KR20140103236A - Method and apparatus for 3 dimension fmcw radar comprising multiple receiving antennas - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 공간상에 위치한 목표물의 좌표를 찾기 위한 레이더(RADAR; Radio Detection and Ranging)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고정된 다중 안테나를 이용하여 3차원(three-dimension)의 FMCW 레이더 (Frequency Modulation Continuous Wave RADAR)를 구현하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
기존의 3차원 레이더는 지향성이 높은 안테나를 회전해서 2차원 평면에 대한 데이터를 획득하고 앙각(elevation)을 변화시켜가면서 같은 방법으로 2차원 데이터를 획득하여, 이를 결합 3차원 측정을 완성한다. 또 다른 방법으로 다수의 어레이 안테나의 위상(phase)을 조절하여 안테나의 지향성(directivity)을 시간에 따라 변환시켜서 3차원 측정을 한다.The existing three - dimensional radar acquires the data on the two - dimensional plane by rotating the antenna with high directivity and acquires the two - dimensional data in the same way while changing the elevation and completes the combined three - dimensional measurement. Another method is to adjust the phase of a plurality of array antennas to convert the directivity of the antenna over time to make three-dimensional measurements.
기타 3차원 측정 방법으로 규정된 공간에 복수의 센서를 위치시켜 목표를 측정한 후 각각의 측정값으로부터 3차원 상의 목표 값을 획득한다. 고주파 신호나 레이저 신호를 사용하며, 기존의 3D 센서와 GPS (Global Positioning System), 이동통신 기지국, WLAN (Wireless Local Area Network) AP (Access Point)를 이용한 위치 기반 서비스가 이에 해당된다. The target is measured by placing a plurality of sensors in a space specified by the other three-dimensional measurement method, and a three-dimensional target value is obtained from each measured value. This is the case where a high-frequency signal or a laser signal is used, and a location-based service using an existing 3D sensor, a GPS (global positioning system), a mobile communication base station, and a wireless local area network (WLAN) access point (AP).
앞서 설명한 3차원 레이더를 구현하기 위해서는 안테나를 회전시키는 것이 요구되는데, 이를 위해 필요한 구동부와 안테나의 물리적 연결 등이 안테나의 가격을 높이고 수명을 단축하는 문제점이 있다. 또한 회전에 의한 3차원 스캔이 물리적으로 완성 후 3차원 결과 획득할 수 있기 때문에 목표 탐색에 지연이 생기는 문제점이 있다.In order to implement the above-described three-dimensional radar, it is required to rotate the antenna. To this end, there is a problem that the drive unit and the physical connection of the antenna increase the cost of the antenna and shorten the service life. In addition, there is a problem in that there is a delay in the target search because the three-dimensional scan by the rotation can physically obtain the three-dimensional result after completion.
따라서, 본 발명의 목적은 FMCW 레이더 내부에 다중의 수신 안테나를 삼각뿔 형태로 위치시키고, 상기의 안테나로 레이더 신호를 동시에 탐지함으로써 기존의 3차원 레이더의 문제점을 최소화면서 3차원 레이더를 구현할 수 있는 방법 및 그 장치를 제공함에 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method capable of implementing a three-dimensional radar while simultaneously minimizing the problems of existing three-dimensional radar by locating multiple receiving antennas in the form of a triangular pyramid in the FMCW radar and simultaneously detecting radar signals with the antenna And a device therefor.
상기한 바와 같이 본 명세서에 개시된 일 실시 예에 따른 다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법에 따르면 안테나의 회전과 빔 형성(beam-forming) 알고리즘 없이 실시간으로 3차원 상에서 목표로 하는 물체의 좌표를 획득할 수 있는 효과가 있다.
As described above, according to the three-dimensional FMCW radar method using multiple antennas according to the embodiment disclosed herein, it is possible to acquire coordinates of a target object in three dimensions in real time without antenna rotation and beam forming algorithm There is an effect that can be done.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 레이더 장치에 내장된 다중 안테나의 배치도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 안테나를 이용한 3차원 레이더의 구조에 대한 블록도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 2의 거리 계산부에서 구해진 주파수 비트(beat) 신호를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 2의 3차원 목표 측정 절차를 나타내는 순서도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 안테나를 이용한 3차원 레이더의 두 번째 구조에 대한 블록도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 5의 거리 계산부에서 구해진 주파수 비트(beat) 신호를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 5의 3차원 목표 측정 절차를 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 고안된 3차원 레이더 장치가 지상용 레이더로 사용될 때 신호의 송수신 개념도이다.
도 9는 도 8에서 두 개의 목표물에 의해 반사된 비트 신호의 구성을 주파수 스펙트럼 상에서 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 고안된 레이더가 선박용 레이더로 사용될 때 신호의 송수신 개념도이다.FIG. 1 is a layout diagram of multiple antennas embedded in a radar device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a structure of a three-dimensional radar using multiple antennas according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 3 shows a frequency beat signal obtained by the distance calculator of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention .
FIG. 4 is a flowchart illustrating a three-dimensional target measurement procedure of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram of a second structure of a three-dimensional radar using multiple antennas according to an embodiment of the present invention.
6 shows a frequency beat signal obtained by the distance calculator of FIG. 5 according to an embodiment of the present invention .
