KR20220106059A - 동기화된 고주파 칩을 가진 mimo 레이더 센서 - Google Patents

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 미리 정해진 방향(x)으로 서로 오프셋된 송신 안테나 요소들(TX)과 수신 안테나 요소들(RX)의 어레이; 그리고 송신 안테나 요소 및 수신 안테나 요소의 서로 상이한 선택에 할당된 2개 이상의 전자 칩(C1 및 C2);을 가진 MIMO 레이더 센서에 관한 것으로, 상기 MIMO 레이더 센서는, 하나 이상의 수신 안테나 요소(R0)가 2개의 칩(C1 및 C2) 모두에 연결될 수 있고, 어레이가 안테나 요소들의 하나 이상의 구성을 가지며, 상기 구성은 칩(C1)이 할당된 송신 안테나 요소(T1), 칩(C1)이 할당된 수신 안테나 요소(R1), 칩(C2)이 할당된 송신 안테나 요소(T2), 및 칩(C2)이 할당된 수신 안테나 요소(R2)로 이루어지며, 상기 구성에서 송신 안테나 요소(T1과 T2) 간 오프셋은 수신 안테나 요소(R1과 R2) 간 오프셋과 일치하는 것을 특징으로 한다.

Description

동기화된 고주파 칩을 가진 MIMO 레이더 센서{MIMO RADAR SENSOR WITH SYNCHRONIZED HIGH-FREQUENCY CHIPS}
본 발명은, 미리 정해진 방향으로 서로 오프셋된 송신 안테나 요소들과 수신 안테나 요소들의 어레이; 그리고 송신 안테나 요소들 및 수신 안테나 요소들의 서로 상이한 선택에 할당된 2개 이상의 전자 칩(C1 및 C2);을 가진 MIMO 레이더 센서에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 자동차용 레이더 센서에 관한 것이다.
자동차용 운전자 지원 시스템에서의 주변 모니터링 시, 탐지된 레이더 표적의 거리와 상대 속도와 더불어 상기 표적의 방위각 및 고도각도 중요하다. 예를 들어, 도로의 특정 차선에 객체를 할당하려면 방위각에 대한 정보가 필요하다. 고도각에 대한 정보를 통해, 객체 위로 또는 객체 아래로 지나갈 수 있는지, 또는 상기 객체가 유의미한 장애물인지의 여부를 평가할 수 있다. 표적의 방위각 및 고도각은 수신 안테나 요소로부터의 신호의 진폭차 및/또는 위상차로부터 결정될 수 있다. MIMO 원리(Multiple Input Multiple Output)에 따라 수신 안테나 요소들이 예컨대 시분할 다중화 방식 또는 주파수 분할 다중화 방식으로 여러 송신 안테나 요소와 조합된다. 각각의 조합은 하나의 가상 안테나 요소에 상응하며, 타측 가상 안테나 요소에 대한 상기 가상 안테나 요소의 오프셋은, 관여된 수신 안테나 요소 및 관여된 송신 안테나 요소의 오프셋이 가산되어 구성된다. 가상 어레이는 실제 어레이보다 더 큰 개구를 가질 수 있으므로 더 높은 각도 분해능이 가능하다.
어레이가 매우 많은 수의 송신 안테나 요소 및 수신 안테나 요소를 구비한 경우, 상응하는 더 큰 가상 어레이가 생성될 수 있고 상응하는 더 높은 각도 분해능이 달성될 수 있다. 그러나 복수의 송신 안테나 요소로의 송신 신호의 공급과 수많은 수신 안테나 요소의 수신 신호의 평가를 더 이상 단일 통합 전자 부품으로 관리할 수 없다. 이 경우, 레이더 센서의 고주파 부품은 복수의 통합 모듈, 예컨대 여기서는 줄여서 "칩"이라고 지칭되는 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits)를 구비해야 한다. 이상적으로는 이러한 칩이 완벽하게 동기화되어 작동함에 따라, 수신 신호들 간의 위상차가 오직 레이더 신호의 상이한 전파 시간 및 이와 더불어 측정할 각도에 의해서만 결정되고, 여러 칩 간의 위상차에는 좌우되지 않아야 한다. 그러나 실제로는 예를 들어 제조 공차뿐만 아니라 칩 간 온도차 및/또는 상이하게 진행되는 노화 과정으로 인해 여러 칩 간에 위상차가 발생할 수 있다. 따라서 이러한 위상차는 일반적으로 시간 경과에 따라 일정하지 않기 때문에 칩의 단발성 보정으로는 제거할 수 없다.
