KR102445130B1 - 레이더 표적의 횡방향 상대 속도 성분을 확인하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

레이더 표적의 횡방향 상대 속도 성분을 확인하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 레이더 장치(100)를 이용하여 하나 이상의 레이더 표적(200)의 횡방향 속도 성분을 확인하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은, 정해진 개수의 송신 요소를 갖는 송신 장치(1, 10)를 이용하여 동일하게 변조된 송신 신호들을 레이더 장치(100)의 정해진 검출 영역으로 정해진 측정 기간(Tmeas) 동안 주기적으로 송신하는 단계; 정해진 개수의 수신 요소를 갖는 수신 장치(2, 20)를 이용하여 레이더 표적(200)에서 반사된 하나 이상의 레이더 수신 신호를 수신하는 단계; 수신된 레이더 수신 신호를 분석 장치(30)로 전송하고, 수신된 레이더 수신 신호의 아날로그/디지털 변환을 실시하는 단계; 송신 요소와 수신 요소로 구성된 각각의 조합을 위해 각각 디지털 측정값의 속도-거리 스펙트럼을 생성하기 위해 2차원 푸리에 변환을 실행하는 단계; 속도-거리 스펙트럼의 값 스펙트럼에서 정의된 피크 값을 참조하여 레이더 표적(200)의 하나 이상의 표적 반사를 검출하는 단계; 속도-거리 스펙트럼으로부터, 레이더 장치(100)까지의 레이더 표적(200)의 거리 및 레이더 장치(100)에 대한 반경방향 상대 속도 성분을 확인하는 단계; 안테나(10, 20)에 대한 레이더 표적(200)의 하나 이상의 상대 각도를 결정하는 단계; 횡방향 속도 성분이 확인되어야 하는 레이더 표적(200)을 선택하는 단계; 이러한 방식으로 선택된 레이더 표적(200)의 표적 반사의 역 푸리에 변환을 수행하는 단계; 그리고 변환된 측정값으로부터 레이더 표적(200)의 횡방향 속도 성분을 확인하는 단계를 포함한다.

Description

레이더 표적의 횡방향 상대 속도 성분을 확인하기 위한 방법 및 장치
본 발명은, 레이더 표적의 횡방향 상대 속도 성분을 확인하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 또한 레이더 표적의 횡방향 상대 속도 성분을 확인하기 위한 장치와도 관련이 있다.
종래 기술에서는, 예컨대 M. Skolnik 저, "Radar Handbook", 제3판, 2008에 레이더 시스템이 공지되어 있다. 도 1은, 공지된 레이더 장치(100)의 개략도를 보여준다. 송신기(1) 내에서 발생하여 변조된 레이더 신호는 송신 안테나(10)를 통해 방사된다. 그 다음에, 방사된 전자기 신호는, 상황에 따라 검출 필드 내에 존재하는 레이더 표적(200)(예컨대 자동차, 사람, 기둥, 가드레일, 상이한 물질들 사이의 전이부 등)에서 반사되고, 지연 시간(T) 이후에 수신 안테나(20)를 통해 다시 수신되며, 수신기(2) 내에서 분석 장치(30)를 이용하여 추가 처리된다.
새로운 유형의 레이더 시스템은, 예컨대 Steffen Lutz, Daniel Ellenrieder, Thomas Walter, Robert Weigel 외 공저: "On fast chirp Modulations and Compressed Sensing for Automotive Radar Applications", International Radar Symposium, 2014에 공지되어 있는 것과 같은 소위 Fast-Chirp-Modulation 또는 Rapid-Chirp-Modulation을 송신 신호로서 사용한다. 이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 예컨대 20㎳ 길이의 측정 간격(Tmeas = MxTrr) 동안 예컨대 10㎲ 내지 100㎲의 지속 시간(Tmod)을 갖는 총 M개의 짧은 FMCW 램프(frequency modulated continuous wave)가 송신된다. 이때, 개별 램프들(Trr)의 시간 간격은 동일한 크기이며, 이 경우 상기 시간 간격은 램프 기간보다 약간 크거나 작을 수 있다. 램프는, 시간상으로 등거리로 배치될 수도 없다(도시되지 않음).
예컨대 DE 10 2012 220 879 A1호, WO 2015 197 229 A1호 또는 WO 2015 197 222 A1호로부터, 예를 들어 속도 또는 거리의 모호성을 해명하기 위해 사용되는 상호 인터리빙 된 램프들을 갖는 레이더 시스템이 공지되어 있다.
결과적으로, 먼저 각각의 개별 램프에 대한 (변조) 주파수 위에 있는 수신 신호를 얻는다. 개별 램프와 관련이 있고, 측정되어 일반적으로 디지털화된 수신 신호는 이제 역 푸리에 변환을 통해 시간 범위로 변환될 수 있다. 하지만, 대부분 이를 위해서는, 적합한 윈도잉(windowing)을 갖는 디지털 푸리에 변환(DFT) 또는 패스트 푸리에 변환(FFT)이 사용되며, 이와 같이 변환된 범위는 "비트 주파수 범위"로서 지칭된다. 제공된 또 다른 일 단계는, 램프-대-램프의 도플러 주파수 범위로의 푸리에 변환이다. 이를 위해, 푸리에 변환은 개별 램프들의 상응하는 값들을 따라 (도플러 방향으로 또는 속도 방향으로) 수행된다. 두 가지 변환 모두 그 순서가 바뀔 수도 있고, 2차원 푸리에 변환으로서 간주될 수도 있다.
