KR102418929B1 - 레이더 원시 데이터의 컴퓨터-구현 시뮬레이션을 위한 방법 - Google Patents

레이더 원시 데이터의 컴퓨터-구현 시뮬레이션을 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이더 원시 데이터(RD)의 컴퓨터-구현 시뮬레이션을 위한 방법에 관한 것이고, 레이더 원시 데이터(RD)가 레이더 신호들을 송신하기 위한 여러 송신기들(201, 202)의 송신기 어레이(2) 및 레이더 신호들의 레이더 에코들을 수신하기 위한 여러 수신기들(301, 302)의 수신기 어레이(3)를 포함하는 합성 MIMO 레이더 시스템(1)에 대해 생성된다. 이 방법에서는, MIMO 레이더 시스템(1)에 인접한 가상 영역(AR)의 3D 모델(MO)에 기초하여 송신기 어레이(3) 내의 미리 설정된 송신 포지션(TP)으로부터 전송되고 수신기 어레이(3) 내의 미리 설정된 수신 포지션(RP)에서 수신되는 레이더 신호(RS)의 광선 트레이싱(RTR)이 수행되며, 광선 트레이싱(RTR)은 미리 설정된 송신 포지션(TP)으로부터 미리 설정된 수신 포지션(RP)까지 레이더 신호(RS) 내의 복수의 광선들(R1, R2, R3)의 전파들을 결정하고, 각각의 광선(R1, R2, R3)의 전파는 미리 설정된 송신 포지션(TP)에서 개개의 광선(R1, R2, R3)의 방향을 기술하는 제1 각도(θ) 및 제2 각도(
Figure 112021127049864-pct00036
)에 의존한다. 제1 각도(θ) 및 제2 각도(
Figure 112021127049864-pct00037
)에 대한 1차 도함수들(d1, d2, d3, d4)을 사용함으로써, 개개의 송신기(201, 202)로부터 나오고 개개의 수신기(301, 302)에서 수신되는 복수의 수정된 광선들(RM)의 전파들(PRM)이 선형 근사에 기초하여 결정된다. 수정된 광선들(RM)은 레이더 원시 데이터(RD)를 결정하기 위해 프로세싱된다.

Description

레이더 원시 데이터의 컴퓨터-구현 시뮬레이션을 위한 방법
본 발명은 레이더 원시 데이터(raw data)의 컴퓨터-구현 시뮬레이션을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
합성 레이더 시스템에 대한 레이더 원시 데이터를 시뮬레이션하기 위해, 소위 말하는 광선 트레이싱 방법들이 사용된다. 해당 방법들은 송신기로부터 수신기로의 경로를 따라 레이더 신호 내의 복수의 광선들을 추적한다. 해당 광선들을 결합함으로써, 수신기에 의해 수신된 레이더 에코가 결정될 수 있다. 이러한 광선 트레이싱 방법들에서는, 영역 내의 물체들과의 상호 작용들로 인한 광선들의 편향(deflection)들을 계산하기 위해 합성 레이더 시스템에 인접한 가상 영역의 3D 모델이 사용된다. 문헌들 [1], [2] 및 [3]은 광선 트레이싱에 기초하여 레이더 시뮬레이션들을 기술한다.
많은 공지된 레이더 시스템들은 다수의 송신기들 및 수신기들로 구성되는 소위 말하는 MIMO 시스템들(MIMO = 다중 입력 다중 출력(Multiple Input Multiple Output))로서, 각각의 수신기에 대해 하나의 출력 채널을 생성한다. 이러한 시스템들에 종래의 광선 트레이싱 접근 방식들을 적용할 때에는, 다수의 송신기들 및 수신기들에 대한 광선들이 프로세싱되어야 하기 때문에, 이것은 많은 수의 광선들이 트레이싱되게 할 것이다. 현재 개발 중인 레이더 시스템들은 100개보다 많은 수의 송신기-수신기 쌍들(송신기들의 수 곱하기 수신기들의 수)을 쉽게 가질 수 있으므로, 종래의 광선 트레이싱 방법들을 사용할 때, 심각한 성능 및 메모리 제한들이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 높은 성능 및 낮은 메모리 소비를 갖는 합성 MIMO 레이더 시스템에 대한 레이더 원시 데이터를 시뮬레이션하는 것이다.
이 목적은 청구항 1에 따른 방법 또는 청구항 7에 따른 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항들에 정의되어 있다.
본 발명에 따른 방법은 레이더 원시 데이터의 컴퓨터-구현 시뮬레이션을 제공하며, 레이더 원시 데이터는 레이더 신호들을 송신하기 위한 여러 (가상) 송신기들의 송신기 어레이 및 레이더 신호들의 레이더 에코들을 수신하기 위한 여러 (가상) 수신기들의 수신기 어레이를 포함하는 합성 (가상) MIMO 레이더 시스템에 대해 생성된다. 방법은 송신기 어레이 내의 단일의 미리 설정된 송신 포지션 및 수신기 어레이 내의 단일의 미리 설정된 수신 포지션을 사용한다. 해당 포지션들은 송신기 및 수신기 어레이들 내의 송신기들 및 수신기들의 실제 포지션들에 반드시 대응하지는 않는다. 그러나, 포지션들은 레이더 신호가 미리 설정된 송신 포지션으로부터 전송되고 그것의 에코가 미리 설정된 수신 포지션에서 수신되도록 시뮬레이션된 송신기 및 수신기 포지션들로서 간주된다. 미리 설정된 송신 포지션 및 미리 설정된 수신 포지션에 있어서, 송신 어레이의 적어도 하나의 송신기의 (가상) 송신 이벤트에 대해 다음 단계들 a) 내지 e)가 수행된다. 이러한 송신 이벤트에서, 송신 어레이의 2개 이상의 송신기, 특히, 모든 송신기들은 레이더 신호들을 동시에 송신할 수 있다.
