KR100999340B1 - 거리 검출 방법 및 이를 이용한 레이더 장치 - Google Patents

Abstract

거리 검출 방법 및 이를 이용한 레이더 장치가 제공된다. 이 방법은 (a) 비트 신호 샘플들 중 연속된 N개의 샘플들을 선택하고, 상기 선택된 샘플들로부터 얻어지는 주파수 스펙트럼을 분석하여 대상 물체와의 거리를 검출하는 단계; 및 (b) 상기 검출된 거리가 제1 임계치보다 작으면, 상기 비트 신호 샘플들을 부표본화하여 M(M<N)개의 부표본화된 샘플들을 획득하고, 상기 부표본화된 샘플들로부터 얻어지는 주파수 스펙트럼을 분석하여 대상 물체와의 거리를 검출하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 검출 범위에 따라 주파수 분해능을 조절함으로써, 차량 안전 운행 등에 기여할 수 있다.

Description

거리 검출 방법 및 이를 이용한 레이더 장치 {method for detecting distance and radar apparatus using the same}

본 발명은 레이더 장치에 관한 것으로, 보다 상세하지만 제한됨이 없이는(more particularly, but not exclusively) 검출 범위에 따라 주파수 분해능을 조절할 수 있는 방법 및 그 레이더 장치에 관한 것이다.

FMCW(Frequency-Modulated Continuous Wave) 기반의 레이더 장치는 도 1에 도시된 바와 같은 삼각파 형상의 주파수 변조된 연속파를 송신하여, 전방 차량 등과의 거리 및 상대 속도를 추정한다.

도 1의 형태로 송신된 레이더 신호는 전방의 물체로부터 반사되어 레이더 장치에 수신된다. 레이더 장치는 이러한 반사파의 수신 신호와 송신 신호로 얻어지는 비트(beat) 신호(예컨대, 수신 신호의 주파수와 송신 신호의 주파수 간의 차를 나타내는 시간 영역 신호)의 주파수 스펙트럼을 분석하여 전방의 물체와의 거리 등을 구할 수 있게 된다. 여기서 f_c는 중심 주파수, f₀는 시작주파수, B는 대역폭, T_m는 펄스 주기, B는 대역폭이다.

도 2a 내지 2c는 송신 신호의 주파수(이하, 송신 주파수)와 수신 신호의 주파수(이하, 수신 주파수) 간의 관계를 시간 축 상에 나타내는 도면으로서, 도 2a는 물체가 정지해 있을 때, 도 2b는 물체가 레이더 장치에 가까워질 때, 도 2c는 물체가 레이더 장치로부터 멀어질 때를 나타낸다. 여기서, t_d는 송신 신호와 수신 신호 사이의 지연 시간으로, 물체와 레이더 장치 간의 거리에 의해 결정된다.

도 3a 및 3b는 송신 주파수와 수신 주파수 간의 관계 및 그에 따른 비트 신호의 주파수(이하, 비트 주파수)를 시간 축 상에 나타내는 도면으로서, 도 3a는 도 2a와 같은 정적인 상황에, 도 3b는 도 2b와 같은 동적인 상황에 대응된다. 여기서, 비트 주파수 f_b는 송신 주파수와 수신 주파수 간의 차로서 구해진다.

도 3a와 같은 정적인 상황에서 비트 주파수는 물체와 레이더 장치 간의 거리에 따른 지연 시간에 의해 결정되는 반면, 도 3b와 같은 동적인 상황에서는 물체와 레이더 장치 간의 상대 속도의 변화가 있으므로, 도플러 주파수 편이 현상이 발생되기 때문에 비트 주파수는 거리에 의해 발생되는 비트 주파수 f_r과 속도에 의해 발생되는 주파수 f_v의 조합으로 이루어진다. 따라서, 도 3b에 도시된 f_bu와 f_bd는 이러한 f_r과 f_v의 조합으로 구성된다.

도 4는 비트 주파수를 이용한 거리 및 속도 검출 원리를 설명하기 위한 도면이다. 상술한 f_r과 f_v은 수학식 1, 2와 같이, 각각 물체와의 거리 R 및 물체에 대한 상대 속도 V를 산출하는데 사용된다.

