KR102661797B1 - 자동차용 각도 분해 광대역 레이더 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 자동차용 각도 분해 레이더 센서 및 이를 위한 방법에 관한 것으로, 상기 레이더 센서는, 이 레이더 센서가 각도를 분해하는 방향(y)으로 상이한 위치(yi)에 배열되어 있는, 수신 목적으로 설계된 복수의 안테나(10, 12)를 가진 안테나 어셈블리; 그리고 송신 목적으로 설계된 레이더 센서의 하나 이상의 안테나(22)가 상기 수신 목적으로 설계된 레이더 센서의 복수의 안테나(10, 12)에 의해 수신되는 신호를 송신하고, 송신 및 수신 안테나의 상이한 구성들에 상응하는 개별 평가 채널들(i)의 신호들 간의 진폭 관계 및/또는 위상 관계를 참조하여 레이더 타깃의 각도(θ)가 추정되는 작동 모드를 위해 설계된 제어 및 평가 장치(30);를 구비하며, 이때 레이더 타깃의 각도(θ)의 개별 추정을 위해, 각각의 평가 채널(i)을 위한 각각의 거리(di)에 대해 평가 채널의 신호의 평가가 수행되며, 이 경우 각도 가설(Ohyp) 또는 각도 범위 가설에 따라 각각의 평가 채널(i)에 대해 상이한 거리(di)가 선택된다.

Description

자동차용 각도 분해 광대역 레이더 센서
본 발명은, 레이더 센서가 각도를 분해하는 방향으로 상이한 위치에 배열되어 있고 수신 목적으로 설계된 복수의 안테나를 갖는 안테나 어셈블리; 그리고 송신 목적으로 설계된 레이더 센서의 복수의 안테나가 상기 수신 목적으로 설계된 레이더 센서의 복수의 안테나에 의해 수신되는 신호를 송신하고, 송신 및 수신 안테나의 상이한 구성들에 상응하는 각각의 평가 채널의 신호들 간의 진폭 관계 및/또는 위상 관계를 참조하여 레이더 타깃의 각도가 추정되는 작동 모드를 위해 설계된 제어 및 평가 장치;를 구비한, 자동차용 각도 분해 레이더 센서에 관한 것이다.
레이더 센서는 자동차에서, 예를 들어 자체 차량의 전방에서 위치 확인된 차량들 또는 기타 레이더 타깃들의 거리, 상대 속도 및 방위각을 측정하기 위해 사용된다. 이 경우, 복수의 안테나가 예를 들어 수평면 상에 서로 간격을 두고 배열됨으로써, 위치 확인된 레이더 타깃들의 상이한 방위각은, 레이더 신호가 레이더 타깃으로부터 각각의 안테나까지 주파해야 하는 전파 길이에서의 차이를 야기한다. 이와 같은 전파 길이 차이는, 안테나에 의해 수신되어 관련 평가 채널에서 평가되는 신호의 진폭 및 위상에서의 상응하는 차이를 야기한다. 각도 추정을 위해, 상이한 수신 안테나에 의해 획득된 신호의 진폭 관계 및 위상 관계가 특징적인 방식으로 레이더 타깃의 각도에 좌우되는 상황이 이용된다. 이 경우, 상이한 채널들에서 수신된 (복소) 진폭을 안테나 다이어그램 내의 상응하는 진폭과 비교함으로써, 레이더 신호의 입사각 및 이로써 레이더 타깃의 방위각도 결정될 수 있다. 상응하는 방식으로, 안테나들이 수직으로 위·아래로 배열됨으로써, 레이더 타깃의 고도각도 추정될 수 있다.
타깃이 단 하나인 경우, 안테나 다이어그램 내의 각각의 각도에 대해, 측정된 진폭의 벡터(평가 채널이 k개인 경우, k개의 복소 성분을 갖는 벡터)와 안테나 다이어그램 내의 상응하는 벡터 간의 상관관계를 계산함으로써, 수신된 진폭과 안테나 다이어그램 내 진폭 간의 평형이 이루어질 수 있다. 이와 같은 상관관계는 소위 DML 함수(Deterministic Maximum Likelihood Function: 결정론적 최대 우도 함수)로 표현될 수 있으며, 이 함수는, 측정된 진폭의 특정 벡터가 주어진 경우, 각각의 각도에 대해 레이더 타깃이 상기 각도 위치에 있을 수 있는 확률을 지시한다. 이 경우, 각도 추정은 상기 DML 함수의 최대값을 알아내는 것이다. 최대 우도 방법 외에, MUSIC(Multiple Signal Classification) 또는 ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)와 같은 다른 각도 추정 방법도 공지되어 있다.
레이더 센서들의 성능이 더욱 향상되는 과정에서, d,v 추정이 증대된 해상도로 수행될 수 있다.
