KR20200120685A - 대형 안테나 어레이를 갖는 자동차용 레이더 센서의 각도 추정 및 모호정수 결정 - Google Patents

대형 안테나 어레이를 갖는 자동차용 레이더 센서의 각도 추정 및 모호정수 결정 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 레이더 센서가 각도를 분해하는 방향(y)으로 상이한 위치들(yi)에 배열되어 있고 수신 목적으로 설계된 복수의 안테나(10, 12)를 갖는 안테나 어셈블리; 그리고 송신 목적으로 설계된 레이더 센서의 하나 이상의 안테나(22)가 상기 수신 목적으로 설계된 레이더 센서의 복수의 안테나(10, 12)에 의해 수신되는 신호를 송신하는 작동 모드를 위해 설계된 제어 및 평가 장치(30);를 구비한 자동차용 각도 분해 레이더 센서에 관한 것으로, 이 경우 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도(θ)의 개별적인 추정을 위해, 송신 및 수신 안테나(22, 10, 12)의 상이한 구성에 상응하는 각각의 평가 채널(i)에 대해 레이더 타깃의 각각의 개별 거리(di)를 결정하고, 이 개별 거리(di)를 레이더 타깃의 각도(θ)의 추정 시 사용하도록 설계되며, 본 발명은 또한 상기 목적을 위한 방법에 관한 것이다.

Description

대형 안테나 어레이를 갖는 자동차용 레이더 센서의 각도 추정 및 모호정수 결정
본 발명은, 레이더 센서가 각도를 분해하는 방향으로 상이한 위치들에 배열되어 있고 수신 목적으로 설계된 복수의 안테나를 갖는 안테나 어셈블리; 그리고 송신 목적으로 설계된 레이더 센서의 복수의 안테나가 상기 수신 목적으로 설계된 레이더 센서의 복수의 안테나에 의해 수신되는 신호를 송신하는 작동 모드를 위해 설계된 제어 및 평가 장치;를 구비한 자동차용 각도 분해 레이더 센서에 관한 것으로, 상기 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도의 추정을 실시하도록 설계된다.
레이더 센서는 자동차에서, 예를 들어 자체 차량의 전방에서 위치 확인된 차량들 또는 기타 레이더 타깃들의 거리, 상대 속도 및 방위각을 측정하기 위해 사용된다. 이 경우, 복수의 안테나가 예를 들어 수평면 상에 서로 간격을 두고 배열됨으로써, 위치 확인된 레이더 타깃들의 상이한 방위각은, 레이더 신호가 레이더 타깃으로부터 각각의 안테나까지 주파해야 하는 전파 길이에서의 차이를 야기한다. 이와 같은 전파 길이 차이는, 안테나에 의해 수신되어 관련 평가 채널에서 평가되는 신호의 진폭 및 위상에서의 상응하는 차이를 야기한다. 각도 추정을 위해, 상이한 수신 안테나에 의해 획득된 신호의 진폭 관계 및 위상 관계가 특징적인 방식으로 레이더 타깃의 각도에 좌우되는 상황이 이용된다. 이 경우, 상이한 채널들에서 수신된 (복소) 진폭을 안테나 다이어그램 내의 상응하는 진폭과 비교함으로써, 레이더 신호의 입사각 및 이로써 레이더 타깃의 방위각도 결정될 수 있다. 상응하는 방식으로, 안테나들이 수직으로 위·아래로 배열됨으로써, 레이더 타깃의 고도각도 추정될 수 있다.
타깃이 단 하나인 경우, 안테나 다이어그램 내의 각각의 각도에 대해, 측정된 진폭의 벡터(평가 채널이 k개인 경우, k개의 복소 성분을 갖는 벡터)와 안테나 다이어그램 내의 상응하는 벡터 간의 상관관계를 계산함으로써, 수신된 진폭과 안테나 다이어그램 내 진폭 간의 평형이 이루어질 수 있다. 이와 같은 상관관계는 소위 DML 함수(Deterministic Maximum Likelihood Function: 결정론적 최대 우도 함수)로 표현될 수 있으며, 이 함수는, 측정된 진폭의 특정 벡터가 주어진 경우, 각각의 각도에 대해 레이더 타깃이 상기 각도 위치에 있을 수 있는 확률을 지시한다. 이 경우, 각도 추정은 상기 DML 함수의 최대값을 알아내는 것이다.
높은 각도 분해능을 달성하기 위해서는, 안테나의 애퍼처(aperture)가 가급적 커야 한다. 하지만, 인접하는 안테나들의 간격이 지나치게 크면, 각도 측정에서 모호성(ambiguity)이 발생할 수 있는데, 그 이유는 파장(λ)의 정수배만큼 상이한 전파 길이 차이에 대해 수신된 신호들 간에 동일한 위상 관계가 획득되기 때문이다. 명확한 각도 측정은 예를 들어, 안테나들이 λ/2의 간격으로 배열된 ULA(Uniform Linear Array)에 의해 달성될 수 있다. 하지만 이 경우, 애퍼처가 증가함에 따라 안테나의 수 및 이로써 필요한 평가 채널의 수도 증가함에 따라, 상응하게 높은 하드웨어 비용이 발생하게 된다.
