KR101775572B1 - 송신 신호와 수신 신호를 디커플링하고 간섭 방사를 억제하기 위한 어레이와 방법을 채용한 레이더 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특히 물체의 상대속도를 측정하고 각 송신 안테나에 대한 어느 한 측정 주기에서 인식 감도를 높이기 위해 경우에 따라 서로 섞인 하나 이상의 연속을 구성하는 동일하거나 또는 유사한 개별 신호가 방사되는 주변 측정용 레이더 시스템에 관한 것으로서, 이때 이러한 개별 신호의 시간적 간격은 관심이 가는 최대 거리에 상응하는, 수신 신호의 전파시간보다 평균적으로 더 크다.
본 발명에서는 수신장치를 장착하고 있는 바, 이 장치에서는 물체에서 반사되어 수신된 신호가 고주파 신호와 혼합되고, 이로 인해 개별 신호의 연속을 나타내는 저주파 수신 신호가 발생하며 연속하여 후속하는 개별 저주파 신호를 통해 그 위상 위치는 개별 송신 신호의 및/또는 혼합에 사용된 고주파 신호의 및/또는 개별 저주파 수신 신호 자체의 위상 위치가 변화함에 의해 변화된다.

Description

송신 신호와 수신 신호를 디커플링하고 간섭 방사를 억제하기 위한 어레이와 방법을 채용한 레이더 시스템{RADAR SYSTEM HAVING ARRANGEMENTS AND METHOD FOR DECOUPLING TRANSMISSION AND RECEPTION SIGNALS AND SUPPRESSION OF INTERFERENCE RADIATION}

본 발명은 차량의 운전자지원시스템에 장착하기 위한 레이더 시스템에 관한 것이다. 이 레이더 시스템에는 본 발명에 따라 송신 신호와 수신 신호를 디커플링하고 외래방사를 억제하는 어레이와 방법이 채용되었다.

오늘날 운전자지원시스템이 차량에 점점 더 많이 장착되는 추세인 바, 이 시스템은 센서 시스템에 의해 차량 주변을 측정하여 이러한 측정에 의해 인식된 교통 상황에서 차량의 반응을 자동으로 유도하고/하거나 운전자에게 그 상황을 통보, 특히 경고한다. 이러한 기능은 크게 편의 기능과 안전 기능으로 구분된다.
현재의 기술 수준에서는 편의 기능으로서 FSRA(Full Speed Range Adaptive Cruise Control: 전속도적응순항제어장치)가 가장 중요한 역할을 한다. 이 장치를 장착하면 차량은 교통 상황이 허용하는 한 속도를 운전자가 사전에 지정한 희망 속도로 조절한다. 하지만 교통 상황이 허용하지 않으면 차량의 속도가 교통 상황에 맞추어 자동으로 적절히 조절된다.
앞으로는 편의 기능이 더욱 강화되면서, 안전 기능 또한 보다 더 큰 의미를 지니게 될 것이다. 이때 비상 상황에서 제동거리를 줄이는 것이 가장 중요할 것이다. 이러한 운전자 지원 기능은 브레이크의 대기 시간을 줄이는 브레이크의 자동 작동 대기(prefilll)에서부터 강화된 브레이크 지원시스템(BAS+), 그리고 자동화된 급제동까지에 이르기까지 그 범위가 넓다.
요즈음에는 위에서 기술한 종류의 운전자 지원시스템에 주로 레이더 시스템이 장착된다. 이 센서는 악천후에도 신뢰도가 높게 작동으로 하며 어떤 물체와의 간격 외에 도플러효과를 통해 그 물체와의 상대속도도 직접 측정한다.
하지만 이러한 레이더센서는 현재 아직도 상당히 고가이며 그 감지 품질도 완벽하지 않다. 따라서 특히 안전 기능과 관련해서는 상당히 문제가 않으며, 아래의 사정을 특히 그 원인으로 들 수 있다.
- 어떤 물체의 측면 위치를 정확하게 측정하기 위해서는 많은 방사 로브가 여러 방향이 있어야 한다. 이를 위해 요즘에는 하나의 센서 안에 여러 수신 및 송신 안테나를 평면 형태로 장착하는 추세인 바, 이러한 안테나는 평행 또는 유사 평행으로 작동된다. 이러한 안테나가 서로 영향을 주지 않기 위해서는 이 안테나의 디커플링 또는 절연 상태가 양호해야 하는 바, 이는 고가의 회로기술을 채용해도 만족할만한 수준에 도달할 수 없다. 이에 대한 예로서 24 GHz-UWB(= Ultra Wide Band: 초광대역)센서를 들 수 있다. 하지만 주파수가 상당히 제한적으로 허가되기 때문에 전파를 상당히 약한 송신출력으로만 방사해야 하며, 따라서 불충분한 절연으로 인해 원래의 수신 안테나를 통해 의도하지 않게 방사되는 전파의 출력이 송신 안테나를 통해 방사되는 전파의 출력과 거의 비슷한 세기이므로 물체의 방위각을 측정할 때 문제가 발생할 수 있으며 또 개별 각도 구역에서 감도 손실이 발생할 수 있다.
- 안테나를 여러 개 사용할 경우 수신 경로를 여러 개 평행으로 설치하는 바, 이로 인해 아날로그 및 디지털 신호를 처리하기 위한 비용이 많이 든다.
- 레이더의 주파수 대역이나 또는 전자평가장치의 저주파 구성품이 작동하는 대역에서 다른 시스템에 의해 간섭 결합 또는 간섭 방사가 발생하여 감지에 결함이 생겨 오작동할 수 있다.

본 발명의 과제는 표유 방사의 영향을 억제하는 차량용 레이더 시스템과 방법을 상세히 기술하는 것이다.
이 과제는 기본적으로 청구항 1 . 14에 따른 레이더 시스템으로 해결된다.