또한, 유효 센서 변수, 다시 말해 안테나 어셈블리의 크기 또는 애퍼처(aperture)의 증가, 각도 추정 정확도의 증가 및 개선된 각도 분리도 가능해진다. 선형 주파수 램프를 갖는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 측정 방법 및 이산 푸리에 변환, 특히 FFT(Fast Fourier Transformation)를 이용한 수신 신호의 평가에서는, 푸리에 변환의 거리 빈의 폭이 거리차(Δr; Δr = c/(2F))에 상응하며, 이 식에서 c는 광속이고, F는 FMCW 송신 신호의 선형 주파수 램프의 주파수 편이(frequency deviation)이다. 상기 거리차는 여기에서 거리 분해능이라고도 지칭된다.
따라서, 거리 분해능이란, (동일한 상대 속도에서) 레이더 센서로부터의 거리의 2개의 측정값이 레이더 센서의 주어진 작동 모드에서 계속 분리된 빈 상에 맵핑될 수 있는 최소 거리차로 이해될 수 있다. FFT를 실행할 때, 거리 분해능은 FFT에서 2개의 거리 빈의 간격, 즉, 거리 빈의 폭에 상응한다. 여기에서 그리고 이하에서, '거리 분해능'의 개념과 '거리 빈의 폭'의 개념은 동일한 의미로 사용된다. 그와 달리, 거리 분리능이란, 거리 빈의 폭의 2배로 이해된다. 레이더 센서의 대역폭이 증가하면, 예를 들어 F = 2GHz의 송신 신호의 주파수 편이에서는 Δr = 7.5㎝의 거리 분해능이 가능하다. 동시에 애퍼처 또는, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 레이더 센서의 경우에는 가상의 애퍼처가 유사한 크기의 값으로 증가하면, 레이더 타깃의 각도에 따라 개별 안테나 또는 평가 채널의 수신 신호들 간의 전파 길이 차이는 이미 레이더 타깃의 상이한 거리로서 검출될 수 있다. 이때, 각도가 더 큰 경우에는, 측정된 진폭의 벡터가 더는 검출된 레이더 타깃의 d,v 추정에 의해 결정된 주파수 위치에서 평가 채널의 푸리에 스펙트럼 내에 완전히 포함되지 않는다. 이에 대한 대처로, 더 큰 각도의 검출을 위해 이용되는 안테나 어셈블리의 애퍼처를 인위적으로 축소시킬 수 있다. 대안적으로, 더 작은 대역폭 및 이에 수반하여 푸리에 스펙트럼의 주파수 빈의 확대를 선택함으로써, 측정된 진폭의 벡터가 완전하게 획득된다. 하지만, 두 가지 경우 모두 완전한 거리 분해능과 완전한 각도 분리능이 동시에 성취될 수는 없다는 단점을 갖는다.
대역폭 및 애퍼처가 큰 경우에 발생하는 전술한 전파 길이 차이는, 특히 FFT에 의해 획득된 푸리에 스펙트럼에서 여러 가지 영향을 미친다.
한 편으로, 수신 신호들 간의 전파 길이 차이가 레이더 타깃의 상이한 거리로서 검출되면, 하나의 피크에 상응하는 신호가 각각의 평가 채널에서 FFT의 상이한 주파수 빈들에 맵핑될 수 있다.
다른 한 편으로, 이 경우 하나의 빈만큼의 시프트 당 Pi에 해당하는 위상 오프셋이 발생한다. 이와 같은 위상 오프셋은, FFT의 지지점(주파수 위치)이 각각의 안테나 구성의 실제 개별 거리에 상응하는 주파수 위치와 정확하게 일치하지 않는 경우에 발생한다. 위상 오프셋은, 동일한 주파수 편이 폭에 대해 결정된 안테나 다이어그램이 각도 추정을 위해 사용됨으로써, 안테나 보정에서 고려될 수 있다.
또한, FFT의 형성을 위해 사용된 윈도우 기능에 의해 진폭 오류가 발생한다. 이와 같은 진폭 오류는, 안테나 보정 시 용이하게 고려될 수 없다.
본 발명의 과제는, 안테나 어레이가 대형이고 신호가 높은 대역폭을 갖는 경우에도 간단하고 정확한 각도 추정을 허용하는 레이더 센서를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라, 제어 및 평가 장치가, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도의 개별 추정을 위해, 각각의 평가 채널에 대하여 각각의 거리에 대한 평가 채널의 신호의 평가를 수행하도록 설계되고, 이 경우 각각의 평가 채널에 대해 각도 가설 또는 각도 범위 가설에 따라, 적어도 각도 가설 또는 각도 범위 가설에 대해 상이한 거리가 선택됨으로써, 해결된다. 따라서, 레이더 타깃의 각도의 개별 추정을 위해, 평가될 개별 거리가 각각의 평가 채널에 할당된다.
예를 들어, 평가 채널의 신호의 평가는 각각의 평가 채널에 대한 각각의 주파수 위치에서 수행될 수 있으며, 이 경우 각각의 평가 채널에 대해 각도 가설 또는 각도 범위 가설에 따라, 적어도 각도 가설 또는 각도 범위 가설에 대해 상이한 거리가 선택될 수 있다. 이로써, 예컨대 FMCW 레이더 센서에서는 각각의 주파수 위치가 각각의 거리에 상응한다.
