KR20140077155A - 각도 해상도가 개선된 이미징 레이더 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의하면, 물체, 특히 움직이는 물체의 위치를 결정하는 장치와 방법이 제공된다. 이 장치는 상이한 수직 빔 방향을 가진 2개 이상의 스위칭 송신 안테나 그룹과 한 줄로 배열된 복수의 수신 안테나를 포함한다. 송신 안테나들은 수신 안테나들의 외측 위상 중심들의 거리에 상응하는 거리에 배열된다. 또는 송신 안테나들은 수신 안테나의 주위의 임의의 위치에 배열될 수 있다. 넓은 각도 범위에 걸친 수평 빔 스위프는 디지털 빔 형성 방법에 따라 진행한다. 물체의 수직 위치는 상이한 수직 빔 방향을 가진 순차 스위칭 송신 안테나에 의해 수신된 신호들의 진폭을 비교함으로써 측정된다.

Description

각도 해상도가 개선된 이미징 레이더 센서{IMAGING RADAR SENSOR WITH SYNTHETIC ENLARGEMENT OF THE ANTENNA APERTURE AND TWO-DIMENSIONAL BEAM SWEEP}
본 발명은 한정된 가용 안테나 애퍼처와 2차원 빔 스위프(sweep) 방법에 의해 이미징 레이더 센서의 각도 해상도(angle resolution)를 증가시키는 것에 관한 것이다.
예를 들어 단거리 자동차 애플리케이션용의 밀리미터파 레이더 센서는 콤팩트하고 저렴한 구성을 가질 필요가 있다. 이것은 안테나의 가용한 표면이 가능한 작게 유지되고 고주파 구성요소의 개수가 최소화되어야 함을 의미한다.
한편, 상기 레이더 센서는 우수한 각도 해상도를 제공해야 하지만 이것은 큰 안테나 표면, 소위 애퍼처(aperture)를 필요로 한다.
이러한 요구사항의 충돌은 본 발명에 의하면 유리하게 해결될 수 있다. 상기 레이더 센서의 안테나 애퍼처는 각도 해상도가 동일하게 유지되는 상태에서 거의 2배 감소할 수 있다.
추가 요구사항은 도로에서 교통체증의 맨 끝을 인식하는 것이다. 이때 정지 차량과 다리 및 맨홀 뚜껑 사이의 구별이 이루어져야 한다. 또한, 물체를 구분하기 위해물체들의 3차원 측정이 요구된다. 이 목적은 수평 및 수직 빔 스위프에 의해 유리하게 달성된다.
Winfried Mayer 박사의 논문 "Imaging radar sensor with antenna array connected on the transmitting side(쿠빌리에 출판사, 2008년도, ISBN 978-3-86727-565-1)에서는 복수의 송신기 및 복수의 수신기를 구비한 안테나 어레이가 사용되는 디지털 빔 형성 기술을 가지고 구역을 감시하는 방법 및 장치를 개시한다.
송신기를 시간상 연속해서 사용함으로써 수신 안테나의 물리적 크기를 증가시키지 않고서 안테나 개방 각도를 감소시키는 것이 가능하다.
탐지되는 물체가 움직이지 않고 또한 탐지될 복수의 물체들이 서로 가까이 위치하는 경우라면 레이더 센서에서 이 방법이 잘 작동한다.
일반적으로 움직이는 물체는 이미징 에러를 일으키고, 서로 가까이 위치하는 물체들의 반향(echos)은 중첩하며, 이것에 의해 모호한 허상이 만들어질 수 있다.
DE 10 2008 061 932 A1은 물체를 쳐다보는 방향에서 볼 때 송신 안테나가 수신 안테나의 뒤에 배열되는 방법을 개시한다. 물체의 움직임은 이 배열에 의해 보정될 수 있지만, 이 타입의 안테나 배열은 안테나의 방사 특성에 있어서 유리하지 않다.
DE 10 2008 052 246 A1은 물체의 수직 위치결정(positioning)을 위해 상하 빔 방향을 조정할 수 있는 센서 시스템을 설명한다. 여기서 상기 조정은 반사체의 기계적 움직임에 의해 이루어진다.
1995년 5월 미국 플로리다주 올란도에서 개최된 IEEE MTT-S 국제 마이크로파 심포지움 다이제스트의 969-972 페이지에 소개된 N.Kees. E.Schmidhammer 및 J.Detlefsen의 "Improvement of angular resolution of a millimeterwave imaging system by transmitter location multiplexing"에서, 합성 안테나 애퍼처(synthetic antenna aperture)를 생성하는 방법을 설명하고 있으며, 이것에 의하면 안테나 빔 폭이 감소하고 그에 따라 각도 해상도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 목적은 전술한 이미징 에러를 피할 수 있는 장치, 방법 및 레이더 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 물체의 수직 위치를 결정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 특허청구범위의 독립 청구항들의 특징에 의해 달성된다.
