KR20230081654A - 레이더 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이더 목표물의 상대 속도를 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 이러한 방법 및 장치에서는
램프형으로 주파수 변조된 송신 신호가 송신되는 FMCW 레이더 측정이 실행되고, 이러한 송신 신호의 변조 패턴은 하나의 시간 구간에 의해 시간 오프셋된 상태로 연속하는 램프들의 제1 시퀀스와, 동일한 시간 구간에 의해 시간 오프셋된 상태로 연속하는 램프들의 적어도 하나의 추가 시퀀스를 포함하고, 이러한 시퀀스들은 시간적으로 인터리빙되고,
수신된 신호들은 기저 대역 신호들로 다운 믹싱(down mixing)되고, 기저 대역 신호들로부터는 별도로 시퀀스들 각각에 대하여 2차원 푸리에 변환을 통해 2차원 스펙트럼이 연산되고, 제1 차원에서는 램프 단위로 변환이 실행되고, 제2 차원에서는 램프 인덱스를 통해 변환이 실행되고, 그리고
기저 대역 신호들의 2차원 스펙트럼들 중 적어도 2개의 2차원 스펙트럼들 내 피크의 위치들에 의하여, 레이더 목표물의 상대 속도에 대한 값이 결정된다.
램프형으로 주파수 변조된 송신 신호가 송신되는 FMCW 레이더 측정이 실행되고, 이러한 송신 신호의 변조 패턴은 하나의 시간 구간에 의해 시간 오프셋된 상태로 연속하는 램프들의 제1 시퀀스와, 동일한 시간 구간에 의해 시간 오프셋된 상태로 연속하는 램프들의 적어도 하나의 추가 시퀀스를 포함하고, 이러한 시퀀스들은 시간적으로 인터리빙되고,
수신된 신호들은 기저 대역 신호들로 다운 믹싱(down mixing)되고, 기저 대역 신호들로부터는 별도로 시퀀스들 각각에 대하여 2차원 푸리에 변환을 통해 2차원 스펙트럼이 연산되고, 제1 차원에서는 램프 단위로 변환이 실행되고, 제2 차원에서는 램프 인덱스를 통해 변환이 실행되고, 그리고
기저 대역 신호들의 2차원 스펙트럼들 중 적어도 2개의 2차원 스펙트럼들 내 피크의 위치들에 의하여, 레이더 목표물의 상대 속도에 대한 값이 결정된다.
Description
본 발명은 레이더 목표물의 상대 속도를 결정하기 위한 방법에 관한 것이며, 이러한 방법에서는
(a) 램프형으로 주파수 변조된 송신 신호가 송신되는 FMCW 레이더 측정이 실행되고, 이러한 송신 신호의 변조 패턴은 하나의 시간 구간에 의해 시간 오프셋된 상태로 연속하는 램프들의 제1 시퀀스와, 동일한 시간 구간에 의해 시간 오프셋된 상태로 연속하는 램프들의 적어도 하나의 추가 시퀀스를 포함하고, 이러한 시퀀스들은 시간적으로 인터리빙되고,
(b) 수신된 신호들은 기저 대역 신호들로 다운 믹싱(down mixing)되고, 기저 대역 신호들로부터는 별도로 시퀀스들 각각에 대하여 2차원 푸리에 변환을 통해 2차원 스펙트럼이 연산되고, 제1 차원에서는 램프 단위로 변환이 실행되고, 제2 차원에서는 램프 인덱스를 통해 변환이 실행되고, 그리고
(c) 기저 대역 신호들의 2차원 스펙트럼들 중 적어도 2개의 2차원 스펙트럼들 내 피크의 위치들에 의하여, 레이더 목표물의 상대 속도에 대한 값이 결정된다.
또한, 본 발명은 이러한 방법의 실행을 위해 형성되는, 특히 자동차들을 위한 레이더 센서에 관한 것이다.
자동차들에서는 교통 환경의 감지를 위한, 특히 다른 차량들의 위치 확인을 위한 FMCM 레이더 센서들이 사용된다. 위치 확인 결과들은 다양한 보조 기능들을 위해, 예를 들어 자동 간격 제어, 자동 충돌 경고를 위해, 또는 긴급한 충돌 위험이 있을 시의 비상 제동 과정의 자동 트리거링을 위해서도 사용될 수 있다.
FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더 센서들에서는, 송신 주파수가 램프형으로 변조되는 송신 신호가 사용되고, 이러한 신호는 램프가 진행되는 동안 연속적으로 송신된다. 수신 신호로부터는 송신 신호와의 믹싱을 통해 기저 대역 신호가 생성되고, 이러한 기저 대역 신호는 샘플링 및 평가된다.