예를 들어, 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도의 개별 추정을 위해, 관련 거리에 상응하는 각각의 주파수 위치에서 각각의 평가 채널에 대해 평가 채널의 신호의 평가를 수행하도록 설계될 수 있다.
또한, 상기 과제는, 레이더 센서의 각각의 평가 채널에서 레이더 센서의 송신 및 수신 안테나의 상이한 구성들에 대해 획득되는 신호들 간의 진폭 관계 및/또는 위상 관계를 참조하여 레이더 타깃의 각도를 추정하기 위한, 자동차용 레이더 센서를 위한 방법에 의해 해결되며, 이 방법에서는 레이더 타깃의 각도의 개별 추정을 위해, 각각의 평가 채널을 위한 각각의 거리에 대해 평가 채널의 신호의 평가가 수행되며, 이 경우 각각의 평가 채널에 대해 각도 가설 또는 각도 범위 가설에 따라, 적어도 각도 가설 또는 각도 범위 가설에 대해 상이한 거리가 선택될 수 있다.
각도의 추정을 위해, 특히 각각의 거리에 대해 평가 채널의 관련 신호의 진폭 및/또는 위상의 평가가 수행되거나, 평가 채널의 각각의 주파수 위치에서 관련 신호의 진폭 및/또는 위상의 평가가 수행된다.
따라서, 각도 추정을 위해, 각각의 평가 채널의 신호의 상이한 거리 또는 주파수 위치에 상응하는 성분을 갖는 벡터가 사용되며, 따라서 적어도, 하나의 각도 가설에 대해 2개 이상의 평가 채널에서 거리 또는 주파수 위치가 서로 상이하게 된다. 이를 통해, 대역폭이 크고 애퍼처가 큰 경우에, 레이더 타깃의 각도에 따라 그리고 평가 채널의 송신 및 수신 안테나의 구성에 따라, 레이더 타깃에 상응하는 피크의 주파수 위치의 시프트가 발생하는 효과가 달성될 수 있다.
거리들 간의 차이 또는 주파수 위치들 간의 차이는 레이더 타깃의 거리에 따라서도 선택될 수 있다. 따라서, 먼 거리에서는, 상이한 안테나들이 레이더 타깃을 "바라보는" 각도 차이가 더 짧은 거리에서보다 더 작아지며, 그에 상응하게 신호의 전파 길이 차이도 더 작아진다.
안테나 어셈블리는 바람직하게, 안테나의 평면 배열, 예컨대 수신 안테나들 사이에 규칙적인 오프셋을 갖는 안테나 어레이 또는 얇아진 안테나 어레이다.
본 발명의 바람직한 실시예들 및 개선예들은 종속 청구항들에 명시되어 있다.
바람직한 일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 평가 채널의 송신 및 수신 안테나의 구성들에 상응하는 각도 의존적 거리차를 관련 평가 채널들 간의 거리차 또는 주파수 위치 시프트의 차이로서 고려하도록 설계된다. 다시 말해, 고려된 주파수 위치의 시프트는 각각의 거리차에 상응한다. 이 경우, 거리차의 거리 의존성도 고려될 수 있다. 거리차는, 예를 들어 평가 채널과 관련된 거리차로서 지시될 수 있거나, FFT의 빈과 관련된 빈 시프트로서 지시될 수 있다. 바람직하게는, 전파 길이 차이가 증가함에 따라, 거리 또는 주파수 위치 시프트의 증가하는 차이가 고려된다.
바람직한 일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 하나 이상의 평가 채널에 대하여 적어도 2개의 각도 가설 또는 각도 범위 가설에 대해 서로 상이한 거리 또는 주파수 위치를 선택하도록 설계된다.
바람직한 일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도의 개별 추정을 위해, 레이더 센서의 거리 분해능에 따라 그리고 각도 가설 또는 각도 범위 가설에 따라, 각각의 평가 채널에 대해 상이한 거리 또는 주파수 위치가 선택될는지의 여부를 결정하도록, 그리고 각각의 평가 채널에 대해 어느 거리 또는 주파수 위치가 선택될지를 결정하도록 설계된다. 예를 들어, 0° 또는 대략 0°의 각도에서는 주파수 시프트의 고려가 불필요할 수 있다. 결정은, 추가로 레이더 타깃의 거리에 따라 수행될 수도 있다.
바람직한 일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 평가 채널들에 대해 적어도 각도 가설 또는 각도 범위 가설에 대해, 동일한 거리 또는 주파수 위치를 선택하도록 설계된다. 이들은 각도의 추정을 위해 사용된다. 상기 각도(각도 범위)는 바람직하게 레이더 센서의 평균 각도(각도 범위) 또는 대칭 방향에 상응한다.
일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 수신된 신호를 이산 푸리에 변환하도록 설계되며, 이 경우 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 이산 푸리에 변환 시 각각의 평가 채널에 대하여 선택된 거리 또는 주파수 위치에 대해 스펙트럼 성분을 계산하도록, 그리고 각도 추정을 위해 이들 스펙트럼 성분을 평가하도록 설계된다. 각각 선택된 주파수 위치에서 주파수 스펙트럼의 푸리에 변환 또는 단일 푸리에 성분을 직접 계산함으로써, 고정 주파수 그리드를 갖는 FFT의 진폭 오류 또는 전술한 위상 오류가 방지될 수 있다.
