KR20220004830A - 분해능 개선을 위한 빔 조향 레이더의 보호 대역 안테나 - Google Patents

분해능 개선을 위한 빔 조향 레이더의 보호 대역 안테나 Download PDF

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케네스 레이 캐롤
마하 아코르
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메타웨이브 코포레이션
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Abstract

본 명세서에 개시된 예는 물체 식별을 위한 빔 조향 차량 레이더에 관한 것이다. 빔 조향 차량 레이더는 메인 로브 및 복수의 사이드 로브를 포함하는 방사 빔을 생성하는 복수의 안테나 요소를 갖는 빔 조향 수신 안테나와, 보호 대역 방사 빔을 생성하는 적어도 하나의 보호 대역 안테나와, 방사 빔에서 제1 물체 반사를 검출하고 식별하도록 빔 조향 수신 안테나에 결합된 인식 모듈을 포함한다. 인식 모듈은 제1 물체 반사에 대한 도달 범위 및 도달 각도를 결정하고 보호 대역 방사 빔에서 제2 물체 반사의 부재를 결정할 때 복수의 물체를 검출하는 모노펄스 모듈을 구비한다.

Description

분해능 개선을 위한 빔 조향 레이더의 보호 대역 안테나
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 6월 3일에 출원되고 본 명세서에 참조로 포함되는 "분해능 개선을 위한 보호 모노폴"이라는 명칭의 미국 가출원 제62/856,688호에 대한 우선권을 주장한다.
자율 주행은 공상 과학 소설의 영역으로부터 실현 가능한 현실로 빠르게 움직이고 있다. 이미 시장에는 안전 및 더 나은 주행을 위해 차량을 자동화하고, 적응시키며, 향상시키는 첨단 운전자 보조 시스템("ADAS(Advanced-Driver Assistance System)")이 있다. 다음 단계는 조향, 가속, 제동 및 교통 상황, 길을 건너는 보행자, 동물 등을 피하기 위해 필요할 때에 차선 또는 속도를 변경하는 것과 같은 이벤트에 대응하기 위한 주변 환경 및 주행 조건을 모니터링하는 것과 같은 주행 제어를 점점 더 많이 책임지는 차량이 될 것이다. 물체 및 이미지 검출에 대한 요구사항은 매우 중요하며 데이터를 캡처하고 이를 처리하고 실행하기 위해 필요한 시간을 지정한다. 이 모든 것이 정확성, 일관성 및 비용 최적화를 보장한다.
이 작업을 수행하는 한 양태는 주변 환경에서 인간과 동일하거나 인간보다 더 나은 수준으로 물체를 검출하고 분류하는 능력이다. 인간은 본질적으로 눈과 뇌인 두 가지 주요 기능 부분을 갖는 매우 복잡한 인지 시각계를 통해 주변 세계를 인식하고 인지하는 데 능숙하다. 자율 주행 기술에서, 눈은 카메라, 레이더 및 라이다(lidar)와 같은 복수의 센서의 조합을 포함할 수 있는 반면, 뇌는 복수의 인공 지능, 머신 러닝, 및 딥 러닝 시스템을 포함할 수 있다. 목표는 역동적이고 빠르게 움직이는 환경을 실시간으로 완전히 이해하는 것 및 환경의 변화에 대응하여 행동하는 인간과 같은 지능을 갖는 것이다.
일부 레이더 시스템에서의 물체 검출의 경우, 신호는 아날로그 신호로부터 직접 정보를 획득할 수 있는 변조를 사용하여 전송된다. 그러한 일 시스템은 수신된 신호에서 직접 범위와 속도를 캡처하는 데 주파수 변조 연속 파형("FMCW(Frequency Modulation Continuous Waveform)") 기법을 사용한다. 각각의 도달 각도에서, 생성된 빔은 대역폭 또는 빔 폭을 가지며, 일반적으로 절반 전력 이득 또는 -3dB에서 측정된다. 따라서 레이더 시스템의 각도 분해능은 그 안의 여러 물체를 쉽게 구별할 수 없기 때문에 이 빔 폭에 의해 제한된다.
본 출원은 축척대로 그려져 있지 않고 동일한 참조 문자는 전체적으로 동일한 부분을 지칭하는 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명과 관련되어 보다 완전히 이해될 수 있다.
도 1은 본 기술의 다양한 구현에 따라, 자율 주행 차량의 빔 조향 레이더가 물체를 검출하고 식별하는 데 사용되는 예시적인 환경을 도시한다.
도 2는 본 기술의 하나 이상의 구현에 따라 레이더 시스템이 구현될 수 있는 예시적인 네트워크 환경을 도시한다.
도 3은 본 기술의 하나 이상의 구현에 따라 도 2에서와 같은 빔 조향 레이더 시스템의 개략도를 도시한다.
도 4는 본 기술의 하나 이상의 구현에 따라 수신 안테나를 따른 보호 대역 안테나의 개략도를 보다 상세하게 도시한다.
도 5는 본 기술의 다양한 구현에 따른 빔 조향 레이더에 의한 물체 식별을 돕기 위한 흐름도이다.
도 6 및 도 7은 다양한 예에 따른 메인 로브 및 보호 로브의 그래프이다.
본 개시는 물체 검출 시스템, 특히 보호 대역 안테나를 사용하는 레이더 시스템의 각도 분해능을 개선하여 복수의 물체를 효율적으로 식별하고 분석하는 방법 및 장치를 제공한다. 본 명세서에 개시된 레이더는 물체를 검출하기 위해 시야("FoV(Field-of-View)")를 가로질러 임의의 각도(즉, 0°에서 360°까지)로 조향될 수 있는 좁은 지향성 빔을 생성할 수 있는 빔 조향 레이더이다. 빔은 아날로그 영역에서 생성 및 조향되지만, 물체 식별을 위해 수신된 레이더 신호의 처리는 고급 신호 처리 및 머신 러닝 기법으로 수행된다. 다양한 구현에서, 높은 정확도 및 각도 분해능으로 메인 빔 내부의 복수의 물체를 효과적으로 분석하기 위해 하나 이상의 보호 대역 안테나의 도움으로 수신된 레이더 신호에서 물체가 검출된다. 본 명세서에서 일반적으로 설명되는 레이더 각도 분해능은 레이더가 서로 구별하고 분리할 수 있는 동일한 범위에 있는 2개의 동일하게 큰 물체 사이의 최소 거리이다.
본 명세서에서 일반적으로 설명되는 보호 대역 안테나는 메인 빔에서 검출된 물체를 분석하기 위해 (수신 어레이 안테나와 같은) 어레이 안테나를 수반하는 안테나이다. 본 개시의 예들은 일련의 보호 빔을 생성하기 위해 적어도 하나의 보호 대역 안테나를 적용한다. 이들은 메인 빔보다 3dB 작은 빔 폭을 갖는다. 메인 빔에서는 물체가 검출되지만 보호 빔에서는 검출되지 않는 경우 복수의 물체가 표시된다. 이에 대한 응답으로, 시스템은 보호 대역 안테나, 메인 빔 또는 둘 다에 상이한 조향 각도 또는 더 작은 스캔 단계를 적용하도록 선택할 수 있다. 이렇게 하면 레이더 시스템이 메인 빔 내에서 여러 물체를 분석할 수 있으므로 각도 분해능을 효율적으로 개선할 것이다.
신호의 전송을 위해, 전파는 신호원으로부터 안테나 어레이 내의 하나 이상의 방사 요소의 위상을 조정하여 방사 빔을 지향시키는 위상 시프터를 통해 흐른다는 것을 이해해야 한다. 전송된 신호의 파형은 다음과 같이 설명될 수 있다.
Figure pct00001
여기서 A는 진폭 변조이고, 시간(t)의 함수로서의 진폭의 변화(f)는 신호의 주파수이며,
Figure pct00002
는 신호의 위상이다. 다양한 응용과 구성이 가능하다. 특히 레이더 시스템에서 수신 안테나는 환경에 있는 물체로부터의 신호 반사 또는 에코에 응답한다. 수신된 신호는 전송된 신호와 비교되어 물체의 범위와 속도를 식별한다. 동일한 범위와 속도의 물체의 경우, 수신된 신호는 잘못된 인상을 만들어 중간 위치에 단일 물체를 나타낼 수 있다.
