KR102662232B1 - 다중입력 다중출력 안테나부를 포함하는 레이더 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 레이더 장치와 그를 위한 안테나 장치에 관한 것으로서, 다수의 송신안테나와 다수의 수신안테나 중 일부를 연직방향 중 하나인 제1방향으로 연장하도록 배치하여 제1송신 안테나 그룹 및 제1수신안테나 그룹으로 구성하고, 나머지 안테나들을 제1방향과 반대인 제2방향으로 연장하도록 배치하여 제2송신 안테나 그룹과 제2수신 안테나 그룹으로 구성하고, 송신신호를 송신하는 송신안테나와 물체로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 수신안테나를 적절하게 선택함으로써, 중/장거리 감지 및 근거리 감지 모두에서 수평 및 수직 방향으로의 각도 분해능을 향상시킬 수 있다.

Description

다중입력 다중출력 안테나부를 포함하는 레이더 장치{Radar Apparatus with Multi-Input Multi-Output Antenna}
본 발명의 일 실시예는 레이더 장치 에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 다중입력-다중출력(Multi-Input Multi-Output; 이하 'MIMO'라 함) 방식 안테나 장치를 포함하는 레이더 장치와 그를 이용하여 중장거리 및 근거리에 있는 대상체의 수평방향 정보 및 수직방향 정보를 획득하는 레이더 장치에 관한 것이다.
차량 등에 탑재되는 레이더 장치는 고해상도의 각도 분해능을 가져야 한다. 예를 들면, 전방 충돌 방지 및 예방을 위한 차량 레이더의 경우, 전방 인접 차선에 있는 차량의 자차선(In-path) 컷 인(Cut In) 및 컷 아웃(Cut Out) 시, 각도 추출을 통해서 끼어들기 상황 판단을 할 수 있다. 즉, 고해상도 각도 분해 능력을 통해, 컷 인(Cut In) 및 컷 아웃(Cut Out)시의 타깃 오 감지 확률을 줄이고, 충돌 상황을 예측하여 운전자의 안전을 보장해줄 수 있다.
또한, 차량용 레이더는 하나의 안테나 어셈블리를 이용하여 비교적 좁은 각도 범위에서 멀리 있는 물체를 감지하기 위한 중/장거리(Mid/Long Range) 감지 기능과, 비교적 넓은 각도 범위에서 근거리 물체를 감지하기 위한 근거리(Short Range) 감지 기능을 가져야 한다.
또한, 기존의 레이더 장치는, 고해상도의 각도 분해능을 얻기 위해, 수신 안테나를 여러 개 배열하는 구조로 구성한다. 즉, 종래의 레이더 장치는, 수신 안테나 다수 채널을 배열하여, 각도 분해능을 높이는 구조를 이용하는 것이다.
이와 같이 수신 안테나를 여러 개 배열하는 구조를 갖는 종래의 레이더 장치는, 안테나 구조적으로 사이즈가 커지고, 송수신부(즉, RF 회로부)에 이와 관련된 많은 소자가 필요하게 되어, 레이더 장치의 전체 사이즈가 커지게 되는 문제점이 있다.
하지만, 현재, 차량에 레이더 장치를 장착할 때, 범퍼 내 초음파 센서, 번호판, 안개등, 지지 구조물 등 각종 구조물에 의해, 레이더 장치를 장착할 수 있는 부분이 제한적이고 이에 따라 레이더 장치의 크기는 제한될 수밖에 없는 것이다.
최근 차량용 레이더의 소형화를 위하여 다중입력 다중출력(MIMO) 레이더가 개발되고 있다.
MIMO 레이더는 송신 안테나의 간격을 적당히 배치하여 수신 안테나의 개구(aperture)를 확장시키는 효과가 있기 때문에 RF 칩(chip)의 수를 줄이면서도 동일한 성능을 낼 수 있다는 점에서 최근 많이 연구되고 있다.
기존의 차량용으로 개발된 MIMO 레이더는 보통 2개의 송신 채널과 다수의 수신 채널의 배치를 통해 효율적인 개구 확장 효과를 내고 있으며, 이러한 구조는 차량용 레이더에서 장거리 레이더 또는 중거리 레이더용으로 제안되고 있다.
그러나, 차량용 레이더는 중/장거리뿐만 아니라 근거리의 넓은 영역도 감지를 해야 하며, 이를 위하여 근거리 감지를 위한 추가 센서를 장착하여야 아며, 이로 인하여 비용 및 복잡도가 증가하는 문제가 있다.
따라서, 차량용 레이더에서는 중/장거리 레이더와 근거리 레이더를 통합할 필요가 있으며, 일반적으로 중/장거리 레이더와 근거리 레이더를 통합하기 위해서 송신 안테나를 상이하게 하고 수신 안테나를 공용화 하여 구현을 하게 되는데 이러한 경우 중/장거리 레이더에서 분해능 등의 성능이 떨어지고 근거리 레이더에서 감지범위 등의 성능이 떨어져 각각의 성능이 극대화 되지 못하는 단점이 있다.
따라서, 중/장거리 감지와 근거리 감지가 동시에 가능하고, 고해상도의 각도 분해능을 유지하면서도 레이더 장치의 사이즈를 줄일 수 있는 레이더 장치의 개발이 요구되고 있지만, 종래의 레이더 장치에서는 이를 충족시켜주지 못하고 있는 실정이다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 다수의 송신안테나 및 다수의 수신 안테나의 효율적인 배치를 통해 중/장거리 성능뿐만 아니라 근거리 성능까지 극대화 할 수 있는 레이더 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 다수의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나를 구비하여 다중입력 다중수신(MIMO)이 가능한 안테나 장치와, 그를 포함하는 레이더 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 다수의 송신 안테나 중 일부를 지면에 수직한 제1방향으로 배치하고, 나머지 송신안테나를 제1방향과 반대인 제2방향으로 배치하며, 다수의 수신 안테나 중 일부를 제1방향으로, 나머지 수신안테나를 제2방향으로 배치하되, 송신신호를 송신하는 송신안테나와 물체로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 수신안테나를 적절하게 선택함으로써, 중/장거리 감지 및 근거리 감지 모두에서 수평 및 수직 방향으로의 각도 분해능을 향상시킬 수 있는 안테나 장치 등을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 다수의 송신안테나와 다수의 수신안테나 중 일부를 연직방향 중 하나인 제1방향으로 연장하도록 배치하여 제1송신 안테나 그룹 및 제1수신안테나 그룹으로 구성하고, 나머지 안테나들을 제1방향과 반대인 제2방향으로 연장하도록 배치하여 제2송신 안테나 그룹과 제2수신 안테나 그룹으로 구성하되, 송신신호를 송신하는 송신안테나 중 하나 이상과 반사신호를 수신하는 수신 안테나 중 하나 이상이 서로 상이한 그룹에 포함되도록 함으로써, 수직방향 물체 정보를 감지할 수 있는 안테나 장치 등을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 상기와 같은 구조를 이용하되, 근거리 감지모드와 중장거리 감지모드에서의 송신신호의 주파수대역과 신호파형의 형태를 상이하게 함으로써, 다른 레이더 장치와의 간섭을 피하면서도 중장거리 및 근거리 모두에서 대상체의 수평/수직 정보의 측정 해상도를 향상시킬 수 있는 레이더 장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 수직방향 중 제1방향으로 연장되는 제1송신안테나를 포함하는 제1송신 안테나 그룹과 상기 제1방향과 대향하는 제2방향으로 연장되되 상기 제1송신안테나와 제1수직거리만큼 이격된 제2송신안테나와 제3송신안테나를 포함하는 제2 송신안테나 그룹을 포함하는 송신안테나부와; 상기 제1방향으로 연장되는 제1수신안테나와 제2수신안테나를 포함하는 제1수신안테나 그룹과, 상기 제2방향으로 연장되되 제1수신안테나 그룹과 제2수직거리만큼 이격된 제3수신안테나와 제4수신안테나를 포함하는 제2수신안테나 그룹을 포함하는 수신안테나부와; 상기 제1송신안테나 그룹과 상기 제2송신안테나 그룹 중 하나 이상을 통하여 송신신호를 송신하고, 상기 수신안테나부를 통해 대상체에서 반사된 반사신호를 수신하는 송수신부와; 상기 제1수신안테나 그룹에 포함되는 수신안테나에서 수신된 반사신호와, 상기 제2수신안테나 그룹에 포함되는 수신안테나에서 수신된 반사신호를 기초로, 상기 대상체의 수직방향 정보를 획득하는 처리부를 포함하는 레이더 장치를 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은, 수직방향 중 제1방향으로 연장되는 제1송신안테나를 포함하는 제1송신 안테나 그룹과 상기 제1방향과 대향하는 제2방향으로 연장되되 상기 제1송신안테나와 제1수직거리만큼 이격된 제2송신안테나와 제3송신안테나를 포함하는 제2 송신안테나 그룹을 포함하는 송신안테나부와; 상기 제1방향으로 연장되는 제1수신안테나와 제2수신안테나를 포함하는 제1수신안테나 그룹과, 상기 제2방향으로 연장되되 제1수신안테나 그룹과 제2수직거리만큼 이격된 제3수신안테나와 제4수신안테나를 포함하는 제2수신안테나 그룹을 포함하는 수신안테나부와; 상기 제1송신안테나 그룹에 포함된 송신안테나와 상기 제2송신안테나 그룹에 포함된 송신안테나에서 시간분할 또는 코드분할로 구분된 송신신호를 송신하고, 상기 수신안테나부를 통해 대상체에서 반사된 반사신호를 수신하는 송수신부와; 상기 제1수신안테나 그룹 및 제2수신안테나 그룹에 포함되는 수신안테나 중 하나 이상에서 수신된 반사신호를 기초로, 상기 대상체의 수직방향 정보를 획득하는 처리부를 포함하는 레이더 장치를 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 수직방향 중 제1방향으로 연장되는 제1송신안테나를 포함하는 제1송신 안테나 그룹과 상기 제1방향과 대향하는 제2방향으로 연장되되 상기 제1송신안테나와 제1수직거리만큼 이격된 제2송신안테나와 제3송신안테나를 포함하는 제2 송신안테나 그룹을 포함하는 송신안테나부와; 상기 제1방향으로 연장되는 제1수신안테나와 제2수신안테나를 포함하는 제1수신안테나 그룹과, 상기 제2방향으로 연장되되 제1수신안테나 그룹과 제2수직거리만큼 이격된 제3수신안테나와 제4수신안테나를 포함하는 제2수신안테나 그룹을 포함하는 수신안테나부와; 중장거리 감지모드에서, 상기 제1송신안테나 그룹에 포함된 송신안테나와 상기 제2송신안테나 그룹에 포함된 송신안테나에서 시간분할 또는 코드분할로 구분된 송신신호를 송신하고, 상기 수신안테나부를 통해 대상체에서 반사된 반사신호를 수신하는 송수신부와; 중장거리 감지모드에서, 상기 제1수신안테나 그룹 및 제2수신안테나 그룹에 포함되는 모든 수신안테나에서 수신된 반사신호를 기초로, 중장거리 대상체의 수평방향 정보를 획득하는 처리부를 포함하는 레이더 장치를 제공한다.