기저 대역 신호의 주파수는 주어진 시점에 송신되는 신호와, 동일한 시점에 수신되는 신호 간의 주파수 차이에 상응한다. 송신 신호의 주파수 변조로 인하여, 이러한 주파수 차이는 레이더 센서로부터 대상물로 향하는 그리고 되돌아가는 신호의 전파 시간에, 그리고 이에 따라 대상물의 간격에 종속된다. 그러나, 도플러 효과로 인하여, 주파수 차이는 대상물의 상대 속도에 기인하는 성분도 포함한다. 따라서, 개별 램프 상에서의 주파수 차이의 측정은 간격 및 상대 속도의 결정을 아직 허용하지 않고, 이러한 변수들 간의 선형 관계만을 제공한다. 이러한 관계는 간격-속도 다이어그램(d-v 다이어그램)에서 직선으로서 나타낼 수 있다.
지속 시간에 비해 큰 주파수 스윙폭을 가지므로, 주파수 편이의 간격 종속적 성분이 기저 대역 신호 내에서 지배적일 정도로 가파른 비교적 짧은 동일한 램프들, 소위 "래피드 처프(Rapid Chirp)"들의 시퀀스에 의해 작동이 실행되는 FMCW 레이더 센서들이 공지되어 있다. 이때, 도플러 편이는 램프들의 시퀀스의 샘플링을 통해 결정된다.
상대 속도의 원하는 측정 범위 이내에 상대 속도의 명확한 결정을 가능하게 하기 위하여, 램프들의 충분히 높은 반복률(repetition rate)이 필요하다. 특히, 연속하는 짧은 램프들 사이의 시간 오프셋은 도플러 주파수의 주기 지속 시간의 절반보다 더 짧아야 한다.
가능한 한 낮은 하드웨어 복잡도 및 연산 복잡도에 의한 레이더 대상물들의 정확한 속도-및 간격 추정을 가능하게 하기 위해, 램프들의 시간 간격을 갖는 주파수 변조 램프들의 복수의 시퀀스들을 사용하는 것이 제안되었으며, 이러한 시간 간격에서는 램프들의 시퀀스에 걸쳐 도플러 편이의 언더 샘플링이 실행되므로, 상대 속도에 대한 얻어진 정보에 모호성이 발생한다.
DE 10 2014 212 280 A1호에는 도입부에 언급된 유형의 방법이 공지되어 있으며, 이러한 방법에서 모호성은,
기저 대역 신호들의 적어도 하나의 2차원 스펙트럼 내 피크의 위치에 의하여, 레이더 목표물의 가능한 상대 속도들에 대한 값들이 결정되고, 이러한 값들은 사전 결정된 속도 주기에 의해 주기성을 갖는 것과;
별도로 연산된 2차원 스펙트럼들 내 동일한 위치에서 각각 얻어진 스펙트럼 값들 간의 위상 관계가, 상대 속도의 결정된 주기적 값들 중 복수의 주기적 값들에 대해 예상되는 위상 관계들과의 일치에 대해 검사되는 것과; 그리고
상대 속도의 결정된 주기적 값들로부터, 검사 결과에 의해 레이더 목표물의 상대 속도에 대한 추정값이 선택되는 것;
을 통해 해결된다.
본 발명의 과제는 더 양호한 검출 결과들이 달성될 수 있도록 하는, 도입부에 언급된 유형의 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제는 본 발명에 따라, 다양한 시퀀스들에 대해 형성된 2차원 스펙트럼들 각각이 이러한 시퀀스들 중 제1 시퀀스에 대한 관련 시퀀스의 시간 오프셋 및 속도 변수에 종속되는 빔 성형 함수에 의한 곱셈을 통해 변환되고, 변환된 스펙트럼들의 코히어런트 합에 의해 레이더 목표물의 상대 속도가 결정됨으로써 해결된다.
빔 성형 함수에 의하여, 특정 상대 속도를 가진 대상물들에 대한 레이더 센서의 감도가 원하는 대로 변화될 수 있다. 이와 같이, 예를 들어 선행하여 주행하는 차량들에 대한 레이더 센서의 감도가 증가될 수 있고, 이에 따라 이러한 특수한 대상물 등급에 대한 레이더 센서의 도달 거리와 신호 대 잡음비가 확대될 수 있다. 선행하여 주행하는 차량들이 일반적으로 0 부근의 상대 속도를 가질 것이므로, 0의 상대 속도를 갖는 대상물들에 대해 레이더 센서가 최대 감도를 갖도록 빔 성형 함수가 선택된다.
이러한 기능 원리는, 서로 오프셋된 상태로 배열된 복수의 안테나 요소들을 포함하는 안테나 어레이에 의해 레이더 신호들을 송신 및 수신할 때의 빔 성형의 원리와 유사하다. 레이더 신호의 송신 시에, 안테나 요소들에는 안테나 요소들의 오프셋에 비례하는 위상차만큼 시프팅된 위상들을 갖는 송신 신호들이 공급된다. 그 결과, 최대 송신 출력은 안테나 요소들의 행에 대해 수직인 법선의 방향으로는 방출되지 않고, 위상 오프셋에 종속되는 각도를 이러한 법선과 형성하는 방향으로 방출된다. 마찬가지로, 레이더 신호들의 수신 시에는, 개별 안테나 요소들로부터 수신된 신호들이, 안테나 요소들의 오프셋에 비례하는 위상 계수로 곱해짐으로써, 레이더 센서의 최대 감도의 방향이 결정될 수 있다. 이러한 경우에, 빔 성형 함수는, 최대 감도의 방향을 결정하는 각도 변수와, 안테나 요소들의 공간적 오프셋의 함수이다.
