KR20210021551A - 레이더 신호들의 평가를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

레이더 신호들의 평가를 위한 방법 및 장치 Download PDF

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미햐엘 쇼어
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 레이더 신호들, 특히 ULA 안테나에 의해 수신된 레이더 신호들의 개선된 평가에 관한 것이다. 레이더 신호들에 복수의 상이한 빔 성형들을 적용하는 것을 통해, 빔 성형을 통한 이득의 감소가 보상될 수 있다.

Description

레이더 신호들의 평가를 위한 방법 및 장치
본 발명은 레이더 신호들의 평가를 위한 방법 및 레이더 신호들의 평가를 위한 장치에 관한 것이다.
자동차 분야에서는 레이더 센서들이 점점 더 많은 작업에 사용되는 일이 늘어나고 있다. 예를 들어, 레이더 센서들은 차량 주변의 데이터를 제공하며, 이러한 데이터는 주행 보조 시스템에 의해 평가 및 처리될 수 있다. 또한, 레이더 센서들은 특히 자율 주행 분야에서도 매우 중요하다. 이 경우에는 높은 감도, 즉 큰 위치 측정 필드와 더불어, 특히 각도 분해능이 매우 중요하다.
연산 복잡도를 감소시키기 위해, 이러한 레이더 시스템들에는 규칙적인 안테나 배열의 안테나 어레이, 소위 "Uniform Linear Array(ULA)"가 사용될 수 있다. 이 경우, 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 효율적인 빔 성형(beam shaping)이 구현될 수 있다.
공보 DE 10 2011 084 610 A1호에는 복수의 안테나 요소들을 포함하는 안테나를 구비한 자동차용 각도 분해 레이더 센서가 공지되어 있다. 이 경우, 각각의 안테나 요소는 복수의 평가 채널들 중 하나의 평가 채널로 스위칭 가능하고, 수신 신호의 입사각을 결정하기 위한 평가 장치와 결합된다.
본 발명은 청구범위 제1항의 특징들을 갖는 레이더 신호들의 평가를 위한 방법 및 청구범위 제8항의 특징들을 갖는 레이더 신호들의 평가를 위한 장치를 제시한다.
그에 따라,
안테나 어레이에 의해 복수의 레이더 신호들을 수신하는 단계를 포함하는, 레이더 신호들의 평가를 위한 방법이 제공된다. 또한, 이러한 방법은 복수의 레이더 신호들 중 하나의 레이더 신호에 제1 빔 성형을 적용하는 단계와, 복수의 레이더 신호들 중 하나의 레이더 신호에 제2 빔 성형을 적용하는 단계를 포함한다. 이 경우, 제2 빔 성형은 특히 제1 빔 성형과는 상이하다. 마지막으로, 이러한 방법은 제1 빔 성형 및 제2 빔 성형의 결과들의 사용 하에, 수신된 레이더 신호들을 평가하는 단계를 포함한다.
또한,
레이더 신호들, 특히 안테나 어레이에 의해 수신된 복수의 레이더 신호들의 평가를 위한 장치가 제공된다. 이러한 장치는 제1 처리 장치, 제2 처리 장치 및 평가 장치를 포함한다. 제1 처리 장치는 복수의 레이더 신호들 중 하나의 레이더 신호에 제1 빔 성형을 적용하도록 구성된다. 제2 처리 장치는 복수의 레이더 신호들 중 하나의 레이더 신호에 제2 빔 성형을 적용하도록 구성되고, 이때 제2 빔 성형은 제1 빔 성형과는 상이하다. 평가 장치는 제1 빔 성형 및 제2 빔 성형의 결과들의 사용 하에, 수신된 레이더 신호들을 평가하도록 구성된다.
본 발명은, 안테나 어레이의 레이더 신호들의 디지털 빔 성형 시에는 위치 측정 필드의 각도 범위에 걸쳐 이득(gain)의 변동이 야기된다는 지식에 기초한다. 특히, 위치 측정 필드의 각도 범위에 걸쳐 상당한 이득 감소가 나타날 수 있다.
따라서, 본 발명의 착상은, 이러한 지식을 고려하여, 이러한 이득 감소를 저지하고 위치 측정 필드의 각도 범위에 걸쳐 적어도 대략 균일한 추이를 갖는 평가를 가능하게 하는 레이더 신호들의 평가를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명의 한 가지 접근 방식은, 레이더 신호들에 복수의 상이한 빔 성형들을 적용하는 것이며, 이때 이상적으로는 상이한 빔 성형들이 적어도 대략 균일한 안테나 이득을 위해 서로 보완된다. 예를 들어, 안테나 어레이로부터의 레이더 신호들에는 제2 빔 성형이 적용될 수 있으며, 이러한 제2 빔 성형은 바람직하게 제1 빔 성형의 최소값 범위들 내에 자신의 최대값들을 갖는다. 이러한 방식으로, 제1 빔 성형의 이득 감소는 제2 빔 성형을 통해 적어도 대략적으로 보상될 수 있다.
