KR20200131349A - 메타 물질 안테나 사이드 로브 특성을 포함하는 물체 검출 장치 및 방법 - Google Patents

메타 물질 안테나 사이드 로브 특성을 포함하는 물체 검출 장치 및 방법 Download PDF

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쇼아이브 샤피
압둘라 자이디
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Abstract

본 발명은 전자기 송신의 사이드 로브의 하프-파워 조명 영역이 물체를 검출하는 메타 물질 안테나 구조 방법 및 장치를 제공한다.

Description

메타 물질 안테나 사이드 로브 특성을 포함하는 물체 검출 장치 및 방법
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2018년 4월 12일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/656,903호의 우선권을 주장하며, 그 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 무선 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 메타 물질 장치를 이용해서 물체를 검출하는 레이더 시스템에 관한 것이다.
레이더 안테나는, 방사 신호의 사이드 로브와 관련된 손실은 감소시키면서 관심 영역에만 파워를 집중하도록 설계된다. 많은 설계가, 물체 검출에 사용할 수 있는 에너지를 최적화하면서 사이드 로브의 크기를 감소시키려고 한다.
본 출원은, 이하의 상세한 설명을 첨부된 도면과 함께 참조함으로써 보다 충분히 이해될 수 있을 것인데, 도면은 실제 축척으로 도시된 것은 아니며, 전체 도면에서 유사한 부분은 유사한 참조 번호가 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 시야를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른, 차량에 적용되는 레이더 유닛 및 전자기 방사 송신의 대응하는 로브를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 도 2와 같은 레이더 시스템의 동작의 흐름도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 메인 송신 신호 로브의 방향을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 송신 및 수신 안테나를 가진 시스템을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 시스템을 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 및 제어 시스템을 도시한다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 가드 요소 방사 패턴 및 검출 시나리오를 도시한다.
레이더의 시야를 확장하면서 레이더 시스템에서 사용되는 전력을 최적화하기 위해서, 본 발명은 레이더 송신의 사이드 로브들로부터 수신된 신호를 통합하는 방법 및 장치를 제공한다. 일부 실시예에서, 도달 범위 및 각도가 레이더 시스템의 메인 로브 또는 사이드 로브에서의 검출을 결정하는 데 사용된다. 일부 실시예에서, 이 메인 로브 외부에서 물체를 검출하도록 안테나 가드 요소가 구현된다. 안테나 시스템은, 다수의 방사 요소를 구비한 안테나 어레이와 같은 다수의 안테나 요소로 구성되며, 이는 메타 물질 요소일 수도 있고, 메타-구조 요소일 수도 있으며, 혹은 다른 방사 요소 구조일 수도 있다.
이들 과제 및 다른 과제는 물체 검출을 위한 메타 물질 안테나 설계를 제공하는 본 발명에 의해 해결될 수 있다. 메타 물질 설계는 소형 구조로 형성된 전도성 물질을 사용해서 구현될 수 있는 데, 이는 디지털 빔 형성 기술을 이용하지 않고 메타 물질 요소의 리액턴스 특성을 변경해서 안테나의 동작을 제어함으로써, 송신 빔의 정확한 방향 및 이 빔의 제어를 가능하게 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 차량(102)은 레이더 유닛(104)을 갖는데, 이는 송신 및 수신 동작을 위한 단일 안테나 어레이를 가질 수도 있고, 혹은 송신 동작과 수신 동작을 위한 개별적인 안테나 어레이 또는 요소를 가질 수도 있다. 레이더 유닛(104)은 메인 로브 및 하나 이상의 사이드 로브를 갖는 방사 빔을 생성하도록 동작한다. 생성되는 특정한 패턴은, 빔 스티어링, 빔 스위칭 및/또는 방사 빔 생성을 위한 다른 메커니즘을 가능하게 하는 레이더 유닛(104)의 능동 소자에 의해 변경될 수 있다. 빔 스티어링은 일반적인 래스터 스캔 방법에 따라 수행될 수도 있고, 시야 내에서의 응답 및 검출되는 물체에 기초해서 조정될 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 차량(102)의 바로 앞에는 물체(1)가 위치되어 있고, 측면에는 물체(2)가 위치되어 있다. 레이더 유닛(104)의 목표 및 동작은 차량의 경로에 있을 수 있는 임의의 물체를 검출하고, 이에 응답해서 자동 반응 혹은 운전자에 대한 경고일 수 있는 적절한 조치를 결정하는 것이다. 이러한 시스템은 ADAS(Automated Driver Assist System)에서 구현되어서 차량의 운전자에게 안내 정보를 제공하도록 구현될 수도 있고, 혹은 사람의 개입이 필요하지 않은 자율 주행 차량에서 구현될 수도 있다. 차량(102)은 레이더 유닛(104)과 협력하는 또는 동시에 동작하는 다른 센서를 가질 수도 있다. 레이더 유닛(104)은 임의의 다양한 구성을 취할 수 있는 안테나를 갖는다. 유사하게, 레이더 유닛(104)은 차량을 따라서 또는 차량 내에 위치된 다수의 레이더 센서를 포함할 수 있다.