아래에서 설명할 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 다수의 송신 안테나 중 일부를 지면에 수직한 제1방향으로 배치하고, 나머지 송신안테나를 제1방향과 반대인 제2방향으로 배치하며, 다수의 수신 안테나 중 일부를 제1방향으로, 나머지 수신안테나를 제2방향으로 배치하되, 송신신호를 송신하는 송신안테나와 물체로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 수신안테나를 적절하게 선택함으로써, 중/장거리 감지 및 근거리 감지 모두에서 수평 및 수직 방향으로의 각도 분해능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 다수의 송신안테나와 다수의 수신안테나 중 일부를 연직방향 중 하나인 제1방향으로 연장하도록 배치하여 제1송신 안테나 그룹 및 제1수신안테나 그룹으로 구성하고, 나머지 안테나들을 제1방향과 반대인 제2방향으로 연장하도록 배치하여 제2송신 안테나 그룹과 제2수신 안테나 그룹으로 구성하되, 송신신호를 송신하는 송신안테나 중 하나 이상과 반사신호를 수신하는 수신 안테나 중 하나 이상이 서로 상이한 그룹에 포함되도록 함으로써, 수직방향 물체 정보를 정밀하게 감지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전술한 안테나 구조에서, 송신신호를 송신하는 송신안테나와 물체로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 수신안테나를 적절하게 선택함으로써, 중/장거리 감지 및 근거리 감지 모두에서 대상체의 수평 및 수직 방향 정보를 획득할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 다중 안테나를 가지는 레이더장치의 일 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치에 대한 개략적인 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치에 포함된 안테나부에 포함된 복수 개의 송신 안테나 및 복수 개의 수신 안테나의 배열 구성의 제1예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치에 포함된 안테나부에 포함된 복수 개의 송신 안테나 및 복수 개의 수신 안테나의 배열 구성의 제2예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 의한 레이더 장치를 이용하여 수평(Azimuth)정보를 감지하기 위한 경우로서, 특히 중/장거리 감지 모드에서의 신호 타이밍도(도 5a)와, 그 경우의 송수신 안테나의 등가 상태도(도 5b)이다.
도 6은 본 발명의 제1예에 의한 안테나 구성에서의 수평정보 감지를 위한 경우로서, 근거리 감지 모드에서의 신호 타이밍도(도 6a)와, 그 경우의 송수신 안테나의 등가 상태도(도 6b)이다.
도 7은 본 발명에 의한 레이더장치를 이용하여 수직(Elevation)정보를 감지하는 제1실시예를 도시한다.
도 8은 본 발명에 의한 레이더장치를 이용하여 수직(Elevation)정보를 감지하는 제2실시예를 도시한다.
도 9는 본 발명에 의한 레이더장치를 이용하여 수직(Elevation)정보를 감지하는 제3실시예를 도시한다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치가 제공하는 신호 처리 방법에 대한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 레이더 장치에서, 중장거리 감지모드와 근거리 감지모드에서의 신호파형 및 주파수대역의 차이를 도시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 다중 안테나를 가지는 레이더장치의 일 예를 도시한다.
도 1a에 도시된 바와 같은 레이더 장치는 2개의 송신 안테나 TX0, TX1이 상부에 동일한 방향으로 배치되고, 4개의 수신안테나 RX0~RX3가 하부에 동일한 방향으로 배치되는 안테나 구조를 가진다.
신호 송신 시점에서는 제1스위칭부(SW1)에 의하여 하나의 송신안테나가 선택되어 송신신호를 송출한다.
물체로부터 반사된 수신 신호는 제2스위칭부(SW2)에 의하여 스위칭된 1개의 수신 안테나에서 수신된다.
신호처리부(DSP)는 수신된 반사신호를 증폭한 후 송신신호와 비교하여, 위상(Phase)의 변화, 크기(Magnitude)의 변화, 주파수 편이 등을 측정함으로써, 물체까지의 거리, 물체의 상대속도 등을 측정할 수 있다.
도 1a에서는 각 안테나가 1열의 어레이 안테나로 구성된다.
도 1b는 다른 형태의 다중 안테나 레이더 장치의 일 예로서, 1개의 송신안테나(TX0)와 다수의 수신안테나(RX0~RX2) 및 1개의 송수신 겸용 안테나(RX3/TX1)가 일정한 간격을 가지면서 배치되며, 각 안테나들은 동일한 방향으로 연장 형성된다.
이 상태에서 신호 송신 시점에서는 제1스위칭부(SW1)에 의하여 송신안테나 TX0와 송수신 겸용 안테나 RX3/TX1 중 하나의 송신안테나가 선택되어 송신신호를 송출한다.
물체로부터 반사된 수신신호는 다수의 수신안테나(RX0~RX2) 및 1개의 송수신 겸용 안테나(RX3/TX1) 중 제2스위칭부(SW2)에 의하여 선택된 1개의 수신 안테나에서 수신된다.
신호처리부(DSP)는 수신된 반사신호를 증폭한 후 송신신호와 비교하여, 위상(Phase)의 변화, 크기(Magnitude)의 변화, 주파수 편이 등을 측정함으로써, 물체까지의 거리, 물체의 상대속도 등을 측정할 수 있다.
도 1과 같은 안테나 구조를 가지는 레이더에서는 중/장거리 감지와 근거리 감지가 가능하다 하더라도, 2가지 감지 모두에서 충분한 해상도 또는 각도분해능을 보유하기 힘든 단점이 있다.
또한, 도 1a과 같은 안테나 구조에서는 다수의 송신안테나가 동일한 방향으로 연장되고, 다수의 수신안테나 역시 동일한 방향으로 연장되며, 도 1b의 경우에는 모든 송수신안테나가 동일한 방향으로 연장된다.
따라서, 이러한 안테나 구조에서는 물체의 수평방향 정보는 비교적 정확하게 감지할 수 있으나, 수직(Elevation) 방향 정보는 정밀하게 측정하기 어렵다는 단점이 있다.
즉, 도 1과 같은 안테나 구조에서는 수신안테나 RX0 내지 RX3 중 하나 이상이 반사신호를 수신하는데, 각 수신안테나가 송신안테나 TX0 또는 TX1에 대하여 수평방향으로는 다른 배열 특성을 가지므로 각 수신안테나가 수신하는 수신신호에 차이가 발생하여 그 차이를 분석하면 수평방향 정보는 비교적 정확하게 측정될 수 있다.
하지만, 각 수신안테나는 송신안테나 TX0 또는 TX1에 대하여 수직방향으로 동일한 배열 특성을 가져서 각 수신안테나가 수신하는 수신신호에 차이가 발생하지 않게 되며, 그 결과 물체의 수직방향 정보를 측정하는데 어려움이 있다는 것이다.
이에 본 발명의 일실시예에서는, 다수의 송신안테나를 수직방향으로 반대인 제1방향 및 제2방향으로 각각 연장되는 2개의 송신 안테나 그룹으로 구성하고, 마찬가지로 다수의 수신안테나를 제1방향 및 제2방향으로 각각 연장되는 2개의 수신 안테나 그룹으로 구성하는 안테나 장치를 제공하여, 물체의 수직방향 정보 검출 성능을 향상시키고자 한다.
또한, 상기와 같은 안테나 구조에서 신호를 송출하는 1 이상의 송신안테나를 적절히 선택하고, 다수의 수신안테나에서 수신되는 신호중 일부를 선택하여 신호 처리함으로써, 중/장거리 감지 및 근거리 감지 모두에서 물체의 수평방향 정보 및 수직방향의 정보의 측정 정밀도를 향상시키고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더(RADAR) 장치(100)에 대한 블록 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더(RADAR) 장치(100)는, 복수 개의 송신 안테나와 복수 개의 수신 안테나를 포함하는 안테나부(110)와, 안테나부(110)를 통해, 송신신호를 송신하고, 수신신호를 수신하는 송수신부(120) 등을 포함한다. 이러한 레이더 장치를 레이더 센서라고도 한다.
안테나부(110)는 연직방향 중 하나인 제1방향으로 연장되는 1 이상의 송신안테나로 구성되는 제1송신 안테나 그룹과, 제1방향에 반대되는 제2방향으로 연장되는 1 이상의 송신안테나로 구성되는 제2 송신 안테나 그룹을 포함하여 구성된다.
마찬가지로, 안테나부(110)에 포함되는 수신안테나부는 제1방향으로 연장되는 1 이상의 수신안테나로 구성되는 제1수신 안테나 그룹과, 제2방향으로 연장되는 1 이상의 수신안테나로 구성되는 제2 수신 안테나 그룹을 포함하여 구성된다.
이러한 안테나부(110)의 구체적인 구성에 대해서는 아래의 도 3 내지 도 4를 기초로 더 상세하게 설명한다.
송수신부(120)는, 아래의 도 2 이하에서 설명할 구조의 안테나부(110)에 포함되는 복수 개의 송신 안테나 중 1 개로 스위칭(Switching)하여 스위칭 된 송신 안테나를 통해 송신신호를 송신하거나 복수 개의 송신 안테나에 할당된 멀티 송신채널을 통해 송신신호를 송신하는 송신부와, 복수 개의 수신 안테나 중 한 개로 스위칭하여 스위칭 된 수신 안테나를 통해 송신된 송신신호가 타깃에 의해 반사된 반사신호인 수신신호를 수신하거나 복수 개의 수신 안테나에 할당된 멀티 수신채널을 통해 수신신호를 수신하는 수신부를 포함한다.
전술한 송수신부(120)에 포함된 송신부는, 스위칭 된 송신 안테나에 할당된 한 개의 송신채널 또는 복수 개의 송신 안테나에 할당된 멀티 송신채널에 대한 송신신호를 생성하는 발진부를 포함한다. 이러한 발진부는, 일 예로서, 전압 제어 발진기(VCO: Voltage-Controlled Oscillator) 및 오실레이터(Oscillator) 등을 포함할 수 있다.
전술한 송수신부(120)에 포함된 수신부는, 스위칭 된 수신 안테나에 할당된 한 개의 수신채널을 통해 수신되거나 복수 개의 송신 안테나에 할당된 티 수신채널을 통해 수신된 상기 수신신호를 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭부(LNA: Low Noise Amplifier)와, 저잡음 증폭된 수신신호를 믹싱하는 믹싱부(Mixer)와, 믹싱된 수신신호를 증폭하는 증폭부(Amplifier)와, 증폭된 수신신호를 디지털 변환하여 수신데이터를 생성하는 변환부(ADC: Analog Digital Converter) 등을 포함한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더(RADAR) 장치(100)는, 송신신호의 제어와 수신 데이터를 이용한 신호 처리를 수행하는 처리부(130)를 포함하는데, 이때, 처리부(130)는, 많은 연산량을 필요로 하는 신호 처리를 제 1 처리부와 제 2 처리부로 효율적으로 분배함으로써, 비용을 줄이고, 동시에 하드웨어 사이즈를 축소할 수 있도록 한다.
