KR20160134436A - 도래각 추정 장치 및 이를 이용한 도래각 추정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각도별 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 이용하여 신호처리를 수행함으로써 채널별 크기와 위상의 불일치 문제, 센서 위치 오류, 신호 지향 오차 및 상호 결합 문제를 해결하여 도래각 추정의 정확성을 향상시킨 도래각 추정 장치 및 이를 이용한 도래각 추정 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배열 안테나를 이용하여 도래각을 추정하는 장치에 있어서, 각도별 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 이용하여 보정을 위한 위상값을 구하는 위상값 계산부; 상기 보정을 위한 위상값을 반영하여 얻은 배열 안테나 보정값과 미리 설정된 방향벡터를 이용하여 보정용 방향 벡터를 계산하는 방향벡터 계산부; 및 상기 계산된 보정용 방향 벡터와 상기 배열 안테나의 수신 채널로부터 수신된 수신신호를 근거로 하여 생성된 스펙트럼을 통해 도래각을 추정하는 도래각 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 도래각 추정 장치가 제공된다.

Description

도래각 추정 장치 및 이를 이용한 도래각 추정 방법{METHOD FOR ESTIMATING DIRECTION OF ARRIVAL AND APPARATUS FOR ESTIMATING DIRECTION OF ARRIVAL USING THE SAME}
본 발명은 도래각 추정 장치 및 이를 이용한 도래각 추정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각도별 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 이용하여 신호처리를 수행함으로써 채널별 크기와 위상의 불일치 문제, 센서 위치 오류, 신호 지향 오차 및 상호 결합 문제를 해결하여 도래각 추정의 정확성을 향상시킨 도래각 추정 장치 및 이를 이용한 도래각 추정 방법에 관한 것이다.
최근 자동차 기술에 있어서 핵심은 '안전 운행'이다. 기상 조건이나 운전자의 부주의, 운행 중의 돌발 상황 등으로부터 사고를 방지하기 위한 목적이다. 이를 위해 다양한 센서 기술들이 존재하나, 이 중 레이더 센서는 시계 확보나 기상 조건 등에 대한 영향을 가장 적게 받아 설치 비율이 꾸준히 증가하고 있다.
종래의 레이더 센서는 물체의 거리 및 속도에 관한 정보만을 이용하였다. 그러나, 안전 기술의 수요가 증가하면서 고해상도의 디지털 빔형성 방식이 접목되어 도래각 추정 알고리즘의 중요성이 부각되었다.
디지털 빔형성 방식은 수신단의 배열 안테나를 이용하여 수행하게 되는데, 배열 안테나 신호처리 기법은 접근 방법에 따라 스펙트럴(Spectral)알고리즘과 파라메트릭(Parametric) 알고리즘으로 나눠지게 된다.
공간 스펙트럼에 기반을 두는 스펙트럴 알고리즘은 입사방향을 변수로 가지는 스펙트럼에서 최대값을 가지는 도래각을 신호의 입사방향으로 추정하는 방식으로, 스펙트럼을 정의하고 최대점을 탐색하는 방법에 따라 빔형성 알고리즘과 부공간 알고리즘으로 구분된다. 이 중 대표적인 방법으로는 Bartlett 빔형성 알고리즘, Capon 빔형성 알고리즘과 부공간 알고리즘의 MUSIC 알고리즘이 있다.
그러나, 실제 데이터에 대해서는 각도 추정시 부정확성의 문제가 발생하게 된다. 이는 채널별 크기(amplitude)와 위상(phase)의 불일치, 센서 위치 오류, 신호 지향 오차(Signal Posinting Error), 안테나 사이의 상호결합 등에 의해서 발생하는 것으로 물체를 잘못 인식하는 문제점을 야기한다.