차량(102)은 또한 차량 주위의 다수의 센서로부터 정보를 취하는 중앙 제어 시스템(종종 센서 융합(sensor fusion)이라고도 함)을 포함할 수 있다. 센서 융합은 신호를 취해서 차량을 안전하게 제어하도록 설계된 방식(scheme)에 따라 동작한다. 센서 융합이 판정하는 성능은, 수신한 데이터의 정확성에 기초한다. 안전을 위해서, 각각의 타입의 센서의 이점 및 장점을 최적화하도록 다양한 센서가 조정될 수 있다. 레이더 유닛(104)은 모든 타입의 기상(weather) 조건에서 작동할 수 있고 긴 물체 검출 거리를 갖고 있기 때문에, 이 레이더 유닛(104)은 중요한 센서 정보를 제공한다. 이것은 60mph 이상의 속도에서 차량이 동작하는 데 중요하다.
물체를 검출하고 분류하는 능력은 본 명세서에서 제시되는 실시예의 일부이며, 다양한 조건을 사용해서, 수신한 레이더 검출 정보와 데이터, 에코 및 반사를 수신해서 검출 정보에 대응하는 물체에 대한 분류를 결정하는 인지 엔진을 생성한다. 인지 엔진은 인공 지능(AI) 엔진과 같은 인지 엔진으로의 특정한 입력을 아날로그 정보를 사용해서 결정하고, 분류를 출력한다. 동작시에, 이 분류는 하나 이상의 물체 타입에 대한 확률로서 제공된다. 본 실시예에서, 인지 엔진은 다수의 엔진을 포함할 수 있는데, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 그 중 하나는 메인 로브로부터, 물체를 분류하는 데 사용되고 다른 하나는 하나 이상의 사이드 로브 또는 가드 로브로부터 물체를 분류하는 데 사용된다.
도 2는 시스템(100) 및 레이더 유닛(104)으로부터의 다양한 레이더 빔폼을 도시한다. 메인 로브("ML")(120)는 차량(102)의 다이렉트 경로에 있는 물체를 검출하도록 구성된다. 물체 1(O1)은 검출 영역으로 도시된 ML(120)의 시야 내에 있다. 검출 영역은 레이더 유닛(104)의 수신 안테나가 그 안에 물체로부터의 리턴 신호를 수신하는 영역이다. 도시된 물체(O1)는 차량(102)의 방향에 대해 0°인 다이렉트 시선(조준(boresight)이라고도 함)에 위치되어 있다. 레이더 유닛(104)으로부터 송신되는 빔폼은, 윤곽이 그려진 검출 영역으로 도시된 우측 로브(RSL;Right Side Lobe)(124) 및 좌측 로브(LSL)(122)를 포함한 다수의 사이드 로브를 갖는다. 사이드 로브는 전자기(EM) 송신 빔의 송신 특성으로, 다양한 형태를 취할 수 있다. 종종 사이드 로브는 판정이 어렵고 매끄럽게 제어되지 않는다.
본 실시예의 일부에서, 레이더 유닛(104)은, 사이드 로브의 검출 영역 내에 위치된 물체로부터의 에코를 수신하고 ML(120)의 검출 영역 성능에 대한 실질적인 확장을 제공하는 수신 안테나를 갖는다. 사이드 로브(122, 124)에 있는 물체로부터의 레이더 신호 반사는 물체 검출 정보를 제공한다. 예를 들어 FMCW(Frequency Modulated Continuous Waveform)의 경우, 리턴 신호를 사용해서 물체까지의 범위는 물론 해당 물체의 속도를 결정한다. 추가적인 처리를 행함으로써, 레이더 유닛(104)은 도달 각도를 검출할 수 있는데, 이는 차량(102)에 대한 물체의 실제 위치 측정을 가능하게 한다. 예를 들어, RSL(124)은 물체 2(O2)에서 반사되어서, RSL(124)의 검출 영역에 들어있는 위치에 있는 물체를 식별하는 데 사용될 수 있다. 물체 위치는 반사각으로 식별된다.