FIG. 7 is a flowchart illustrating a three-dimensional target measurement procedure of FIG. 5 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a conceptual diagram for transmitting and receiving signals when a three-dimensional radar device designed according to an embodiment of the present invention is used as a terrestrial radar.
FIG. 9 shows the configuration of a bit signal reflected by two targets in FIG. 8 in a frequency spectrum.
10 is a conceptual diagram of signal transmission / reception when a radar designed according to an embodiment of the present invention is used as a ship radar.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms including ordinals, such as first, second, etc., may be used to describe various elements, but the elements are not limited to these terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항복들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. The term " and / or " includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed yields.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may be present in between. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, Should not be construed to preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the relevant art and are to be interpreted as ideal or overly formal in the sense of the present invention Do not.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. The description will be omitted.
본 발명은 기존의 3D 레이더에서 안테나 구동 회로와 장치를 제거하여 가격을 절감하고, 실시간 탐지를 가능하게 한다. 그 구성은 FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더 무선 회로 구성에 좌표 구분 가능한 수신 안테나들을 추가하여 서로 다른 복수의 비트 신호들을 획득하고 디지털 신호처리단에서 이들의 편차와 안테나 좌표값을 이용하여 탐색된 목표의 좌표를 확정한다.The present invention eliminates the antenna driving circuit and the device in the conventional 3D radar, thereby reducing the price and enabling real-time detection. The configuration is such that a plurality of different bit signals are obtained by adding receive antennas which are distinguishable to the FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave) radar radio circuit configuration, and a plurality of different bit signals are obtained by using the deviation .
FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave)기술은 송신기의 넓은 대역폭을 이용하여 레이다의 측정 정밀도를 높일 수 있는 기술로 고주파를 사용하고 근거리 측정에 사용된다. FMCW 레이더는 주파수의 변화를 이용해 해상도를 가져가기 때문에, 레이더 송신기의 주파수 변화 폭을 넓혀서 레이더의 해상도를 높이는 것이 가능하다.Frequency Modulation Continuous Wave (FMCW) technology is a technology that can increase the measurement accuracy of a radar by using a wide bandwidth of a transmitter. It is used for high frequency and near field measurement. Since the FMCW radar uses a frequency change to obtain the resolution, it is possible to increase the resolution of the radar by broadening the frequency variation range of the radar transmitter.
본 발명에서 레이더 송신 신호와 수신 신호의 믹싱은, 송신 레이더 신호와 수신 레이더 신호가 서로 결합하여 그 결과 주파수 합과 주파수 차로 구성된 레이더 신호를 만들어 내는 과정을 의미한다. 본 발명에서는 상기의 주파수 차를 이용해 실시 예를 설명한다.In the present invention, the mixing of the radar transmission signal and the reception signal means a process in which a transmission radar signal and a reception radar signal are combined with each other, resulting in a radar signal having a frequency sum and a frequency difference. In the present invention, an embodiment will be described using the frequency difference.
본 발명에서는 레이더 신호와 비트(beat) 신호 구분을 위해, 송신 안테나에서 방사된 레이더 송신 신호와, 이 후 목표에 의해 반사되어 수신 안테나에서 수신된 후, 상기의 수신 신호와 송신 신호를 믹싱하여 만들어진 구형파까지를 레이더 신호로 정의하고, 상기의 레이더 수신 신호가 FFT (Fast Fourier Transform) 처리된 후 스펙트럼상에서의 구분 가능한 주파수 신호가 된 후 신호를 비트 신호라고 정의한다.In the present invention, in order to distinguish between a radar signal and a beat signal, a radar transmission signal radiated from a transmission antenna and a signal generated by mixing the reception signal and the transmission signal after being reflected by a target, A square wave is defined as a radar signal, and a signal is defined as a bit signal after the radar received signal is subjected to Fast Fourier Transform (FFT) processing and becomes a distinguishable frequency signal in the spectrum.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 레이더 장치에 내장된 다중 안테나를 이용한 3차원 레이더의 안테나 배치를 나타낸 것이다.1 illustrates an antenna arrangement of a three-dimensional radar using multiple antennas built in a radar device according to an embodiment of the present invention.
도 1에 나타낸 바와 같이 레이더 장치에 내장된 3 차원 레이더의 안테나는 세 개(103, 105, 107)의 삼각 배치된 안테나와 한 개(101)의 안테나가 삼각뿔 형태로 구성되며, 본 발명의 목표에 부합하도록 등방성(isotropic) 또는 전방성(Omni directional)을 가지거나 또는 넓은 방사각(Wide Radiation bandwidth)을 가진다. 여기서 등방성 안테나란 모든 방향에서 방사 성질이 같은 안테나를 뜻하고, 전방성 안테나란 특정 방향이 없는 무방향성 방사 특성이 있는 안테나를 뜻한다.As shown in FIG. 1, the antenna of the three-dimensional radar built in the radar device is configured such that three
도 1에 나타낸 수신 안테나들(101, 103, 105, 107)의 위치는 FMCW 신호 처리 단에서 구분 가능하도록 떨어진 되어야 하고, 동시에 최소의 면적을 가지도록 3개의 안테나는 선반 위에 삼각을 유지하고, 한 개의 안테나(101)는 삼각뿔을 형성하도록 배치한다. 배치된 안테나 좌표는 수신 비트 신호와 함께, 도 2의 신호처리 장치 (215)에 전달된다.The positions of the
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이더 장치에 내장된 다중 안테나를 이용한 3차원 레이더의 구조에 대한 블록도를 나타낸 것이다.2 is a block diagram illustrating a structure of a three-dimensional radar using multiple antennas built in a radar device according to an embodiment of the present invention.