대한민국 등록특허공보 제1375424호(2014.03.11) "배열 안테나에서 전파의 도래각 추정 방법"
이러한 문제점들을 해결하기 위해 다양한 연구들이 진행되고 있다. 채널별 크기와 위상의 불일치 문제를 해결하기 위해 수신신호에 대해 크기와 위상 응답을 측정하여 수신신호를 보정하는 방법이 있고, 또 다른 방법으로는 1차 테일러(Taylor) 급수 전개 및 MUSIC 스펙트럼의 널(Null) 특성을 통해 얻은 식의 해를 이용하여 방향 벡터를 보정하는 방법이 있으며, 이를 응용하여 센서 위치 오류, 신호 지향 오차를 보정하는 연구가 진행되었다. 상호결합 문제를 해결하기 위해 상호결합계수를 이용하는 방법이 있는데, 계산하는 방법에 따라 2가지로 나뉜다. 첫번째는 퓨리에(Fourier) 분해를 이용하는 방법으로, 소자간의 간격이 파장의 절반보다 커야한다는 제한이 발생한다. 두번째는 산란행렬(scattering matrix)를 이용하는 방법으로, 산란 행렬이 전송됨에 있어 상호관계되는 투과계수(transmission coefficient)값이 필요하다. 그러나 이는 현실에 실용적이지 못한 방법이다.
따라서 채널별 크기와 위상의 불일치 문제뿐만 아니라, 센서 위치 오류, 신호 지향 오차, 상호 결합 문제를 해결할 수 있는 도래각 추정 장치가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은, 각도별 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 이용하여 신호처리를 수행함으로써 채널별 크기와 위상의 불일치 문제, 센서 위치 오류, 신호 지향 오차 및 상호 결합 문제를 해결하여 도래각 추정의 정확성을 향상시킨 도래각 추정 장치 및 이를 이용한 도래각 추정 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배열 안테나를 이용하여 도래각을 추정하는 장치에 있어서, 각도별 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 이용하여 보정을 위한 위상값을 구하는 위상값 계산부; 상기 보정을 위한 위상값을 반영하여 얻은 배열 안테나 보정값과 미리 설정된 방향벡터를 이용하여 보정용 방향 벡터를 계산하는 방향벡터 계산부; 및 상기 계산된 보정용 방향 벡터와 상기 배열 안테나의 수신 채널로부터 수신된 수신신호를 근거로 하여 생성된 스펙트럼을 통해 도래각을 추정하는 도래각 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 도래각 추정 장치가 제공된다.
상기 도래각 추정부는 미리 정해진 도래각 추정 알고리즘에 상기 보정용 방향벡터와 수신신호를 반영하여 스펙트럼을 생성할 수 있다.
상기 도래각 추정 알고리즘은 Bartlett 빔형성 알고리즘, Capon 빔형성 알고리즘 및 MUSIC 알고리즘 중 어느 하나의 알고리즘일 수 있다.
상기 보정을 위한 위상값은 상기 기준값과, 상기 배열 안테나의 채널수와, 기준채널에서 각 채널까지의 거리과, 파장을 이용하여 구할 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배열 안테나를 이용하여 도래각을 추정하는 방법에 있어서, 각도별 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 이용하여 보정을 위한 위상값을 구하는 단계; 상기 보정을 위한 위상값을 반영하여 얻은 배열 안테나 보정값과 미리 설정된 방향벡터를 이용하여 보정용 방향 벡터를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 보정용 방향 벡터와 상기 배열 안테나의 수신 채널로부터 수신된 수신신호를 근거로 하여 생성된 스펙트럼을 통해 도래각을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도래각 추정 방법이 제공된다.
상기 추정하는 단계는 미리 정해진 도래각 추정 알고리즘에 상기 보정용 방향벡터와 수신신호를 반영하여 스펙트럼을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보정을 위한 위상값을 구하는 단계는 상기 기준값과, 상기 배열 안테나의 채널수와, 기준채널에서 각 채널까지의 거리과, 파장을 이용하여 구할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 각도별 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 이용하여 신호처리를 수행함으로써 채널별 크기와 위상의 불일치 문제, 센서 위치 오류, 신호 지향 오차 및 상호 결합 문제를 해결하여 도래각 추정의 정확성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도래각 추정 장치를 설명하기 위한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 신호처리유닛을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에따른 도래각 추정 장치를 이용한 도래각 추정 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도,
도 4는 Bartlett 빔형성 알고리즘의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프,
도 5는 Capon 빔형성 알고리즘의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프, 그리고
도 6은 MUSIC 알고리즘의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도래각 추정 장치를 설명하기 위한 도면을 도시하고 있고, 도 2는 도 1에 도시된 신호처리유닛을 설명하기 위한 도면을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 도래각 추정 장치는 배열 안테나(10)와, 배열 안테나의 수신 채널로부터 수신된 수신신호와 보정용 방향벡터를 이용하여 생성된 스펙트럼을 통해 도래각을 추정하는 신호처리유닛(20)을 포함하여 구성된다.