WO 2019/170277 A1호에는, 칩의 온도를 온도 센서로 측정한 다음 칩의 온도 의존성 모델에 기초하여 위상을 보정하는, 복수의 MMIC 간의 온라인 위상 보정 방법이 기술되어 있다.
DE 10 2014 208 899 A1호에는 레이더 측정 데이터 및 측정된 안테나 다이어그램과의 편차에 기반한 온라인 보정 방법이 기술되어 있다.
제6회 유럽 안테나 및 전파 컨퍼런스(EUCAP)에서 발표된 C. Schmid 외 공저의 논문, "Motion Compensation and Efficient Array Design for TDMA FMCW MIMO Radar Systems"(2012년 3월, pp. 1746-1750)에는 측정된 상대 속도를 기반으로 동일한 MMIC의 두 송신 안테나 간 위상 오프셋을 보상할 수 있도록 하는 중첩 가상 채널을 가진 안테나 어레이가 기술되어 있다.
본 발명의 과제는, 레이더 센서를 사용하는 동안 칩 간 위상 편차를 직접 측정할 수 있는 MIMO 레이더 센서를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라, 하나 이상의 수신 안테나 요소(R0)가 2개의 칩(C1 및 C2) 모두에 연결될 수 있고 어레이가 안테나 요소들의 하나 이상의 구성을 가짐으로써 해결되며, 상기 구성은 칩(C1)이 할당된 송신 안테나 요소(T1), 칩(C1)이 할당된 수신 안테나 요소(R1), 칩(C2)이 할당된 송신 안테나 요소(T2), 및 칩(C2)이 할당된 수신 안테나 요소(R2)로 이루어지며, 상기 구성에서 송신 안테나 요소(T1과 T2) 간 오프셋은 수신 안테나 요소(R1과 R2) 간 오프셋과 일치한다.
여기서, 칩이 송신 안테나 요소 또는 수신 안테나 요소에 "할당"되었다는 표시는, 송신 안테나 요소가 칩에 의해 급전되거나, 칩이 수신 안테나 요소의 수신 신호를 처리하는 방식으로 레이더 센서가 작동될 수 있음을 의미한다. 칩 간의 위상차는 송신 채널 성분(DELTA_TX)과 수신 채널 성분(DELTA_RX)으로 구성된다. 이 두 가지 성분은 칩에서 서로 상이한 신호 경로로 인해, 관련 가상 안테나 요소에 대해 칩이 송신하는지, 수신하는지 또는 송신 및 수신을 모두 하는지의 여부에 따라 발생한다.
본 발명에 따라 하나 이상의 안테나 요소(R0)는 두 칩(C1 및 C2) 모두와 연결될 수 있기 때문에, 칩들 중 단 하나만, 예를 들어 칩(C1)만 송신하는 상태에서는 두 칩에서 수신된 수신 신호의 위상을 서로 비교함으로써 수신 채널 성분(DELTA_RX)이 측정될 수 있다. 두 신호에 대한 송신 채널 성분은 동일하기 때문에, 측정된 위상차는 수신 채널 성분(DELTA_RX)이어야 한다.