작동 시, 수신 안테나 요소는 메인 로브와 사이드 로브를 갖는 방사 빔으로 영역을 스캔한다. 물체에 대한 정보는 메인 로브로부터 획득되고, 사이드 로브는 제거되거나 무시된다. 방사 빔의 사이드 로브를 제거하거나 식별하는 한 가지 기법은 보호 대역 안테나를 사용하는 것이다. 보호 대역 안테나는 메인 빔과 분리된 방사 패턴을 생성하며 물체로부터 사이드 로브 반사를 제거하는 데 효과적이다. 목표는 보호 대역 안테나가 사이드 로브보다 높은 이득을 제공하여 사이드 로브 제거를 가능하게 하는 것이다. 보호 대역 안테나는 효과적으로 필터 역할을 한다.
아래에 설명된 상세한 설명은 본 기술의 다양한 구성에 대한 설명으로 의도되며 본 기술이 실시될 수 있는 유일한 구성을 나타내려는 것은 아님을 이해해야 한다. 첨부 도면은 본 명세서에 포함되며 상세한 설명의 일부를 구성한다. 상세한 설명에는 본 기술에 대한 완전한 이해를 제공하기 위한 목적으로 특정 세부사항이 포함된다. 그러나, 본 기술은 본 명세서에 설명된 특정 세부사항으로 제한되지 않고 하나 이상의 구현을 사용하여 실시될 수 있다. 하나 이상의 경우에, 구조 및 구성요소는 본 기술의 개념을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 블록도 형태로 표시된다. 다른 경우에, 잘 알려진 방법 및 구조는 예들의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세하게 설명되지 않을 수 있다. 또한, 예들은 서로 조합하여 사용될 수 있다.
도 1은 본 기술의 다양한 구현에 따라, 자율 주행 차량의 빔 조향 레이더가 물체를 검출하고 식별하는 데 사용되는 예시적인 환경을 도시한다. 자아 차량(ego vehicle)(100)은 FoV 또는 특정 영역을 스캔하기 위해 레이더 신호를 송신하기 위한 빔 조향 레이더 시스템(106)을 갖춘 자율 주행 차량이다. 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 레이더 신호는 복수의 송신 빔(118)을 야기하도록 조정될 수 있는 스캔 파라미터의 세트에 따라 송신된다. 스캔 파라미터는, 특히, FoV를 정의하는 스캐닝된 영역의 전체 각도, 각각의 증분 송신 빔의 빔 폭 또는 스캔 각도, 레이더 신호 내의 처프(chirp)의 수, 처프 시간, 처프 분할 시간, 처프 기울기 등을 포함할 수 있다. 전체 FoV 또는 그 일부는 연속적인 인접 스캔 위치 또는 특정한 또는 랜덤 순서로 있을 수 있는 그러한 송신 빔(118)의 모임에 의해 스캐닝될 수 있다. FoV라는 용어는 본 명세서에서 레이더 송신과 관련하여 사용되며 시야가 차단되지 않은 시각적인 FoV를 의미하지 않는다는 점에 유의한다. 스캔 파라미터는 또한 이들 증분 송신 빔 사이의 시간 간격뿐만 아니라, 전체 또는 부분 스캔에 대한 시작 및 중지 각도 위치도 나타낼 수 있다.
다양한 예에서, 자아 차량(100)은 또한 카메라(102) 및 라이다(104)와 같은 다른 인식 센서를 가질 수 있다. 이들 인식 센서는 자아 차량(100)에 필요하지 않지만, 빔 조향 레이더(106)의 물체 검출 능력을 증가시키는 데 유용할 수 있다. 카메라 센서(102)는 가시적 물체 및 상태를 검출하고 다양한 기능의 수행을 지원하기 위해 사용될 수 있다. 라이다(104)는 또한 물체를 검출하고 자아 차량(100)의 제어를 조정하기 위해 이 정보를 제공하는 데 사용될 수 있다. 이 정보는 고속도로에서의 혼잡, 도로 상태, 및 차량의 센서, 동작, 또는 작동에 영향을 미치는 다른 상태와 같은 정보를 포함할 수 있다. 기존의 ADAS 모듈은 주차와 같은 주행 기능에서(예컨대, 후방 카메라에서) 운전자를 지원하기 위해 카메라 센서를 이용한다. 카메라는 높은 수준의 디테일로 질감, 색상, 및 명암 정보를 캡처할 수 있지만, 인간의 눈과 비슷하게, 악천후 상태 및 조명 변화에 취약하다. 카메라(102)는 고분해능을 가질 수 있지만 50미터를 넘는 물체를 분석하지 못할 수도 있다.
라이다 센서는 전형적으로 광의 펄스가 물체까지 이동하고 다시 센서로 돌아가는 데에 걸리는 시간을 계산함으로써 물체까지의 거리를 측정한다. 라이다 센서는, 차량의 맨 위에 위치하면, 주변 환경의 360° 3D 뷰를 제공할 수 있다. 다른 접근 방식은 차량 주변의 상이한 위치에서 여러 개의 라이다를 사용하여 전체 360° 뷰를 제공할 수 있다. 그러나, 라이다(104)와 같은 라이다 센서는 여전히 엄청나게 비싸고, 크기가 크고, 기상 상태에 민감하며, 단거리(예컨대, 150-300 미터 미만)로 제한된다. 반면에, 레이더는 수년 동안 차량에 사용되었으며 모든 기상 상태에서 작동한다. 레이더는 또한 다른 유형의 센서보다 훨씬 적은 프로세싱을 사용하며 장애물 뒤에 있는 물체를 검출하고 움직이는 물체의 속도를 결정하는 이점을 갖는다. 분해능에 관한 한, 라이다(104)에 의해 방출된 레이저 빔은 작은 영역에 초점이 맞추어지고, RF 신호보다 작은 파장을 가지며, 약 0.25 도의 분해능을 달성할 수 있다.
다양한 예에서 그리고 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 빔 조향 레이더(106)는 자아 차량(100)의 경로 및 주변 환경의 360° 트루 3D 비전 및 인간과 유사한 해석을 제공할 수 있다. 빔 조향 레이더(106)는 적어도 하나의 빔 조향 안테나를 사용하여 360° FoV에서 모든 방향으로 RF 빔을 형성하고 조향할 수 있으며, 약 300미터 이상의 장거리에 걸쳐 신속하게 높은 정확도로 물체를 인식한다. 레이더(106)의 장거리 능력과 함께 카메라(102) 및 라이다(104)의 단거리 능력은 자아 차량(100)의 센서 결합 모듈(108)이 그 물체 검출 및 식별을 향상시킬 수 있게 한다.
도시된 바와 같이, 빔 조향 레이더(106)는 원거리(예를 들어, 350m 초과)에서 차량(120)뿐만 아니라 단거리(예를 들어, 100m 미만)에서 차량(110 및 114) 모두를 검출할 수 있다. 짧은 시간에 충분한 범위와 속도 분해능으로 두 차량을 모두 검출하는 것은 자아 차량의 전체 자율 주행 기능을 위해 필수적이다. 레이더(106)는 매우 짧은 시간에 장거리 물체의 검출을 가능하게 하는 조정 가능한 장거리 레이더("LRR(Long-Range Radar)") 모드를 가져서 검출된 차량에 대한 더 정교한 속도 분해능을 얻는 데 초점을 맞춘다. 본 명세서에 설명되지는 않았지만, 레이더(106)는 LRR과 단거리 레이더("SRR(Short-Range Radar)") 모드 사이에서 시간 선택적으로 재구성할 수 있다. SRR 모드는 더 낮은 이득으로 광 빔을 활성화하지만 사고를 피하기 위해 신속한 결정을 내리고, 주차 및 시내 관광을 지원하며, 광범위한 환경 영역에 대한 정보를 캡처할 수 있다. LRR 모드는 높은 이득을 갖는 좁은 지향성 빔과 장거리를 가능하게 하는데, 이는 고속 응용례에 강력하며, 처리 시간이 길수록 신뢰성이 높아진다. 각각의 빔 위치에 대한 과도한 체류 시간은 사각 지대를 유발할 수 있으며, 조정 가능한 LRR 모드는 레이더 동작에 대해 안테나 이득, 전송 전력 및 원하는 신호 대 잡음비("SNR")를 유지하면서 장거리에서 빠른 물체 검출이 발생할 수 있음을 보장한다.