한편, FMCW 레이더 시스템의 수학적 모델에 따르면,

,

의 관계를 갖는데, 이 f_bd와 f_bu는 도 4에 도시된 바와 같이 비트 신호의 주파수 스펙트럼을 통해 얻을 수 있다. 따라서, 거리와 속도를 정확하게 검출하기 위해서는 f_bd와 f_bu를 정확하게 구해야 하는데, 이를 위해서는 충분한 주파수 분해능이 보장되어야 한다.

레이더 시스템에 의해 이론적으로 가능한 최대 검출 거리 R_max는 수학식 3으로 정해지고, 최소 거리 분해능 ΔR_min은 수학식 4로 정해진다.

그러나, 실제의 차량에서는, 상당한 원거리에 위치하는 전방의 물체를 검출할 필요가 없으므로, 설계자가 원하는 최대 검출 거리 R_{user _ max}를 선택하게 되는데, 이 경우, R_{user _ max}에 상응하여 검출될 수 있는 비트 주파수 f_{r _ user _ max}는 수학식 5로 주어진다. 여기서, 물체의 속도에 의한 도플러 주파수는 거리에 의한 비트 주파수에 비해 아주 작으므로 앞으로 설명에서는 제외한다. 즉, 도플러 주파수를 무시할 경우, FMCW 레이더 장치에 있는 ADC(Analog-to-Digital Converter)의 표본화 주파수(sampling frequency)는 수학식 6으로 정해질 수 있다.

ADC는 비트 신호를 입력받아 비트 신호 샘플들을 출력하는데, 이 비트 신호 샘플들은 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform : 이하, FFT)을 거쳐 주파수 스펙트럼 분석에 사용된다. 이 주파수 스펙트럼 분석을 통하여 구해지는 첨두(peak) 주파수 f_bd, f_bu 및 수학식 1을 이용하면, 상술한 검출 거리를 얻을 수 있게 된다. 이때, FFT에 사용되는 비트 신호 샘플들의 갯수가 N_s이면, 수학식 7로 산출되는 Δf_user만큼의 주파수 분해능을 가지게 된다. 결국, 비트 주파수와 검출 거리 는 비례하므로, 거리 분해능 ΔR_user는 수학식 8로 주어진다.

일반적으로, 차량의 속도 제어를 위해 필요한 최대 검출 거리를 설계자가 미리 고정하고, 표본화 주파수에 상응하는 ADC를 선택하여 FMCW 레이더 장치를 구현한다. 하지만, 이렇게 구현하는 경우, 거리 해상도는, 검출 거리와는 무관하게, 일정한(constant) 값을 가지므로, 근거리 물체에 대한 검출에서는 거리 분해능 면에서 불필요한 손해를 보게 된다.

이를 고려한 종래 기술은 다음과 같다. 수학식 5에 따르면, 최대 검출 거리를 반으로 줄이는 상태에서 f_{r _ user _ max}를 그대로 유지시키기 위해서는, 변조 주파수 f_m 또는 대역폭 B를 두 배 증가시켜야 한다. 이렇게, f_m 또는 B가 두 배 증가되는 경우, 수학식 8에 따라, ΔR_user이 두배로 늘어남을 알 수 있다.

따라서, 이러한 특성을 이용하는 종래 기술로는, 표본화 주파수의 변경은 복잡한 하드웨어 구조 및 처리를 수반하므로 ADC의 표본화 주파수는 고정시키되, 삼각파의 주기나 대역폭을 조절함으로써, 검출 범위(즉, 대상 물체를 검출할 수 있는 최대 거리)에 따라, 거리 분해능을 조절하는 방법이 있다.