특히 여기서 표유 방사 억제란 송신 신호와 수신 신호의 디커플링 또는 절연을 의미하는 바, 이러한 억제로 인해 물체의 측면 위치를 정확하게 측정하고 감도 손실을 방지하게 된다. 여기에는 또한 외래 방사도 포함된다.
본 발명의 장점은 특히 고주파 전자기기의 구성품과 아날로그 및 디지털 신호 처리에 대한 요구사항이 경감된다는 점인 바, 이로 인해 레이더시스템의 비용이 절감되며 감지 품질 또한 개선되고 안정된다.

도 1에는 레이더 시스템의 첫 번째 모델 형태가 도시되어 있다.
도 2에는 소위 말하는 주파수 램프(ramp)로 이루어진 송신 및 수신 신호의 주파수가 도시되어 있다.
도 3에는 두 물체가 첫 번째 DFT(좌측)의 이전과 첫 번째 DFT(우측)에 이후에 있을 때 스캔한 신호가 도시되어 있다.
도 4에는 주파수 램프 위로 주기적으로 나타나는 복합 스펙트럼 값이 어느 한 물체가 정확히 위치해 있는 레인지 게이트 4에서 표시되어 있다.
도 5에는 두 번째 DFT 이후의 복소수 값 스펙트럼이 2차원으로 표시되어 있다.
도 6에서는 4개의 수신 안테나에 걸린 상이한 위상 위치와 그 위상의 방위각과의 관계를 설명하였다.
도 7은 3차원으로 표시된 DFT 이전(좌측)의 데이터와 그 이후의 3차원으로 표시된 복소수 값 스펙트럼을 나타낸다.
도 8은 강한 500 kHz의 커플링을 위해 임의 반전이 있는/없는 해당 레인지 게이트 6에서 도플러 스펙트럼을 나타낸다.
도 9에서는 의도하지 않고 수신 안테나를 통해 방사된 출력이 있는/없는 송신 안테나의 다이어그램이 도시되어 있다.
도 10은 레이더 시스템의 두 번째 모델의 예시 도면이다.
도 11은 레이더 시스템의 세 번째 모델의 예시 도면이다.
도 12는 레이더 시스템의 네 번째 모델의 예시 도면이다.

모델 예시
이제 레이더 시스템의 모델 예시 도면을 이용하여 본 발명을 설명하겠다. 각 모델을 이용하여 설명한 본 발명과 그 도면에 기재된 숫자는 24GHz의 레이더를 기준으로 한 것이다. 하지만 본 발명은 24GHz의 대역에 제한되어 있지 않고 고주파 레이더 시스템에 채용될 수 있으므로 77GHz와 같은 다른 주파수에서도 본 발명을 직접 채용할 수 있다.
도 1에 따른 모델 1
먼저 도 1에 개략적으로 도시한 레이더 시스템의 모델 예시를 다루겠다. 이 레이더 시스템에는 송신 신호를 방사하기 위한 송신 안테나 1.1과 물체에서 반사된 송신 신호를 동시에 수신하기 위한 여러 개의, 특히 수신 안테나 1.2가 있다.
이하에서는 수신 안테나가 4개인 모델 예시를 다루는 바, 이러한 예시 모델에서는 수신 안테나를 임의로 여러 개, 최소한 수신 안테나를 하나 장착할 수 있다.
모든 안테나(송신 및 수신 안테나)의 방사 형태는 양각과 방위각에서 동일하다. 4개의 수신 안테나는 하나의 평면 위에 있으며 각 안테나의 측간 거리, 즉 수평 간격 d는 동일하다.
송신 신호는 24GHz의 대역에서 고주파 발진기에 의해 생성되며, 이 대역은 제어전압 v_con에 의하여 그 주파수에서 변경될 수 있다. 이 제어전압은 제어장치 1.9에 의해 생성된다. 안테나가 수신한 신호 또한 실수 값 혼합기 1.5에서 발진기 1.3의 신호와 저주파 대역에서 낮게 혼합된다. 이때 발진기 1.3의 위상이 개폐식 인버터 1.4를 통해 180° 회전하게 하거나 또는 그대로 유지되게 할 수 있다(개폐식 인버터의 트리거링은 제어장치 1.9에 의해 이루어진다). 그 다음 수신 신호는 전달 함수가 도시된 바와 같은 대역통과필터 1.6, 증폭기 1.7 및 A/D 컨버터를 통과한 후 디지털 신호 처리 장치 1.10에서 계속 처리된다.
물체와의 거리를 측정할 수 있도록 하기 위해, 도 2에 도시한 바와 같이, 고주파 발진기의 주파수와, 따라서 송신 신호가 아주 빠르게 선형으로 변경된다(예를 들어 16μs의 주기에서 187.5MHz로). 이러한 변경을 흔히 주파수 램프라고 한다. 주파수 램프는 주기적으로 반복된다(예를 들어 20μs마다). 이 수치 예에서는 주파수 램프의 수가 1024개이다.
각 물체에서 반사된 수신 신호는 혼합 후, 따라서 각 주파수 램프와 4 수신 채널 각각의 A/D 컨버터에서 사인파형의 파이다. 이를 도 2에서 다음과 같이 설명할 수 있다. 즉 물체의 레이더 시스템에 대한 시선 상대속도가 영이면 송신된 신호와 수신된 신호 사이의 주파수 편차 Δf는 일정하며, 이때 이 편차는 신호 전파시간 Δt에 비례하며 따라서 반경 거리 Δr = c·Δt/2에 비례한다. 여기서 c는 광속도이며 상수 1/2는 전파시간 Δt가 파의 왕복과 관계한다는 것을 고려한 값이다. 예를 들어 위의 예시에서 주파수 편차 Δf는 Δf = 2r/c.187.5MHz/16μs = r.78.125kHz/m이다. 수신된 신호는 각 수신 채널에서 발진기 주파수와, 따라서 송신 주파수와 혼합되므로 혼합 후 주파수 Δf인 각 사인파형 진동이 나타난다. 이 주파수는 MHz 대역에 있으며 영이 아닌 (시선) 상대속도에서 도플러 주파수만큼 이동하는 바, 하지만 이 도플러 주파수는 kHz 대역 내에 있으며 따라서 물체와의 거리에 의한 주파수 중첩에 비해 거의 무시할 수 있다. 여러 물체가 있는 경우 수신 신호는 상이한 주파수의 여러 사인파형 진동이 중첩된 신호이다.
