KR20220126394A - 융합 레이더 장치 - Google Patents

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radar
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coordinate system
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fusion
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김용환
이재용
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(주)스마트레이더시스템
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Abstract

본 발명의 융합 레이더 장치는 개별 레이더 모듈이 방사하는 레이더 신호가 서로 다른 방향을 지향하도록 복수의 레이더 모듈을 배치하고, 개별 레이더 모듈의 출력하는 로컬 좌표계 상의 타겟 감지 결과를 전체 좌표계로 각각 변환한 후 통합하여 레이더 장치의 FOV를 확장한다.

Description

융합 레이더 장치 { INTEGRATED RADAR DEVICE }
레이더 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 레이더 모듈의 출력 신호를 병합하여 FOV를 확장하는 레이더 장치에 관한 것이다.
차량의 자율 주행 기술에 있어 카메라와 더불어 핵심적인 센서가 레이더 센서이다. 현재 레이더 센서는 종래의 non-SI 반도체로 구현되던 RF 회로 부분을 모두 CMOS화하여 저가로 구현한 구동칩이 상용화되어 있다.
현재 차량용 레이더는 150-200m 정도의 전방 먼 거리를 탐색하는 전방 장거리용 레이더(Long Range Radar)와, 60m 정도의 전방 단거리를 탐색하는 전방 단거리용 레이더(Short Range Radar)와, 후방을 탐색하는 후방 레이더를 포함하는 3채널의 멀티 채널 레이더로 구성되어 위상(Phase)을 달리하여 RF 신호를 분리하는 멀티 채널 위상 배열(Multi-Channel Phase Array) 방식으로 운용되고 있다.
이 방식은 송신 안테나(Tx Antenna)와 수신 안테나(Rx Antenna)가 분리되어 있고, 위상 배열(Phase Array)을 이용한 MIMO 기술이 적용되어, 동일한 신호를 서로 다른 방향을 지향하는 안테나 어레이를 통해 전송하되, 다른 안테나에서 송출된 빔이 서로 상쇄되지 않도록 위상차를 조절하여 전송한다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0025764호(2017.03.08)에서 장거리용 레이더 장치와 근거리용 레이더 장치를 모두 포함하는 차량용 레이더가 동시에 장거리와 근거리에 배치되는 물체를 탐지하기 위한 FOV(Field Of View)와 탐지거리를 확보하기 위한 최적의 안테나 채널간의 배치 구조를 포함하는 레이더 모듈 및 이를 포함하는 차량용 레이더 장치를 제안하고 있다.
그러나, 안테나 채널간의 배치 구조를 달리 설계하여 하여 확장할 수 있는 FOV도 한계가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0025764호(2017.03.08)
본 발명은 복수의 레이더 모듈을 하나의 장치로 통합하고, 복수의 레이더 모듈을 이용하여 FOV가 확장된 레이더 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 융합 레이더 장치는 복수의 레이더 모듈과, 제어 모듈을 포함한다.
복수의 레이더 모듈은 개별 레이더 모듈이 방사하는 레이더 신호가 서로 다른 방향을 지향하도록 배치된다.
제어 모듈은 좌표계 변환부와, 통합 트래킹부를 포함하며, 좌표계 변환부는 개별 레이더 모듈이 로컬 좌표계로 표현한 감지된 타겟의 위치 출력을 수신하여 전체 좌표계로 변환하고, 통합 트래킹부는 전체 좌표계로 변환된 개별 레이더 모듈의 위치 출력을 통합하여 타겟을 트래킹한다.
본 발명은 복수의 레이더 모듈을 하나의 장치로 통합하고, 일정 각도를 갖도록 배치된 복수의 레이더 모듈을 이용하여 레이더 장치의 FOV를 확장할 수 있다.
도 1은 2개의 레이더 모듈이 결합된 본 발명의 융합 레이더 장치와 융합 레이더 장치에 의해 FOV가 확장되는 개념을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 융합 레이더 장치의 블록도이다.
도 3은 별도의 제어 모듈이 적용된 본 발명의 융합 레이더 장치를 도시한 것이다.
도 4는 제어 모듈을 포함하는 마스터 레이더 모듈과 슬레이브 레이더 모듈이 적용된 본 발명의 융합 레이더 장치를 도시한 것이다.
