레이팅 로브 (grating lobe)가 생기지 않기 때문에 그레이팅 로브 (grating lobe)가 실제 표적으로 오판되는 경우가 생기지 않는다. The improved received signal DOA estimation method using the transform vector u according to the present invention has a considerably high resolution even when the antenna aperture size is small. In addition, this algorithm can achieve the same effect as when there are many antennas even when a small number of antennas are used. The procedure is simpler than the existing interpolation method because there is no need to set up a sector. Since there is no grating lobe, there is no case where the grating lobe is misjudged as an actual target.

본 발명은 전방의 표적을 인식하는 레이더 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들어, 자율주행 차량용 레이더에 적용하면 효과적이다. 예를 들어 본 발명의 방법을 프로그램으로 구현하여 자율주행 차의 레이더 장치에 채용되는 신호처리부(40)에 내장시킬 수 있다. The present invention can be applied to a radar system that recognizes a target ahead. For example, it is effective when applied to a radar for an autonomous vehicle. For example, the method of the present invention can be embodied as a program and embedded in a signal processing unit 40 employed in a radar apparatus of an autonomous vehicle.

10: ULA 안테나 기반 레이더 시스템 20: 송신부
24: 파형 발생기(Waveform Generator) 26: 발진기
28: 전력 증폭기(PA) 30: 수신부
32: 저잡음 증폭기(LNA) 34: 혼합기
36: 저역통과필터(LPF) 38: AD변환기
40: 신호 처리부 50: 사용자 인터페이스 (User Interface)
60: ULA 수신 안테나 70: ULA 송신 안테나
10: ULA antenna-based radar system 20:
24: Waveform generator 26: Oscillator
28: Power amplifier (PA) 30: Receiver
32: Low Noise Amplifier (LNA) 34: Mixer
36: Low-pass filter (LPF) 38: AD converter
40: a signal processor 50: a user interface
60: ULA receiving antenna 70: ULA transmitting antenna

Claims (16)

N개의 실제 안테나가 일렬로 등간격 d 로 이격 배치된 ULA 안테나에서,
i번째부터 'N-2+i'번째까지의 안테나로 받은 수신신호들과 'N-1+i'번째 안테나로 받은 수신신호의 관계를 나타내는 변환 행렬을 구하는 단계;
구해진 변환 행렬을 'i+1'번째부터 'N-1+i'번째까지의 안테나로 받은 수신신호들에 해당하는 값에 곱해서 'N+i'번째에 해당하는 새로운 가상안테나로 받은 가상 수신신호를 생성하는 단계; 및
가상 안테나로 수신하는 신호의 개수 i를 하나씩 증가시키면서, 상기 개수 i가 미리 설정된 개수 M에 이를 때까지 상기 변환행렬을 구하는 단계와 상기 가상 수신신호를 생성하는 단계를 반복적으로(recursively) 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 도래각(DOA) 추정방법.
In a ULA antenna in which N actual antennas are spaced apart by an equal distance d in a row,
obtaining a conversion matrix indicating a relationship between received signals received from an i-th antenna to an (N-2 + i) -th antenna and a received signal received through an (N-1 + i) -th antenna;
The transformed matrix obtained is multiplied by a value corresponding to the received signals received from the (i + 1) th to the (N-1 + i) th antennas, and the virtual received signal received by the new virtual antenna corresponding to the (N + ≪ / RTI > And
Obtaining the transformation matrix until the number i reaches a predetermined number M while incrementing the number i of signals received by the virtual antenna by one, and recursively performing the step of generating the virtual reception signal And estimating a received signal arrival angle (DOA) using a ULA-based virtual receive signal generation.
제1항에 있어서, 상기 미리 설정된 개수 M는 적어도 신호 대 잡음 비(SNR) 및 상기 안테나들의 간격을 고려하여 정하되, 수신신호 도래각(DOA) 분해능의 성능 향상이 이루어질 수 있는 최대의 가상 안테나 개수인 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정방법.2. The method of claim 1, wherein the predetermined number M is determined in consideration of at least a signal-to-noise ratio (SNR) and an interval of the antennas, wherein a maximum number of virtual antennas And estimating a received signal DOA using a ULA-based virtual receive signal generation. 제2항에 있어서, 상기 미리 설정된 개수 M은 상기 실제 안테나 개수 N의 적어도 3배 이상인 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정방법.3. The method of claim 2, wherein the predetermined number M is at least three times the number N of the actual antennas. 제1항에 있어서, 상기 안테나 간격 d는 상기 수신신호의 파장 λ보다 크지 않는 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정방법.The method of claim 1, wherein the antenna spacing d is not greater than a wavelength? Of the received signal. 제1항에 있어서, 상기 변환 행렬은 수신신호들 간의 관계에 기초하여 선형 최소 제곱 (Linear Least Square: LLS) 방법을 사용하여 구하는 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정방법.2. The method of claim 1, wherein the transform matrix is obtained using a linear least squares (LLS) method based on a relationship between received signals. Way. 제1항에 있어서, 전방의 표적으로부터 반사되어 되돌아오는 시간 도메인의 무선신호를 N개의 실제 안테나가 수신하는 단계; 수신된 시간 도메인의 무선신호를 주파수 도메인의 신호로 변환하는 단계; 및 변환된 주파수 도메인의 신호 중 비트 주파수에 해당하는 신호를 시간 도메인의 신호로 변환하는 단계를 더 포함하며,
상기 변환 행렬을 구하는 데 이용되는 신호는 비트 주파수에 해당하는 신호에 대응하는 시간 도메인 신호인 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정방법.