이제 본 기술의 하나 이상의 구현에 따라 레이더 시스템이 구현될 수 있는 예시적인 네트워크 환경(200)을 도시하는 도 2에 주목한다. 예시적인 네트워크 환경(200)은 전송 라인(250)을 통해 전자 디바이스(210)에 결합되는 다수의 전자 디바이스(220, 230, 240, 242, 244, 246 및 248)를 포함한다. 전자 디바이스(210)는 전자 디바이스(242, 244, 246, 248)를 서로 통신 가능하게 결합할 수 있다. 하나 이상의 구현에서, 전자 디바이스(242, 244, 246, 248) 중 하나 이상은 예를 들어, 전자 디바이스(210)의 지원 없이 서로 통신 가능하게 직접 결합된다. 그러나, 도시된 구성요소 모두가 필요한 것은 아니며, 하나 이상의 구현은 도면에 도시되지 않은 추가 구성요소를 포함할 수 있다. 구성요소의 배열 및 유형의 변형은 본 명세서에 설명된 청구범위의 범주를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 추가 구성요소, 상이한 구성요소 또는 더 적은 수의 구성요소가 제공될 수 있다.
일부 구현에서, 전송 라인(250) 중 하나 이상은 이더넷 전송 라인이다. 이와 관련하여, 전자 디바이스(220, 230, 240, 242, 244, 246, 248 및 210)는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.3 표준(예컨대, 802.3ch)에 설명된 것과 같은 하나 이상의 물리 계층 사양의 하나 이상의 양상과 상호운용 가능한 물리 계층("PHY")을 구현할 수 있다. 전자 디바이스(210)는 스위치 디바이스, 라우팅 디바이스, 허브 디바이스, 또는 일반적으로 전자 디바이스들(220, 230, 240, 242, 244, 246 및 248)을 통신 가능하게 결합할 수 있는 임의의 디바이스를 포함할 수 있다.
하나 이상의 구현에서, 예시적인 네트워크 환경(200)의 적어도 일부는 승용차와 같은 차량 내에서 구현된다. 예를 들어, 전자 디바이스(242, 244, 246, 248)는 차량 내의 다양한 시스템, 예컨대, 파워트레인 시스템, 섀시 시스템, 텔레매틱스 시스템, 엔터테인먼트 시스템, 카메라 시스템, 센서 시스템, 예컨대, 차선 이탈 시스템, 진단 시스템 또는 일반적으로 차량에 사용될 수 있는 임의의 시스템을 포함할 수 있거나 이에 결합될 수 있다. 도 2에서, 전자 디바이스(210)는 중앙 처리 장치로서 도시되고, 전자 디바이스(220)는 레이더 시스템으로서 도시되며, 전자 디바이스(230)는 하나 이상의 라이다 센서를 갖는 라이다 시스템으로서 도시되고, 전자 디바이스(240)는 엔터테인먼트 인터페이스 장치로서 도시되며, 전자 디바이스(242, 244, 246, 248)는 전방 보기, 후방 보기 및 측면 보기 카메라와 같은 카메라 디바이스로서 도시된다. 하나 이상의 구현에서, 전자 디바이스(210) 및/또는 전자 디바이스(242, 244, 246, 248) 중 하나 이상은 인터넷과 같은 공공 통신 네트워크에 통신 가능하게 결합될 수 있다.
전자 디바이스(210)는 전자 디바이스(220, 230, 240, 242, 244, 246 및 248)에 의해 획득된 데이터를 처리하기 위한 다중 센서 결합 플랫폼을 포함하며, 획득된 데이터에서 검출 및 식별된 물체를 라벨링하는 것을 포함한다. 이러한 물체는 도로, 벽, 건물, 도로 중앙 분리대 및 기타 물체와 같은 차량 주변 환경 내의 구조적 요소뿐만 아니라 다른 차량, 보행자, 행인, 자전거 타는 사람, 식물, 나무, 동물 등도 포함할 수 있다.
도 3은 다양한 예에 따라 도 2에서와 같이 구현된 빔 조향 레이더 시스템의 개략도를 도시한다. 빔 조향 레이더(300)는 트루 3D 비전을 갖는 "디지털 눈"이며, 인간과 유사하게 세상을 해석할 수 있다. "디지털 눈" 및 인간과 유사한 해석 능력은 레이더 모듈(302) 및 인식 모듈(304)의 두 가지 주요 모듈에 의해 제공된다. 레이더 모듈(302)은 FoV 내에서 RF 신호를 전송하고 FoV 내의 물체에 반사됨에 따라 전송된 신호의 반사를 수신할 수 있다. 레이더 모듈(302)에서 아날로그 빔 조향을 사용하면, 단일 송신 및 수신 체인은 방향성 및 조향 가능한 빔을 형성하기 위해 효과적으로 사용될 수 있다.
수신 체인은 수신 안테나(312-313), 수신 보호 대역 또는 간단히 보호 안테나(311 및 314), 선택적 커플러(370-373), 저잡음 증폭기("LNA")(340-343), 위상 시프터("PS") 회로(320-322), 증폭기(예컨대, 전력 증폭기("PA"))(323-324 및 364-366) 및 결합 네트워크(344-345)를 포함한다. 송신 체인은 드라이버(390-396), 급전 네트워크(334-336), PS 회로(316-318), PA(328-331), 선택적 커플러(376-382), 송신 안테나(308-309) 및 선택적 송신 보호 안테나(307 및 310)를 포함한다. 레이더 모듈(302)은 또한 트랜시버(306), 디지털-아날로그("DAC)" 제어기(393), 필드 프로그래머블 게이트 어레이("FPGA")(326), 마이크로제어기(328), 프로세싱 엔진(350), 그래픽 사용자 인터페이스("GUI")(358), 온도 센서(360) 및 데이터베이스(362)를 포함한다. 프로세싱 엔진(350)은 인식 엔진(304), 데이터베이스(352) 및 모노펄스 모듈(357)을 갖는 디지털 신호 처리("DSP") 모듈(356)을 포함한다. 그러나, 도시된 구성요소 모두가 요구되는 것은 아니며 하나 이상의 구현은 도면에 도시되지 않은 추가 구성요소를 포함할 수 있다. 구성요소의 배열 및 유형의 변형은 본 명세서에 설명된 청구범위의 범주를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 추가 구성요소, 다른 구성요소 또는 더 적은 수의 구성요소가 제공될 수 있다.
동작시에, 레이더 모듈(302)의 송수신기(306)는 일련의 송신 안테나(308-309)를 통해 송신할 신호를 생성하고 일련의 수신 안테나(312-313)를 통해 수신된 신호를 관리한다. FoV 내의 빔 조향은 송신 체인에서 송신 안테나(308-309)에 각각 결합된 PS 회로(316-318) 및 수신 체인에서 수신 안테나(312-313)에 각각 결합된 PS 회로(320-322)로 구현된다. 송신 안테나(308-309) 및 수신 안테나(312-313)의 주의깊은 위상 및 진폭 교정은 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이 레이더 모듈(302)에 통합된 커플러를 사용하여 실시간으로 수행될 수 있다. 다른 구현에서, 교정은 레이더가 자아 차량에 배치되고 커플러가 제거될 수 있기 전에 수행된다.