배열 안테나(10)는 복수의 수신 채널을 구비한다.
신호처리유닛(20)은 차량용 레이더가 시간에 따라 주파수가 선형적으로 변하는 연속파신호를 송신하고, 타겟으로부터 반사된 연속파신호를 수신하며, 송신신호와 수신신호 간의 지연시간과, 송신신호에 기준한 수신신호의 주파수 편이를 이용하여 타겟과의 거리 및 속도를 산출한다.
이러한 신호처리유닛(20)은 수신처리부(21), 위상값 계산부(22), 방향벡터 계산부(23), 및 도래각 추정부(24)를 포함한다.
수신처리부(21)는 복수의 수신 채널을 통해 다중 수신신호를 수신하고, 각 수신채널의 신호경로에서 하향 주파수 처리, 디지털 신호로의 변환(ADC) 등의 수신처리를 수행하고, 고속퓨리에변환(FFT)과 보정처리(Calibration)을 수행한다. 여기서 수신신호는 77GHz FMCW(Frequency Modulated Continuous) LRR(Long Range Radar)신호이다.
신호처리유닛(20)은 보정처리된 결과에 대해 DBF(Digital Beamforming)와 CFAR(Constant False Alarm Rate)과 같은 처리를 수행하는 블록을 더 구비할 수 있다.
여기서는 연속파신호를 수신하는 구조에 대해서만 설명하고 도 1에 차량용 레이더의 송신구조에 대해서는 도시하지 않는다. 그러나, 신호처리유닛(20), 즉 차량용 레이더가 송신신호를 송출한 후에 타겟으로부터 반사되어 수신되는 수신신호에 기반하여 도래각을 추정한다.
위상값 계산부(22)는 원하는 각도별 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 확보하고, 확보된 기준값과 수학적으로 계산된 위상값을 이용하여 보정을 위한 위상값을 계산한다. 이때 보정을 위한 보상값은 후술하는 수학식 23에 의해 계산된다.
방향벡터 계산부(23)는 이와 같이 계산된 보정을 위한 위상값을 반영하여 구해진 배열 안테나 보정값을 미리 설정된 방향벡터와 곱하여 보정용 방향벡터를 계산한다. 이때 보정용 방향벡터는 후술하는 수학식 24에 의해 계산된다.
도래각 추정부(24)는 이와 같이 계산된 보정용 방향벡터와 배열 안테나(10)의 수신채널로부터 수신된 수신신호를 이용하여 생성된 스펙트럼, 즉 공간 스팩트럼 내 FOV 영역에서 피크값을 갖는 도래각을 추정한다.
이러한 도래각 추정부(24)는 상술된 보정용 방향벡터와 배열 안테나(10)의 수신채널로부터 수신된 수신신호를 도래각 추정 알고리즘에 적용시켜 도래각을 추정할 수 있다.
도래각 추정 알고리즘은 빔형성 알고리즘과, 부공간 알고리즘으로 구분된다.
빔형성 알고리즘은 배열 안테나를 이용한 가장 기본적인 도래각 추정 기법 중의 하나이다. 모든 방향에 대해 배열 안테나를 지향시키고 출력값들로 공간 스팩트럼을 형성하여 최대값을 나타내는 위치를 신호의 입사방향으로 결정한다.
이때 배열 안테나의 출력은 각 안테나의 가중치를 계수로 갖는 안테나 출력의 선형적인 조합으로 이루어진다.
M개의 소자로 구성된 배열 안테나의 출력(
Figure pat00001
)은 다음의 수학식 1에 의해 계산된다.
Figure pat00002
여기에서
Figure pat00003
은 m번째 안테나의 가중치,
Figure pat00004
는 m번째 안테나의 출력, *는 복소 공액 연산자를 나타낸다. 배열 안테나의 평균 출력 전력(
Figure pat00005
)는 다음의 수학식 2를 통해 구할 수 있다.
Figure pat00006
여기에서
Figure pat00007
은 공분산 행렬을 나타낸다. 가중치 벡터(
Figure pat00008
)를 결정하는 방법에 따라 Bartlett 빔형성 알고리즘과 Capon 빔형성 알고리즘으로 나눠지게 된다.