또 다른 일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 수신된 신호로부터 이산 푸리에 변환에 의해 각각의 평가 채널에 대해 푸리에 스펙트럼을 계산하도록 설계되며, 이 경우 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 관련 푸리에 스펙트럼의 스펙트럼 성분의 보간에 의해 각각의 거리에 대한 각도 추정을 위해 또는 각각의 주파수 위치에서 평가될 신호를 결정하도록 설계된다. 이는 특히, 각도 가설과 무관하게 수신 채널의 푸리에 스펙트럼의 계산이 수행될 수 있고, 그런 다음 각도 추정을 위해 각각 보간에 의해, 푸리에 스펙트럼의 표본 주파수들 사이의 중간 지점에서도, 다시 말해 각각의 주파수 위치에 인접한 주파수에서도 신호의 평가가 수행될 수 있다는 점에서 바람직하다. 따라서, 간단하고 효율적인 계산에서, 거리뿐만 아니라 각도에서도 높은 분리능이 달성될 수 있다.
본 발명 및 실시예들에 대해 언급된 특징들은 특히, 레이더 센서에서 2개 이상의 평가 채널에 대해, 송신 및 수신 안테나의 구성들에 의해 발생하는, 레이더 타깃에 대한 최대 거리차가 거리 분해능의 적어도 40%에 상응하거나, 특히 거리 분해능의 적어도 80%에 상응하는 경우에 바람직하다. 바람직하게, 2개 이상의 평가 채널에 대해, 송신 및 수신 안테나의 구성들에 의해 발생하는, 레이더 타깃에 대한 최대 거리차가 거리 분해능의 적어도 20%, 더 바람직하게는 적어도 33% 또는 적어도 40% 또는 적어도 50% 또는 적어도 80% 또는 적어도 100%에 상응한다. 특히, 거리차가 거리 분해능의 80% 이상일 때 이미, FFT에서 발생하는 진폭 오류가 허용할 수 없을 정도로 커질 수 있고, 예를 들면 1dB를 초과할 수 있으며, 이 경우 허용 가능한 오류는 각각의 용례에 따라 좌우된다. 송신 및 수신 안테나의 구성들에 의해 발생하는 최대 거리차는, 예를 들어 90°이하의 범위 내 각도에서, 안테나 어셈블리의 (가상의) 애퍼처에 상응할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 실시예들이 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 자동차용 레이더 센서의 블록선도이다.
도 2는 각각의 평가 채널의 푸리에 스펙트럼의 주파수 빈의 개략도이다.
도 3은 2개의 안테나와 하나의 레이더 타깃 간의 관계도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1에 도시된 레이더 센서는, 공통 기판(18) 상에 복수의 수신 안테나 또는 안테나 요소(10, 12)를 구비한다. 레이더 센서는 자동차 내에서, 복수의 안테나(10, 12)가 수평 위치들(yi, i = 0,...,k)에서 동일한 높이로 나란히 놓이도록 설치되며, 그 결과 수평선(방위각)에서 레이더 센서의 각도 분해능이 달성된다. 도 1에는, 각각의 방위각 θi로 안테나에 의해 수신되는 레이더 빔이 상징적으로 도시되어 있다.
송신 안테나(22)를 제어하기 위한 고주파부(20)는, 송신될 레이더 신호를 생성하는 국부 발진기(24)를 포함한다. 안테나(10, 12)에 의해 수신된 레이더 에코가 각각 믹서(28)에 공급되고, 이곳에서 레이더 에코는 발진기(24)에 의해 공급된 송신 신호와 혼합된다. 이와 같은 방식으로, 각각의 안테나(10, 12)에 대해 기저 대역 신호 또는 중간 주파수 신호(Z0, Z1, ..., Zi, ..., Zk)가 획득되고, 이 신호는 전자 제어 및 평가 유닛(30)에 공급된다.
제어 및 평가 유닛(30)은, 발진기(24)의 기능을 제어하는 제어부(32)를 포함한다. 도시된 예에서 레이더 센서는 FMCW 레이더이며, 다시 말해 발진기(24)에 의해 공급된 송신 신호의 주파수가 주기적으로 상승 및/또는 하강 주파수 램프의 형태로 변조된다.
또한, 제어 및 평가 장치(30)는 k개의 채널을 갖는 아날로그/디지털 변환기(34)를 구비한 평가부를 포함하며, 이 변환기는 k개의 안테나(10, 12)에 의해 수신된 중간 주파수 신호(Z0 내지 Zk)를 디지털 처리하여, 이를 각각 단일 주파수 램프의 지속 시간에 걸쳐 기록한다. 그런 다음, 이와 같이 획득된 시간 신호는 채널별로 변환단(36)에서 고속 푸리에 변환에 의해 상응하는 주파수 스펙트럼으로 변환된다. 이 주파수 스펙트럼 내에서는 각각의 레이더 타깃이 피크의 형태로 나타나며, 이 피크의 주파수 위치는 레이더 센서로부터 레이더 타깃으로의 그리고 역으로 레이더 센서로의 신호 전파 시간에 좌우되고, 도플러 효과로 인해, 레이더 타깃의 상대 속도에 좌우된다.