PS 회로(316-318 및 320-322)의 사용은 송신 안테나(308-309) 및 수신 안테나(312-313)에서 각 요소의 위상의 개별적인 제어를 가능하게 한다. 초기 수동 아키텍처와 달리, 빔은 능동 빔포밍 안테나를 사용하여 별개의 각도뿐만 아니라 FoV 내의 임의의 각도(예컨대, 0° 내지 360°)로도 조향할 수 있다. 다중 요소 안테나는 추가 하드웨어 구성요소 또는 각각의 안테나 요소에 대한 개별 디지털 처리 없이 개별 안테나 요소가 단일 송신 또는 수신 체인의 포트에서 결합되거나 분할될 수 있는 아날로그 빔포밍 아키텍처와 함께 사용될 수 있다. 또한, 다중 요소 안테나의 유연성으로 인해 송신 및 수신을 위한 좁은 빔 폭이 가능하다. 안테나 빔 폭은 안테나 요소의 수가 증가함에 따라 감소한다. 좁은 빔은 안테나의 지향성을 향상시키고 레이더 시스템(300)에 상당히 긴 검출 범위를 제공한다.
아날로그 빔 조향을 구현하는 데 있어 주요 과제는 PS가 77GHz에서 작동하도록 설계하는 것이다. PS 회로(316-318 및 320-322)는 특히 갈륨-비소(GaAs) 재료와 같은 적합한 반도체 재료를 사용하여 제조된 분산형 버랙터 네트워크로 구현된 반사형 PS 설계로 이 문제를 해결한다. 각각의 PS 회로(316-318 및 320-322)는 일련의 PS를 가지며, 각각의 PS는 안테나 요소에 결합되어 안테나 요소에 의해 송신 또는 수신되는 신호에 대해 0° 내지 360° 정도의 위상 시프트 값을 생성한다. PS 설계는 실리콘-게르마늄(SiGe) 및 CMOS와 같은 다른 반도체 재료로 향후 구현에서 조정가능하므로 PS 비용을 낮추어 고객 애플리케이션의 특정 요구사항을 충족할 수 있다. 각각의 PS 회로(316-318 및 320-322)는 FPGA(326)에 의해 제어되며, FPGA(326)는 일련의 위상 시프트를 초래하는 일련의 전압을 각각의 PS 회로의 PS에 제공한다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, FPGA(326)는 시간 영역에서 진폭 가중치를 PS 회로(316-318 및/또는 320-322) 각각의 PS에 적용한다. 진폭 가중치는 송신 및/또는 수신 안테나의 사이드 로브를 낮춘다.
DAC 제어기(393)는 LNA(340-343), 증폭기(323-324 및 364-366), PS 회로(316-318 및 320-322), 드라이버(390-396) 및 PA(328-331) 각각에 결합된다. 일부 양상에서, DAC 제어기(393)는 FPGA(326)에 결합되고, FPGA(326)는 DAC 제어기(393)로의 디지털 시그널링을 구동하여 LNA(340-343), 증폭기(323-324 및 364-366) PS 회로(316-318 및 320-322), 드라이버(390-396), 및 PA(328-331)에 아날로그 시그널링을 제공할 수 있다. 일부 구현에서, DAC 제어기(393)는 결합 네트워크(344-345) 및 급전 네트워크(334-336)에 연결된다.
다양한 예에서, 아날로그 제어 신호는 DAC 제어기(393)에 의해 PS 회로들(316-318 및 320-322)의 각각의 PS에 인가되어 주어진 위상 시프트를 생성하고 빔 조향을 제공한다. PS 회로(316-318 및 320-322)의 PS에 인가된 아날로그 제어 신호는 FPGA(326)의 룩업 테이블("LUT")에 저장된 전압 값을 기반으로 한다. 이들 LUT는 각각의 작동 조건 하에 주어진 위상 시프트를 생성하기 위해 각각의 PS에 인가할 전압을 결정하는 안테나 교정 프로세스에 의해 생성된다. PS 회로(316-318 및 320-322)의 PS는 1도 미만의 매우 높은 분해능에서 위상 시프트를 생성할 수 있다. 위상에 대한 이러한 향상된 제어는 레이더 모듈(302)의 송신 및 수신 안테나가 매우 작은 단계 크기로 빔을 조향할 수 있게 하여 레이더 시스템(300)이 매우 작은 각도 분해능(예컨대, < 1.3°)에서 밀접하게 위치한 타깃을 분석하는 능력을 향상시킨다. FPGA(326)는 LNA(340-343)에 대한 바이어스 전압 값을 저장하기 위한 LUT도 갖는다. 아래에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 이러한 바이어스 전압 값은 수신된 빔의 사이드 로브 레벨을 낮추기 위해 수신 안테나(312-313)의 에지 안테나 요소에 연결된 LNA의 이득을 변경하는 것을 포함하여 LNA의 이득을 제어하기 위해 교정 동안 결정될 수 있다.
다양한 예에서, 송신 안테나(308-309) 및 수신 안테나(312-313) 각각은 메타 구조 안테나, 위상 어레이 안테나, 또는 밀리미터파 주파수로 RF 신호를 방사할 수 있는 임의의 다른 안테나일 수 있다. 본 명세서에서 일반적으로 정의되는 메타 구조는 기하학적 구조를 기반으로 원하는 방향으로 입사 방사를 제어 및 조작할 수 있는 공학적인 구조이다. 송신 안테나(308-309) 및 수신 안테나(312-313)의 다양한 구성, 형상, 설계 및 치수는 특정 설계를 구현하고 특정 제약을 충족하는 데 사용될 수 있다.
레이더 모듈(302)의 송신 체인은 송수신기(306)가 송신 안테나(308-309)에 의한 무선 송신을 준비하기 위해 RF 신호를 생성하는 것으로 시작한다. RF 신호는 예를 들어, 주파수 변조 연속파("FMCW") 신호 또는 처프일 수 있다. FMCW 신호는 레이더 시스템(300)이 송신된 신호와 수신/반사된 신호 또는 에코 사이의 위상 또는 주파수의 차이를 측정함으로써 물체까지의 범위와 물체의 속도를 모두 결정할 수 있게 한다. FMCW 포맷 내에, 각각 장점과 목적이 있는 사인파형, 삼각형, 톱니, 직사각형 등을 포함하여 사용될 수 있는 다양한 파형 패턴이 있다.
FMCW 신호가 송수신기(306)에 의해 생성되면, FMCW 신호는 드라이버(390-392)에 공급된다. 드라이버(390-392)로부터, 신호는 각각 송신 안테나(308-309)의 각 요소마다 하나씩 입력 신호를 복수의 신호로 분할하는 전력 분할기 시스템을 형성하는 급전 네트워크(334-336)를 통해 분할 및 분배된다. 급전 네트워크(334-336)는 신호를 분할할 수 있으므로 전력이 그들 사이에 균등하게 분배되거나 이와 달리 분할된 신호가 모두 동일한 전력을 수신하지 않는 다른 방식에 따라 전력이 분배된다. 그 다음, 급전 네트워크(334-336)로부터의 각각의 신호는 PS 회로(316-318)에 각각 입력되고, 여기서 FMCW 신호는 (마이크로제어기(328)의 지도 하에 FPGA(326)에 의해 생성된 전압에 대응하는) DAC 제어기(393)로부터의 제어 시그널링에 기초하여 위상 시프트되고 그 후 PA(329-330)로 전송된다. 신호가 송신 안테나(308-309)에 의해 방사될 때 신호가 감쇠하므로, FMCW 신호가 물체 검출에 필요한 장거리에 도달하려면 신호 증폭이 필요하다. PA(329-330)로부터, FMCW 신호는 커플러(378-380)에 각각 선택적으로 공급되어 송수신기(306)에 피드백되는 교정 시그널링을 생성한다. 커플러(378-380)로부터, FMCW 신호는 송신 안테나(308-309)를 통해 전송된다. 커플러(378-380)는 실시간 교정 목적으로만 사용되므로 선택 사항이다. 또한, 일부 양상에서, 송수신기(306)는 FMCW 신호를 드라이버(394-396)에 공급하고, 그 다음에 PA(328 및 331) 및 커플러(376 및 382)에 공급된다. 이들 커플러로부터, FMCW 신호는 송신 신호의 사이드 로브 소거를 위해 선택적인 송신 보호 안테나(307 및 310)에 공급된다.