그러나, 이러한 방법에 따라 레이더 시스템의 대역폭이나 변조 주파수를 조절하는 것은, 추가적인 하드웨어 블록이 필요할 뿐 아니라, 변하는 대역폭과 변조 주파수를 맞추기 위한 타이밍 관련 동기화 신호 처리가 용이하지 않다. 예컨대, 첫 번째 주기에서 수신한 신호를 최대한 신속하게 신호 처리를 수행한 후, 다음 주기에서는 대역폭과 변조 주파수를 변경해야 하는 부담을 안게 된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 시스템 제원(specification)을 고정한 상태에서 최대한의 거리 분해능을 효율적으로 얻을 수 있는 레이더 장치를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명의 제1 측면은 비트 신호를 미리 설정된 표본화 주파수로 표본화하여 얻어지는 비트 신호 샘플들을 이용하여, 대상 물체와의 거리를 검출하는 방법에 있어서, (a) 상기 비트 신호 샘플들 중 연속된 N개의 샘플들을 선택하고, 상기 선택된 샘플들로부터 얻어지는 주파수 스펙트럼을 분석하여 대상 물체와의 거리를 검출하는 단계; 및 (b) 상기 검출된 거리가 제1 임계치보다 작으면, 상기 비트 신호 샘플들을 부표본화하여 M(M<N)개의 부표본화된 샘플들을 획득하고, 상기 부표본화된 샘플들로부터 얻어지는 주파수 스펙트럼을 분석하여 대상 물체와의 거리를 검출하는 단계를 포함하는 거리 검출 방법을 제공한 다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명의 제2 측면은 비트 신호를 미리 설정된 표본화 주파수로 표본화하여 비트 신호 샘플들을 생성하는 ADC; 상기 비트 신호 샘플들 중 연속된 소정 수의 샘플들을 선택하는 샘플 슬라이서; 및 상기 샘플 슬라이서의 출력 샘플들을 부표본화하는 부표본화기; 및 원거리 검출 모드에서 상기 샘플 슬라이서의 출력 샘플들을 이용하여 대상 물체와의 거리를 검출하고, 중거리 검출 모드에서 상기 부표본화기의 출력 샘플들을 이용하여 상기 대상 물체와의 거리를 검출하는 거리 검출부를 포함하는 레이더 장치를 제공한다.

상기에서 제시한 본 발명의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 본 발명의 모든 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 검출 범위에 따라 주파수 분해능을 조절함으로써, 차량 안전 운행, 지능형 자동차의 안전 시스템의 구현 등에 기여할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 시스템 제원(specification)을 고정한 상태에서도 최대한의 거리 분해능을 효율적으로 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예들에 관한 설명은 본 발명의 구조적 내지 기능적 설명들을 위하여 예시된 것에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예들에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 본 발명의 실시예들은 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

"및/또는"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시가능 한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목"의 의미는 "제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중 적어도 하나 이상"을 의미하는 것으로, 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 및 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마 찬가지로 해석되어야 한다.

본 발명에서 기재된 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 기술한 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 변조 주파수, 대역폭 등을 상황에 따라 변경시키는 종래 기술과는 달리, 레이더 시스템의 제원(예컨대, 변조 주파수, 대역폭, 표본화 주파수 등)을 고정한 상태에서도, 간단한 신호 처리를 이용하여, 검출 범위에 따라 거리 분해능을 조절할 수 있다. 일례로, 검출된 물체의 위치가 어디에 있느냐에 따라 최대 검출 거리를 조절하되, 최대 검출 거리가 짧아질수록 거리 분해능을 높일 수 있도록 조절하여 전방의 위험 요소를 방지하는 방법을 사용한다.

도 5a 및 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 장치에 대한 원리를 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 원거리 탐지 모드로 시작된다.

원거리 탐지 모드에서는 최대 검출 거리를 R_{user _ max1}로 높게 설정해 두고, My Car의 레이더 장치는 물체와의 거리를 검출한다. 최대 검출 거리가 높게 설정되어 거리 분해능이 낮아질 수 있지만, 검출 범위 안에 물체가 있는지 없는지를 판단할 수 있으면 족하기 때문이다.

원거리 탐지 모드에서 거리 검출을 수행한 결과, 도 5a와 같이 car1과 car2가 검출된 경우, car2가 우선 급한 차량이므로, car2와의 거리를 측정해야 한다. 이를 위해, 중거리 탐지 모드로 천이한다.