주파수가 램프될 때마다 4개의 모든 수신 채널에서 수신 신호가 A/D 컨버터에서 예를 들어 각각 25ns의 거리에서(즉 40MHz로) 예컨대 512회 스캔된다(도 2 참조). 도 2에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 신호 스캔은 물체에서 방사되는 수신 신호가 관심이 가는 거리 범위 내에 있는 시간 범위 내에서만 의미가 있다. 즉 램프 시작 후 최소한 최대로 관심이 가는 거리에 상응하는 전파시간을 기다려야 한다(이 시간은 200m의 최대 거리에서 1.25μs이다).
그러면 예를 들어 512개의 스캔 값을 통해 각 주파수 램프와 각 수신 채널이 일종의 고속 푸리에 변환(FFT = Fast Fourier Transform) 형태인 이산 푸리에 변환(DFT)을 한다. 따라서 떨어져 있는 거리가 다른, 즉 주파수가 다른 물체를 구분할 수 있다(도 3 참조, 좌측: 두 물체가 있을 때 DFT 이전의 신호, 우측: DFT 이후의 신호. 여기서 k는 1024회의 주파수 램프에 대한 제어변수이고 DFT의 j는 거리 r에 상응하므로 따라서 펄스 레이더처럼 레인지 게이트라고 부를 수 있다. 위의 예시에서 레인지 게이트에는 어떤 간격이 있고 따라서 그 폭은 1 미터이다(이 값은 r·78.125kHz/m=1/(12.8μs)에서 나온 값이다). 물체가 위치해 있는 레인지 게이트에서는 DFT에서 출력 피크가 나타난다. 스캔한 수신 신호가 실수 값이고, 아날로그 대역통과필터 1.5의 상부 천이 대역은 그 주파수 대역폭이 예를 들어 8,764MHz(이는 112개의 주파수 지점 범위에 해당된다)이므로 이 수치 예에서는 512개의 이산 주파수 지점 중에서 200개의 지점만이 계속 처리된다. 필터의 좁은 천이 대역은 실현할 수 없는 대역이라고 말하는 경우도 있다. 필터 1.5는 낮은 주파수를, 즉 가까운 물체에서 반사되는 수신 신호를 흡수하여 증폭기 1.6과 A/D 컨버터 1.7의 오버 컨트롤을 방지한다(안테나에 수신된 신호는 물체와의 거리가 줄수록 강해진다).
예를 들어 1024개의 주파수 램프(k = 0, 1, …… 1023) 위로 각 수신 채널 m(m = 0, 1, 2, 3)에서 각 레인지 게이트 j에 대해 (예를 들어 위에 언급한 200개의 주파수 지점에 대해) 복합 스펙트럼 값 e(j,k,m)가 산출된다. 어느 한 레인지 게이트에 상응하는 거리에 정확히 어느 한 물체가 있으면 그 복합 스펙트럼 값이 이 레인지 게이트 j에서 예를 들어 1024개의, 도플러 주파수가 있는 주파수 램프 위로 주기적으로 나타나는 바, 왜냐하면 주파수 램프에서 주파수 램프까지 그 거리(mm 범위 이내)가, 따라서 그에 속하는 진동의 위상 위치가 동일한 형태로 변하기 때문이다. 예를 들어 도 4에서 도시한, 주파수 램프당 45°의 위상 변화는 물체의 거리 변경, 즉 λ/(8·2) = 0.78mm에 상응하는 바, 이때 이 수치 예에서 파장 λ = c/24.15GHz = 12.4mm이고 분모 2는 파의 왕복을 고려한 값으로서, 이 공식에서 상태 속도 v_rel = 0.78mm/20μs= 140km/h가 산출된다. 동일한 레인지 게이트 내에 있지만 상대속도가 상이한 여러 물체는 각 수신 채널과 각 레인지 게이트에 대해 두 번째 DFT가 예를 들어 1024개의 주파수 램프에서 나타난 복합 스펙트럼 값을 통해 계산됨으로써 구분된다. 이 두 번째 DFT의 각 이산 주파수 지점은 도플러 주파수의 어느 한 집합에 상응한다. 도플러 주파수를 스캔하기 때문에 이 지점은 그 스캔율의 알 수 없는 정수 배까지만 측정되고 따라서 물체의 상대속도 v_rel의 집합에 상응하므로 두 번째 DFT의 이산 주파수 지점을 상대속도 게이트라고 부를 수 있다. 여기서 고찰한 예시에서는 가능한 상대속도 집합에서는 항상 도로교통에 대해 의미 있는 또는 가능한 상대속도만 있다. 도 5 참조. 이 두 번째 DFT는 상대속도를 측정하는데 사용될 뿐만 아니라 이 DFT는 적분에 의해 인식 감도도 높인다 - 1024개의 주파수 램프에서 약 10·log₁₀(1024) = 30dB 상승.
상대속도에 대한 이 두 번째 DFT 후에 각 수신 채널에 대해 2차원의 복소수 값 스펙트럼이 나오는 바, 여기서 각 셀을 거리-상대속도-게이트라고 부를 수 있으며 이 셀은 물체에 의해 출력 피크가 각각의 해당 거리-상대속도-게이트에서 나타난다(도 5 참조).