마이크로제어기(328)는 도로 및 환경 시나리오에 기초하여 원하는 스캐닝 모드에 따라 PS 회로(316-318 및 320-322)의 PS에 적용할 위상 시프트를 결정한다. 마이크로제어기(328)는 또한 송수신기가 다음 스캔에 적용할 스캔 파라미터를 결정한다. 스캔 파라미터는 인식 엔진(304)의 방향과 같은 프로세싱 엔진(350) 중 하나의 방향에서 결정될 수 있다. 검출된 물체에 따라, 인식 엔진(304)은 다음 스캔에서 스캔 파라미터를 조정하여 FoV의 주어진 영역에 초점을 맞추거나 빔을 다른 방향으로 조향하도록 마이크로제어기(328)에 지시할 수 있다.
다양한 예에서 그리고 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 레이더 시스템(300)은 무엇보다도 전체 스캐닝 모드 및 선택적 스캐닝 모드를 포함하는 다양한 모드들 중 하나로 동작한다. 전체 스캐닝 모드에서, 송신 안테나(308-309) 및 수신 안테나(312-313)는 작은 증분 단계로 완전한 FoV를 스캔할 수 있다. FoV가 조향 각도의 함수로서 증가된 사이드 로브로 인해 시스템 파라미터에 의해 제한될 수 있지만, 레이더 시스템(300)은 장거리 레이더의 경우 상당한 영역에 걸쳐 물체를 검출할 수 있다. 조준의 양쪽에서 스캔할 각도의 범위와 조향 각도/위상 시프트 사이의 단계 크기는 주행 환경에 따라 동적으로 변할 수 있다. 도시 환경을 주행하는 자율 주행 차량(예컨대, 자아 차량)의 성능을 향상시키기 위해, 교차로와 연석을 계속 모니터링하여 차량, 보행자 또는 자전거 타는 사람을 검출하도록 스캔 범위를 늘릴 수 있다. 이 넓은 스캔 범위는 프레임율(재방문률)을 저하시킬 수 있지만 일반적으로 도시 환경에는 저속 주행 시나리오가 포함되므로 허용 가능한 것으로 고려된다. 프레임율이 중요한 고속도로 시나리오의 경우, 스캔 범위를 줄여서 더 높은 프레임율을 유지할 수 있다. 이 경우, 조준의 양쪽에서 몇 도의 빔 스캐닝은 장거리 타깃 검출 및 추적에 충분할 것이다.
선택적 스캐닝 모드에서, 레이더 시스템(300)은 원하는 각도로 조향한 다음 그 각도 주위를 스캐닝함으로써 관심 영역 주위를 스캐닝한다. 이것은 레이더 시스템(300)이 유효한 물체가 없는 영역을 조명하는 임의의 프로세싱 또는 스캐닝 사이클을 낭비하지 않고 관심 영역에서 물체를 검출하는 것을 보장한다. 레이더 시스템(300)은 조준에서 300m 이상과 같은 원거리에서 물체를 검출할 수 있으므로, 도로에 커브가 있는 경우, 직접적인 측정은 유용한 정보를 제공하지 않는다. 오히려, 레이더 시스템(300)은 도로의 곡률을 따라 조향하고 관심 영역을 향해 빔을 정렬한다. 다양한 예에서, 선택적 스캐닝 모드는 송수신기(306)에 의해 생성된 FMCW 신호의 처프 슬로프를 변경하고 전송된 신호의 위상을 도로의 곡률을 커버하는 데 필요한 조향 각도로 시프팅함으로써 구현될 수 있다.
물체는 수신 안테나(312-313)에서 수신되는 반사 또는 에코에 의해 레이더 시스템(300)으로 검출된다. 그 다음 수신된 시그널링은 송수신기(306)로부터의 피드백 교정 시그널링을 사용하여 커플러(371-372)에 선택적으로 공급된다. 커플러(371-372)는 실시간 교정 동안 수신 체인 신호 경로에 대한 프로빙을 허용할 수 있다. 커플러(371-372)로부터, 수신된 시그널링은 LNA(341-342)에 공급된다. LNA(341-342)는 PS 회로(316-318)의 PS와 유사한 PS를 포함하는 PS 회로(320-322)와 수신 안테나(312-313) 사이에 위치된다. 수신 동작을 위해, PS 회로(320-322)는 공간 구성으로 인한 방사 요소 사이의 수신 신호의 시간 지연을 보상하기 위해 수신 안테나(312-313)의 방사 요소 사이에 위상 차를 생성한다.
아날로그 빔포밍이라고도 하는 수신 위상 시프팅은 에코를 정렬하기 위해 수신된 신호를 결합하여 검출된 물체의 장소 또는 위치를 식별한다. 즉, 위상 시프팅은 수신 안테나(312-313)의 각각의 방사 요소에 서로 다른 시간에 도달하는 수신된 신호를 정렬한다. 송신 체인 상의 PS 회로(316-318)와 유사하게, PS 회로(320-322)는 DAC 제어기(390)에 의해 제어되며, DAC 제어기는 원하는 위상 시프트를 생성하기 위해 각각의 PS에 제어 시그널링을 제공한다. 다양한 구현에서, FPGA(326)는 PS 회로(320-322)로의 제어 시그널링을 생성하기 위해 DAC 제어기(390)에 바이어스 전압을 제공한다.
수신 체인은 각각 결합 네트워크(344-345)에서 PS 회로(320-322)에 의해 공급된 신호를 결합하고, 결합된 신호는 신호 증폭을 위해 증폭기(364-366)로 전파된다. 그 후 증폭된 신호는 수신기 처리를 위해 송수신기(306)에 공급된다. 도시된 바와 같이, 결합 네트워크(344-345)는 복수의 결합 신호(346-348)를 생성할 수 있으며, 각각의 신호는 수신 안테나(312-313)의 다수의 요소로부터의 신호를 각각 결합한다는 점에 유의한다. 일 예에서, 수신 안테나(312-313)는 각각 2개의 64-요소 및 32-요소 클러스터로 분할된 128개 및 64개의 방사 요소를 포함한다. 예를 들어, 각각의 클러스터로부터 공급된 시그널링은 대응하는 결합 네트워크(예를 들어, 344, 345)에서 결합되고 별개의 RF 전송 라인에서 송수신기(306)로 전달된다. 이와 관련하여, 결합된 신호(346-348) 각각은 2개의 RF 신호를 송수신기(306)로 전달할 수 있으며, 여기서 각각의 RF 신호는 수신 안테나(312-313)의 64-요소 및 32-요소 클러스터로부터의 시그널링을 결합한다. 다른 예는 원하는 구성에 따라 8, 26, 34 또는 62개의 요소 등을 포함할 수 있다. 안테나 요소의 수가 많을수록, 빔 폭이 좁아진다. 일부 양상에서, 수신 보호 안테나(311 및 314)는 수신 시그널링을 커플러들(370 및 373)에 각각 공급하고, 이는 이후 LNA들(340 및 343)에 공급된다. LNA들(340 및 343)로부터의 필터링된 신호는 각각 증폭기(323 및 324)에 공급되고, 그 다음 수신기 프로세싱에 의해 수신된 신호의 사이드 로브 소거를 위해 송수신기(306)에 공급된다.
다양한 구현에서, 레이더 모듈(302)은 64-요소 수신 안테나(312-313)에 의해 수신된 메인 빔과 분리된 방사 패턴을 생성하는 수신 보호 대역 안테나(311 및 314)를 포함한다. 수신 보호 대역 안테나(311 및 314)는 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 물체로부터 사이드 로브 반사를 효과적으로 제거하고 검출된 물체의 각도 분해능을 개선하기 위해 구현된다. 유사하게, 레이더 모듈(302)은 사이드 로브 형성을 제거하거나 송신 안테나(308-309)에 의한 송신기 메인 빔 형성 시간에 송신기 사이드 로브에 의해 생성된 이득을 줄이기 위해 송신 보호 안테나(307 및 310)를 선택적으로 포함할 수 있다.