중거리 탐지 모드에서는, R_{user _ max1}로 설정되었던 최대 검출 거리 값을 R_{user_max2}로 낮추어 거리 검출을 다시 수행한다. 중거리 탐지 모드에서는, 원거리 탐지 모드에서의 거리 분해능보다 우수한 거리 분해능으로 거리 검출이 수행된다.

그 후, 도 5b와 같이 car2가 현재 설정된 최대 검출 거리 R_{user _ max2}의 범위 안 에 들어오면, 보다 정확한 거리 검출을 위해, 검출 범위를 더욱 좁히되, 보다 높은 거리 분해능으로 거리 검출을 수행해야 한다. 이를 위해, 근거리 탐지 모드로 천이한다.

근거리 탐지 모드에서는, R_{user _ max2}로 설정되었던 최대 검출 거리 값을 R_{user_max3}로 낮추어 거리 검출을 다시 수행한다. 근거리 탐지 모드에서는, 중거리 탐지 모드에서의 거리 분해능보다 우수한 거리 분해능으로 거리 검출이 수행된다.

설정된 최대 검출 거리에 따라 거리 분해능을 조절하는 신호 처리 방법의 예는 다음과 같다.

1. 전처리 과정

이 과정은 설정된 최대 측정 거리에 따른 거리 검출에 필요한 정도의 샘플들을 확보하는 과정이다.

상술한 바와 같이, 레이더 장치와 떨어진 물체의 거리는 그 지연 시간과 비례의 관계를 이루기 때문에, 만약, 최대 검출 거리 R_{user _ max} 만큼 떨어진 물체라면, 그에 상응하는 지연시간 τ_user만큼 지연되어 레이더 장치에 수신된다. 실제 상황에서, τ_user는 FMCW 삼각파 주기에 비해서는 아주 작은 값을 가지기 때문에, 본 발명의 일실시예에 따르면, ADC를 통해 얻어지는 비트 신호 샘플들 중에서, τ_user+τ_α에 상응하는 샘플들만을 이용하여 주파수 스펙트럼을 분석한다. 여기서, τ_α는 R_{user _ max} 에 상응하는 비트 주파수가 충분히 나타날 수 있는 만큼의 비트 신호 샘플수 N_ss를 확보할 수 있는 값이다. 예컨데, τ_α 값이 너무 작게 설정된 경우, 부족한 샘플 수로 인해, FFT 연산에 따른 주파수 스펙트럼 값이 너무 낮게 되어, 정밀한 주파수 스펙트럼 분석을 수행할 수 없게 된다.

즉, N_ss는 도 1의 T 기간 동안 ADC를 통해 출력되는 N_s개의 비트 신호 샘플들 중에서, 불필요한 샘플들을 제외한 나머지 샘플들의 갯수이다. 이렇게 하면, N_s개의 비트 신호 샘플들을 전부 이용하는 것에 비해, 메모리 양을 줄일 수 있으며, FFT의 연산 속도를 훨씬 높이거나, FFT의 연산량을 훨씬 줄일 수 있게 된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 이러한 전처리 과정은 원거리 탐지 과정, 중거리 탐지 과정 및 근거리 탐지 과정에 공통적으로 사용된다.

2. 원거리 탐지 과정(높은 최대 검출 거리 및 낮은 분해능)

레이더 장치는 현재 설정된 최대 검출 거리 R0 내의 타겟 물체를 스캔하게 되고, FFT를 통해 비트 신호의 주파수 스펙트럼을 구한다. 그리고, 피크 주파수 혹은 일정 레벨 이상의 스펙트럼 밀도를 가지는 주파수를 구해서 거리와 속도를 검출한다. 여기서, 전처리 과정을 통해 확보된 N_ss 개의 비트 신호 샘플들에 대해 FFT를 취한 경우의 주파수 분해능 Δf_ss은 수학식 7에 따라 Δf_ss=f_s/N_ss의 관계를 가진다. Δf_ss값은 Δf_user 값보다 훨씬 낮은 분해능을 갖는다.