송신 안테나 요소(T1과 T2) 간 오프셋이 수신 안테나 요소(R1과 R2) 간 오프셋과 일치하기 때문에, 송신 안테나 요소(T1)와 수신 안테나 요소(R2)의 조합이 송신 안테나 요소(T2)와 수신 안테나 요소(R1)의 조합과 동일한 가상 안테나 요소를 도출한다는 점에서, 4개의 안테나 요소(T1, R1, T2, R2)의 구성은 중복된다. 따라서 칩 간 위상차가 없다면, 표적의 위치각에 관계없이 두 조합 모두에서 동일한 위상을 얻어야 한다. 이제 상기 두 조합에서 실제로 측정되는 위상들을 서로 비교하면, 칩 간 총 위상차(DELTA_TX + DELTA_RX)를 얻을 수 있다. 수신 채널 성분(DELTA_RX)뿐만 아니라 두 성분의 합도 알고 있기 때문에, 송신 채널 성분(DELTA_TX)도 계산될 수 있다. 알고 있는 성분(DELTA_RX 및 DELTA_TX)을 사용해서, 두 칩 중 어느 것이 상기 조합으로 송신하고 어느 칩이 수신된 신호를 처리하는지와 무관하게, 각각의 가상 안테나 요소, 즉, 송신 안테나 요소와 수신 안테나 요소의 각 조합에 대해 위상차를 보상할 수 있다.
하기에서는 도면을 참고로 실시예를 더 상세히 설명한다.
단일 도면은 본 발명에 따른 MIMO 레이더 센서의 블록 다이어그램이다.
본 도면은, 간략화된 예시로서, 2개의 송신 안테나 요소(TX) 및 7개의 수신 안테나 요소(RX)를 가진 안테나 어레이를 구비한 MIMO 레이더 센서(FMCW 레이더)를 보여준다. 수신 안테나 요소들(RX)은 x 방향으로 서로, 도시된 예에서는 각각 동일한 간격만큼, 오프셋된다. x 방향이 수평 방향이라면, (특정 거리 셀 및 속도 셀 내에) 존재하는 레이더 표적에 대해 7개의 수신 안테나 요소에서 수신되는 신호의 위상을 비교하여 (소정의 정확도 한계 이내에서) 레이더 표적의 방위각을 측정할 수 있다. x 방향이 수직 방향이라면, 그에 상응하게 표적의 고도각을 측정할 수 있다.
도 1에는 레이더 센서에 의해 탐지될 수 있는 레이더 표적(Z)이 상징적으로 도시되어 있다. 실제로, 표적(Z)은 도면 평면에 대해 수직인 방향으로 안테나 어레이의 평면으로부터 상당한 거리에 있을 것이다. 예를 들어 여기서는, x 방향이 수평 방향이므로 레이더 센서가 표적(Z)의 고도각을 측정할 수 있다고 가정한다. 또한, 표적이 수직 방향으로 연장되어 있으므로, 도면에서 확인 가능한, 일측의 송신 안테나 요소(TX)와 타측의 수신 안테나 요소(RX) 사이의 수직 오프셋은 신호 전파 길이에 영향을 미치지 않는다고 가정한다. 따라서 신호 전파 길이는 x 방향으로의 안테나 요소들의 오프셋에 의해서만 결정된다.
2개의 송신 안테나 요소(TX)는 더 나은 구별을 위해 부호 "T1" 및 "T2"로 표시되어 있다. 송신 안테나 요소(T1)가 신호를 송신하고, 이 신호가 표적(Z)에서 반사된 다음 수신 안테나 요소(RX) 중 하나에 의해 수신되는 경우, 신호 전파 경로의 x 성분은 송신 안테나 요소(T1)와 표적(Z) 사이의 x 방향으로의 거리와; 표적(Z)과 수신 안테나 요소(RX) 사이의 Z 방향으로의 거리;의 합에 상응한다. 반면에 레이더 신호가 송신 안테나 요소(T1)에 의해 송신되지 않고 송신 안테나 요소(T2)에 의해 송신되는 경우에는, 모든 신호 전파 경로가 동일한 양만큼, 요컨대 송신 안테나 요소(T1과 T2) 간의 거리만큼 감소한다.