전형적으로, 검출, 즉, 거리 및 상대 속도의 방사방향 성분의 추정과 같은 또 다른 단계들이 2차원 스펙트럼 내에서의 피크의 위치 및 다양한 에러 보상을 토대로 수행된다. 이때, 하나의 피크는 하나의 표적 반사에 상응하며, 이 경우 하나의 물리적 표적(예컨대 자동차, 사람, 기둥 등)은 복수의 표적 반사를 가질 수 있다.
레이더 시스템이 복수의 송신 채널 및/또는 수신 채널을 갖는 안테나(예컨대, 일 패치 안테나의 개별 패치들에 의해 구현됨), 즉, 안테나 어레이를 가지면, 표적 반사의 각도 추정 및 이로써 공간 내에서의 3D 표적 위치들의 결정이 추가로 수행될 수 있다. 이를 위해, 제1 신호 처리 단계는 송신 채널 및 수신 채널로 구성된 각각의 조합을 위한 검출 전에 별도로 실시된다. 그 다음에, 개별 채널들의 결합된 스펙트럼을 참조하여 각도 추정이 수행된다. 추정된 표적 (반사) 파라미터는, 예컨대 Adaptive Cruise Control(ACC), Blind Spot Detection, 자동 비상 제동 기능 등과 같은 매우 다양한 애플리케이션을 위한 후속 추적(tracking), 클러스터링(clustering), 표적 분류 또는 데이터 융합에 사용될 수 있다.
D. Kellner 외 공저, "Instantaneous Lateral Velocity Estimation of a Vehicle using Doppler Radar"(16th International Conference on Information Fusion, Istanbul, Turkey, 2013)로부터, 레이더 표적의 횡방향 속도를 추정하기 위한 방법이 공지되어 있다. 이 방법에서는, 단 하나의 강성 바디에 할당되는 복수의 표적 반사가 결합됨으로써, 횡방향 속도가 결정된다. 이와 같은 결정이 가능한 이유는, 상대 속도의 측정된 방사방향 성분의 분포가 공간 내에서의 반사의 개별 위치에 따라 좌우되기 때문이다. 이에 대한 전제 조건은, 상응하는 물리적 표적을 위해, 공간적으로 분포된 복수의 반사 위치도 측정되고 함께 종속되어 클러스터링될 수 있다는 점이다. 물론, 클러스터링 시 불완전한 할당도 발생할 수 있다.
레이더 신호 처리 분야에서 공지된 접근 방식들은, 표적들의 개별 반사 위치와 레이더 센서 간의 상대 속도의 방사방향 성분 또는 종방향 성분만을 결정한다.
본 발명의 과제는, 레이더 표적의 횡방향 속도를 결정하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는, 제1 양태에 따라, 레이더 장치를 이용하여 하나 이상의 레이더 표적의 횡방향 속도 성분을 확인하기 위한 방법에 의해 해결되며, 이 방법은,
- 정해진 개수의 송신 요소를 갖는 송신 장치를 이용하여 동일하게 변조된 송신 신호들을 레이더 장치의 규정된 검출 영역으로 규정된 측정 기간 동안 주기적으로 송신하는 단계;
- 정해진 개수의 수신 요소를 갖는 수신 장치를 이용하여 레이더 표적에서 반사된 하나 이상의 레이더 수신 신호를 수신하는 단계;
- 수신된 레이더 수신 신호를 분석 장치로 전송하고, 수신된 레이더 수신 신호의 아날로그/디지털 변환을 실시하는 단계;
- 송신 요소 및 수신 요소로 구성된 각각의 조합을 위해 각각 디지털 측정값의 속도-거리 스펙트럼을 생성하기 위해 2차원 푸리에 변환을 실행하는 단계;
- 속도-거리 스펙트럼의 값 스펙트럼에서 규정된 피크 값을 참조하여 레이더 표적의 하나 이상의 표적 반사를 검출하는 단계;
- 속도-거리 스펙트럼으로부터, 레이더 장치까지의 레이더 표적의 거리 및 레이더 장치에 대한 방사방향 속도 성분을 확인하는 단계;
- 안테나에 대한 레이더 표적의 하나 이상의 상대 각도를 결정하는 단계;
- 횡방향 속도 성분이 확인되어야 하는 레이더 표적을 선택하는 단계;
- 상기 방식으로 선택된 레이더 표적의 표적 반사의 역 푸리에 변환을 수행하는 단계; 및
- 변환된 측정값으로부터 레이더 표적의 횡방향 속도 성분을 확인하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는 이러한 방식으로, 단 한 번의 측정으로 레이더 표적의 횡방향 속도 성분을 측정하는 것이 가능하다. 바람직하게는 이를 통해 복잡한 추적 방법이 불필요함으로써, 단 한 번의 측정으로 완전한 속도 벡터가 검출된다.