만약, 시간 영역 상에서 비트 신호 샘플들의 갯수가 충분하지 않을 경우에, 영 채우기(zero padding)을 이용한 FFT를 활용하면 주파수 분해능을 높일 수 있다. 영 채우기는 주파수 분해능을 높이기 위한 용도 외에, 샘플 수를 2의 지수 승으로 만들어 FFT를 용이하게 하여 주파수 변환 속도를 향상시키는 용도로도 사용될 수 있다.

다시 설명하면, 전처리 과정으로 얻어지는 비트 신호 샘플 수가 N_ss이므로, 거리 분해능이 ΔR_min 값보다 열악할 것이고, 그 반대로, 거리 분해능을 높이기 위해 샘플 수를 늘이면, 계산량이 많아지는 단점이 있다. 또한, 멀리 있는 물체의 경우에는, 가까운 거리의 물체에 비해 거리 검출의 정확도가 다소 떨어져도 상관없다. 따라서, 이러한 특성들을 고려할 때, 원거리 탐지 과정에서는 거리 검출의 사소한 오차를 감수하고, 높게 설정된 최대 검출 거리 안에 물체가 존재하는지 여부를 판단하는데 초점을 맞춘다.

도 5a를 참조하면, 레이더 장치가 측정 가능한 최대 거리 R_{user _ max1} 범위 내에 car1과 car2가 검출됨을 알 수 있다. 특히, car2가 R_{user _ max2} 범위 내에 있음을 알게 되어, 중거리 탐지 과정이 수행된다.

3. 중거리 탐지 과정(중간 정도의 최대 검출 거리 및 중간 분해능)

원거리 탐지 과정에서 검출된 물체가 R_{user _ max2} 범위 내에 있는 경우에 수행되 는 과정이다. 만약, R_{user _ max2}가 R_{user _ max1}의 반이라고 가정한다면, 수학식 5에 따라 중거리 탐지 과정의 f_{r _ user _ max}도 원거리 탐지 과정보다 반으로 줄게 된다. 따라서, 표본화 주파수도 원거리 탐지 과정에 비해 반으로 줄어들어야 한다.

그러나, 상술한 바와 같이, 시스템의 복잡성으로 인해 ADC의 표본화 주파수는 고정되어 있는 것이 바람직하다. 그렇다고, 원거리 탐지를 위해 샘플링한 데이터를 모두 사용하는 것은 필요 없는 비트 주파수 값도 계산하게 되는 것이므로 효율성에서 떨어진다.

따라서, 중거리 탐지 과정에서는, 원거리 탐지 과정에 비해 반으로 줄어든 비트 주파수 만큼 비트 신호를 표본화되도록 하는 신호 처리가 수행된다. 즉, 표본화 주파수를 f_{ss _ ss}=f_s/2 만큼, 반으로 낮춘 효과를 가지도록, ADC로부터 제공되는 비트 신호 샘플들 2개마다 1개씩을 취한다. 즉, ADC를 통해 얻어진 N_s개의 샘플들은 전처리 과정을 통해 N_ss개로 시간 영역 필터링 되어지고, 다시 중거리 탐지 과정에서 N_{ss _ ss}=N_ss/2 만큼의 부표본화(sub-sampling)가 수행된다.

그리고, 이렇게 부표본화로 얻어진 비트 신호 샘플들에 대해 FFT를 취하여 주파수 스펙트럼 분석이 수행된다. 한편, 중거리 탐지 과정에서는 원거리 탐지 과정의 거리 분해능보다 우수한 거리 분해능을 얻기 위한 방법으로 다음과 같은 신호 처리 방법을 사용할 수 있다.

실시예 A1 : 표본화 주파수와 샘플 수가 원거리 탐지 과정의 f_s, N_ss에서 f_{ss_ss}, N_{ss _ ss}로 반만큼 줄었다. 이 경우 N_{ss _ ss}개의 비트 신호 샘플들에 영 채우기를 가하면서 N_ss point FFT를 수행함으로써, 원거리 탐지 과정에 비해 주파수 분해능을 2배 늘일 수 있다. 즉, 중거리 탐지 과정에서의 주파수 분해능은 f_{ss _ ss}/(2N_{ss _ ss}) = f_ss/(2N_ss) = Δf_ss/2가 된다. 이렇게 하면, 원거리 탐지 과정 비교할 때, FFT를 처리하기 위한 point 수는 N_ss로 동일하지만, 주파수 분해능은 2배 증가하여 거리 분해능 역시 높아지게 된다.