레이더 유닛(104)의 안테나가 각각의 로브 내의 물체를 검출할 수 있는 영역을 하프-파워 조명 영역(Half-Power Illumination Area; HPIA)이라고 한다. 안테나 시스템은 형상과 방향을 가진 방사 신호를 생성하며, 메인 로브, 사이드 로브 및 가드 로브 각각은 고유의 HPIA를 갖는다. 일반적으로 사이드 로브는 메인 로브의 방향, 이득 및 특성에 따라 달라지며, 따라서 메인 빔의 방향을 변경하면 사이드 로브의 검출 영역도 변경된다. 해당 메인 로브 방향과 관련된 HPIA를 결정하기 위해서, 레이더 유닛(104)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 로브가 달성할 수 있는 다양한 각도 조정을 고려한다. 이러한 방식으로, 메인 로브와 사이드 로브는 메인 로브만 있는 경우보다 더 넓은 영역을 커버할 수 있다. 많은 안테나 애플리케이션에서는 메인 로브에 있는 물체만 검출 가능하지만, 본 발명은 다수의 HPIA 내에서 물체를 검출하는 것을 가능하게 하고, 환경에 따라서는 특정한 방향으로의 이동뿐만 아니라 특정 영역의 스캔도 가능하게 한다. 예를 들어, 물체가 사이드 로브에서 검출되면, 레이더 유닛(104)은 메인 빔의 방향을 변경해서 물체(들)를 캡쳐할 수 있다.
도 2의 시나리오에서, 메인 빔은, 차량(102)의 전방 경로에 위치된 물체(1)(타깃이라고 하며 본 명세서에서는 01로 표시됨)를 검출할 HPIA를 갖는다. 차량(102)이 계속 전방을 향함에 따라서, 레이더는 이를 타깃(01)을 계속 검출하고 적절한 액션을 취할 것이다. 또한, RSL(124)의 HPIA 내에 물체 2(타깃(02))가 있다. RSL에 의한 검출시에, 레이더 유닛(104)은 타깃 2을 캡처 혹은 추적하기 위해 다양한 임의의 액션을 취해서 안테나를 조정한다. 한 시나리오에서, 레이더 유닛(104)은 HPIA가 타깃(02)을 캡처한 각도로 메인 로브를 지향시키도록 송신 안테나를 조정한다. 다른 시나리오에서, 레이더 유닛(104)은 HPIA가 타깃(02)을 캡처하는 각도로 RSL(124)를 지향시키도록 송신 안테나를 조정한다. 이들 시나리오에서, 수신 안테나 또는 수신기는 송신 동작에 조합되어서, 이에 따라 조정될 수 있다.
종래의 레이더 유닛은 사이드 로브 방사의 크기를 최소화하도록 설계된다. 그러나, 본 발명은 사이드 로브가 다른 응용예에서 허용되는 것보다 큰 상황에서 적용될 수 있다. 본 발명은 사이드 로브들로부터의 정보를 통합해서, 사이드 로브 HPIA를 레이더 유닛(104)과 같은 레이더 유닛의 결합 성능의 일부로서 간주함으로써, 레이더로부터의 방사 패턴의 사용을 최적화한다. 본 발명은 또한 클러스터링된 환경 내에서 다수의 물체를 검출하는데 적용될 수도 있다. 메인 로브 HPIA가 레이더의 조준 내에서 타깃(O1)을 캡처하는 동안 RSL(124) HPIA는 타깃(O2)을 캡처한다.
도 3은 레이더 유닛(104)을 제어하기 위한 본 발명의 일부 실시예에 따른 프로세스(300)를 도시한다. 프로세스(300)는 송신기의 래스터-타입 스캔과 같은 스캔을 개시하며(302), 여기서 안테나는 레이더 유닛(104)의 시야(FoV) 내에서 지향된다. 이것은, 안테나가 차량의 경로 내의 조준 방향에 대한 하나 이상의 각도를 향한다는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 FoV란 안테나 유닛(104)이 물체를 검출할 수 있는 영역을 의미하며, 이는 레이더 유닛(104)이 가능한 지향성 및 빔폼의 범위에서의 송신 동안의 안테나의 HPIA를 포함한다.
레이더 유닛(104) 내의 안테나 요소는 송신 방향, 수신 방향, 송신 이득, 수신 이득 등을 포함한 제어 파라미터를 조정함으로써 제어될 수 있다. 안테나 방향 및 이득은 안테나 요소를 위상 시프트하고 안테나 요소에 공급되는 전력을 조정함으로써 조정될 수 있다. 스캔을 수행하는 다양한 방법으로는, 사전 결정된 패턴으로 각도를 순환시키는 방법, 그 환경에서 검출된 물체 및 조건에 따라 동적으로 방향을 조정하는 방법, 및 다른 커스텀 방식 등이 있다.