제2 양태에 따라, 상기 과제는, 레이더 장치를 이용하여 하나 이상의 레이더 표적의 횡방향 속도 성분을 확인하기 위한 장치에 의해서 해결되며, 이 장치는,
- 동일하게 변조된 레이더 송신 신호들을 레이더 장치의 규정된 검출 영역으로 규정된 측정 기간 동안 주기적으로 송신하도록 설계된, 정해진 개수의 송신 요소를 갖는 송신 장치와;
- 레이더 표적에서 반사된 하나 이상의 레이더 수신 신호의 수신을 수행하도록 설계된, 정해진 개수의 수신 요소를 갖는 수신 장치와;
- 처리 장치로서,
- 수신된 레이더 수신 신호의 아날로그/디지털 변환을 수행하고,
- 디지털 측정값의 속도-거리 스펙트럼을 생성하기 위해 2차원 푸리에 변환을 수행하고,
- 속도-거리 스펙트럼의 값 스펙트럼에서 규정된 피크 값을 참조하여 레이더 표적의 하나 이상의 표적 반사의 검출을 수행하고,
- 속도-거리 스펙트럼으로부터, 안테나까지의 레이더 표적의 거리 및 안테나에 대한 방사방향 상대속도 성분의 확인을 수행하고,
- 안테나에 대한 레이더 표적의 하나 이상의 상대각도의 결정을 수행하도록
설계된 처리 장치;를 포함하며, 이 경우:
- 횡방향 속도 성분이 추정되어야 하는 레이더 표적을 제외한 전체 표적 반사 및 간섭이 억제되며,
- 상기와 같은 방식으로 선택된 레이더 표적의 표적 반사를 위해 역 푸리에 변환이 수행되고, 상기 변환된 측정값으로부터 레이더 표적의 횡방향 속도 성분이 확인된다.
본 방법의 바람직한 개선예들은 종속 청구항들의 대상이다.
본 방법의 바람직한 개선예들은, 동일하게 변조된 송신 신호가 램프 형상으로 주파수 변조된 레이더 신호이거나, 비선형 램프 신호이거나, 또는 주기적인 펄스 신호 또는 OFDM 신호인 것을 제안한다. 이러한 방식으로, 바람직하게 상기 방법을 수행하기 위해 상이한 레이더 신호가 사용될 수 있다.
본 방법의 또 다른 바람직한 일 개선예는, 방위 방향으로 그리고/또는 고도 방향으로 하나 이상의 레이더 표적의 횡방향 속도 성분이 확인되는 것을 제안한다. 이로 인해 바람직하게 레이더 장치의 포괄적인 검출 특성이 지원된다.
본 방법의 또 다른 바람직한 일 개선예는, 물리 조건들의 모델링을 위해 하기 파라미터:
Figure 112019103637813-pct00001
총 측정 시간에 걸친 거리 변량의 평균값
vq 횡방향 속도(횡방향 속도 성분)
r(t) 시점 t에서의 표적 거리
Δφ(t) 시간에 걸친 방위각 또는 고도각의 변량
ve 횡방향 속도로부터 도출되는 방사방향 속도 성분
ae 횡방향 속도로부터 도출되는 방사방향 가속도 성분
r0 시점 t = 0s에서의 최소 표적 거리
를 갖는 하기의 수학적 모델이 사용된다 :
Figure 112022047411207-pct00025
이로써, 간단한 수학적 모델에 기반하여 횡방향 속도 성분의 결정이 수행될 수 있다.
본 방법의 또 다른 바람직한 일 개선예에서는, 횡방향 속도 성분의 추정이 하기의 파라미터:
Q 방위 및 고도에서의 횡방향 속도 성분의 품질 함수
vqa 방위에서의 횡방향 속도 성분
vqe 고도에서의 횡방향 속도 성분
k 파수
a m 가상 수신 채널(송신 채널 및 수신 채널로 이루어진 조합)의 수에 상응하는 엔트리를 갖는 벡터
A c 교정 매트릭스
m 시간의 지수
r m 시점(tm)에서 모든 수신 채널까지의 표적 거리의 벡터
ωd 추정된 도플러 각진동수
Figure 112019103637813-pct00003
측정 간격에서의 평균 표적 거리
TRR 램프 신호들 간의 기간
Δβm 시점(t m)에서 측정 신호의 위상 위치의 변량
Figure 112019103637813-pct00004
가급적, 현재 횡방향 속도가 추정되어야 하는 물리적 표적의 반사(피크)의 신호 부분만을 포함하며, 시점(t m)에 전처리되고 선택되어 역 푸리에 변환된 측정 신호를 갖는 전치 벡터
를 갖는, 하기의 수학적 관계식을 사용한 품질 함수의 최대화에 의해 결정된다:
Figure 112022047411207-pct00026
상기 방식으로, 레이더 표적(200)의 거리 및 원하는 상대 속도 성분을 측정 신호의 위상 위치로 환산하는, 간단히 수행될 상관(correlation)이 제공된다.