수신된 신호가 송수신기(306)에 의해 수신되면, 수신된 신호는 프로세싱 엔진(350)에 의해 처리된다. 프로세싱 엔진(350)은 머신 러닝 또는 컴퓨터 비전 기법을 사용하여 하나 이상의 신경망으로 수신된 신호에서 물체를 검출하고 식별하는 인식 엔진(304), 레이더 시스템(300)에 대한 이력 및 기타 정보를 저장하기 위한 데이터베이스(352) 및 송수신기(306)로부터의 아날로그 신호를 도달 각도 및 인식 엔진(304)에 의해 물체의 검출 및 식별을 위한 다른 가치있는 정보를 결정하기 위해 모노펄스 모듈(357)에 의해 처리될 수 있는 디지털 신호로 변환하는 ADC 모듈을 가진 DSP 모듈(354)을 포함한다. 하나 이상의 구현에서 DSP 엔진(356)은 마이크로제어기(328) 또는 송수신기(306)와 통합될 수 있다.
레이더 시스템(300)은 FoV를 정의하는 스캐닝된 영역의 총 각도, 각각의 증분 송신 빔의 빔 폭 또는 스캔 각도, 레이더 신호의 처프의 수, 처프 시간, 처프 기울기, 처프 분할 시간 등과 같은 스캔 파라미터의 구성을 원하는 대로 가능하게 하는 GUI(358)도 포함한다. 또한, 레이더 시스템(300)은 차량 주변의 온도를 감지하기 위한 온도 센서(360)를 구비하여 FPGA(326)로부터의 적절한 전압이 원하는 위상 시프트를 생성하는 데 사용될 수 있다. FPGA(326)에 저장된 전압은 온도 조건을 비롯하여 상이한 작동 조건에서 안테나를 교정하는 동안 결정된다. 데이터베이스(362)는 또한 레이더 및 기타 유용한 데이터를 저장하기 위해 레이더 시스템(300)에서 사용될 수 있다.
레이더 데이터는 방위각, 고도각, 범위 및 속도와 같은 타깃으로부터 반사된 각각의 RF 빔에 의해 결정되는 4차원(4D) 정보에 대응하는 범위 도플러(Range-Doppler: RD) 맵 정보의 세트로 구성될 수 있다. RD 맵은 FMCW 레이더 신호로부터 추출될 수 있으며 레이더 신호의 푸리에 분석으로부터의 잡음 및 조직적 아티팩트를 모두 포함할 수 있다. 인식 엔진(304)은 예를 들어, 송신 안테나(308-309)로부터 방사될 다음 RF 빔에 대한 빔 파라미터를 포함하는 안테나 제어 신호를 제공함으로써 송신 안테나(308-309)의 추가 동작을 제어한다.
작동시에, 마이크로제어기(328)는 예를 들어, 인식 엔진(304)의 방향에서 파라미터를 결정할 수 있으며, 이는 임의의 주어진 시간에 자아 차량의 경로 또는 주변 환경 내 관심 대상을 식별할 때 FoV의 특정 영역에 초점을 맞추도록 결정할 수 있다. 마이크로제어기(328)는 RF 빔의 방향, 전력 및 다른 파라미터를 결정하고 송신 안테나(308-309)를 제어하여 다양한 방향으로의 빔 조향을 달성한다. 다음으로, 송신 안테나(308-309)는 결정된 파라미터를 갖는 RF 빔을 방사한다. RF 빔은 자아 차량의 경로 내 및 주변(예컨대, 360° 시야 내)의 타깃으로부터 반사되고 송수신기(306)에 의해 수신된다. 수신 안테나(312-313)는 타깃 식별을 위해 인식 엔진(304)에 수신된 4D 레이더 데이터를 전송한다.
다양한 예에서, 인식 엔진(304)은 FoV를 설명하는 정보를 저장할 수 있다. 이 정보는 추세를 추적하고 행동 및 교통 상태를 예측하는 데 사용되는 이력 데이터일 수 있거나, 특정 시점 또는 특정 시간 창에 걸쳐 FoV를 설명하는 순간적 또는 실시간 데이터일 수도 있다. 이 데이터를 저장하는 능력은 인식 엔진(304)이 FoV 내의 특정 지점 또는 영역을 전략적으로 목표로 하는 결정을 내릴 수 있게 한다. 예를 들어, FoV는 일정 시구간(예컨대, 5분) 동안 명확할 수 있으며(예컨대, 수신된 에코 없음), 그 다음에 FoV의 특정 영역으로부터 하나의 에코가 도착하는데, 이는 자동차의 전면을 검출하는 것과 유사하다. 이에 응답하여, 인식 엔진(304)은 FoV에서 해당 섹터 또는 영역의 더 집중된 뷰를 위해 빔 폭을 좁히도록 결정할 수 있다. 다음 스캔은 타깃의 길이 또는 다른 치수를 나타낼 수 있고, 타깃이 차량인 경우, 인식 엔진(304)은 타깃이 어느 방향으로 움직이는지를 고려하고 그 영역에 빔을 집중시킬 수 있다. 유사하게, 에코는 작고 차량의 경로를 빠르게 벗어나는 새와 같은 가짜 타깃으로부터 올 수도 있다. 인식 엔진(304)에 결합된 데이터베이스(352)는 예를 들어, 송신 안테나(308-309)의 서브어레이가 상이한 조건 하에서 더 잘 수행하는 정보와 같은 레이더 시스템(300)을 위한 유용한 데이터를 저장할 수 있다.
본 명세서에 설명된 다양한 예에서, 자율 주행 차량에서 레이더 시스템(300)의 사용은 어려운 기상 조건에서 타깃을 검출하는 신뢰할 수 있는 방법을 제공한다. 예를 들어, 이력적으로 운전자는 시야의 감소와 함께 운전 속도가 감소함에 따라 짙은 안개 속에서 극적으로 속도를 줄일 것이다. 예를 들어, 제한 속도가 515km/h인 유럽의 고속도로에서, 운전자는 시야가 좋지 않을 때 50km/h로 속도를 줄여야 할 수 있다. 레이더 시스템(300)을 이용하면, 운전자(또는 무인 차량)는 기상 조건에 관계없이 최대 안전 속도를 유지할 수 있다. 다른 운전자가 속도를 늦추더라도, 레이더 시스템(300)이 활성화된 차량은 느리게 움직이는 차량 및 경로 내의 장애물을 검출하고 주변을 피하거나 길을 탐색할 수 있다.
또한, 교통 체증이 심한 지역에서는, 자율 주행 차량이 충분한 시간 내에 타깃을 검출하여 대응하고 조치를 취하는 것이 필요하다. 레이더 시스템에 대해 본 명세서에 제공된 예는 반응할 시간 내에 임의의 에코를 검출하기 위해 레이더 신호의 스위프 시간을 증가시킨다. 시골 지역 및 여행 중 장애물이 거의 없는 기타 지역에서, 인식 엔진(304)은 RF 빔의 초점을 더 큰 빔 폭으로 조정하여 에코가 거의 없는 영역을 더 빠르게 스캔할 수 있다. 인식 엔진(304)은 주어진 시구간 내에 수신된 에코의 수를 평가하고 그에 따라 빔 크기를 조정함으로써 이러한 상황을 검출할 수 있다. 타깃이 검출되면, 인식 엔진(304)은 빔 초점을 조정하는 방법을 결정한다.
이제 도 3에서와 같은 수신 보호 대역 안테나를 더 상세히 도시하는 도 4에 주목한다. 수신 안테나(400)는 약간 다른 시간에 물체로부터의 신호 또는 반사에 대한 수신 경로를 생성하는 다수의 방사 요소(402)를 갖는다. 방사 요소(402)는 48-요소 안테나에서와 같은 어레이 구성에서 일부 구현에서는 메타 구조 또는 다른 구현에서는 패치일 수 있다. 위상 및 증폭 모듈(404)은 수신된 RF 신호를 정렬하기 위해 위상 시프팅을 제공한다. 방사 요소(402)는 도 3의 PS 회로(320 및 322) 및 LNA(341 및 342)로서 구현된 위상 시프터 및 LNA를 포함하여 결합 구조(406) 및 위상 및 증폭 모듈(404)에 결합된다. 본 예시에서, 2개의 물체, 물체 A(408)와 물체 B(410)는 동일한 범위에 위치하며 수신 안테나(400)에 대해 동일한 속도로 이동하고 있다. 물체들(예컨대, 408 및 410) 사이의 각도 거리가 방사 빔의 대역폭보다 작으면, 수신 안테나(400)에 의해 물체가 구별되지 못할 수 있다. 이것을 각도 분해능 또는 공간 분해능이라고 한다. 레이더 및 물체 검출 분야에서, 각도 분해능은 서로 근접한 위치에 있는 물체들을 구별하는 레이더의 능력을 설명하며, 근접 위치는 일반적으로 레이더 안테나와 같은 물체 검출 메커니즘에서 물체까지의 범위 및 물체의 속도에 의해 측정된다.