일부 실시예에서, 안테나는 안테나 요소에 연결된 리액턴스 제어 요소를 통한 위상 시프팅을 가능하게 하도록 구성된, 메타 물질(MTM) 안테나 또는 메타-구조 안테나이다. 메타 구조 요소는 자연에서는 볼 수 없는 전자기 특성을 갖고 제작된 구조로, 여기서 굴절률은 임의의 값을 가질 수 있으며, 그 구조는 비주기적, 주기적 또는 부분 주기적(반주기적)일 수 있다. 메타 구조는 전자기파 위상을 주파수 및 공간 분포의 함수로 조작한다. 위상 제어기는 무선 프론트 엔드, 방사 요소 및 메타 구조를 따라 분산될 수 있다. 이러한 구조는 수동 소자 및/또는 능동 소자일 수 있다.
도 3을 계속 참조하면, 프로세스(300)는 송신 안테나를 예를 들어 각도 각도 시퀀스 및 송신 파라미터에 따라서 제 1 송신 각도로 조정한다(304). 물체가 검출되면(306), 프로세스는 검출된 물체 즉 타깃(i)의 위치(Pi)를 판정하고, 이를 타깃(i)까지의 범위 또는 거리 및 각도(Ai)에 의해 식별한다(308). 식별은 범위 및 각도(R, A)의 범위 도플러 매핑으로 처리 및/또는 저장된다. 각도는 안테나의 조준과 같은, 디폴트 방향에 대해서 측정된다. 물체가 검출되지 않으면(306), 프로세스는 래스터 스캔과 같은 스캔을 계속한다(312).
물체가 검출되면, 레이더 유닛(104)은 다음 스캔에서 타깃(i)이 어디에 위치될지 판정하고, 타깃(i)이 있다면 타깃(i)을 캡처하기 위한 레이더 각도에 대한 조정을 결정한다. 물체가 정지되어 있는 경우, 레이더 조정은 차량(102)의 움직임을 고려해서 물체가 레이더 유닛(104)에 대해 어디에 있게 될지를 결정하지만, 레이더 유닛(104)은 타깃(i)의 움직임을 결정하기 위한 다중 송신이 필요할 수도 있다. 레이더 유닛(104)이 FMCW와 같은 변조 타입을 포함하는 경우, 타깃(i)의 속도 및/또는 가속도는 하나 또는 수개의 송신 사이클로부터 결정될 수 있으며, 따라서 레이더는 레이더 유닛(104)과 타깃(i) 사이의 공간적 관계를 예측하는데 한 각도에서만 스캔하면 될 수 있으며, 이후 래스터 스캔을 계속한다(312)는 점에 주의한다. 사이드 로브의 HPIA 내에 물체가 없다면(314), 레이더 유닛(104)은 타깃(i)의 메인 로브 검출을 수행할 수 있도록 안테나를 조정할 것이다.
도 3 및 프로세스(300)를 계속 참조하면, 안테나의 조정은 별개의 요소인 송신 및 수신 안테나의 조정을 고려한다. 레이더 유닛(104)은 송신 안테나의 빔폼에 대응하는 빔폼을 수신 안테나에 생성해서, 수신 안테나가 송신 안테나의 HPIA 내에 있는 임의의 물체를 검출할 수 있게 한다. 레이더 유닛(104)이 안테나의 메인 로브 또는 사이드 로브의 HPIA 내의 물체를 검출하기 위해서 구현할 수 있게 하는 다양한 제어가 존재한다. 사이드 로브의 HPIA 내에 타깃(i)이 있는 경우(314), 안테나 유닛(104)은 사이드 로브의 타깃(i)을 검출할 수 있도록 안테나를 조정할 수 있다(316). 그렇지 않으면, 메인 로브에서 타깃(i)(O1)을 검출할 수 있도록 안테나를 계속 조정하고(318), 이후 송신 각도로 안테나를 조정한다(312). 이후에, 처리는 물체가 검출되었는지 여부를 계속 결정한다(306). 이러한 방식으로, 사이드 로브에서 물체가 검출되면, 메인 로브가 방향 전환된다. 사이드 로브에 있는 물체를 결정하는 과정은 도달 각도 및 거리 정보를 사용하고, 이는 물체 검출할 때 레이더 유닛(104)에 의해 처리된다.