단계 a)에서, 레이더 신호의 광선 트레이싱이 수행되며, 레이더 신호는 미리 설정된 송신 포지션으로부터 전송되고 미리 설정된 수신 포지션에서 수신된다. 이 광선 트레이싱은 합성 MIMO 레이더 시스템에 인접한 가상 영역의 3D 모델에 기초한다. 3D 모델은 가상 영역 내의 하나 이상의 물체 및 그들의 레이더 신호와의 상호 작용 특성들을 기술한다. 광선 트레이싱은 송신 포지션으로부터 수신 포지션까지 레이더 신호 내의 복수의 광선들의 전파들을 결정한다. 각각의 광선의 전파는 미리 설정된 송신 포지션으로부터 미리 설정된 수신 포지션까지의 광선 경로를 따라 광선 포즈들을 기술한다. 추가적으로, 각각의 광선의 전파는 광선 경로의 경로 길이를 포함한다. 광선 포즈들 및 경로 길이는 둘 다 미리 설정된 송신 포지션에서 개개의 광선의 방향을 기술하는 제1 각도 및 제2 각도에 의존한다. 상기 단계 a)는 종래 기술로부터 널리 공지되어 있고, 종래의 광선 트레이싱 방법들에 의해 구현될 수 있다. 상기 제1 각도 및 제2 각도는 미리 설정된 송신 포지션으로부터 나오는 방향들을 기술하기 위한 소위 말하는 구면각(spherical angle)들을 지칭한다. 바람직하게, 제1 및 제2 각도들은 편각(polar angle)/앙각(elevation angle) 및 방위각(azimuthal angle)에 의해 주어진다. 해당 각도들은 통상의 기술자에게 널리 공지되어 있다.
본 발명에 따른 방법의 단계 b)에서, 각각의 광선에 대해 1차 도함수(first-order derivative)들이 결정되고, 해당 도함수들은 제1 각도에 대한 광선 포즈들의 도함수인 제1 도함수, 제2 각도에 대한 광선 포즈들의 도함수인 제2 도함수, 제1 각도에 대한 광선 길이의 도함수인 제3 도함수, 및 제2 각도에 대한 광선 길이의 도함수인 제4 도함수를 포함한다. 해당 도함수들은 문헌 [4]에서 기술된 광선 디퍼런셜 방법(ray differentials method)들의 수정에 기초하여 결정될 수 있다. 이 수정의 구현은 상세한 설명에서 제공될 것이다.
본 발명에 따른 방법의 단계 c)에서, 도함수들뿐만 아니라 각각의 광선으로부터 수정된 광선들의 제1 및 제2 각도들의 편차를 사용한 선형 근사에 기초하여 각각의 광선에 대해 복수의 수정된 광선들의 전파들이 결정된다. 각각의 수정된 광선은 송신기 어레이의 송신기 및 수신기 어레이의 수신기의 상이한 쌍에 속한다. 송신 이벤트에서 송신하는 송신기를 포함하는 쌍들만이 프로세싱된다. 수정되지 않은 광선들과 유사하게, 개개의 수정된 광선의 전파는 개개의 수정된 광선이 속하는 쌍의 송신기로부터 수신기까지의 광선 경로를 따라 광선 포즈들을 기술하고, 송신기로부터 수신기까지의 광선 경로의 광선 길이를 포함한다. 따라서, 상이한 송신기들 및 수신기들에 대응하는 수정된 광선들은 각각의 수정된 광선에 대해 광선 트레이싱을 수행할 필요 없이 단일 광선으로부터 결정될 수 있다.
위의 단계 c)에서, 각각의 수정된 광선의 전파의 선형 근사는 도함수들과 대응하는 각도 편차들을 곱하고 이 항을 수정되지 않은 광선의 광선 포즈들 또는 경로 길이에 더함으로써 달성된다.
본 발명에 따른 방법의 단계 d)에서, 각각의 수정된 광선에 대해, 3D 모델에 기초하여 그리고 개개의 수정된 광선의 경로 길이에 기초하여 개개의 수정된 광선이 속하는 쌍의 수신기에 도달하는 개개의 수정된 광선의 레이더 에코가 결정된다. 이 단계의 구현은 널리 공지된 종래 기술 방법들에 의해 달성될 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 따른 방법의 단계 e)에서, 수신기 어레이의 각각의 수신기에 대해, 개개의 수신기에 도달하는 수정된 광선들의 모든 레이더 에코들의 진폭과 위상이 결합되어, 레이더 원시 데이터를 생성할 수 있다.
본 발명은 MIMO 레이더 시스템의 다수의 송신기들 및 수신기들로부터의 광선들이 각각의 송신기로부터 각각의 수신기까지 광선들을 트레이싱할 필요 없이 시뮬레이션될 수 있도록 공지된 광선 디퍼런셜 방법이 채택될 수 있다는 발견에 기초한다. 대신, 상이한 송신기들과 수신기들의 쌍들에 대한 광선들은 미리 설정된 송신 포지션으로부터 나와서 미리 설정된 수신 포지션에 도달하는 광선들에 대한 광선 디퍼런셜들을 결정함으로써 도출된다. 본 발명의 방법은 종래의 광선 트레이싱 방법들보다 계산 자원들에 대한 훨씬 더 낮은 요구 사항들을 갖는다.
바람직한 실시예에서, 광선 포즈들 및 경로 길이에 추가하여, 소위 말하는 도플러 속도 또한 본 발명의 방법에서 고려된다. 이 속도는 합성 MIMO 레이더 시스템 주변에 있는 물체들의 속도들에 대한 정보를 제공한다. 이 바람직한 실시예에서, 각각의 광선의 전파는 광선 경로를 따라 개개의 광선에 의해 통과되는 모든 물체들의 상대 속도들의 합인 도플러 속도를 추가로 포함한다. 해당 상대 속도들은 개개의 광선에 평행한 방향으로 MIMO 레이더 시스템에 대한 통과된 물체들의 속도들이다. 상대 속도들은 위에서 정의된 제1 각도 및 제2 각도에 의존한다. 도플러 속도를 구현하기 위해, 제5 도함수 및 제6 도함수가 추가적으로 단계 b)에서 결정되며, 제5 도함수는 제1 각도에 대한 도플러 속도의 1차 도함수이고, 제6 도함수는 제2 각도에 대한 도플러 속도의 1차 도함수이다. 또한, 추가적으로 단계 c)에서, 수정된 광선들의 도플러 속도들은 제5 및 제6 도함수들 및 각각의 광선으로부터 수정된 광선들의 제1 및 제2 각도들의 편차를 사용한 선형 근사에 기초하여 결정된다.