모호정수 결정(ambiguity resolution)은 레이더 타깃의 "추적(tracking)"을 이용해서도 수행될 수 있는데, 이 경우 레이더 타깃은 더 긴 시간 간격에 걸쳐 추적되고, 이전의 추정 각도의 고려 하에 위치 확인 거동으로부터 모호한 추정의 각도값의 선택이 수행된다. 하지만, 새로운 레이더 타깃이 나타나면 할당하는 데 시간이 걸린다. 또한, 특히 잡음이 많은 레이더 에코의 경우에는 할당에 오류가 있을 수 있음으로써, 모호정수에서 이따금 측정된 방위각의 갑작스러운 변화가 있을 수 있다.
MIMO 레이더(Multiple Input / Multiple Output)의 경우에는, 복수의 수신 안테나를 이용해서 동작할 뿐만 아니라, 복수의 송신 안테나를 이용해서도 동작함으로써 더 큰 각도 분해 능력이 달성되며, 이 경우 예를 들어 시분할 다중화 또는 선택적으로 주파수 분할 다중화 또는 코드 분할 다중화에서도 송신 및 수신 안테나들의 상이한 조합들이 평가된다. 송신 안테나의 변하는 위치들이 추후 추가적인 위상차를 야기하고, 이로써 단일 송신 안테나 및 추가의(가상의) 수신 안테나들을 갖는 구성에 의해 획득될 수 있는 신호와 등가인 신호를 야기한다. 이와 같은 방식으로 애퍼처가 가상으로 확대되고, 이로써 각도 분해능이 개선된다. 하지만, 이러한 경우, 복수의 송신 안테나가 필요함에 따라, 필요한 평가 채널의 수도 증가하게 되고, 그 결과 상응하게 높은 하드웨어 비용이 발생하게 된다.
가급적 높은 각도 분해능과 관련하여, MIMO 레이더의 경우에는, 개별 안테나들이 서로에 대해 상대적으로 큰 간격을 갖도록, 가상의 안테나 어레이가 얇아지는 것이 바람직하다. 하지만, 이러한 상황에서는 명확성 조건이 더는 충족되지 않음으로써, 특히 잡음이 많은 레이더 에코의 경우 다시 모호성이 발생하게 된다.
레이더 센서들의 성능이 더욱 향상되는 과정에서, d,v 추정이 증대된 해상도로 수행될 수 있다.
또한, 유효 센서 변수, 다시 말해 안테나 어셈블리의 크기 또는 애퍼처의 증가, 각도 추정 정확도의 증가 및 개선된 각도 분리도 가능해진다. 선형 주파수 램프를 갖는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 측정 방법 및 이산 푸리에 변환, 특히 FFT(Fast Fourier Transformation)를 이용한 수신 신호의 평가에서는, 푸리에 변환의 거리 빈의 폭이 거리차(Δr; Δr = c/(2F))에 상응하며, 이 식에서 c는 광속이고, F는 FMCW 송신 신호의 선형 주파수 램프의 주파수 편이(frequency deviation)이다. 상기 거리차는 여기에서 거리 분해능이라고도 지칭된다.
따라서, 거리 분해능이란, (동일한 상대 속도에서) 레이더 센서로부터의 거리의 2개의 측정값이 레이더 센서의 주어진 작동 모드에서 계속 분리된 빈 상에 맵핑될 수 있는 최소 거리차로 이해될 수 있다. FFT를 실행할 때, 거리 분해능은 FFT에서 2개의 거리 빈의 간격, 즉, 거리 빈의 폭에 상응한다. 여기에서 그리고 이하에서, '거리 분해능'의 개념과 '거리 빈의 폭'의 개념은 동일한 의미로 사용된다. 그와 달리, 거리 분리능이란, 거리 빈의 폭의 2배로 이해된다. 레이더 센서의 대역폭이 증가하면, 예를 들어 F = 2GHz의 송신 신호의 주파수 편이에서는 Δr = 7.5㎝의 거리 분해능이 가능하다. 동시에 애퍼처 또는, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 레이더 센서의 경우에는 가상의 애퍼처가 유사한 크기의 값으로 증가하면, 레이더 타깃의 각도에 따라 개별 안테나 또는 평가 채널의 수신 신호들 간의 전파 길이 차이는 이미, 평가 채널의 푸리에 스펙트럼 내에서 수신된 신호의 진폭 및/또는 위상에 관한 정보가 평가 채널에 따라, 검출된 레이더 타깃의 d,v 추정에 의해 결정된 주파수 빈 내에 포함될 뿐만 아니라 하나 또는 복수의 인접한 주파수 빈 내에도 포함될 정도로 클 수 있다.