본 방법의 바람직한 일 개선예에서는, 각도 스펙트럼에 걸쳐 표적 반사 신호의 선택 및 재구성이 수행되며, 이 경우 표적 반사 위치들이 방위각 및/또는 고도각에 걸쳐 상호 분리된다. 이와 같은 방식에 의해, 거리-속도 공간 내의 복수의 표적 반사가 동일한 거리/속도 위치에 배열되어 있는 경우, 레이더 표적들의 구별이 수행될 수 있다.
본 방법의 또 다른 바람직한 일 개선예에서는, 레이더 표적의 결정을 위해, 검출 영역 내에 있는 품질 함수가 볼록하도록(convex), 그리고 검출 영역이 완전히 스캐닝되지도 않도록, 횡방향 속도를 갖는 검출 영역이 선택된다. 이러한 방식으로, 전체 검출 영역이 계산될 필요가 없음으로써, 국소 최대값에 "머물러" 있지 않는다. 이 방법의 효과적인 수행은 상기 방식으로 지원되는데, 예컨대 이 방법은 뉴턴 반복법과 같은 공지된 구배 방법에 의해 수행될 수 있다.
본 방법의 또 다른 바람직한 일 개선예에서는, 본원 방법이 선택된 레이더 표적을 위한 용례별로 수행된다. 이를 통해, 상기 방법은 바람직하게 자동차 내 레이더 시스템의 다양한 용례들을 위해, 예컨대 ACC 시스템, 자동 비상 제동 기능, 사각 지대 탐지 등을 위해 사용될 수 있다.
본 방법의 또 다른 바람직한 일 개선예에서는, 본원 방법이 추적 기반 방법을 위해 사용된다. 이러한 방식으로, 공지된 추적 기반 방법이 더 정확하게 수행될 수 있으며, 이로 인해 레이더 표적의 예측이 개선된다.
본 발명은, 복수의 도면을 참조하여 또 다른 특징들 및 장점들과 함께 이하에서 상세하게 기술된다. 이 경우, 명세서와 각각의 도면에 개시된 모든 특징들은, 특허청구범위 내에서의 이들의 인용 관계와 무관하게 본 발명의 대상을 형성한다. 각각의 도면은 무엇보다 본 발명에 중요한 원리의 설명을 위해 이용된다.
개시된 방법 특징들은, 개시된 상응하는 장치 특징들로부터 유사하게 도출되며, 그 역의 경우도 마찬가지다. 이는 특히, 방법과 관련된 특징들, 기술적 장점들 및 실시예들이 장치와 관련된 상응하는 특징들, 기술적 장점들 및 실시예들로부터 유사하게 도출되며, 그 역의 경우도 마찬가지임을 의미한다.
도 1은 레이더 시스템의 개략적인 블록 회로도이다.
도 2는 본 방법을 위해 사용된 예시적인 램프 신호의 변조 주파수의 시간에 따른 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 3은 레이더 표적의 횡방향 속도 성분을 확인하기 위한 신호 처리의 기본 시퀀스이다.
도 4는 거리-속도 공간 내 값 스펙트럼의 복수의 레이더 표적을 나타낸 도이다.
도 5는 일 레이더 표적의 횡방향 속도의 물리적 관계를 나타낸 도이다.
도 6은 레이더 표적들에 대해 변동하는 벡터들을 나타낸 도이다.
도 7은 레이더 표적들의 변동하는 파라미터들의 복수의 시간 프로파일을 나타낸 도이다.
도 8은 일 레이더 표적의 횡방향 속도 성분을 확인하기 위한 또 다른 신호 처리의 기본 시퀀스이다.
도 9는 레이더 표적들의 윈도잉 또는 선택을 나타낸 도식이다.
본 발명의 과제는, 특히 사전 클러스터링 또는 추적 없이 단 한 번의 측정을 토대로, 레이더 표적의 속도의 횡방향 성분 또는 이 레이더 표적의 완전한 속도 벡터의 횡방향 성분을 확인하는 것이다.
이를 위해, 이미 공지된 도 1의 레이더 장치(100)가 사용되며, 이 경우 송신 장치(1, 10)에 의해 측정 구간 또는 측정 기간(Tmeas) 내에서 동일하게 변조된 송신 신호들이 검출 영역 내로 송출된다. 이때, 동일하게 변조된 송신 신호들은 램프 형상으로 주파수 변조된 레이더 신호 또는 비선형 램프 신호 또는 주기적 펄스 신호 또는 OFDM 신호일 수 있다.
횡방향 속도 성분은 측정 기간(Tmeas) 내에 측정값을 참조하여 결정되며, 예컨대 후속적인 추적, 클러스터링, 표적 분류 등에서 추가 정보로서 이용될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 추적 중에 측정 시마다 경우에 따른 반사 위치의 오할당 및 시간에 따른 반사 위치의 편향이 바람직하게 방지된다.