2개 이상의 스위칭 송신 안테나 어레이를 포함하는, 물체, 특히 움직이는 물체의 위치를 결정하는 장치가 제공된다. 각각의 송신 안테나 어레이는 메인(main) 빔 방향이 서로 다른 송신 안테나를 구비한다. 수신 안테나 배열체는 복수의 수신 안테나를 포함하며, 이것들은 좌측에서 우측으로 한 줄로 또는 최초 수신 안테나에서 시작하여 최종 수신 안테나에서 끝나는 한 줄로 서로 이웃하게 배열된다.
상기 송신 안테나 어레이는, 동일한 수직 빔 방향을 가진 2개의 송신 안테나 사이의 거리가 맨 좌측 또는 최초 수신 안테나와 맨 우측 또는 최종 수신 안테나 사이의 거리와 같거나, 또는 맨 좌측 또는 최초 수신 안테나와 맨 우측 또는 최종 수신 안테나 사이의 거리와 인접한 수신 안테나들 사이의 거리의 합과 같도록, 배열된다.
상기 거리들은 각각, 송신 안테나들 및 수신 안테나들의 초점과, 우측에서 좌측으로 진행하는 방향 및 최종 안테나에서 최초 안테나로 진행하는 방향에 관련된다.
송신 안테나 어레이들로 분할하는 것은 송신 안테나가 시간 오프셋을 가지고 활성화될 때, 실제 어패처보다 더 큰 소위 합성 애퍼처가 생성될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들면, 합성 애퍼처에서 2개의 송신 안테나를 가진 수신기의 개수는 실제 애퍼처에서의 두 배 크기이다. 그러나, 송신 안테나 어레이들 사이의 거리는 신중하게 선택되어야 한다. 따라서 송신 안테나 어레이가 복수인 경우 실제 애퍼처, 및 전체 안테나의 표면은 상대적으로 작게 유지될 수 있는 반면, 합성 애퍼처를 통한 각도 해상도는 높아진다. 예를 들면 자동차 응용과 같이 가용한 공간이 매우 제한적인 응용을 위해서는 작은 표면이 특히 중요하다. 상기 다른 메인 빔 방향은 수직 빔 스위프를 가능하게 하며, 이것은 예를 들어 교량과 같은 허위 대상을 탐지하는 것을 가능하게 한다.
바람직하게는, 적어도 외측 수신 안테나들은 각각 평행하게 위치한 3개 이상의 안테나 라인을 가진다. 수신 안테나의 안테나 라인들 중 중간 라인은 수신 안테나의 위상 중심을 각각 형성하며 상기 거리들은 각각 수신 안테나들의 위상 중심의 초점에 관련 있다. 외측 또는 최종 수신 안테나당 복수의 안테나 라인을 가지고 진폭 할당이 가능하게 된다.
일 실시예에서 2개의 인접한 수신 안테나들 사이의 거리는 3개 이상의 평행한 안테나 라인들을 각각 구비한 수신 안테나에 관련 있고, 수신 안테나의 안테나 라인들의 중간 라인은 상기 그룹의 위상 중심을 각각 형성하고 상기 거리는 수신 안테나의 위상 중심의 초점에 각각 관련이 있다. 여기서 줄의 외측 구역에서 서로 이웃하여 위치하는 복수의 수신 안테나들은 각각 복수의 안테나 라인을 갖는다는 것이 고려된다.
만일 내측에 위치하는 수신 안테나들이 단 하나의 수신 안테나 라인을 가진다면, 이것들은 가까운 범위에서 물체의 탐지를 위해 특히 적합하다.
일 실시예에서 외측 송신 안테나들은 각각 3개 이상의 평행한 안테나 라인을 가지며, 송신 안테나의 안테나 라인들 중 중간 라인은 각각 그룹의 위상 중심을 형성하고 상기 거리는 송신 안테나의 위상 중심의 초점에 각각 관련이 있다.
또한, 제1 사이클에서 제1 송신 안테나 어레이의 송신 안테나에 의해 그리고 시간상 이어지는 제2 사이클에서 제2 송신 안테나 어레이의 송신 안테나에 의해 방사되는 신호를 생성하기 위해 바람직하게는 주파수 발생기가 제공된다.
여기서, 한 사이클 이내에 상이한 메인 빔 방향을 가진 한 송신 안테나 어레이의 송신 안테나들은 시간상 연속해서 송신한다.
본 발명의 추가의 측면에 의하면 3차원 공간에서 물체, 특히 움직이는 물체의 위치를 결정하는 장치는 2개 이상의 송신 안테나 어레이, 한 줄로 배열된 복수의 다중 수신 안테나를 포함하고, 송신 안테나 어레이는 서로 거리(d)만큼 떨어져 배열되며, 이 것리는 맨 좌측 또는 최초 수신 안테나와 맨 우측 또는 최종 수신 안테나 사이의 거리에 상응한다. 또는, 거리 d+dx가 선택되며, dx는 개별 수신 라인들 사이의 거리이거나 수신 안테나 어레이의 위상 중심들 사이의 거리이다.
또는, 상기 송신 안테나들은 수신 안테나의 측면에 또는 반대 측 어느 위치에 배치될 수 있다.