본 발명의 과제는, 각도 추정의 모호정수 결정을 위한 새로운 유형의 가능성을 허용하는 레이더 센서를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라, 제어 및 평가 장치가, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도의 개별적인 추정을 위해, 송신 및 수신 안테나의 상이한 구성들에 상응하는 각각의 평가 채널에 대해, 레이더 타깃의 각각의 개별 거리를 결정하고 레이더 타깃의 각도 추정 시 상기 개별 거리들을 사용하도록 설계됨으로써 해결된다.
2개 이상의 평가 채널에 대한 개별 거리가 결정될 수 있다. 따라서, 개별 평가 채널 내에서 결정되는 개별 거리들 간의 차는 각도 추정의 모호정수 결정에 사용될 수 있다. 이로써, 예를 들어 모호정수 결정을 위한 다른 프로세스들이, 추가 정보가 제공됨으로써, 대체되거나 지원될 수 있다.
각각의 평가 채널에 대해, 바람직하게는 송신 안테나로부터 레이더 타깃까지의, 그리고 레이더 타깃으로부터 수신 안테나까지의 신호 전파 경로의 평균 거리가 개별 거리로서 가정되거나 결정된다.
개별 거리들은 객체의 동일한 위치와 관련이 있다. 개별 평가 채널에 대한 측정들이 예를 들어 (예컨대 복수의 수신 안테나가 하나의 송신 안테나의 신호를 수신하는 경우) 동시에, 또는 적어도 매우 짧은 시간 간격으로, 또는 시간상 서로 엮여서 실시될 수 있음으로써, 측정 정확도의 범주 내에서 동일한 위치가 가정될 수 있다.
안테나 어셈블리는 바람직하게, 안테나의 평면 배열, 예컨대 수신 안테나들 사이에 규칙적인 오프셋을 갖는 안테나 어레이 또는 얇아진 안테나 어레이다.
또한, 상기 과제는, 레이더 센서가 각도를 분해하는 방향으로 상이한 위치들에 배열되고 수신 목적으로 설계된 복수의 안테나를 갖는 안테나 어셈블리를 구비한 자동차용 레이더 센서를 위한 레이더 타깃의 각도 추정 방법에 의해 해결되며, 이 방법은, 레이더 타깃의 각도의 개별적인 추정을 위해, 송신 및 수신 안테나의 상이한 구성에 상응하는 각각의 평가 채널에 대해, 레이더 타깃의 각각의 개별 거리가 결정되고, 레이더 타깃의 각도를 추정할 때 상기 개별 거리가 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예들 및 개선예들은 종속 청구항들에 명시되어 있다.
바람직한 일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 관련 안테나의 위치를 고려하여, 특히 전술한 방향에서의 위치들을 고려하여, 레이더 타깃의 각도를 추정할 때 개별 거리를 사용하도록 설계된다. 각각의 평가 채널에 대해, 바람직하게 송신 및 수신 목적으로 사용되는 안테나들 사이의 중간 위치가 위치로서 고려되거나, 공지된 위치로서 가정된다.
일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도의 개별적인 추정을 위해, 제1 정보 및 제2 정보를 참조하여 각도 추정을 수행하도록 설계되며, 이 경우 제1 정보는 각각의 평가 채널의 신호들 간의 진폭 관계 및/또는 위상 관계이고 제2 정보는 각도 범위의 제한이며, 이 경우 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 각도의 개별적인 추정을 위해, 개별적으로 결정된 거리에 기초해서 제2 정보를 결정하도록 설계된다. 제1 및 제2 정보는 임의의 순서로 그리고/또는 동시에 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도의 개별적인 추정을 위해, 각각의 평가 채널의 신호들 사이의 진폭 관계 및/또는 위상 관계를 참조하여 각도의 제1 추정을 실행하도록, 그리고 복수의 가능한 각도값이 각도의 제1 추정의 모호한 결과로서 획득되는 경우에는, 개별적으로 결정된 거리에 기초해서 가능한 각도값들 중 하나를 각도의 추정 결과로서 선택하도록 설계된다. 달리 말하면, 전술한 작동 모드에서는, 개별적으로 결정된 거리에 기초해서 각도 추정의 모호정수 결정이 실시된다. 예를 들면, 모호한 값들 중 어느 것이 평가 채널의 상이한 개별 거리에 가장 적합한지가 검사된다. 이 경우, 2개 이상의 평가 채널이 사용될 수 있다. 가능한 각도값은 예를 들어 제1 정보를 참조하여 결정될 수 있고, 모호정수 결정성은 예를 들어 각도 범위 제한(제2 정보)의 결정에 상응할 수 있다.
일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도의 개별적인 추정을 위해, 개별적으로 결정된 거리에 기초하여 각도 범위의 제한을 실행하도록, 그리고 제한된 범위 내에서 각각의 평가 채널의 신호들 간의 진폭 관계 및/또는 위상 관계를 참조하여 각도의 추정을 실행하도록 설계된다. 이로써, 범위 제한에 기초하여 각도 추정의 모호성이 방지될 수 있다. 각도 범위의 제한은 예를 들어 제2 정보에 상응할 수 있으며, 이 경우 각도 추정은 제1 정보에 기초하여 실행된다.