그 다음, 동일한 레이더 타깃에 대해 획득되었지만, 주파수 램프 상에서 예를 들어 상승 램프 및 하강 램프와 같이 상이한 기울기를 갖는 2개의 피크의 주파수 위치로부터, 관련 레이더 타깃의 거리(d) 및 상대 속도(v)가 공지된 방식으로 계산될 수 있다.
도 1에서 레이더 빔을 참조하여 개략적으로 도시된 바와 같이, 안테나들(10, 12)의 상이한 위치는, 하나의 동일한 안테나에 의해 방출된 레이더 빔이 레이더 타깃에서 반사된 후에 상이한 안테나에 의해 수신되고, 상이한 전파 길이를 주파하며, 그에 따라 레이더 타깃의 방위각(θ)에 좌우되는 위상차를 갖도록 유도한다. 관련 중간 주파수 신호(Z0 내지 Zk)도 상응하는 위상차를 갖는다. 수신된 신호의 진폭(양)도 안테나마다 상이하며, 마찬가지로 방위각(θ)에 따라 좌우된다. 각도 추정기(38)는 위치 확인된 각각의 객체, 즉, 각각의 레이더 타깃(주파수 스펙트럼 내의 각각의 피크)에 대해, 레이더 타깃의 방위각(θ)을 추정하기 위하여, k개의 수신 채널에서 획득된 복소 진폭을 안테나 다이어그램과 비교한다. 각도 추정기는, 예를 들어 이하에서 기술되는 보간기(40), 상관기(42) 및 결정기(44)를 포함한다.
하지만, FMCW 변조의 큰 주파수 편이에 상응하게 대역폭이 높고, 안테나 어셈블리의 확장이 큰 경우, 레이더 타깃의 방위각(θ)에 따라 그리고 레이더 타깃의 거리(d)에 따라, 개별 수신 채널에서 수신된 신호의 주파수 스펨트럼 내의 상이한 주파수 위치[fa(i)]에 복소 진폭이 포함되어 있다. 이는 도 2에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기에는 증가하는 주파수(f)의 방향으로 연속하는 푸리에 스펙트럼의 주파수 빈이 도시되어 있다. 상이한 주파수 위치[fa(i)]는 상이한 개별 거리(di)에 상응한다. 종래의 각도 추정에서와 달리, 더 이상, 하나의 레이더 타깃에 속하는 상이한 평가 채널 내 신호들이 도 2에 빗금 표시된, 푸리에 스펙트럼의 각각 동일한 빈에 동일한 방식으로 맵핑된다고 가정될 수 없다. 이와 같은 효과를 고려하기 위하여, 개별 채널(i)에 대해 검사될 각도 가설(θhyp)에 따라, 예상되는 각각의 주파수 시프트[fa(i)]가 보간기(40)에 의해 계산된다. 보간기(40)는, 피크의 기준 주파수 위치(fref)에 대한 예상 주파수 시프트(fa)에 기초하여, 각도 추정을 위해 이용될 피크의 스펙트럼 성분(들)을 선택한다. 기준 주파수 위치(fref)로서, 예를 들어 일 안테나 구성에 대한 주파수 위치가 선택되며, 이 안테나 구성과 상이한 안테나 구성은 중간 각도를 갖는 레이더 타깃에서 더 작은 각도들 및 더 큰 각도들에 대해 대칭인 주파수 시프트를 갖는다. 기준 주파수 위치로서는, 중앙 안테나에 대한 주파수 위치가 선택될 수 있다. 또한, 적어도 주파수 시프트로부터 도출된, 2개의 주파수 위치 사이에서 선택된 (이를 위해 FFT가 계산되었던) 주파수 위치에서는, 정확한 진폭 및 위상을 갖는, 선택된 정확한 주파수 위치에 대해 주파수 스펙트럼의 값을 결정하기 위하여, 선택된 주파수 위치에 인접한, 관련 빈의 스펙트럼 성분의 보간을 보간기(40)가 실행한다.
개별 채널에서 선택된 주파수 위치에 대해 결정되어 필요에 따라 보간된 신호는 벡터로서 상관기(42)로 전송되며, 이 상관기는 관련 각도 가설에 대해 안테나 다이어그램과 벡터 내에서 조합된 복소 진폭의 상관관계를 본래 공지된 방식으로 계산하고, 이 상관관계의 정도를 결정기(44)로 송출한다. 이때, 상관기(42)는 저장된 안테나 다이어그램에 액세스한다. 결정기(44)는, 벡터의 측정된 진폭이 안테나 다이어그램 내에서 판독된 값과 가장 상관관계가 높은 방위각에 대해 가장 확률이 높은 값으로서 각도 값을 결정한다. 레이더 센서의 검출 각도 범위에 상응하게, 복수의 각도 가설 또는 각도 가설 범위가, 안테나 다이어그램을 토대로 계산된 신호와 측정된 신호의 일치성에 대해 검사된다. 이 경우, 보간기(40)가, 검사될 각각의 개별 각도 가설에 대해 주파수 위치를 결정하거나 보간을 수행하는 것이 아니라, 보간기(40)가 각도 가설의 범위에 대해 개별 평가 채널의 주파수 위치의 대표적인 선택 및 필요에 따른 스펙트럼 성분의 보간을 실행하는 점도 생각할 수 있다.