도 2에 나타낸 바와 같이 다중 안테나를 내장한 3차원 레이더 장치의 구조는 신호발생부(201), 송신기(203), 송신 안테나(221)와 네 개의 수신 안테나(223, 225, 227, 229), 네 개의 수신기(209), 네 개의 믹서(211), 네 개의 거리 계산부(213) 그리고 신호처리부(215)로 구성된다. 2, the structure of a three-dimensional radar device including multiple antennas includes a
신호 발생기(201)에서 만들어진 광대역 레이더 신호는 장거리 전송을 위하여 송수기(203) 부에서 아날로그 신호처리된 후, 하나의 안테나(221)로 공간을 향해 방사된다. The broadband radar signal generated by the
상기의 아날로그 신호 처리는 신호의 크기 증폭과 대역 설정을 위한 여과, 송신신호를 일정하게 유지하기 위한 기능, 방사 신호를 감시하려는 기능들을 포함한다.The analog signal processing includes amplification of a signal and filtering for setting a band, a function for keeping a transmission signal constant, and a function for monitoring a radiation signal.
방사된 레이더 송신 신호가 목표 물체에 도달하여 목표 물체에 의해 반사되고, 반사된 레이더 신호는 방사된 거리를 되돌아 레이더에 도착한다. 송신기와 목표물 사이를 왕복한 레이더 신호는, 수신될 때 레이더와 목표 물체 간을 왕복한 만큼의 지연을 특징으로 가지고, 네 개의 수신기에서 수신된 레이더 신호는 서로 구분 가능한 지연 차이를 가진다.The radiated radar transmission signal reaches the target object and is reflected by the target object, and the reflected radar signal returns to the radiated distance and arrives at the radar. A radar signal between the transmitter and the target is characterized by a delay as long as it is between the radar and the target object when received, and the radar signals received from the four receivers have differential delays.
상기 신호 발생기(201)의 주파수 변화폭 또는 대역폭(frequency sweep range or frequency bandwidth)은 복수의 안테나가 도 1 과 같이 레이더 수신 안테나가 삼각뿔 형태로 구성되었을 때, 각 안테나 간의 위치가 서로 구분 가능하여 목표로 하는 물체에 대한 방위와 각도를 획득할 수 있도록 충분히 넓어야 하며 주어진 주파수 변화폭 내에서보다 높은 해상도를 가지도록 1Hz 이하의 주파수 step을 가질 수 있다.1, when a plurality of antennas are configured in a triangular pyramidal shape as shown in FIG. 1, the positions of the antennas can be distinguished from each other, and a target frequency band (frequency sweep range or frequency bandwidth) It should be wide enough to acquire azimuth and angle to the object and may have a frequency step of less than 1Hz to have a higher resolution within a given frequency variation range.
상기 수신 안테나(223)에 도달된 레이더 수신 신호는 레이더 수신기(209)로 전달되어 아날로그 신호처리를 거친 후 믹서(211)에 인가된다. 믹서(211)는 송신 측에 입력된 송신 신호와 레이더 수신기(209)에서 입력된 수신 신호의 차를 거리 계산 부(213)에 전달한다.The radar received signal arriving at the
거리계산부(213)는 전달받은 레이더 수신 신호를 필터링과 증폭 과정을 거쳐 디지털신호로 변환하여 FFT(Fast Fourier Transform) 처리한다. FFT 처리된 레이더 수신 신호는 수신 안테나와 목표물 간의 거리에 비례하는 주파수 값을 가진다. 거리 계산부(213)에서 계산된 주파수는, 가까운 거리에 있는 목표는 낮은 주파수로 출력되고 먼 거리에 있는 목표는 높은 주파수로 출력되는 특징이 있다. The
나머지 수신 안테나들(225, 227, 229)에 도달된 레이더 수신 신호들도 상기 수신 안테나(223)에서와 마찬가지로, 레이더 수신 신호와 신호발생기(201)에서 발생한 송신 신호(203)를 믹싱(211)하여 얻은 신호를 각각 FFT 처리하여 주파수 스펙트럼 상의 비트 신호(301)를 획득하며, 이를 통해 수신 안테나 (225, 227, 229)와 목표 물체 간의 거리 값을 각각 계산한다.The radar reception signals arriving at the
상기 구해진 네 개의 거리 값은 각각의 수신 채널 안테나(223, 225, 227, 229)의 안테나 좌표값들과 함께 목표 물체에 대한 좌표 획득을 위해서 신호 처리부(215)에 전달된다. 신호 처리부(215)에서는 구해진 거리 값을 반지름으로 하는 네 개의 구 또는 구의 궤적을 전달받은 안테나 좌표를 중심으로 공간상에 그린다. 본 발명에서는 그려진 네 개의 구가 만나는 점을 목표 물체에 대한 방위와 고도로 계산한다.The obtained four distance values are transmitted to the
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 2의 거리 계산부에서의 주파수 비트(beat) 신호를 나타낸 것이다. 3 shows a frequency beat signal in the distance calculator of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention .
도 3의 비트들은, 도 2의 구조에서 목표 물체에 반사된 레이더 신호가 네 개의 수신 안테나(223, 225, 227, 229)들을 통해서 각각 수신되고, 수신된 신호는 레이더 수신기(Radar receiver)(209)에서 아날로그 신호 처리된 후 믹서(211)에서 송신 신호와 결합하여 두 신호의 차 성분으로 변환되어 출력된다.3, the radar signals reflected on the target object in the structure of FIG. 2 are respectively received through four receiving
상기 거리계산부(213)에서는 상기 믹서에서 출력된 신호들을 각각 FFT 처리하여 주파수 비트 신호(301, 303, 305, 307)를 생성한다. 상기 거리계산(213)부에서 획득된 주파수 비트는 레이더와 목표 물체까지의 거리에 비례하는 특징이 있기 때문에 레이더의 신호 처리부(215)에서 목표 물체까지의 거리를 계산에 사용된다.The
도 3에서 주파수 비트(301, 303, 305, 307)는 목표 물체에 대한 각 수신 안테나들의 상대적 위치 또는 좌표와 대응되고, 주파수 비트의 변화폭(309)은 수신 안테나 사이의 간격에 비례한다. 예를 들면 도 1에 나타낸 삼각뿔 안테나 중 목표 물체에 가장 가까운 안테나에서 수신된 신호가 301에 위치하고 두 번째 가까운 안테나에서 수신된 신호가 303에 위치하고 가장 먼 거리에 있는 안테나에서 수신된 신호가 307에 위치한다.In FIG. 3, the
이 경우 레이더 내부에 배치된 안테나 중 목표에 가장 가까운 안테나의 비트(301)를 중심으로 그려지는 구가 가장 작은 크기를 가지고, 두 번째로 가까운 안테나의 비트(303)를 중심으로 그려지는 구가 두 번째로 작은 크기를 가진다. 같은 방법으로 세 번째와 네 번째 구의 크기가 결정된다.In this case, the sphere drawn around the
여기서도 3에 나타낸 비트 신호(301, 303, 305, 307)들의 주파수 영역에서의 위치는 수신 안테나(223, 225, 227, 229)와 탐색하고자하는 목표 물체 사이의 위치가 변동됨에 따라서 주파수 영역에서의 위치가 서로 변동될 수 있다.The position of the bit signals 301, 303, 305 and 307 shown in FIG. 3 in the frequency domain corresponds to the positions of the
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 2에서, 레이더 장치에 내장된 다중 안테나를 이용한 3차원 목표 측정 절차를 나타내는 순서 도이다.FIG. 4 is a flowchart illustrating a three-dimensional target measurement procedure using multiple antennas built in a radar apparatus in FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.
도 4에 나타낸 바와 같이 신호발행부(201)에서 발생한 신호는 송신기(203)에서 장거리 방사를 위해 아날로그 신호 처리된 후 송신 안테나(221)를 통해 공간상으로 방사(S401)되고, 공간상으로 방사된 신호는 목표물을 만나 반사(S403)되고, 수신 안테나(223, 225, 227, 229)에서는 반사된 신호(S405)를 수신한다. 수신된 신호로부터 송수신 안테나와 목표물 간의 거리값을 획득(S407)한다. 상기에서 획득된 거리 값(S407)과 안테나 좌표 값(S411)들을 이용하여 목표에 대한 위치를 추정(S409)한다.As shown in FIG. 4, the signal generated by the
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정된 다중 안테나를 이용한 3차원 레이더의 두 번째 블록도를 나타낸 것이다.5 is a second block diagram of a 3D radar using fixed multiple antennas according to an embodiment of the present invention.