일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 각도의 제1 추정의 모호한 결과로서 획득된 가능한 각도값들 중 하나를 선택하기 위해, 개별적으로 결정된 거리에 기초하여 각도의 제2 추정을 실시하도록, 그리고 제1 추정 시 획득된 가능한 각도값과 각도의 제2 추정 결과의 비교를 토대로 가능한 각도값들 중 하나를 선택하도록 설계된다. 따라서, 평가 채널의 상이한 개별 거리들에 따라 모호한 값들 중 어느 것이 제2 각도 추정치에 가장 적합한지가 검사된다. 제2 각도 추정은 예를 들어 제1 각도 추정보다 더 대략적일 수 있거나, 근사 추정일 수 있다. 각도의 근사한 제2 추정치와 가능한 각도값들의 각각의 비교에 따른 선택 시, 가능한 각도값의 검사 및 그 검사 결과에 기초한 선택을 위해 또 다른 정보가 사용될 수 있는 경우, 상기 비교가 적어도 선택을 지원할 수 있다.
일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 개별적으로 결정된 거리에 기초하여 삼변측정(trilateration) 또는 다변측정(multilateration)에 의해 각도를 추정하도록 설계된다. 각도 추정을 위한 이와 같은 접근 방식은, 예컨대 특히 큰 애퍼처를 갖는 안테나 어셈블리에서, 평가 채널의 개별 안테나 구성들 간에 나타나는 거리차가 비교적 큰 경우에 특히 우수하다. 삼변측정 또는 다변측정은, 레이더 센서에서의 공지된 위치에 대한 레이더 타깃의 각각의 거리에 대한 지식을 근거로 해서 위치 및 이와 더불어 레이더 타깃의 각도가 적어도 근사하게 추론될 수 있다는 사실에 기반한다.
일 실시예에서, 제어 및 평가 장치는, 전술한 작동 모드에서 각도의 제1 추정의 모호한 결과로서 획득된 가능한 각도값들 중 하나를 선택하기 위해, 개별적으로 결정된 거리가 관련 안테나의 위치에 할당되는 경향과 관련하여, 각도값의 부호 및/또는 직선 정렬에 상응하는 각도값을 타당성에 대해 검사하도록 설계된다. 이를 위해, 예를 들어 사례별 구분으로 충분할 수 있다. 이 경우, 바람직하게 다음과 같은 사례들로 구분된다:
- 관련 안테나의 상이한 위치들에 실질적으로 (예컨대 임계값의 범주 내에서) 동일한 개별 거리가 할당될 수 있는 경우,
- 상대적으로 더 큰 개별 거리가 더 작은 개별 거리보다 더 좌측에 할당되는 경향이 있는 경우,
- 상대적으로 더 큰 개별 거리가 더 작은 개별 거리보다 더 우측에 할당되는 경향이 있는 경우.
안테나 위치로서는, 바람직하게 송신 목적으로 사용되는 안테나와 수신 목적으로 사용되는 안테나 사이의 중간 위치가 고려되거나, 공지된 위치로서 가정된다.
본 발명 및 실시예들에 대해 언급된 특징들은 특히, 레이더 센서에서 2개 이상의 평가 채널에 대해, 송신 및 수신 안테나의 구성들에 의해 발생하는, 레이더 타깃에 대한 최대 거리차가 거리 분해능의 적어도 40%에 상응하거나, 특히 거리 분해능의 적어도 80%에 상응하는 경우에 바람직하다. 바람직하게, 2개 이상의 평가 채널에 대해, 송신 및 수신 안테나의 구성들에 의해 발생하는, 레이더 타깃에 대한 최대 거리차가 거리 분해능의 적어도 20%, 더 바람직하게는 적어도 33% 또는 적어도 40% 또는 적어도 50% 또는 적어도 80% 또는 적어도 100%에 상응한다. 송신 및 수신 안테나의 구성들에 의해 발생하는 최대 거리차는, 예를 들어 90°이하의 범위 내 각도에서, 안테나 어셈블리의 (가상의) 애퍼처에 상응할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 실시예들이 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 레이더 센서의 블록선도이다.
도 2는 각각의 평가 채널의 푸리에 스펙트럼의 주파수 빈의 개략도이다.
도 3은 2개의 안테나와 하나의 레이더 타깃 간의 관계도이다.
도 1에 도시된 레이더 센서는, 공통 기판(18) 상에 복수의 수신 안테나 또는 안테나 요소(10, 12)를 구비한다. 레이더 센서는 자동차 내에서, 복수의 안테나(10, 12)가 수평 위치들(yi, i = 0,...,k)에서 동일한 높이로 나란히 놓이도록 설치되며, 그 결과 수평선(방위각)에서 레이더 센서의 각도 분해능이 달성된다. 도 1에는, 각각의 방위각 θi로 안테나에 의해 수신되는 레이더 빔이 상징적으로 도시되어 있다.