다른 바람직한 실시예에서, 미리 설정된 송신 포지션은 송신기 어레이의 모든 송신기들이 미리 설정된 송신 포지션에 대해 실질적으로 동일한 거리를 갖도록 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 미리 설정된 수신 포지션은 또한 수신기 어레이의 모든 수신기들이 미리 설정된 수신 포지션에 대해 실질적으로 동일한 거리를 갖도록 정의된다. 이 실시예는 모든 송신기들 및 수신기들에 대한 수정된 광선들의 정확한 근사를 보장한다.
본 발명의 다른 바람직한 변형에서, 송신기 어레이의 모든 송신기들은 평평한 평면에 배열되고, 미리 설정된 송신 포지션은 평평한 평면에 위치된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 수신기 어레이의 모든 수신기들은 평평한 평면에 배열되고, 미리 설정된 수신 포지션은 평평한 평면에 위치된다. 송신기 어레이에 대한 평평한 평면 및 수신기 어레이에 대한 평평한 평면은 반드시 동일한 평평한 평면을 지칭하는 것은 아니다.
상황들에 따라, 개개의 어레이들에 대한 송신기들의 수 및 수신기들의 수가 상이하게 선택될 수 있다. 바람직하게, 송신 어레이는 적어도 3개의 송신기, 예를 들어, 3개의 송신기 또는 8개의 송신기 또는 심지어 더 많은 수의 송신기를 포함하고, 수신기 어레이는 또한 적어도 3개의 수신기, 예를 들어, 4개의 수신기 또는 8개의 수신기 또는 심지어 더 많은 수의 수신기를 포함한다.
본 발명에 따른 시뮬레이션 방법은 상이한 응용 분야 영역들에서 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 합성 MIMO 레이더 시스템은 자동차에 설치되는 레이더 시스템이고, 가상 영역은 자동차 주변의 교통 상황을 참조한다. 이 실시예에서, 시뮬레이션된 레이더 원시 데이터는 자율 자동차들의 거동을 평가하기 위해 사용될 수 있다.
상기 방법 외에도, 본 발명은 레이더 원시 데이터의 컴퓨터-구현 시뮬레이션을 위한 장치로서, 레이더 원시 데이터가 레이더 신호들을 송신하기 위한 여러 송신기들의 송신기 어레이 및 레이더 신호들의 레이더 에코들을 수신하기 위한 여러 수신기들의 수신기 어레이를 포함하는 합성 MIMO 레이더 시스템에 대해 생성되는 장치에 관한 것이다. 장치는 본 발명에 따른 또는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 방법을 수행하도록 구성된다.
본 발명은 또한 컴퓨터 프로그램 제품으로서, 프로그램 코드를 갖고, 프로그램 코드는, 프로그램 코드가 컴퓨터 상에서 실행될 때, 본 발명에 따른 또는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 방법을 수행하기 위해 비-일시적 머신 판독 가능 캐리어 상에 저장되는, 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 컴퓨터 프로그램으로서, 프로그램 코드를 갖고, 프로그램 코드는, 프로그램 코드가 컴퓨터 상에서 실행될 때, 본 발명에 따른 또는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 방법을 수행하는, 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
다음에서, 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들과 관련하여 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광선 트레이싱 방법을 예시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 수행되는 단계들을 예시하는 흐름도이다.
다음에서 설명되는 본 발명은 자동차 응용 분야에서 합성 MIMO 레이더 시스템의 시뮬레이션에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 다른 응용 분야 영역들에서도 사용될 수 있다. 본 발명의 목적은 MIMO 레이더 시스템의 가상 설계에 기초하고 MIMO 레이더 시스템의 (가상) 주변 영역을 기술하는 3D 모델에 기초하여 합성 레이더 원시 데이터를 생성하는 것이다.
도 1에서, MIMO 레이더 시스템은 참조 번호 1로 지정된다. 시스템은, 예를 들어, 도 1의 참조 번호 5로 지정된 자동차의 전방에 위치되는 자동차에 통합된다. MIMO 레이더 시스템은 송신기들(201 및 202)을 갖는 송신기 어레이(2)를 포함한다. 또한, MIMO 레이더 시스템은 수신기들(301 및 302)을 포함하는 수신기 어레이(3)를 포함한다. 명확성을 위해, 두 어레이에 대해 2개의 송신기 및 2개의 수신기만이 도시된다. 그러나, 합성 레이더 시스템의 송신기들 및 수신기들의 수는 대개 더 많다.
낮은 계산 시간 및 메모리 요구 사항으로 레이더 시뮬레이션을 구현하기 위해, 다음에서 설명되는 방법은 문헌 [4]에서 설명된 바와 같이 소위 말하는 광선 디퍼런셜들에 기초한 방법의 적응을 사용한다. 본 명세서에서 설명되는 방법의 시작에서, MIMO 레이더 시스템(1)에 대한 광선들은 송신기 어레이(2)가 단 하나의 송신 포지션(TP)을 갖고 수신기 어레이(3)가 단 하나의 수신 포지션(RP)을 갖는다는 가정에 기초하여 결정된다. 송신 포지션(TP)은 송신기들(201 및 202) 사이의 중앙에 위치된다. 유사하게, 수신 포지션(RP)은 수신기들(301 및 302) 사이의 중앙에 위치된다.
