KR20170049574A - 서로 오프셋 된 송신기의 위상 비교에 의한 수직 물체 측정 및 수평 디지털 빔 형성을 이용한 이미징 레이더 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의하면, 3차원 공간에서 물체 특히 움직이는 물체의 위치를 결정하는 장치 및 방법이 제공된다. 이 장치는 위상 중심의 수직 위치가 상이한 2개 이상의 스위칭 가능 송신 안테나와, 직렬로 배열된 복수의 수신 안테나들을 포함한다. 송신 안테나들은 수신 안테나들의 거리에 대응하는 거리에 수평 방향으로 배열된다. 송신 안테나들은 송신된 신호의 자유공간 파장의 절반 이하의 값만큼 서로에 대하여 수직으로 오프셋 된다. 또는 송신 안테나들은 수신 안테나 주위 임의의 위치에 배열될 수 있다. 넓은 각도 범위에 걸쳐 수평 빔 스위프가 "디지털 빔 형성"의 방법에 따라 수행된다. 물체의 수직 위치 측정은 송신 안테나들이 순차적으로 스위칭될 때 안테나 빔들 사이의 위상 측정에 의해 수행된다.

Description

서로 오프셋 된 송신기의 위상 비교에 의한 수직 물체 측정 및 수평 디지털 빔 형성을 이용한 이미징 레이더 센서{IMAGING RADAR SENSOR WITH HORIZONTAL DIGITAL BEAM FORMING AND VERTICAL OBJECT MEASUREMENT BY PHASE COMPARISON IN MUTUALLY OFFSET TRANSMITTERS}
본 발명은 2개의 인터리빙(interleaving) 수평 주사를 수행하는 레이더 센서로 물체의 수직 위치를 측정하는 방법에 관한 것이다.
예를 들어 자동차 및 항공 응용분야에서 밀리미터파 레이더 센서는 작고 저렴한 구조를 보여주어야 한다.
대부분의 차량용 레이더 센서에서처럼 감지는 단지 하나의 평면(주로 수평면)으로 제한되므로, 평면 안테나들과 다수의 수신기를 사용함으로써 감지가 저렴하게 수행될 수 있다. 이때 빔 형성 및 제어는 "디지털 빔 형성"의 원리에 따라 일어난다.
신뢰성에 대한 요구가 증가함에 따라, 특히 자동차 분야의 레이더 센서는 도로 교통에 위험을 초래하는 도로에 누워있는 물체와 다리 및 표지 받침대와 같은 관련없는 장애물을 구별할 수 있어야 한다.
이러한 센서들은 헬리콥터의 근거리 모니터링을 위해서 항공 분야에서도 역시 최근에 사용되고 있다. 여기서는, 특히 이륙 및 착륙 단계에서, 장애물의 3차원 측정이 필요하다. 순전히 2차원 측정만으로는 충분하지 않다.
Winfried Mayer 박사가 쓴 "송신 측에 연결된 그룹 안테나가 있는 이미징 레이더 센서"라는 제목의 논문(독일 괴텡엔, Cuvillier 출판사, 2008년, ISBN 978-3-86727-565-1)을 통해, 다수의 송신기 및 다수의 수신기를 갖는 안테나 어레이가 사용되는 디지털 빔 형성 기술을 사용하여 영역을 모니터링 하는 방법 및 장치가 알려졌다.
DE 10 2008 052 246 A1에는, 물체의 수직 위치 결정을 위한 조정 가능한 고도 빔 방향을 갖는 센서 시스템이 설명되어 있다. 여기서 조정은 리플렉터(reflector)를 기계적으로 움직여서 수행된다.
PCT/EP2012/003702에는, 안테나 애퍼처 및 2차원 빔 스위프(beam sweep)의 합성 확대를 갖는 이미징 레이더 센서가 개시되어 있다. 2차원 빔 스위프는 수평 방향에서는 다수의 수신 채널로부터의 디지털 빔 성형에 의해 수행되고, 수직 방향에서는 서로에 대해 수직으로 기울어진 안테나 다이어그램을 갖는 2개의 송신기에 의해 생성된 2개의 수신 신호의 진폭을 비교함으로써 수행된다. 그러나 실제로 이 방법의 단점은, 센서의 상류 구조물, 예를 들어 레이돔(radomes), 플라스틱 범퍼 및 이와 유사한 피복재에 의해, 안테나 다이어그램의 진폭 특성이 왜곡된다는 것이다. 이는 레이더 센서가 계측에 따라 이러한 왜곡을 기록하고 이를 보상하기 위해 상기 피복재에 따라 보정되어야 함을 의미한다.