송신 안테나(22)를 제어하기 위한 고주파부(20)는, 송신될 레이더 신호를 생성하는 국부 발진기(24)를 포함한다. 안테나(10, 12)에 의해 수신된 레이더 에코가 각각 믹서(28)에 공급되고, 이곳에서 레이더 에코는 발진기(24)에 의해 공급된 송신 신호와 혼합된다. 이와 같은 방식으로, 각각의 안테나(10, 12)에 대해 기저 대역 신호 또는 중간 주파수 신호(Z0, Z1, ..., Zi, ..., Zk)가 획득되고, 이 신호는 전자 제어 및 평가 유닛(30)에 공급된다. 제어 및 평가 유닛(30)은, 발진기(24)의 기능을 제어하는 제어부(32)를 포함한다. 도시된 예에서 레이더 센서는 FMCW 레이더이며, 다시 말해 발진기(24)에 의해 공급된 송신 신호의 주파수가 주기적으로 상승 및/또는 하강 주파수 램프의 형태로 변조된다.
또한, 제어 및 평가 장치(30)는 k개의 채널을 갖는 아날로그/디지털 변환기(34)를 구비한 평가부를 포함하며, 이 변환기는 k개의 안테나(10, 12)에 의해 수신된 중간 주파수 신호(Z0 내지 Zk)를 디지털 처리하여, 이를 각각 단일 주파수 램프의 지속 시간에 걸쳐 기록한다. 그런 다음, 이와 같이 획득된 시간 신호는 채널별로 변환단(36)에서 고속 푸리에 변환에 의해 상응하는 주파수 스펙트럼으로 변환된다. 이 주파수 스펙트럼 내에서는 각각의 레이더 타깃이 피크의 형태로 나타나며, 이 피크의 주파수 위치는 레이더 센서로부터 레이더 타깃으로의 그리고 역으로 레이더 센서로의 신호 전파 시간에 좌우되고, 도플러 효과로 인해, 레이더 타깃의 상대 속도에 좌우된다. 그 다음, 동일한 레이더 타깃에 대해 획득되었지만, 주파수 램프 상에서 예를 들어 상승 램프 및 하강 램프와 같이 상이한 기울기를 갖는 2개의 피크의 주파수 위치로부터, 관련 레이더 타깃의 거리(d) 및 상대 속도(v)가 공지된 방식으로 계산될 수 있다.
도 1에서 레이더 빔을 참조하여 개략적으로 도시된 바와 같이, 안테나들(10, 12)의 상이한 위치는, 하나의 동일한 안테나에 의해 방출된 레이더 빔이 레이더 타깃에서 반사된 후에 상이한 안테나에 의해 수신되고, 상이한 전파 길이를 주파하며, 그에 따라 레이더 타깃의 방위각(θ)에 좌우되는 위상차를 갖도록 유도한다. 관련 중간 주파수 신호(Z0 내지 Zk)도 상응하는 위상차를 갖는다. 수신된 신호의 진폭(양)도 안테나마다 상이하며, 마찬가지로 방위각(θ)에 따라 좌우된다.
각도 추정기(38)는 위치 확인된 각각의 객체, 즉, 각각의 레이더 타깃(주파수 스펙트럼 내의 각각의 피크)에 대해, 레이더 타깃의 방위각(θ)을 추정하기 위하여, k개의 수신 채널에서 획득된 복소 진폭을 안테나 다이어그램과 비교한다. 그 결과, 예를 들어 방위각(θ)에 대해 복수의 가능한 각도값(θe1, θe2, θe3)을 갖는 모호한 결과가 획득될 수 있다.
하지만, FMCW 변조의 큰 주파수 편이에 상응하게 대역폭이 높고, 안테나 어셈블리의 확장이 큰 경우, 레이더 타깃의 방위각(θ)에 따라 그리고 레이더 타깃의 거리(d)에 따라, 개별 수신 채널에서 수신된 신호의 주파수 스펨트럼 내의 상이한 주파수 위치[fa(i)]에 복소 진폭이 포함되어 있다. 이는 도 2에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기에는 증가하는 주파수(f)의 방향으로 연속하는 푸리에 스펙트럼의 주파수 빈이 도시되어 있다. 주파수 위치(fa)에서 수신된 신호 내의 피크는, 도 2에 빗금으로 표시된 바와 같이, 푸리에 변환 시 평가 채널 및 각도에 따라 하나 이상의 주파수 빈에 맵핑된다. 주파수(fref)는, 각도 추정에 의해 평가된 빈에 상응하는 중간 주파수 위치를 지칭한다.