Bartlett 빔형성 알고리즘은 Fourier 변환을 기본으로 한 스펙트럼 분석 기법을 배열 안테나에 적용한 것이다. 특정방향에서 입사되는 신호에 대해 큰 가중치를 주어, 신호 출력을 최대로 만드는 방법이다. 특정 방향(
Figure pat00009
) 으로 입사하는 신호에 대해 배열 안테나의 출력을 최대로 하기 위한 Bartlett 빔형성 알고리즘의 가중치 벡터(
Figure pat00010
)는 다음의 수학식 3에 의해 구할 수 있다.
Figure pat00011
Figure pat00012
는 특정 방향(
Figure pat00013
)에 대한 배열 안테나 응답의 방향 벡터를 나타낸다. 수학식 3을 수학식2에 대입하면 수학식 4와 같은 Bartlett 빔형성의 공간 스펙트럼을 얻을 수 있다.
Figure pat00014
Capon 빔형성 알고리즘은 특정 방향에서 입사하는 신호의 이득은 일정하게 유지하면서 동시에 간섭신호 또는 잡음에 대해서 상대적으로 작은 가중치를 주는 방법이다. 이와 같은 조건을 만족시키기 위한 최적화 문제는 다음과 같다.
Figure pat00015
위의 최적화 문제는, 특정 방향의 이득은 1로 유지하면서 간섭신호 및 잡음을 최소화시켜 신호 대 잡음비를 높인다. 위의 수학식 5의 해를 구하면 다음의 수학식 6과 같다.
Figure pat00016
위의 가중치 벡터(
Figure pat00017
)를 수학식 2에 대입하면 다음의 수학식 7과 같은 Capon 빔형성의 공간 스펙트럼을 구할 수 있다.
Figure pat00018
한편, 부공간을 기반으로 하는 대표적인 알고리즘은 MUSIC 알고리즘이다. 부공간 알고리즘은 배열 안테나 출력의 공분산행렬의 고유치 분해를 통해 신호 부공간과 잡음 부공간으로 분리하여, 부공간들의 정보를 이용해 도래각을 추정해 내는 방법이다. 이러한 MUSIC 알고리즘은 입사 신호에 해당하는 모든 방향 벡터가 잡음 부공간과 직교한다는 특성을 적용한 기법이다.
소자 수가 M인 배열 안테나에 L개의 평면파가 도래하는 경우, 입력 신호(X)는 다음의 수학식 8과 같이 표현되고, F는 다음의 수학식 9로 표현되고,
Figure pat00019
는 방향행렬로, 다음의 수학식 10으로 표현되며,
Figure pat00020
는 방향벡터로, 다음의 수학식 11로 표현된다.
Figure pat00021
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
여기서,
Figure pat00025
은 각각 L번째 파의 복소 진폭과 도래각을 나타낸다.??
Figure pat00026
는 파장,
Figure pat00027
은 기준 수신채널에서 각 수신채널까지의 거리이며, N은 열잡음이다.
수학식 8을 이용한 공분산 행렬은 다음의 수학식 12로 표현된다.
Figure pat00028
S는 F의 공분산 행렬이며,
Figure pat00029
은 열잡음 전력이다.
MUSIC 알고리즘에서 열잡음이 존재하지 않는 경우, L개의 입사파가 서로 독립적이면 S의 rank는 L로 full rank가 된다. A도 입사파의 도래 방향이 서로 다르고, M>L이면 rank는 L로 full rank가 된다. 따라서
Figure pat00030
는 rank가 L인 행렬이 된다. 이 행렬을 고유치 분해하면 다음의 수학식 13과 같다.
Figure pat00031
Figure pat00032
는 고유치이며,
Figure pat00033
는 고유치에 대응하는 고유 벡터이다. 고유치는 실수이며 다음의 수학식 14와 같은 관계식을 갖는다.
Figure pat00034
MUSIC 알고리즘에서 열잡음이 존재할때는 열잡음이 존재하지 않을때으 공분산 행렬의 고유치에 열잡음 전력이 더해질 뿐이므로 고유벡터는 열잡음과는 상관없음을 알 수 있다.
열잡음이 존재할 때의 공분산 행렬의 고유치를 ??
Figure pat00035
라고 나타내면 수학식 12를 통해 다음의 수학식 15 및 수학식 16과 같은 관계식을 얻는다.