끝으로, 그러면 (4개의 수신 안테나에 대한 4개의 수신 채널에서 나온 정보도 융합된다. 4개의 송신 안테나에서 나온, 개별 물체에서 반사된 파가 4개의 수신 안테나 m(m = 0, 1, 2, 3, ...)에, 위상 위치

(m)이 상이한 방위각 α에 따라 다르지만, 도착한다. 물체와 수신 안테나 사이의 거리가 약간 다르기 때문에, 수신 안테나는 수평 위치에서 서로 등거리에 있으므로 위상의 차이는 4개의 수평 안테나를 통해 선형으로 증가 또는 감소한다(도 6 참조) 경우에 따라 일정한, 따라서 보상할 수 있는 위상 이동을 무시하면 이 위상 차이는 두 번째 DFT 이후까지 그대로 유지되므로 4개의 수신 채널을 통해 각 거리-속도-게이트에서 디지털 빔을 형성하 수 있다. 이를 위해 위상이 선형으로 증가하는 복소수 계수 집합과 각각 곱하여 얻는 4 수신 채널의 복소수 값을 통해 합계를 낸다. 이는 각 계수 집합의 선형 위상 변경에서 나온, 방사 방향이 다른 방사 노브에 따라 다르다. 이 방사 노브의 빔 폭은 각 수신 안테나의 빔 폭보다 현저하게 좁다. 위에서 기술한 합계는 예를 들어 8-점-DFT에 의해 산출되는 바, 이때 4 수신 채널의 4개의 값은 4개의 영에 의해 보충된다. 즉 이 DT의 이산 주파수 값은 상이한 방위각에 상응하고 따라서 값을 각도 게이트 n(예를 들어, n = 0, 1,......7)이라고 부를 수 있다.
방위각에 대한 이 세 번째 DFT 이후 3차원의 복소수 값 스펙트럼이 나오는 바, 이때 각 셀을 거리-상대속도-각도-게이트라고 부를 수 있으며 물체에 의해 출력 피크가 각 해당 거리-상대속도-각도-게이트에서 나타난다. 이는 도 7에 도시되어 있는 바, 좌측은 3차원 DFT 이전의 데이터이고 우측은 그 이후를 도시한 도면이다. 출력 피크를 측정함으로써 대상도 감지할 수 있으며 그 측정 단위, 즉 거리, 상대속도(경우에 따라 발생할 수 있는 다의성 무시, 위 참조) 및 방위각을 측정할 수 있다. 출력 피크는 DFT-윈도우화(windowing)에 의해 제한적이지만 인접 셀에서도 레벨을 나타내기 때문에 이 레벨에 따라 보간법을 사용하여 게이트 폭보다 훨씬 더 정확하게 측정할 수 있다. 이때 세 DFT의 윈도우 기능을 선택할 때 한편으로는 출력 피크가 너무 넓지 않아 물체를 충분히 구분할 수 있지만, 다른 한편으로는 윈도우 스펙트럼의 부차적 로브가 너무 높지 않아 강하게 반사되는 물체가 있어도 약하게 반사되는 물체도 인식할 수 있도록 한다는 점에 유의해야 할 것이다. 출력 피크의 높이에서 물체의 4번째 측정 단위로서 물체가 레이더 파를 어느 정도 강하에 반사하는가를 나타내는 반사 단면을 평가할 수 있다. 위에서 기술한 물체의 감지 및 그에 따른 물체의 측정 단위에 대한 측정은 어떤 측정 주기를 나타내며, 이러한 것은 그 주변의 현재 상태를 알려준다. 이러한 상태 측정은 약 30ms마다 주기적으로 반복된다.
실제 레이더 시스템에서는 레이더의 주파수 대역(예를 들어, 24GHz)이나 전자식 평가장치의 저주파 구성품이 작동하거나 또는 감응하는 대역(예를 들어, 50Hz . 1GHz의 대역)에서 간섭 결합이나 간섭 방사가 나타난다. 이러한 간섭은 다른 시스템이나 또는 레이더 시스템 자체에서 발생할 수 있다. 이에 대한 예는 다음과 같다:
- 동일한 고주파 대역에서 작동하는 레이더 시스템의 조사, 이 조사는 수신 안테나를 통해 들어온다.
- 저주파 대역에서 작동하는 다른 시스템(예를 들어 차량 밖의 무선 시스템이나 차량 내의 다른 시스템)에 의해 조사나 유도가 발생하는 바, 이 간섭파는 잘 차폐되지 않는 하우징이나 차량 측의 전도체를 통해 들어온다.
- 레이더 시스템 자체에서 발생하는 간섭 신호(예를 들어 전압 조절기의 펄스)로서, 이 신호는 저주파 수신 채널로 유도된다.
특별한 조치를 취하지 않으면 이러한 모든 간섭으로 인해 실제로는 전혀 존재하지 않는 물체를 존재하는 것으로 인식하게 된다. 여기서는 이러한 물체를 유령 물체라고 부르겠다. 이러한 물체는 운전자 지원 기능의 잘못된 반응을 유발할 수 있다. 예를 들어 전압 조절기의 500kHz 펄스가 4개의 모든 수신 채널로 유도되면 3차원의 스펙트럼(세 번째 DFT 이후)에서 출력 피크가 발생하며, 이 피크는 6m 이상의 거리, 방위각 0°, 상대속도 0km/h에서 어떤 물체가 존재하는 것으로 감지하게 한다. 레이더 시스템을 사용하여 FSRA(전속도레이더: Full Speed Range Radar) 기능을 실행하면, 동일한 속도로 근접하여 선행하는 차량을 계속하여 잘못 감지하게 되어 이로 인해 충분히 넓을 간격을 두려고 하는 자체 차량을 제동하게 된다. 하지만 이 유령 물체의 간격과 상대속도가 계속하여 변하지 않으므로 (이 차량도 자체 차량처럼 동일한 정도로 제동된다고 본다) 자체 차량은 거의 정지할 정도로 제동된다. 이러한 상황은 물론 수용할 수 없는 상황이며 안전의 측면에서도 위험하다.