도 5는 3개의 레이더 모듈이 결합된 본 발명의 융합 레이더 장치의 개념을 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 융합 레이더 장치의 제어 모듈과 레이더 모듈 사이의 인터페이스 연결을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 FMCW 레이더 모듈이 적용된 본 발명의 융합 레이더 장치의 예를 개략적으로 도시한 것이다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 실시 예들을 통해 구체화된다. 각 실시 예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 실시 예 내에서 다양한 조합이 가능한 것으로 이해된다. 블록도의 각 블록은 어느 경우에 있어서 물리적인 부품을 표현할 수 있으나 또 다른 경우에 있어서 하나의 물리적인 부품의 기능의 일부 혹은 복수의 물리적인 부품에 걸친 기능의 논리적인 표현일 수 있다. 때로는 블록 혹은 그 일부의 실체는 프로그램 명령어들의 집합(set)일 수 있다. 이러한 블록들은 전부 혹은 일부가 하드웨어, 소프트웨어 혹은 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다.
도 1은 2개의 레이더 모듈이 결합된 본 발명의 융합 레이더 장치와 융합 레이더 장치에 의해 FOV가 확장되는 개념을 도시하고 있다. 레이더 모듈(130)은 하나의 PCB에 구성되며 안테나 배치 구조에 따라 달라질 수 있지만 단일의 레이더 모듈(130-1, 130-2)은 수평방향 및 수직방향으로 일정한 FOV (예, 120도)를 제공한다. 본 발명은 이러한 레이더 모듈(130)을 적어도 2개 이상 융합하여 제공하는 FOV를 확장할 수 있다. 일 예로 하나의 레이더 모듈(130-1, 130-2)이 수평방향으로 120도의 FOV를 제공하는 경우, 본 발명의 융합 레이더 장치(10)는 도 1의 (a)에 도시된 형상과 같이 2개의 레이더 모듈(130-1,130-2)을 일정한 각도를 갖도록 융합하여 180도 이상의 FOV를 제공할 수 있다.
도 1의 (a)와 같이 2개의 레이더 모듈(130-1,130-2)이 서로 다른 방향으로 레이더 신호를 방사하도록 일정한 각도를 형성하며 배치되는 경우 (b)와 같이 확대된 FOV를 제공할 수 있다. 다만, 각 레이더 모듈(130)이 감지한 타겟을 표현하기 위하여 사용하는 좌표계 즉, 로컬 좌표계가 서로 달라 공통의 전체(global) 좌표계로 변환하여야 한다.
도 2는 본 발명의 융합 레이더 장치의 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 융합 레이더 장치(10)는 복수의 레이더 모듈(130)과, 제어 모듈(110)을 포함한다.
레이더 모듈(130)은 전자파 신호를 송신하여 타겟으로부터 반사돼 돌아온 전자파 신호를 수신하여 두 신호 간의 시간차이와 도플러 주파수 변화를 이용하여 타겟과의 거리 및 타겟의 속도를 추정하는 센서 모듈이다. 레이더 모듈(130)은 레이더의 송수신에 펄스 신호를 사용하는 펄스 레이더 방식의 레이더 모듈이거나, 펄스 레이더와 달리 송신신호를 휴지시간 없이 지속적으로 방사하는 연속파 레이더(Continuous Wave Radar) 방식의 레이더 모듈일 수 있다.
본 발명의 융합 레이더 장치(10)는 도 1의 (a)에 도시된 것과 같이 적어도 2개 이상의 레이더 모듈(130)을 포함하며, 개별 레이더 모듈(130-1,130-2)이 방사하는 레이더 신호가 서로 다른 방향을 지향하도록 일정한 각도를 갖도록 배치된다.
본 발명의 융합 레이더 장치(10)는 제공하고자 하는 FOV 범위에 따라 장치의 하우징을 다각형으로 구성할 수 있다. 도 1의 예에서는 삼각형 형태의 하우징을 사용하며 전면 두개의 면에 레이더 모듈(130-1,130-2)을 장착하여 FOV를 확장하였다. 도 1의 예와 달리 삼각형 형태의 하우징을 사용하며 각 면마다 하나씩 3개의 레이더 모듈을 장착하여 FOV를 확장할 수 있으며, 다른 형태로 사각형 형태의 하우징을 사용하며 각 면마다 하나씩 4개의 레이더 모듈을 장착하여 FOV를 확장할 수 있다. 하나의 레이더 모듈(130-1,130-2)이 제공 가능한 FOV에 따라 확장하고자 하는 FOV에 따라 융합하는 레이더 모듈의 수가 달라질 수 있으며, 본 발명은 융합하는 레이더 모듈의 수를 제한하지 않으며, 레이더 장치의 하우징을 다각형으로 한정하지도 않는다.