Figure pat00036
Figure pat00037
열잡음 전력과 같은 고유치에 대응하는 고유 벡터를 살펴보면 수학식 17과 같이 된다.
Figure pat00038
위의 수학식 17에서 결국 다음의 수학식 18 내지 수학식 20과 같은 결과를 얻어낼 수 있다.
Figure pat00039
Figure pat00040
Figure pat00041
수학식 20은 열잡음 전력과 같은 고유치에 해당하는 고유 벡터는 모두 입사파의 방향 벡터와 직교함을 의미한다. 이때의 고유 벡터를 잡음 고유 벡터라고 하며, 잡음 고유 벡터들로 이루어진 잡음 부공간을
Figure pat00042
으로 나타낸다. 임의의 방향 벡터(
Figure pat00043
)를 잡음 부공간에 직교 투영시킨 벡터(
Figure pat00044
)의 크기는 다음의 수학식 21과 같다.
Figure pat00045
MUSIC의 공간 스펙트럼을 다음의 수학식 22와 같이
Figure pat00046
의 역수로 정의하면 잡음 부공간과 직교하는
Figure pat00047
에서 최대값을 갖게 되고 이에 대응하는 각도가 입사??향이 된다.
Figure pat00048
본 발명의 실시예에 따른 도래각 추정 장치는 제작된 테스트 환경의 챔버에서 각도별 크기와 위상의 왜곡 정도를 수치화하여 기준값을 확보하고 그 기준값을 이용하여 보정 신호처리를 수행하여 도래각을 추정한다.
확보한 기준 값은
Figure pat00049
로 나타내며, M은 배열 안테나의 소자 수를 나타낸다. 위상값 계산부(22)는
Figure pat00050
를 기반으로 다음의 수학식 23과 같은 안테나 보정 신호처리를 수행하여 보정을 위한 위상값을 계산한다.
Figure pat00051
Figure pat00052
는 보정을 위한 위상 값,
Figure pat00053
는 파장,
Figure pat00054
은 기준 소자에서 각 소자까지의 거리를 나타낸다. 배열 안테나 보정값(
Figure pat00055
)은 다음의 수학식 24에 의해 계산된다.
Figure pat00056
Figure pat00057
는 행렬 대각선화(matrix diagonalization)를 나타낸다. 수학식 24에 의해 계산된 배열 안테나 보정값(
Figure pat00058
)을 다음의 수학식 25에 반영하여 보정용 방향벡터(
Figure pat00059
)를 얻는다.
Figure pat00060
여기서,
Figure pat00061
는 특정 방향(
Figure pat00062
)에 대한 배열 안테나 응답의 방향벡터를 나타내며, 보정용 방향 벡터(
Figure pat00063
)를 상술된 수학식 3, 수학식 7 및 수학식 22에 각각 적용하면 다음의 수학식 26 내지 수학식 28에 의해 보정된 스펙트럼을 얻을 수 있다.
Figure pat00064
Figure pat00065
Figure pat00066
이와 같은 구성을 갖는 도래각 추정 장치를 이용한 도래각 추정 방법을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 다른 도래각 추정 장치를 이용한 도래각 추정 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 도시하고 있다.
도 3을 참조하면 도래각 추정 장치에 포함된 신호처리유닛(20)은 원하는 각도별 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 확보한다(S11). 기준값은 제작된 테스트 환경의 챔버에서 각도별 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화하여 얻은 값이다.
신호처리유닛(20)은 보정을 위한 위상값을 구한다(S13). 즉 신호처리유닛(20)은 상술된 S11 단계에서 확보된 기준값과 수학적으로 계산된 이상적인 위상값을 상술된 수학식 23에 대입시켜 보정을 위한 위상값을 구한다.
신호처리유닛(20)은 상술된 S13 단계에서 구해진 보정을 위한 위상값을 행렬 대각선화로 나타내어 배열 안테나 보정값을 구하고, 배열 안테나 보정값과 방향벡터간의 곱으로 보정용 방향벡터를 계산한다(S15). 배열 안테나 보정값은 상술된 수학식 24에 의해 계산되고, 보정용 방향벡터는 상술된 수학식 25에 의해 계산된다.