이러한 처리부(130)에 포함된 제 1 처리부는, 제 2 처리부를 위한 전 처리부(Pre-Processor)로서, 송신데이터 및 수신데이터를 획득하여, 획득된 송신데이터에 근거한 발진부에서의 송신신호의 생성을 제어하고, 송신데이터 및 수신데이터를 동기화하며, 송신데이터 및 수신데이터를 주파수 변환할 수 있다.
제 2 처리부는, 제 1 처리부의 처리 결과를 이용하여 실질적 처리를 수행하는 후 처리부(Post-Processor)로서, 제 1 처리부에서 주파수 변환된 수신데이터를 토대로 CFAR(Constant False Alarm Rate) 연산, 트래킹(Tracking) 연산 및 타깃 선택(Target Selection) 연산 등을 수행하고, 타깃에 대한 각도정보, 속도정보 및 거리정보를 추출할 수 있다.
전술한 제 1 처리부는, 획득된 송신데이터 및 획득된 수신데이터를 한 주기당 처리 가능한 단위 샘플 사이즈로 데이터 버퍼링 한 이후, 주파수 변환을 수행할 수 있다. 전술한 제 1 처리부에서 수행하는 주파수 변환은, 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform) 등과 같은 푸리에 변환을 이용할 수 있다.
전술한 제 2 처리부는, 제1처리부에서 이루어진 제1푸리에 변환(FFT)된 신호에 대하여 제2푸리에 변환을 할 수 있으며, 제2푸리에 변환은, 일 예로서, 이산 푸리에 변환(DFT: Discrete Fourier Transform, 이하 "DFT"라 칭함)일 수 있다. 또한, DFT 중에서도, 첩-이산 푸리에 변환(Chirp-DFT)일 수 있다.
제2처리부는 Chirp-DFT 등의 제2푸리에 변환을 통해, 제2푸리에 변환 길이(K)에 해당하는 개수만큼의 주파수 값을 획득하고, 획득된 주파수 값을 토대로 각 첩(Chirp) 주기 동안 가장 큰 파워를 갖는 비트 주파수를 계산하고, 계산된 비트 주파수에 근거하여 물체의 속도 정보 및 거리 정보를 획득함으로써 물체를 탐지할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 레이더 장치에 포함되는 도 3 및 도 4와 같은 안테나부 구조를 가지되, 송수신부(120) 및 처리부(130)는 중장거리 감지모드 및 근거리 감지모드에서 대상체의 수직방향 정보 및 수평방향 정보를 획득하기 위하여 일정한 신호 송수신방식과 그를 이용한 정보 획득 방식을 구현할 수 있어야 하며, 이에 대해서는 아래에서 도 5 내지 도 9를 참고로 더 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)에 포함된 안테나부(110)는, 복수 개의 송신 안테나 및 복수 개의 수신 안테나를 포함하며, 그 배열 순서 및 배열 간격 등에 따라 여러 형태의 안테나 배열 구조를 가질 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 의한 레이더장치의 안테나부(110)는 다수의 송신안테나와 다수의 수신 안테나를 포함하되, 다수의 송신안테나와 다수의 수신안테나 중 일부를 연직방향 중 하나인 제1방향으로 연장하도록 배치하여 제1송신 안테나 그룹 및 제1수신안테나 그룹으로 구성하고, 나머지 안테나들을 제1방향과 반대인 제2방향으로 연장하도록 배치하여 제2송신 안테나 그룹과 제2수신 안테나 그룹으로 구성한다.
이와 같이 구성된 안테나부를 이용하여 물체를 감지함에 있어서, 물체의 수직방향 정보를 감지하기 위하여, 신호처리에 사용되는 송신안테나 중 하나 이상과 수신 안테나 중 하나 이상이 서로 상이한 그룹에 포함되도록 한다.
본 실시예에서 송신안테나 및 수신안테나 각각은 다수의 송/수신 엘리먼트가 전송선에 의하여 직렬로 연결된 어레이 안테나일 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.
다만, 본 발명에 사용되는 안테나 각각은 일정한 방향성을 가지도록 연장되며, 이 때의 연장방향은 신호처리부(130)에 연결되는 전송포트를 기준으로 안테나가 연장되는 방향을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치에 포함된 안테나부에 포함된 복수 개의 송신 안테나 및 복수 개의 수신 안테나의 배열 구성의 제1예를 도시한다.
편의상 이하의 본 명세서에서는 연직방향 중 상부 방향을 제1방향으로, 연직방향중 하부 방향을 제2방향으로 정의한다.
도 3의 제1예에 의한 안테나 구조에서는, 연직방향 중 상부 방향인 제1방향으로 연장되는 제1송신안테나 TX1와 연직방향 중 하부 방향인 제2방향으로 연장되는 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3을 포함한다.
즉, 1개의 제1송신안테나 TX1이 제1송신안테나 그룹을 구성하고, 2개의 송신안테나인 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3가 제2송신 안테나 그룹을 구성한다.
또한, 제1송신안테나 TX1는 총 n개의 어레이 안테나가 병렬로 배치된 형태일 수 있으며 도 3의 제1예에서는 n이 8이다.
각 어레이 안테나는 전송라인에 의하여 연결되는 다수의 엘리먼트 또는 패치로 구성되며, 신호처리부를 포함하는 칩(310)에 연결되는 급전포트 320를 출발지점으로 하여 연장되는 방향이 결정된다.
즉, 제1송신안테나 TX1에 포함되는 8개의 어레이 안테나는 연직방향 중 상부 방향인 제1방향으로 연장된다.
제2송신 안테나 그룹에 포함되는 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3는 각각 병렬로 배치된 m개의 어레이 안테나로 구성될 수 있으며, 도 3의 제1예에서는 m이 4이다.
제2송신안테나 TX2를 구성하는 4개의 어레이 안테나는 급전포트 330으로부터 연직방향 중 하부방향인 제2방향으로 연장되며, 제3송신안테나 TX3를 구성하는 4개의 어레이 안테나는 급전포트 340으로부터 연직방향 중 하부방향인 제2방향으로 연장된다.
한편 도 3의 제1예에 의한 안테나 장치는 수신안테나로서 연직방향 중 상부 방향인 제1방향으로 연장되는 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2와, 연직방향 중 하부 방향인 제2방향으로 연장되는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4를 포함한다.
즉, 2개의 수신안테나인 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2가 제1수신안테나 그룹을 구성하고, 2개의 수신안테나인 제3송신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4가 제2수신 안테나 그룹을 구성한다.
또한, 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2 각각은 전술한 제2송신안테나 TX2 또는 제3송신안테나 TX3과 같이 총 m개의 어레이 안테나로 구성될 수 있으며, 도 3의 제1예에서는 m이 4이다.
즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2 각각은 총 4개의 어레이 안테나가 병렬로 연결되며, 한쌍의 어레이 안테나가 2개 병렬로 배치되는 구조일 수 있다.
제1수신안테나 RX1을 구성하는 4개의 어레이 안테나는 급전포트 350으로부터 연직방향 중 상부방향인 제1방향으로 연장되며, 제2수신안테나 RX2을 구성하는 4개의 어레이 안테나는 급전포트 360으로부터 연직방향 중 상부방향인 제1방향으로 연장된다.
또한, 후술할 바와 같이 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2는 수평방향으로 일정거리, 더 구체적으로는 제1송신안테나 그룹과 제2송신안테나 그룹 사이의 수평거리 A의 4배만큼 이격되어 있다.
한편, 제2수신안테나 그룹을 구성하는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 각각은 k개의 어레이 안테나로 구성될 수 있으며, 도 3의 제1예에서는 k가 2이다.
즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 각각은 2개의 어레이 안테나가 병렬로 연결되며, 제3수신안테나 RX3을 구성하는 2개의 어레이 안테나는 급전포트 370으로부터 연직방향 중 하부방향인 제2방향으로 연장되며, 제4수신안테나 RX4을 구성하는 2개의 어레이 안테나는 급전포트 380으로부터 연직방향 중 하부방향인 제2방향으로 연장된다.
한편, 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4는 수평방향으로 일정한 수평거리 B만큼 이격되어 있으며, 이 때 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 사이의 수평거리 B는 제2송신안테나 그룹을 구성하는 제2송신안테나 TX2와 제3송신안테나 TX3 사이의 수평거리의 1/2일 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 안테나 장치를 구성하는 각 송신안테나 및 수신안테나들은 일정한 배치간격을 가질 수 있으며, 이에 대하여 아래에서 상세하게 설명한다.
우선, 제1송신안테나 그룹(제1송신안테나 TX1)은 제2송신안테나 그룹(즉, 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3)로부터 수직방향으로 제1수직거리 D만큼 이격된다. 더 구체적으로 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1송신안테나, TX1의 수직중심 위치와 제2송신안테나 TX2(또는 제3송신안테나 TX3)의 수직중심 위치가 제1수직거리 D만큼 이격되어 있다.
마찬가지로, 제1수신안테나 그룹(즉, 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2)은 제2수신안테나 그룹(즉, 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4)로부터 수직방향으로 제2수직거리 D'만큼 이격된다. 더 구체적으로 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1수신안테나 RX1(또는 제2수신안테나 RX2)의 수직중심 위치와 제3수신안테나 RX3(또는 제4수신안테나 RX4)의 수직중심 위치가 제2수직거리 D'만큼 이격되어 있다.
즉, 송신안테나 및 수신안테나 모두에서 서로 반대방향으로 연장되는 안테나 그룹들은 상대방으로부터 수직방향으로 제1수직거리 D 또는 제2수직거리 D'만큼 이격되어 배치되는 것이다.
이 때, 제1수직거리 D와 제2수직거리 D'는 동일할 수 있으나 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
아래의 명세서에서는 제1수직거리 D와 제2수직거리 D'가 동일한 예를 설명하며, 제1수직거리 D와 제2수직거리 D'를 통칭하여 수직거리로 표현한다.
후술할 바와 같이, 이러한 수직방향 배치를 통하여 물체의 수직방향(Elevation) 정보를 정밀하게 측정할 수 있게 된다.
이 때 수직거리 D는 송신신호의 주파수나 물체의 수직방향 정보의 측정 정밀도 등을 고려하여 결정될 수 있다.
또한, 제1송신안테나 그룹(제1송신안테나 TX1)은 제2송신안테나 그룹(즉, 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3의 중점)로부터 수평방향으로 수평거리 A만큼 이격된다. 더 구체적으로 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1송신안테나 TX1의 수평중앙점(Ph1)이 제2송신안테나 TX2와 제3송신안테나 TX3의 가운데 지점(Ph2)으로부터 수평거리 A만큼 이격되어 있다.
한편, 제1송신안테나 그룹과 제2송신안테나 그룹 사이의 수평거리 A는 후술할 바와 같이, 다수의 수신안테나 사이의 간격 또는 제2송신안테나 그룹을 형성하는 제2송신안테나 TX2와 제3송신안테나 TX3 사이의 거리와 일정한 관련성을 가진다.