이 경우, 본 발명에 따른 방법에 의해 평가될 레이더 신호들은 바람직하게는, 균일하게 분포되고 등거리로 배열된 안테나 요소들을 구비한 안테나 어레이에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 각각의 안테나 요소는 레이더 신호의 수신 채널을 위한 신호를 제공할 수 있다. 등거리로 배열된 안테나 요소들을 구비한 이러한 안테나 어레이(Uniform Linear Area: ULA)에서, 빔 성형은 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT)을 통해 특히 효율적으로 구현될 수 있다. 이로 인해, 연산을 위해 비교적 낮은 하드웨어 복잡도를 필요로 하는, 특히 신속하고 효율적인 빔 성형이 가능하다.
이러한 맥락에서, 레이더 신호는 안테나 어레이의 개별 안테나 요소들의 개별 수신 채널들의 모든 신호들의 합을 의미한다. 이 경우, 레이더 시스템은 탐지될 대상물에 의해 반사되는 고주파 신호들을 규칙적으로, 바람직하게는 주기적으로 송신할 것이며, 반사된 신호들은 이후 안테나 어레이의 안테나 요소들에 의해 수신되어, 추가 처리를 위해 개별 수신 채널들 내에 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 고주파 신호들의 다중 송신 및 상응하는 레이더 응답들의 수신을 통해, 복수의 레이더 신호들도 시간 시퀀스를 따라 차례대로 수신되고, 이러한 복수의 레이더 신호들은 이후 평가될 수 있다.
이 경우, 빔 성형 시에는 복수의 빔들이 성형될 수 있다. 특히, 각각의 안테나에 대해 별도의 빔 성형이 실행될 수 있다. 따라서, N개의 안테나에 대해, 마찬가지로 N개의 빔 또는 레이더 신호가 존재한다.
일 실시예에 따라, 제1 빔 성형 및 제2 빔 성형은 각각 동일한 레이더 신호에 적용된다. 바꿔 말해, 제1 빔 성형 및 제2 빔 성형은 각각 안테나 어레이의 안테나 요소들의 수신 채널들의 동일한 신호들에 적용된다. 따라서, 수신된 각각의 레이더 신호에 대해, 다중 빔 성형이 실행된다.
대안적인 일 실시예에 따라, 제1 빔 성형 및 제2 빔 성형은 상이한 레이더 신호들에 적용된다. 예를 들어, 수신된 레이더 신호들의 시간 시퀀스에서 제1 빔 성형 및 제2 빔 성형이 각각 교대로 적용될 수 있다. 이러한 방식으로, 2개의 상이한 빔 성형들을 위한 연산 복잡도의 증가가 필요하지 않다.
일 실시예에 따라, 제1 빔 성형의 적용 및/또는 제2 빔 성형의 적용은 복소 윈도우 함수(complex window function)의 적용을 통해 실행된다. 이러한 유형의 복소 윈도우 함수들은, 각각의 요구 사항에 대한 빔 성형의 특히 간단하고 효율적인 매칭을 가능하게 한다.
일 실시예에 따라, 제2 빔 성형의 최대값은 제1 빔 성형의 최대값에 비해 1/2빈(Bin)만큼 변위된다. 2개의 빔 성형들의 1/2빈만큼의 변위를 통해, 제2 빔 성형의 최대값들은 제1 빔 성형의 최소값 범위들 내에 위치한다. 이러한 방식으로, 위치 측정 필드의 각도 범위에 걸쳐, 적어도 대략 균일한 이득 추이가 구현될 수 있다. 이 경우, 빔 성형, 특히 FFT에 의한 빔 성형 시에, 하나의 빈은 안테나 빔의 인접한 2개의 최대값들 사이의 간격에 상응한다.