레이더 시스템(1) 주변의 영역(AR)의 3D 모델을 고려한 종래의 광선 트레이싱 방법에 기초하여, 송신 포지션(TP)으로부터 시작되어 수신 포지션(RP)에서 수신되는 합성 레이더 신호들에 속하는 광선들의 경로들이 결정된다. 예시를 위해, 3개의 광선(R1, R2 및 R3)이 도 1에 도시되어 있다. 대개, 광선들의 수는 훨씬 더 많다. 점선 화살표들로 표현된 광선 R1은 수신 포지션(RP)에 도달하기 전에 영역(AR) 내의 나무(4)에 의해 반사된다. 1점 쇄선 화살표들로 표현된 광선 R2는 자동차(5) 및 나무(4)에서 2회 반사된 후, 수신 포지션(RP)에 도달한다. 파선 화살표들로 표현된 광선 R3는 수신 포지션(RP)에 도달하기 전에 차량(5)의 전방 및 차량이 위치되는 도로 표면에서 반사된다.
합성 레이더 신호들에 기초하는 위에서 설명된 광선 트레이싱 단계가 도 2에 단계 S1로서 예시되어 있다. 이 단계의 입력은 송신 포지션(TP)에서 시작되는 합성 레이더 신호들(RS)이며, 해당 레이더 신호들의 에코들은 수신 포지션(RP)에서 수신된다. 위에서 설명된 바와 같이, 종래의 방법에 기초한 광선 트레이싱(RTR)은 영역(AR)의 3D 모델(MO)을 사용하여 해당 송신 및 수신 포지션들에 대해 수행된다. 이 모델은 물체들의 구조뿐만 아니라 그들의 레이더 신호들과의 상호 작용 특성들(반사, 굴절 등)을 기술한다.
단계 S1의 광선 트레이싱 방법의 결과로서, 송신 포지션(TP)으로부터 수신 포지션(RP)으로 연장되는 여러 광선들의 전파들(PR)이 결정된다. 개개의 광선의 전파는 그것의 경로를 따라 광선의 포즈들(PO)을 포함하며, 각각의 포즈는 광선 경로 상의 포지션 및 대응하는 포지션에서의 광선 방향을 나타내는 단위 벡터에 의해 지정된다. 이러한 포즈들은 문헌 [4]의 방정식 (3)에서 제공된다. 추가적으로, 각각의 광선의 경로 길이(L)는 각각의 광선의 전파(PR)의 또 다른 파라미터로서 계산된다. 이 경로 길이의 계산은 포즈들 PO에 대한 정보가 있으면 간단하다.
도 2의 방법의 임의적인 변형에서, 소위 말하는 도플러 속도(V)가 추가로 계산된다. 이 속도는 대응하는 광선이 그것의 경로를 따라 부딪히는 모든 물체들의 속도들의 합계를 지칭하지만, 개개의 광선의 방향과 평행한 속도의 컴포넌트만 지칭한다.
광선 포즈들(PO), 광선 길이(L) 및 도플러 속도(V)는 개개의 광선이 송신 포지션(TP)으로부터 송신되는 방향에 의존한다. 이 방향을 변경함으로써, 송신기들(201 및 202)의 포지션들에서 시작되어 개개의 수신기들(301 및 302)의 포지션들에서 수신되는 대응하는 광선들이 기술될 수 있다. 이는 합성 MIMO 레이더 시스템(1) 주변의 가상 영역(AR)의 반사점들까지의 거리와 비교하여 송신기들과 수신기들 사이의 거리가 작다고 가정할 수 있기 때문에 가능하다. 다음에서 설명되는 광선 디퍼런셜을 사용함으로써, 실제 송신기들 및 실제 수신기들로부터 시작하는 수정된 광선들이 중앙 송신 포지션(TP)에서 시작되어 중앙 수신 포지션(RP)에서 수신되는 광선들로부터 도출될 수 있다.
다음에서 설명되는 방법은 문헌 [4]에서 설명된 방법의 수정 사항들에 기초한다. 수정 사항들은 다음과 같다.
- 문헌 [4]의 이미지 평면 좌표 x 및 y가 널리 공지된 앙각(
Figure 112021127049864-pct00001
) 및 널리 공지된 방위각(θ)에 기초하는 구면 좌표들로 대체된다.
- 광선의 초기 방향과 그것의 도함수가 변경된 좌표들로 인해 해당 각도들(
Figure 112021127049864-pct00002
및 θ)에 의존하여 기술된다.
- 또한, 경로 길이(L)가 광선 경로를 따라 포즈들(PO)을 포함하는 광선의 전파(PR)에 포함된다.
- 임의적인 변형에서, 광선의 포즈들(PO) 및 경로 길이(L) 외에 도플러 속도(V)가 고려된다.
도 2의 단계 S2에서 상기 수정 사항들을 갖는 방법이 수행된다. 그 결과, 도함수들 d1, d2, d3 및 d4가 획득된다. 임의적으로, 도플러 속도(V)가 고려되는 경우, 도함수들 d5 및 d6이 획득된다. 이하, 단계 S2의 방법이 상세히 설명된다.
위에서 언급된 바와 같이, 문헌 [4]의 이미지 평면 좌표들 x 및 y는 구면 좌표들, 즉, 상기 각도들 (
Figure 112021127049864-pct00003
및 θ)로 대체된다. 레이더 송신기들은 통상적으로 매우 넓은 범위의 각도들, 잠재적으로는 180°의 범위에 걸쳐 광선들을 송신한다. 결과적으로, 문헌 [4]에서 사용된 이미지 평면은 180° 떨어진 광선들이 동일한 평면을 교차하지 않기 때문에 레이더 신호들에 사용 가능하지 않다. 또한, 문헌 [4]에서 사용된 이미지 평면은 이와 같은 이미지가 없기 때문에 레이더 시뮬레이션에서 매우 직관적이지 않을 것이다. 따라서, 이미지 평면 좌표들 x 및 y로 광선의 방향을 표현하는 대신, 위에서 언급된 구면 좌표들
Figure 112021127049864-pct00004
및 θ가 사용된다. 각도 θ는 광선 방향과 송신기 어레이의 방향 사이의 수평면에서의 각도인 소위 말하는 방위각이다. 각도
Figure 112021127049864-pct00005
는 광선 방향과 수신기 어레이의 방향 사이의 수직 평면에서의 각도인 소위 말하는 앙각이다.