더 구체적으로는, 제2수신안테나 그룹에 포함되는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 사이의 수평거리를 B라 할 때, 제2송신안테나 그룹에 포함되는 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3 사이의 수평거리는 2B가 될 수 있다.
또한, 제1송신안테나 그룹과 제2송신안테나 그룹 사이의 수평거리인 A는 2B 이상이 될 수 있고, 제1수신안테나 그룹을 구성하는 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2는 각각 제2수신안테나 그룹(즉, 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4의 가운데 지점)으로부터 좌우로 수평거리는 2A만큼 이격된다.
결과적으로, 제1수신안테나 그룹을 구성하는 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2 사이는 수평거리 4A를 이룬다.
한편, 제2수신안테나 그룹을 구성하는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 사이의 수평거리 B는 레이더에 사용되는 송신신호의 파장(λ)보다 작을 수 있다.
이와 같이, 제2수신안테나 그룹을 구성하는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 사이의 수평거리 B를 송수신신호의 파장(λ)보다 작게 함으로써, 근거리 모드에서 일정 이상의 감지각도를 유지할 수 있는 효과가 있다.
일반적으로 송신안테나의 전체적인 안테나 개구(Antenna Aperture) 면적이 클수록 좁은 각도범위를 가지는 샤프(Sharp)한 빔의 송출이 가능하고 수신안테나의 안테나 개구면적이 클수록 좁은 각도범위에서의 신호를 수신할 수 있다.
한편, 일정한 안테나 개구면적에 배치되는 안테나의 개수들이 증가할수록 감지 성능, 즉 해상도 또는 각도분해능은 향상된다.
즉, 일정한 안테나 개구를 조건으로, 1회의 감지 싸이클 내에서 신호를 송출하는 다수의 송신안테나 사이의 간격 또는 반사신호를 수신하는 다수의 수신안테나 사이의 간격이 조밀할수록, 즉 1회의 감지 싸이클 내에서 신호를 송출하는 다수의 송신안테나의 개수 또는 반사신호를 수신하는 다수의 수신안테나 사이의 개수가 많을수록 해상도 또는 각도분해능은 증가하므로, 더 정밀한 측정이 가능하다.
따라서, 아래에서 후술할 바와 같이, 근거리 감지 모드에서 사용되는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 사이의 수평거리 B를 송수신신호의 파장(λ)보다 작게 함으로써, 근거리 모드에서 요구되는 일정 이상의 감지각도를 확보할 수 있게 된다.
또한, 후술할 바와 같이 근거리 감지모드에서, 서로 수평거리 2B만큼 이격된 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3를 이용함으로써, 2개의 가상 수신안테나(Virtual RX Antenna)를 통한 개구확장 효과를 발생시켜 물체의 수평방향 감지 해상도를 향상시킬 수 있다.
또한, 제1송신안테나 그룹과 제2송신안테나 그룹 사이의 수평거리 A는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 사이의 수평거리 B의 2배보다 크게 형성함으로써, 송신 신호의 빔폭(Beam Width)를 조절할 수 있다.
즉, 제1송신안테나 그룹과 제2송신안테나 그룹 사이의 수평거리 A는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 사이의 수평거리 B의 2배와 동일해지면 송신빔의 폭이 작아져서 송신빔이 너무 샤프(Sharp)해 진다. 따라서, 위와 같이 제1송신안테나 그룹과 제2송신안테나 그룹 사이의 수평거리 A는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 사이의 수평거리 B의 2배보다 크게 형성하여 송신 신호의 빔폭(Beam Width)이 일정 범위 이상이 되도록 하는 것이다.
본 발명의 실시예의 안테나 장치에서는, 제1송신안테나 TX1가 총n개의 어레이 안테나로 구성되고, 제2송신안테나 TX2, 제3송신안테나 TX3, 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2는 각각 m개의 어레이 안테나로 구성되고, 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4는 각각 k개의 어레이 안테나로 구성된다.
이 때, k, m, n 사이에는 아래 수학식 1과 같은 관계가 성립한다.
[수학식 1]
n=2m=4k
즉, 제1송신안테나 TX1의 어레이 안테나의 개수 n은 제2송신안테나 TX2, 제3송신안테나 TX3, 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2 중 하나의 어레이 안테나 개수인 m보다 2배이고, 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 중 하나의 어레이 안테나 개수인 k보다 4배 크게 구성된다.
이러한 구성을 함으로써, 아래에서 설명할 바와 같이, 중/장거리 및 근거리 감지 모드에서 균일한 가상 수신 안테나의 구성이 가능해지고, 그에 따라 2가지 감지 모드에서 수평방향 감지 성능을 동시에 향상시킬 수 있다.
또한, 상기와 같은 안테나 배열 구성을 가짐으로써, 안테나의 성능에 나쁜 영향을 주는 그래이팅 로브(Grating lobe)를 메인 빔 또는 메인 로브의 위치로부터 멀게 형성시킴으로써, 양 감지 모드 모두에서 수평방향 감지 해상도 또는 수평 분해능을 향상시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치에 포함된 안테나부에 포함된 복수 개의 송신 안테나 및 복수 개의 수신 안테나의 배열 구성의 제2예를 도시한다.
도 4에 의한 레이더 장치에 포함되는 안테나부의 구성은 기본적으로 도 3의 제1예와 동일하며, 다만 각 송신안테나 및 수신안테나를 구성하는 어레이 안테나의 개수만 상이하다.
세부적으로, 도 3의 제1예에서는 제1송신안테나 TX1가 총8개의 어레이 안테나로 구성되고, 제2송신안테나 TX2, 제3송신안테나 TX3, 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2는 각각 4개의 어레이 안테나로 구성되고, 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4는 각각 2개의 어레이 안테나로 구성된 반면, 도 4의 제2예에서는 각 송신안테나 및 수신안테나를 구성하는 어레이 안테나 개수가 그 절반으로 구성된다.
도 4의 제2예에서는 제1송신안테나 TX1가 총4개의 어레이 안테나로 구성되고, 제2송신안테나 TX2, 제3송신안테나 TX3, 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2는 각각 2개의 어레이 안테나로 구성되며, 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4는 각각 1개의 어레이 안테나로 구성된다.
또한, 도 4의 제2실시예에서도, 제1송신안테나 그룹(TX1) 및 제2송신안테나 그룹(TX2, TX3) 사이의 수직거리와, 제1수신안테나 그룹(RX1, RX2) 및 제2수신안테나 그룹(TX3, TX4) 사이의 수직거리는 도 3의 실시예와 마찬가지로 D로 설정된다.
또한, 도 4의 실시예에서도 제1송신안테나 그룹(TX1) 및 제2송신안테나 그룹(TX2, TX3) 사이의 수평거리는 A'는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 사이의 수평거리를 B'의 2배 이상으로 설정되며, 제1수신안테나 그룹을 구성하는 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2 사이는 수평거리는 4A'로 결정될 수 있다.
그러나, 도 4의 실시예에서는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 사이의 수평거리 B'가 송신신호의 파장(λ)의 절반보다 작아야 한다.
즉, 근거리 감지모드에서의 감지 각도를 크게 하기 위하여, 2 어레이 안테나를 기본 어레이 안테나 단위로 사용하는 도 3의 제1예에서는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 사이의 수평거리를 B가 송신신호 파장(λ)보다 작도록 하지만, 도 4와 같이 1 어레이 안테나를 기본 어레이 안테나 단위로 사용하게 되면 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4 사이의 수평거리를 B'가 λ/2 이하로 설정함으로써 근거리 감지각도를 크게 할 수 있다.
상기와 같은 안테나 구성을 이용하면, 아래에서 설명할 바와 같이, 수직방향으로 이격된 제1송신안테나 그룹과 제2송신안테나 그룹 중 하나 이상에서 신호를 송신하고, 수직방향으로 이격된 제1수신안테나 그룹 및 제2수신안테나 그룹 중 하나 이상에서 수신된 수신신호를 처리함으로써, 대상체의 높이 등과 같은 수직정보를 획득할 수 있다.
마찬가지로, 제1송신안테나 그룹과 제2송신안테나 그룹 중 하나 이상에서 신호를 송신하고, 수직방향으로 이격된 제1수신안테나 그룹 및 제2수신안테나 그룹 중 하나 이상에서 수신된 수신신호를 처리함으로써, 근거리 감지모드 및 중장거리 감지모드 모두에서 대상체의 수평정보를 정밀하게 획득할 수 있다.
즉, 아래에서 설명할 바와 같이, 감지모드에 따라서 레이더 신호를 송신할 송신안테나와 대상체의 수직/수평정보 획득을 위한 수신안테나를 적절히 선택함으로써, 중장거리 모드와 근거리 모드 모두에서 대상체의 수평정보뿐 아니라 수직정보까지 정밀하게 획득할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명에 의한 레이더 장치를 이용하여 수평(Azimuth)정보를 감지하기 위한 경우로서, 특히 중/장거리 감지 모드에서의 신호 타이밍도(도 5a)와, 그 경우의 송수신 안테나의 등가 상태도(도 5b)이다.
본 발명에 의한 레이더로 중장거리에 있는 대상체의 수평정보를 측정하기 위해서, 송신모드에서는 제1송신안테나 그룹에 포함되는 송신안테나(제1송신안테나 TX1)와 제2송신안테나 그룹에 포함되는 송신안테나(제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3)를 모두 이용하되, 2개 그룹의 송신안테나에서 시간분할 또는 코드분할로 송신신호를 송출한다.
한편, 대상체에서 반사된 신호를 수신하는 수신 모드에서는 제1/2수신안테나 그룹에 포함되는 모든 수신안테나, 즉 제1수신안테나 RX1 내지 제4수신안테나 RX4 모두에서 수신된 정보를 이용하여 중장거리 대상체의 수평정보를 획득하되, 이 때 제2수신안테나 그룹에 포함되는 제3수신안테나 RX3과 제4수신안테나 RX4에서 수신된 신호는 합성하여 하나의 채널로 사용한다.
이하의 본 명세서에서는 제1/2송신안테나 그룹에 포함되는 총 3개의 송신안테나(TX1, TX2, TX3)를 각각 송신채널로 표현하고, 제1/2수신안테나 그룹에 포함되는 총 4개의 수신안테나(RX1, RX2, RX3, RX4) 각각을 수신채널로 표현할 수도 있다.
따라서, 본 발명에 의한 레이더장치는 중장거리 감지모드에서 수평정보 획득을 위하여, 3개의 송신채널 및 4개의 수신채널을 모두 사용하되, 송신모드에서는 3개의 송신채널 중 제2송신안테나 그룹에 포함되는 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3과, 제1방향으로 연장되는 제1송신안테나 그룹 내의 제1송신안테나(TX1)에서 송신신호를 시간분할 또는 코드분할로 구분하여 송신하고, 수신모드에서는 4개의 수신채널로 수신된 정보를 모두 사용한다.
도 5a는 이러한 중장거리 감지모드에서의 송수신 신호 타이밍도로서, 시간분할 및 코드분할 중에서 시간분할 방식의 경우를 도시한다.