복수의 레이더 모듈(130)이 일정한 각도를 형성하며 배치될 때 개별 레이더 모듈(130-1,130-2)의 FOV 영역이 다른 레이더 모듈(130-1,130-2)의 FOV 영역과 일부 중첩되도록 배치되는 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 융합 레이더 장치(10)를 사용하고자 하는 목적에 따라 개별 레이더 모듈(130-1,130-2)의 FOV 영역이 중첩되지 않도록 복수의 레이더 모듈(130-1,130-2)을 배치할 수도 있다.
개별 레이더 모듈(130)은 송출한 레이더 신호와 반사되어 되돌아온 신호로부터 감지한 타겟의 각위치(angular position)를 해당 레이더 모듈(130)의 로컬 좌표계로 출력할 수 있다.
개별 레이더 모듈(130)은 PCB 또는 FPCB 형태로 제공될 수 있으며, 동일한 안테나 배치를 갖는 것이 바람직하나 이에 한정되는 아니며 안테나 배치가 다를 수도 있다.
제어 모듈(110)은 좌표계 변환부(111)와, 통합 트래킹부(113)를 포함한다.
도 3에 도시된 융합 레이더 장치는 도 1의 (a) 형상의 레이더 장치에 별도의 제어 모듈이 적용된 것을 도시한 것이다. 도 3에 도시된 것과 같이, 제어 모듈(110)은 개별 레이더 모듈(130)과 연결된 데이터를 송수신할 수 있는 인터페이스를 가질 수 있다. 제어 모듈(110)은 또한 레이더 모듈(130)들처럼 독립된 PCB 형태의 모듈로 제공될 수 있다.
좌표계 변환부(111)는 개별 레이더 모듈(130)의 로컬 좌표계를 장치에서 공통으로 사용할 전체 좌표계로 변환한다. 즉, 좌표계 변환부(111)는 개별 레이더 모듈(130)이 로컬 좌표계로 표현한 감지된 타겟의 위치 출력을 수신하여 전체 좌표계로 변환한다. 도 1의 예에서 좌표계 변환부(111)는 2개의 개별 좌표계를 각각 변환한 후 합성하여 하나의 전체 좌표계로 통합한다.
제어 모듈(110)은 개별 레이더 모듈(130-1,130-2)이 이웃한 레이더 모듈(130-1,130-2)과 이루는 각도에 따라 좌표계 변환부(111)를 캘리브레이션하는 캘리브레이션부(115)를 더 포함할 수 있다. 좌표계 변환은 개별 레이더 모듈(130-1,130-2)의 안테나 배치보다 이웃한 레이더 모듈(130-1,130-2)과 배치되는 각도에 더 영향을 받는다. 따라서, 융합 레이더 장치(10)를 이용하여 타겟을 트래킹하기 전에 미리 레이더 모듈(130-1,130-2)의 배치 각도에 맞도록 좌표계 변환부(111)를 캘리브레이션하여야 한다.
통합 트래킹부(113)는 전체 좌표계로 변환된 개별 레이더 모듈(130)의 위치 출력을 통합하여 타겟을 트래킹한다. 통합 트래킹부(113)는 개별 레이더 모듈(130)이 출력하는 감지된 타겟의 각위치를 이용하여 타겟을 트래킹하는 것이 아니라 개별 레이더 모듈(130)의 출력 결과가 하나의 전체 좌표계에서 통합된 상태에서 타겟을 트래킹한다.
제어 모듈(110)은 타겟을 트래킹한 결과를 외부로 출력할 수 있는 외부 인터페이스를 포함한다.
도 4는 제어 모듈을 포함하는 마스터 레이더 모듈과 슬레이브 레이더 모듈이 적용된 본 발명의 융합 레이더 장치를 도시한 것이다. 도 4의 우측의 레이더 모듈(130-2)의 PCB에는 제어 모듈(110)이 포함되어 있다. 제어 모듈(110)이 포함된 레이더 모듈(130-2)이 마스터 레이더 모듈로 동작하고, 그 외의 레이더 모듈(130-1)은 슬레이브 레이더 모듈로 동작한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 복수의 레이더 모듈(130-1,130-2)은 마스터 레이더 모듈(130-2)과 슬레이브 레이더 모듈(130-1)로 구성될 수 있다. 마스터 레이더 모듈(130-2)은 제어 모듈(110)을 포함하고, 슬레이브 레이더 모듈(130-1)은 마스터 레이더 모듈(130-2)에 직접 연결되거나 다른 레이더 모듈을 통해 연결된다.