따라서, 검사될 각도 가설 또는 각도 가설 범위에 대해, 각도 및 거리 분해능으로 인한 필요성에 따라, 각도 추정에 사용되는 데이터의 전처리가 수행된다.
따라서, 예를 들어 -30° 내지 +30°의 범위에 대해 직접 신호의 각각 동일한 주파수 위치로부터 벡터가 조합될 수 있으며, +30° 내지 +60°의 범위에 대해서는 이 범위를 위한 개별 평가 채널을 대표하는, 주파수 위치의 시프트가 고려될 수 있다. 제시된 범위 한계는 다만 원리를 설명하기 위한 것일 뿐, 실제로는 거리 분해능 및 각도 추정을 위해 필요한 데이터 정확도에 따라 결정될 수 있다.
정확한 주파수 위치에서 수신된 신호의 복소 진폭, 즉, 절대값 및 위상의, 방위각(θ)에 대한 의존성은, 각각의 안테나에 대해 다이어그램의 형태로 제어 및 평가 유닛(30) 내에 저장될 수 있다. 개별 안테나에 대한 다이어그램들은, 각각의 안테나에 대해 수신된 신호의 진폭을 방위각의 함수로서 나타낸 하나의 안테나 다이어그램으로 조합될 수 있다.
도 3은, 좌표((0,y0) 및 (0,yi))에서 지수 "0" 및 "i"로 표시된 2개 안테나에 대한 평면도에서, 좌표(x,y)에서 레이더 타깃으로서의 일 포인트 타깃에 대한 관계를 도시한다. 개별 안테나로부터의 포인트 타깃의 간격은 "d0", "d1"으로 표기되어 있고, 수신된 레이더 신호의 입사각(방위각)은 "θ0" 또는 "θi"로 표기되어 있다. 도해의 간소화를 위해, 원점(0,0)이 안테나 어레이의 중심점을 나타내고, 수신 안테나(10, 12)의 중심 위치에 상응한다고 가정된다.
지수 "i"를 갖는 각각의 안테나에 있어서, 레이더 타깃의 위치 및 각도에 대해 각각,
이 적용된다.
원점에 대한 레이더 타깃의 좌표는 레이더 센서의 추정값으로서 하기와 같이 산출되어야 한다.
안테나마다, 평균값에 대한 편차는 다음과 같다:
여기서, Δdi는 거리차를 지칭하고, Δθi는 방위각 차이를 지칭한다.
전파 길이 차이로 인해 레이더 센서에 의해 "관찰되는" 평가 채널들 간의 거리차는 안테나 구성들에 좌우된다. 이로써, 바이스태틱 시스템 또는 MIMO 시스템에서는, 송신 안테나로부터 타깃으로의 경로에 대해 그리고 타깃으로부터 수신 안테나로의 경로에 대해 효과(거리 또는 전파 시간)가 가산되어 평균된다.
추정된 거리는, 예를 들어 전진 경로 및 후진 경로로 분할된 신호의 총 전파 시간에 걸쳐 결정되고, 이로써 신호의 평균 전파 시간에 걸친 평균 거리로서 결정된다.
도 4는, 전술한 제어 및 평가 장치의 작동 모드에 따른 방법을 도시한다. 단계 "S10"에서는, 채널의 중간 주파수 신호의 레이더 측정 및 A/D 변환이 수행된다. 단계 "S12"에서는 각각의 평가 채널에서 고속 푸리에 변환(FFT)이 수행된다. 단계 "S14"에서는, 개별 평가 채널의 주파수 스펙트럼 내에서 검사될 각도 가설 또는 각도 가설 범위에 대한 보간이 수행되는데, 이때 단계 "S13"에서, 관련 평가 채널에서 보간되는 각각의 주파수 위치가 각도 가설/각도 가설 범위 및 d, v에 따라 선택된다. 단계 "S16"에서는, 안테나 다이어그램과의 상관관계의 결정을 통해, 상기 측정 및 보간된 신호와 안테나 다이어그램을 참조해서 예상한 신호의 일치성에 대해, 각도 가설/각도 가설 범위의 평가가 수행된다. 단계 "S18"에서, 또 다른 추가 각도 가설이 더 검사되어야 하는 것으로 확인되면, 단계 "S13"부터 상응하는 반복이 수행된다. 각도 가설의 일 범위의 대표적인 각도 가설에 대해 보간도 수행될 수도 있는 한편, 그럼에도 상기 범위의 관련 각도 가설은 개별적으로 평가된다. 그 다음에, 단계 "S16"부터는 각각의 대표적인 각도 가설에 대해 반복 과정이 수행되고, 단계 "S13"부터는 새로운 각도 가설 범위에 대해 반복 과정이 수행된다. 마지막으로, 단계 "S20"에서는, 최상으로 평가된 각도 가설이 추정된 각도로서 결정된다.