일 실시예에 따라, 상기 방법은 복수의 레이더 신호들 중 하나의 레이더 신호에 하나 이상의 추가 빔 성형을 적용하는 단계를 더 포함한다. 3개 이상의 상이한 빔 성형들의 적용을 통하여, 위치 측정 필드에 걸쳐 이득의 추가적인 균일화가 구현될 수 있다. 이 경우, 2개를 초과하는 상이한 빔 성형들에서 개별 빔 성형들은, 중첩 시에 가능한 한 균일한 안테나 이득을 야기하도록 각각 매칭된다는 사실은 자명하다. 예를 들어, 개별 빔 성형들의 최대값들은 3개의 빔 성형들에서는 서로에 대해 각각 1/3만큼 변위될 수 있거나, 일반적으로 n개의 빔 성형들에서는 각각 1/n만큼 변위될 수 있다.
일 실시예에 따라, 복수의 레이더 신호들 중 각각의 레이더 신호는 안테나 어레이의 복수의 안테나 요소들로부터의 수신 신호들을 각각 포함한다. 이미 상술한 바와 같이, 안테나 어레이는 바람직하게는 등거리로 배열된 안테나 요소들을 구비한 안테나 어레이이다. 이로 인해, 빔 성형은 고속 푸리에 변환을 통해 특히 효율적으로 실행될 수 있다.
상기 실시예들 및 개선예들은 유의미한 경우 임의로 서로 조합될 수 있다. 본 발명의 추가의 실시예들, 개선예들 및 구현 형태들은 본 발명의 상기 특징들 또는 하기에 실시예들과 관련하여 설명되는 특징들의 명시적으로 언급되지 않는 조합들도 포함한다. 특히, 이 경우 통상의 기술자는 본 발명의 각각의 기본 형태에 개선 또는 보완으로서의 개별 양상들도 추가할 것이다.
본 발명의 추가 특징들 및 장점들은 하기에 도면을 참고로 설명된다.
도 1은 일 실시예에 따른, 레이더 신호들의 평가를 위한 장치의 개략적인 블록 회로도이고,
도 2는 일 실시예에 따른 빔 성형 이후의 안테나 이득의 개략적 도면이며,
도 3은 일 실시예에 따른, 레이더 신호들의 평가를 위한 방법에 기초한 개략적인 흐름도이다.
도 1에는 레이더 신호들의 평가를 위한 장치(1)를 구비한 레이더 시스템의 블록 회로도가 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 레이더 시스템은 고주파 신호들을 송신하는 하나 이상의 송신 안테나(3)를 포함한다. 송신된 신호들은 대상물(O)에 반사될 수 있다. 이후, 반사된 신호들은 안테나 요소들(2-i)에 의해 수신되고, 레이더 신호들의 평가를 위한 장치(1)에 제공된다. 여기서 이와 관련하여, 레이더 신호는 송신된 레이더 신호에 대응하는 모든 안테나 요소들(2-i)의 수신 채널들 전체를 의미한다. 송신 안테나(3)를 통한 송신 신호의 다중 송신으로 인하여, 안테나 요소들(2-i)을 통해 복수의 레이더 신호들의 시간 시퀀스도 수신된다.
안테나 요소들(2-i)을 구비한 안테나 어레이는, 바람직하게는 등거리로 배열된 복수의 안테나 요소들(2-i)을 구비한 안테나 어레이이며, 이때 개별 안테나 요소들(2-i)은 가상 축 상에 배열된다.
수신된 레이더 신호들은 레이더 신호들의 평가를 위한 장치(1)에 제공된다. 레이더 신호들의 평가를 위한 장치(1)는 적어도 제1 처리 장치(11), 제2 처리 장치(12) 및 평가 장치(13)를 포함한다. 제1 처리 장치(11)는 안테나 요소들(2-i)의 신호들의 사용 하에 각각 하나의 레이더 신호를 위해 제1 빔 성형을 연산한다. 특히, 균일하게 분포된 안테나 요소들(2-i)을 구비한 안테나 어레이(ULA)의 상술한 구성에서, 빔 성형은 고속 푸리에 변환을 통해 특히 간단하게 실행될 수 있다. FFT를 통한 이러한 빔 성형의 원리는 기본적으로 공지되어 있으므로, 본원에는 그에 상응하는 설명이 생략된다. 레이더 신호의 디지털 빔 성형은 예를 들어 적절한 윈도우 함수의 사용을 통해 구현될 수 있다.