단계 S2에서 문헌 [4]의 방법을 사용하기 위해, 방향의 초기 값들 및 광선의 방향 도함수를 기술하는 문헌 [4]의 방정식들 (5) 및 (8)의 두 번째 부분들을 제외하고는, 디퍼런셜들 δx 및 δy가 디퍼런셜들 δθ 및 δ
Figure 112021127049864-pct00006
로 간단히 대체된다. 방정식들 (5) 및 (8)의 적응들이 다음에서 설명될 것이다.
송신 어레이의 법선 벡터, 즉, 가장 높은 레이더 강도를 갖는 방향이 다음과 같이 n으로 지정된다. 벡터 up은 MIMO 레이더 시스템의 수직 방향을 지칭한다. MIMO 레이더 시스템이 수평으로 마운팅되지 않은 경우, 이 벡터 up은 세계의 진정한 상방 방향과 동일하지 않다. 그러나, 도 1에 도시된 실시예에서, 벡터 up은 진정한 상방 방향에 대응한다.
광선 방향은 2개의 각도, 즉, 위에서 정의된 방위각 θ 및 위에서 정의된 앙각
Figure 112021127049864-pct00007
에 의해 정의된다. 법선 벡터 n을 수직 벡터 up 주위로 θ만큼 회전시킨 다음 이 벡터 new를 벡터 (up x new) 주위로 앙각
Figure 112021127049864-pct00008
만큼 회전시킴으로써 광선이 생성되며, 여기서 x는 벡터 외적(vector cross-product)을 나타낸다.
이것은 다음과 같이 송신 어레이를 떠나는 광선의 방향 D를 생성한다.
Figure 112021127049864-pct00009
위 공식의 유도는 임의의 벡터들 주위의 회전에 대한 공지된 방정식들로부터 간단하다. 상기 방정식을 사용하여, 방향 D는 이미 정규화되었다. 따라서, 문헌 [4]에서와 같이 도함수들이 두 단계로 계산될 필요가 없으며, 여기서 제1 단계에서는, 비정규화된 방향(unnormalized direction)과 그것의 도함수들이 계산되고, 제2 단계에서는, 정규화된 방향(normalized direction)의 도함수들을 얻기 위해 정규화된 방향과 비정규화된 방향 사이의 관계가 사용된다. 대신, 정규화된 방향의 도함수들은 다음과 같이 본 명세서에서 설명되는 방법에서 획득된다.
Figure 112021127049864-pct00010
Figure 112021127049864-pct00011
(문헌 [4]에서 x 및 y를
Figure 112021127049864-pct00012
및 θ로 대체함으로써 간단히 제공되는) 포즈들의 대응하는 포지션들(P)에 대한 도함수들과 결합하여, 상기 디퍼런셜들이 도 2의 도함수들 d1 및 d2에 대응한다.
레이더 시뮬레이션에서, 또 다른 중요한 수량은 대응하는 수신기들에서 수신되는 레이터 에코들의 위상과 진폭을 결정하기 위한 광선의 총 경로 길이이다. 따라서, 본 명세서에서 설명되는 방법에서는, 문헌 [4]와 달리, 광선의 경로 길이와 그것의 도함수들이 추가 파라미터로서 고려된다. 경로 길이를 변경하는 유일한 광선 동작은 문헌 [4]의 섹션 3.1.1에서 정의된 바와 같이 전송(transfer)이다. 분명히, 경로 길이는 문헌 [4]의 섹션들 3.1.2 및 3.1.3에서 정의된 동작들인 반사 및 굴절에 의해 변경되지 않는다. 다음의 방정식들은 처음에 송신 포지션에서 그리고 전송 동작 동안 경로 길이의 도함수들을 기술한다.
초기값:
Figure 112021127049864-pct00013
전송:
Figure 112021127049864-pct00014
δt/δθ 값은 x를 θ로 대체하는 것만으로 문헌 [4]의 방정식(12)으로부터 획득될 수 있다.
Figure 112021127049864-pct00015
에 대한 방정식들은 θ에 대한 방정식들과 완전히 동일하다. 그 결과, 각도들 θ 및
Figure 112021127049864-pct00016
에 대한 광선의 경로 길이의 도함수들이 획득된다. 해당 도함수들은 도 2에서 d3 및 d4로 지정된다.
도 2의 단계 S3에서, 송신 포지션(TP)에서 시작하는 광선들에 대한 상기 디퍼런셜들 d1 내지 d4가 실제 송신기들(201 및 202)에서 시작되어 실제 수신기들(301 및 302)에서 수신되는 수정된 광선들(RM)의 전파들(PRM)을 계산하기 위해 사용된다. 각각의 전파(PRM)는 수정된 포즈들(POM) 및 수정된 경로 길이(LM)로 기술된다. 해당 수정된 수량들은 상기 도함수들 d1 내지 d4 및 송신 포지션(TP)에서의 광선과 비교하여 수정된 광선들의 각도 편차들에 기초한 선형 근사에 의해 결정된다.
단계 S3의 결과로서, 송신 포지션(TP)에서 시작되어 수신 포지션(RP)에서 수신되는 각각의 광선에 대한 수정된 광선들(RM)의 전파(PRM)들이 결정된다. 도 1의 시나리오에 기초하여, 광선들(R1 내지 R3) 각각에 대해, 송신기들 및 수신기들의 4가지 상이한 조합에 대해 4개의 수정된 광선이 획득된다.
본 발명의 임의적인 변형에서, 광선을 따른 도플러 속도(V) 또한 레이더 시뮬레이션에서 고려될 수 있다. 이 속도는 광선이 그것의 경로를 따라 부딪히는 모든 물체들의 속도들의 합계이지만, 광선의 방향과 평행한 속도의 컴포넌트만이다.