상기 장치는 송신 안테나들에 의해 시간상 연속해서 방사되는 신호를 생성하는 주파수 발생기, 안테나 빔 번들(bundle)을 생성하기 위해서 그리고 상기 안테나 빔 번들에 대응하는 중첩하는 안테나 라인들의 출력 신호들을 비교함으로써 2차원 FFT에 의해 속도 보정 및/또는 거리 보정을 실행하기 위해서, 디지털 빔 형성 방법으로 수신 안테나들에 의해 방사된 수신된 신호들 사이에 1개 이상의 접속을 형성하는 1개 이상의 처리유닛, 및 물체의 위치를 표시하는 표시장치를 더 포함한다.
물체, 특히 움직이는 물체의 위치를 결정하는 본 발명에 의한 방법은, 시간상 연속해서 송신되고 한 줄로 배열된 복수의 다중 수신 안테나에 의해 물체에서 반사된 일련의 수신 신호들을 수신하는 단계, 상기 수신 신호들을 디지털화하는 단계, 디지털 빔 형성 방법에 의해 상기 수신 신호들을 혼합하여 안테나 빔 번들을 형성하는 단계, 상기 안테나 빔 번들에 대응하는 도플러 매트릭스에 의해 또는 중첩하는 안테나 라인들의 출력 신호들을 비교함으로써 2차원 FFT(Fast Fourier Transformation)를 통해 속도 보정 및 거리 보정을 실행하는 단계를 포함한다.
거리(d)만큼 떨어진 송신 안테나 어레이들의 한 배열에서 한편으로는 맨 우측에 위치하는 수신 안테나들의 라인, 또는 수신 안테나들의 최종 라인, 및 맨 좌측에 위치하는 합성 안테나 라인, 또는 제1 합성 안테나 라인의 중첩이 있을 수 있으며, 이것으로부터 도플러 보정을 위한 위상 보정 매트릭스가 도출될 수 있다. 만일 송신 어레이들이 거리 d+dx 만큼 떨어져 위치된다면, 수신 라인들의 중첩은 일어나지 않는다. 여기서 합성 어레이의 크기는 최대이다. 물체의 움직임에 의한 이미지 왜곡을 보상하기 위해서, 이 경우는 거리-도플러 매트릭스의 속도-의존적인 위상 보정이 이루어져야 하며 이것은 좌측 또는 최초 송신 신호와 우측 또는 최종 송신 신호의 시간 오프셋으로부터 계산된다.
공간 내 물체의 위치는 송신된 신호와 수신된 신호 사이의 주파수 오프셋에 의해 결정된다. 방위각 위치는 수신기 어레이의 디지털 빔 스위프에 의해 가능하게 된다. 수직 위치는 상이한 수직 시선 방향, 즉 상방, 중간, 하방을 가진 3개의 송신 안테나의 사용에 의해 결정된다. 송신 안테나들은 차례로 동작한다. 수신된 신호들은 송신 안테나들 중 어느 것이 탐지 방법을 위해 사용되었는지에 종속하여 상이한 진폭을 가진다. 3개의 수신 단계의 진폭을 비교함으로써 물체의 수직 위치가 결정될 수 있다.
종속항에 열거된 특징들과 각각 주장된 주제는 유리한 추가의 발명을 구성한다.
바람직하게는 상기 장치가 갖는 수신 안테나의 개수는 8, 16 또는 32이다.
추가의 바람직한 발명에 의하면 물체의 위치는 안테나 다이어그램으로 표시장치에 의해 표시될 수 있다.
추가의 바람직한 발명에 의하면 거리 보정 외에 속도 보정이 이루어질 수 있다.
관측 각도 범위에서 더 높은 각도 해상도를 달성하기 위해서 인접한 안테나 빔들의 진폭이 평가되는 것이 바람직하다. 이것은 "순차 로빙(sequential lobing)"이라고도 한다.
더 높은 각도 해상도를 달성하기 위해서, 2개의 인접한 안테나 빔들 상의 합과 차이가 평가되는 것이 바람직하다(소위 모노펄스(monopulse)라고 함).
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 서로 대응하는 부분들은 모든 도면에서 동일한 도면부호가 부여된다. 도면은 다음과 같다.
도 1은 레이더 센서의 기능 블록을 개략적으로 도시한다.
도 2는 레이더 센서의 안테나 배열을 도시한다.
도 3은 제1 실시형태에 따라 생성된 합성 배열과 실제 애퍼처를 도시한다.
도 4는 제2 실시형태에 따라 생성된 합성 배열과 실제 애퍼처를 도시한다.
본 발명은 디지털 빔 형성에 의해 구역을 감시하는 도 1에 도시된 것과 같은 주파수-변조된 연속파(FMCW: frequency-modulated continuous wave) 레이더에 관한 것이다. 상기 레이더 센서는 12개의 출력을 가진 송신기와 복수(여기서는 16개)의 수신기를 포함한다. 도 1은 통합된 주파수 변조기 및 4개의 스위칭 출력, 각각 3개의 스위칭 출력을 가진 4개의 최종 증폭기를 구비한 송신기 및 각각 4개의 수신 채널을 가진 4개의 수신기를 도시한다. 상기 수신 신호는 수신기 블록 내에서 혼합되어 베이스밴드(baseband)로 변환된다.