제1 처리 장치(11)와 유사하게, 제2 처리 장치(12)는 마찬가지로 빔 성형을 실행한다. 그러나, 이 경우 제2 처리 장치(12)를 통한 빔 성형은 제1 처리 장치(11)를 통한 빔 성형과는 상이하다. 특히, 제2 처리 장치(12)를 통해서는, 제1 빔 성형의 최소값들 내에 위치하는 최대값들을 갖는 빔 성형이 구현될 수 있다. 이는, 예를 들어, 1/2빈 만큼 최대값들을 변위시키는, 복소 성분을 갖는 윈도우 함수가 제2 빔 성형을 위해 사용됨으로써 구현될 수 있다. 이러한 윈도우 함수는 예를 들어 다음 공식을 통해 구현될 수 있다.
w(n) = exp(j * 2 * pi * 0.5 * n / N) = exp(j * pi * n / N)
이 경우,
w: 복소 윈도우 함수
N: 안테나 어레이의 안테나 요소들(2-i)의 수
n: 안테나 어레이의 하나의 안테나 요소(2-i)의 수신 채널
1/2빈의 오프셋으로 2개의 빔 성형들을 실행하는 것은, FFT에서 영 채우기(zero-padding)에 의해 길이가 2배가 되는 빔 성형과 동일하다. 그러나, 이로 인해 연산 복잡도가 증가한다.
이미 상술한 바와 같이, 2개의 빔 성형들은 2개의 별도의 처리 장치들(11 및 12)에 의해 구현될 수 있다. 그러나, 2개의 빔 성형들은, 2개의 빔 성형들의 연산을 실행하기에 충분한 연산 용량을 갖는 하나의 공통 처리 장치를 통해서도 구현될 수 있다는 사실이 자명하다.
도 2에는 제1 빔 성형에 따른 이득이 실선으로 도시되어 있다. 또한, 도 2에는 제2 빔 성형의 이득이 점선으로 도시되어 있다. 이 경우, 제2 빔 성형은 제2 빔 성형의 최대값들이 제1 빔 성형의 최소값들과 적어도 대략 일치하도록 설정된다. 이러한 방식으로, 2개의 곡선들의 중첩을 통해 안테나 이득의 적어도 대략 균일한 추이가 달성될 수 있음을 쉽게 알 수 있다. 이러한 방식으로, 전체 위치 측정 필드에 걸쳐 양호한 대상물 탐지가 달성될 수 있다.
공통의 시점에 수신된 하나의 레이더 신호의 채널들에 2개의 상이한 빔 성형들을 이미 상술한 바와 같이 동시에 적용하는 것과 더불어, 각각의 레이더 신호에 각각 단 하나의 빔 성형을 적용하고, 이 경우, 시간상 연달아 수신되는 레이더 신호들에는 각각 하나의 다른 빔 성형을 적용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 제1 시점에 수신된 제1 레이더 신호에 제1 빔 성형이 적용될 수 있고, 추후의 제2 시점에 후속적으로 수신된 레이더 신호에는 제2 빔 성형이 적용될 수 있다. 이후 수신된 추가의 레이더 신호에는 재차 제1 빔 성형에 의한 처리 등이 실행될 수 있다. 이러한 방식으로, 연산 복잡도의 추가적인 증가가 발생하지 않으면서, 상이한 빔 성형들의 장점들을 활용할 수 있다.
단 하나의 송신 안테나(3) 및 단 4개의 수신 안테나 요소들(2-i)을 구비한 도 1에 따른 도시는 단지 개략적인 도시인 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 제한을 의미하지는 않는다는 사실이 자명하다. 이와는 상이한 개수의 송신 안테나들(3) 및/또는 수신 안테나 요소들(2-i)도 구현될 수 있다.
이에 상응하게, 본 발명은 2개의 상이한 빔 성형들의 적용으로 제한되지도 않는다. 2개를 초과하는 상이한 빔 성형들을 동시에 실행하거나, 차례대로 실행하는 것도 가능하다. 이러한 방식으로, 안테나 이득 곡선의 추가적인 균일화가 달성될 수 있다. 이 경우, 상이한 빔 성형들의 수가 증가할 때, 개별 빔 성형들의 서로에 대한 변위는 상응하게 조정되어야 한다. 예를 들어, 3개의 상이한 빔 성형들의 경우, 개별 빔 성형들의 최대값들은 서로에 대해 각각 1/3만큼 변위될 수 있다.
마지막으로, 개별 빔 성형들의 결과들은, 개별 빔 성형들의 사용 하에 레이더 신호들의 처리를 각각 실행할 수 있는 처리 장치(13)에 공급된다. 이 경우, 예를 들어 대상물의 탐지, 대상물 속도의 결정 등이 실행될 수 있다. 물론, 복수의 빔 성형들의 사용 하에 레이더 신호들의 임의의 다른 적절한 평가들을 실행하는 것도 가능하다.