도면에는 송신 안테나 요소와 수신 안테나 요소의 모든 조합에 대해 상이한 신호 전파 경로가 가상 어레이(VX)로 표시되어 있다. 처음 7개의 가상 안테나 요소(V1 내지 V7)는 표적(Z)으로부터 실제 수신 안테나 요소(RX)와 동일한 거리에 있으므로, 신호가 송신 안테나 요소(T1)에 의해 송신되는 경우를 나타낸다. 나머지 가상 안테나 요소의 경우, 표적(Z)까지의 거리는 T1과 T2 사이의 거리만큼 단축된다. 따라서 이들 가상 안테나 요소는 T2에 의해 송신되는 경우에 해당한다.
여기에 도시된 안테나 어레이의 특징은, 송신 안테나 요소(T1과 T2) 간 거리가 수신 어레이의 첫 번째 수신 안테나 요소(R1)와 마지막 수신 안테나 요소(R2) 간 거리와 같다는 것이다. 그 결과, 가상 안테나 요소(V7)는 여기에서 두 가지 상이한 방식으로, 요컨대 한 번은 T1을 이용하여 송신하고 R2를 이용하여 수신하며, 다른 한 번은 T2를 이용하여 송신하고 R1을 이용하여 수신하는 방식으로, 합성될 수 있다. 이 "중복성" 때문에 가상 안테나 어레이(VX)는 "2×7 = 14"개의 요소가 아닌, 최대 13개(도시된 예에서는 12개)의 요소만 갖는다. 따라서 마지막 가상 안테나 요소(V12)는 T2에 의해 송신되어 끝에서 두 번째 수신 안테나 요소에 의해 수신되는 경우에 해당한다.
본 실시예에서는, 송신 신호를 생성하여 송신 안테나 요소(T1 및 T2)에 공급하고, 수신 안테나 요소(RX)에서 수신된 신호를 처리하기 위해, 예컨대 MMIC일 수 있는 2개의 개별 칩(C1 및 C2)이 제공된다. 칩(C1)은 송신 안테나 요소(T1)에 급전하며, 제1 수신 안테나 요소(R1)에서 시작하여 여기에 "R0"으로 표시된 제4 수신 안테나 요소로 끝나는 처음 4개의 수신 안테나 요소의 수신 신호를 처리한다. 칩(C2)은 송신 안테나 요소(T2)에 급전하며, 마지막 4개의 수신 안테나 요소(R0 내지 R2)의 수신 신호를 처리한다. 수신 안테나 요소(R0)의 출력은 전력 분배기를 통해 두 칩(C1 및 C2) 모두에 연결되어 있다(또는 적어도 일시적으로 연결될 수 있다).
제어 및 평가 장치(D)가 칩(C1 및 C2)의 동작을 제어하고, 상이한 수신 채널들에서 수신된 신호를 평가한다. 송신 안테나 요소(T1 및 T2)는 교대로 활성화되며, 그에 따라 시분할 다중화 방식으로 총 12개의 가상 안테나 요소가 측정될 수 있다. FMCW 원리에 따라 각 안테나 소자에 대해 수신 신호가 중간 주파수 대역으로 다운믹스되어(downmixed) 디지털화되고, 하나의 측정 주기에 걸쳐 시간 신호로 기록된다. 시간 신호로부터 고속 푸리에 변환에 의해, 각각의 탐지된 표적이 상기 표적의 거리 및 상대 속도에 좌우되는 주파수에서 피크로서 나타나는 스펙트럼이 생성된다. 이러한 데이터에 기초해서, 공지된 방식으로 각각의 탐지된 표적의 거리 및 상대 속도가 계산된다. 표적에 대한 각도 정보는, 동일한 탐지 표적에 대해 상이한 가상 안테나 요소들에서 수신되는 신호의 복소 진폭의 비교를 통해 얻는다. 이를 위해, 가상 안테나 요소들에 대한 복소 진폭 분포를 이전에 측정되어 저장된 안테나 다이어그램과 비교한다.