도 1은 송신기(1), 4개의 최종 증폭기(19), 12개의 송신 안테나(10), 4개의 수신기 블록(2) 및 16개의 수신 안테나(20)를 포함하는 레이더 센서를 도시한다. 송신기(1)는 변조기(16), 주파수 발생기(13), 주파수 분할기(14), 가변 증폭기(12) 및 스위칭 드라이버(11)를 포함한다. 주파수 발생기(13)는 76 GHz 내지 77 GHz 사이에서 변화하는 주파수를 가진 출력 신호를 생성한다. 상기 출력 신호는 증폭기(12)에 제공되고, 그것의 진폭은 조정될 수 있다. 증폭기(12)의 출력 신호는 온/오프 전환될 수 있는 4개의 드라이버(11)의 입력에 제공된다.
4개의 최종 증폭기(19)는 각각 3개의 드라이버 스테이지(driver stage)(190)를 가진다. 드라이버(11)의 출력은 최종 증폭기(19)의 드라이버 스테이지(190)의 입력에 연결된다. 드라이버 스테이지(190)들은 그 다음 송신 안테나(10)를 하나씩 각각 구동한다.
송신기(1)의 주파수 발생기(13) 또한 그 출력에서 주파수 분할기(14)에 신호를 제공하며, 주파수 분할기(14)는 주파수 발생기(13)의 출력 신호의 절반의 주파수를 가진 출력 신호를 제공한다.
수신기 블록(2)은 각각 주파수 체배기(22) 및 4개의 믹서(21)를 포함한다. 주파수 체배기(22)는 송신기(1)의 주파수 분할기(14)로부터 출력된 신호를 수신하고, 수신된 신호의 2배의 주파수를 가진 신호를 각각 생성하며, 각각의 생성된 신호를 믹서(21)의 제1 출력에 각각 제공한다. 믹서(21)는 각각 하나의 수신 안테나(20)를 가진 제2 입력에 각각 연결되며, 각각의 수신 안테나에 의해 수신된 신호는 믹서(21)에서 각각 혼합되어 베이스밴드로 된다. 믹서(21)의 출력 신호는 도 1에는 도시되지 않은 처리유닛에서 평가된다. 만일 물체가 인식되면 표시장치에서 시각적으로 표시된다.
상기 레이더는 ±10°의 좁은 수평 탐지 범위로 예컨대 200 m까지의 장거리 측정과, ±45°의 넓은 탐지 범위로 예컨대 80 m까지의 단거리 측정 모두가 가능하다.
도 2는 안테나들의 물리적 배열을 도시한다. 외측 수신 채널들은 안테나 어레이들에 연결되며, 각각의 어레이는 3개의 안테나 라인을 가진다. 내측 수신 채널들은 단일의 안테나 라인에만 연결된다.
도 2는 송신 안테나(10)와 수신 안테나(20)의 배열을 위에서 본 것을 도시한다. 송신 안테나(10)와 수신 안테나(20)는 x-y 평면에서 연장하는 패치 안테나(patch antenna) 형태로 이루어진다. 수신 안테나(20)들은 각각 소위 안테나 라인(line)(28)을 가지며 이것은 각각 9개의 빔 수신 요소(24)와 이것들 사이에 위치하는 연결선(29)으로 구성된다.
안테나 라인(28)의 빔 수신 요소(24)는 앞뒤로 나열되며 안테나 라인(28)은 길게 y 방향으로 연장한다. 수신 안테나(20)의 안테나 라인(28)들은 모두 서로 나란히 나열되고 y 방향에 대해서 동일한 레벨에 위치한다. 그러므로 안테나 라인(28)은 x 방향에서 서로 이웃하여 배열되며, 안테나의 외측 라인들은 우측 또는 최종 안테나 라인 또는 좌측 또는 최초 안테나 라인으로 지정된다.
z 방향은 도면으로부터 위를 향한다. z 방향은 물체가 탐지되는 메인 방향이다. 만일 예를 들어 레이더 센서가 지상 차량에서 사용되는 경우로서 주행 방향에서 물체가 탐지되는 경우라면, z 방향은 주행 방향이다. 그러면 y 방향은 위로 향한다. 도면에서 우측은 R로 표시되고 좌측은 L로 표시되어 있다. z 방향의 반대 방향은 주행 방향의 반대이다.
안테나 라인(28)들은 각각 삽입점(feed-in point)을 가지며 이것을 통해 안테나라인(28)들은 스트립 라인(strip line)(23)에 의해 수신기 블록(2)의 입력에 연결된다. 각각 3개의 안테나 라인(28)을 포함하는 3개의 수신 안테나(20)가 좌측에 제공된다. 역시 각각 3개의 안테나 라인(28)을 가진 3개의 수신 안테나(20)가 우측에 제공된다. 중앙에 있는 10개의 수신 안테나(20)는 각각 단 하나의 안테나 라인(28)을 가지며, 따라서 단 하나의 안테나 라인(28)은 각각의 삽입점을 통해 수신기 블록(2)의 입력에 각각 연결된다.