도 3에는 일 실시예에 따른, 레이더 신호들의 평가를 위한 방법에 기초한 흐름도가 개략적으로 도시되어 있다. 단계 "S1"에서는, 안테나 요소들(2-i)을 구비한 안테나 어레이에 의해 복수의 레이더 신호들이 수신된다. 단계 "S2"에서는, 수신된 레이더 신호에 제1 빔 성형이 적용되고, 단계 "S3"에서는 레이더 신호에 제2 빔 성형이 적용된다. 이미 상술한 바와 같이, 이 경우 빔 성형 및 제2 빔 성형이 동일한 레이더 신호에 적용될 수 있거나, 시간상 차례대로 수신되는 복수의 레이더 신호들에 각각 단 하나의 빔 성형이 연달아 적용된다.
마지막으로, 단계 "S4"에서는, 상이한 빔 성형들의 사용 하에 레이더 신호들의 평가가 실행된다. 이러한 평가는 예를 들어 하나 이상의 대상물의 탐지 또는 하나의 대상물의 속도 결정을 포함할 수 있다. 물론, 레이더 신호들의 임의의 다른 적절한 평가들을 실행하는 것도 가능하다.
요약하면, 본 발명은 레이더 신호들, 특히 ULA 안테나에 의해 수신된 레이더 신호들의 개선된 평가에 관한 것이다. 레이더 신호들에 복수의 상이한 빔 성형들을 적용하는 것을 통해, 빔 성형을 통한 이득의 감소가 보상될 수 있다.

Claims (10)

  1. 레이더 신호들의 평가를 위한 방법으로서,
    안테나 어레이에 의해 복수의 레이더 신호들을 수신하는 단계(S1)와;
    복수의 레이더 신호들 중 하나의 레이더 신호에 제1 빔 성형을 적용하는 단계(S2)와;
    복수의 레이더 신호들 중 하나의 레이더 신호에 제2 빔 성형을 적용하는 단계(S3)로서, 이때 제2 빔 성형은 제1 빔 성형과는 상이한, 단계(S3)와;
    제1 빔 성형 및 제2 빔 성형의 결과들의 사용 하에, 수신된 복수의 레이더 신호들을 평가하는 단계(S4);를 포함하는, 레이더 신호들의 평가를 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 빔 성형 및 제2 빔 성형은 각각 동일한 레이더 신호에 적용되는, 레이더 신호들의 평가를 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서, 제1 빔 성형 및 제2 빔 성형은 수신된 복수의 레이더 신호들 중 상이한 레이더 신호들에 적용되는, 레이더 신호들의 평가를 위한 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 빔 성형의 적용 및/또는 제2 빔 성형의 적용은 복소 윈도우 함수의 적용을 포함하는, 레이더 신호들의 평가를 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 빔 성형의 최대값은 제1 빔 성형의 최대값에 비해 1/2빈(Bin)만큼 변위되는, 레이더 신호들의 평가를 위한 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 레이더 신호들 중 하나의 레이더 신호에 하나 이상의 추가 빔 성형을 적용하는 단계를 더 포함하는, 레이더 신호들의 평가를 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 레이더 신호들 중 각각의 레이더 신호는 안테나 어레이의 복수의 안테나 요소들(2-i)로부터의 수신 신호들을 각각 포함하는, 레이더 신호들의 평가를 위한 방법.
  8. 안테나 어레이에 의해 수신된 복수의 레이더 신호들의 평가를 위한 장치(10)로서,
    복수의 레이더 신호들 중 하나의 레이더 신호에 제1 빔 성형을 적용하도록 구성되는 제1 처리 장치(11)와;
    복수의 레이더 신호들 중 하나의 레이더 신호에 제2 빔 성형을 적용하도록 구성되는 제2 처리 장치(12)로서, 이때 제2 빔 성형은 제1 빔 성형과는 상이한, 제2 처리 장치(12)와;
    제1 빔 성형 및 제2 빔 성형의 결과들의 사용 하에, 수신된 레이더 신호들을 평가하도록 구성되는 평가 장치(13);를 포함하는, 레이더 신호들의 평가를 위한 장치(10).
  9. 제8항에 있어서, 복수의 안테나 요소들(2-i)을 포함하는 안테나 어레이로서, 이때 복수의 레이더 신호들 중 각각의 레이더 신호는 안테나 어레이의 복수의 안테나 요소들(2-i)로부터의 수신 신호들을 각각 포함하는, 안테나 어레이를 구비하는, 레이더 신호들의 평가를 위한 장치(10).
  10. 제9항에 있어서, 안테나 어레이의 개별 안테나 요소들(2-i)은 가상 축을 따라 등거리로 배열되는, 레이더 신호들의 평가를 위한 장치(10).
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