도플러 속도를 고려할 때, 문헌 [4]에서 정의된 세 가지 광선 전파 동작들(전달, 반사 및 굴절)은 의미가 없다. 대신, 도플러 속도 및 그것의 도함수들은 두 가지 경우, 즉, 광선이 물체를 떠날 때 및 광선이 물체와 부딪힐 때에 변경된다. 반사 시에는, 이 경우들 둘 다 발생하며, 즉, 광선이 물체에 부딪히고 반사되어 이를 떠난다. 추가적으로, 광선은 또한 송신 포지션으로부터 발사될 때 물체를 떠나고, 수신 포지션에 도달될 때 물체에 부딪힌다.
도플러 속도의 연산들을 위해, 다음의 방정식들이 사용된다.
초기 값:
Figure 112021127049864-pct00017
물체를 떠날 때(송신 포지션을 떠나는 경우 포함):
Figure 112021127049864-pct00018
여기서,
Figure 112021127049864-pct00019
연산자는 벡터 내적(vector dot product)을 나타내고,
Figure 112021127049864-pct00020
는 광선이 떠나고 있는 물체의 속도이다.
마지막으로, 물체에 부딪히는 경우(수신 포지션에 도달할 때 포함), 다음의 방정식들이 사용된다.
Figure 112021127049864-pct00021
앙각
Figure 112021127049864-pct00022
에 대한 도함수들은 θ만
Figure 112021127049864-pct00023
로 치환함으로써 상기 방정식들과 동일하다. 각도들 θ 및
Figure 112021127049864-pct00024
둘 다에 대한 도플러 속도(V)의 도함수들은 도 2에서 d5 및 d6으로 지정된다. 도플러 속도(V)의 도함수들 d5 및 d6이 S3 단계에서 프로세싱될 때, 개개의 수정된 광선들(RM)에 대한 수정된 도플러 속도(VM)가 도함수들 d5 및 d6을 사용한 선형 근사에 의해 획득된다.
수정된 광선들(RM)의 수정된 전파들(PRM)에 기초하여, 도 2의 단계 S4가 수행된다. 이 단계에서, 영역(AR)의 3D 모델(MO) 및 각각의 수정된 광선(RM)의 경로 길이(LM)에 기초하여, 대응하는 수신기에서 각각의 수정된 광선의 레이더 에코(EC)가 결정된다. 이 계산은 통상의 기술자에게 널리 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 상세하게 설명되지 않을 것이다. 경로 길이(LM)는 수신기에서 광선의 위상을 결정하기 위해 사용된다. 3D 모델(MO)은 광선이 영역(AR)의 물체들과 상호 작용할 때 진폭 변화들을 결정하기 위해 사용된다. 단계 S4의 결과, 수신기들에서 광선들의 대응하는 레이더 에코들(EC)이 획득된다. 레이더 에코들은 진폭 A 및 위상 α로 기술된다.
마지막 단계 S5에서, 수신기 어레이의 동일한 수신기에 도달하는 수정된 광선들의 모든 레이더 에코들의 진폭과 위상이 결합(즉, 합산)되어, 각각의 출력 채널에 대한(즉, 각각의 수신기에 대한) 레이더 원시 데이터(RD)를 생성한다.
위에서 설명된 방법은 몇 가지 장점을 갖는다. 각각의 송신기로부터 각각의 수신기로의 광선들이 시뮬레이션되는 방법과 달리, 본 발명은 송신기들 및 수신기들의 수와 동일한 팩터(factor)만큼 레이더 시뮬레이션에서 광선 트레이싱에 의해 발견되어야 하는 경로들의 수를 감소시킨다. 광선 트레이싱 단계와 레이더 원시 데이터의 생성 사이에 발견된 경로들을 저장하는 것이 레이더 시뮬레이션에서 메모리 사용에 가장 큰 기여를 하기 때문에, 이것은 광선 트레이싱을 위한 계산 시간을 감소시키고 상당한 메모리 병목 현상을 제거한다.
본 발명은 하나의 경로를 약간 상이한 시작점 및 끝점을 갖고 송신기로부터 수신기로의 경로에 대응하는 가까운 경로로 정확하게 변환하기 위해 문헌 [4]에서 설명된 광선 디퍼런셜 접근 방식의 수정된 버전을 사용한다. 이 수정된 광선 디퍼런셜 접근 방식의 사용에 의해, MIMO 레이더 시스템들의 정확하고 빠른(잠재적으로 실시간) 시뮬레이션을 향한 주요 단계가, 예를 들어, 자동차 영역에서 달성될 수 있다.
참조 문헌 리스트:
[1] WO 2017/222385 A1
[2] N. Hirsenkorn et al., "A ray launching approach for modeling an FMCW radar system", 2017 18th International Radar Symposium (IRS), Prague, 2017, pp. 1-10.
