KR20230135492A - 다중 입출력 레이더 시스템 및 그 신호 처리 방법 - Google Patents

Abstract

다중 입출력 레이더 시스템이 제공된다. 다중 입출력 레이더 시스템은 복수의 송신 안테나 요소를 포함하여, 각 송신 안테나 요소는 송신 신호를 생성하고, 처프 인덱스에 따라 MPSK(Multi Phase Shift Key) 변조하여 목표물로 출력하는 송신 모듈, 복수의 수신 안테나 요소를 포함하여, 각 수신 안테나 요소는 상기 변조된 송신신호가 상기 목표물에 반사된 수신 신호를 수신하여 상기 송신신호와 믹싱하고, 아날로그-디지털 변환하여 비트 신호로 생성하는 수신 모듈 및 상기 비트 신호에서 레인지 정보 및 속도 정보를 추출하고, 레인지-속도 도메인의 실제 피크로부터 각도 정보를 추정하여 출력하는 신호 처리 모듈을 포함한다.

Description

다중 입출력 레이더 시스템 및 그 신호 처리 방법{MIMO Radar Modulation System and Signal Processing Method of the Same}

본 발명은 오토 모티브 장치에서 이용되는 다중 입출력 레이더 시스템에 관한 것이다.

오토 모티브 장치의 자율주행기술에 있어서, 레이더를 이용한 타겟의 2차원 정보 추출을 넘어서 3차원 공간 내의 타겟의 위치/속도 정보를 이용해 이미징을 하는 방식으로의 연구가 활발히 진행되고 있다. 단일 센서를 이용하여 목표물의 정확한 위치를 추정하기 위해서는 정확한 각도를 추정하는 것이 필수적이다.

FMCW(Fast Chirp Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더는 안정적이고 비용 효율적인 장점으로 자율주행을 구현하는 오토모티브 장치에 널리 사용된다. 목표물의 4차원 정보(레인지, 속도, 방위각, 고도각 등)을 센싱하여 목표물의 위치를 파악하고 안정적인 자율주행을 위한 이미지를 구현할 수 있다.

FMCW 레이더는 각도 추정 성능을 향상시키기 위해 다중 수신 안테나를 필요로 한다. 그러나 수신 안테나의 수가 증가하면, 비용이 증가할 뿐 아니라 안테나 개구 크기(aperture size)가 과도하게 커질 수 있어 설계상 문제가 될 수 있다.