본 발명의 목적은 기계적 빔 스위프 및 보정과 같은 전술한 단점이 회피되는 장치, 방법 및 레이더 시스템을 이용할 수 있게 하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 물체의 수직 위치를 결정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 장치, 청구항 4의 특징을 갖는 방법, 및 청구항 3의 특징을 갖는 레이더 시스템에 의해 달성된다.
도 1은 송신기 및 수신기의 물리적 배열을 도시한다.
도 2는 시간 차트 및 변조 형태를 도시한다.
도 3a는 2개의 인접한 안테나 빔의 안테나 다이어그램을 도시한다.
도 3b는 도 3a의 인접한 안테나 빔의 진폭 비를 도시한다.
상기 센서는 적어도 2개의 송신 안테나와 거리(d) 이내의 수신 안테나들의 어레이로 구성된다. 송신 안테나들의 위상 중심은, 특히 명확성을 보장하고 어떤 모호성을 피하기 위해, 방출된 신호의 자유 공간 파장(l)의 절반 이하의 거리(z)만큼 수직으로 오프셋 된다. 따라서, 스위칭 가능 송신 안테나들은 위상 중심의 상이한 수직 위치, 즉 제1 스위칭 가능 송신 안테나의 위상 중심의 제1 위치, 제2 스위칭 가능 송신 안테나의 위상 중심의 제2 위치 등을 가지며, 이것에 의해 상기 위상 중심들의 수직 위치들은 상이하고, 위상 중심들은 거리(z)만큼 수직으로 오프셋 된다. 제2 안테나는 수신 어레이의 라인 간격(d)만큼 제1 안테나로부터 수평으로 오프셋 된다.
상기 수신 어레이의 라인 간격(d)에 대해 다음 식이 적용된다:
Figure pct00001
이 수학식에서,
N = 안테나 라인의 개수
l = 방출된 신호의 파장
Φmax = 디지털로 형성된 안테나 빔의 최대 스위프 각도.
도 1은 평면 안테나 구조로 제작된 이러한 유형의 안테나 어레이의 예를 보여준다.
이제 3차원 공간 내 물체의 감지는 다음과 같이 수행된다:
도 2에서 알 수 있듯이, 송신기(1)과 송신기(2)는 교대로 동작되며, 소위 FMCW 레이더의 경우 주파수가 선형적으로 디튜닝(detuning) 된다. 디튜닝 동안, 수신된 신호는 AD 변환기에 의해 기록되고, 제1 고속 푸리에 변환(FFT)을 거쳐 저장된다. 그 다음에 저장된 데이터는 각 활성 송신기에 따라 정렬되고 스펙트로그램에 위치된다. 이후, 제2 FFT가 상기 스펙트로그램의 열(columns)을 계산한다. 그 결과, 소위 범위-도플러 행렬(Range-Doppler matrix)이 얻어지며, 이것의 열의 개수는 거리 단위(소위, 범위 빈(range bins))에 대응하고 이것의 라인 개수는 레이더 센서의 속도 단위(소위, 속도 빈)에 대응한다. 상기 복합 행렬 요소들은 신호의 진폭 및 위상에 해당한다.
PCT/EP2012/003702에 상세히 설명된 바와 같이, 디지털 빔 형성에 따르면, 상기 수신 어레이의 어레이 다이어그램이 이제 형성된다. 여기서 개별 수신 채널들의 범위-도플러 행렬에 먼저 가중치가 부여되고, 그 다음 원하는 빔 방향(r)을 따라 위상(α)이 이동되고, 그 다음 합산된다. 그 다음 상기 수신 어레이의 메인 빔 방향들의 수신 신호들에 대응하는 일련의 범위-도플러 행렬이 얻어진다. 이것들이 이용 가능해지면, 개별 범위-도플러 행렬에서 소위 CFAR 알고리즘의 도움으로, 센서의 잡음 또는 간섭하는 배경- 소위 클러터 (clutter) -과 구별될 수 있는 물체를 탐색한다. 그러한 물체가 검출되면, 인접한 빔의 동일한 범위-도플러 셀(cell)이 소위 모노펄스(monopulse) 원리에 의한 정확한 수평각 결정을 위해 사용된다. 여기서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 2개의 인접 빔의 진폭비만을 고려하거나, 또는 소위 오류 신호만을 고려할 수 있다. 이것은 먼저 합산 신호를 형성하여 생성된다. 즉, 인접한 행렬의 두 요소가 벡터적으로 합산된다. 그 다음 차동 신호가 형성되고, 이 차동 신호가 상기 합산 신호로 나누어진다. 두 개의 복소수를 나눈 실수 부분은 소위 오류 신호로 식별된다. 상기 오류 신호는 고려되는 두 빔 간의 상대 각도에 비례한다. 이 방법으로 수평 위치가 정확하게 결정될 수 있다.