[3] M.Weiskopf, C.Wohlfahrt, and A. Schmidt, "Integrationslφsung zur Absicherung eines realen Radarsensors im Systemverbund mit der Hardware-in-the-Loop Testtechnologie", Automotive-Safety & Security, 2014
[4] Homan Igehy: "Tracing Ray Differentials", SIGGRAPH '99, Proceedings of the 26th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, pages 179-186

Claims (10)

  1. 레이더 원시 데이터(raw data)(RD)의 컴퓨터-구현 시뮬레이션을 위한 방법으로서,
    상기 레이더 원시 데이터(RD)는 레이더 신호들을 송신하기 위한 여러 송신기들(201, 202)의 송신기 어레이(2) 및 레이더 신호들의 레이더 에코들을 수신하기 위한 여러 수신기들(301, 302)의 수신기 어레이(3)를 포함하는 합성 MIMO 레이더 시스템(1)에 대해 생성되고,
    상기 송신기 어레이(2) 내의 단일의 미리 설정된 송신 포지션(transmitting position)(TP) 및 상기 수신기 어레이(3) 내의 단일의 미리 설정된 수신 포지션(receiving position)(RP)에 있어서, 상기 송신 어레이의 적어도 하나의 송신기(201, 202)의 송신 이벤트에 대해,
    a) 상기 MIMO 레이더 시스템(1)에 인접한 가상 영역(virtual area)(AR)의 3D 모델(MO)에 기초하여 상기 미리 설정된 송신 포지션(TP)으로부터 전송되고 상기 미리 설정된 수신 포지션(RP)에서 수신되는 레이더 신호(radar signal)(RS)의 광선 트레이싱(ray tracing)(RTR)을 수행하는 단계 - 상기 3D 모델(MO)은 상기 가상 영역(AR) 내의 하나 이상의 물체(4, 5) 및 그들의 상기 레이더 신호(RS)와의 상호 작용 특성들을 기술하고, 상기 광선 트레이싱(RTR)은 상기 미리 설정된 송신 포지션(TP)으로부터 상기 미리 설정된 수신 포지션(RP)까지 상기 레이더 신호(RS) 내의 복수의 광선들(R1, R2, R3)의 전파들을 결정하고, 각각의 광선(R1, R2, R3)의 전파는 상기 미리 설정된 송신 포지션(TP)으로부터 상기 미리 설정된 수신 포지션(RP)까지의 광선 경로를 따라 광선 포즈들(PO)을 기술하고 상기 광선 경로의 경로 길이(L)를 포함하고, 상기 광선 포즈들(PO) 및 상기 경로 길이(L)는 상기 미리 설정된 송신 포지션(TP)에서 개개의 광선(R1, R2, R3)의 방향을 기술하는 제1 각도(θ) 및 제2 각도(
    Figure 112021127049864-pct00025
    )에 의존함 -;
    b) 각각의 광선(R1, R2, R3)에 대해 1차 도함수(first-order derivative)들(d1, d2, d3, d4)을 결정하는 단계 - 상기 도함수들은 상기 제1 각도(θ)에 대한 광선 포즈들(PO)의 도함수인 제1 도함수(d1), 상기 제2 각도(
    Figure 112021127049864-pct00026
    )에 대한 광선 포즈들(PO)의 도함수인 제2 도함수(d2), 상기 제1 각도(θ)에 대한 경로 길이(L)의 도함수인 제3 도함수(d3) 및 상기 제2 각도(
    Figure 112021127049864-pct00027
    )에 대한 경로 길이(L)의 도함수인 제4 도함수(d4)를 포함함 -;
    c) 각각의 광선(R1, R2, R3)에 대해 복수의 수정된 광선들(RM)의 전파들(PRM)을 상기 도함수들(d1, d2, d3, d4) 및 각각의 광선(R1, R2, R3)으로부터 상기 수정된 광선들(RM)의 제1 및 제2 각도들(θ,
    Figure 112021127049864-pct00028
    )의 편차를 사용한 선형 근사(linear approximation)에 기초하여 결정하는 단계 - 각각의 수정된 광선(RM)은 상기 송신기 어레이(2)의 송신기(201, 202) 및 상기 수신기 어레이(3)의 수신기(301, 302)의 상이한 쌍에 속하고, 상기 개개의 수정된 광선(RM)의 전파(PRM)는 개개의 수정된 광선(RM)이 속하는 쌍의 송신기(201, 202)로부터 수신기(301, 302)까지의 광선 경로를 따라 광선 포즈들(POM)을 기술하고, 상기 송신기(201, 202)로부터 상기 수신기(301, 302)까지의 광선 경로의 경로 길이(LM)를 포함함 -;
    d) 각각의 수정된 광선(RM)에 대해, 상기 3D 모델(MO)에 기초하여 그리고 상기 개개의 수정된 광선(RM)의 경로 길이(LM)에 기초하여 상기 개개의 수정된 광선(RM)이 속하는 쌍의 수신기(301, 302)에 도달하는 개개의 수정된 광선(RM)의 레이더 에코(EC)를 결정하는 단계;
    e) 상기 수신기 어레이(3)의 각각의 수신기(301, 302)에 대해, 상기 개개의 수신기(301, 302)에 도달하는 수정된 광선들(RM)의 모든 레이더 에코들(EC)의 진폭(A)과 위상(α)을 결합하여, 상기 레이더 원시 데이터(RD)를 생성하는 단계
    가 수행되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 광선(R1, R2, R3)의 전파(PR)는 상기 광선 경로를 따라 개개의 광선(R1, R2, R3)에 의해 통과되는 모든 물체들(4, 5)의 상대 속도들의 합인 도플러 속도(V)를 추가로 포함하고, 상기 상대 속도들은 상기 개개의 광선(R1, R2, R3)에 평행한 방향으로 상기 MIMO 레이더 시스템(1)에 대한 상기 통과된 물체들(4, 5)의 속도들이고 상기 제1 각도(θ) 및 제2 각도(
    Figure 112021127049864-pct00029
    )에 의존하고, 추가적으로 단계 b)에서 제5 도함수(d5) 및 제6 도함수(d6)가 결정되고, 상기 제5 도함수(d5)는 상기 제1 각도(θ)에 대한 도플러 속도(V)의 1차 도함수이고, 상기 제6 도함수(d2)는 상기 제2 각도(
    Figure 112021127049864-pct00030
    )에 대한 도플러 속도(V)의 1차 도함수이고, 추가적으로 단계 c)에서 상기 수정된 광선들(R')의 도플러 속도들(VM)은 상기 제5 및 제6 도함수들(v5, v6) 및 각각의 광선(R1, R2, R3)으로부터 상기 수정된 광선들(RM)의 제1 및 제2 각도들(θ,
    Figure 112021127049864-pct00031
    )의 편차를 사용한 선형 근사에 기초하여 결정되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미리 설정된 송신 포지션(TP)은 상기 송신기 어레이(2)의 모든 송신기들(201, 202)이 상기 미리 설정된 송신 포지션(TP)에 대해 실질적으로 동일한 거리를 갖도록 하고/하거나, 상기 미리 설정된 수신 포지션(TP)은 상기 수신기 어레이(3)의 모든 수신기들(301, 302)이 상기 미리 설정된 수신 포지션(RP)에 대해 실질적으로 동일한 거리를 갖도록 하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 송신기 어레이(2)의 모든 송신기들(201, 202)은 평평한 평면에 배열되고 상기 미리 설정된 송신 포지션(TP)은 상기 평평한 평면에 위치되고/되거나, 상기 수신기 어레이(3)의 모든 수신기들(301, 302)은 평평한 평면에 배열되고 상기 미리 설정된 수신 포지션(RP)은 상기 평평한 평면에 위치되는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 송신 어레이(2)는 적어도 3개의 송신기(201, 202)를 포함하고, 상기 수신 어레이(3)는 적어도 3개의 수신기(301, 302)를 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 합성 MIMO 레이더 시스템(1)은 자동차에 설치되는 레이더 시스템이고, 상기 가상 영역(AR)은 자동차 주변의 교통 상황을 참조하는, 방법.