이를 위해 N개의 송신 안테나 요소(element) 및 N개의 수신 안테나 요소를 포함하는 MIMO(Multi-Input, Multi-Output) 안테나 어레이가 처프 유닛(chirp unit)에 사용되기도 한다. MIMO 안테나 어레이를 사용하면, 수십개의 Tx 안테나 소자로 인해 심각한 속도 모호성(velocity ambiguity) 문제가 발생할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 속도 모호성 성능을 향상시킨 다중 입출력 레이더 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 연산량이 적으면서도 높은 SNR 특성과 정확한 각도 추정 성능을 갖는 다중 입출력 레이더 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 레이더 시스템은 복수의 송신 안테나 요소를 포함하여, 각 송신 안테나 요소는 송신 신호를 생성하고, 처프 인덱스에 따라 MPSK(Multi Phase Shift Key) 변조하여 목표물로 출력하는 송신 모듈, 복수의 수신 안테나 요소를 포함하여, 각 수신 안테나 요소는 상기 변조된 송신신호가 상기 목표물에 반사된 수신 신호를 수신하여 상기 송신신호와 멀티플렉싱하고, 아날로그-디지털 변환하여 비트 신호로 생성하는 수신 모듈 및 상기 비트 신호에서 레인지 정보 및 속도 정보를 추출하고, 레인지-속도 도메인의 실제 피크로부터 각도 정보를 추정하여 출력하는 신호 처리 모듈을 포함한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 오토모티브 장치는 송신 신호를 생성하고, 각각이 서로 다른 처프 인덱스에 따라 상기 송신 신호를 MPSK(Multi Phase Shift Key) 변조하여 목표물로 출력하는 복수의 송신 안테나 요소, 각각이 상기 목표물에서 반사된 수신 신호를 수신하여, 상기 송신 신호와 상기 수신 신호를 믹싱하고, 아날로그-디지털 변환하여 비트 신호로 출력하는 복수의 수신 안테나 요소 및 상기 비트 신호로부터 상기 목표물의 레인지 정보, 속도 정보 및 각도 정보를 포함한 위치 정보를 추정하는 신호 처리 모듈을 포함하고, 상기 신호 처리 모듈은 상기 비트 신호에서 레인지 정보 및 속도 정보를 추정하고, 상기 레인지 정보 및 상기 속도 정보에 기반하여 결과 피크를 추출하고, 상기 결과 피크로부터 상기 목표물에 대한 실제 피크를 검출하여, 상기 실제 피크로부터 상기 목표물의 각도 정보를 추정한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 레이더 시스템의 신호 처리 방법은 목표물로부터 반사된 복수의 수신 신호를 수신하여 MPSK 복조한 후 아날로그-디지털 변환하여 비트신호들로 출력하고, 상기 비트신호들로부터 상기 목표물의 레인지 정보, 속도 정보를 추정하고, 상기 레인지 정보 및 속도 정보에 기반하여 결과 피크를 추출하고, 상기 결과 피크로부터 실제 피크를 검출하고, 상기 실제 피크로부터 상기 목표물의 각도를 추정한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 레이더 시스템이 구현된 오토모티브 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1의 다중 입출력 레이더 시스템의 송신 신호(Tx)를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 몇몇 실시예에 따른 다중 입출력 레이더 시스템에서의 송신 신호와 수신 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 몇몇 실시예에 따른 수신 모듈(20)을 나타낸 도면이다.
도 6은 몇몇 실시예에 따른 신호 처리 모듈(30)을 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 몇몇 실시예에 따른 레인지-속도 추정 모듈(110)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 10b는 몇몇 실시예에 따른 피크 추출 모듈(120)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 몇몇 실시예에 따른 실제 피크 검출 모듈(130)을 나타낸 도면이다.
도 12 및 도 13은 몇몇 실시예에 따른 실제 피크 검출 모듈(130)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 13의 실제 피크를 타겟별로 구분하여 나타낸 그래프이다.
도 15 및 도 16은 도 14의 타겟 1 및 타겟 2를 각각 나타낸 각도-파워 스펙트럼 그래프이다.
도 17은 몇몇 실시예에 따른 다중 입출력 레이더 시스템의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 18은 몇몇 실시예에 따른 반도체 장치를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 레이더 시스템이 구현된 오토모티브 장치를 설명하기 위한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 오토모티브 장치(1)는 다중 입출력 레이더 시스템을 포함한다. 오토모티브 장치(1)는 다양한 실시예에 따라 자율주행 또는 수동주행이 가능한 오토모티브 장치일 수 있다. 다중 입출력 레이더 시스템은 송신 모듈(10), 수신 모듈(20) 및 신호처리모듈(30)을 포함한다.

송신 모듈(10)은 변조된 송신 신호(Tx)를 오토모티브 장치(1)의 일 방향으로 전송한다. 예를 들어 송신 모듈(10)은 오토모티브 장치(1)의 전면방향으로 적어도 하나의 송신 신호(Tx)를 전송한다.

수신 모듈(20)은 송신 신호(Tx)가 목표물에 반사되어 오토모티브 장치(1)로 되돌아오는 적어도 하나의 수신 신호(Rx)를 수신한다.

신호처리모듈(30)은 송신 신호(Tx) 및 수신 신호(Rx)에 기초하여 목표물의 방향(예를 들어 오토모티브 장치(1)에 대한 각도) 및 목표물까지의 거리를 산출한다.

도 2는 도 1의 다중 입출력 레이더 시스템의 송신 신호(Tx)를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 몇몇 실시예에 따라 송신 신호(Tx)는 처프 신호로 구현될 수 있다. 예를 들어 송신 신호(Tx1)의 단위 신호 프레임(One signal frame)은 시간에 따라 시간 대비 주파수가 선형적으로 증가하는 M개의 반복 처프 신호(chirp 0 ~ chirp M-1)를 포함한다. 시간 t에서 각 처프 신호 s(t)는 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.

<수학식 1>

상기 c는 각각 광속, 는 캐리어 주파수, B는 처프 신호의 대역폭 및 는 처프 신호의 단위 구간(duration)이다. rect()수학식 2와 같은 사각 모양 필터(rectangular shaping filter) 함수를 나타낸 것이다.