이후 신호처리유닛(20)은 배열 안테나의 수신 채널로부터 수신신호를 수신한다(S17). 여기서는 상술된 S15 단계 이후에 배열 안테나의 수신채널로부터 수신신호를 수신하는 것으로 설명하고 있지만, 그 순서가 본 발명을 한정하지 않으며 후술하는 S19 단계 이전에 배열 안테나의 수신 채널로부터 수신신호를 수신하면 구현 가능하다.
신호처리유닛(20)은 상술된 S15 단계에서 계산된 보정용 방향벡터와 상술된 S17 단계에서 수신된 수신신호를 도래각 추정 알고리즘에 적용시켜 공간 스펙트럼을 생성한다(S19). 도래각 추정 알고리즘은 Bartlett 빔형성 알고리즘, Capon 빔형성 알고리즘, 및 MUSIC 알고리즘 중 어느 하나의 알고리즘이라도 구현 가능하다.
도 4는 보정용 방향벡터를 Bartlett 빔형성 알고리즘에 적용한 시뮬레이션 결과이고, 도 5는 보정용 방향벡터를 Capon 빔형성 알고리즘에 적용한 시뮬레이션 결과이며, 도 6은 보정용 방향벡터를 MUSIC 알고리즘에 적용한 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다.
신호처리유닛(20)은 생성된 스펙트럼을 통해 도래각을 추정한다(S21). 즉 신호처리유닛(20)은 생성된 스펙트럼에서 가장 피크값을 갖는 각도를 도래각으로 추정한다.
이상과 같이 각도별로 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 이용하여 계산된 보정용 방향벡터를 반영하여 보정된 공간 스펙트럼을 생성함으로써 채널별 크기와 위상의 불일치 문제, 센서 위치 오류, 신호 지향 오차 및 상호 결합 문제를 해결하여 도래각 추정의 정확성을 향상시킬 수 있다.
도 4 내지 도 6은 실제 도래각이 -11°인 경우에 대해서 각각 Bartlett 빔형성 알고리즘, Capon 빔형성 알고리즘, MUSIC 알고리즘을 시뮬레이션 한 결과를 도시하고 있다.
시뮬레이션 조건 중 입력신호는 도래각이 -11°∼0°의 1° 간격의 데이터로 도래각을 변경해가며 모든 데이터에 대해서 시뮬레이션을 수행하였고. 소자 간격은 1.6
Figure pat00067
이고, 배열 안테나의 소자 또는 수신채널수는 8개이며, 타겟(target)의 수는 1개이다.
보정 전의 도래각 추정은 방향 벡터(
Figure pat00068
)를 0.5° 간격으로 증가하며 수학식 4, 수학식 7 및 수학식 22에 적용하였고, 보정후 도래각 추정은 보정 값이 1° 간격으로 존재하므로, 방향 벡터(
Figure pat00069
)는 1° 간격이며 수학식 26, 수학식 27 및 수수학식 28을 이용하였다.
Capon 빔형성 알고리즘은 입력 신호의 공분산 행렬의 역행렬을 이용한다. Bartlett 빔형성 알고리즘, MUSIC 알고리즘에서 사용하는 입력 신호를 똑같이 사용하게 되면 공분산 행렬의 rank가 1이 되어 역행렬을 구하지 못하게 된다. 따라서 입력 신호의
Figure pat00070
개의 샘플을 얻어 Capon 빔형성 알고리즘을 적용하였다. 샘플 수
Figure pat00071
에 대해서 시뮬레이션 하였다.
도 4 내지 도 6에서 보듯이 Original PSD는 보정 전 값으로 모두 -12.5°로 실제 도래각과는 차이가 있는 것을 볼 수 있다. 보정 후 결과는 모두 -11°를 가리켜 보정효과가 있음을 알 수 있다.
다음의 표 1은 -11°∼0°의 실제 각을 변경해가며 보정 전과 보정 후의 결과를 보여준다. -11°∼0°는 단지 예시일 뿐이다.
Bartlett 빔 형성 알고리즘과 MUSIC 알고리즘은 모든 각도에 대해서 보정 후 실제 도래각과 일치하여 보정 효과가 있음을 볼 수 있다. Capon 빔형성 알고리즘은 실제 각 0°에 대해서는 보정 후 -1°로 잘못 추정하는 부분이 있으나 전체적으로 보정 효과가 있음을 볼 수 있다.