이러한 문제점을 방지하기 위해 혼합하기 위해 사용하는 발진기 신호의 위상을 개폐식 인버터 1.4를 통해 램프 사이에서 임의로 180° 회전시키거나 변하지 않게 한다. 즉 각 램프 내에서 개폐식 인버터의 선택한 설정은 일정하다. 이로 인해 수신 신호의 위상은 혼합 후 균일하게 변화한다. 즉 180° 회전하든지 그대로 유지된다. 반전이 일어나는 주파수 램프의 경우, 이를 나중에, 예를 들어 첫 번째 DFT 이후 다시 교정해야 한다. 이렇게 하려면 간단히 각 값에 -1을 곱하면 된다(이는 180° 거꾸로 돌리는 것과 같다). 그러면 물체로부터 반사되어 나온 유효 신호가 3개의 DFT를 통해 다시 간섭적으로 적분된다. 따라서 임의의 반전이 없는 스펙트럼과 동일한, 출력 피크가 있는 3차원 스펙트럼이 해당 거리-상대속도-각도-게이트에서 산출된다.
예를 들어 전압 조절기의 500kHz 펄스에 의해 저주파 수신 채널로 들어오는 유도는 램프를 통해 위상 변화를 교정하기 전에는 간섭적이지만 램프 사이에서 -1이나 +1을 임의로 곱하여 교정한 후에는 비간섭적이므로 이 유도는 램프를 통해 두 번째 및 세 번째 DFT에서 이루어진 적분에 의해 더 이상 출력 피크로 이행되지 않고 자신의 출력을 임의로 모든 이산 주파수 지점으로 분배하여 백색 소음을 나타낸다. 이 소음은 3차원 스펙트럼에서 6m까지의 모든 거리 게이트 모든 레인지 게이트 셀에서, 그리고 약화된 형태로 각 1 - 2개의 선행 및 후행 레인지 게이트에서 나타난다. 하지만 다른 레인지 게이트의 셀에서는 높아진 소음이 나타나지 않는다. 왜냐하면 각 램프 내에서 유도는 간섭적으로 작용하고 따라서 첫 번째 DT에 의해서 아직 소음으로 전환되지 않기 때문이다. 유도에 의한 소음은 위에서 기술한 예시(모두 1024개의 램프)의 경우 위상 변화없이 소음을 생성할 출력 피크에서 약 10·log₁₀(1024)≒30dB이다. 이는 도 8에서 강한 500kHz의 유도에 대해 도시되어 있다. 이 소음이 (도 8에 도시된 바와 같이) 시스템 소음보다 높으면 레이더 시스템의 감도가 낮아질 것이다. 하지만 물론 회로를 적절하게 배치하면 그러한 강한 과결합을 방지할 수 있다.
위에서 언급한 다른 간섭 결합 또는 간섭 방사에 대해서도 동일한 원리가 적용된다. 즉 임의의 반전을 통해 이러한 유도나 방사는 약간의 레인지 게이트에서 단지 약간 높아진 소음이 될 수 있지만 (이러한 유도나 방사에 의해 생성된 소음의 시스템 소음보다 높을 경우), 유령 물체가 되지는 않는다.
도 10에 따른 모델 2
지금까지는 도 1에 따른 모델 1에서 출력이 송신 안테나 1.1만을 통해 방사되는 이상적인 경우를 고찰하였다. 하지만 실제로는 출력이 수신 안테나 1.2를 통해서도 방사되는 바, 왜냐하면 혼합기 1.5가 이상적으로 절연되어 있지 않고, 즉 발진기에서 나온 혼합기의 입력부 출력의 일부가 이 혼합기에 의해 수신 안테나로 누설되어 거기서 방사되기 때문이다.
흔히 ISM 대역이라고 부르는 대역에서 작동하는 24kHz-협대역 레이더의 경우, 발진기에서 송신 안테나로 보내는 출력의 크기가 혼합기로 보내는 출력의 크기와 최소한 동일하다. 즉 대개의 경우 혼합기의 절연은 적어도 20dB이기 때문에 수신 안테나를 통해 방사되는 출력은 (송신 안테나에서 송신되는) 원래의 송신 출력에 비해 무시할 수 있는 정도이다. 흔히 UWB 레이더라고 부르는 24GHz-광대역 레이더에는 주파수가 상당히 제한적으로 허가된다. 즉 상당히 약간 송신 출력으로 방사하는 레이더만 허가를 받을 수 있으므로 불충분한 절연으로 인해 원래의 수신 안테나를 통해 방사되는 출력의 크기는 송신 안테나를 통해 방사되는 출력의 크기와 거의 비슷하다. 이로 인해 도 1에 따른 어레이의 경우, 그에 따라 도시된 (위에서 언급한 두 출력 비율을 고려한) 송신 안테나 다이어그램에서는 너무 많은 손실이 발생할 수 있게 되어(도 9 참조), 특정 방향에서 레이더 시스템의 감도가 상당히 낮아 이 방위각에서는 최소한 약하게 반사되는 물체를 감지하지 못하여 이 물체를 간과하게 된다.
다음의 예시 모델은 여러 개의 송신 안테나와 최소한 하나의 수신 안테나가 장착된 레이더 시스템에 직접 사용할 수 있는 모델로서, 여기서는 하나의 수신 안테나와 4개의 송신 안테나가 장착된 모델을 도시하였다.
이제 도 10에서 도시한 레이더 시스템을 고찰하겠다. 이 모델이 원래의 레이더 시스템(모델 1)과 근본적으로 다른 점은 수신 안테나가 (4개가 아니라) 1개이고 송신 안테나는 한 평면 위에 등거리로 4개 장착되어 있다는 점이다. 이 4개의 송신 안테나는 멀티플렉서 10.11을 통해 순차적으로 작동한다. 즉 하나의 램프에서 각각 하나의 안테나만이 송신을 하며, 이때 램프 사이에서 다음 안테나로 전환된다. 램프의 전체 개수가 동일할 때(1024개) 각 송신 안테나에서는 256개의 램프가 방사된다. 또한 신호 평가는 위의 모델과 두 가지 점에서 약간 차이가 있는 하나의 3차원 DFT로 구성되어 있다. 즉 하나는 두 번째 DFT의 길이가 256에 불과하다는 것이고, 다른 하나는 물체의 사라지지 않는 상대속도가 4개의 순차적으로 트리거링되는 송신 안테나의 수신 신호 사이에서 선형의 위상 천이로 변한다는 점이다. 즉 이 선형 위상 천이는 물체의 방위각에 의해 선형 위상 천이로 중첩된다. 이 상대속도는 두 번째 DFT에서부터 측정되기 때문에 이로 인해 발생한 위상 천이는 예컨대 세 번째 DFT 이전에 또는 그 후에 산출될 수 있다.