물체가 위치된 빔을 탐색하는 대신에, 그리고 모노펄스 방식으로 수평 각도를 정확하게 결정하는 대신에, 물체에 따라 디지털 빔 정렬 원리를 간단하게 반전하여 인접한 두 라인의 안테나들의 사이의 위상 이동을 측정할 수 있다. 그 다음 아래 식이 적용된다:
Figure pct00002
따라서 상기 식으로부터 물체의 수평 정렬이 직접 측정될 수 있다. 그러나 실제로는 개별 채널들의 신호가 너무 약하고 노이즈가 겹쳐지므로, 채널 간의 정확한 위상 측정이 가능하지 않다. 그러나, 대상 신호가 충분히 강하다면, 이것으로부터 측정 방법을 도출할 수 있다.
이제 혁신은 이 측정 방법을 물체의 수직 위치 결정에 적용하는 것이다.
먼저 2개의 송신 안테나의 데이터 세트를 가지고 상기 디지털 빔 형성이 수행된다.
그 다음 제1 안테나의 데이터 세트 내의 물체, 또는 범위-도플러 행렬의 요소 및 빔 넘버(beam number)가 검출된다.
그 다음 동일한 빔 넘버의 범위-도플러 행렬의 동일한 요소와 비교한 위상차(β)가 제2 안테나의 데이터 세트로부터 측정된다. 송신 안테나들이 거리(z)만큼 수직 방향으로 서로 오프셋 되어 있기 때문에, 다음 식이 적용된다.
Figure pct00003
상기 수학식에서 각도 φ는 물체의 수직 각도 위치이다. 수평 접근법과 달리 이 방법은 위상차가 어레이 빔으로부터 결정되기 때문에 여기서 작동한다. 여기서, 신호대 잡음비는 충분히 높다. 그러나, 수학식 3은 제2 안테나의 위상 중심이 제1 안테나와 동일한 수평 위치에 있는 경우에만 적용된다. 그러나 이것은 수직으로 연장된 안테나들의 평면형 라인들에서는 불가능하다. 이러한 이유로 안테나들의 라인들은 수평으로 오프셋되어야 한다. 바람직하게는, 수신 어레이의 라인 간격과 동일한 거리(d)를 선택한다.
이제 측정되는 각도(βm)는 수직 위상차(β)와 수평 위상차(α)의 합이다. 수학식 3을 사용하면 수직 물체 위치(φ)는 다음 식으로 주어진다:
Figure pct00004
따라서 수직 위치 결정의 정확도는 신호대 잡음비뿐만 아니라 수평 각도 위치(r) 및 위상차(α)가 결정될 수 있는 정확도에도 좌우된다.
바람직하게는, 극단적인 수직 각도 위치에서의 모호성을 피하기 위해, λ/2 이하의 위상 중심의 수직 간격이 선택된다.
이제 물체가 움직이는 경우, 측정된 위상은 도플러 효과에 의한 위상 이동에 의해 겹쳐된다. 안테나 1에서 안테나 2까지 측정한 데이터 세트 사이의 이러한 위상 이동은 각도 계산 전에 정정되어야 한다.
따라서 제2 측정으로부터의 범위-도플러 행렬의 위상 정정은 하기 각도만큼이다:
△Φ:= 2π·ldopp·δfd·△T
이 식에서,
ldopp: 도플러 필터 넘버
δfd: 도플러 필터의 대역폭
△T: 좌측 및 우측 송신기의 활성화 사이의 시간 오프셋
여기서, 상기 도플러 필터 넘버는 범위-도플러 행렬의 라인 개수에 대응한다. 상기 대역폭은 하기 식에 따라 물체 관찰 주기로부터 계산된다:
Figure pct00005
여기서, 1/fm는 도 2로부터 주파수 램프(ramp)의 지속기간(duration)이고, Nsweep는 주파수 램프들의 개수이다.

Claims (14)

  1. 3차원 공간 내 물체의 위치를 결정하는 장치에 있어서,
    위상 중심의 수직 위치가 상이한 안테나들로 이루어진 안테나들의 라인들로 배열된 2개 이상의 스위칭 가능한 송신 안테나들, 및
    수평하게 직렬로 배열된 복수의 수신 안테나들을 포함하고,
    상기 송신 안테나들은 상기 수신 안테나들의 2개의 개별 안테나 사이의 수평 거리에 대응하는 수평에서의 거리를 두고 배열되는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 레이더 센서로서,
    상기 송신 안테나들에 의해 시간상 연속해서 전송되고 상기 물체에 반사된 일련의 수신 신호들을 수신하고,
    상기 수신 신호들을 디지털화하고,
    상기 디지털 빔 형성 방법에 의해 다수의 번들 안테나 빔을 형성하기 위해 디지털화된 상기 수신 신호들을 상호연결하고, 및
    상기 물체에 정렬된 안테나 빔들의 위상들을 동일한 거리 및 속도 값을 가진 송신기의 위상 중심들의 상이한 수직 위치들과 비교하고, 상기 물체의 위치를 표시하는, 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이더 센서는, 관찰 각도 범위에서 더 높은 수평 각도 분해능을 달성하기 위해 인접 안테나 빔의 진폭을 평가하는, 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 레이더 센서는,
    더 높은 수평 각도 분해능을 달성하기 위해 2개의 인접 안테나 빔들 사이의 합 및 차이를 평가하는, 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신 안테나들은 구조가 동일한, 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신 안테나는 서로 평행하게 배열된 안테나들의 라인인, 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나의 안테나들의 라인은 서로 평행하게 배열되는, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 안테나들의 위상 중심들은 방출된 신호의 자유공간 파장의 절반 이하인 거리만큼 수직으로 오프셋 되는, 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체의 위치는 양(amount) 및 위상을 평가하여 다수의 안테나 다이어그램을 보여주는 디스플레이 장치에 의해 표시되는, 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 3차원 공간 내 물체의 위치를 결정하는 장치에서 사용하기 위한 레이더 시스템.
  11. 물체, 특히 움직이는 물체의 위치를 결정하는 방법에 있어서,
    안테나들의 라인들로 배열되고 상이한 수직 위상 중심들을 가진 2개 이상의 스위칭 가능한 송신 안테나들에 의해 전송되어 상기 물체에 반사된 시간상 연속적인 수신 신호들의 시퀀스를, 수평으로 직렬 배열된 복수의 수신 안테나들에 의해 수신하는 단계,
    상기 수신 신호들을 디지털화하는 단계,
    다수의 번들 안테나 빔을 형성하기 위해 디지털 빔 형성 방법에 의해 상기 디지털화된 수신 신호들을 상호연결하는 단계,
    2차원 FFT에 의해 속도 보정을 수행하고 2개의 상이한 전송 사이의 시간 오프셋을 측정하는 단계,
    동일 거리 및 속도 값을 갖는 송신기의 위상 중심들의 상이한 수직 위치들에서 상기 물체에 정렬된 안테나 빔들의 위상을 비교하는 단계, 및
    상기 물체의 위치를 표시하는 단계를 포함하고,
    상기 수평 송신 안테나들은 상기 수신 안테나들의 2개의 개별 안테나 사이의 수평 거리에 대응하는 거리를 두고 배열되는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    관찰 각도 범위에서 더 높은 수평 각도 분해능을 달성하기 위해 2개의 인접 안테나 빔들 사이의 진폭이 평가되는, 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    더 높은 수평 각도 분해능을 달성하기 위해 2개의 인접 안테나 빔들 사이의 합 및 차이가 평가되는, 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 송신 안테나들의 위상 중심들은 방출된 신호의 자유공간 파장의 절반 이하인 거리만큼 수직으로 오프셋 되는, 방법.
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