<수학식 2>

도 3 및 도 4는 몇몇 실시예에 따른 다중 입출력 레이더 시스템에서의 송신 신호와 수신 신호를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 몇몇 실시예에 따라 송신 모듈(10)은 복수의 송신 안테나 요소를 포함할 수 있고, 복수의 송신 신호(Tx 1~Tx N_tx)를 목표물(Target)으로 전송한다. 다만 설명의 편의를 위해 하나의 송신 안테나 요소(Tx antenna element)와 복수의 수신 안테나 요소(Rx antenna element)로 구현된 경우를 도 3과 같은 예시를 들어 설명한다.

목표물이 오토모티브 장치에서

의 각도에 위치하고, 인접한 2 개의 수신(Rx) 안테나 요소 사이의 간격을 d라고 하자. 목표물에서 반사된 수신 신호는 일정한 위상차 ( 는 레이더 신호의 파장)를 가지므로, 각 수신 안테나 요소에서의 수신 신호 는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

<수학식 3>

m은 M개의 처프 신호에 대한 처프 인덱스, n은 하나의 처프 신호에서 샘플 인덱스, k는 수신 안테나 요소의 인덱스, R은 오토모티브 장치(1)와 수신 모듈(10) 사이의 거리이고, c는 각각 광속, B는 처프 신호의 대역폭 및 는 처프 신호의 단위 구간(duration), T_r은 처프 신호의 휴지 시간, T_s는 하나의 처프 신호당 N개의 샘플로 디지털 신호로 변환하여 T_s=T_c/N이고, 는 목표물과 k번째 수신 안테나 간의 각도, 는 위상 성분 상수이다.

고해상도의 DoA(direction of arrival) 추정을 위해, 더 많은 수의 수신 안테나 요소가 필요하다. 고해상도의 DoA 추정을 위해 앞서 도 3에서 설명한 하나의 송신 신호(Tx)를, 도 4과 같이 복수의 송신 안테나 요소가 각각 출력하는 복수의 송신 신호로 설명한다.

도 4를 참조하면, 몇몇 실시예에 따라 송신 모듈(10)은 처프 인덱스에 비례하는 위상을 갖는 MPSK(Multi-Phase Shift Key Modulation) 코드를 이용하여, 각각의 MPSK 코드를 전송 전 처프 신호 S(t)에 곱하여 MPSK 변조를 수행한다. 변조된 송신 신호는 할당된 MPSK 코드에 상응하는 위상만큼 위상쉬프트한 복수의 신호(Tx 1~Tx N_tx)로 출력된다. 이때 송신 신호들(Tx 1~Tx N_tx)은 MPSK 코드 특성에 따라 서로 직교성을 가질 수 있다. 예를 들어 송신 신호(Tx1)의 시프트된 처프 신호와 송신 신호(Tx2)의 시프트된 처프 신호는 서로 직교성을 가질 수 있다.

도 5는 몇몇 실시예에 따른 수신 모듈(20)을 나타낸 도면이다.

수신 모듈(20)은 복수의 수신 안테나 요소를 포함할 수 있고, 복수의 송신 신호(Tx 1 ~ Tx N_tx)가 목표물로부터 반사되는 복수의 수신 신호 Sr^(m)(t)를 수신할 수 있다. 상기 Sr(t)는 수신 신호이고, m은 처프 인덱스이다. 수신 모듈(20)은 송신 모듈(10)로부터 MPSK 변조되지 않은 처프 신호(예를 들어 수학식 1의 S(t))를 수신할 수 있다.

수신 모듈(20)에서 목표물(target)로부터의 최대 지연(maxium delay)이 처프 휴지시간 T_r보다 작다고 가정하면(예를 들어 , d는 지연시간, c는 빛의 속도), 단일 목표물로부터 반사된 m번째 처프 신호에 상응하는 수신 신호(Rx)는 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

<수학식 4>

상기 R은 오토모티브 장치(1)와 수신 모듈(10) 사이의 거리이고, 는 반경방향속도(radial velocity), 도 2를 함께 참고하면, Tr은 처프 휴지시간, Tc는 처프 신호 간격(duration)이다.