2. The method of claim 1, further comprising: receiving N time-domain radio signals reflected back from a target in the time domain; Converting a radio signal of the received time domain into a signal of a frequency domain; And converting a signal corresponding to a bit frequency of the signal of the converted frequency domain into a signal of a time domain,
Wherein the signal used to obtain the transform matrix is a time domain signal corresponding to a signal corresponding to a bit frequency.
제6항에 있어서, 상기 '주파수 도메인의 신호로 변환하는 단계'는,
상기 '수신된 시간 도메인의 무선신호를' 힐버트 변환을 이용하여 복소수 신호 형태로 변환하는 단계; 상기 복소수 신호에 대하여 푸리에변환을 수행하는 주파수 도메인의 신호로 변환하는 단계; 및 변환된 주파수 도메인의 신호를 캘리브레이션 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정방법.
7. The method of claim 6, wherein the step of converting the frequency domain signal comprises:
Converting the received radio signal of the time domain into a complex signal form using Hilbert transform; Converting the complex-valued signal into a frequency-domain signal for performing Fourier transform; And calibrating a signal of the transformed frequency domain. 2. The method of claim 1, further comprising:
제6항에 있어서, 상기 '비트 주파수에 해당하는 신호를 시간 도메인의 신호로 변환하는 단계'는,
변환된 주파수 도메인의 신호 중에서 비트 주파수에 해당하는 신호를 추출하는 단계; 및 추출한 비트 주파수에 해당하는 신호를 역 푸리에변환하여 시간 도메인의 신호로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정방법.
The method of claim 6, wherein the converting the signal corresponding to the bit frequency into a signal in the time domain includes:
Extracting a signal corresponding to a bit frequency among the signals of the converted frequency domain; And transforming a signal corresponding to the extracted bit frequency into an inverse Fourier transformed signal to obtain a time domain signal.
제1항에 있어서, 상기 미리 설정된 개수 M의 가상의 수신신호와 상기 N개의 실제 안테나로 직접 받은 수신신호를 함께 이용하여 소정의 수신신호 DOA 추정 알고리즘을 수행함으로써 수신신호 DOA를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정방법.2. The method of claim 1, further comprising calculating a received signal DOA by performing a predetermined reception signal DOA estimation algorithm using the predetermined number M of virtual reception signals and the reception signals directly received by the N actual antennas And estimating a received signal DOA using a ULA antenna based virtual receive signal generation. 제9항에 있어서, 상기 소정의 수신신호 DOA 추정 알고리즘은 바틀렛 알고리즘인 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정방법.10. The method of claim 9, wherein the predetermined reception signal DOA estimation algorithm is a Bartlett algorithm. 일렬로 등간격 d 로 이격 배치되고 전방에서 입사되는 무선신호를 수신하는 N개의 실제 안테나를 포함하는 ULA 수신 안테나;
상기 ULA 수신 안테나의 각 안테나를 통해 수신된 N개의 수신신호로부터 소정의 신호를 추출하여 N개의 디지털 신호로 변환하는 수신부; 및
상기 수신부가 제공하는 상기 N개의 디지털 신호를 제공받아 가상 안테나를 통해 수신되는 미리 설정된 M개의 가상 수신신호를 생성하고, 생성된 상기 M개의 가상 수신신호와 상기 수신부가 제공하는 상기 N개의 디지털 신호를 함께 이용하여 수신신호 DOA 추정값을 산출하는 신호처리부를 포함하며,
상기 M개의 가상 수신신호는 (a) i번째부터 'N-2+i'번째까지의 안테나로 받은 수신신호들과 'N-1+i'번째 안테나로 받은 수신신호의 관계를 나타내는 변환행렬을 구하는 처리와, (b) 구해진 변환행렬을 'i+1'번째부터 'N-1+i'번째까지의 안테나로 받은 수신신호들에 해당하는 값에 곱해서 'N+i'번째에 해당하는 새로운 가상안테나로 받은 가상 수신신호를 생성하는 처리의 두 처리 (a)와 (b)를 가상 안테나로 수신하는 신호의 개수 i를 하나씩 증가시키면서, 상기 개수 i가 M에 이를 때까지 반복적으로(recursively) 수행하는 것에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정 장치.