본원에 제안된 방법에서는, 유사한 원리에 따라 빔 성형 함수에 의하여, 특정 상대 속도들에 대한 레이더 센서의 감도가 증가된다. 이에 상응하게, 빔 성형 함수는 속도 변수에 종속되고, 주파수 램프들의 시퀀스들의 시간 오프셋에 종속된다.
빔 성형 함수는 선택적으로, 특정 상대 속도를 가진 대상물들에 대해 레이더 센서의 감도가 감소되도록 형성될 수도 있다. 이는 예를 들어, 간격 제어에 관련되지 않는 정지 대상물들, 즉 자신의 차량의 절대 속도와 동일하며 반대 방향인 상대 속도를 갖는 대상물들에 대한 레이더 센서의 감도가 감소됨으로써, 다중 목표물 시나리오들에서 대상물 분리를 단순화시키고 개선시키기 위하여 그리고/또는 상대 속도의 결정 시의 모호성의 해결을 용이하게 하기 위하여 사용된다.
상대 속도들의 측정 시의 모호성을 해결하는 것은 종래의 방법에서는 특히, 도플러 차원에서의 언더 샘플링에 의하여 상이한 상대 속도들을 갖는 레이더 목표물들 사이에 중첩이 발생할 때 어려워진다. 모호성을 해결하기 위하여, 이후 2차원 스펙트럼들에서는 모호성 가설들의 고려되는 복수의 조합들이 검사되어야 하는데, 이는 매우 높은 연산 복잡도를 필요로 한다. 본 발명에 따른 방법에서 정지 대상물들에 대한 감도가 감소됨으로써, 검사될 가설들의 수가 훨씬 감소될 수 있다. 이는, 더 높은 수준의 언더 샘플링을 허용하는 것과, 그에 상응하게 램프들의 시간 간격을 확대하는 것과, 그리고 이를 통해 연산 복잡도와 하드웨어의 요구 연산 출력을 감소시키는 것을 가능하게 한다.
또한, 본 발명에 따른 방법은, 정지 목표물들에 대한 더 낮은 감도를 통하여, 목표물들에 속하는 스펙트럼 내 피크들의 크기가 감소되는 동시에, 피크 중첩의 빈도 및 수준이 감소한다는 장점을 갖는다. 이를 통해, 특히, d-V 공간 내에서의 특정 셀 내의 피크가 인접 셀 내의 매우 두드러진 피크를 통해 가려지는 상황의 빈도도 감소될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구범위들에 제시된다.
바람직하게, 각각의 시퀀스 내에서, 연속하는 램프들은 동일한 램프 기울기 및 램프 중심 주파수들의 동일한 차이, 그리고 특히 바람직하게는 동일한 주파수 스윙폭을 갖고, 언급한 램프 중심 주파수들의 차이는 선택적으로는 0과 같지 않으며, 각각의 시퀀스들 내의 동일한 램프 인덱스를 갖는 램프들은 동일한 램프 기울기 및 동일한 램프 중심 주파수, 그리고 특히 바람직하게는 동일한 주파수 스윙폭을 갖는다. 램프들 간의 선택적으로 0과 같지 않게 선택된 주파수 차이를 제외하고, 모든 시퀀스들의 모든 램프들의 주파수 응답이 동일할 경우, 레이더 목표물의 상대 속도로부터 초래되는 위상 관계들은 특히 정확하게 측정될 수 있다.
시퀀스들 사이의 시간 오프셋과 시퀀스 내에서의 램프들의 시간 간격이 동일한 크기로 존재하는 경우, 제공되는 측정 시간은 특히 양호하게 사용될 수 있다. 또한, 개별 시퀀스들의 기저 대역 신호들 간의 위상 관계에 대한 대상물 가속도의 영향들이 이와 같이 가능한 한 작게 유지될 수 있다. 또한, 시퀀스 내에서의 램프들의 시간 간격과 시퀀스들 사이의 시간 오프셋에 대해, 가능한 한 "공약수가 없는", 즉 예를 들어 서로 배수가 아닌 바람직한 값들이 선택될 수 있다. 이러한 모호성의 해결로부터는, 상대 속도에 대한 특히 큰 측정 범위가 발생한다. 그에 상응하게, 변조 패턴은 램프들 사이의 일시 중지들을 포함한다. 특히, 변조 패턴은 바람직하게 적어도 하나의 일시 중지를 갖고, 이러한 일시 중지는 시퀀스의 램프들 사이의 시간 구간과 동일한, 일시 중지들 간의 시간 구간에 의해, 시퀀스의 연속하는 각각 2개의 램프들 사이에서 규칙적으로 반복된다.