수신 모듈(20)은 처프 신호 S(t)와 수신 신호 Sr^(m)(t)를 믹싱하고, 아날 로그-디지털 변환하여, 디지털화된 비트 신호로 출력한다. i번째 송신 안테나 요소에서 i번째 MPSK 코드가 할당되어 위상시프트된 m번째 MPSK 변조된 처프 신호 는 다음 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.

<수학식 5>

예를 들어 MPSK 코드가 16개이면(), MPSK 코드의 위상시프트값은 일 수 있다. 수학식 5의 처프 신호에 따른 수신 신호(Rx)의 이산 비트 신호 는, 수학식 3에서 다음 수학식 6과 같이 수정될 수 있다.

<수학식 6>

수학식 6의 항은 속도 도메인에서 인덱스만큼 타겟의 피크를 시프트한 것을 나타낸다.

몇몇 실시예에 따라 수신 모듈(20)은 처프 신호 S(t)와 수신 신호 Sr^(m)(t)를 믹싱하여 수신 신호에서 MPSK 디멀티플렉싱을 수행함으로써 속도 모호성(ambiguity) 문제없이 타겟의 실제 속도를 추정할 수 있다. 몇몇 실시예에 따라 수신 모듈(20)은 멀티플렉싱된 수신 신호를 로우 패스 필터링 및 아날로그-디지털 변환하여 비트신호 로 출력할 수 있다. 비트 신호 는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.

<수학식 5>

수학식 5에서 는 m번째 처프 신호에 대한 비트 신호의 n번째 샘플, k는 수신 안테나 요소의 인덱스, R은 오토모티브 장치(1)와 수신 모듈(10) 사이의 거리이고, c는 각각 광속, B는 처프 신호의 대역폭 및 는 처프 신호의 단위 구간(duration), T_r은 처프 신호의 휴지 시간, T_s는 하나의 처프 신호당 N개의 샘플로 디지털 신호로 변환하여 T_s=T_c/N이고, 는 목표물과 k번째 수신 안테나 간의 각도, 는 위상 성분 상수이다.

수신 모듈(20)은 비트 신호 를 신호 처리 모듈(30)로 전송한다.

도 6은 몇몇 실시예에 따른 신호 처리 모듈(30)을 나타낸 도면이다. 도 6의 신호 처리 모듈(30)은 일 예로 도 1의 신호 처리 모듈(100)과 같이 구현될 수 있다. 도 6을 참조하면, 신호 처리 모듈(100)은 Rv 추정 모듈(110), 피크 추출 모듈(120), 실제 피크 검출 모듈(130), 객체 분류 모듈(140), 각도 추정 모듈(150)을 포함할 수 있다. 각 구성에 대해서 도 7 내지 도 16을 통해 상세히 설명한다.

도 7 및 도 8은 몇몇 실시예에 따른 레인지-속도 추정 모듈(110)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 레인지-속도(R-v) 추정 모듈(110)은 복수의 수신 신호들로부터 객체의 레인지(range) 및 속도(velocity)를 추정한다. 목표물의 레인지는 목표물에서 반사되는 수신 신호의 지연(delay)으로 추정할 수 있다. 목표물의 속도는 목표물의 움직임으로 인해 생기는 처프 신호에 대한 위상 시프트를 통해 추정될 수 있다.

도 7의 좌측 그림을 참조하면, 몇몇 실시예에 따라 수신 모듈(20)에서 출력되는 비트 신호 는 처프 인덱스와 샘플 인덱스에 대한 값으로 나타낼 수 있다.

도 7의 중간 그림 및 우측 그림을 참조하면, 몇몇 실시예에 따라 목표물의 R-v(Range-velocity) 프로파일은 수신 모듈(20)에서 출력된 비트 신호를 2차원 푸리에 변환하여 얻을 수 있다. 예를 들어 복수의 수신 안테나 요소(Rx) 중 k번째 안테나 요소에서의 수신 신호의 2차 푸리에 변환은 도 8과 같이 복수의 타겟 피크를 가질 수 있다.

R-v 도메인을 기준으로 설명하면, 예를 들어, 결과 피크의 샘플 인덱스와 처프 인덱스를 이라고 하면, 목표물의 레인지 R과 속도 v는 수학식 6 및 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.

<수학식 6>

상기 R은 오토모티브 장치(1)와 수신 모듈(10) 사이의 거리이고, c는 각각 광속, B는 처프 신호의 대역폭, 는 결과 피크의 샘플 인덱스이다.