도 5에 나타낸 바와 같이 고정된 다중 안테나를 이용한 3차원 레이더의 구조는 신호발생부(501), 송신기(503), 송신 안테나(521)와 네 개의 수신 안테나(523, 525, 527, 529), 네 개의 지연소자(505), 파워 결합기(507), 한 개의 믹서(509), 한 개의 거리 계산부(511) 그리고 신호처리부 (513)로 구성된다. 여기서 수신 안테나를 구분하기 위한 시간 지연(505)은 안테나의 배치를 변경하여 네 개의 안테나가 기지의(predetermined) 서로 다른 지연을 가지게 하여 얻을 수도 있다.5, the structure of the three-dimensional radar using fixed multiple antennas includes a
도 5은 고정된 3차원 레이더의 두 번째 구조를 나타낸 것으로서, 도 2과 동일하게 1개의 송신안테나와 네 개의 수신 안테나로 구성되지만, 수신 안테나 각각의 좌표가 신호처리 장치(513)로 전달되지 않는다. 대신에 수신 안테나들(523, 525, 527, 529)이 각각 고유한 기지의 시간 지연 (predetermined delay)(505)을 가지고, 파워 결합기(507)에 접속되어 파워 결합한다. 상기 결합한 신호는 송신 신호(503)와 믹싱(509)되어 이 두 신호의 차가 믹서(509)에서 출력되고 상기 출력된 신호는 거리계산부(511)에서 FFT(Fast Fourier transform)처리되어 도 6에 나타낸 것과 같은 네 개의 비트 신호로 주파수 영역에서 나타나게 된다. FIG. 5 shows a second structure of the fixed three-dimensional radar. As shown in FIG. 2, it is composed of one transmitting antenna and four receiving antennas, but coordinates of each receiving antenna are not transmitted to the
상기 획득된 네 개의 비트 신호는 도 2의 구조와는 달리 각 수신 안테나(523. 525, 527, 529)의 위치에 따른 주파수 편차의 특징(609)과 각 레이더 수신 안테나 수신단에 위치한 지연(505)에 따른 주파수 편차(601, 603, 605)의 특징을 모두 포함하게 된다.Unlike the structure of FIG. 2, the obtained four bit signals have a characteristic 609 of frequency deviation according to the positions of the respective receiving
따라서, 도 5의 방법은 도 2의 방법과 달리 거리계산부(511)에서 레이더 수신 신호가 각 안테나의 지연 값들이 함께 FFT 처리되고, 주파수 비트 신호로 변환된 신호(도 6)에서 각 수신 안테나에 대한 위치 정보들을 추출할 수 있기 때문에 별도로 수신 안테나의 좌표에 대한 정보가 없이 수신된 주파수 비트 스펙트럼만을 가지고도 목표 물체에 대한 위치를 추정할 수 있다.5 differs from the method of FIG. 2 in that the radar reception signals are subjected to FFT processing together with the delay values of the respective antennas in the
도 2와 도 5의 구성에서 송신용 안테나(221, 521)는 배치상 도 1의 안테나 101과 공동으로 사용할 수도 있는데, 이 경우에는 circulator 와 같은 송수신 신호 분리 회로가 적용될 수 있다.2 and 5, the
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 5의 거리 계산부에서 구해진 주파수 비트 신호를 나타낸 것이다. FIG. 6 shows frequency bit signals obtained by the distance calculator of FIG. 5 according to an embodiment of the present invention .
도 6은 목표 물체에서 반사된 레이더 신호가 네 개의 수신 안테나(523, 525, 527, 529)를 통해서 각각 수신되고 각각 다른 기지의 시간 지연 (predetermined delay)을 거쳐 파워 결합기(507)에서 결합한 신호가 거리 계산부(511)에서 FFT 처리되어 주파수 비트 신호로 변환되고, 변환된 비트 신호가 목표 물체까지의 거리를 계산하는데 이용된다. 여기서 획득된 주파수 비트 신호는 레이더와 목표 물체까지의 거리에 비례하는 특징이 있기 때문에, 이를 이용해 목표물의 위치 계산을 할 수 있다.6 shows a case where a radar signal reflected from a target object is received through four receiving
도 6은 도 3에 나타낸 것과는 다르게 상기 네 개의 수신 안테나(523, 525, 527, 529)를 통해서 수신된 신호가 각각의 기지의 지연 값(predetermined delay value)과 함께 하나의 거리 계산부(511)에서 FFT 처리되어 주파수 비트 신호로 변환되기 때문에 상기 기지의 지연 값으로부터 수신 안테나(523, 525, 527, 529)를 각각 구분하는 것이 가능하다.6, the signals received through the four
따라서 신호처리부(513)는 수신 안테나(523, 525, 527, 529) 각각에 대한 별도의 좌표 정보 없이도 거리 계산부(511)에서 계산된 주파수 비트를 이용하여 최종적으로 목표 물체에 대한 위치를 계산할 수 있다.Therefore, the
도 7는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 5에서, 레이더 장치에 내장된 다중 안테나를 이용한 3차원 목표 측정 절차를 나타내는 순서도이다.FIG. 7 is a flowchart illustrating a three-dimensional target measurement procedure using multiple antennas built in a radar apparatus in FIG. 5 according to an embodiment of the present invention.
도 7에 나타낸 바와 같이 신호발생부(501)에서 발생한 신호는 송신기(503)를 거쳐 방사(S701)되고, 공간상으로 방사된 신호는 목표물을 만나 반사(S703)되고, 수신 채널에서는 반사된 신호를 수신하여 결합(S705)한다. 수신된 신호로부터 송수신 안테나와 목표물체 간의 거리 값을 획득(S707)한다. 상기에서 획득된 거리 값들과 안테나 좌표값들을 이용하여 목표에 대한 위치를 결정(S709)한다.7, the signal generated in the
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 고안된 레이더 장치가 지상용 레이더로 사용될 때 신호의 송수신 개념도이다. 도 8은 고정된 다중 안테나를 이용한 3차원 레이더가 지상에서 2개의 목표물을 찾는 경우를 나타낸 것으로서 세 개의 안테나를 삼각 배치하여 3차원 좌표를 획득할 수 있다. FIG. 8 is a conceptual diagram of signal transmission / reception when a radar device designed according to an embodiment of the present invention is used as a ground-based radar. FIG. 8 shows a case where a three-dimensional radar using fixed multiple antennas finds two targets on the ground, and three-dimensional coordinates can be obtained by triangulating the three antennas.