메인 로브의 이동 또는 방향 전환이 도 4에 도시되어 있으며, 여기서 메인 로브 HPIA(450)이 조준에 도시되어 있으며, 사이드 로브는 HPIA 세트(452)로 도시된다. 이 위치에서 레이더 유닛은 범위(R0)에서 물체를 식별할 수 있다. 사이드 로브 HPIA(460)에서 물체가 검출되면, 안테나는 HPIA(454)에 도시된 바와 같이, 검출된 물체(O2)를 향하는 각도로 방향이 전환되어서 메인 로브가 물체(O2)를 검출할 수 있게 한다. 유사하게, 사이드 로브(470)가 다른 물체(O3)를 검출하면, 메인 빔은 HPIA(456)에 도시된 바와 같이 방향 전환된다. 검출된 각각의 물체는 이러한 메인 로브의 제어를 가능하게 하는 관련 범위 및 도달 각도를 갖는다. 예를 들어 물체가 검출된 위치 및 다른 영역에 다른 물체가 있을 예상(foretell)과 같은 다른 이벤트, 물체 및 조건이, 메인 로브의 방향 전환을 트리거할 수도 있다는 점에 주의한다. 이것은 예를 들어, 다수의 자전거가 무리지어서 즉 펠로톤(peloton)으로 이동하는 경우이다. 이것은 종종 주말에, 아침에 그리고 저녁에 발생한다. 일단 제 1 자전거가 검출되면, 레이더 유닛(104)은 다른 자전거들의 위치를 캡처하도록 메인 로브를 방향 전환할 수 있다.
예시가 도 5에 도시되어 있으며, 물체, 타깃(i)은 송신 안테나(500) 및 수신 안테나(510)에 근접해서 위치되며, 레이더 시스템에서 별도의 안테나일 수 있다. 송신 안테나(500)는, 메인 로브 HPIA(502)가 각도(AT0)에 위치될 때 타깃(O1)을 검출할 수 있도록 위치가 조정된다. 송신 안테나(500)는 사이드 로브 HPIA(504, 506)를 갖는다. 레이더 유닛(104)이 FoV를 스캔함에 따라, 송신 안테나(500)는 이 각도로 조정된다. 수신 안테나(510)는 메인 로브 HPIA(512) 또는 LSL HPIA(514)가 각도(AR0)에 위치될 때 물체를 검출 혹은 추적한다. 레이더 유닛(104)은 송신 안테나(500)의 빔폼에 대응하는 빔폼을 수신 안테나(510) 상에 생성해서, 수신 안테나(510)가 송신 안테나의 HPIA(502) 내에 있는 임의의 물체를 검출하는 것을 가능하게 한다. 레이더 유닛(104)이 안테나의 메인 로브 또는 사이드 로브의 HPIA 내의 물체를 검출하기 위해서 구현할 수 있는 다양한 제어가 존재한다. 사이드 로브(514)의 HPIA 내에 타깃(O1)이 있는 경우, 안테나 유닛(104)은 사이드 로브의 타깃(O1) 검출(516)을 가능하게 하도록 안테나(510)를 조정할 수 있다. AT1, AT2과 같이 메인 로브의 축과 형성된 각 사이드 로브의 축 사이에는 고정된 관계가 있을 수 있다. 이들 각도는, 메인 로브의 방향과 송신 안테나(500)의 방향이 변경될 때 변경될 수 있다.
도 5의 예는 별도의 송신 안테나 요소 및 수신 안테나 요소를 가진 시스템이지만, 이들 동작은 듀플렉스 구성과 같은, 단일 안테나를 사용하는 송수신기 모듈에서도 유사하게 구현될 수 있다는 것이 이해된다. 송신 안테나 및 수신 안테나 동작은 송신 안테나의 송신 각도와 수신 안테나의 수신 방향을 제어하고 각각의 이득을 조정함으로써 조정된다. 표로 나타낸 바와 같이, 시간 t1에서 송신 안테나는 각도(ATO)를 향하고 이득(G0)을 갖는다. 동일한 시간 t1에, 수신 안테나는 각도(ARO)를 향하고 이득(G0)을 갖는다. 이들 초기 위치 및 파워 조건은, 수신 안테나 및 송신 안테나가 조정되는, 안테나에 대한 래스터 스캔 동작의 결과이며 그 일부이다. 수신 안테나는 타깃(O1)을 검출하고, 레이더 유닛(104)은 AR1에 HPIA를 위치시키기 위해 수신 안테나의 방향을 변경한다. 이는 타깃 1을 계속 캡처 혹은 추적하도록 수신 안테나를 위치시키기 위한 것이다. 이 시나리오에서 이득도 G1로 변경된다. 수신 안테나의 조정은 메인 로브 또는 LSL을 다음 각도로 위치시키는 역할을 할 수 있다. 시간 t2에 송신 안테나 각도는 AT0로 유지되고, 수신 안테나 각도는 AR1로 변경되며 이득(G1)을 갖는다. 시간 t3에 송신 안테나 각도는 AT2로 변경되고 이득(G2)을 가지며, 수신 안테나는 이전 구성으로 유지된다. 시간 t4에 수신 안테나는 이득을 G2로 변경한다.