도 10에 따른 레이더 시스템에는 램프를 통한 위상 변화가 없는UWB 모드일 때 송신 안테나 도면에서 보는 바와 같이 수신 안테나를 통해 의도하지 않게 방사되는 출력으로 인해 상당한 손실이 발생한다는 단점이 있다. 또한 수신 안테나를 통해 방사되는 이 출력이 각도 형성을 상당히 왜곡한다는, 즉 물체의 방위각을 잘못 측정한다는 문제점도 있다. 그 이유는 다음과 같다. 송신 안테나에서 방사된 다음 물체에서 반사된 출력은 물체의 방위각에 따라 수신 신호에서 4개의 송신 안테나를 통한 선형 위상 천이로 변하기 때문이다(이러한 상황은 도 6에서와 유사하게 설명된다). 수신 안테나에서 방사되어 물체에서 반사된 출력에는 수신 신호에서 사용된 송신 안테나와는 상관이 없는 위상이 있다. 따라서 수신 신호는 송신 안테나를 통한 선형 위상 천이가 있는 부분과 고정된 부분으로 구성되어 있으므로 그 합계에는 송신 안테나를 통한 선형 위상 천이가 더 이상 나타나지 않고 따라서 선형 위상 천이가 있다는 가정에 근거한 방위각 형성은 오류가 된다.
하지만 다음과 같이 하여 위에서 기술한 두 문제점(송신 안테나 다이어그램에서의 손실과 잘못된 방위각 형성)를 다시 방지할 수 있다. 즉 혼합하기 위해 사용한 발진기 신호의 위상을 개폐식 인버터 10.4에 의해 램프 사이에서 180° 회전시키거나 변하지 않게 한다. 즉 각 램프 내에서 개폐식 인버터의 선택한 설정은 일정하다. 램프를 통해서 볼 때, 이로 인해 수신 안테나를 통해 방사된 출력은 상응하지 않고 따라서 송신 안테나를 통해 방사된 출력에 대해 비간섭적이 된다. 수신 안테나를 통해 방사되어 물체에서 반사된 출력은 수신 신호에서 다시 낮은 소음으로서 해당 레인지 게이트에서 영향을 끼친다. 이 소음은 위상 변화없이 (즉 두 번째 및 세 번째 DFT에 의해 1024개의 램프를 통해 간섭적으로 적분될 때) 산출될 출력에서 약 10·log₁₀(1024) ≒ 30dB이다.
도 11에 따른 모델 3
다음의 예시 모델은 여러 개의 송신 안테나와 최소한 하나의 수신 안테나가 장착된 레이더 시스템에 직접 사용할 수 있는 모델로서, 여기서는 하나의 수신 안테나와 2개의 송신 안테나가 장착된 모델을 도시하였다.
이제 도 11에서 도시한 보다 더 단순한 레이더 시스템을 고찰하겠다. 이 모델은 기본적으로 아래의 특징을 갖는다는 점에서 모델 2에 따른 이전의 레이더 시스템과 다르다:
- 송신 안테나가 2개이다(4개가 아니다).
- 이 두 송신 안테나는 동시에 작동한다. 즉 1024개의 램프 각각이 동시에 두 안테나에서 송신된다(따라서 멀티플렉스가 없다).
- 개폐식 인버터 11.4가 두 송신 안테나 중 하나의 앞에 부착되어 있다(발진기와 혼합기 사이가 아니다).
개폐식 인버터 11.4에 의해 첫 번째 송신 안테나의 신호 위상이 램프 사이에서 교대로 0° 및 180° 변화한다. 즉 그 신호는 두 번째 램프마다 반전되고, 그 사이에서는 변하지 않는다. 이때 두 번째 송신 안테나의 신호는 그 위상이 변하지 않는다. 첫 번째 송신 안테나의 신호 위상이 교대로 변함으로써 이 송신 안테나에 의해 발생한 수신 신호는 램프를 통해 1/2의 램프 반복 주파수(즉 25 kHz)로 변조된다. 따라서 이 신호는 두 번째 DFT 이후 그 도플러 주파수에서 25kHz 편이된다. 두 번째 송신 안테나에서 나온 수신 신호는 그 도플러에서 편이되지 않는다. 물체의 경우, 그 상대속도가 예를 들어 5kHz의 도플러 주파수에 상응하면 두 번째 DFT 이후 두 번째 송신 안테나에서 나온 수신 신호에 대해서는 5kHz에서 출력 피크가, 첫 번째 송신 안테나에서 나온 수신 신호에 대해서는 30kHz에서 출력 피크가 나온다. 따라서 두 번째 DFT 이후 첫 번째 및 두 번째 송신 안테나에서 나온 부분이 주파수를 통해 분리된다. 첫 번째 송신 안테나의 부분을 25kHz 다시 편이한 다음 각도 형성을 위해 세 번째 DFT를 실행할 수 있다(여기서는 예를 들어 길이 2의 DFT).