  7. 레이더 원시 데이터(RD)의 컴퓨터-구현 시뮬레이션을 위한 장치로서,
    상기 레이더 원시 데이터(RD)는 레이더 신호들을 송신하기 위한 여러 송신기들(201, 202)의 송신기 어레이(2) 및 레이더 신호들의 레이더 에코들을 수신하기 위한 여러 수신기들(301, 302)의 수신기 어레이(3)를 포함하는 합성 MIMO 레이더 시스템(1)에 대해 생성되고, 상기 장치는 방법을 수행하도록 구성되고,
    상기 송신기 어레이(2) 내의 단일의 미리 설정된 송신 포지션(TP) 및 상기 수신기 어레이(3) 내의 단일의 미리 설정된 수신 포지션(RP)에 있어서, 상기 송신 어레이의 적어도 하나의 송신기(201, 202)의 송신 이벤트에 대해,
    a) 상기 MIMO 레이더 시스템(1)에 인접한 가상 영역(AR)의 3D 모델(MO)에 기초하여 상기 미리 설정된 송신 포지션(TP)으로부터 전송되고 상기 미리 설정된 수신 포지션(RP)에서 수신되는 레이더 신호(radar signal)(RS)의 광선 트레이싱(RTR)을 수행하는 단계 - 상기 3D 모델(MO)은 상기 가상 영역(AR) 내의 하나 이상의 물체(4, 5) 및 그들의 상기 레이더 신호(RS)와의 상호 작용 특성들을 기술하고, 상기 광선 트레이싱(RTR)은 상기 미리 설정된 송신 포지션(TP)으로부터 상기 미리 설정된 수신 포지션(RP)까지 상기 레이더 신호(RS) 내의 복수의 광선들(R1, R2, R3)의 전파들을 결정하고, 각각의 광선(R1, R2, R3)의 전파는 상기 미리 설정된 송신 포지션(TP)으로부터 상기 미리 설정된 수신 포지션(RP)까지의 광선 경로를 따라 광선 포즈들(PO)을 기술하고 상기 광선 경로의 경로 길이(L)를 포함하고, 상기 광선 포즈들(PO) 및 상기 경로 길이(L)는 상기 미리 설정된 송신 포지션(TP)에서 개개의 광선(R1, R2, R3)의 방향을 기술하는 제1 각도(θ) 및 제2 각도(
    Figure 112021127049864-pct00032
    )에 의존함 -;
    b) 각각의 광선(R1, R2, R3)에 대해 1차 도함수들(d1, d2, d3, d4)을 결정하는 단계 - 상기 도함수들은 상기 제1 각도(θ)에 대한 광선 포즈들(PO)의 도함수인 제1 도함수(d1), 상기 제2 각도(
    Figure 112021127049864-pct00033
    )에 대한 광선 포즈들(PO)의 도함수인 제2 도함수(d2), 상기 제1 각도(θ)에 대한 경로 길이(L)의 도함수인 제3 도함수(d3) 및 상기 제2 각도(
    Figure 112021127049864-pct00034
    )에 대한 경로 길이(L)의 도함수인 제4 도함수(d4)를 포함함 -;
    c) 각각의 광선(R1, R2, R3)에 대해 복수의 수정된 광선들(RM)의 전파들(PRM)을 상기 도함수들(d1, d2, d3, d4) 및 각각의 광선(R1, R2, R3)으로부터 상기 수정된 광선들(RM)의 제1 및 제2 각도들(θ,
    Figure 112021127049864-pct00035
    )의 편차를 사용한 선형 근사에 기초하여 결정하는 단계 - 각각의 수정된 광선(RM)은 상기 송신기 어레이(2)의 송신기(201, 202) 및 상기 수신기 어레이(3)의 수신기(301, 302)의 상이한 쌍에 속하고, 상기 개개의 수정된 광선(RM)의 전파(PRM)는 개개의 수정된 광선(RM)이 속하는 쌍의 송신기(201, 202)로부터 수신기(301, 302)까지의 광선 경로를 따라 광선 포즈들(POM)을 기술하고, 상기 송신기(201, 202)로부터 상기 수신기(301, 302)까지의 광선 경로의 경로 길이(LM)를 포함함 -;
    d) 각각의 수정된 광선(RM)에 대해, 상기 3D 모델(MO)에 기초하여 그리고 상기 개개의 수정된 광선(RM)의 경로 길이(LM)에 기초하여 상기 개개의 수정된 광선(RM)이 속하는 쌍의 수신기(301, 302)에 도달하는 개개의 수정된 광선(RM)의 레이더 에코(EC)를 결정하는 단계;
    e) 상기 수신기 어레이(3)의 각각의 수신기(301, 302)에 대해, 상기 개개의 수신기(301, 302)에 도달하는 수정된 광선들(RM)의 모든 레이더 에코들(EC)의 진폭(A)과 위상(α)을 결합하여, 상기 레이더 원시 데이터(RD)를 생성하는 단계
    가 수행되는, 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 장치는 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는, 장치.
  9. 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
    프로그램 코드를 갖고,
    상기 프로그램 코드는, 상기 프로그램 코드가 컴퓨터 상에서 실행될 때, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위해 비-일시적 머신 판독 가능 캐리어 상에 저장되는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  10. 컴퓨터 프로그램으로서,
    프로그램 코드를 갖고,
    상기 프로그램 코드는, 상기 프로그램 코드가 컴퓨터 상에서 실행될 때, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는, 컴퓨터 프로그램.
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