이들 예에서, 안테나 요소의 파라미터는 레이더 유닛(104)의 물체 검출 성능을 최적화하도록 조정된다. 송신 안테나(500)와 수신 안테나(510)의 각도 및 안테나(500, 510)의 이득을 제어함으로써, 레이더 유닛(104)은 증가된 영역에서 물체를 검출할 수 있다. 검출된 물체에 따라서 수행될 수 있는 다양한 다른 응답 및 조정이 있다. 이러한 개선된 검출 및 추적을 위해서 추가적인 파라미터가 고려되고 사용될 수 있다. 또한, 차량(102) 내의 다른 센서는 물체가 검출될 때, 예를 들어 이 물체가 레이저 또는 카메라 등에 의한 추가적인 모니터를 촉구하는 위치 및 속도를 갖는 경우에, 트리거될 수 있다.
도 6은 안테나 요소(602, 604), 안테나용 제어기(610) 및 물체 분류 모듈(622)을 구비한 레이더 유닛(104)을 구현하는 예시적인 시스템(600)을 도시한다. 이 시스템(600)의 다양한 구성 요소는, 안테나 및 모듈로부터 피드백을 수신하고 명시된 명령어, 데이터 및 가이드를 제공하는 센서 융합(620)과 통신한다. 물체 분류 모듈(622)은 안테나 정보를 수신해서, 보행자, 건물, 차량 등과 같은 물체의 분류를 결정한다. 전력 제어기(612)는 안테나의 이득을 조정한다. 위상 제어기(614)는 안테나의 위상을 조정하고, 일부 실시예에서는 안테나 요소의 리액턴스를 제어한다. 물체 분류 모듈(622)은 안테나(602, 604)로부터 정보를 수신하며, 이는 아날로그-디지털(A-D) 변환, FFT 처리, 절대값 결정, 로그 스케일링 등을 포함할 수 있는 다양한 프로세스에 의해, 모듈(622)에 제시되도록 처리된다. AoA(Angle-of-Arrival) 결정 모듈(624)은 변조된 신호 및 반사를 사용해서, 도달 각도를 범위와 함께 결정해서 물체의 위치를 찾는다. 위치 및 분류를 결정하는 데 물체의 속도가 사용될 수도 있다. 검출된 정보는, 차량 및/또는 운전자를 제어하거나 경고하는 역할을 하는 센서 융합(620)에 제공된다.
도 7은 메인 안테나로부터의 사이드 로브 방사 패턴을 감소/캔슬시키면서 안테나의 시야를 확장하는 방법을 구현하는 안테나 시스템을 도시한다. 도시된 바와 같이, 시스템(700)은, 명령어, 신호 및 데이터를 시스템(700) 전체에, 특히 RF 모듈(710)에 제공하는 마이크로 제어기(730)에 의해 제어된다. 마이크로 제어기(730)는 또한 디지털 신호 처리(DSP) 모듈(740) 및 제어 모듈(760)과 함께 동작하며, 여기서 제어 모듈(760)은 이 시스템의 위상 제어기에 제어 신호를 제공한다. 일부 실시예에서, 제어 모듈(760)은 시스템(700)의 회로, 설계 및 애플리케이션에 커스토마이즈될 수 있는 FPGA(Field Gate Programmable Array)이다.
RF 모듈(710)은 송신 경로(752, 754)를 통해 메인 안테나(784, 786)에 연결된 피드 구조(720)(feed)를 포함하는 무선 주파수(RF) 모듈로, 피드 구조(720)와 안테나 방사 요소(784, 786) 사이에는 위상 제어기(762, 764)가 각각 배치되어 있다. 이들 요소(784, 786)는 안테나 시스템(750) 내에서 메인 안테나를 형성한다. 다양한 구성에서 임의의 수의 안테나 요소가 있을 수 있다. 안테나 구조(750) 내의 안테나 요소는, 레이더 시스템용과 같이, 방사 빔을 형성하며, 여기서 빔은 도 2에 도시된 바와 같은 메인 빔 및 사이드 빔을 가지며, 도시된 빔은 물체가 검출될 수 있는 HPIA의 윤곽을 나타낸다. 방사는 메인 로브 및 하나 이상의 사이드 로브를 갖는다. 시스템(700)은, 송신 경로(770, 780)를 통해서 가드 피드(guard feed) 구조(716, 718)로부터 안테나 요소(772, 774)로 각각 공급되는 다수의 가드 요소를 구현한다. 이들은 안테나 시스템(750) 내에 형성 및/또는 위치될 수도 있고, 혹은 메인 안테나(784, 786)로부터 분리될 수도 있다.