도 5a와 같이, 1회의 감지주기(0~T)를 시분할하여 첫번째 T/2 주기동안에는 제1송신안테나 TX1가 ON되어 송신신호를 송신하고, 이어지는 T/2 주기동안에는 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3가 ON되어 송신신호를 방출한다.
한편, 동일한 감지주기 동안 4개의 수신안테나 RX1~RX4는 모두 신호를 수신하며, 전술한 처리부(130)에서는 4개 채널로 수신된 수신신호를 분석하여 중장거리에 있는 대상체의 수평정보(폭 등)를 획득하게 된다.
다른 방식으로 설명하면, 중장거리 감지모드에서의 수평정보 획득을 위해서는, 송신모드에서 제2송신안테나 그룹에 포함되는 2개의 송신채널을 하나로 묶어 제1송신안테나 그룹에 포함되는 1개의 송신채널과 시간분할 또는 코드분할로 신호를 송신하고, 수신모드에서는 제2수신안테나 그룹에 포함되는 2개의 수신채널(RX3, RX4)을 하나로 합성하여 총 3개의 수신채널로 신호를 수신한다.
도 5b는 도 5a와 같은 중장거리 감지모드에서의 송수신 안테나의 등가 상태도를 도시한다.
도 5b의 등가 상태도는 시간분할 또는 코드분할 송신되는 2개의 송신안테나 채널을 하나로 고정하는 경우, 수신안테나의 배열상태를 표시하는 것으로서, 레이더 장치의 개구(Aperature) 정도를 확인할 수 있다.
도 5a와 같은 중장거리 감지모드에서의 신호 송수신이 이루어지는 경우 대상체의 수평정보는 제1/2안테나 그룹의 수직방향 이격여부에 영향을 받지 않으므로, 도 5b에서는 제1송신안테나 TX1의 위치를 기준위치로 가정한다.
이 때, 제1송신안테나 TX1과 제2송신안테나 그룹은 수평방향 A만큼 이격되어 있기 때문에, 제1송신안테나 TX1에서 신호가 송신되고 바로 이어서 제2송신 안테나 그룹에 포함되는 제2송신안테나 TX2, 제3송신안테나 TX3에서 신호가 동일한 송신되면, 그를 기초로 대상체에서 반사되는 반사신호를 수신하는 수신안테나 입장에서는 동일한 반사신호가 공간적으로 수평방향으로 A만큼 시프트되어 수신되는 것과 동일한 효과를 가진다.
이 때, 실제 존재하는 수신안테나와 구별되는 개념으로, 송신안테나 등의 수평 이격에 의하여 가상적으로 존재하는 수신안테나를 가상 수신안테나로 표현할 수 있다.
도 5b에서 제1송신안테나 TX1을 기준으로 볼 때, 수신단의 수신안테나 중에서 제1수신안테나 RX1, 제2수신안테나 RX2, 제3수신안테나 RX3, 제4수신안테나 RX4는 진성 수신 안테나(Real Antenna)가 된다.
한편, 도 5는 수평방향 정보 획득를 위한 경우이어서 송/수신 안테나들의 수직방향 이격은 무시되어도 좋으므로 편의상 동일한 방향으로 연장되는 것으로 가정하여 도시한다. 즉, 실제로는 제2수신안테나 그룹에 포함되는 제3수신안테나 RX3와 제4수신안테나 RX4는 제1수신안테나 그룹의 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 연장되지만, 수평정보 획득을 위한 경우이므로 수직방향 이격 및 연장방향을 무시하고 동일한 제1방향으로 연장하는 것으로 가정한다.
또한, 수신모드에서 제2수신안테나 그룹에 포함되는 제3수신안테나 Rx3과 제4수신안테나 RX4는 하나의 신호로 합성되므로 1개 채널로 표현할 수 있다.
결과적으로, 도 5b와 같이 수평거리 2A만큼 이격된 총 3개 채널의 진성 수신 안테나인 제1진성 수신안테나 RRX1, 제2진성 수신안테나 RRX2, 제3진성 수신안테나 RRX3가 형성된다.
이 때, 가운데 배치되는 제2 진성 수신안테나 RRX2는 제2수신안테나 그룹에 포함되는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4의 합성 안테나에 대응된다.
제1송신안테나 TX1을 기준으로 볼 때, 제2송신안테나 그룹은 제1송신안테나 그룹으로부터 수평방향으로 A만큼 이격되어 있기 때문에, 제2송신안테나 그룹에서 송신되는 신호를 수신하는 수신안테나는 실제 위치보다 수평방향으로 A만큼 시프트된 위치에 있는 것과 동일한 효과를 가지며, 이렇게 시프트된 위치에 생성되는 수신안테나를 가상 수신 안테나(Virtual RX Antenna)로 표현할 수 있다.
즉, 도 5b에서 진성 수신안테나로부터 A만큼 이격된 위치에 총 3개의 가상 수신 안테나인 제1가상 수신 안테나 VRX1, 제2가상 수신 안테나 VRX2 및 제3가상 수신 안테나 VRX3가 생성된다.
결과적으로, 수신단에서는 총 3개 채널의 진성 수신안테나와 3개 채널의 가상 수신안테나가 형성된다.
한편, 전술한 바와 같이, 제2수신안테나 그룹의 중심(즉, 제3수신안테나 RX3와 제4수신안테나 RX4의 중간 지점)은 제1수신안테나 RX1 및 제2수신안테나 RX2와 각각 수평거리 2A만큼 이격되어 있고, 가상 수신안테나는 진성 수신안테나로부터 수평거리 A만큼 시프트되기 때문에, 결과적으로 도 5b와 같이 총 6개 채널의 수신안테나들은 인접한 수신안테나와 동일한 거리 A만큼 이격되도록 배치된다.
또한, 수신단의 전체 개구, 즉 수신단의 일측 단부에 배치되는 제1 진성 수신안테나 RRX1과 타측 단부에 배치되는 제3 가상 수신안테나 VRX3 사이의 수평거리는 5A가 된다.
따라서, 본 발명과 같은 레이더 장치를 이용하면 수신단의 전체 개구가 4A에서 5A로 확장되고, 각 수신안테나 사이의 간격을 좁힘으로써, 중장거리 감지모드에서 수평방향 정보에 대한 분해능 또는 해상도를 향상시킬 수 있게 된다.
일반적으로, 레이더 장치는, 복수의 수신 안테나를 통해 수신된 수신 신호를 이용하여 물체까지의 거리, 물체의 속도 및 방위를 검출하는 물체 검출 기능을 수행하는데, 이때, 물체 검출의 정확도를 높이기 위해(즉, 해상도를 높이기 위해), 수신 안테나 간격을 넓히는 "확장된 개구(Aperture) 구조"의 안테나 구조를 갖는 것이 바람직하다.
즉, 수신안테나의 일단과 타단 사이의 거리가 개구가 되는데, 이러한 수신안테나 개구를 크게 하여 확장 개구 성능을 가지도록 하는 것은 레이더 장치의 매우 중요한 성능 요소 중 하나이다.
이와 같이, 확장 개구 구조의 안테나 구조를 가짐으로써, 수신단에서의 그래이팅 로브(Grating Lobe)가 발생하는 위치가 메인 빔(Main Beam)이 위치하는 센터 위치로 더 가까워지게 된다. 따라서,
본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치는, 그래이팅 로브(Grating Lobe)가 발생하는 위치가 메인 빔(Main Beam)이 위치하는 센터 위치에서 멀어지도록, 즉, 그래이팅 로브(Gragting Lobe)를 억제하도록 "가상 개구 구조" 또는 "가상 안테나(Virtuial Antenna) 구조"를 제공하는 것이다.
이와 같이, 가상 안테나 구조를 가지기 위하여, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)는, 복수의 가상 수신 안테나가 형성되도록 제어하는 가상 수신 안테나 형성부(140)를 더 포함할 수 있다.
가상 수신 안테나 형성부(140)는, 전술한 바와 같이, 실제의 수신 안테나가 수신한 신호를 기준으로, 수신 안테나 간격에 따라 결정될 수 있는 소정의 위상차이를 갖는 신호를 만들어내는 신호처리를 수행할 수 있다.
즉, 가상 수신 안테나 형성부(140)는, 실제의 수신 안테나가 배치되지 않은 위치에 가상으로 배치된 가상 수신 안테나를 통해 신호가 수신된 것처럼, 가상의 신호(실제로 수신된 신호를 기준으로 위상차이를 발생시킨 신호)를 만들어내는 신호 처리를 수행하는 것이다.
본 명세서에서, "가상 수신 안테나가 형성된다는 것"은, "실제로 수신되지 않은 수신 신호가 만들어진다는 것"과 동일한 의미일 수 있다. 이러한 의미에서 볼 때, 가상 수신 안테나의 배치 구조(간격, 개수 등)는, 실제로 수신되지 않은 수신 신호가 만들어지는 구조(간격, 개수 등)와 동일한 의미일 수 있다.
가상 수신 안테나 형성부(140)에 의해, 수신 단에는, 복수의 수신 안테나가 실제로 존재할 뿐만 아니라, 복수의 가상 수신 안테나가 가상으로 존재하는 수신단 안테나 구조를 가질 수 있다.
이와 같이, 수신단에 복수의 가상 수신 안테나가 가상으로 더 존재하는 안테나 구조를 "가상 개구 구조를 갖는 안테나 구조"라고 표현할 수도 있다.
이상과 같이 중장거리 감지모드에서의 수평방향 정보 획득을 위하여, 본 발명에 의한 레이더 장치의 신호 송수신부(120)는 중장거리 감지모드에서, 제1송신안테나 그룹에 포함된 제1송신안테나 TX1와, 제2송신안테나 그룹에 포함된 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3에서 시간분할 또는 코드분할로 구분된 송신신호를 송신하고, 수신안테나부에 포함된 모든 수신안테나를 통해 대상체에서 반사된 반사신호를 수신하여야 하며, 처리부(130)는 모든 수신안테나에서 수신된 반사신호를 기초로, 중장거리 대상체의 수평방향 정보를 획득하게 된다.
이상과 같이, 본 발명에 의한 레이더 장치는 도 3 및 도 4와 같은 안테나 배열구조를 가지면서, 중장거리 감지모드에서 도 5a와 같은 신호 송수신 구성을 가짐으로써, 확장 개구 성능을 확보하여 중장거리 대상체의 수평정보를 정밀하게 측정할 수 있다.
도 6은 본 발명에 의한 레이더 장치를 이용하여 수평(Azimuth)정보를 감지하기 위한 경우로서, 그중에서도 근거리 감지 모드에서의 신호 타이밍도(도 6a)와, 그 경우의 송수신 안테나의 등가 상태도(도 6b)이다.
근거리 대상체의 수평정보를 획득하기 위하여, 본 발명에 의한 레이더 장치의 송수신부(120)는 도 3 및 도 4의 안테나 구조 중에서 제2송신안테나 그룹에 포함되는 제2송신안테나 TX2와 제3송신안테나 TX3에서 시간분할 또는 코드분할로 송신신호를 송신한다.
또한, 수신단에서는 제2수신안테나 그룹에 포함되는 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4에서 수신한 신호를 기초로 근거리 물체의 수평방향 정보를 연산한다.