레이더 각도 분해능은 레이더가 공간적으로 구별하고 분리할 수 있는 동일한 범위에 있는 2개의 동일하게 큰 타깃 사이의 최소 거리이다. 각도 분해능은 3dB 빔 폭이라고 하는 안테나의 절반 전력 빔 폭의 함수이며 물체 차별에 대한 제한 요소 역할을 한다. 물체를 구별하는 것은 물체로부터 반사가 도달하는 각도를 정확하게 식별하는 것을 기반으로 한다. 빔 폭 각도가 작을수록 지향성이 높고 각도 분해능이 더 개선되지만 더 작은 단계 크기를 달성하려면 더 빠른 스캔이 필요하다. 예를 들어, 자율 주행 차량 애플리케이션에서, 레이더는 차량이 필요할 때 시정 조치를 취할 수 있도록 충분한 시구간 내에 차량의 환경을 스캔하는 역할을 한다. 이것은 시스템의 능력을 특정 단계로 제한한다. 이는 3dB 각도 빔 폭보다 작은 물체 사이의 거리를 갖는 임의의 물체는 추가 프로세싱 없이는 구별될 수 없다는 것을 의미한다. 즉, 같은 거리에 있는 두 개의 동일한 타깃이 안테나 3dB 빔 폭 이상으로 떨어져 있으면 각도로 분해될 수 있다. 본 예는 모노펄스 모듈이 그러한 각도 거리에서 물체를 분석할 수 없는 경우 물체를 구별하기 위해 복수의 보호 대역 안테나(311 및 314)를 사용한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 안테나(400)가 물체(408-410)를 구별하기 위해서는, 물체의 각도 분해능이 수신 경로(220)에 의해 생성된 빔의 메인 로브의 3dB 빔 폭보다 작아야 한다. 물체의 식별을 돕기 위해 도 5의 프로세스(500)는 메인 빔과 관련하여 보호 대역 방사 빔을 생성하는 데 보호 대역(412-414)을 사용한다. 물체 반사가 메인 빔에서 수신되어(502) 물체가 검출되었음을 나타낸다. 그 다음 프로세스는 보호 대역 방사 빔도 이 물체를 검출했는지를 결정하고(504), 그렇다면 물체를 캡처한다. 보호 대역 방사 빔이 반사를 검출하지 않으면(504), 모노펄스 모듈(357)에서의 프로세싱은 메인 빔에서 다수의 물체에 대한 검색을 시작한다(506). 프로세스는 스캔 유형을 결정하고(508), 메인 로브 또는 보호 대역 방사 빔의 스캔 단계를 감소시켜서 물체가 검출되었는지 여부를 결정할 수 있다(510). 물체가 검출되면, 프로세스는 물체 데이터를 캡처하고(512), 그렇지 않으면 프로세싱은 물체로부터 반사를 수신(502)하도록 리턴한다.
도 6 및 도 7은 메인 로브(600)가 도 4의 요소(402)와 같은 안테나 구조의 메인 방사 요소로부터 발생하는 이들 신호의 관계를 도시한다. 메인 로브(600)는 도 6에서 이득 대 도달 각도의 플롯에 의해 예시된 바와 같이 사이드 로브를 갖는다. 메인 로브(600)에 더하여 및 별개로 일련의 보호 로브(602)가 있다. 이들은 단일 보호 채널(604)의 이득 레벨 이상의 신호를 필터링하는 데 사용된다. 2개의 보호 대역 안테나(예컨대, 도 4의 보호 대역 안테나(412-414))를 사용하면 보호 대역 방사 빔(602)이 초래된다. 2개의 보호 대역 안테나가 도시되어 있지만, 빔 조향 레이더(300)의 다양한 구성은 임의의 수의 보호 대역 안테나를 포함할 수 있음에 유의한다. 예를 들어, 단일 보호 대역 안테나가 빔 조향 레이더에 통합되거나 2개 초과의 보호 대역 안테나가 사용될 수 있다. 보호 대역 안테나가 더 많이 구현될수록, 보호 대역 안테나 방사 빔의 로브가 더 멀리 떨어져 있고 각도 분해능이 더 좋다.
도 7은 메인 로브(700) 및 동시 보호 로브(702)를 도시한다. 이 상황에서, 2개의 물체는 단일 메인 로브 3dB 대역폭보다 작은 각도 분해능을 가지므로 본 예 없이는 효과적으로 구별할 수 없고, 레이더는 AoA에 대응하는 위치 X(704)에 위치한 단일 물체일 물체를 판독할 것이다. 물체는 실제로 위치(706 및 704)에 있다. 레이더가 위치(704)를 식별함에 따라, 본 예는 이 AoA에서 물체를 식별하기 위해 보호 로브를 평가한다. AoA에서 보호 대역에 의해 물체가 검출되지 않으면, 레이더에 복수의 물체를 찾도록 지시한다. 이것은 메인 로브의 스캔을 개선하는 것을 포함하거나 메인 로브 내의 보호 로브의 디지털 조향을 포함할 수 있다.
빔 조향 레이더의 이러한 다양한 예는 향상된 센서 성능, 모든 기후/모든 조건 검출, 고급 의사 결정 알고리즘 및 센서 결합을 통한 다른 센서와의 상호작용으로 자율 주행을 지원한다. 이들 구성은 레이더가 자율 주행 자동차와 같은 많은 응용 분야에서 기후 조건에 의해 방해받지 않기 때문에 레이더 센서의 사용을 최적화한다. 본 명세서에서 설명된 레이더는 트루 3D 비전을 갖고 인간과 유사하게 세계를 해석할 수 있는 사실상 "디지털 눈"이다.
개시된 예의 앞선 설명은 당업자가 본 개시를 구성하거나 사용할 수 있게 하도록 제공된다는 것이 이해된다. 이들 예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 쉽게 명백해질 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리는 본 개시의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고서 다른 예에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시는 본 명세서에 나타낸 예에 제한되도록 의도되지 않고 본 명세서에 개시된 원리 및 신규 특징과 일치하는 가장 넓은 범위에 따른다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 항목 중 임의의 것을 분리하는 "및" 또는 "또는"이라는 용어를 통해 나열된 일련의 항목 앞에 놓인 "~중 적어도 하나"라는 문구는 목록의 각 요소(즉, 각각의 항목)보다는 그 목록 전체를 한정한다. "~중 적어도 하나"라는 문구는 적어도 하나의 항목의 선택을 요구하지 않고, 오히려, 그 문구는 항목들 중 어느 하나 중 적어도 하나, 및/또는 항목들의 임의의 조합 중 적어도 하나, 및/또는 항목들 각각 중 적어도 하나를 포함하는 의미를 허용한다. 예를 들어, "A, B, 및 C 중 적어도 하나" 또는 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"라는 문구는 각각 A만, B만, 또는 C만; A, B 및 C의 임의의 조합; 및/또는 A, B 및 C 각각의 적어도 하나를 지칭한다.
또한, "내포한다", "갖다" 등의 용어가 상세한 설명 또는 청구범위에서 사용되는 범위에 있어서, 이러한 용어는 "포함하다"라는 용어와 유사한 방식으로 포함 범위를 갖는 것으로 의도되는데, 그 이유는 "포함하다"는 청구항에서 사용되는 경우 전환어(transitional word)로 해석되기 때문이다.