도 2에서 각각의 주파수 스펙트럼에 걸쳐 하나의 피크를 이용해서 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 피크의 더욱 정확한 위치(주파수 위치)는 추후 거리 추정기(40)에 의해, 예를 들어 주파수 빈들의 간격보다 더 정밀하게 분해된 표본점들에서의 스펙트럼 보간 및 피크 최대값 탐색에 의해, 또는 스펙트럼에 대한 피크 함수의 국소 피팅(local fitting)에 의해 결정된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 결정기(42)는, 거리 추정기에 의해 각각의 평가 채널(i)에 대해 거리(di)의 추정된 개별 값을 획득하고, 각도 추정기에 의해 상황에 따라 모호한, 각도 추정 결과, 즉, 방위각의 가능한 각도값들(θe1, θe2, θe3)을 획득한다. 이를 기초로 해서 그리고 각각의 안테나의 위치들(yi)를 고려하여, 결정기(42)는 개별 거리(di)에 가장 적합한 각도값을 선택한다. 이와 관련해서는 이하에서 더욱 상세하게 설명한다.
도 3은, 좌표((0,y0) 및 (0,yi))에서 지수 "0" 및 "i"로 표시된 2개 안테나에 대한 평면도에서, 좌표(x,y)에서 레이더 타깃으로서의 일 포인트 타깃에 대한 관계를 도시한다. 개별 안테나로부터의 포인트 타깃의 간격은 "d0", "d1"으로 표기되어 있고, 수신된 레이더 신호의 입사각(방위각)은 "θ0" 또는 "θi"로 표기되어 있다. 도해의 간소화를 위해, 원점(0,0)이 안테나 어레이의 중심점을 나타내고, 수신 안테나(10, 12)의 중심 위치에 상응한다고 가정되며, 모노스태틱 시스템이 기술된다.
지수 "i"를 갖는 각각의 안테나에 있어서, 레이더 타깃의 개별 위치들 및 각도에 대해 각각,
Figure pct00001
Figure pct00002
이 적용된다.
원점에 대한 레이더 타깃의 좌표는 레이더 센서의 추정값으로서 하기와 같이 산출되어야 한다.
Figure pct00003
Figure pct00004
안테나마다, 평균값에 대한 편차는 다음과 같다:
Figure pct00005
Figure pct00006
여기서, Δdi는 거리차를 지칭하고, Δθi는 방위각 차이를 지칭한다.
거리차에 대해서는 다음의 식이 적용된다:
Figure pct00007
마지막 행에서는
Figure pct00008
에 대해 테일러 급수 전개(Taylor series development)를 갖는다.
근사법으로,
Figure pct00009
및 큰 "d"에 대하여 그리고 이와 더불어 작은 "z"에 대하여 다음과 같이 도출된다:
Figure pct00010
. 그 결과,
Figure pct00011
이다.
근사법으로, 상기와 같이 간단하게 구현될, 방위각(θ)의 각각의 평가 채널(i)에 대한 관계가, 거리차(Δdi) 및 관련 안테나 위치들(yi)로부터 추정된다. 더 정확하게 추정된 가능한 각도값들(θe1, θe2, θe3)과의 비교를 통해, 결정기(42)에 의해, 적합한 것으로서 확인된 각도값(θe)이 추정된 방위각(θ)으로서 결정된다.
전파 길이 차이로 인해 레이더 센서에 의해 "관찰되는" 평가 채널들의 개별 거리(di)는 안테나 구성들에 좌우된다. 이로써, 바이스태틱 시스템 또는 MIMO 시스템에서는, 송신 안테나로부터 타깃으로의 경로에 대해 그리고 타깃으로부터 수신 안테나로의 경로에 대해 효과(거리 또는 전파 시간)가 가산되어 평균된다. 추정된 거리(di)는, 예를 들어 전진 경로 및 후진 경로로 분할된 신호의 총 전파 시간에 걸쳐 결정되고, 이로써 신호의 평균 전파 시간에 걸쳐 평균 거리로서 결정된다. 안테나 위치(yi)로서는, 관련 송신 및 수신 안테나들의 중간 위치가 결정된다.
MIMO 레이더 센서에서는, k개의 평가 채널이 송신 및 수신 안테나의 상이한 구성들에 상응한다.
본 실시예에서, 각도 추정기(38)는, 상기 각도 추정기(38), 거리 추정기(40) 및 결정기(42)를 포함하는 각도 추정기(44)의 제1 단(stage)을 형성한다.
또 다른 실시예에서, 결정기(42)는, 개별 거리들(di)로부터 그리고 안테나 위치들(yi)를 고려하여, 삼변측정 또는 다변측정에 의해 각도(θ)를 근사하게 추정하도록, 그리고 더 정확하게 추정된 가능한 각도값(θe1, θe2, θe3)과의 비교를 통해, 적합한 것으로서 확인된 각도값(θe)을 추정된 방위각(θ)으로서 결정하도록 구성된다.