또 다른 일 실시예에서는, 제1 단계에서 제어 및 평가 장치(30)에 의해, 이용되는 안테나 어레이의 크기의 감소 하에, 종래의 각도 추정이 수행된다. 이 경우, 각도 추정을 위해 제1 단계에서 평가 채널의 부분집합(subset)에 상응하는 각각의 평가 채널로부터 각각 동일한 위치에서 푸리에 스펙트럼의 평가가 수행된다. 제1 단계에서는, 보간기(40)가 예컨대 사용되지 않는다. 바람직하게, 이 경우, 이용되는 제1 방향으로의 안테나 어셈블리의 확장은, 송신 및 수신 안테나의 구성에 의해 2개 이상의 평가 채널에 대해 발생한, 레이더 타깃까지의 최대 거리차가 거리 분해능의 80% 미만, 특히 바람직하게는 40% 미만인 값으로 제한된다.
제1 단계에서는 대략적인(rough) 각도 추정이 도출된다. 제1 추정의 결과에 기초하여, 그 다음에는 각도 가설, 또는 하나 이상의 각도 범위 가설이 결정되며, 그 다음에는 이들 가설에 대하여, 각각의 평가 채널에 대해 상이한 주파수 위치의 선택 하에, 이미 기술한 평가가 실행된다. 이러한 방식으로, 제1 단계에서의 예비 추정에 의해, 제2 단계에서의 더욱 정확한 각도 추정을 위한 처리 비용이 감소할 수 있다.
도 4는, 단계 "S22", "S26", "S28" 및 "S30"을 갖는 제1 단계의 대략적인 각도 추정을 도시한 것이며, 이들 단계는 평가 채널의 감소된 부분집합을 제외하고는 푸리에 변환 단계 "S12", 평가 단계 "S16", 그리고 단계 "S18" 및 "S20"에 상응한다.
제어 및 평가 장치(30)의 전술한 작동 모드는, MIMO 레이더 센서에서와 상응하는 방식으로 제공될 수 있다. 여기서, k개의 평가 채널은 송신 및 수신 안테나의 상이한 구성들에 상응한다. 복수의 수신 안테나(10, 12)에 의해 형성된 수신 어레이가 예컨대 mλ의 실제 애퍼처를 가지면, 예를 들어 2개 송신 안테나(22)의 교대 이용에 의해 2배의 애퍼처(2mλ)를 갖는 가상의 수신 어레이가 형성됨으로써, 더욱 두드러진 위상차 및 진폭차가 나타나게 되고, 이로써 더욱 선명한 각도 분리가 가능해진다. 복수의 송신 안테나가 동시에, 주파수 분할 다중화 또는 코드 분할 다중화 방법에 의해 송신을 위해 사용될 수도 있다.
안테나(10, 12 및 22)는, 동일 위상에서 제어되거나, 위상을 유지하면서 하나의 수신 신호로 통합되는 패치 어레이를 각각 포함하는 그룹 안테나일 수 있다.
여기에 기술된 실시예들에서는 바이스태틱 안테나 컨셉으로써 작동된다. 그러나, 선택적으로 동일한 (그룹) 안테나가 송신 및 수신의 목적으로 이용되는 모노스태틱 안테나 컨셉도 이용될 수 있다.
기술된 제어 및 평가 장치의 작동 모드는, 특히 소위 래피드 처프 시퀀스(rapid chirp sequence)로 작동되는 FMCW 레이더 센서에서 바람직하게 사용될 수 있다. 이 경우, 큰 경사도 및 단지 상대적으로 짧은 지속 시간을 갖는 복수의 주파수 램프(chirp)가 신속한 시퀀스로 통과된다.

Claims (10)

  1. 자동차용 각도 분해 레이더 센서로서, 상기 레이더 센서가 각도를 분해하는 방향(y)으로 상이한 위치(yi)에 배열되어 있는, 수신 목적으로 설계된 복수의 안테나(10, 12)를 갖는 안테나 어셈블리; 그리고 송신 목적으로 설계된 레이더 센서의 하나 이상의 안테나(22)가 상기 수신 목적으로 설계된 레이더 센서의 복수의 안테나(10, 12)에 의해 수신되는 신호를 송신하고, 송신 및 수신 안테나의 상이한 구성들에 상응하는 개별 평가 채널(i)의 신호들 간의 진폭 관계 및/또는 위상 관계를 참조하여 레이더 타깃의 각도(θ)가 추정되는 작동 모드를 위해 설계된 제어 및 평가 장치(30);를 구비한, 자동차용 각도 분해 레이더 센서에 있어서,
    제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도(θ)의 개별 추정을 위해, 각각의 평가 채널(i)을 위한 각각의 거리(di)에 대해 평가 채널의 신호의 평가를 수행하도록 설계되며,
    관련 거리(di)에 상응하는 각각의 주파수 위치(fa)에서 각각의 평가 채널에 대하여 평가 채널의 신호의 평가를 수행하도록 설계되고,
    이 경우 각각의 평가 채널(i)에 대해 각도 가설(θhyp) 또는 각도 범위 가설에 따라, 적어도 각도 가설 또는 각도 범위 가설에 대해 상이한 거리(di) 및 상이한 주파수 위치가 선택되고, 각각의 주파수 위치는 각각의 거리에 상응하는, 자동차용 각도 분해 레이더 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 평가 채널의 송신 및 수신 안테나의 구성들에 상응하는 각도 의존적 거리차(Δdi)를 관련 평가 채널들(i) 간 거리(di)의 차이로서 고려하도록 설계되는, 레이더 센서.