각각의 칩(C1 및 C2)에서 송신부와 수신부 모두에서 소정의 위상 지연(phase delay)이 발생한다. 이러한 신호 지연은 칩마다 상이할 수 있고, 예컨대 칩의 온도에 따라 달라질 수 있기 때문에, 두 칩 사이에 위상차가 생기게 되며, 이는 안테나 다이어그램과의 비교 전에 산술적으로 보상되어야 한다. 이를 위해, 때때로 두 칩 간의 위상차를 측정해야 할 필요가 있다.
상기 측정은, 가상 안테나 요소(V7)가 각각의 측정 주기에서 두 번, 요컨대 한 번은 안테나 조합(T1, R2)으로, 한 번은 안테나 조합(T2, R1)으로 측정됨으로써 가능하다. 상기 두 측정에서 얻은 신호를 비교하면, 탐지된 표적의 각도 정보와 무관하며 4개의 성분으로 구성된 총 위상차(DD)가 얻어진다:
DD = DT1 + DR2 - DT2 - DR1 = DELTA_RX + DELTA_TX (1)
여기서 DT1은 칩(C1)의 송신부에서의 신호 지연에 기인하는 성분이고, DR2는 칩(C2)의 수신부에서의 신호 지연에 기인하는 성분이며, DT2는 칩(C2)의 송신부에서의 신호 지연에 기인하는 성분이고, DR1은 칩(C1)의 수신부에서의 신호 지연에 기인하는 성분이다. 처음 2개의 가수(summand)는 T1 및 R2로 측정할 때의 총 신호 지연을 결정하고, 다른 2개의 가수는 T2 및 R1으로 측정할 때의 총 신호 지연에 상응한다.
가상 안테나 요소(V4)는 "T1, R0" 조합에 해당한다. 수신 안테나 요소(R0)가 두 칩 모두에 연결되어 있기 때문에, 이 안테나 요소에 대해 2개의 칩 각각에서 2개의 신호가 획득된다. 상기 두 신호 사이의 위상차는 "DR2-DR1"과 같은데, 이는 송신하는 칩(C1)의 송신부에서의 신호 지연에 기인하는 성분이 두 신호 모두에 대해 동일하기 때문이다. 따라서 상기 위상차의 측정은 총 위상차의 수신 채널 성분(DELTA_RX)을 제공한다.
이에 상응하게, "T2, R0" 조합에 해당하는 가상 안테나 요소(V10)에 대한 2개의 신호도 획득된다. 그러므로 선택적으로, 상기 두 신호도 DELTA_RX의 측정에 사용될 수 있거나, 두 방법 모두 제어 목적으로 이용한다. DELTA_RX = DR2 - DR1 및 DD를 알고 있는 경우, 방정식 (1)에 따라 송신 채널 성분(DELTA_TX = DT1 - DT2)도 계산할 수 있다.
두 변수 모두(DELTA_RX 및 DELTA_TX)를 사용하여, 각각의 가상 안테나 요소 쌍에 대해 칩의 위상차로 인한 오류를 보상할 수 있다. 각도 추정 시 예를 들어 가상 요소 V1과 V12의 위상을 비교해보면, V1의 경우에는 칩(C1)에 의해 송신 및 수신이 수행되는 반면, V12의 경우 칩(C2)에 의해 송신 및 수신이 수행되기 때문에, 보정값은 DELTA_TX + DELTA_RX이다. 그와 달리 가상 요소 V1과 V6의 위상을 비교해보면, 두 경우 모두 송신 신호는 칩(C1)으로부터 유래하고 수신 신호만 상이한 칩에서 수신되므로, 보정값은 DELTA_RX이다. 그와 달리 가상 요소 V5와 V11의 신호를 비교해보면, 두 경우 모두 칩(C2)에 의해 수신이 수행되지만, 송신된 신호는 상이한 칩에서 유래하므로, 보정값은 DELTA_TX이다.