도래각
(°)
 Bartlett
 Capon
 MUSIC
전(°) 후(°) 전(°) 후(°) 전(°) 후(°)
-11 -12.5 -11 -12.5 -11 -12.5 -11
-10 -11.5 -10 -11.5 -10 -11.5 -10
-9 -10 -9 -10 -9 -10 -9
-8 -9 -8 -9 -8 -9 -8
-7 -8 -7 -8 -7 -8 -7
-6 -7 -6 -7 -6 -7 -6
-5 -5.5 -5 -5.5 -5 -5.5 -5
-4 -4.5 -4 -4.5 -4 -4.5 -4
-3 -3.5 -3 -3.5 -3 -3.5 -3
-2 -2 -2 -2 -2 -2 -2
-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
0 0 0 0 -1 0 0
표 1에서 보듯이 종래의 도래각 추정 알고리즘은 각도 추정의 부정확성이 있었으나, 각도별 크기와 위상의 왜곡 정도를 수치화한 기준값을 이용하여 계산된 보정용 방향벡터를 근거로 하여 도래각 추정 알고리즘에 적용시켜 보정 신호처리를 수행하여 각도 추정의 부정확성 문제를 해결하였다.
표 1에서는 Bartlett 빔형성 알고리즘, Capon 빔형성 알고리즘, MUSIC 알고리즘에 대하여 보정 전과 후의 결과를 비교하였으며, 77 GHz FMCW LRR 신호에 대하여 시뮬레이션 결과를 확인하였다.
실험 결과 보정 전에는 실제 도래각과 일치하는 경우도 있지만 대부분의 값에서 0.5°에서 1.5° 정도의 실제 도래각과 차이가 있는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에서 각도별로 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 이용하여 최종적으로 계산된 보정용 방향벡터를 반영하여 실제 도래각으로 보정되는 결과를 확인할 수 있다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
10 : 배열 안테나 20 : 신호처리유닛
21 : 수신처리부 22 : 위상값 계산부
23 : 방향 벡터 계산부 24 : 도래각 추정부

Claims (7)

  1. 배열 안테나를 이용하여 도래각을 추정하는 장치에 있어서,
    각도별 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 이용하여 보정을 위한 위상값을 구하는 위상값 계산부;
    상기 보정을 위한 위상값을 반영하여 얻은 배열 안테나 보정값과 미리 설정된 방향벡터를 이용하여 보정용 방향 벡터를 계산하는 방향벡터 계산부; 및
    상기 계산된 보정용 방향 벡터와 상기 배열 안테나의 수신 채널로부터 수신된 수신신호를 근거로 하여 생성된 스펙트럼을 통해 도래각을 추정하는 도래각 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 도래각 추정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 도래각 추정부는 미리 정해진 도래각 추정 알고리즘에 상기 보정용 방향벡터와 수신신호를 반영하여 스펙트럼을 생성하는 것을 특징으로 하는 도래각 추정 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 도래각 추정 알고리즘은 Bartlett 빔형성 알고리즘, Capon 빔형성 알고리즘 및 MUSIC 알고리즘 중 어느 하나의 알고리즘인 것을 특징으로 하는 도래각 추정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 보정을 위한 위상값은 상기 기준값과, 상기 배열 안테나의 채널수와, 기준채널에서 각 채널까지의 거리과, 파장을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 도래각 추정 장치.
  5. 배열 안테나를 이용하여 도래각을 추정하는 방법에 있어서,
    각도별 크기와 위상의 왜곡정도를 수치화한 기준값을 이용하여 보정을 위한 위상값을 구하는 단계;
    상기 보정을 위한 위상값을 반영하여 얻은 배열 안테나 보정값과 미리 설정된 방향벡터를 이용하여 보정용 방향 벡터를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 보정용 방향 벡터와 상기 배열 안테나의 수신 채널로부터 수신된 수신신호를 근거로 하여 생성된 스펙트럼을 통해 도래각을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도래각 추정 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 추정하는 단계는 미리 정해진 도래각 추정 알고리즘에 상기 보정용 방향벡터와 수신신호를 반영하여 스펙트럼을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도래각 추정 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 보정을 위한 위상값을 구하는 단계는 상기 기준값과, 상기 배열 안테나의 채널수와, 기준채널에서 각 채널까지의 거리과, 파장을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 도래각 추정 방법.
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