바람직하게, 변조 패턴의 우세한 시간 범위 동안 각각의 시퀀스들의 램프들이 교대로 배열되고, 즉 시퀀스들은 시간적으로 광범위하게 중첩된다. 바람직하게, 각각의 추가 시퀀스에 할당되는, 추가 시퀀스의 램프들과 제1 시퀀스의 관련 램프들 사이의 시간 오프셋은 각각의 시퀀스 내의 램프들 사이의 시간 구간의 2배보다 더 작고, 특히 바람직하게는 이러한 시간 구간보다 더 작다. 후자는, 제1 시퀀스의 연속하는 2개의 램프들 사이에 램프들의 각각의 추가 시퀀스의 각각의 램프가 항상 송신되다는 것과 동일한 의미이다.
본원에 제안된 방법과 조합 가능한 변조 방법 및 변조 패턴에 대한 추가 예시들이 DE 10 2014 122 284 A1호 및 DE 10 2017 200 317 A1호에 설명되어 있다.
선택적으로, 대상물들의 간격들 및 상대 속도들의 결정에는 각도 추정이 이어질 수 있다. 적합한 방법의 예시가 DE 10 2014 223 990 A1호에 설명되어 있다.
본원에 제안된 방법은 특히, 레이더 측정들이 송신- 및 수신 안테나의 상이한 조합들에 의해 시분할 다중화 또는 도플러 분할 다중화에서 실행되는 레이더 센서들에도 적합하다. 이때, 스펙트럼들의 속도 빔 성형 및 코히어런트 합이 송신 안테나들 각각에 대해 실행된다. 이어서, 스펙트럼들은 송신 안테나들 및 수신 안테나들을 통해 비코히어런트하게 또는 코히어런트하게 (공간 빔 성형에 의해) 합산될 수 있다. 도플러 분할 다중화의 경우, 속도 모호성의 해결에 뒤이어, 예를 들어 DE 10 2017 200 317 A1에 설명된 방법에 따라 송신기 할당이 실행될 수도 있다.
하기에는, 실시예들이 도면을 참조하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 FMCW 레이더 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2는 간 오프셋(T12)에 의해 송신되는 동일한 유형의 램프들의 2개의 시퀀스들을 갖는 변조 패턴을 도시한 도면이다.
도 3은 이더 목표물의 상대 속도의, 사전 결정된 구간에서의 주기적 값들을 갖는 속도/간격 다이어그램이다.
도 4는 대 속도의 매개변수에 대한 가능도 함수의 다이어그램이다.
도 5는 FMCW 레이더 센서의 평가 장치의 더 상세한 블록 다이어그램이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다.
도 7은 상이한 속도들에서의 레이더 센서의 감도 종속성을 그래프로 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 도 7에 대한 세부 확대도이다.
도 1은 FMCW 레이더 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2는 간 오프셋(T12)에 의해 송신되는 동일한 유형의 램프들의 2개의 시퀀스들을 갖는 변조 패턴을 도시한 도면이다.
도 3은 이더 목표물의 상대 속도의, 사전 결정된 구간에서의 주기적 값들을 갖는 속도/간격 다이어그램이다.
도 4는 대 속도의 매개변수에 대한 가능도 함수의 다이어그램이다.
도 5는 FMCW 레이더 센서의 평가 장치의 더 상세한 블록 다이어그램이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다.
도 7은 상이한 속도들에서의 레이더 센서의 감도 종속성을 그래프로 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 도 7에 대한 세부 확대도이다.
도 1에는, 예를 들어 자동차 내 전방에 설치되고, 대상물(12, 14)들, 예를 들어 선행하여 주행하는 차량들의 간격(d)들 및 상대 속도(v)들을 측정하는데 사용되는 FMCW 레이더 센서(10)가 단순화된 블록 다이어그램으로서 도시되어 있다. 레이더 센서(10)는, 주파수 변조된 송신 신호를 믹서(18)를 거쳐 송신- 및 수신 장치(20)에 공급하는 전압 제어식 발진기(16)를 포함하고, 이러한 송신- 및 수신 장치로부터는 신호가 대상물(12, 14)들의 방향으로 방출된다. 대상물들에서 반사된 신호는 송신- 및 수신 장치(20)에 의해 수신되고, 믹서(18) 내에서 송신 신호의 성분과 믹싱된다. 이러한 방식으로, 기저 대역 신호(b)가 얻어지고, 이러한 기저 대역 신호는 전자식 평가- 및 제어 장치(22) 내에서 추가적으로 평가된다. 제어- 및 평가 장치(22)는 발진기(16)의 기능을 제어하는 제어부(24)를 포함한다. 발진기에 의해 공급되는 송신 신호의 주파수는 레이더 측정 내에서 상승 램프 또는 하강 램프의 시퀀스들에 의해 변조된다.
도 2는 송신 신호(28)의 송신 주파수(f)를 시간(t) 상에 플롯팅된 상태로 도시한다. 측정 시에는, 시간적으로 인터리빙된 동일한 램프 매개변수들을 갖는 2개의 램프 시퀀스들이 송신 안테나에 의해 송신된다. 램프(32)들의 제1 시퀀스(30)는 도 2에 실선들로 도시되어 있는 반면, 램프(36)들의 제2 시퀀스(34)는 점선들로 도시되어 있다. 램프가 속한 시퀀스의 번호(i)와, 시퀀스 내 램프의 각각의 램프 인덱스(j)가 제공된다.