즉, 본 발명의 레이더 장치는 근거리 감지모드에서 제2방향으로 연장 형성된 제2송신안테나 그룹에 속하는 2개의 송신안테나(TX2, TX3)를 시간분할 또는 코드분할하여 송신신호를 송출하고, 역시 제2방향으로 연장된 제2수신안테나 그룹에 포함되는 2개의 수신안테나(RX3, RX4)에서 수신된 신호를 기초로 근거리 대상체의 수평방향 정보를 획득하는 것이다.
물론, 이러한 근거리 감지모드에서도 수신단의 모든 수신안테나가 대상체로서의 반사신호를 수신할 수 있으며, 근거리 대상체의 수평정보 획득을 위해서는 4개 채널의 수신안테나 중에서 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4에서 수신된 수신신호만을 이용할 수 있다.
도 6a는 이러한 근거리 감지모드에서의 송수신 신호 타이밍도로서, 시간분할 및 코드분할 중에서 시간분할 방식의 경우를 도시한다.
도 6a와 같이, 1회의 감지주기(0~T)를 시분할하여 첫번째 T/2 주기동안에는 제2송신안테나 그룹에 포함된 제2송신안테나 TX2가 ON되어 송신신호를 송신하고, 이어지는 T/2 주기동안에는 제3송신안테나 TX3가 ON되어 송신신호를 방출한다.
한편, 수신단에서는 동일한 감지주기 동안 제2수신안테나 그룹에 포함된 2개의 수신안테나인 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4가 신호를 수신하며, 전술한 처리부(130)에서는 2개 채널로 수신된 수신신호를 분석하여 근거리에 있는 대상체의 수평정보(폭 등)를 획득하게 된다.
다른 방식으로 설명하면, 근거리 감지모드에서의 수평정보 획득을 위해서는, 송신모드에서 제2송신안테나 그룹에 포함되는 2개의 송신채널을 시간분할 또는 코드분할로 분할하여 송신신호를 송출하고, 수신모드에서는 제2수신안테나 그룹에 포함되는 2개의 수신채널(RX3, RX4)로 신호를 수신한다.
도 6b는 도 6a와 같은 근거리 감지모드에서의 송수신 안테나의 등가 상태도를 도시한다.
도 5b의 등가 상태도와 유사하게, 제2송신안테나 TX2의 위치를 기준위치로 가정한다.
이 때, 시간분할되어 신호를 송신하는 제2송신안테나 TX2과 제3송신안테나 TX3은 수평방향으로 2B만큼 이격되어 있기 때문에, 제2송신안테나 TX2에서 신호가 송신되고 바로 이어서 제3송신안테나 TX3에서 신호가 동일한 송신되면, 그를 기초로 대상체에서 반사되는 반사신호를 수신하는 수신안테나 입장에서는 동일한 반사신호가 공간적으로 수평방향으로 2B만큼 시프트되어 수신되는 것과 동일한 효과를 가진다.
따라서, 도 6b에 도시한 바와 같이, 제2송신안테나 TX2을 기준으로 볼 때, 수신단의 수신안테나 중에서 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4는 진성 수신 안테나(Real Antenna)가 되고, 그에 인접하여 2개의 가상 수신 안테나인 제3가상 수신안테나 VRX3 및 제4가상 수신안테나 VRX4가 형성된다.
이 때, 제3수신안테나 RX3과 제4수신안테나 RX4는 수평방향으로 B만큼 이격되어 있고, 가상 수신 안테나는 각각의 진성 수신안테나로부터 수평방향으로 2B만큼 시프트되므로, 결과적으로 수신단을 형성하는 4개의 수신안테나들 사이의 간격은 동일하게 B가 된다.
즉, 본 발명의 레이더 장치를 이용하면 근거리 감지모드에서는, 수신단에서 수평방향으로 B만큼 이격된 총 4개의 수신채널이 형성되며, 수신단의 전체 개구, 즉 수신단의 일측 단부에 배치되는 제3 수신안테나 RX3과 타측 단부에 배치되는 제4 가상 수신안테나 VRX4 사이의 수평거리는 3B가 된다.
따라서, 본 발명과 같은 레이더 장치를 이용하면 가상 개구 구조에 의하여 수신단의 전체 개구가 2B에서 3B로 확장됨으로써, 근거리 감지모드에서 수평방향 정보에 대한 분해능 또는 해상도를 향상시킬 수 있게 된다.
이를 위하여, 본 발명에 의한 레이더 장치에 포함되는 가상 수신안테나 형성부(140)는 중장거리 감지모드에서는 제1수신안테나 RX1 내지 제4수신안테나 RX4 사이에 1 이상의 가상 수신안테나(VRX1~3)를 형성하고, 근거리 감지모드에서는 제3수신안테나 RX3와 제4수신안테나 RX4의 일측에 1 이상의 가상 수신안테나(VRX3, VRX4)를 형성하게 된다.
또한, 이상과 같이 근거리 감지모드에서의 수평방향 정보 획득을 위하여, 본 발명에 의한 레이더 장치의 신호 송수신부(120)는 근거리 감지모드에서, 제2송신안테나 TX2와 제3송신안테나 TX3에서 시간분할 또는 코드분할로 구분된 송신신호를 송신하고, 수신안테나부를 통해 대상체에서 반사된 반사신호를 수신하되, 처리부(130)는 상기 제3수신안테나 및 제4수신안테나에서 수신된 반사신호를 기초로, 근거리 대상체의 수평방향 정보를 획득하게 된다.
한편, 본 발명에 의한 레이더 장치에서는 도 3 및 도 4에서 설명한 바와 같이, 다수의 송신안테나와 다수의 수신안테나 중 일부를 연직방향 중 하나인 제1방향으로 연장하도록 배치하여 제1송신 안테나 그룹 및 제1수신안테나 그룹으로 구성하고, 나머지 안테나들을 제1방향과 반대인 제2방향으로 연장하도록 배치하여 제2송신 안테나 그룹과 제2수신 안테나 그룹으로 구성하되, 신호 송수신 과정에서 송신신호를 송신하는 송신안테나 중 하나 이상과 반사신호를 수신하는 수신 안테나 중 하나 이상이 서로 상이한 그룹에 포함되도록 함으로써, 수직방향 물체 정보를 감지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하며, 이에 대해서는 아래에서 더 상세하게 설명한다.
본 발명에 의한 레이더 장치의 안테나 배열 상 제1송신안테나 그룹과 제1수신안테나 그룹은 연직방향 중 제1방향으로 연장되고, 제2송신안테나 그룹과 제2수신안테나 그룹은 제1방향과 반대인 제2방향으로 연장되며, 1/2그룹 사이에는 연직방향으로 수직거리 D 만큼의 이격이 있다.
따라서, 송신채널 중 하나 이상으로 신호를 송신하고, 수직으로 이격되어 있는 2개의 수신채널에서 각각 반사신호를 수신하게 되면, 각 수신채널에서 수신된 수신신호 사이 또는 송신신호와 채널별 수신신호 사이에는 일정한 위상차이 또는 크기(Amplitude) 차이가 발생한다.
따라서, 이러한 수신채널별 신호의 위상차이 또는 크기 차이를 비교함으로써, 대상체의 높이 등과 같은 수직방향 정보를 획득할 수 있게 된다.
이러한 수직방향 정보 획득을 위한 신호의 송수신 방식은 도 7 내지 도 9와 같이 3가지 실시예를 포함할 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.
우선, 도 7은 하나의 송신채널과, 수직으로 이격된 2개의 수신채널을 이용하는 방식이다.
도 7은 본 발명에 의한 레이더장치를 이용하여 수직(Elevation)정보를 감지하는 제1실시예를 도시한다.
더 구체적으로, 도 7은 제1실시예에 의한 수직정보 획득을 위하여, 도 3 등에 도시된 다수의 송수신 안테나 중에서 실제 사용되는 송수신 안테나만을 표시한다.
도 7과 같이, 수직정보 획득을 위한 제1실시예에서는, 3개의 송신채널 중에서 1개의 송신채널만을 이용하여 송신신호를 송출하고, 수직으로 이격된 2개의 수신채널을 이용할 수 있다.
예를 들어, 도 7과 같이, 제1송신안테나 TX1에서 신호를 송신하고, 수신단에서는 제1수신 안테나 그룹에 포함된 제1수신안테나 RX1 및 그로부터 수직으로 D만큼 이격된 제2수신안테나 그룹에 포함되는 2개의 수신안테나(RX3, RX4)에서 수신된 신호를 이용하는 방식이다.
이 때, 제1수신안테나 RX1이 1개의 제1수신채널을 구성하고, 제2수신안테나 그룹에 포함된 제3수신안테나 RX3와 제4수신안테나 RX4의 신호는 합성하여 1개의 제2수신채널로 이용할 수 있다. 이와 같이, 제3수신안테나 RX3와 제4수신안테나 RX4의 신호를 합성하여 1개의 제2수신채널을 구성하는 것은, 대응되는 제1수신안테나 RX1의 어레이 개수와 일치시키기 위함이다.
이러한 신호 송수신 방식을 이용하면, 동일한 송신신호를 기초로 대상체에서 반사된 반사신호는 수직으로 D만큼 이격된 2개의 수신채널에서 수신되며, 수신채널의 수직방향 이격으로 인하여 양 수신채널에 수신되는 신호의 위상이나 세기가 달라질 수 있다.
즉, 대상체의 높이에 따라서 제1수신채널 및 제2수신채널로 수신되는 신호의 진행 경로(진행거리 등)에 차이가 발생하며, 그러한 차이로 인하여 각 수신채널에서 수신되는 신호의 위상 또는 크기가 달라진다.
따라서, 레이더 장치의 처리부(130)에서는 양 수신채널에서 수신되는 신호의 위상 또는 크기 차이를 분석함으로써, 대상체의 높이 등과 같은 수직 정보를 획득할 수 있다.
예를 들면, 2개의 수신채널에서 수신된 신호의 위상 또는 크기 차이가 작은 경우에는 대상체의 높이가 2개 수신채널의 중앙 정도인 것으로 판단하며, 연직 상방향(제1방향)으로 연장된 제1수신채널의 신호 강도가 연직 하방향(제2방향)으로 연장된 제2수신채널의 신호강도보다 크면서 위상차이가 일정 이상인 경우에는 대상체의 높이가 높은 것으로 판단할 수 있다.
물론, 본 발명의 제1실시예에서는 반드시 도 7과 같이 제1송신안테나 TX1가 사용될 필요는 없으며, 제2송신안테나 그룹에 포함되는 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3 중 하나가 송신채널로 사용될 수 있으며, 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3를 동시에 하나의 송신채널로 이용할 수도 있을 것이다.
또한, 수신단 역시 도 7과 같이 제1수신안테나 RX1가 제1수신채널을 형성할 필요는 없으며, 제2수신채널을 구성하는 제2수신안테나 그룹과 수직으로 이격된 제2수신안테나 RX2가 제1수신채널을 구성할 수도 있을 것이다.