가드 요소는 각각 위상 시프터(756, 758)를 포함하며, 이들은 메인 안테나 요소(784, 786)와는 다른 특정한 동작 조건에서 동작된다. 다시, 이들은 안테나 구조의 예로서 도시된 것으로, 여기서 각각의 안테나 요소(784, 786)는 어레이 구조, 선형 구조, 랜덤 패턴 구조, 방사 요소의 비대칭 구조 등을 가질 수 있다. 제어 모듈(760)은 바이어스 전압 또는 바이어스 신호와 같은 제어 조건을 시스템(700) 전체의 위상 시프터에 제공한다. 제어 모듈(760)은 메인 안테나 요소(764, 766)의 위상 시프터와는 다르게 가드 요소(756, 758)의 위상을 제어하며, 여기서 주 안테나 요소(784, 786)가 메인 방사 빔을 생성한다. 가드 요소(772, 774)는 도 8에 도시된 바와 같이 개별 빔을 형성한다.
도 8은 위상, 이득 등에 대한 별도의 피드 및 제어를 가진 가드 요소(814, 816)를 구비한 안테나 구조(800)를 도시하며, 이는 가드 요소(814, 816)로부터 방사 빔을 격리시키는 역할을 한다. 위상 제어는 이로부터 형성된 빔(810, 812)의 방향을 조정하고 조향하는 데 사용된다. 도시된 바와 같이, 빔(810, 812)은 메인 안테나 방사 빔(802)과 연관된 사이드 로브(802, 804)와 중첩한다. 이러한 방식으로, 가드 요소는 방사 요소의 벡터 또는 어레이로 이루어진 구조화된 슈퍼 요소이다. 안테나(800)를 구성하는데 다양한 구조가 사용될 수 있으며, 여기서 메인 안테나 부분(815) 및 가드 요소(814, 816)에서 상이한 구조가 구현될 수 있다.
도 9는 안테나(800)의 메인 로브(802)에서 제 1 타깃이 검출되는 본 발명의 검출 범위를 예시한다. 제 2 타깃은 사이드 로브(804)에서 검출되고 제 3 타깃은 가드 요소 빔(812)에서 검출된다. 또한 제 4 타깃이 가드 요소 빔(810)에서 검출되고, 제 5 타깃이 사이드 로브(802)에서 검출된다. 이들은 동시에 또는 순차적으로 검출되어서 수신된 반사가 다음 위치를 나타낸다. 이들 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 사이드 로브(802, 804) 내의 타깃이 가드 요소 빔(810, 812) 내에서 검출된다. 가드 요소를 도입해서 사이드 로브를 감소 또는 제거시킴으로써 검출 능력을 개선시킬 수 있는데, 이는 도달 각도 계산을 사용하지 않고도 그 안에 많은 타깃이 검출될 수 있기 때문이다.
본 발명은 사이드 로브 검출 및/또는 가드 요소 검출을 사용하는 확장된 물체 검출 방법 및 장치를 제공한다. 본 명세서에 제시된 실시예는 다양한 안테나 구조, 방사 요소, 위상 제어 메커니즘, 물체 분류 기술 등에 포함될 수 있다. 이는 자동차 검출 및 제어와 같은 응용 분야에서 센서 융합의 강력한 도구를 제공한다.
개시된 예시들에 대한 이전의 설명은 당업자가 본 개시를 제조 혹은 사용할 수 있게 하기 위해서 제공된 것이라는 것이 이해된다. 이들 예시를 다양하게 수정하는 것은 당업자에게 쉽게 자명할 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리는 본 개시의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고도 다른 예에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시는 본 명세서에서 제시되는 예로 한정되는 것이 아니며 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특성과 일치하는 가장 넓은 범위에 따라야 한다.