송신 안테나(10)는 4개의 송신 안테나 어레이(36)로 세분되며, 2개의 내측 송신 안테나 어레이(36)와 2개의 외측 송신 안테나 어레이(36)로 구별된다. 외측 또는 최종 안테나 어레이(36)는 각각 3개의 안테나(10)를 포함하며 이것들은 각각 3개의 안테나 라인(18)을 일부로서 포함한다. 내측 안테나 어레이(36)는 각각 3개의 안테나(10)를 포함하며 이것들은 각각 단 하나의 안테나 라인(18)을 포함한다.
안테나 라인(18)들은 각각 빔 송신 요소(17)들과 이것들 사이에 위치한 연결선(170)을 가진다. 안테나 라인(18)의 빔 송신 요소(17)들은 앞뒤로 나열되며 안테나 라인(18)은 길게 y 방향으로 연장한다. 안테나 라인(18)들은 모두 서로 나란히 나열된다.
외측 송신 안테나 어레이(36) 내의 송신 안테나(10)의 안테나 라인(18)들은 각각 18개의 빔 송신 요소(17)를 포함한다. 외측 송신 안테나 어레이(36) 내의 송신 안테나(10)의 3개의 안테나 라인(18) 각각은, 동일한 송신 안테나(10)의 안테나 라인(18)들의 다른 삽입점에 스트립 라인(23)에 의해 연결된 삽입점을 가진다. 그 대응하는 연결 노드는 최종 증폭기(19)의 드라이버 스테이지에 의해 구동된다. 외측 송신 안테나 어레이(36)의 송신 빔 요소들은 다르게 설정되며, 그것들에 의해 진폭 할당이 이루어진다.
따라서, 외측의 우측 또는 최종 송신 안테나 어레이(36) 또는 외측의 좌측 또는 최초 송신 안테나 어레이(36) 내에 3개의 안테나(10)가 각각 제공되며, 송신 어레이(36) 내의 안테나들은 각각 메인 빔 방향에 있어서 및 그것들의 수직 빔 방향에 있어서 각각 상이하다.
내측 송신 안테나 어레이(36)들은 각각 3개의 송신 안테나(10)를 가지며 이것들은 각각 9개의 빔 요소(17)를 그 일부로서 포함한다. 각각의 송신 안테나 어레이(36)에는 각각의 안테나(10)가 연결되는 3개의 드라이버 스테이지(190)를 구비한 최종 증폭기(19)가 각각 존재한다. 내측 송신 안테나 어레이(36)의 송신 안테나(10)들은 또한 각각의 경사가 각각 다르다. 내측 송신 안테나 어레이(36)의 좌측 안테나(10)는 3°하방으로 편향되고, 중앙 안테나(10)는 경사진 시야를 갖지 않고, 내측 송신 안테나 어레이(36)의 우측 안테나(10)는 3°상방으로 경사진 시야를 가진다.
외측의 좌측 송신 안테나 어레이(36)에 속하고 6°하방으로 경사진 송신 안테나(10)와, 우측 송신 안테나 어레이(36)에 속하고 6°하방으로 경사진 안테나(10) 사이의 거리는 D이다. 둘 중 어느 것도 경사진 시야를 갖지 않는, 좌측 송신 안테나 어레이(36)와 우측 송신 안테나 어레이(36) 사이의 송신 안테나(10)들 사이와, 둘 다 6°상방으로 경사진 시야를 가진 송신 안테나(10)들 사이에도 동일한 거리가 존재한다.
장거리 모드에서 빔 번들(beam bundling)을 증가시키기 위해서 안테나 어레이, 즉 수신 안테나를 형성하는 다수의 안테나 라인들의 조합이 필요하다. 이 모드에서 수신기 채널들 모두가 활성화된다. 그러나 안테나 라인들의 수가 3개가 아닌 실시형태가 존재한다. 한 안테나의 안테나 라인들 중 중간 라인은 위상 중심(phase center)이라고 불린다.
근거리 모드에서 내측 개별 라인들만 사용된다. 안테나 어레이와 달리, 수신기의 위상 중심은, 넓은 빔 스위프가 가능하도록, 서로 더욱 가깝다. 수신 안테나 어레이는 통상 10°의 수직 빔 폭을 가진다.
송신기는 또한 장거리를 위해 안테나 어레이를 사용하고 근거리를 위해 개별 라인들을 사용한다. 안테나 어레이들과 개별 라인들은 각각의 탐지 범위를 최적으로 조사하도록 설계된다.
장거리 모드에서 3개의 외측 안테나 어레이가 사용되고, 근거리 모드에서 내측에 위치한 개별 라인들이 사용된다. 송신기는 장거리 모드에서 통상 5°의 수직 빔 폭을 갖고, 근거리 모드에서 10°의 빔 폭을 가진다.
물체의 수직 위치를 결정하기 위해서, 안테나 어레이 또는 개별 라인들은, 안테나 또는 안테나 어레이의 수직 다이어그램이 메인 빔 방향이 통상 6°상방으로 정렬되도록, 설계되며, 제2 안테나는 경사진 시야를 갖지 않고 제3 안테나는 하방으로 6°편향된다.