제2 시퀀스(34)의 램프(36)들은 동일한 램프 인덱스(j)를 갖는 제1 시퀀스(30)의 램프(32)에 대해 각각 시간 오프셋(T12)만큼 시프팅된다. 각각의 시퀀스(30, 34) 내에서, 연속하는 램프(32 또는 36)들은 시간 간격(Tr2r)만큼 서로 시프팅된다. 즉, 시간 간격(Tr2r)은 두 시퀀스들에 대해 동일하다. 또한, 시퀀스의 연속하는 2개의 램프들 사이에 일시 중지(P)가 각각 존재한다.
도 2에 도시된 예시에서, 시퀀스(30, 34) 내에서 연속하는 램프(32 또는 36)들의 램프 중심 주파수들의 차이는 0과 같다. 따라서, 모든 램프들은 동일한 주파수 응답을 갖는다. 여기서, 램프 중심 주파수는 평균 송신 주파수(f0)에 상응한다.
도 5는 제어- 및 평가 유닛(22)에 의해 실행되는 상대 속도 결정의 더 상세한 블록 다이어그램을 개략적으로 도시한다.
램프들의 상응하는 시퀀스(30, 34)에 대해 각각 얻어지는, 수신된 샘플링된 기저 대역 신호(b1 및 b2)들은 각각 2차원 푸리에 변환(2D-FFT)을 받는다. 제1 차원은, 개별 램프들에 대해 얻어진 기저 대역 신호들의 변환에 상응한다. 제2 차원은 램프들의 시퀀스에 대한, 즉 램프 인덱스(j)에 대한 변환에 상응한다. 각각의 변환의 크기, 즉 빈들(샘플링 포인트들 또는 표본화점들)의 각각의 수는 바람직하게 제1 차원에 대해서는 모든 스펙트럼들에 대해 균일하고, 그리고 제2 차원에 대해서는 모든 스펙트럼들에 대해 균일하다.
레이더 목표물(12)의 상대 속도에 의해 그리고 램프들에 상응하는 부분 측정들의 개별 시퀀스들 사이의 시간 오프셋(T12)에 의해, 2개의 부분 측정들 사이에 위상차가 발생한다. 이 경우, 위상차는, 2개의 2차원 스펙트럼(50, 52)들 내에서 동일한 위치에 발생하는 피크의 복소 진폭들(스펙트럼 값들) 간의 위상차로서 얻어진다. 그러나, 2개의 시퀀스(30, 34)들의 서로 상응하는 램프(32, 36)들 사이의 비교적 큰 시간 오프셋(T12)으로 인해, 2개의 부분 측정들 사이의 위상차의 결정은 상대 속도에 대한 어떠한 직접적인 추론도 허용하지 않는다. 이는, 위상들의 주기성으로 인해 개별 위상차에 대하여 상대 속도의 관련 값에 대한 모호성이 나타나기 때문이다.
얻어진 2차원 스펙트럼(50 및 52)들은 제1 기능 블록(54) 내에서 "속도 빔 성형기"에 의해 코히어런트하게 합산된다.
속도 빔 성형기는, 관련 속도(예를 들어, ACC 대상물들에 대해 0m/s에 가까운 속도 또는 정지 목표물들에 대해 차량의 음의 자기 속도에 가까운 속도)를 강화시키거나 억제시키는 것을 가능하게 한다. 관련 속도에 대한 예시들로는, 예를 들어 ACC 대상물들에 대해 0m/s에 가까운 속도, 또는 정지 목표물들에 대해 차량의 음의 자기 속도에 가까운 속도나, 대상물 추적 시에 특히 관련성이 있는 것으로 인식된 목표물들의 속도도 있을 것이다. 빔 성형을 위하여, 속도 빔 성형기는 예를 들어 Delay-and-Sum 또는 Conventional Beamforming, Minimum Variance Distortionless Response (MVDR) 또는 Capon Beamforming 또는 Null-Steering과 같이, 문헌(예를 들어, H. L. Van Trees의 "Optimum array processing - Part IV of detection, estimation, and modulation theory", John Wiley, 2002; J. Capon의 "High-Resolution Frequency-Wavenumber Spectrum Analysis", Proceedings of the IEEE, 1969, Vol. 57, 1408-1418페이지; 또는 H. Cox, R. Zeskind 및 M. Owen의 "Robust adaptive beamforming", IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. 35, no. 10, 1365-1376페이지, 1987 참조)으로부터 공지된 수많은 빔 성형 방법들 중 하나의 빔 성형 방법을 사용할 수 있다.
2차원 스펙트럼(50, 52)들 각각의 정의역은, 대상물의 간격 변수(d) 및 속도 변수(v)의 각각 하나의 특정 값이 할당되는 간격-속도 빈들(d-v Bins)의 2차원 그리드이다. 스펙트럼의 값 세트는, 푸리에 변환된 신호의 복소 진폭을 각각의 d-v Bin에 대해 지정하는 복소수들의 집합이다. 상술한 빔 성형 방법들에서, 일반적으로 스펙트럼 값, 즉 각각의 빈 내의 복소 진폭은 시퀀스의 시간 오프셋 및 속도 변수(v)에 종속되는 빔 성형 함수로 곱해진다. 이러한 빔 성형 함수의 형태는 적용되는 빔 성형 방법에 따라 변화한다.