도 9에서 나타낸 바와 같이 본 발명은 2개 이상의 목표에 대하여서도 같은 도 4와 도 7의 거리 계산 및 좌표 확정 절차를 통하여 목표물의 좌표를 찾을 수 있다. 도 9의 실시 예의 경우에는 삼각뿔을 형성하는 도 1의 안테나(101)는 그 역할이 송신 안테나로 제한될 수도 있다. As shown in FIG. 9, the present invention can find the coordinates of the target through the distance calculation and coordinate determination procedures of FIGS. 4 and 7 for two or more targets. In the case of the embodiment of FIG. 9, the
도 9는 그림 8과 같이 두 개의 목표 물체에 의해 반사된 비트 신호의 구성을 주파수 스펙트럼 상에서 나타낸 것이다. 수신 안테나들의 위치가 목표 물체와 가까운 거리에 있을 때, 목표 물체에 의해 반사된 신호군(901)은 가까운 거리에 비례하는 주파수 값(905)를 가지고, 수신 안테나들의 위치가 목표 물체와 먼 거리에 있을 때, 목표 물체에 의해 반사된 신호군(903)은 먼 거리에 비례하는 주파수 값(907)을 가진다.FIG. 9 shows the configuration of a bit signal reflected by two target objects in a frequency spectrum as shown in FIG. When the position of the reception antennas is close to the target object, the
도 9는 다중 안테나를 내장한 3차원 FMCW 레이더가 복수의 목표를 가진 경우의 비트 신호 구성을 나타낸 것으로서, 수신된 비트 신호의 그룹 2개(901, 903)를 주파수 상에서 표현했고, 목표 물체에 대한 좌표를 결정하는 방법은 주파수 수신 비트(901)에 대하여, 도 2와 도 5에의 방법에서 구를 그리는 것 또는 비트 신호들의 편차를 계산하는 과정을 각각 수행하여 수신 주파수 비트(901)에 대한 거리와 방위, 좌표값을 결정하고, 수신 주파수 비트(903)에 대해서도 같은 과정을 반복한다.9 shows a bit signal configuration in a case where a three-dimensional FMCW radar with multiple antennas has a plurality of targets, in which two
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 고안된 레이더가 선박용 레이더로 사용될 때 신호의 송수신 개념도이다. 도 10은 고정된 다중 안테나를 이용한 3차원 안테나가 선박용 레이더로 운용될 경우를 나타낸 것으로서 전방성 특징을 가진 세 개의 안테나를 이용하여 전파를 송수신하고, 본 고안에서는 수신 주파수 비트 신호를 이용하여 2차원으로 원을 그려서 목표의 위치를 확정할 수 있다.10 is a conceptual diagram of signal transmission / reception when a radar designed according to an embodiment of the present invention is used as a ship radar. FIG. 10 shows a case in which a three-dimensional antenna using fixed multiple antennas is operated as a shipboard radar. In the present invention, three-dimensional antennas having a forward characteristic are used to transmit and receive radio waves. You can determine the position of the target by drawing a circle with.
레이더가 설치되는 지역(공간) 또는 선박, 비행체의 크기가 큰 경우 고안된 레이더의 안테나의 숫자를 네 개 이상으로 늘리거나, 안테나 간의 떨어진 거리를 넓혀서 데이터를 획득할 수 있다.
Data can be acquired by increasing the number of antennas of the radar designed for the area (space) where the radar is installed or the size of the ship or the aviation body to four or more, or by increasing the distance between the antennas.
101; 삼각뿔 꼭지 안테나
103, 105, 107; 삼각 배치된 안테나
109; 삼각뿔의 밑면 삼각
201; 광대역 신호 발생기
203; 레이더 신호 송신기
207; 수신 안테나
209; 레이더 신호 수신부
211; 송신 신호와 수신 레이더 신호의 주파수 차를 추출하기 위한 믹서
213; 두 신호 차를 FFT 취하여 비트 신호를 구하고, 거리를 계산
215; 신호처리부; 네 개의 안테나 좌표와 네 개의 비트 신호로 목표물의 3D좌표 확정
223, 225, 227, 229; 수신 채널
301; 수신된 4개의 비트 신호
302; 송신 신호와 수신 신호 주파수 차
401, 304, 405, 407 ; 수신된 4개의 비트 신호 구성
S501; 광대역 신호 송신
S503; 목표에 의한 신호의 반사
S505; 반사 신호 수신
S507; 채널별 거리 값 획득
S509; 목표물에 대한 좌표 확정
601; 광대역 신호 발생기
603; 레이더 신호 송신기
621, 6133, 225, 227; 수신 채널
607; 수신 안테나
609; 지연소자
611; 채널 621, 623, 625, 627의 레이더 신호를 결합
613; 송신 신호와 수신 레이더 신호의 주파수 차를 추출하기 위한 믹서
615; 두 신호 차를 FFT 취하여 4개의 비트 신호를 구하고, 거리를 계산
617; 신호처리부; 4개의 안테나 좌표와 4개의 비트 신호로 목표물의 3D좌표 확정
701; 수신된 비트 신호의 스펙트럼 내 떨어진 거리
702; 지연소자에 의한 수신 비트 스펙트럼 내 떨어진 거리
S801; 광대역 신호 송신
S803; 목표에 의한 신호의 반사
S805; 반사 신호 수신
S807; 채널별 거리 값 획득
S809; 목표물에 대한 좌표 확정
901, 903, 905, 907; 삼각뿔 배치의 안테나
909; 안테나 배치용 케이블
1001; 안테나
1003; 레이다 신호 수신부와 신호처리부
1005; 사용자 인터페이스
1201; 목표 1에 의한 비트 신호
1203; 목표 2에 의한 비트 신호101; Triangular-pyramid antenna
103, 105, 107; Triangularly arranged antenna
109; Triangle bottom triangle
201; Broadband signal generator
203; Radar signal transmitter
207; Receiving antenna
209; Radar signal receiver
211; A mixer for extracting a frequency difference between a transmission signal and a reception radar signal
213; Take the FFT of the two signal differences to obtain the bit signal and calculate the distance
215; A signal processor; Determine the 3D coordinates of the target with four antenna coordinates and four bit signals
223, 225, 227, 229; Receive channel
301; The received four bit signals
302; The difference between the transmitted signal and the received signal frequency
401, 304, 405, 407; The received four bit signal configuration
S501; Broadband signal transmission
S503; Reflection of signal by target
S505; Reception of reflection signal
S507; Obtain distance value for each channel