결정기(42)는 예를 들어, 개별적으로 결정된 거리들(di)이 관련 안테나의 위치들(yi)에 할당되는 경향과 관련하여, 가능한 각도값(θe1, θe2, θe3)의 타당성을 검사하도록 구성된다. 예컨대 각도 추정의 모호한 결과로서 -30°, 0° 또는 30°의 각도의 타당성이 검사되어야 한다면, 다음과 같이 사례들이 구별될 수 있다: 1.) 중앙 안테나 위치의 좌측 및 우측에 있는 안테나 위치들에서는, 실질적으로 동일한 개별 거리가 결정되고, 0°의 각도가 타당한 것으로서 결정되며, 2.) 좌측 안테나 위치에서는, 우측 안테나 위치에서보다 더 큰 개별 거리가 결정되고, (중앙에서 우측에 놓여 있는) -30°의 각도가 타당한 것으로서 결정되며, 3.) 좌측 안테나 위치에서는, 우측 안테나 위치에서보다 더 작은 개별 거리가 결정되고, +30°의 각도가 타당한 것으로서 결정된다.
또 다른 한 실시예에서, 각도 추정은 상응하는 방식으로 수행되나, 이 경우에는 먼저 개별적으로 결정된 거리들(di)이 관련 안테나의 위치들(yi)에 할당되는 경향을 참조하여 제한된 각도 범위가 추론되는데, 예를 들면 "좌측", "허용 오차 폭을 포함하여 중앙, "우측"이 추론되며, 그런 다음에 제한된 각도 범위 내에서 각도 추정이 명확하게 실시된다. 각도 범위들은 서로 중첩될 수 있다.
또 다른 한 실시예에서, 각도 추정은 거리 추정기(40)에 의해 결정된 개별 거리를 참조하여 바로 수행되는데, 예컨대 각도 추정기(38)가 존재하지 않거나 사용되지 않더라도, 삼변측정 또는 다변측정을 통해 수행된다.
일 실시예에서, 앞서 실시예들을 참조하여 기술된 제어 및 평가 장치(30)의 작동 방식은 비상 작동 모드를 위해 제공된 작동 방식이다. 정상 작동 모드에서는, 각도 추정기(44)가 각도 추정기(38)를 이용하여 종래의 각도 추정을 실행하고, 각도 추정의 모호정수 결정을 위해 종래의 방법을 사용한다. 하나 또는 복수의 안테나의 고장 시에는, 제어 및 평가 장치(30)가 나머지 안테나를 이용한 비상 작동 모드로 전환되며, 비상 작동 모드에서는 전술한 작동 방식이 각도 추정을 위해 또는 모호정수 결정을 위해 사용된다.
안테나(10, 12 및 22)는, 동일 위상에서 제어되거나, 위상을 유지하면서 하나의 수신 신호로 통합되는 패치 어레이를 각각 포함하는 그룹 안테나일 수 있다.
여기에 기술된 실시예들에서는 바이스태틱 안테나 컨셉으로써 작동된다. 그러나, 선택적으로 동일한 (그룹) 안테나가 송신 및 수신의 목적으로 이용되는 모노스태틱 안테나 컨셉도 이용될 수 있다.
기술된 제어 및 평가 장치의 작동 모드는, 특히 소위 래피드 처프 시퀀스(rapid chirp sequence)로 작동되는 FMCW 레이더 센서에서 바람직하게 사용될 수 있다. 이 경우, 큰 경사도 및 단지 상대적으로 짧은 지속 시간을 갖는 복수의 주파수 램프(chirp)가 신속한 시퀀스로 통과된다.

Claims (10)

  1. 자동차용 각도 분해 레이더 센서로서, 상기 레이더 센서가 각도를 분해하는 방향(y)으로 상이한 위치(yi)에 배열되어 있는, 수신 목적으로 설계된 복수의 안테나(10, 12)를 갖는 안테나 어셈블리; 그리고 송신 목적으로 설계된 레이더 센서의 하나 이상의 안테나(22)가 상기 수신 목적으로 설계된 레이더 센서의 복수의 안테나(10, 12)에 의해 수신되는 신호를 송신하는 작동 모드를 위해 설계된 제어 및 평가 장치(30);를 구비하며, 이 경우 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도(θ)의 추정을 실시하도록 설계되는, 자동차용 각도 분해 레이더 센서에 있어서,
    제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도(θ)의 개별 추정을 위해, 송신 및 수신 안테나(22, 10, 12)의 상이한 구성에 상응하는 각각의 평가 채널(i)에 대해, 레이더 타깃의 각각의 개별 거리(di)를 결정하도록, 그리고 레이더 타깃의 각도(θ)의 추정 시 상기 개별 거리(di)를 사용하도록 설계는 것을 특징으로 하는, 자동차용 각도 분해 레이더 센서.