예를 들어, 속도 변수(v) 및 N개의 시퀀스들(도 2 및 도 5에 따른 예시에서는 N = 2)에 대한 Delay-and-Sum 방법에서는 하기 형태, 즉
를 갖는 벡터 빔 성형 함수[ai(v)]에 의해 작동이 실행된다.
여기서, j는 허수 단위, i는 시퀀스를 카운팅하는 인덱스(i = 1 ...N), f0은 램프들의 중심 주파수, π는 원주율, ti( = (i-1(T12))는 제1 램프와 i번째 램프 사이의 시간 오프셋(도 2 및 도 5에 따른 예시에서, i는 1과 2의 값들만 갖고, t1 = 0 및 t2 = T12이 적용됨)이다.
이후, 빔 성형 함수에 의한 곱셈을 통해 변환된 스펙트럼들은 시퀀스 인덱스(i)를 거쳐 코히어런트하게 합해진다. 이를 통해, 신호 대 잡음비가 N배만큼 증가한다.
추가의 예시로서, 특정 속도(v0)에 대한 감도가 원하는 대로 억제될 수 있도록 하는 MVDR 빔 성형 방법이 간략하게 설명될 것이다. 이러한 방법에서는 하기 형태, 즉
를 갖는 빔 성형 함수[w(v, v0)]에 의해 작동이 실행된다.
여기서, R(v0)은 상관 행렬이고, a(v0)는 성분들이 방정식(1)과 같이 정의된 벡터이고, aH(v)는 a(v)에 대한 에르미트 수반 벡터이다. I는 차원(NxN)의 단위 행렬이다. 항(
)은 상관 행렬 R(v0)의 정규화에 사용되고, 행렬[R(v0)]이 반전될 수 있도록 보장한다. 이 경우, 
는 노이즈의 증폭이 방지되도록 선택될 수 있다.
복수의 송신 안테나들을 구비한 각도 분해 레이더 센서에서, 빔 성형은 각각의 송신 안테나의 송신 신호들에 대해 적용될 수 있다. 이어서, 송신 안테나들을 통해 비코히어런트 평균화가 실행된다(위상들이 대상물의 위치각에도 종속되기 때문에, 여기에서는 코히어런트 합이 불가능함).
비코히어런트 합은 2차원 출력 스펙트럼(56)을 생성한다. 이후, 기능 블록(58)에서, 목표물들의 검출은 CFAR(constant false alarm rate)과 같은 공지된 방법에 의해 실행된다.
하기에는 빈(k, l)으로서 지칭되는, 레이더 목표물(12)에 상응하는 출력 스펙트럼(56) 내 피크의 위치는 개별 스펙트럼(50, 52)들 내 피크의 위치에 상응한다. 피크의 위치의 빈(k)에 상응하는 제1 차원으로부터는, FMCW 방정식[k = 2/c(d F + f0 v T)]에 따라 레이더 목표물의 간격(d)과 상대 속도(v) 간의 선형 관계가 얻어진다. 이 경우, c는 광속도, F는 램프 스윙폭, T는 개별 램프(32 또는 36)의 램프 지속 시간, 그리고 f0은 평균 송신 주파수이다.
도 3은 상대 속도(v)가 간격(d)에 걸쳐 플롯팅된 다이어그램을 개략적으로 도시한다. v와 d 간의 선형 관계는 직선으로 그려진다. 도시된 예시에서, 비교적 큰 시간 간격(Tr2r)으로 인해, 도플러 주파수의 샘플링으로부터 얻어진 레이더 목표물의 상대 속도에 대한 정보에는 사전 결정된 구간에 따른 모호성이 발생하는데, 이는 속도(v)에 의한 상대 이동으로부터 초래되는 도플러 주파수가 비교적 큰 시간 간격(Tr2r)들을 통해 명확하게 샘플링되지 않기 때문이다. 주파수 빈(k)에 따라 발생하는 v-d 직선에 추가하여, 주파수 빈(l)으로부터 결정된 상대 속도(v)의 주기적 값들은 점선들을 통해 표시된다. v-d 직선과의 교차점들이 표시된다. 이러한 교차점들은 검출된 레이더 목표물(12)의 상대 속도 및 간격의 가능한 값 쌍(v, d)들에 상응한다. 속도(v)가 결정되어야 하는 실제 목표물은 도 3에서 십자(X)를 통해 표시된다.
결정된 속도(v)의 모호성은 이제, 하기에 설명된 바와 같이 해결된다. 상대 속도(v)의 고려되는 주기적 값들에 대한 정보(v*)는, 부분 측정들의 2차원 복소 스펙트럼(50, 52)들도 또한 얻는 제2 기능 블록(60)(도 5)으로 전송된다.