S509; Determination of the coordinates for the target
601; Broadband signal generator
603; Radar signal transmitter
621, 6133, 225, 227; Receive channel
607; Receiving antenna
609; Delay element
611; Combine the radar signals of channels 621, 623, 625, 627
613; A mixer for extracting a frequency difference between a transmission signal and a reception radar signal
615; FFT of two signal differences to obtain four bit signals and calculate distance
617; A signal processor; Determine the 3D coordinates of the target with four antenna coordinates and four bit signals
701; The distance in the spectrum of the received bit signal
702; Distance in received bit spectrum by delay element
S801; Broadband signal transmission
S803; Reflection of signal by target
S805; Reception of reflection signal
S807; Obtain distance value for each channel
S809; Determination of the coordinates for the target
901, 903, 905, 907; Antenna with triangular arrangement
909; Antenna laying cable
1001; antenna
1003; The radar signal receiving unit and the signal processing unit
1005; User interface
1201; Bit signal by
1203; Bit signal by
Claims (13)
상기 수신된 레이더 신호를 이용하여 상기 고정된 네 개의 수신 안테나 각각의 위치에서 상기 목표 물체까지의 거리를 계산하는 단계; 및
상기 계산된 거리와 상기 수신 안테나 각각의 좌표를 이용하여 상기 목표 물체에 대한 위치를 추정하는 단계; 를 포함하되,
상기 위치 추정은 상기 고정된 네 개의 수신 안테나 각각의 위치에서 계산된 물체까지의 거리를 반지름으로 하는 각각 구의 궤적을 계산하고, 상기 수신 안테나 각각의 위치에 대한 좌표를 이용해서 물체의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법.Receiving a radar reflection signal by a target object with four fixed receiving antennas;
Calculating a distance from the position of each of the four fixed receive antennas to the target object using the received radar signal; And
Estimating a position of the target object using the calculated distance and coordinates of each of the receive antennas; , ≪ / RTI &
The position estimation may be performed by calculating the trajectory of each sphere whose radius is the distance to the object calculated at the position of each of the four fixed receive antennas and estimating the position of the object using the coordinates of the position of each of the receive antennas Dimensional FMCW radar using multiple antennas.
상기 레이다 신호는 수신 안테나의 좌표가 구분 될 수 있도록 넓은 주파수 대역을 가지는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법.The method according to claim 1,
Wherein the radar signal has a wide frequency band so that coordinates of a receiving antenna can be distinguished.
상기 레이더 신호는 광대역 주파수 확보가 어려운 저주파 대역에서 신호 발생기의 활용도를 넓히기 위해 1Hz 이하의 주파수를 활용하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법.The method according to claim 1,
Wherein the radar signal utilizes a frequency of 1 Hz or less to widen the utilization of the signal generator in a low frequency band where it is difficult to secure a wideband frequency.
상기 레이더 신호는 광대역 신호 발생기 또는 DDS (Direct Digital Synthesis) 신호 발생기를 이용하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법.The method according to claim 1,
Wherein the radar signal uses a broadband signal generator or a DDS (Direct Digital Synthesis) signal generator.
상기 고정된 네 개의 수신 안테나는 안테나용 선반 위 원주 상에 서로 소정의 간격으로 삼각 배치된 세 개의 안테나와 이들과 연계되어 삼각뿔(triangular pyramid)을 형성하는 하나의 안테나로 구성되는 것을 특징으로 하는다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법.The method according to claim 1,
Wherein the fixed four receiving antennas are constituted by three antennas which are triangularly arranged at a predetermined interval on the circumference above the antenna shelf and one antenna which forms a triangular pyramid in association with the three antennas. Three - Dimensional FMCW Radar Method Using Antenna.
상기 수신된 레이더 신호는 하나의 안테나로부터 방사된 레이더 송신 신호가 목표 물체에 의해 반사 되어서 상기 고정된 네 개의 수신 안테나에 도달되는 레이더 신호 인 것을 특징으로 하는다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법.The method according to claim 1,
Wherein the received radar signal is a radar signal that is radar transmission signal radiated from one antenna and is reflected by a target object to reach the fixed four receiving antennas.
상기 수신된 레이더 신호는, 레이다 송신 신호와 고정된 네 개의 수신 안테나 신호가 믹싱된 신호인 것을 특징으로 하는 고정된 다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법.The method according to claim 1,
Wherein the received radar signal is a signal in which a radar transmission signal and a fixed four reception antenna signals are mixed.