본 발명에 따라, 추가로 획득된 횡방향 속도 성분의 정보는 예컨대 자동 비상 제동 기능과 같은 자동차의 운전자 보조 시스템의 개선된 기능성을 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 바람직하게는, 표적이 예컨대 자기 차선 밖으로 이동하는지 또는 자기 차선 안으로 이동하는지가 검출될 수 있다. 사각지대 검출 및/또는 ACC를 위해서도, 상기 결정된 횡방향 속도 성분이 추적할 표적을 위해 사용될 수 있다.
선택적으로, 제안된 방법에 의해, 낙하하는 물체(예컨대 산에서의 낙석, 교량으로부터의 돌 낙하 등)에 대한 경고 기능 또는 충돌 방지 기능을 실현하는 것도 가능하다. 이 경우, 추정된 횡방향 속도는 추가로 추적을 위해 사용될 수 있으며, 이때 특히 고도 방향으로 충분히 큰 검출 필드를 갖는 적합한 안테나 디자인이 필요하다.
제안된 방법을 위해 필요한 신호 처리의 기본 시퀀스가 도 3에 도시되어 있다. 단계 "300"에서 아날로그/디지털 변환된 측정값을 참조하여, 각각의 채널에 대해, 다시 말해 안테나의 송신 요소 및 수신 요소(예컨대 패치 어레이)(10, 20)로 구성된 각각의 조합에 대해, 단계 "310"에서 수행된 2차원 푸리에 변환(2D-DFT) 이후에, 원리적으로 도 4에 값 스펙트럼으로서 도시된 바와 같이, 비트 주파수 도플러 내에서 또는 거리-속도 공간 내 비트 주파수(도시되지 않음)에서의 도플러 부분의 보상 이후에 2차원 스펙트럼을 얻을 수 있다. 도 4는 단지 예시로서, 거리-속도 공간 내에서 모두 동일한 방사방향 속도에서 상이한 거리에 배치되어 있는 총 8개의 표적 반사를 보여준다.
표적 반사에 대해, 단계 "320"에서 검출된 그리고 채널의 개별 스펙트럼들로부터 계산된 값 스펙트럼 내 피크 값(피크)을 얻을 수 있으며, 상기 개별 스펙트럼의 위치는 단계 "330"에서 추정된다. 검출된 개별 반사 위치에 속하는 (예컨대 MIMO 안테나 시스템의) 복수의 채널의 측정값을 참조하여, 이어서 단계 "340"에서, 관련 표적 반사에 대해 방위 방향 및/또는 고도 방향으로의 각도 추정이 수행된다.
이로써, 단계 "300" 내지 "340"은 이미 공지된 신호 처리의 표준 단계들을 포함한다.
본 발명에 따라, 이제 선택되고 검출된 하나 또는 복수의 표적 반사에 대해 추가로 계속해서 횡방향 속도 성분이 추정되거나 근사 방식으로 계산된다. 이를 위해, 단계 "350"에서는 개별 스펙트럼 내에서, 개별 표적 반사 또는 피크에 속하지 않는 값이 0으로 설정되고(도 9에서 더 상세하게 설명될 "윈도잉"), 이로 인해 결과적으로 표적 반사를 대표하는 측정값의 선택이 수행된다. 대안적으로, 이를 위해 복소수 값의(complex-valued) 피크 진폭 및 위치의 정확한 추정도 수행될 수 있다. 이와 같은 재구성이 이어서 단계 "360"에서 도플러 방향으로 역 푸리에 변환됨으로써, 시간상 연속하는 개별 램프들에 부합하는 전처리된 일련의 신호 복소수 값(x m)을 얻는다.
이와 같은 방식으로 획득되어 예비 처리된 측정값(x m)에 기초하여, 단계 "370"에서 방위 및/또는 고도 방향으로의 횡방향 속도 성분이 추정된다. 이를 위해, 측정 기간[Tmeas = M x Trr{즉, 램프(m)로부터 램프(m + 1)까지}]에 걸쳐 변하는 거리가 하기의 간단한 수학적 모델에 의해서 맵핑(mapping)된다:
Figure 112022047411207-pct00027
이 경우, 평균 거리 변동, 방사방향 속도 및 가속도가 다음과 같이 정의된다:
Figure 112022047411207-pct00028
사용된 파라미터는 다음과 같다:
b 보조 파라미터
r0 {시점(t = 0)에} 측정 간격의 중앙에서의 레이더 표적의 최소 거리
Δr(t) 레이더 표적의 시간에 따른 거리 변량
vq 방위 방향 또는 고도 방향으로의 횡방향 속도
ve 횡방향 속도로부터 도출되는, 상대속도의 각도 의존적 방사방향 성분
ae 횡방향 속도로부터 도출되는 각도 의존적 방사방향 가속도 성분
Δφ 방위 방향 또는 고도 방향으로의 또는 두 가지 방향의 선형 조합에서의 각도 변량
즉, 횡방향 속도는, 이하의 도 5, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 시간에 따른 거리 변동을 통해서뿐만 아니라 각도 변동을 통해서도 측정 신호에 작용한다.
도 5는, 안테나(10, 20); 시점(t = 0)에서의 레이더 표적(200)의 거리(r0); 시간(t) 이후에 횡방향 속도 성분(vq)에 기반하여 통과한 구간(vq x t) 및 이로부터 도출되는, 방사방향 속도 성분(ve)에 기반한 구간(ve x t);을 보여준다.