안테나의 편향(squinting)은 개별 빔 요소들 사이의 거리(L)를 증가시키거나 감소시켜 달성된다. 각도 θ만큼 편향된 안테나에서 거리(Ls)는 다음 식에 의해 대략적으로 기술될 수 있다:
Figure pct00001
여기서, L은 제1 빔 요소와 제2 빔 요소 사이의 거리이다. 제2 빔 요소와 제3 빔 요소 사이의 거리는 Ls이다.
상기 메인 어레이 빔 방향은 y 방향에 대해서 다르다. 상기 각도 θ는 송신 안테나의 메인 빔 방향과 z축 사이의 각도이다. 각도 θ가 클수록 상기 빔 방향의 수직 부분이 더 크다.
물체의 수직 위치를 결정하기 위해서, 하방, 중간 및 상방을 지향하는 송신 안테나가 측정 사이클마다 차례로 활성화된다. 동일한 속도 및 거리를 가진 각 사이클에서 일어나는 물체가 서로 비교된다. 물체의 높이는 진폭 비율로부터 결정될 수 있다. 상기 방법은 "순차 로빙(lobing)"이라고 한다.
상기 수직 빔 스위프는, 교량 등과 같은 허위의 목표물을 탐지하기 위해서, 및 설치 시와 차량의 적재 조건 변경 시 자동-보정을 실행하기 위해서 중요하다.
안테나 애퍼처를 인위적으로 수평으로 연장하여 소위 합성 애퍼처를 형성하기 위해서, 좌측 안테나 어레이 및 우측 안테나 어레이는 측정 사이클 동안 변조 기간마다 번갈아 활성화된다.
측정 시퀀스는 예를 들면 다음과 같다: 먼저, 제1 측정 사이클에서, 좌측 또는 최초 송신안테나 어레이의 좌측 안테나가 활성화되고, 다음에 우측 또는 최종 송신 안테나 어레이의 좌측 안테나가 먼저 활성화된다. 이후의 제2 측정 사이클에서, 좌측 또는 최초 송신 안테나 어레이의 중간 안테나가 먼저 활성화되고, 다음에 우측 또는 최종 송신 안테나 어레이의 중간 안테나가 활성화되며, 이후의 제3 측정 사이클에서, 좌측 또는 최초 송신 안테나 어레이의 우측 안테나가 먼저 활성화되고, 다음에 우측 송신 안테나 어레이의 우측 또는 최종 안테나가 활성화된다. 제3 측정 사이클 이후에, 상기 방법은 제1 측정 사이클로 다시 순환한다. 활성화 동안에 송신기의 주파수는 FMCW(frequency modulated continuous wave)에 따라 변한다.
그러나, 제1 국면에서, 좌측 또는 최초 송신 안테나 어레이의 좌측, 중간 및 우측 송신 안테나가 차례로, 그 다음 우측 또는 최종 송신 안테나 어레이의 좌측, 중간 및 우측 송신 안테나가 차례로, 번갈아서 활성화되는 것도 가능하다.
레이더의 사용 시 수직 스위프 움직임은 장거리에 대해 너무 자주 실행될 필요가 없다는 것이 지적되는데, 이는 물체가 레이더 센서로부터 여전히 상대적으로 멀리 떨어져 있기 때문이다.
상기 좌측 또는 최초 송신 안테나 어레이 및 우측 또는 최종 송신 안테나 어레이는 도 2에 도시된 것과 같이 거리(D)만큼 서로 이격되어 배열된다. 여기서, 동일한 빔 방향을 가진 송신 안테나 어레이들 사이의 거리는 D이며, 상기 거리는 각각의 송신 안테나 어레이의 초점으로부터 각각 측정된다. 이 경우에 상기 초점은 각각 안테나 라인의 중심인 위상 중심에 위치한다. 거리 D는 맨 좌측 또는 최초 수신 안테나의 위상 중심과 맨 우측 또는 최종 수신 안테나의 위상 중심 사이의 거리이다.
송신 안테나 어레이 배열의 위치는 도 2에 도시한 것과 같이 반드시 수신 안테나 어레의 반대 측에 위치할 필요는 없다. 송신 안테나는 수신 안테나 어레이의 좌측 및 우측 또는 바로 인접하는 위치를 포함하여 임의의 지점에 위치할 수 있다. 이것은 만일 센서의 설치 높이가 감소하거나 또는 예를 들어 만일 센서가 차량의 범퍼에 설치되는 경우라면 특히 유리하다.
수신기들의 신호는 먼저 디지털화되고 그 다음 "디지털 빔 형성 방법"에 의해 서로 혼합되며 16개의 안테나 라인의 2배의 안테나 어레이에 대응하는 안테나 빔 번들이 형성된다. 이 빔 번들은, 개별 라인들의 수신 신호에 대한 적절한 위상 시프트와 가중치 부여를 통해, 원하는 관측 각도의 방향으로 정렬될 수 있다. 상기 방법은 상기 문헌에서 "전방지향 합성 개구 레이더(forward looking SAR(synthetic aperture radar))로서 알려져 있다.