교대로 실행되는 결정적인 위상 변화 대신 이 변화를 임의로 형성할 수 있다. 하지만 이 경우 두 번째 DFT를 두 번 계산해야 할 것이다. 즉 한 번은 위상 변화 없이, 또 한번은 위상을 변화시켜 계산해야 할 것이다. 위상을 교정하여 계산한 DFT에서는 첫 번째 송신 안테나에서 나온 수신 신호가 출력 피크가 될 것이지만, 두 번째 송신 안테나에서 나온 수신 신호는 약 30dB 아래의 소음을 생성할 것이다. 이에 반하여 위상을 교정하지 않고 계산한 DFT에서는 그 관계가 역일 것이다. 따라서 이 두 송신 안테나의 부분을 다시 분리할 수 있을 것이다.
도 12에 따른 모델 4
다음의 모델 예시는 최소한 하나의 송신 안테나와 여러 개의 수신 안테나가 장착된 레이더 시스템에 직접 사용할 수 있으며, 하나의 송신 안테나와 2개의 수신 안테나가 장착된 모델을 이용하여 이를 설명하겠다.
이제 도 12에서 도시한 보다 더 단순한 레이더 시스템을 고찰하겠다. 이 모델은 기본적으로 아래의 특징을 갖는다는 점에서 모델 2에 따른 이전의 레이더 시스템과 다르다:
- 송신 안테나가 하나이며(2개가 아니다), 그 대신 수신 안테나가 2개이다(하나가 아니다).
- 양 수신 안테나가 동시에 수신한 신호는 혼합 후 가산기 12.11에서 합산되는 바, 이때 먼전 첫 번째 수신 안테나에 속한 신호가 개폐식 인버터 12.4를 통과한다(합산하였기 때문에 하나의 수신 채널만 필요하다).
개폐식 인버터 12.4에 의해 첫 번째 수신 안테나의 혼합기 출력 신호의 위상은 이제 램프 사이에서 교대로 0° 및 180° 변화한다. 앞의 모델 예시 3과 유사하게 이제 두 번째 DFT 이후 첫 번째 수신 안테나에서 나온 신호 부분이 도플러 주파수에서 1/2의 램프 반복 주파수로 편이되어, 따라서 두 번째 수신 안테나의 편이되지 않은 신호 부분과 다시 분리될 수 있다.
맺는 말
개폐식 인버터의 위상 위치가 임의로 0°와 180° 사이에서 변화하는 것은 다시 연결된 길이 31의 2진수 시프트 레지스터에 의해 이루어진다. 시프트 레지스터의 출력부가 1이면 반전되고, 0이면 반전되지 않는다. 따라서 이 두 상태는 평균적으로 동일한 빈도로 발생하며 서로 후속하는 상태(즉 램프 사이에서의 각 위상 변화)는 아주 가까이 접근하지만 서로 상관되지 않으므로 위상 변화에 의해 야기된 소음이 아주 근접한 3차원 스펙트럼에서 백색이 된다. 시프트 레지스터가 완전히 임의적인 방법을 실행하지 않으므로(예를 들어 출력부의 순서 주기는 von 2L이므로, 여기서 L은 시프트 레지스터의 길이) 이 방법을 보다 더 정확하게 유사 임의 방법이라고 부른다.
실제 물체는 연장된 경우가 많고 물체의 모든 각 부분이 레이더 시스템에 대해 그 상대속도가 동일하지 않다(특히 근역에서 동적인 상황인 경우). 이로 인해 하나의 실제 물체에서 그 물체의 여러 부분에서 발생할 수 있는, 그 값이 상이한 거리, 방위각 및 상대속도가 여러 번 감지될 수 있다. 그러므로 여기서 어떤 물체에 대해 말한다는 것을 어느 한 실제 물체의 여러 부분을 말하는 것이라고 할 수 있다.
끝으로 언급하고 싶은 점은 이상의 고찰이 물론 다른 시스템 구조에도, 예를 들어 송신 안테나가 2개이고 수신 안테나가 4개인 시스템에도 적용된다는 점이다.

Claims (15)

1. 차량용 레이더 시스템의 표유 방사를 억제하는 방법으로서,
   하나의 측정 주기에서 하나 이상의 동일한 고주파 개별 송신 신호의 연속이 방사되고, 상기 개별 송신 신호의 시간 간격은 최대로 관심있는 거리에 대응하는 수신된 신호의 전파 시간보다 평균적으로 더 크며,
   수신된 신호가 고주파 송신 신호와 혼합되고, 이에 의해 개별 수신 신호의 연속을 나타내는 저주파 수신 신호가 발생하며,
   연속하여 후속하는 저주파 개별 수신 신호에 걸쳐 개별 송신 신호, 혼합에 사용된 고주파 개별 송신 신호, 또는 저주파 개별 수신 신호 자체 중 적어도 하나의 위상 위치가 변화함에 의해 개별 수신 신호의 위상 위치가 변화되고,
   방사된 신호의 주파수 추이에는 하나 이상의 선형 주파수 램프의 연속이 포함되고 위상 위치의 변화가 램프 단위로 일어나며,
   상기 레이더 시스템 자신에 의해 또는 다른 시스템에 의해 야기된 간섭 결합 또는 간섭 방사가 레이더 주파수 범위 또는 전자 평가장치의 저주파 부분이 작동하거나 감지하는 범위에서 신호 처리시 물체로부터 수신된 신호에 대해 상관되지 않은 방식으로 거동하여, 그에 따라 상기 간섭 결합 또는 상기 간섭 방사가 억제되도록 위상 위치의 변화가 이용되고,
   개별 송신 신호, 혼합하기 위해 사용된 고주파 송신 신호, 또는 저주파 개별 수신 신호 중 적어도 하나의 위상 위치의 변화는 결정적, 의사 무작위 또는 무작위 방식으로 일어나거나, 또는 결정적 구성 및 무작위 또는 의사 무작위 구성으로 이루어지며,
   상기 위상 위치의 변화는, 신호가 선택적으로 반전되어, 그에 따라 위상이 180°회전 또는 불변하게 되거나, 또는 교대로 0°및 180°만큼 변화됨으로써 이루어지고,
   신호 처리 수단에서, 저주파 개별 수신 신호에 대해, 반전된 위상 위치가 다시 반전되기 전에, 1차 이산 푸리에 변환(DFT)이 이루어지고, 그 후에 2차 DFT가 이루어지며, 상기 2차 DFT에서 유효 성분에 상관하고 간섭 성분에는 상관하지 않는 적분이 이루어져, 그 결과 간섭 성분이 소음으로서만 형성되고, 그에 따라 잘못된 물체 검출 또는 물체 수량의 잘못된 산정이 이루어질 수 없게 하는,