결정된 보정값 DELTA_TX 및 DELTA_RX는 각각 두 칩(C1 및 C2)의 모든 송신 채널과 수신 채널 간의 위상 관계에 대해 유효하다. 즉, 상기 보정값은 도 1에 도시되지 않은 송신 및 수신 안테나 조합 또는 가상 안테나 요소에도 적용될 수 있다.
위에서 설명한 원리는, 수평 및 수직으로 오프셋될 수 있는, 그리고 경우에 따라 안테나 요소를 제어하기 위해 3개 이상의 칩이 필요할 수 있는 훨씬 더 많은 수의 송신 안테나 요소 및 수신 안테나 요소를 갖는 안테나 어레이로 일반화될 수 있다. 예를 들어 총 3개의 칩(C1, C2 및 C3)이 존재하는 경우, 수신 안테나 요소(R0)와 유사하게 연결된 2개 이상의 수신 안테나 요소와, 안테나 요소(T1, T2, R1 및 R2)의 구성에 상응하는 2개 이상의 안테나 구성이 존재해야 한다. 그럼으로써 두 쌍의 칩, 예컨대 (C1, C2) 및 (C2, C3)에 대해 위상차가 측정될 수 있다. 쌍(C1, C3)에 대한 위상차는 상기 위상차의 합이지만, 선택적으로, 안테나 어레이 내에서 3개의 "분리된" 안테나 요소가 R0에 상응하고 "T1, T2, R1, R2"와 유사한 3개의 상이한 구성이 존재하는 경우에는 직접 측정될 수도 있다.

Claims (4)

  1. 미리 정해진 방향(x)으로 서로 오프셋된 송신 안테나 요소들(TX)과 수신 안테나 요소들(RX)의 어레이; 그리고 송신 안테나 요소 및 수신 안테나 요소의 서로 상이한 선택에 할당된 2개 이상의 전자 칩(C1 및 C2);을 가진 MIMO 레이더 센서에 있어서,
    하나 이상의 수신 안테나 요소(R0)가 2개의 칩(C1 및 C2) 모두에 연결될 수 있고, 어레이가 안테나 요소들의 하나 이상의 구성을 가지며, 상기 구성은 칩(C1)이 할당된 송신 안테나 요소(T1), 칩(C1)이 할당된 수신 안테나 요소(R1), 칩(C2)이 할당된 송신 안테나 요소(T2), 및 칩(C2)이 할당된 수신 안테나 요소(R2)로 이루어지며, 상기 구성에서 송신 안테나 요소(T1과 T2) 간 오프셋은 수신 안테나 요소(R1과 R2) 간 오프셋과 일치하는 것을 특징으로 하는, MIMO 레이더 센서.
  2. 제1항에 있어서, 칩(C1 및 C2)이 수신 안테나 요소(R0)로부터 동시에 수신하는 2개의 신호 간 위상차(DELTA_RX)를 측정하도록 구성된 제어 및 평가 장치(D)를 구비한 MIMO 레이더 센서.
  3. 제2항에 있어서, 제어 및 평가 장치(D)는 2개의 신호 간 위상차를 측정하도록 구성되며, 상기 두 신호 중 하나는 송신 안테나 요소(T1)가 송신할 때 수신 안테나 요소(R2)에 의해 수신되고, 상기 두 신호 중 다른 하나는 송신 안테나 요소(T2)가 송신할 때 수신 안테나 요소(R1)에 의해 수신되는, MIMO 레이더 센서.
  4. 제3항에 있어서, 제어 및 평가 장치(D)는, 측정된 위상차로부터 어레이의 가상 안테나 요소(VX) 간 위상차에 대한 보정값을 계산하고, 보정된 위상차를 기반으로 각도 추정을 수행하도록 구성되는, MIMO 레이더 센서.
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