도 3의 위에는 실제 애퍼처가 도시되어 있고 아래에는 레이더의 합성 배열이 도시되어 있다.
이 배열의 한 가지 특징은, 실제 안테나 라인과 합성 안테나 라인이 서로 상부에 위치하게 되는 것이다. 이것으로부터 추론할 수 있는 요건은, 이들 2개의 안테나 라인이 동일한 신호를 수신해야 한다는 것이다.
그러나 이것은 물체가 움직이는 경우는 아닌데, 이는 차례로 수신된 2개의 신호의 시간 오프셋으로 인하여 물체가 상이한 위치를 취할 수 있기 때문이다. 이것은, 사용된 기능 조립체들의 물리적 성질에 의해 초래될 수 있는 위상 시프트에 대해서 및 상이한 변조 상태에 대해서도 동일하게 적용된다. 이들 시프트에 의해 레이더 이미지에 왜곡과 허상이 발생한다.
DE 10 2008 061 932 A1에 개시된 것과 같이, 디지털 빔 형성을 위한 보정 인자들은 상하 관계로 위치하는 수신 채널들의 신호들로부터 결정될 수 있다. 이 목적을 위해 필요한 신호처리 절차 역시 DE 10 2008 061 932 A1에 설명되어 있으며 이 문헌의 내용은 참조에 의해 본 명세서의 일부로서 포함된다.
도 4는 레이더의 제2 실시형태에 대한 애퍼처를 도시하며, 상부에는 실제 애퍼처를 도시하고 하부에는 합성 애퍼처를 도시한다. 제2 실시형태에 의하면, 송신기들은 거리 D+dx 만큼 떨어져 배열되어 있다. 이것은, 외측 송신 안테나 어레이의 평행한 메인 빔 방향을 가진 송신 안테나들 사이의 거리가 D + dx 인 것을 의미한다.
여기서 dx는 2개의 수신 안테나 사이의 거리이고, 여기서는 서로 이웃하여 위치하는 외측 수신 안테나들의 위상 중심들 사이의 거리이다. 도 4에 도시한 것과 같은 합성 어레이가 생성된다. 그러면 안테나 애퍼처는 최적으로 이용된다.
그러나, 보정 인자들은 이제 중첩하는 안테나 라인들의 신호로부터 획득될 수 없다. 이 경우에 있어서 물체 움직임에 의한 수신 신호의 위상 시프트를 보상하기 위해서 속도-의존적인 도플러 보정이 계산된다. 이 위상 시프트는 좌측 또는 최초 송신기의 활성화와 우측 또는 최종 송신기의 활성화 사이의 알려진 시간 오프셋 및 물체 속도로부터 계산될 수 있다. 상기 물체 속도는 소위 거리-도플러 매트릭스(range-Doppler matrix)로부터 구해진다. 거리-도플러 매트릭스는 다중-채널 도플러 필터의 기능을 수행한다. 각각의 개별 필터에 대해, 신호 위상은 이제 다음 식에 따라 △Φ 값에 의해 보정된다:
ΔΦ := 2 . π . 1dopp . δfd . ΔT
여기서, 1dopp는 도플러 필터 개수이고, δfd는 도플러 필터의 대역폭이며, ΔT는 좌측 또는 최초 송신기의 활성화와 우측 또는 최종 송신기의 활성화 사이의 시간 오프셋이다.
추가의 실시형태에서 추가의 송신기 안테나 어레이가 추가될 수 있으며, 기존의 송신 안테나 어레이와 추가의 송신 안테나 어레이 사이의 거리는 각각 D 또는 D+dx이다. 그러면 상기 합성 어레이는 그것에 의해 각각 동등하게 증가한다.