<수학식 7>

상기 M은 위상시프트의 개수(M은 짝수), c는 광속, 는 캐리어 주파수, 는 처프 신호의 단위 구간(duration), T_r은 처프 신호의 휴지 시간, 는 결과 피크의 처프 인덱스이다. 상기 []는 가우시안 함수로, 는 보다 크지 않은 가장 큰 정수를 나타낸다. 추정된 속도의 분모는 양 또는 음의 속도값을 가질 수 있도록 2의 인수(factor)를 갖는다. 레인지(Range)과 속도(velocity)의 해상도는 수학식 7에서 인접한 2개의 추정값 사이의 간격에 의해 결정된다. 또한 일 때, 최대 검출 레인지 및 최대 검출 속도는 수학식 8 및 수학식 9에 의해 결정된다.

<수학식 8>

<수학식 9>

상기 는 레인지 해상도(range resolution), 는 최대 검출 레인지, 는 속도 해상도(velocity resolution), 는 최대 검출 속도이다.

수학식 8 및 수학식 9에 따라 도 8에 도시된 바와 같이 레인지-속도 도메인에서 복수개의 비트 신호 지점이 검출될 수 있다.

도 9 내지 도 10b는 몇몇 실시예에 따른 피크 추출 모듈(120)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 8의 비트 신호 지점은 도 9와 같은 레인지-속도-인덱스 피크의 3차원 그래프로 변환할 수 있다. 피크 추출 모듈(120)은 도 9의 결과 피크에 대해 기정의된 임계치를 기준으로 피크를 추출할 수 있다. 예를 들어 기정의된 임계치는 타겟 피크 주변의 값을 기초로 설정된 값일 수 있다.

도 10a을 참조하면 몇몇 실시예에 따라 피크 추출 모듈(120)은 어느 하나의 타겟 셀(Y) 및 타겟 셀의 인접 영역(A)을 기초로, 피크를 추출할 수 있다.

몇몇 실시예에 따라 도 10b를 참조하면, 피크 추출 모듈(120)은 비트 신호를 CFAR(constant false alarm rate) 검출 방식으로 피크로 검출할 수 있다.

예를 들어, 피크 추출 모듈(120)은 타겟 셀(Y)을 기준으로 검출 영역(A)을 결정하고, 검출 영역(A)에서 타겟 셀(Y)에 인접한 가드 셀 영역을 제외한 훈련 영역의 셀들의 피크 평균값을 산출한다. 훈련 영역은 검출 영역(A)에서 가드 셀 및 타겟 셀(Y)을 제외한 영역이다.

검출 영역(A)은 영역-속도 도메인에서 결과 피크(Y) 지점으로부터 레인지(Range) 도메인의 반경, 속도 도메인의 반경에 속하는 영역일 수 있다. 가드 셀 영역은 영역-속도 도메인에서 결과 피크(Y) 지점으로부터 레인지(Range) 도메인의 반경, 속도 도메인의 반경에 속하는 영역일 수 있다.

피크 추출 모듈(120)은 훈련 영역에 속한 훈련셀에 대한 피크 평균값에 기설정된 스케일 팩터(S)를 곱한 값을 임계치로 설정할 수 있다. 예를 들어 스케일 팩터 S는 훈련 셀의 개수 N개에 대해 훈련 셀의 거짓 경고율(false alarm rate) P_fa 이 일정해지도록 결정될 수 있다. 예를 들어, 스케일 팩터 -1)로 설정될 수 있다.

피크 추출 모듈(120)은 설정된 임계치와 타겟 셀(Y)의 푸리에 변환값 Y[n,m]을 비교하여 수학식 10과 같이 임계치보다 크면 인덱스를 1로 결정하고, 임계치보다 작으면 인덱스를 0으로 판단하여, 도 9와 같은 그래프를 얻을 수 있다.

<수학식 10>

즉, 피크 추출 모듈(120)은 타겟 셀의 피크값을 훈련 셀에 기반한 임계치와 비교하여, 임계치 보다 큰 피크값을 가진 타겟 셀의 인덱스는 1로하고, 임계치보다 작은 피크값을 가진 타겟 셀의 인덱스를 0으로 하여 레인지-속도 도메인의 추출된 레인지-속도 지점을 3차원의 레인지-속도-인덱스 그래프로 변환한다. 예를 들어, 수학식 10에서, 훈련 셀에 기반한 임계치는, 일수 있고, S는 스케일링 팩터, Z는 훈련 셀들의 피크값들에 대한 제곱 평균값 일수 있다. 즉, Z는 훈련 셀에서 가드 셀을 제외한 나머지 셀들의 제곱 평균값일 수 있다.