도 6은, 안테나(10, 20), 램프 신호들의 중심 시점(tm) 및 이로부터 도출되는, 안테나(10, 20)까지의 레이더 표적(200)의 거리들(rm)을 보여준다.
도 7은 위로부터 아래로 4개의 다이어그램에서, 횡방향 속도 성분(vq)으로 인한 방사방향 속도 성분(ve)의 시간 프로파일, 그로부터 도출되는 거리 변량(Δr), 그로부터 도출되는 각도 변량(Δφ) 및 그로부터 도출되는 레이더 표적(200)의 가속도(ae)의 변량을, 단지 예시로서, 보여준다.
횡방향 속도 성분(vq)의 추정을 위해, 이제 개별 램프(m)의 시점들에서의 표적 위치가 vq의 함수로서 계산되고, 그로부터 도출되는, 개별 수신 채널 내에서의 위상 변량(Δβm)이 결정되며, MIMO 시스템에서는 이 경우 실제 송신 채널 및 수신 채널로 이루어진 조합으로부터 도출되는 가상 수신 채널이 고려된다.
각각의 시간 단계(m)에 대해 벡터{am(vq,a; vq,e)가 획득되며, 이 벡터의 요소들은 수신 채널을 대표한다. 모든 M개의 벡터 전체는, 수신 채널을 대표하는 열(column) 및 램프 시점을 대표하는 행(row)을 가진 행렬(matrix)을 생성한다. 이는 각각 방위 방향(vq,a) 및 고도 방향(vq,e)으로의 횡방향 속도들의 검사될 조합을 위해 계산되어, 전처리된 측정값 벡터(x m)와 곱해진다. 그런 다음, 하기의 파라미터:
Q 방위 및 고도에서의 횡방향 속도 성분들의 품질 함수
vqa 방위에서의 횡방향 속도 성분
vqe 고도에서의 횡방향 속도 성분
k 파수
a m 가상 수신 채널(송신 채널 및 수신 채널로 이루어진 조합)의 개수에 상응하는 엔트리를 갖는 벡터
A c 교정 매트릭스
m 램프들 간의 램프 지수 또는 시간의 지수
rm 시점(tm)에서 모든 수신 채널까지의 표적 거리의 벡터
ωd 추정된 도플러 각진동수
Figure 112019103637813-pct00008
측정 간격에서의 평균 표적 거리
TRR... 램프 신호들 간의 기간
Δφm.... 시점(tm)에서 방위각 및/또는 고도각의 변량
Figure 112019103637813-pct00009
가급적, 현재 횡방향 속도가 추정되어야 하는 물리적 표적의 반사(피크)의 신호 부분만을 포함하며, 시점(t m)에 전처리되고 선택되어 역 푸리에 변환된 측정 신호를 갖는 전치 벡터
를 갖는, 하기의 수학적 모델:
Figure 112022047411207-pct00029
에 따라 vq,a 및/또는 vq,e를 통한 품질 함수 Q(vq,a; vq,e)의 최대화에 의해서 횡방향 속도의 추정이 실시된다.
도 8은, 도 8의 단계 "310"에서 복수의 채널(또는 가상의 수신 채널)을 위한 2차원 푸리에 변환이 수행되는 점을 제외하고, 실질적으로 도 3의 시퀀스에 상응하는 본 발명의 기본 시퀀스를 보여준다. 단계 "331"에서는 나아가 각도 추정을 위한 측정값의 선택이 구현된다. 이와 같은 선택적인 추가 단계는 특히, 각도 추정(단계 "340")을 위한 복잡성을 줄이기 위한 경우에, 다시 말해 후속하는 용례들과 관련된 표적에 할당된 거리-속도 스펙트럼 내에서의 피크 위치에 대해서만 각도 추정을 실행하는 경우에 유용하다.
가상의 수신 안테나의 위치들이 실질적으로 서로 등거리로 배열됨으로써, 사이드 로브(side lobe)가 예컨대 FFT 윈도잉(예: 카이저 윈도우, 돌프-체비셰프 윈도우)에 의해 억제될 수 있고, 이로 인해 각도 스펙트럼 내에서 높은 다이내믹이 지원되는 경우, 횡방향 속도의 추정을 위한 레이더 표적의 선택(단계 "350")이, 추가로 각도 스펙트럼 내에서, 더욱 간단해질 수 있다.
상기와 같은 상황이 이루어지지 않는 경우에는, 각도에 의해서만 분리 가능한 복수의 레이더 표적에서 횡방향 속도 성분(vq)의 추정이 악화되는데, 그 이유는 이들 표적이 동일한 거리-속도 셀 내에 존재하기 때문이다.
도 3 및 도 8에 도시된 신호 처리 단계들은, 레이더 장치(100)의 관련 제어 프로그램에 의해, 계산 장치(예컨대 마이크로컨트롤러, DSP 등)에서 실행되는 소프트웨어뿐만 아니라 하드웨어(예컨대 FPGA, ASIC 등)에 기반해서도 실현될 수 있다.