도 4에 도시된 융합 레이더 장치(10)는 제어 모듈(110)이 독립된 PCB 모듈로 제공되지 않고 레이더 모듈(130-2)의 PCB에 포함되기 때문에 슬레이브 레이더 모듈(130-1)과 마스터 레이더 모듈(130-2) 사이에 데이터를 송수신할 수 있는 인터페이스가 직접 연결되거나, 마스터 레이더 모듈(130-2)과 슬레이브 레이더 모듈(130-1) 중 하나가 직접 연결되고 다른 슬레이브 레이더 모듈들은 체인 형태로 다른 슬레이브 레이더 모듈을 통해 마스터 레이더 모듈(130-2)과 연결되도록 구성될 수 있다.
도 5는 3개의 레이더 모듈이 결합된 본 발명의 융합 레이더 장치의 개념을 도시한 것이고, 도 6은 도 5의 융합 레이더 장치의 제어 모듈과 레이더 모듈 사이의 인터페이스 연결을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 도 5에 도시된 것과 같이 융합 레이더 장치(10)는 삼각형의 하우징 각 면에 각각 하나씩 3개의 레이더 모듈(130-1,130-2,130-3)을 장착하여 FOV를 확장시키고 있다.
도 6의 (a)는 제어 모듈(110)을 별도의 PCB로 제공하는 구성으로, 제어 모듈(110)은 각 레이더 모듈(130)과 직접 연결되어 있다(star type interface). 도 6의 (b) 및 (c)는 제어 모듈(110)을 별도의 PCB로 구성하지 않고 마스터 레이더 모듈(130-3)에 장착한 예를 도시한 것으로 (b)는 슬레이브 레이더 모듈(130-1,130-2)이 체인 형태로 연결되어 있는 것(chain type interface)을 도시한 것이고, (c)는 슬레이브 레이더 모듈(130-1,130-2)들이 직접 마스터 레이더 모듈(130-3)과 연결되어 있는 것(star type interface)을 도시하고 있다.
도 7은 FMCW 레이더 모듈이 적용된 본 발명의 융합 레이더 장치의 예를 개략적으로 도시한 것이다. 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 복수의 레이더 모듈(130)의 레이더는 FMCW 방식의 레이더를 사용할 수 있다.
FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 방식의 레이더는 연속적으로 송신하는 신호의 주파수를 시간에 따라 변조하여 수신된 주파수의 변조된 량을 통해 속도 정보뿐만 아니라 거리 정보까지 추출할 수 있는 방식의 레이더이다.
도 7의 FMCW 레이더의 블록도에 도시된 것과 같이, 레이더 모듈(130)은 송신 안테나와, FMCW 로컬 오실레이터 생성기와, 파워증폭기(PA)와, 수신 안테나와, 저잡음 증폭기(LNA)와, 믹서와, 아날로그 디지털 변환기(ADC)와, 거리 정보를 산출하기 위한 Range FFT와, 속도 정보를 산출하기 위한 Dopler FFT와, CFAR 검파기와, 각위치 산출부(Angle Estimation)를 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하는 실시 예들을 통해 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이들로부터 당업자라면 자명하게 도출할 수 있는 다양한 변형 예들을 포괄하도록 해석되어야 한다. 특허청구범위는 이러한 변형 예들을 포괄하도록 의도되었다.
10 : 융합 레이더 장치
110 : 제어 모듈
111 : 좌표계 변환부
113 : 통합 트래킹부
115 : 캘리브레이션부
130 : 레이더 모듈

Claims (4)

  1. 방사되는 레이더 신호가 서로 다른 방향을 지향하도록 배치되는 복수의 레이더 모듈; 및
    개별 레이더 모듈이 로컬 좌표계로 표현한 감지된 타겟의 위치 출력을 수신하여 전체 좌표계로 변환하는 좌표계 변환부와, 전체 좌표계로 변환된 개별 레이더 모듈의 위치 출력을 통합하여 타겟을 트래킹하는 통합 트래킹부를 포함하는 제어 모듈;
    을 포함하는 융합 레이더 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    복수의 레이더 모듈은 제어 모듈을 포함하는 마스터 레이더 모듈과 마스터 레이더 모듈에 직접 연결되거나 다른 레이더 모듈을 통해 연결되는 슬레이브 레이더 모듈로 구성되는 융합 레이더 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    복수의 레이더 모듈의 레이더는 FMCW 방식의 레이더인 융합 레이더 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제어 모듈은 개별 레이더 모듈이 이웃한 레이더 모듈과 이루는 각도에 따라 좌표계 변환부를 캘리브레이션하는 캘리브레이션부를 더 포함하는 융합 레이더 장치.
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