Claims (20)

  1. 물체 검출 방법으로서,
    레이더 안테나 유닛으로부터의 스캔을 개시하는 단계와,
    메인 로브 및 사이드 로브를 갖는 전자기 빔폼을 송신하는 단계 - 상기 메인 로브 및 상기 사이드 로브는 각각 대응하는 하프-파워 조명 영역(Half-Power Illumination Area)을 가짐 - 와,
    상기 하프-파워 조명 영역 중 적어도 하나에서 물체를 검출하는 단계와,
    상기 물체가 안테나의 사이드 로브의 하프-파워 조명 영역 내에 위치되도록 상기 안테나를 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나를 조정하는 단계는 상기 안테나의 이득을 조정하는 단계를 포함하는
    방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나를 조정하는 단계는 기준 방향에 대해서 상기 안테나의 각도를 조정하는 단계를 포함하는
    방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나는 메타 물질 요소의 어레이를 포함하고,
    상기 안테나의 각도를 조정하는 단계는 상기 메타 물질 요소의 어레이 중 적어도 하나의 리액턴스를 변경하는 단계를 포함하는
    방법.
  5. 안테나 시스템으로서,
    메타 물질 요소의 어레이를 포함하는 안테나와,
    상기 안테나에 연결된 안테나 제어기
    를 포함하고,
    상기 안테나 제어기는
    물체의 위치를 판정하고,
    상기 물체를 추적하기 위한 타깃 방사 패턴을 결정하며 - 상기 타깃 방사 패턴은 메인 로브 및 적어도 하나의 사이드 로브를 포함함 - ,
    상기 타깃 방사 패턴의 사이드 로브의 하프-파워 조명 영역의 위치를 변경하도록 상기 안테나의 파라미터를 조정하도록 구성되는
    안테나 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 안테나에 연결되고, 상기 안테나의 이득을 변경하도록 구성된 전력 제어기
    를 더 포함하는 안테나 시스템.
  7. 레이더 시스템으로서,
    복수의 방사 요소 및 적어도 하나의 가드 요소를 가진 수신 안테나 - 상기 복수의 방사 요소는 메타 구조 요소임 - 와,
    상기 복수의 방사 요소 및 상기 적어도 하나의 가드 요소에 별도의 피드를 제공하는 무선 제어기와,
    상기 복수의 방사 요소 및 상기 적어도 하나의 가드 요소에 연결된 위상 제어 유닛을 제어하도록 구성된 위상 제어 모듈과,
    상기 복수의 방사 요소로부터 방사 빔의 방향을 결정하는 제어기
    를 포함하는 레이더 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 무선 제어기는 메인 로브 피드 구조 및 적어도 하나의 가드 로브 피드 구조를 갖는
    레이더 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 위상 제어기의 제어는 상기 방사 빔의 방향을 변경하는
    레이더 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 메인 로브 피드 구조는 제 1 파라미터 세트로 상기 복수의 방사 요소에 신호를 제공하고,
    상기 적어도 하나의 가드 로브 피드 구조는 상기 제 1 파라미터 세트와는 상이한 제 2 파라미터 세트로 상기 적어도 하나의 가드 요소에 제 2 신호를 제공하는
    레이더 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 가드 요소로부터의 가드 방사 빔과는 별개의 상기 방사 빔을 생성하도록 구성되고,
    상기 가드 방사 빔은 상기 방사 빔의 사이드 로브 부분과 중첩되는
    레이더 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    도달 각도 계산 유닛
    을 더 포함하는 레이더 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    검출된 물체를 분류하기 위한 인지 엔진
    을 더 포함하는 레이더 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 가드 요소로부터의 가드 방사 빔과는 별개의 상기 방사 빔을 생성하도록 구성되고,
    상기 가드 방사 빔은 상기 방사 빔의 사이드 로브 부분의 일부와 중첩되는
    레이더 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 레이더 시스템은 사이드 로브 빔에서 물체를 검출하는 것에 응답해서 상기 방사 빔의 방향을 변경하는
    레이더 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신 안테나 및 상기 적어도 하나의 가드 요소에 의해 생성되는 각각의 방사 빔은, 하프-파워 조명 영역에 의해 정의되는
    레이더 시스템.
  17. 물체 검출 방법으로서,
    안테나의 사이드 로브 내에서 물체를 검출하는 단계와,
    상기 안테나의 상기 사이드 로브를 위치 결정하도록 안테나 지향성을 조정하는 단계
    를 포함하는 물체 검출 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 물체로부터의 반사의 도달 각도를 결정하는 단계
    를 더 포함하는 물체 검출 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 도달 각도는 상기 사이드 로브 내의 상기 물체의 위치를 식별하는
    물체 검출 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 물체를 검출하는 것에 응답해서 상기 안테나의 방향 및 이득을 조정하는 단계를 더 포함하는
    물체 검출 방법.
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