   차량용 레이더 시스템의 표유 방사를 억제하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   방사된 신호의 진폭 추이에는 하나 이상의 짧은 펄스의 연속이 포함되고, 위상 위치의 변화는 펄스 단위로 일어나는,
   차량용 레이더 시스템의 표유 방사를 억제하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상이한 안테나를 사용하여 시간적으로 동시에 송신하고 수신할 때, 수신 경로의 이상적이지 않은 분리 또는 불완전한 역절연에 의한, 수신 안테나를 통해 의도치 않게 송신된 혼합을 위해 사용된 고주파 송신 신호의 성분은, 상기 위상 위치의 변화에 의해, 송신 안테나를 통해 방사된 신호가 물체에서 반사되어 상기 신호 처리 수단에 수신된 후, 상기 방사된 신호로부터 분리되는,
   차량용 레이더 시스템의 표유 방사를 억제하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   복수의 송신 및 수신 안테나들이 존재하고, 상기 안테나들은 병렬 또는 직렬로 상이하게 결합되어 사용되고, 안테나들의 상이한 결합에서 물체로부터 반사되어 수신한 신호로부터 레이더 시스템에 대한 상기 물체의 각도가 측정되며, 위상 위치의 변화에 의해 각도 측정에서의 오류가 방지되는,
   차량용 레이더 시스템의 표유 방사를 억제하는 방법.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 위상 위치의 변화는, 송신 및 수신 안테나를 통해 방사된 출력이 중첩되어 감지 감도의 감소가 발생하지 않도록 이루어지는,
   차량용 레이더 시스템의 표유 방사를 억제하는 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   복수의 안테나에서 동시에 송신되며, 상이한 안테나의 개별 송신 신호의 상대적 위상 위치가 변화하고, 이에 의해 상이한 안테나의 개별 송신 신호가 동일한 안테나에서 수신될 때 분리될 수 있는,
   차량용 레이더 시스템의 표유 방사를 억제하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   두 안테나에서 동시에 송신되며, 상기 두 안테나의 개별 송신 신호의 상대적 위상 위치가 무작위 또는 의사 무작위로 변화되거나, 또는 개별 송신 신호 단위로 교대로 0° 및 180°만큼 변화되는,
   차량용 레이더 시스템의 표유 방사를 억제하는 방법.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   복수의 안테나에서 동시에 수신되며, 상기 안테나의 수신 신호가 고주파 또는 저주파 범위에서 가산되고, 가산될 때 상이한 안테나의 개별 수신 신호의 상대적 위상 위치가 변화하며, 이에 의해 상이한 안테나의 수신 신호가 그 후에 상기 신호 처리 수단에서 다시 분리될 수 있어, 그 결과 상기 수신 신호의 처리의 일부가 공통 경로에서 부분적으로 이루어질 수 있는,
   차량용 레이더 시스템의 표유 방사를 억제하는 방법.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   각각의 개별 수신 신호를 평가하기 전, 평가할 때 또는 평가한 후에 사용되는 상기 위상 위치의 변화가 교정되는,
   차량용 레이더 시스템의 표유 방사를 억제하는 방법.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법에 의해 표유 방사를 억제하는 차량용 주변 측정 레이더 시스템으로서,
    복수의 안테나를 포함할 수 있고 송신 신호를 방사하는 송신 수단,
    복수의 안테나를 포함할 수 있고 물체에서 반사된 송신 신호를 수신하는 수신 수단, 및
    수신된 신호를 처리하는 신호 처리 수단
    을 포함하고, 하나의 측정 주기에서 하나 이상의 동일한 고주파 개별 송신 신호의 연속이 방사되며, 상기 개별 송신 신호의 시간 간격은 최대로 관심있는 거리에 대응하는 수신된 신호의 전파 시간보다 평균적으로 더 크며,
    수신된 신호가 고주파 송신 신호와 혼합되고, 이에 의해 개별 수신 신호의 연속을 나타내는 저주파 수신 신호가 발생하며,
    개별 수신 신호의 위상 회전 수단이 설치되고, 상기 위상 회전 수단에 의해, 개별 송신 신호, 혼합에 사용된 고주파 개별 송신 신호, 또는 저주파 개별 수신 신호 자체 중 적어도 하나의 위상 위치가 변화하며,
    개별 송신 신호, 혼합하기 위해 사용된 고주파 송신 신호, 또는 저주파 개별 수신 신호 중 적어도 하나의 위상 위치의 변화는 결정적, 의사 무작위 또는 무작위 방식으로 일어나거나, 또는 결정적 구성 및 무작위 또는 의사 무작위 구성으로 이루어지고,
    상기 위상 위치의 변화는, 신호가 선택적으로 반전되어, 그에 따라 위상이 180°회전 또는 불변하게 되거나, 또는 교대로 0°및 180°만큼 변화됨으로써 이루어지고,
    상기 신호 처리 수단에서, 저주파 개별 수신 신호에 대해, 반전된 위상 위치가 다시 반전되기 전에, 1차 이산 푸리에 변환(DFT)이 이루어지고, 그 후에 2차 DFT가 이루어지며, 상기 2차 DFT에서 유효 성분에 상관하고 간섭 성분에는 상관하지 않는 적분이 이루어져, 그 결과 간섭 성분이 소음으로서만 형성되고, 그에 따라 잘못된 물체 검출 또는 물체 수량의 잘못된 산정이 이루어질 수 없게 하는,
    표유 방사를 억제하는 차량용 주변 측정 레이더 시스템.
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