실시예 A2 : 전처리 과정에서 시간 영역 필터링을 수행할 때, 샘플수를 2N_ss 만큼 2배로 늘여 확보하는 방법을 사용한다. 이렇게 한 후, 중거리 탐지 과정에서 설명한 바와 같이, 1/2 부표본화를 하게 되면, 샘플 수가 N_ss 만큼 확보된다. 즉, 굳이 영 채우기 FFT를 수행하지 않고도, 필요한 만큼의 주파수 분해능을 확보할 수 있게 된다.

한편, 실시예 A2는 실시예 A1에 비해, 전처리 과정에서 샘플 수를 2배 확보해야 하므로, 메모리 용량이 2배 요구된다. 따라서, 시스템 사양에 따라 실시예 A1, 실시예 A2 중 유리한 방법을 선택한다.

4. 근거리 탐지 과정(낮은 최대 검출 거리, 및 높은 분해능)

중거리 탐지 과정에서 검출된 물체가 R_{user _ max3} 범위 내에 진입하면, 근거리 탐지 과정이 수행된다. 만약, R_{user _ max3}가 R_{user _ max2}의 반이라고 가정한다면, 중거리 탐지 과정과 마찬가지의 신호 처리 방법(예컨대, 실시예 A1, 실시예 A2)으로 더 높은 거리 해상도를 얻는다.

한편, 실시예 A1와 같이 영 채우기 FFT를 수행하여도, FFT의 물리적 특성상, 애초의 샘플 수가 충분하지 않으면 분해능을 높이는데 한계가 있다. 또한, 레이더 시스템의 주파수 대역폭이 충분히 넓지 않은 경우라면, 수학식 4와 같이, 분해능이 우수하지 않다. 따라서, 아무리 많은 샘플 수를 가지고, FFT를 수행하더라도 그 분해능 역시 원래 해상도 보다 좋아질 수 없다.

또한, 실시예 A2와 같이 많은 샘플 수를 미리 확보하는 방법은 실시예 A1에 비해 높은 분해능을 확보할 수 있다. 즉, 주파수 분해능을 보다 높이기 위해서는, 중거리 탐지 과정의 경우에 비해 훨씬 많은 샘플을 확보하여야 한다. 그러나, 무작정 많은 샘플 수를 확보하는 것은 FFT의 속도 저하와 메모리 용량을 크게 할 수 있다.

따라서, 근거리 탐지 과정에서는 본 발명의 일실시예에 따라 고해상도 주파수 분석 알고리즘을 통해 높은 분해능을 확보한다.

실시예 B1 : 중거리 탐지 과정에서 부표본화로 얻어지는 N_{ss _ ss} 개의 샘플들을 영 채우기 없이 FFT를 수행한 후, FFT 결과 중에서 R_{user _ max3}까지 해당하는 앞 샘플들만 취하여 MUSIC(MUltiple SIgnal Classification)이나 ESPRIT(Estimation of Signal Parameters by Rotational Invariance Techniques)와 같은 고해상도 주파수 분석 알고리즘을 이용하여 높은 주파수 분해능을 확보하는 방법이다. 즉, N_{ss _ ss}/2 만큼의 샘플수로도 충분히 고해상도로 거리 검출을 수행할 수 있다.

실시예 B2 : 만약 중거리 탐지 과정에서 확보된 샘플수가 너무 적어서, 실시예 B1를 수행하기에 부족할 경우라면, 중거리 탐지 과정의 실시예 A2에서 확보된 2배의 샘플 값을 이용하여 FFT를 수행한 후, 그 앞 샘플들만을 취하여 MUSIC 또는 ESPRIT 기반의 고해상도 주파수 분석 알고리즘을 적용한다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 거리 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 6a에는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 장치의 블록도가 도시되어 있고, 도 6b에는 도 6a의 해당 모듈에서 사용되는 샘플 수 및 표본화 주파수를 테이블로 정리되어 있다.