1: 송신기 2: 수신기 블록 10: 송신 안테나
11: 드라이버 12: 증폭기 13: 주파수 발생기
14: 주파수 분할기 16: 변조기 17: 빔 송신 요소
18: 안테나 라인 19: 최종 증폭기 20: 수신 안테나
21: 믹서 22: 주파수 체배기 23: 스트립 라인
24: 빔 수신 요소 28: 안테나 라인 36: 송신 안테나 어레이

Claims (16)

  1. 물체, 특히 움직이는 물체의 위치를 결정하는 장치에 있어서,
    각각 복수의 송신 안테나를 가진 2개 이상의 스위칭 송신 안테나 어레이(36); 및
    최초 수신 안테나에서 시작하여 최종 수신 안테나에서 끝나는 연속적인 줄로 서로 이웃하여 배열되는 복수의 수신 안테나(20)를 포함하는 수신 안테나 배열체를 포함하고,
    상기 복수의 송신 안테나(10)는 메인 빔 방향이 서로 상이하고,
    상기 송신 안테나 어레이(36)는, 동일하고 수직인 메인 빔 방향을 가진 2개의 송신 안테나(10) 사이의 거리가 i) 최초 수신 안테나(20)와 최종 수신 안테나(20) 사이의 거리(D)와 동일하거나, ⅱ) 상기 최초 수신 안테나(20)와 상기 최종 수신 안테나(20) 사이의 거리(D)와 2개의 인접한 수신 안테나(20) 사이의 거리의 합과 동일하도록, 배열되며,
    상기 i)에서, 상기 수신 안테나들은 상기 수신 안테나들의 측 또는 반대 측의 임의의 위치에 배열되고,
    상기 거리들은 상기 송신 안테나(10)들 및 수신 안테나(20)들의 위상 중심에 각각 관련되고 상기 최종 수신 안테나에서 상기 최초 수신 안테나로 향하는 방향에 각각 관련되는, 물체의 위치를 결정하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 외측 수신 안테나(20)들은 평행한 3개 이상의 안테나 라인(28)을 각각 구비하고,
    상기 수신 안테나(20)의 안테나 라인(28)들 중 중간 라인은 그룹의 위상 중심을 각각 형성하고,
    상기 거리들은 상기 수신 안테나(20)들의 상기 위상 중심의 초점에 각각 관련되는, 물체의 위치를 결정하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    2개의 인접한 수신 안테나(20) 사이의 거리는 평행한 3개 이상의 안테나 라인(28)을 각각 구비하는 수신 안테나(20)에 관련되고,
    상기 수신 안테나(20)의 안테나 라인(28)들 중 중간 라인은 그룹의 위상 중심을 각각 형성하고,
    상기 거리들은 상기 수신 안테나(20)들의 상기 위상 중심의 초점에 각각 관련되는, 물체의 위치를 결정하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    내측에 위치하는 수신 안테나(20)의 라인들은 1개 이하의 수신 안테나 라인(28)을 가지는, 물체의 위치를 결정하는 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 외측 송신 안테나(10)들은 평행한 3개 이상의 안테나 라인(18)을 각각 구비하고,
    상기 송신 안테나(10)의 안테나 라인(18)들 중 중간 라인은 그룹의 위상 중심을 각각 형성하고,
    상기 거리들은 상기 송신 안테나(10)들의 상기 위상 중심의 초점에 각각 관련되는, 물체의 위치를 결정하는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 사이클에서 제1 송신 안테나 어레이(36)의 송신 안테나(10)들에 의해 방사되는 신호, 및 시간상 후속하는 제2 사이클에서 제2 송신 안테나 어레이(36)의 송신 안테나(10)에 의해 방사되는 신호를 생성하는 주파수 발생기(13)를 포함하는, 물체의 위치를 결정하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사이클들 내에서, 1개의 송신 안테나 어레이(36)의 송신 안테나(10)들은 시간상 연속해서 상이한 메인 빔 방향으로 각각 송신하는, 물체의 위치를 결정하는 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수신 안테나의 개수는 8, 16 또는 32인, 물체의 위치를 결정하는 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    근거리용 송신 채널의 개수는 6 또는 12이고 장거리용 송신 채널의 개수는 6 또는 12인, 물체의 위치를 결정하는 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    송신 안테나 및 수신 안테나 양자는 결합하여 장거리용 안테나 어레이를 형성하는, 물체의 위치를 결정하는 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    안테나 다이어그램에 의해 상기 물체의 위치를 나타내는 표시장치를 포함하는, 물체의 위치를 결정하는 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 의한 물체의 위치를 결정하는 장치를 포함하는 레이더 시스템.
  13. 물체, 특히 움직이는 물체의 위치를 결정하는 방법에 있어서,
    상이한 메인 빔 방향을 가진 송신 안테나들에 의해 시간상 연속해서 송신되고, 한 줄로 배열된 복수의 다중 수신 안테나에 의해 상기 물체에서 반사된, 일련의 수신 신호들을 수신하는 단계;
    상기 수신 신호들을 디지털화하는 단계;
    디지털 빔 형성 방법에 의해 상기 수신 신호들을 혼합하여 안테나 빔 번들을 형성하는 단계;
    상기 안테나 빔 번들에 대응하는 중첩하는 안테나 라인들의 출력 신호들을 비교함으로써 2차원 FFT(fast fourier transform)에 의해 속도 보정 및 거리 보정을 실행하는 단계;
    동일한 거리 값 및 동일한 속도 값을 가진 송신기의 상이한 메인 빔 방향들을 수신 신호들의 진폭과 비교하는 단계;
    상기 물체의 위치를 표시하는 단계를 포함하고,
    상기 송신 안테나들은 상기 수신 안테나 측 또는 반대 측의 임의의 위치에 배열되는, 물체의 위치를 결정하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 거리 보정에 추가하여 속도 보정이 이루어지는, 물체의 위치를 결정하는 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    관측 각도 범위에서 더 높은 수평 각도 해상도를 달성하기 위해서, 인접한 안테나 빔들의 진폭이 평가되는, 물체의 위치를 결정하는 방법.
  16. 제 13 항 또는 제 15 항에 있어서,
    더 높은 각도 해상도를 달성하기 위해서, 2개의 인접한 안테나 빔들의 합과 차가 평가되는, 물체의 위치를 결정하는 방법.
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