측정된 위상차의 평가를 위해서는, 이상적인 측정의 제어 벡터가 상대 속도(v)에 따라 연산된다. 이러한 제어 벡터의 성분들은 방정식(1)에서와 동일한 성분들이다.
이후, 예상되는 속도 종속적 복소 값들, 즉 복소 진폭들(스펙트럼 값들)을 통해서가 아니라 실제로 측정된 값들을 통해서 성분들이 형성된다는 점에서 제어 벡터와는 상이한 측정 벡터가 형성된다. 이후, 제어 벡터와 측정 벡터는 일치의 정도를 확인하기 위해 스칼라 곱이 구해진다. 이후, 이러한 적수의 정규화는 가능도 함수를 제공한다.
도 4는 상대 속도(v)에 걸친 상대 속도 스펙트럼[S(v)]을 사인파 형태의 실선으로 개략적으로 도시한다. 가능도 함수의 최대치들은 매개변수(v)의 최대 확률 값들에 상응한다. 그 자체로, 상대 속도 스펙트럼[S(v)]은 모호성을 갖고, 최대값(1)에서의 최대치는, 측정 벡터에 따른 측정된 위상 변위와, 관련 상대 속도(v)에 대해 얻어진 이상적인 위상 변위의 최적의 일치에 각각 상응한다.
그러나, 함수[S(v)]의 평가는, 빈(k, l)들 내 피크의 위치에 따른 평가들로부터 얻어진 상대 속도(v)의 주기적 값들에 상응하는 지점(40)들에서만 필요하다. 도 3에 표시된 교차점들의 속도값들에 상응하는 이러한 지점(40)들은 도 4에서 함수[S(v)]의 진행 곡선 상에 표시된다. 도시된 예시에서는 상대 속도(v = 0m/s)에서 최대의 일치가 발생하고, 이곳에서 함수[S(v)]는 예상되는 최대값(1)을 취한다. 이는 상대 속도(v)의 실제 값에 상응한다.
이에 따라, 피크의 위치로부터 발생하는 모호성은 위상 관계로부터의 추가 정보를 통해 해결될 수 있다. 이러한 선형 관계에 의해서는, 상대 속도(v)에 대한 선택된 추정값에 속하는, 간격(d)에 대한 추정값이 결정된다.
제2 기능 블록(60)은 상대 속도(v) 및 간격(d)에 대한 결정된 추정값들을 출력한다.
도 6에는, 본원의 방법의 주요 단계들이 흐름도로 도시되어 있다. 도 6에 블록들로서 도시되어 있는 단계(S1 내지 S7)들에서는, 하기 조치들, 즉
S1
각각의 램프 시퀀스(및 각각의 수신 채널)에 대한 2D-FFT
S2
속도 빔 성형에 의한 각각의 송신- 및 수신 안테나에 대한 램프 시퀀스들의 개별 스펙트럼들의 코히어런트 합
S3
송신- 및/또는 수신 안테나들을 통한 스펙트럼들의 비코히어런트 합 또는 코히어런트 합
S4
피크 보간을 포함하는 CFAR에 의한 목표물 검출
S5
검출 리스트들의 그리고 모든 검출들에 대한 스펙트럼 출력 비교 그리고 경우에 따라서는 결합
S6
속도 모호성 및 속도 중첩의 해결 그리고 경우에 따라서는 (Doppler Division Multiplex에서의) 송신기 할당
S7
위상 보상 이후의 각도 추정이 실행된다.
속도 빔 성형 전후에서의 또는 다양한 속도 빔 성형기들 사이에서의 스펙트럼 출력의 비교는, 이러한 스펙트럼 셀 내에 하나의 정지 목표물만이 존재하는지(빔 성형을 통한 큰 출력 차이) 또는 상황에 따라 추가의 목표물들이 존재하는지(더 작은 출력 차이) 여부에 대한 판단을 가능하게 한다. 이러한 정보는 3가지 유형들, 즉
ㆍ 정지 목표물일 확률;
ㆍ 속도 모호성의 해결 시에 다중 목표물 모델을 적용하고, 이와 같이 후속 각도 추정을 위하여 정지 목표물들 및 이동하는 목표물들의 신호 기여도를 분리하기 위한 (추가) 기준;
ㆍ 피크 보간의 개선된 정확도를 통해, 다중 목표물 모델 내에서 더 정확한 속도가 기반이 될 수 있는 것;
으로 사용될 수 있다.
도 7 내지 도 9에서는, 속도 빔 성형을 통해 달성된 효과가 그래프로 도시된다. 이러한 다이어그램들에서, 상대 수신 출력(Q)은 위치 확인된 대상물의 상대 속도에 대해 플롯팅된다. 굵게 그려진 곡선(62)은 Delay-and-Sum 방법에 대한 결과들을 각각 도시하는 반면, 얇게 그려진 곡선은 MVDR 방법에 대한 결과들을 도시한다.
도 8에서는 0값 부근의 상대 속도들의 범위가 더 높은 분해능에 의해 표시된다. 이 경우, 상대 속도가 0일 때 상대 수신 출력과, 이에 따라 센서의 감도가 훨씬 증가됨을 알 수 있다.