도 6a에서 ADC는 상술한 바와 같이 고정된 표본화 주파수 f_s로 샘플링을 수행하여, 비트 신호 샘플들을 출력한다. 도 6b를 참조하면, 삼각파의 T에 해당하는 N_s개의 비트 신호 샘플을 출력한다.

샘플-슬라이서는 입력되는 비트 신호 샘플들 중에서, 필요한 만큼의 샘플만을 취한다. 일례로, N_s개의 입력 샘플당 N_ss개의 샘플을 출력한다. 즉, 시간 영역 필터링을 수행한다. 부표본화가 아니라 필요한 샘플만 취하는 것이므로, 여기서의 표본화 주파수는 f_s로 변동이 없다.

서브-슬라이서 즉, 부표본화기는 입력 샘플을 부표본화하여 출력한다. 예컨대, 부표본화율이 1/2인 경우는 연속되는 입력 샘플 2개당 하나만을 취하여 출력한다. 이 경우, N_ss개의 입력 샘플당 N_{ss _ ss}개의 샘플이 출력되는 것이고, 부표본화가 사용되므로, 실질적인 표본화 주파수는 f_{ss _ ss}로 변경된다.

먹스는 샘플-슬라이서의 출력 또는 서브-샘플러의 출력 중 하나를 취한다. 일례로, 원거리 탐지 모드에서는 샘플-슬라이서의 출력이 사용되고, 중거리 탐지 모드 및 근거리 탐지 모드에서는 서브-샘플러의 출력이 사용된다.

이러한 먹스의 출력은 메모리에 임시 저장된다.

도 6a의 FFT는 임시 저장된 샘플들에 대해 해당 point FFT 연산을 수행하는 블록이다. 상술한 바와 같이 필요에 따라 영 채우기가 수행되어 질 수 있다.

MUSIC은 고해상도 주파수 분석 알고리즘을 수행하는 블록이다. 근거리 탐지 모드에서 동작되며, MUSIC에 의한 분석 결과는 Range & velocity Extraction unit(거리&속도 검출부)에 제공되어 최종 거리 검출 등이 수행된다. 물론, 원거리 탐지 모드 및 중거리 탐지 모드에서는 MUSIC을 사용하지 않고 FFT 결과가 Range & velocity Extranion unit에 제공되어 최종 거리 검출이 가능하다.

Control Unit은 탐지 모드에 따라 샘플-슬라이서의 출력 샘플 수 및 서브-샘플러의 출력 샘플 수를 조절한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 장치를 개념적으로 표현하는 블록도이다.

도 7의 실시예에 따르면, 원거리 탐지 모드에서는 최우측의 FFT 블록이 f_s의 표본화 주파수를 가진 N_ss개의 비트신호 샘플들을 주파수 변환하여, 거리 검출이 이루어진다.

중거리 탐지 모드에서는 중간의 FFT 블록이 f_{ss _ ss}의 표본화 주파수를 가진 N_{ss_ss} 개의 비트 심호 샘플들을 실시예 A1, 실시예 A2에 따라 주파수 분석하여, 거리 검출이 이루어진다.

근거리 모드에서는, 중거리 모드의 FFT 블록을 이용하되, MUSIC 과 같은 고해상도 주파수 분석 알고리즘을 추가 적용하여 보다 정확한 거리 검출이 이루어진다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

이러한 본원 발명인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

상기에서 제시한 본 발명의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 본 발명의 모든 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 검출 범위에 따라 주파수 분해능을 조절함으로써, 차량 안전 운행, 지능형 자동차의 안전 시스템의 구현 등에 기여할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 시스템 제원(specification)을 고정한 상태에서도 최대한의 거리 분해능을 효율적으로 얻을 수 있다.

도 1은 FMCW 기반의 레이더 장치에서 사용되는 송신 신호의 파형을 설명하기 위한 도면이다.

도 2a 내지 2c는 송신 신호의 주파수와 수신 신호의 주파수 간의 관계를 시간 축 상에 나타낸다.

도 3a 및 3b는 송신 주파수와 수신 주파수 간의 관계 및 그에 따른 비트 신호의 주파수를 시간 축 상에 나타낸다.

도 4는 비트 주파수를 이용한 거리 및 속도 검출 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 5a 및 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 레이더 장치에 대한 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 거리 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 거리 검출 장치를 개념적으로 표현하는 블록도이다.

Claims (7)

1. 비트 신호를 미리 설정된 표본화 주파수로 표본화하여 얻어지는 비트 신호 샘플들을 이용하여, 대상 물체와의 거리를 검출하는 방법에 있어서,

   (a) 상기 비트 신호 샘플들 중 연속된 N개의 샘플들을 선택하고, 상기 선택된 샘플들로부터 얻어지는 주파수 스펙트럼을 분석하여 대상 물체와의 거리를 검출하는 단계; 및

   (b) 상기 검출된 거리가 제1 임계치보다 작으면, 상기 비트 신호 샘플들을 부표본화하여 M(M<N)개의 부표본화된 샘플들을 획득하고, 상기 부표본화된 샘플들로부터 얻어지는 주파수 스펙트럼을 분석하여 대상 물체와의 거리를 검출하는 단계를 포함하되, 상기 대상 물체와의 거리는,

   

   (여기서, R은 물체와의 거리, c는 광속, f_r은 물체와의 거리에 의해 발생되는 비트 주파수, f_m은 변조주파수, B는 대역폭을 나타냄)에 따라 검출되는 것을 특징으로 하는 거리 검출 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는,

   상기 M개의 부표본화된 샘플들에 대해 영 채우기(zero padding)를 적용한 후, 고속 푸리에 변환을 수행하는 단계; 및

   상기 고속 푸리에 변환의 결과를 기초로, 상기 대상 물체와의 거리를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 검출 방법.
3. 제1항에 있어서,

   (c) 상기 (b) 단계에서 검출된 거리가 제2 임계치(제2 임계치 < 상기 제1 임 계치)보다 작으면, 상기 M개의 부표본화된 샘플들에 대해 고속 푸리에 변환을 수행하고, 고속 푸리에 변환 결과 중 저주파 대역의 L(L<M)개의 샘플에 대해 고해상도 주파수 분석 알고리즘을 적용하여 상기 대상 물체와의 거리를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 검출 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 고해상도 주파수 분석 알고리즘은

   MUSIC(Multiple SIgnal Classification) 알고리즘, 및 ESPRIT(Estimation of Signal Parameter via Rotational Invariance Technique) 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 검출 방법.
5. 비트 신호를 미리 설정된 표본화 주파수로 표본화하여 비트 신호 샘플들을 생성하는 ADC;

   상기 비트 신호 샘플들 중 연속된 소정 수의 샘플들을 선택하는 샘플 슬라이서; 및

   상기 샘플 슬라이서의 출력 샘플들을 부표본화하는 부표본화기; 및

   원거리 검출 모드에서 상기 샘플 슬라이서의 출력 샘플들을 이용하여 대상 물체와의 거리를 검출하고, 중거리 검출 모드에서 상기 부표본화기의 출력 샘플들을 이용하여 상기 대상 물체와의 거리를 검출하되, 상기 대상 물체와의 거리는,

   

   (여기서, R은 물체와의 거리, c는 광속, f_r은 물체와의 거리에 의해 발생되는 비트 주파수, f_m은 변조주파수, B는 대역폭을 나타냄)에 따라 검출되는 거리 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 거리 검출부는,

   중거리 검출 모드에서 상기 부표본화기의 출력 샘플들에 영 채우기를 적용한 후, 고속 푸리에 변환을 수행하여 상기 대상 물체와의 거리를 검출하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 거리 검출부는,

   근거리 검출 모드에서 상기 부표본화기의 출력 샘플들에 고해상도 주파수 분석 알고리즘을 적용하여, 상기 대상 물체와의 거리를 검출하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.

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