상기 수신된 레이더 신호는 상기 네 개의 수신 안테나를 통해서 각각 수신되며 FFT 처리되어 주파수 비트(beat) 신호로 변환되고, 상기 변환된 주파수 비트(beat)신호는상기 목표 물체까지의 거리를 계산에 이용되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법.The method according to claim 1,
The received radar signal is received through the four receive antennas and subjected to FFT processing to be converted into a frequency beat signal, and the converted frequency beat signal is used to calculate a distance to the target object Dimensional FMCW radar using multiple antennas.
상기 수신된 레이더 신호는 네 개의 수신 안테나를 통해서 각각 수신되며 각각 다른 시간 지연을 거쳐 파워 결합기에서에 결합된 후에 순차적(sequencially)으로 FFT 처리되어 주파수 비트 (beat) 신호로 변환되는 것을 특징으로 하는 고정된 다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법.The method according to claim 1,
Wherein the received radar signals are received through four receive antennas and are respectively coupled to the power combiner through different time delays and then sequentially FFT-processed into a frequency beat signal. 3D FMCW radar using multiple antennas.
상기 순차적으로 FFT 처리되어 주파수 비트(bear) 신호로 변환된 신호에서 각 수신 안테나의 위치 정보가 추출되며, 상기 변환된 주파수 비트 (beat) 신호와 상기 추출된 각 수신된 안테나의 위치 정보를 이용해서 상기 목표 물체 까지의 거리가 계산에 이용되는 것을 특징으로 하는 고정된 다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법.10. The method of claim 9,
The position information of each receive antenna is extracted from the signal that is subjected to the FFT processing sequentially and converted into a frequency bit signal. Using the converted frequency beat signal and the extracted position information of each received antenna, Wherein the distance to the target object is used for the calculation of the three-dimensional FMCW radar using the fixed multi-antenna.
상기 계산된 네 개의 거리는 네 개의 구의 궤적을 네 개의 안테나 좌표를 중심으로 각각 계산하기 위한 반지름으로 이용되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법.The method according to claim 1,
Wherein the calculated four distances are used as radii for calculating the trajectory of four spheres around four antenna coordinates, respectively.
상기 구의 궤적을 이용해서 물체의 위치를 추정하는 것은 각각 계산된 네 개의 구의 궤적이 서로 겹치는 위치를 물체의 위치로 하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 방법.The method according to claim 1,
And estimating the position of the object using the trajectory of the sphere, wherein the positions of the trajectories of the four calculated spheres overlap each other as the position of the object.
상기 수신된 레이다 신호를 이용하여 상기 고정된 네 개의 수신 안테나 각각의 위치에서 상기 목표 물체까지의 거리를 계산하고,
상기 계산된 거리와 상기 수신 안테나 각각의 좌표를 이용하여 상기 목표 물체에 대한 위치를 추정하는 제어기; 를 포함하되,
상기 제어기에서 위치 추정은 상기 고정된 네 개의 수신 안테나 각각의 위치에서 계산된 물체까지의 거리를 반지름으로 하는 각각 구의 궤적을 계산하고, 상기 수신 안테나 각각의 위치에 대한 좌표를 이용해서 물체의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 고정된 다중 안테나를 이용한 3차원 FMCW 레이더 장치.
A receiver for receiving a radar reflection signal by a target object with four fixed receiving antennas;
Calculates a distance from the position of each of the fixed four reception antennas to the target object using the received radar signal,
A controller for estimating a position of the target object using the calculated distance and the coordinates of each of the receive antennas; , ≪ / RTI &
The controller estimates a position of each of the four receiving antennas by calculating a trajectory of each sphere having a radius to an object calculated at a position of each of the fixed four receiving antennas and calculating a position of the object using coordinates Dimensional FMCW radar apparatus using fixed multi-antennas.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020130016652A KR20140103236A (en) | 2013-02-16 | 2013-02-16 | Method and apparatus for 3 dimension fmcw radar comprising multiple receiving antennas |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
KR1020130016652A KR20140103236A (en) | 2013-02-16 | 2013-02-16 | Method and apparatus for 3 dimension fmcw radar comprising multiple receiving antennas |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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KR20140103236A true KR20140103236A (en) | 2014-08-26 |
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ID=51747631
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KR1020130016652A KR20140103236A (en) | 2013-02-16 | 2013-02-16 | Method and apparatus for 3 dimension fmcw radar comprising multiple receiving antennas |
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KR (1) | KR20140103236A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11299113B2 (en) | 2018-12-07 | 2022-04-12 | Hyundai Motor Company | Device for assisting safe exit from vehicle, system having the same, and method thereof |
US11662452B2 (en) | 2019-11-19 | 2023-05-30 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method and apparatus with measuring of three-dimensional position using radar sensor |
-
2013
- 2013-02-16 KR KR1020130016652A patent/KR20140103236A/en not_active Application Discontinuation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US11299113B2 (en) | 2018-12-07 | 2022-04-12 | Hyundai Motor Company | Device for assisting safe exit from vehicle, system having the same, and method thereof |
US11662452B2 (en) | 2019-11-19 | 2023-05-30 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method and apparatus with measuring of three-dimensional position using radar sensor |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |