KR20170069636A

KR20170069636A - 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법

Info

Publication number: KR20170069636A
Application number: KR1020150177097A
Authority: KR
Inventors: 김세윤
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2017-06-21

Abstract

본 발명은 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 방법에서 있어서, FMCW 파형을 발생 및 제어하기 위한 신호발생기 제어 단계, 상기 발생한 FMCW 파형을 방사하고 수신하여 거리에 따른 시간지연을 비트신호로 하향 변환하는 신호 방사 및 수신 단계, 상기 변환된 아날로그 비트신호를 디지털 데이터로 변환하여 주파수 형태로 분석하는 Analog -Digital 변환 및 주파수 분석 단계, 상기 주파수에서 높은 분해능을 필요로 하는 표적을 구분하는 대상표적 구분 단계, 상기 대상표적에 대해 높은 분해능을 얻기 위해 FMCW파형 생성에 필요한 파라미터를 계산하는 sweep 주파수 설정 단계, 상기 대상표적이나 일반표적에 대해 거리와 속도를 추출하는 표적정보 추출 단계를 포함하는 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법에 관한 것이다.

Description

차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법{Method for improve the resolution of the automotive radar target tracking}

본 발명은 차량 전방의 전파를 방사하고 수신된 신호의 분석을 통해 주행 안전을 확보하는 차량용 레이더 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이더가 운용되는 환경에서 거리 분해능의 제약으로 인해 나타나는 악의 환경을 개선하기 위해 방사되는 전파의 파형과 수신된 신호의 분석을 위한 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법에 관한 것이다.

상기 차량용 레이더의 거리 분해능 제약은 동시에 관찰영역을 관찰하기 위해 넓은 대역폭의 ADC를 사용해야 하지만 높은 해상도의 ADC의 비용과 높은 해상도에 의한 많은 데이터 처리로 인한 비용의 상승으로 제한적인 ADC를 사용한다.

상기 언급된 대표적 악의 환경은 인접한 복수의 표적이나 큰 물체 앞에 놓인 표적의 구분으로 거리 분해는 미만으로 인접하면 같은 표적으로 인식되는 현상을 말한다.

종래의 레이더 측정 방법은 인접한 복수의 표적이나 큰 물체 앞에 놓인 표적의 구분을 위해서는 거리 분해능 기술을 통해 표적을 인식하였다. 상기 거리 분해는 향상이 필요한 상황에서 단일 표적으로 인식되는 오류가 발생하면 인지도지 않은 표적으로 인해 심각하게는 사고위험이 발생할 수 있다.

이러한 현상이나 위험을 완화 또는 회피하기 위해 높은 거리 분해능이 요구되지만 높은 해상도의 ADC 적용은 연산시간에 대한 부하발생과 부품의 가격상승으로 사용이 제한되는 문제점이 있다

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시례에 따른 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법은, 높은 거리 분해능을 필요로 하는 상황을 구분하고, 필요에 따라 거리 분해능을 향상시키는 방법을 제안하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시례에 따른 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법은, 특정거리 표적의 크기가 일정이상이 되거나 2 이상의 표적이 중첩되는 상황, 또는 다수의 표적이 존재하는 상황과 같이 특수 설정조건이 되면 높은 분해능을 갖는 넓은 대역폭의 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)) 파형을 방사하고, 이를 수신 후 분석한다. 이때 넓은 대역폭 방사로 인해 비례적으로 높은 표적거리 신호로 인한 모호성이 발생하게 된다. 이를 언더샘플링 기법을 적용할 수 있는 조건으로 FMCW파형을 방사하게 되면 거리 분해능이 향상된 거리를 측정함으로써 높은 연산을 위한 프로세서와 높은 해상도를 갖는 ADC(Analog Digital Converter,) 없이 분해능이 향상된 측정데이터를 확보할 수 있다. 상기와 FMCW 방식 레이더의 ADC sampling 주파수를 변경하지 않고, 레이더의 측정 최대거리까지 거리 분해능을 향상 시키는 방법에 관한 것이다.

기타 실시례들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.

첫째, 차량용 레이더에서 인식되는 정지 물체 중에서 제동 미 대상 정지 물체와 제동 대상 정지 물체를 구분하여 레이더 단독으로 대응할 수 있는 기능이 부과되어 성능 향상을 가져오는 장점이 있다.

둘째, 정지 차량 인식 시 카메라와 센서 퓨전이 일반적인데, 센서 퓨전을 수행하는 경우에도 레이더에서의 인식 결과가 제공되기 때문에 성능 향상을 가져오는 장점도 있다.

셋째, 레이더 단독으로 대응할 수 있게 될 경우 센서 퓨전을 필요로 하지 않기 때문에 원가 절감을 가져오는 장점도 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시례에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 FMCW 레이더 신호의 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 FMCW 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법의 흐름을 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 FMCW 레이더 신호의 언더샘플링을 나타낸 예시도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시례들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시례들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시례들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 FMCW 레이더 신호의 예시도이다.

도 1을 참조하면, 실선으로 표시된 신호는 레이더의 송신 신호(Tx)를 의미하고, 점선으로 표시된 신호는 송신 신호(Tx)가 표적으로부터 반사된 수신 신호(Rx)를 의미한다.

상기 송신 신호(100)는 B1, B2, B3의 대역폭을 갖고 송신주기 'T'를 가질 때, slope1, slope2, slope3으로 나타낼 수 있다. 거리 R을 갖는 표적에 대해 전파를 송신하고 수신하면 지연시간 'τ'에 대해 slope1, slope2, slope3은 주파수 차이를 갖는 fb1, fb2, fb3의 비트 주파수 신호(200)를 갖는다.

상기 거리에 대한 지연시간을 주파수 형태로 표현하는 비트 주파수 신호(200)는 (수학식 1)에 의해 연산된다. 또한, 탐지 가능한 거리 분해능은 (수학식 2)에 의해 연산된다.

(수학식 1)

fb = (2*R*B) / (c*T)

(수학식 2)

ΔR = c / (2*B)

FMCW파형을 이용한 레이더에서 RF대역폭은 거리 분해능에 의해 결정되고 ADC 샘플링 주파수는 최대거리와 최대 도플러 주파수에 결정되고, FFT(Fast Fourier Transform)포인트는 상기 ADC에서 획득된 샘플링 포인트에 의해 결정된다. 특정 최대거리를 가질 때 거리 분해능과 ADC샘플링 주파수는 비례하기 때문에 높은 분해능을 갖기 위해서는 RF대역폭이 넓어지고 ADC샘플링 주파수도 높아져야 한다. 도 1에서 대역폭을 나타내는 B1부터 B3까지 등 간격이라고 한다면, B2는 B1의 1/2배의 거리 분해능을, B3은 B1의 1/3의 거리 분해능을 갖는다.

상기 실시례에서 상기 대역폭 B2을 갖는 FMCW 신호를 방사하면 fb2의 비트 주파수를 갖는 거리의 표적이 존재한다면, '2*fb2'의 ADC 샘플링 주파수를 가지면 모호성이 없는 'fb2'주파수 측정할 수 있다. FMCW 대역폭은 B3로 변경하면 fb3의 비트 주파수를 가져 '2*fb2' ADC 샘플링 주파수를 가지면 '0.5*fb2'를 가져 잘못된 거리값을 산출하는 오류를 범한다. 그러나 B2의 대역폭으로 방사할 경우 'fb2'의 거리를 갖는 것을 인지하고 있기 때문에 대역폭을 'B3'로 변경하여도 'fb3'의 비트 주파수를 가질 것을 알고 있어 '0.5*fb2' 비트주파수가 나오더라도 정확한 거리를 산출할 수 있고, 또한 FMCW 대역폭 확장으로 인한 거리 분해능 향상 효과가 있다.

도 2는 발명의 일 실시례에 따른 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법의 흐름을 나타내는 구성도이다.

신호발생기 제어 단계는 특정거리 표적의 크기가 일정이상이 되거나 2 이상의 표적이 중첩되는 상황, 또는 다수의 표적이 존재하는 상황 등의 높은 분해능을 갖는 넓은 대역폭의 FMCW 파형을 방사하도록 신호발생기를 제어한다(S210).

신호 방사 및 수신 단계는 상기 신호발생기에서 제어된 FMCW 파형 신호를 발생하고, 상기 신호 외부로 방사할 수 있다(S220). 상기 발생한 신호를 방사하고 수신하여 거리에 따른 시간지연을 비트신호로 하향 변환할 수 있다.

Analog-Digital 변환 주파수 분석 단계는 상기 변환된 아날로그 비트신호를 디지털 데이터로 변환하여 주파수 형태로 분석할 수 있다(S230). 대상표적 구분 단계는 상기 높은 분해능을 필요로 하는 표적을 구분할 수 있다(S240).

sweep 주파수 설정 단계는 상기 표적이 대상표적이라고 판단되면 대상표적에 대해 높은 분해능을 얻기 위해 FMCW파형 생성에 필요한 파라미터를 계산할 수 있다. 상기 sweep 주파수 설정 단계는 레이더 신호의 RF대역폭을 제어할 수 있다. 상기 RF대역폭은 sweep 주파수 설정 단계에서 대상표적의 세부 구분이 필요하다고 판단하여 필요한 파라미터를 산출하여 신호발생기를 제어할 수 있다(S250).

표적정보 추출 단계는 상기 대상표적이나 일반표적에 대해 거리와 속도를 추출할 수 있다(S260).

도 3은 FMCW 레이더 신호의 언더샘플링을 나타낸 예시도이다.

FMCW 운영에 있어 특정 거리의 표적이 일정이상의 크기를 갖거나 서로 다른 두 표적 또는 이상의 표적이 이동하여 인접하게 되면 레이더로 두 표적 또는 이상의 표적을 구분하지 못하는 현상이 발생한다. 이때 두 표적을 구분하지 못하지만 문제시되는 특정거리를 알고 있기 때문에 분해능 향상을 위해 RF대역폭을 확장하였을 경우 예상되는 거리의 비트주파수를 알 수 있고, 이 대상표적의 특정거리에 대한 언더샘플링 조건 계수를 적용하면 모호성이 없는 조건에서 높은 분해능의 표적 정보를 얻어 둘 또는 그 이상의 표적을 구분한다.

상기 모호성이 없는 조건은 측정하려는 신호의 주파수 성분보다 ADC 샘플링 주파수가 2배 이상 높으면 aliasing이 없이 신호를 확인할 수 있지만, ADC 샘플링 주파수 조건을 만족하지 않으면 aliasing 발생하여 높은 주파수라도 ADC 샘플링 주파수 이내의 주파수로 간주된다.

예를 들면 ADC 샘플링 주파수가 10Mhz이면 측정하려는 신호가 5Mhz 이하에 대해서는 정상적인 측정이 가능하지만, 측정하려는 신호가 13, 18, 21Mhz이면 ADC를 통해 확인된 주파수는 aliasing에 의해 각각 3, 2, 1Mhz이 되어 모호성이 있는 주파수를 갖는다. 그러나 모호성 발생 지점을 미리 알고 있다면 낮은 샘플링 주파수를 이용하여 상기 모호성이 발생하는 주파수도 측정할 수 있게 되고, 이를 '언더샘플링'이라 한다. 그리고 다중의 표적인 혼재하는 환경에서 다른 표적에 의한 간섭 없이 분석하기 위한 조건도 설정할 수 있다. 단, 신호의 주파수 대역폭이 넓지 않아야 언더샘플링을 위한 조건을 충족해야 한다.

상기 언더 샘플링의 위한 조건은 (수학식 3), (수학식 4), (수학식 5) 를 이용하여 설정한다. (수학식 3) 은 언더샘플링 계수 또는 비율을 나타낸 값 'k'에 관한 계산식이다. (수학식 4) 와 (수학식 5) 는 언더샘플링의 조건을 나타낸 것으로, aliasing이 발생하기 않기 위한 조건이다.

(수학식 3).

k=2*(fH/fs)

(수학식 4)

(((k-1)*fs)/2) < fL

(((k)*fs)/2) > fH

(수학식 5)

((2*fH)/k) ≤ fs ≤ ((2*fL)/(k-1))

여기서, 'k'는 언더샘플링 계수 또는 비율을 나타낸 값, fs는 ADC샘플링 주파수, k는 언더샘플링 계수, f0는 관찰하고자 하는 특정 비트신호의 중심주파수, fH는 비트신호의 높은 주파수, fL은 비트신호의 낮은 주파수를 각각 나타낸다.

본 발명의 일실시례로 FMCW레이더가 최대거리 R은 125m; RF대역폭 'B'는 300Mhz; ADC 샘플링 주파수 'fs'를 5Mhz; 변조주기 'T'는 100us이면 거리 분해능 'ΔR'은 0.5m을 갖는 시스템에서, 표적이 각각 40m와 90m에 존재하면 수학식 1에 의해 비트신호 주파수는 각각 800과 1800K hz를 갖는다. 만약 두 거리의 표적이 각각 중첩되어 존재하는 경우 표적을 구분하기 위한 필요 분해능이 0.1m이라면, 분해능의 배수(5배)만큼 증가시키기 위해 RF대역폭은 1500MHz이 되어야 한다. RF대역폭은 도 2의 sweep 주파수 설정 단계에서 대상표적의 세부 구분이 필요하다고 판단하여 필요한 파라미터를 산출하고 이를 신호발생기 제어단계에 적용하여 원하는 신호의 생성 및 외부로 방사를 실시한다.

이때 변경된 RF대역폭에 의해 대상 표적에서 수신된 비트신호 주파수는 4000과 9000K hz를 갖게 되어 5Mhz를 갖는 'fs'가 Nyquist 이론에 의한 주파수(fs > 2*fH)를 만족하지 못하므로 언더샘플링에 의한 신호 분석을 수행한다

언더샘플링 시 관찰하기 위한 영역을 제한함으로써 aliasing이 발생하지 않는 조건을 설정할 수 있으므로 관찰하기 위한 영역을 일반 승용 차량이 중첩되어 공조하는 거리 10m로 하면, 비트주파수 대역폭은 1000Khz로 감소될 수 있다.

상기 4000K hz를 갖는 첫 번째 표적에 대한 주파수 범위는 3500에서 4500까지 제한하고, 상기 9000K hz를 가는 표적은 8500에서 9500으로 제한하면 aliasing이 발생하지 않고 높은 해상도의 표적 정보를 얻을 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시례에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특징의 실시례에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

100 : 송신 신호
200 : 비트 주파수 신호

Claims

FMCW 파형 레이더 신호를 발생 및 제어하기 위한 신호발생기 제어 단계;
상기 발생한 FMCW 파형 레이더 신호를 방사하고 수신하여 거리에 따른 시간지연을 비트신호로 하향 변환하는 신호 방사 및 수신 단계;
상기 변환된 아날로그 비트신호를 디지털 데이터로 변환하여 주파수 형태로 분석하는 Analog -Digital 변환 및 주파수 분석 단계;
상기 주파수에서 높은 분해능을 필요로 하는 표적을 구분하는 대상표적 구분 단계;
상기 대상표적에 대해 높은 분해능을 얻기 위해 FMCW파형 생성에 필요한 파라미터를 계산하는 sweep 주파수 설정 단계; 및
상기 대상표적이나 일반표적에 대해 거리와 속도 등의 정보를 추출하는 표적정보 추출 단계;
를 포함하는 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 신호발생기 제어 단계는,
상기 sweep 주파수 설정 단계의 FMCW파형 생성에 필요한 파라미터를 이용하여 높은 분해능을 갖는 넓은 대역폭의 FMCW 파형의 레이더 신호를 발생하는 단계를 포함하는 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법.
제 2항에 있어서, 상기 신호발생기 제어 단계는,
상기 FMCW 파형 레이더 신호의 RF대역폭은 거리 분해능에 의해 결정되고, ADC 샘플링 주파수는 최대거리와 최대 도플러 주파수에 의해 결정되고, FFT포인트는 상기 ADC에서 획득된 샘플링 포인트에 의해 결정되는 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 대상표적 구분 단계는,
특정거리 표적의 크기가 일정이상이 되거나 적어도 2개 이상의 표적이 중첩되는 상황, 또는 다수의 표적이 존재하는 상황 등의 높은 거리 분해능을 필요로 하는 상황을 구분하는 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 sweep 주파수 설정 단계는,
높은 분해능을 필요로 하는 대상표적 발생시 언더샘플링을 이용하여 신호 분석하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법.
제 4항에 있어서, 상기 sweep 주파수 설정 단계는,
상기 언더 샘플링을 이용하여 대상표적의 특정거리의 모호성 발생 지점을 미리 알고 있다면 낮은 샘플링 주파수를 이용하여 모호성이 발생하는 주파수도 측정하는 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법.
제 1항에 있어서, 상기 표적정보 추출 단계는,
상기 높은 거리 분해능을 필요로 하는 대상표적의 특정거리에 대한 언더샘플링 조건 계수를 적용하여 모호성이 없는 조건에서 높은 분해능의 표적 정보를 얻어내는 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법.
제 6항에 있어서, 상기 표적정보 추출 단계는,
상기 언더샘플링을 이용하여 대상표적의 거리를 산출함으로써 표적이 잘못 구분되어 표적을 인지하지 못하거나 늦게 인지하는 현상을 방지하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더의 추종표적에 대한 분해능 향상 방법.