이와 같이, 수직정보 획득을 위한 제1실시예에 의한 신호 송수신 방식에서는, 1개 채널의 송신안테나와, 수직으로 이격된 2개 이상의 수신채널을 이용함으로써, 대상체의 높이 등과 같은 수직 정보를 정밀하게 획득할 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 레이더장치를 이용하여 수직(Elevation)정보를 감지하는 제1실시예를 도시하는 것으로서, 도 8에서는 2개의 송신채널과, 수직으로 이격된 2개의 수신채널을 이용한다.
도 7과 마찬가지로, 도 8에서는 제2실시예에 의한 수직정보 획득을 위하여, 도 3 등에 도시된 다수의 송수신 안테나 중에서 실제 사용되는 송수신 안테나만을 표시한다.
도 8과 같이, 수직정보 획득을 위한 제2실시예에서는, 3개의 송신채널 모두에서 동시에 송신신호를 송출하고, 수직으로 이격된 2개의 수신채널을 이용할 수 있다.
예를 들어, 도 8과 같이, 제1송신안테나 TX1와 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3 모두에서 동시에 신호를 송신하고, 수신단에서는 제1수신 안테나 그룹에 포함된 제1수신안테나 RX1 및 그로부터 수직으로 D만큼 이격된 제2수신안테나 그룹에 포함되는 2개의 수신안테나(RX3, RX4)에서 수신된 신호를 이용하는 방식이다.
이 때, 제1수신안테나 RX1이 1개의 제1수신채널을 구성하고, 제2수신안테나 그룹에 포함된 제3수신안테나 RX3와 제4수신안테나 RX4의 신호는 합성하여 1개의 제2수신채널로 이용할 수 있다.
도 8의 실시예에서도, 레이더 장치의 처리부(130)에서는 양 수신채널에서 수신되는 신호의 위상 또는 크기 차이를 분석함으로써, 대상체의 높이 등과 같은 수직 정보를 획득할 수 있다.
즉, 제2실시예에 의하면, 수신단의 구성 제1실시예와 동일하며, 송신단에서만 3개의 송신채널을 모두 사용하는 점에서 제1실시예와 상이하다.
이와 같이, 3개의 송신채널을 모두 사용하면 수직방향으로 샤프(Sharp)한 빔을 형성할 수 있으므로, 감지범위는 다소 감소하더라도 수직정보 획득의 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
물론, 제1실시예와 마찬가지로, 본 발명의 제2실시예에서도 반드시 제1수신안테나 RX1가 제1수신채널을 형성할 필요는 없으며, 제2수신채널을 구성하는 제2수신안테나 그룹과 수직으로 이격된 제2수신안테나 RX2가 제1수신채널을 구성할 수도 있을 것이다.
이와 같이, 수직정보 획득을 위한 제2실시예에 의한 신호 송수신 방식에서는, 3개 채널의 송신안테나와, 수직으로 이격된 2개 이상의 수신채널을 이용함으로써, 대상체의 높이 등과 같은 수직 정보를 더 정밀하게 획득할 수 있다.
도 9는 본 발명에 의한 레이더장치를 이용하여 수직(Elevation)정보를 감지하는 제1실시예를 도시하는 것으로서, 도 8에서는 수직으로 이격된 2개의 송신채널을 시간분할 또는 코드분할하여 신호를 송신하고, 1 개 이상의 공통된 수신채널을 이용한다.
도 7 및 도 8과 마찬가지로, 도 9에서는 제3실시예에 의한 수직정보 획득을 위하여, 도 3 등에 도시된 다수의 송수신 안테나 중에서 실제 사용되는 송수신 안테나만을 표시한다.
도 9와 같이, 수직정보 획득을 위한 제3실시예에서는, 3개의 송신채널 중 수직으로 이격된 2개의 송신채널에서 시간분할 또는 코드분할로 송신신호를 송출하고, 공통된 1개 이상의 수신채널에서 수신된 신호를 이용하여 수직정보를 획득할 수 있다.
예를 들어, 도 9와 같이, 송신모드에서는 3개의 송신채널 중 제1송신안테나(TX1)를 제1송신채널로 구성하고, 그로부터 수직으로 D만큼 이격된 제2송신안테나 그룹에 포함되는 제2송신안테나 TX2 및 제3송신안테나 TX3를 묶어서 하나의 제2송신채널로 이용한다.
제1송신채널과 제2송신채널에서는 시간분할 또는 코드분할로 구분하여 신호를 송신할 수 있다.
한편, 수신단에서는 도 9의 (1), (2) (3) 등으로 도시한 바와 같이, 1개 이상의 수신안테나를 공통된 1개의 수신채널로 이용할 수 있다.
예를 들어, 도 9의 (1)과 같이 제2수신안테나 그룹에 포함된 제3수신안테나 RX3 또는 제4수신안테나 RX4 중 하나만을 수신채널로 이용하거나, 도 9의 (2)와 같이 제2수신안테나 그룹에 포함된 제3수신안테나 RX3 및 제4수신안테나 RX4를 2개의 수신채널로 이용하거나, 도 9의 (3)과 같이 제1수신안테나 그룹에 포함된 제1수신안테나 RX1 또는 제2수신안테나 RX2 중 하나만을 수신채널로 이용할 수 있다.
제3실시예에서는 2개의 송신채널에서 시간분할 등으로 구분 송신되는 송신신호가 수직이격된 상태이므로, 특정한 대상체에서 반사되어 단일의 수신채널에서 수신된 수신신호에도 위상 또는 크기 차이가 발생하며, 그 위상차이 또는 크기 차이를 분석함으로써 대상체의 수직정보를 획득할 수 있게 된다.
물론, 제3실시예에서, 수신단으로서 반드시 1개의 수신채널만 이용할 수 있는 것은 아니며, 2개 이상의 수신채널에서 수신된 신호를 동시에 이용할 수 있다.
즉, 제3실시예에서, 2개 이상의 수신채널에서 수신된 신호를 평균하여 수신신호 분석의 정확도를 향상시킬 수 있으며, 2개 이상의 수신채널에서 수신된 신호를 비교하여 수신안테나의 정상작동 여부를 확인하는 등의 용도로 사용할 수도 있을 것이다.
예를 들어, 송신단은 그대로 두되, 수신단에서 3개의 수신채널에서 수신된 신호를 비교하여 어느 한 채널의 수신신호가 나머지 수신채널의 신호와 차이가 큰 경우에는 해당 수신채널을 구성하는 수신안테나가 비정상 상태인 것으로 판단할 수 있다.
또한, 송신단은 그대로 두되, 수신단에서 3개의 수신채널에서 수신된 신호의 차이가 임계치 이하라면, 다수의 수신채널에서 수신된 신호의 위상 또는 크기를 평균하여 분석함으로써, 수직정보의 정밀도를 향상시킬 수 있을 것이다.
이상과 같이, 본 발명의 레이더 장치를 이용하면, 도 3 또는 도 4와 같은 안테나 배열을 가지되, 도 7 내지 도 9와 같은 신호 송수신방식을 이용함으로써 대상체의 수직방향 정보를 획득할 수 있을 뿐 아니라, 중장거리 감지모드 및 근거리 모드 모두에서 대상체의 수평방향 정보를 높은 해상도로 측정할 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 레이더 장치의 물리적인 변경이나 추가적인 장치 없이도, 중장거리 및 근거리 대상체의 수직 및 수평정보를 정밀하게 측정할 수 있으므로, 차량용 레이더로서의 활용성을 극대화시킬 수 있다는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)가 제공하는 대상체의 수직/수평정보 획득 방법의 일 예를 아래에서 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치가 제공하는 신호 처리 방법에 대한 흐름도이다.
도 10은 도 5 내지 도 9에서 설명한 바와 같은 신호 송수신방식에 의하여 수신신호가 완료된 이후의 신호 처리 과정을 나타낸 흐름도로서, S1000 단계에서 획득된 수신데이터를 한 주기당 처리 가능한 단위 샘플 사이즈로 데이터 버퍼링(S1002) 한 이후, 주파수 변환(S1004)을 수행한다.
이후, 주파수 변환된 수신데이터를 토대로 CFAR(Constant False Alarm Rate) 연산(S1006) 등을 수행하고, 타깃에 대한 수직/수평 정보, 속도정보 및 거리정보를 추출(S1008)한다. S1006 단계에서의 주파수 변환은, 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform) 등과 같은 푸리에 변환을 이용할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 레이더 장치에서, 중장거리 감지모드와 근거리 감지모드에서의 신호파형 및 주파수대역의 차이를 도시한다.
도 5 및 도 6과 같이, 본 발명에 의한 레이더 장치를 이용하면 중장거리 감지모드 및 근거리 감지모드 모두에서 대상체의 수평정보를 정밀하게 측정할 수 있다.
상기 구성에 추가하여, 본 발명에 의한 레이더 장치에서는 중장거리 감지모드와 근거리 감지모드에서 각각 상이한 주파수 대역과 신호 파형을 이용함으로써 감지 성능을 향상시킬 수 있으며, 아래에서는 이에 대하여 상세하게 설명한다.
일반적으로, 레이더 장치는 송신신호의 주파수 대역이 넓고, 출력이 크며, 하나의 감지주기 동안 출력되는 신호파형의 개수가 증가될 수도록 레이더의 분해능 또는 신호 감지 성능이 좋아진다
그러나, 차량용 레이더의 경우 중장거리 감지모드에서는 타차량이나 기타 다른 전자파와의 간섭을 피하기 위하여 사용가능한 주파수 대역(Bandwidth)에 제한이 있다. 즉, 근거리 감지모드에서는 다른 레이더 장치와의 간섭 등의 가능성이 낮으므로 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있으나, 중장거리 감지모드에서는 간섭을 피하기 위하여 사용가능한 주파수 대역에 제한을 두는 경우가 많다.
따라서, 본 발명에 의한 레이더 장치에서는, 도 5와 같은 중장거리 감지모드에서의 제1송신신호는 제1주파수대역을 사용하되, 1회의 감지 주기(T)동안 비교적 작은 제1개수의 신호파형(Chirp)으로 이루어지도록 하며, 근거리 감지모드에서의 제2송신신호는 제1주파수대역보다 큰 제2주파수 대역을 사용하되, 1회의 감지주기동안 제1개수보다 많은 제2개수의 신호파형으로 이루어지도록 한다.
또한, 중장거리 감지모드에서의 송신신호의 출력은 근거리 감지모드에서의 송신신호의 출력보다 더 크게 할 수 있다.
즉, 도 11에 도시한 바와 같이, 중장거리 감지모드에서는 약76~77GHz인 제1주파수대역 내에서 형성되되, 파형의 폭이 큰 소위 슬로우 첩(Slow Chirp) 방식의 송신신호를 이용한다.
한편, 근거리 감지모드에서는 제1주파수대역보다 큰 약76~81GHz의 범위를 가지는 제2주파수 대역내에서 형성되되, 파형의 폭이 작은 소위 패스트 첩(Fast Chirp) 방식의 송신신호가 이용된다.