  2. 제1항에 있어서, 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 관련 안테나의 위치들(yi)을 고려하여, 레이더 타깃의 각도(θ)의 추정 시 개별 거리(di)를 사용하도록 설계되는, 자동차용 각도 분해 레이더 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 레이더 타깃의 각도(θ)의 개별적인 추정을 위해, 각각의 평가 채널(i)의 신호들 사이의 진폭 관계 및/또는 위상 관계를 참조하여 각도의 제1 추정을 실행하도록, 그리고 각도의 제1 추정의 모호한 결과로서 복수의 가능한 각도값(θe1, θe2, θe3)이 획득되면, 개별적으로 결정된 거리(di)에 기초해서 가능한 각도값들 중 하나를 각도(θ)의 추정 결과로서 선택하도록 설계되는, 자동차용 각도 분해 레이더 센서.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 각도(θ)의 개별적인 추정을 위해, 개별적으로 결정된 거리(di)에 기초하여 각도 범위의 제한을 수행하도록, 그리고 제한된 범위 내에서 각각의 평가 채널(i)의 신호들 간의 진폭 관계 및/또는 위상 관계를 참조하여 각도의 추정을 수행하도록 설계되는, 자동차용 각도 분해 레이더 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 각도의 제1 추정의 모호한 결과로서 획득된 가능한 각도값들(θe1, θe2, θe3) 중 하나를 선택하기 위해, 개별적으로 결정된 거리(di)에 기초하여 각도(θ)의 제2 추정을 실시하도록, 그리고 제1 추정 시 획득된 가능한 각도값과 각도의 제2 추정 결과의 비교를 토대로 가능한 각도값들 중 하나를 선택하도록 설계되는, 자동차용 각도 분해 레이더 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 각도의 제1 추정의 모호한 결과로서 획득된 가능한 각도값들(θe1, θe2, θe3) 중 하나를 선택하기 위해, 개별적으로 결정된 거리(di)에 기초하여 삼변측정 또는 다변측정에 의해 각도의 제2 추정을 실시하도록, 그리고 제1 추정 시 획득된 가능한 각도값과 각도의 제2 추정 결과의 비교를 토대로 가능한 각도값들 중 하나를 선택하도록 설계되는, 자동차용 각도 분해 레이더 센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 각도의 제1 추정의 모호한 결과로서 획득된 가능한 각도값들(θe1, θe2, θe3) 중 하나를 선택하기 위해, 관계식 "sin θ = -Δdi / yi"를 기초로 해서 각도의 제2 추정을 실시하도록 설계되며, 여기서 "θ"는 제2 추정에서 추정될 각도를 지칭하고, "i"는 평가 채널을 지칭하며, "Δdi"는 평가 채널(i)에 대해 개별적으로 결정된 거리와 기준 안테나 위치의 거리 간의 차를 지칭하며, "yi"는 기준 안테나 위치와 관련하여 평가 채널(i)에 대한 안테나 위치를 지칭하며, 제어 및 평가 장치(30)는 또한, 제1 추정 시 획득된 가능한 각도값과 각도의 제2 추정 결과의 비교를 토대로 가능한 각도값들 중 하나를 선택하도록 설계되는, 자동차용 각도 분해 레이더 센서.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 및 평가 장치(30)는, 전술한 작동 모드에서 각도의 제1 추정의 모호한 결과로서 획득된 가능한 각도값들(θe1, θe2, θe3) 중 하나를 선택하기 위해, 개별적으로 결정된 거리(di)가 관련 안테나의 위치(yi)에 할당되는 경향과 관련하여, 각도값의 부호 및/또는 직선 정렬에 상응하는 각도값의 타당성을 검사하도록 설계되는, 자동차용 각도 분해 레이더 센서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 전술한 작동 모드는 제2 작동 모드이며, 그리고 제어 및 평가 장치(30)는, 제1 작동 모드에서는 송신 및 수신 안테나의 상이한 구성들에 상응하는 각각의 평가 채널(i)의 신호들 간의 진폭 관계 및/또는 위상 관계를 참조하여 레이더 타깃의 각도(θ)를 추정하도록 설계되며, 이 경우 신호들 간의 진폭 관계 및/또는 위상 관계는 사용된 평가 채널들(i)에서의 각각 동일한 주파수 위치에서 평가되며, 이 경우 제어 및 평가 장치(30)는, 제1 작동 모드에서 송신 목적으로 그리고/또는 수신 목적으로 사용된 안테나들 중 하나 또는 복수의 안테나의 고장 시, 제2 작동 모드에서, 송신 목적으로 사용된 나머지 안테나들 중 적어도 하나(22)와, 수신 목적으로 사용된 나머지 복수의 안테나(10, 12)를 사용하여, 레이더 타깃의 각도(θ)의 추정을 실시하도록 설계되는, 자동차용 각도 분해 레이더 센서.
  10. 레이더 센서가 각도를 분해하는 방향(y)으로 상이한 위치들(yi)에 배열되어 있고 수신 목적으로 설계된 복수의 안테나(10, 12)를 갖는 안테나 어셈블리를 구비한 자동차용 레이더 센서를 위한, 레이더 타깃의 각도를 추정하기 위한 방법에 있어서,
    레이더 타깃의 각도(θ)의 개별적인 추정을 위해, 송신 및 수신 안테나(22, 10, 12)의 상이한 구성들에 상응하는 각각의 평가 채널(i)에 대해, 레이더 타깃의 각각의 개별 거리가 결정되고, 레이더 타깃의 각도(θ)의 추정 시 상기 개별 거리(di)가 사용되는 것을 특징으로 하는, 레이더 타깃의 각도 추정 방법.
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