도 9는, 현재 횡방향 속도 성분(vq)이 계산되어야 하는 k번째 표적 반사(R)의 복수의 반사 위치가 점으로 표시되어 있는 거리-속도 스펙트럼 내에서의 레이더 표적(200)의 선택 원리를 보여준다. 추정된 거리(rk)에서 벡터(X m) 내의 값들만 사용된다. vk 주변의 피크 폭을 벗어나는 벡터(x m) 내의 값들은 윈도잉 또는 영점 조정에 의해 억제된다. 이로 인해 결과적으로, 실제로 현재 횡방향 속도가 결정되어야 하는 표적 반사(R)만이 남게 된다. 벡터(X m)의 요소들은, 속도 방향(v)으로의 또는 시간별 램프 지수(m)에 대한 x m = IFFT(X m)을 위한 역 푸리에 변환 이후의, 스펙트럼 지수(m)에 대한 가상의 각도 스펙트럼의 값들이다. 윈도잉은, 1차원 또는 2차원 각도 스펙트럼 내에서 유사하게 실시된다. 제안된 방법은, 상기와 같은 방식으로 윈도잉된 각각의 표적 반사(R)에 대해 순차적으로 수행된다. 단계 "360"에서의 도플러 방향으로의 역 푸리에 변환에 의해 벡터 x = IFFT( X )가 생성되며, 이 벡터는 단계 "370"에서 횡방향 속도의 후속 추정을 위한 입력값으로서 이용된다.
본 발명에 따른 방법의 한 바람직한 용례는, 낙하하는 물체(예컨대 교량으로부터 낙하하는 물체 또는 산에서의 낙석)에 대해 경고하고, 그리고/또는 전술한 물체들과의 충돌을 방지하고, 그리고/또는 적어도 그 결과로 발생하는 사고의 심각도를 최소화하는 시스템을 실현하는 것일 수 있다.
통상의 기술자는, 본 발명의 핵심을 벗어나지 않으면서, 본원 방법 및 장치의 아직 개시되지 않은 실시예들을 실현할 수도 있다.

Claims (13)

  1. 레이더 장치(100)를 이용하여 하나 이상의 레이더 표적(200)의 횡방향 속도 성분을 확인하기 위한 방법으로서,
    - 정해진 개수의 송신 요소를 갖는 송신 장치(1, 10)를 이용하여 동일하게 변조된 송신 신호들을 레이더 장치(100)의 규정된 검출 영역으로 규정된 측정 기간(Tmeas) 동안 주기적으로 송신하는 단계;
    - 정해진 개수의 수신 요소를 갖는 수신 장치(2, 20)를 이용하여 레이더 표적(200)에서 반사된 하나 이상의 레이더 수신 신호를 수신하는 단계;
    - 수신된 레이더 수신 신호를 분석 장치(30)로 전송하고, 수신된 레이더 수신 신호의 아날로그/디지털 변환을 실시하는 단계;
    - 송신 요소 및 수신 요소로 구성된 각각의 조합을 위해 각각 디지털 측정값의 속도-거리 스펙트럼을 생성하기 위해 2차원 푸리에 변환을 실행하는 단계;
    - 속도-거리 스펙트럼의 값 스펙트럼에서 규정된 피크 값을 참조하여 레이더 표적(200)의 하나 이상의 표적 반사를 검출하는 단계;
    - 속도-거리 스펙트럼으로부터, 레이더 장치(100)까지의 레이더 표적(200)의 거리 및 레이더 장치(100)에 대한 방사방향 상대 속도 성분을 확인하는 단계;
    - 안테나(10, 20)에 대한 레이더 표적(200)의 하나 이상의 상대 각도를 결정하는 단계;
    - 횡방향 속도 성분이 검출되어야 하는 레이더 표적(200)을 선택하는 단계;
    - 상기 방식으로 선택된 레이더 표적(200)의 표적 반사의 역 푸리에 변환을 수행하는 단계; 및
    - 변환된 측정값으로부터 레이더 표적(200)의 횡방향 속도 성분을 확인하는 단계;를 포함하고,
    물리 조건들의 모델링을 위해, 하기의 파라미터:
    r 송신 안테나 및 수신 안테나와 레이더 표적 간의 거리
    t 시간
    Figure 112022047411207-pct00030
    총 측정 시간에 걸친 거리 변량의 평균값
    vq 횡방향 속도(횡방향 속도 성분)
    r(t) 시점 t에서의 표적 거리
    φ 방위각 또는 고도각
    Δφ(t) 시간에 걸친 방위각 또는 고도각의 변량
    ve 횡방향 속도로부터 도출되는 방사방향 속도 성분
    ae 횡방향 속도로부터 도출되는 방사방향 가속도 성분
    Tmeas 측정 시간
    b 보조 파라미터
    를 갖는 하기의 수학적 모델:
    Figure 112022047411207-pct00031

    이 사용되고,
    하기의 파라미터:
    Q 방위 및 고도에서의 횡방향 속도 성분의 품질 함수
    vqa 방위에서의 횡방향 속도 성분
    vqe 고도에서의 횡방향 속도 성분
    k 파수
    a m 가상 수신 채널(송신 채널 및 수신 채널로 이루어진 조합)의 수에 상응하는 엔트리를 갖는 벡터
    A c 교정 매트릭스
    m 시간(t m)의 지수
    rm 시점(tm)에서 모든 수신 채널까지의 표적 거리들의 벡터
    ωd 추정된 도플러 각진동수
    Figure 112022047411207-pct00032