MVDR 방법에서 매개변수들은, -30m/s 부근의 상대 속도(30m/s의 차량 고유 속도에서의 정지된 목표물들)에서 감도가 감소되는 방식으로 선택되었다. 도 9에는 이러한 속도 범위가 더 높은 분해능에 의해 도시되어 있다. v = -30m/s에서의 곡선(64)의 두드러진 최소치가 명확하게 나타난다. 정지된 목표물들의 이러한 억제를 통하여, 목표물 검출은 훨씬 개선되고, 단계(S4 내지 S6)들에서의 모호성의 해결은 스펙트럼 출력 비교에 의해 지원된다.
Claims (9)
- 레이더 목표물(12)의 상대 속도(v)를 결정하기 위한 방법으로서,
(a) 램프형으로 주파수 변조된 송신 신호(28)가 송신되는 FMCW 레이더 측정이 실행되고, 이러한 송신 신호의 변조 패턴은 하나의 시간 구간(Tr2r)에 의해 시간 오프셋된 상태로 연속하는 램프(32)들의 제1 시퀀스(30)와, 동일한 시간 구간(Tr2r)에 의해 시간 오프셋된 상태로 연속하는 램프(36)들의 적어도 하나의 추가 시퀀스(34)를 포함하고, 이러한 시퀀스(30; 34)들은 시간적으로 인터리빙되고,
(b) 수신된 신호들은 기저 대역 신호(b1; b2)들로 다운 믹싱(down mixing)되고, 기저 대역 신호(b1; b2)들로부터는 별도로 시퀀스(30; 34)들 각각에 대하여 2차원 푸리에 변환을 통해 2차원 스펙트럼(50; 52)이 연산되고, 제1 차원에서는 램프 단위로 변환이 실행되고, 제2 차원에서는 램프 인덱스(j)를 통해 변환이 실행되고, 그리고
(c) 기저 대역 신호(b1; b2)들의 2차원 스펙트럼(56)들 중 적어도 2개의 2차원 스펙트럼들 내 피크의 위치(k, l)들에 의하여, 레이더 목표물(12)의 상대 속도에 대한 값이 결정되는,
레이더 목표물의 상대 속도를 결정하기 위한 방법에 있어서,
다양한 시퀀스(30; 34)들에 대해 형성된 2차원 스펙트럼(50; 52)들 각각이 이러한 시퀀스들 중 제1 시퀀스(30)에 대한 관련 시퀀스의 시간 오프셋(T12) 및 속도 변수(v)에 종속되는 빔 성형 함수에 의한 곱셈을 통해 변환되고, 변환된 스펙트럼들의 코히어런트 합에 의해 레이더 목표물(12)의 상대 속도가 결정되는 것을 특징으로 하는, 레이더 목표물의 상대 속도를 결정하기 위한 방법. - 제1항에 있어서, 빔 성형 함수는 Delay-and-Sum 방법에 상응하게 구해지는, 레이더 목표물의 상대 속도를 결정하기 위한 방법.
- 제1항에 있어서, 빔 성형 함수는 MVDR 방법에 상응하게 구해지는, 레이더 목표물의 상대 속도를 결정하기 위한 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 송신 안테나들 및/또는 복수의 수신 안테나들을 구비한 레이더 센서들에 대하여, 변환된 스펙트럼들의 코히어런트 합 이후에는 송신- 및/또는 수신 안테나를 통해 비코히어런트 합 또는 코히어런트 합이 실행되고, 이러한 합의 결과들에 기반한 개별 레이더 목표물들의 검출이 실행되는, 레이더 목표물의 상대 속도를 결정하기 위한 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 개별 시퀀스(30, 34)의 램프(32)들이 연속할 때의 시간 구간(Tr2r)은, 제2 차원에서 언더 샘플링이 실행되도록 선택되고, 그로부터 초래되는 모호성의 해결은 변환된 스펙트럼들에 의해 실행되는, 레이더 목표물의 상대 속도를 결정하기 위한 방법.
- 제5항에 있어서, 변환된 스펙트럼과 변환되지 않은 스펙트럼 내의 스펙트럼 출력의 비교를 통하여 단일 목표물 시나리오와 다중 목표물 시나리오간의 구분이 실행되는, 레이더 목표물의 상대 속도를 결정하기 위한 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 고유 속도에 의해 주변에 상대적으로 이동하는 레이더 센서들에 대하여, 빔 성형 함수는, 고유 속도와 동일하며 반대 방향인 상대 속도를 갖는 목표물들에 대한 레이더 센서의 감도가 감소되도록 선택되는, 레이더 목표물의 상대 속도를 결정하기 위한 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 빔 성형 함수는, 0의 상대 속도를 갖는 목표물들에 대한 레이더 센서의 감도가 증가되도록 선택되는, 레이더 목표물의 상대 속도를 결정하기 위한 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법이 구현되는 제어- 및 평가 장치(22)를 구비한 FMCW 레이더 센서.
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2022
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| US20230168360A1 (en) | 2023-06-01 |
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