  4. 제1항에 있어서, 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도(θ)의 개별 추정을 위해, 레이더 센서의 거리 분해능에 따라 그리고 각도 가설(θhyp) 또는 각도 범위 가설에 따라, 각각의 평가 채널(i)에 대해 상이한 거리(di)가 선택될는지의 여부를 결정하도록, 그리고 각각의 평가 채널에 대해 어느 거리(di)가 선택될지를 결정하도록 설계되는, 레이더 센서.
  5. 제1항에 있어서, 제어 및 평가 장치(30)는, 수신된 신호가 이산 푸리에 변환을 거치도록 설계되며, 이 경우 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 이산 푸리에 변환 시 각각의 평가 채널(i)에 대하여 선택된 거리(di)에 대해 스펙트럼 성분을 계산하고, 각도 추정(θ)을 위해 이들 스펙트럼 성분을 평가하도록 설계되는, 레이더 센서.
  6. 제1항에 있어서, 제어 및 평가 장치(30)는, 수신된 신호들로부터 이산 푸리에 변환에 의해 각각의 평가 채널(i)에 대해 푸리에 스펙트럼을 계산하도록 설계되며, 이 경우 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 관련 푸리에 스펙트럼의 스펙트럼 성분의 보간에 의해 각각의 거리(di)에 대한 각도 추정을 위해 평가될 신호를 결정하도록 설계되는, 레이더 센서.
  7. 제1항에 있어서, 2개 이상의 평가 채널에 대해, 송신 및 수신 안테나의 구성들에 의해 생성되는, 레이더 타깃까지의 최대 거리차가 거리 분해능의 적어도 40%에 상응하는, 레이더 센서.
  8. 제1항에 있어서, 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도(θ)의 개별 추정을 위해, 제1 단계에서는 송신 및 수신 안테나(22, 10, 12)의 상이한 구성들에 상응하는 각각의 평가 채널의 신호들 간의 진폭 관계 및/또는 위상 관계를 참조하여 제1 각도 추정을 실행하도록 설계되고, 이 경우 제1 각도 추정을 위해 사용된 평가 채널들에서의 각도를 추정하기 위해, 하나의 동일한 거리(di)에 대해 각각 하나의 평가가 수행되며, 제2 단계에서는 각각의 평가 채널(i)에 대해 각각의 거리(di)에서 평가 채널(i)의 신호의 평가가 수행되고, 이 경우 각각의 평가 채널(i)에 대해 상이한 거리(di)에 따라 선택되는 각도 가설(θhyp) 또는 각도 범위 가설은 제1 각도 추정의 결과에 기초해서 결정되는, 레이더 센서.
  9. 제8항에 있어서, 제1 단계에서의 각도 추정을 위해, 송신 및 수신 안테나(22, 10, 12)의 구성들에 상응하는 평가 채널(i)만 사용되며, 상기 안테나들은, 레이더 센서가 각도를 분해하는 전술한 방향(y)으로 모든 평가 채널의 사용에 비해 축소되어 이용되는 확장을 갖는 안테나 어셈블리의 부분을 형성하는, 레이더 센서.
  10. 레이더 센서의 송신 및 수신 안테나(22, 10, 12)의 상이한 구성들에 대해, 레이더 센서의 각각의 평가 채널에서 획득되는 신호들 간의 진폭 관계 및/또는 위상 관계를 참조하여 레이더 타깃의 각도를 추정하기 위한, 자동차용 레이더 센서를 위한 방법에 있어서,
    레이더 타깃의 각도의 개별 추정을 위해, 각각의 평가 채널(i)에 대해 각각의 거리(di)에 대한 평가 채널의 신호의 평가가 수행되며,
    관련 거리(di)에 상응하는 각각의 주파수 위치(fa)에서 각각의 평가 채널에 대하여 평가 채널의 신호의 평가가 수행되고,
    이 경우 각각의 평가 채널(i)에 대해 각도 가설 또는 각도 범위 가설에 따라, 적어도 각도 가설 또는 각도 범위 가설에 대해 상이한 거리(di) 및 상이한 주파수 위치가 선택되고, 각각의 주파수 위치는 각각의 거리에 상응하는, 자동차용 레이더 센서를 위한 방법.
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