    측정 간격에서의 평균 표적 거리
    TRR 램프 신호들 간의 기간
    Δβm 시점(t m)에서 측정 신호의 위상 위치의 변량
    Figure 112022047411207-pct00033
    가급적, 현재 횡방향 속도가 추정되어야 하는 물리적 표적의 반사(피크)의 신호 부분만을 포함하며, 시점(t m)에 전처리되고 선택되어 역 푸리에 변환된 측정 신호를 갖는 전치 벡터
    를 갖는 하기의 수학적 관계식:
    Figure 112022047411207-pct00034

    를 사용하여, 품질 함수(Q)의 최대화를 통해 횡방향 속도 성분의 추정이 산출되는, 하나 이상의 레이더 표적의 횡방향 속도 성분 확인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 동일하게 변조된 송신 신호가 램프 형상으로 주파수 변조된 레이더 신호이거나, 비선형 램프 신호이거나, 주기적인 펄스 신호 또는 OFDM 신호인, 하나 이상의 레이더 표적의 횡방향 속도 성분 확인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 레이더 표적(200)의 횡방향 속도 성분이 방위 방향으로 또는 고도 방향으로 검출되는, 하나 이상의 레이더 표적의 횡방향 속도 성분 확인 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각도 스펙트럼에 걸쳐 표적 반사 신호의 선택 및 재구성이 수행되며, 이 경우 표적 반사 위치들이 방위각 또는 고도각에 걸쳐 상호 분리되는, 하나 이상의 레이더 표적의 횡방향 속도 성분 확인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 레이더 표적(200)의 결정을 위해, 검출 영역 내에 있는 품질 함수가 볼록하도록, 그리고 검출 영역이 완전히 스캐닝되지도 않도록, 횡방향 속도를 갖는 검출 영역이 선택되는, 하나 이상의 레이더 표적의 횡방향 속도 성분 확인 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방법이 추적 기반 방법을 위해 사용되는, 하나 이상의 레이더 표적의 횡방향 속도 성분 확인 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 낙하하는 물체에 대해 경고하거나 상기 물체와의 충돌을 방지하는 시스템을 위해 사용되는, 하나 이상의 레이더 표적의 횡방향 속도 성분 확인 방법.
  11. 레이더 장치(100)를 이용하여 하나 이상의 레이더 표적(200)의 횡방향 속도 성분을 확인하기 위한 장치이며,
    - 동일하게 변조된 레이더 송신 신호들을 레이더 장치(100)의 규정된 검출 영역으로 규정된 측정 기간(Tmeas) 동안 주기적으로 송신하도록 설계된, 정해진 개수의 송신 요소를 갖는 송신 장치(1, 10)와;
    - 레이더 표적(200)에서 반사된 하나 이상의 레이더 수신 신호의 수신을 수행하도록 설계된, 정해진 개수의 수신 요소를 갖는 수신 장치(2, 20)와;
    - 처리 장치(30)로서,
    - 수신된 레이더 수신 신호의 아날로그/디지털 변환을 수행하고,
    - 디지털 측정값의 속도-거리 스펙트럼을 생성하기 위해 2차원 푸리에 변환을 수행하고,
    - 속도-거리 스펙트럼의 값 스펙트럼에서 규정된 피크 값을 참조하여 레이더 표적(200)의 하나 이상의 표적 반사의 검출을 수행하고,
    - 속도-거리 스펙트럼으로부터, 안테나(10, 20)까지의 레이더 표적(200)의 거리 및 안테나(10, 20)에 대한 방사방향 상대 속도 성분의 확인을 수행하고,
    - 안테나(10, 20)에 대한 레이더 표적(200)의 하나 이상의 상대 각도의 결정을 수행하도록 설계된 처리 장치;를 포함하며, 이 경우:
    - 횡방향 속도 성분이 추정되어야 하는 레이더 표적(200)을 제외한 전체 표적 반사 및 간섭이 억제되며,
    - 상기와 같은 방식으로 선택된 레이더 표적(200)의 표적 반사에 대해 역 푸리에 변환이 수행되고, 상기 변환된 측정값으로부터 레이더 표적(200)의 횡방향 속도 성분이 확인되고,
    상기 장치는 제1항에 따른 방법에 따라 상기 변환된 측정값으로부터 상기 레이더 표적(200)의 횡방향 속도 성분을 확인하는데 사용되는, 하나 이상의 레이더 표적의 횡방향 속도 성분 확인 장치.
  12. 제11항에 따른 장치의 사용 방법으로서, 상기 장치는, 낙하하는 물체에 대해 경고하거나 낙하하는 물체와의 충돌을 방지하도록 설계된 것을 특징으로 하는, 사용 방법.
  13. 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.
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