따라서, 이러한 중장거리 감지모드에서 1회의 감지주기(T) 또는 싸이클 내에 포함되는 신호파형(Chipr)의 제1개수(N1)는 근거리 감지모드에서의 1회 감지주기 내에 포함되는 신호파형의 제2개수(N1)보다 작게 된다.
한편, 제1주파수 대역 및 제2주파수대역을 일부가 중첩될 수도 있고, 완전히 다른 주파수 대역일 수도 있다.
일반적으로, 1회의 감지싸이클에 다수의 신호파형을 송출하는 패스트 첩 방식은 데이터량이 커지는 대신 감지 성능이 우수해지며, 특히 낮을 출력으로로 원하는 정도의 분해능을 확보할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명과 같이, 중장거리 감지모드에서는 출력은 높되 작은 주파수대역 내의 슬로우 첩 방식의 송신신호를 이용함으로써 다른 레이더 장치 등과의 간섭을 피하면서도 필요한 감지성능을 확보할 수 있다.
또한, 근거리 감지모드에서는 더 넓은 주파수대역 내에서 패스트 첩 방식의 송신신호를 이용함으로써, 낮을 출력으로도 필요한 분해능을 확보할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 레이더 장치에서는 도 3 및 도 4와 같은 안테나 구조를 가지고, 대상체의 수평/수직방향 정보 획득을 위하여 도 5 내지 도 9와 같은 신호 송수신 방식을 이용하되, 근거리 감지모드와 중장거리 감지모드에서의 송신신호의 주파수대역과 신호파형의 형태를 상이하게 함으로써, 다른 레이더 장치와의 간섭을 피하면서도 중장거리 및 근거리 모두에서 대상체의 수평/수직 정보를 해상도 높게 측정할 수 있게 된다.
이상과 같은 본 발명의 실시예들을 이용하면, 다수의 송신안테나와 다수의 수신안테나 중 일부를 연직방향 중 하나인 제1방향으로 연장하도록 배치하여 제1송신 안테나 그룹 및 제1수신안테나 그룹으로 구성하고, 나머지 안테나들을 제1방향과 반대인 제2방향으로 연장하도록 배치하여 제2송신 안테나 그룹과 제2수신 안테나 그룹으로 구성하되, 송신신호를 송신하는 송신안테나 중 하나 이상과 반사신호를 수신하는 수신 안테나 중 하나 이상이 서로 상이한 그룹에 포함되도록 함으로써, 수직방향 물체 정보를 정밀하게 감지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전술한 안테나 구조에서, 송신신호를 송신하는 송신안테나와 물체로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 수신안테나를 적절하게 선택함으로써, 중/장거리 감지 및 근거리 감지 모두에서 대상체의 수평 및 수직 방향 정보를 획득할 수 있다는 장점이 있다.
결과적으로, 본 발명을 이용하면, 레이더 장치의 물리적인 변경이나 추가적인 장치 없이도, 차량용 레이더로서 요구되는 중장거리 및 근거리 감지모드 모두에서 대상체의 수직 및 수평정보를 정밀하게 측정할 수 있게 된다.
또한, 근거리 감지모드와 중장거리 감지모드에서의 송신신호의 주파수대역과 신호파형의 형태를 상이하게 함으로써, 다른 레이더 장치와의 간섭을 피하면서도 중장거리 및 근거리 모두에서 대상체의 수평/수직 정보의 측정 해상도를 향상시킬 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 레이더 장치 110: 안테나부
120: 송수신부 130: 처리부
140 : 가상 안테나 형성부 TX1 : 제1송신안테나(제1송신안테나그룹)
TX2, TX3 : 제2/3송신안테나 (제2송신안테나 그룹)
RX1, RX2 : 제1/2수신안테나(제1수신안테나 그룹)
RX3, RX4 : 제3/4수신안테나(제2수신안테나 그룹)
VRX1~VRX3 : 제1~3가상 수신 안테나

Claims (13)

  1. 수직방향 중 제1방향으로 연장되는 제1송신안테나를 포함하는 제1송신 안테나 그룹과 상기 제1방향과 대향하는 제2방향으로 연장되되 상기 제1송신안테나와 제1수직거리만큼 이격된 제2송신안테나와 제3송신안테나를 포함하는 제2 송신안테나 그룹을 포함하는 송신안테나부;
    상기 제1방향으로 연장되는 제1수신안테나와 제2수신안테나를 포함하는 제1수신안테나 그룹과, 상기 제2방향으로 연장되되 제1수신안테나 그룹과 제2수직거리만큼 이격된 제3수신안테나와 제4수신안테나를 포함하는 제2수신안테나 그룹을 포함하는 수신안테나부;
    상기 제1송신안테나 그룹과 상기 제2송신안테나 그룹 중 하나 이상을 통하여 송신신호를 송신하고, 상기 수신안테나부를 통해 대상체에서 반사된 반사신호를 수신하는 송수신부;
    상기 제1수신안테나 그룹에 포함되는 수신안테나에서 수신된 반사신호와, 상기 제2수신안테나 그룹에 포함되는 수신안테나에서 수신된 반사신호를 기초로, 상기 대상체의 수직방향 정보를 획득하는 처리부;
    를 포함하며,
    상기 제3수신안테나 및 제4수신안테나는 각각 k개의 어레이 안테나를 포함하며, 상기 제2송신안테나, 제3송신안테나, 제1수신안테나와 및 제2수신안테나는 각각 2k개의 어레이 안테나를 포함하며, 상기 제1송신안테나는 4k개의 어레이 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  2. 수직방향 중 제1방향으로 연장되는 제1송신안테나를 포함하는 제1송신 안테나 그룹과 상기 제1방향과 대향하는 제2방향으로 연장되되 상기 제1송신안테나와 제1수직거리만큼 이격된 제2송신안테나와 제3송신안테나를 포함하는 제2 송신안테나 그룹을 포함하는 송신안테나부;
    상기 제1방향으로 연장되는 제1수신안테나와 제2수신안테나를 포함하는 제1수신안테나 그룹과, 상기 제2방향으로 연장되되 제1수신안테나 그룹과 제2수직거리만큼 이격된 제3수신안테나와 제4수신안테나를 포함하는 제2수신안테나 그룹을 포함하는 수신안테나부;
    상기 제1송신안테나 그룹에 포함된 송신안테나와 상기 제2송신안테나 그룹에 포함된 송신안테나에서 시간분할 또는 코드분할로 구분된 송신신호를 송신하고, 상기 수신안테나부를 통해 대상체에서 반사된 반사신호를 수신하는 송수신부;
    상기 제1수신안테나 그룹 및 제2수신안테나 그룹에 포함되는 수신안테나 중 하나 이상에서 수신된 반사신호를 기초로, 상기 대상체의 수직방향 정보를 획득하는 처리부;
    를 포함하며,
    상기 제3수신안테나 및 제4수신안테나는 각각 k개의 어레이 안테나를 포함하며, 상기 제2송신안테나, 제3송신안테나, 제1수신안테나와 및 제2수신안테나는 각각 2k개의 어레이 안테나를 포함하며, 상기 제1송신안테나는 4k개의 어레이 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  3. 수직방향 중 제1방향으로 연장되는 제1송신안테나를 포함하는 제1송신 안테나 그룹과 상기 제1방향과 대향하는 제2방향으로 연장되되 상기 제1송신안테나와 제1수직거리만큼 이격된 제2송신안테나와 제3송신안테나를 포함하는 제2 송신안테나 그룹을 포함하는 송신안테나부;
    상기 제1방향으로 연장되는 제1수신안테나와 제2수신안테나를 포함하는 제1수신안테나 그룹과, 상기 제2방향으로 연장되되 제1수신안테나 그룹과 제2수직거리만큼 이격된 제3수신안테나와 제4수신안테나를 포함하는 제2수신안테나 그룹을 포함하는 수신안테나부;
    중장거리 감지모드에서, 상기 제1송신안테나 그룹에 포함된 송신안테나와 상기 제2송신안테나 그룹에 포함된 송신안테나에서 시간분할 또는 코드분할로 구분된 송신신호를 송신하고, 상기 수신안테나부를 통해 대상체에서 반사된 반사신호를 수신하는 송수신부;
    중장거리 감지모드에서, 상기 제1수신안테나 그룹 및 제2수신안테나 그룹에 포함되는 모든 수신안테나에서 수신된 반사신호를 기초로, 중장거리 대상체의 수평방향 정보를 획득하는 처리부;
    를 포함하며,
    상기 제3수신안테나 및 제4수신안테나는 각각 k개의 어레이 안테나를 포함하며, 상기 제2송신안테나, 제3송신안테나, 제1수신안테나와 및 제2수신안테나는 각각 2k개의 어레이 안테나를 포함하며, 상기 제1송신안테나는 4k개의 어레이 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    근거리 감지모드에서, 상기 송수신부는, 상기 제2송신안테나와 제3송신안테나에서 시간분할 또는 코드분할로 구분된 송신신호를 송신하고, 상기 수신안테나부를 통해 대상체에서 반사된 반사신호를 수신하며,
    근거리 감지모드에서, 상기 처리부는, 상기 제3수신안테나 및 제4수신안테나에서 수신된 반사신호를 기초로, 근거리 대상체의 수평방향 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 중장거리 감지모드에서 제1수신안테나 내지 제4수신안테나 사이에 1 이상의 가상 수신안테나를 형성하고, 상기 근거리 감지모드에서 상기 제3수신안테나와 제4수신안테나 일측에 1 이상의 가상 수신안테나를 형성하는 가상 수신안테나 형성부를 더 포함하는 레이더 장치.
  6. 삭제
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2송신안테나와 제3송신안테나 사이의 수평거리는 상기 제3수신안테나 및 제4수신안테나 사이의 수평거리 B의 2배인 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1송신안테나의 수평 중앙점과 제2송신안테나 그룹에 포함되는 상기 제2송신안테나와 상기 제3송신안테나의 중점 사이의 수평거리를 A라 할 때, 상기 제1수신안테나 및 제2수신안테나는 각각 상기 제2수신안테나 그룹으로부터 좌우로 수평거리는 2A만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1송신안테나의 수평 중앙점과 제2송신안테나 그룹에 포함되는 상기 제2송신안테나와 상기 제3송신안테나의 중점 사이의 상기 수평거리 A는 상기 제3수신안테나 및 제4수신안테나 사이의 수평거리 B의 2배 보다 큰 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 k는 2이고, 상기 제3수신안테나 및 제4수신안테나 사이의 수평거리 B는 상기 송신안테나부를 통해 송신되는 송신신호의 파장 이하인 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 k는 1이고, 상기 제3수신안테나 및 제4수신안테나 사이의 수평거리 B는 상기 송신안테나부를 통해 송신되는 송신신호의 파장의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 중장거리 감지모드의 제1송신신호는 상기 근거리 감지모드에서의 제2송신신호와 주파수대역 및 신호파형이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1송신신호의 제1주파수대역은 제2송신신호의 제2주파수대역보다 작고, 1회의 감지주기에 포함되는 제1송신신호의 신호파형의 제1개수는 1회의 감지주기에 포함되는 제2송신신호의 신호파형의 제2개수보다 작은 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
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