단수로 요소를 언급하는 것은 특별히 언급되지 않는 한 "하나뿐인 것"을 의미하는 것이 아니라 "하나 이상"을 의미하도록 의도된다. "일부"라는 용어는 하나 이상을 나타낸다. 밑줄 및/또는 기울임꼴 표제 및 부제목은 편의상 사용되었으며, 본 기술을 제한하지 않고 본 기술의 설명의 해석과 관련하여 참조되지 않는다. 당업자에게 알려져 있거나 나중에 알려지게 되는 본 개시 전반에 걸쳐 설명된 다양한 구성의 요소에 대한 모든 구조적 및 기능적 균등물은 참조로서 본 명세서에 명시적으로 포함되고 본 기술에 포함되는 것으로 의도된다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 내용은 어떠한 것도, 그러한 개시가 위의 설명에서 명시적으로 언급되었는지 여부에 관계없이, 대중에게 허용되는 것으로 의도되는 것은 아니다.
본 명세서는 많은 세부사항을 포함하지만, 이들은 청구될 수 있는 범위에 대한 제한으로 해석되어서는 안 되며, 오히려 청구 대상의 특정 구현에 대한 설명으로 해석되어야 한다. 별개의 구현의 맥락에서 본 명세서에 설명된 소정 특징은 단일 구현으로 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 구현의 맥락에서 설명된 다양한 특징은 또한 복수의 구현에서 개별적으로 또는 임의의 적합한 하위 조합으로 구현될 수 있다. 더욱이, 특징이 소정 조합으로 작용하는 것으로 위에서 설명될 수 있고 심지어 초기에는 그렇게 청구될 수도 있지만, 청구된 조합에서의 하나 이상의 특징은 일부 경우에 조합에서 제거될 수 있고, 청구된 조합은 하위 조합 또는 다양한 하위 조합에 관한 것일 수 있다.
본 명세서의 청구 대상은 특정 양상에 관하여 설명되었지만, 다른 양상이 구현될 수 있고 다음 청구범위의 범주 내에 있다. 예를 들어, 동작들이 특정 순서로 도면에 도시되어 있지만, 이는 바람직한 결과를 달성하기 위해 그러한 동작들이 도시된 특정 순서로 또는 순차적인 순서로 수행되어야 하거나, 또는 도시된 모든 동작들이 수행되어야 함을 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 청구범위에 언급된 동작들은 다른 순서로 수행될 수 있으며 여전히 바람직한 결과를 얻을 수 있다. 일례로서, 첨부 도면에 도시된 프로세스는 바람직한 결과를 달성하기 위해 도시된 특정 순서 또는 순차적인 순서를 반드시 필요로 하지는 않는다. 또한, 위에서 설명한 양상에서 다양한 시스템 구성요소들의 분리가 모든 양상에서 이러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 설명된 프로그램 구성요소 및 시스템은 일반적으로 단일 하드웨어 제품에 함께 통합되거나 복수의 하드웨어 제품 내에 패키징될 수 있음을 이해해야 한다. 다른 변형은 후속하는 청구범위 내에 있다.

Claims (20)

  1. 물체 식별을 위한 빔 조향 차량 레이더로서,
    메인 로브 및 복수의 사이드 로브를 포함하는 방사 빔을 생성하는 복수의 안테나 요소를 갖는 빔 조향 수신 안테나와,
    보호 대역 방사 빔을 생성하는 적어도 하나의 보호 대역 안테나와,
    상기 방사 빔에서 제1 물체 반사를 검출하고 식별하도록 상기 빔 조향 수신 안테나에 결합된 인식 모듈을 포함하되,
    상기 인식 모듈은 상기 제1 물체 반사에 대한 도달 범위 및 도달 각도를 결정하고 상기 보호 대역 방사 빔에서 제2 물체 반사의 부재를 결정할 때 복수의 물체를 검출하는 모노펄스 모듈을 포함하는
    빔 조향 차량 레이더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔 조향 수신 안테나는 메타 구조 안테나를 포함하는
    빔 조향 차량 레이더.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빔 조향 수신 안테나는 위상 어레이 안테나를 포함하는
    빔 조향 차량 레이더.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔 조향 수신 안테나는 상기 인식 모듈에 의해 제어되는
    빔 조향 차량 레이더.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인식 모듈은 상기 복수의 물체를 식별하는 적어도 하나의 신경망을 포함하는
    빔 조향 차량 레이더.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모노펄스 모듈은 메인 로브의 스캔 단계 크기를 감소시켜 상기 복수의 물체를 검출하는
    빔 조향 차량 레이더.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모노펄스 모듈은 상기 보호 대역 방사 빔의 스캔 단계 크기를 감소시켜 상기 복수의 물체를 검출하는
    빔 조향 차량 레이더.
  8. 빔 조향 레이더로 물체를 식별하는 방법으로서,
    빔 조향 레이더의 수신 안테나로부터 메인 로브에서 제1 물체 반사를 수신하는 단계와,
    적어도 하나의 보호 대역 안테나로부터 보호 대역 방사 빔을 생성하는 단계와,
    상기 제1 물체 반사에 대한 도달 범위 및 도달 각도를 결정하는 단계와,
    상기 도달 각도로 상기 보호 대역 방사 빔에서 제2 물체 반사를 결정할 때 상기 제1 물체 반사에 대한 물체 데이터를 캡처하는 단계와,
    상기 보호 대역 방사 빔에서 다른 물체 반사의 부재를 결정할 때 복수의 물체를 식별하기 위해 개선된 스캔을 개시하는 단계를 포함하는
    방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 물체 반사를 수신하는 단계는 상기 수신 안테나에서 밀리미터파 RF 신호를 수신하는 단계를 포함하는
    방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 물체 반사에 대한 도달 범위 및 도달 각도를 결정하는 단계는 범위 도플러 맵을 생성하는 단계를 포함하는
    방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 물체 반사에 대한 물체 데이터를 캡처하는 단계는 적어도 하나의 신경망을 사용하여 상기 범위 도플러 맵에서 상기 제1 물체 반사를 식별하는 단계를 포함하는
    방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 개선된 스캔을 개시하는 단계는 상기 메인 로브의 스캔 단계 크기를 감소시켜 상기 복수의 물체를 검출하는 단계를 포함하는
    방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 개선된 스캔을 개시하는 단계는 상기 보호 대역 방사 빔의 스캔 단계 크기를 감소시켜 상기 복수의 물체를 검출하는 단계를 포함하는
    방법.
  14. 빔 조향 레이더의 프로세싱 엔진에 결합된 수신 안테나 시스템으로서,
    밀리미터파 RF 신호를 수신하고 메인 로브 및 복수의 사이드 로브를 포함하는 방사 빔을 생성하는 복수의 안테나 요소를 갖는 빔 조향 수신 안테나와,
    상기 밀리미터파 RF 신호로부터 보호 대역 방사 빔을 생성하는 적어도 하나의 보호 대역 안테나를 포함하되,
    상기 프로세싱 엔진은 상기 메인 로브에서 제1 물체 반사를 결정하고 상기 보호 대역 방사 빔에서 제2 물체 반사의 부재를 결정할 때 복수의 물체를 검출하도록 구성되는
    수신 안테나 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 빔 조향 수신 안테나는 메타 구조 안테나를 포함하는
    수신 안테나 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 프로세싱 엔진은 상기 빔 조향 수신 안테나의 스캔 파라미터를 제어하는 인식 모듈을 포함하는
    수신 안테나 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 인식 모듈은 상기 복수의 물체를 식별하는 적어도 하나의 신경망을 포함하는
    수신 안테나 시스템.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 프로세싱 엔진은 메인 로브의 스캔 단계 크기를 감소시켜 상기 복수의 물체를 검출하는
    수신 안테나 시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 프로세싱 엔진은 상기 보호 대역 방사 빔의 스캔 단계 크기를 감소시켜 상기 복수의 물체를 검출하는
    수신 안테나 시스템.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 빔 조향 수신 안테나는 상기 빔 조향 수신 안테나의 상기 복수의 안테나 요소 각각에 상이한 시간에 도달하는 수신된 밀리미터파 RF 신호를 정렬하는 복수의 위상 시프터에 결합되는
    수신 안테나 시스템.
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