A ULA receive antenna including N actual antennas spaced apart in an array with an equal distance d and receiving a forwardly received radio signal;
A receiver for extracting a predetermined signal from N received signals received through the antennas of the ULA receiving antenna and converting the signals into N digital signals; And
The M reception apparatus comprising: a reception unit configured to receive the N digital signals provided by the reception unit to generate M preset virtual reception signals received through a virtual antenna, and to generate the M virtual reception signals and the N digital signals provided by the reception unit, And a signal processing unit for calculating a reception signal DOA estimation value together,
The M virtual reception signals include (a) a transformation matrix representing the relationship between the reception signals received from the ith antenna to the (N-2 + i) th antenna and the reception signal received to the (N-1 + i) (B) multiplying the obtained transformation matrix by a value corresponding to the reception signals received from the (i + 1) -th to the (N-1 + i) th antennas, (A) and (b) of a process of generating a virtual received signal received by a virtual antenna are repeated one by one until the number i reaches M while increasing the number i of signals received by the virtual antenna by one, And generating a received signal DOA using the ULA-based virtual receive signal generation.
제11항에 있어서, 상기 미리 설정된 개수 M은 상기 실제 안테나 개수 N의 적어도 3배 이상인 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정 장치.12. The apparatus of claim 11, wherein the predetermined number M is at least three times the number N of the actual antennas. 제11항에 있어서, 상기 신호처리부는 수신신호들 간의 관계에 기초하여 선형 최소 제곱 (Linear Least Square: LLS) 방법을 사용하여 상기 변환 행렬을 구하는 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정 장치.12. The method of claim 11, wherein the signal processor obtains the transform matrix using a linear least squares (LLS) method based on a relationship between received signals. A received signal DOA estimator. 제11항에 있어서, 상기 신호처리부는 (c) 전방의 표적으로부터 반사되어 되돌아오는 시간 도메인의 무선신호를 N개의 실제 안테나가 수신하는 처리, (d) 시간 도메인의 무선신호를 주파수 도메인의 신호로 변환하는 처리, 그리고 (e) 변환된 주파수 도메인의 수신신호 중 비트 주파수에 해당하는 신호를 시간 도메인의 신호로 변환하는 처리를 통해 상기 변환 행렬을 구하는 데 이용되는 신호를 만들어내는 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정 장치.12. The method of claim 11, wherein the signal processing unit comprises: (c) a process of receiving N time-domain radio signals reflected from a target in the forward direction and returning the time domain; (d) And (e) generating a signal used to obtain the transform matrix through a process of converting a signal corresponding to a bit frequency among the received signals of the transformed frequency domain into a signal in a time domain, An apparatus for estimating a received signal DOA using an antenna - based virtual receive signal generation. 제14항에 있어서, 상기 신호처리부는, 상기 '주파수 도메인의 신호로 변환하는 처리'(d)를 위해, (f) 상기 '수신된 시간 도메인의 무선신호를' 힐버트 변환을 이용하여 복소수 신호 형태로 변환하는 처리, (g) 상기 복소수 신호에 대하여 푸리에변환을 수행하는 주파수 도메인의 신호로 변환하는 처리, 그리고 (h) 변환된 주파수 도메인의 신호를 캘리브레이션 하는 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정 장치.The method of claim 14, wherein the signal processing unit further comprises: (f) converting the received radio signal of the time domain into a complex signal form using Hilbert transform, (G) a process of converting the complex-valued signal into a signal of a frequency domain for performing a Fourier transform, and (h) a process of calibrating a signal of the transformed frequency domain. Receiving signal DOA estimation apparatus using virtual - based receiving signal generation. 제14항에 있어서, 상기 신호처리부는, 상기 '비트 주파수에 해당하는 신호를 시간 도메인의 신호로 변환하는 처리'(e)를 위해, (i) 변환된 주파수 도메인의 신호 중에서 비트 주파수에 해당하는 신호를 추출하는 처리, 그리고 (j) 추출한 비트 주파수에 해당하는 신호를 역 푸리에변환하여 시간 도메인의 신호로 변환하는 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 ULA 안테나 기반 가상 수신신호 생성을 이용한 수신신호 DOA 추정 장치.The signal processor as set forth in claim 14, wherein, for the processing (e) of converting the signal corresponding to the bit frequency into a signal in the time domain, (i) And (j) performing inverse Fourier transform on the signal corresponding to the extracted bit frequency to convert the signal into a time domain signal. The reception signal DOA estimation using the ULA antenna based virtual reception signal generation Device.
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