도 11은 몇몇 실시예에 따른 실제 피크 검출 모듈(130)을 나타낸 도면이고, 도 12 및 도 13은 몇몇 실시예에 따른 실제 피크 검출 모듈(130)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

앞서 추출된 복수의 결과 피크는 실제 타겟 피크 외에 오류 결과 피크가 포함된다. 송신 모듈(10)이 MPSK 변조된 복수의 처프 신호를 전송하므로, 예를 들어 MPSK 변조되지 않은 처프 신호 Tx0에 상응하는 수신 신호의 결과 피크는 한 개여야 하는데, MPSK 변조로 시프트된 다른 타겟 피크에 의해 생성되는 오류 결과 피크가 함께 나타나는 것이다. 실제 피크 검출 모듈(130)은 피크 추출 모듈(120)이 추출한 피크값들 중에서 실제 피크를 검출한다. 실제 피크 검출모듈(130)은 검출된 실제 피크로부터 속도 모호성 문제를 해결할 수 있다.

도 11을 참조하면, 몇몇 실시예에 따라 써큘런트 매트릭스 인버젼 모듈(circulant matrix inversion, 131) 및 쓰레숄딩 모듈(thresholding, 135)을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에 따라 써큘런트 매트릭스 인버젼 모듈(131)은 속도 도메인에서 실제 타겟 피크를 찾기 위해, 수학식 11과 같이 써큘런트 매트릭스(circulant matrix)의 속성을 이용하여 처프 신호 Tx를 분리한다.

<수학식 11>

O는 원래 목표 피크를 나타내는 매트릭스, 는 로우 방향의 번째 인덱스로 타겟 피크 시프트된 매트릭스, 은 써큘런트 매트릭스이다. 써큘런트 매트릭스 의 각 행 벡터(예를 들어 k번째 행)는 선행 행 벡터(예를 들어 k-1 번째 행)를 하나의 인덱스만큼 회전하는 매트릭스이다.

은 수학식 12와 같이 표현된다. 예를 들어 은 첫번째 행에서 마지막 열에 위치하지만 두번째 행에서는 은 첫번째 열에 위치한다.

<수학식 12>

상기 수학식 12에서 는 수학식 13과 같다.

<수학식 13>

검출된 표적 중 실제 타겟 피크()의 셀은 수학식 11에 기초하면 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.

<수학식 14>

실제 타겟 피크 는 실제 목표물(타겟)의 위치정보를 포함한다. 상기 A는 계수가 반영된 서큘런트 매트릭스로 수학식 15와 같이 표현된다.

<수학식 15>

속도 영역에서 타겟 피크는 -씩 시프트되고 이동된 피크 간 간격이 동일하지 않으므로, 서큘런트 매트릭스 A의 역행렬을 곱하여 실제 타겟 피크 를 얻을 수 있다. 계산 복잡성을 줄이기 위해, 서큘런트 매트릭스 A는 수학식 16과 같이 이산 푸리에 변환 행렬(Discrete Fourier Transform; DFT) F, 대각 행렬(diagonal matrix) D로 표현할 수 있다.

<수학식 16>

수학식 16을 수학식 14에 반영하면 다음 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다.

<수학식 17>

수학식 17의 매트릭스 컨버젼은 푸리에변환행렬 와 를 이용한 패스트 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 사용함으로써 복잡도가 완화될 수 있다.

즉, 써큘런트 매트릭스 인버젼 모듈(131)은 앞서 설명한 수학식 11 내지 수학식 17과 같은 과정을 거쳐 도 12와 같은 실제 타겟 피크 를 산출할 수 있다. 다만, 써큘런트 매트릭스 인버젼 모듈(131)에서 산출된 실제 타겟 피크에 노이즈 성분이 포함되어 있을 수 있다. 실제 타겟 피크가 산출되더라도 실제 송수신기 쌍에서 모든 레이더 채널이 다르기 때문에 노이즈 성분이 남아있을 수 있다.

몇몇 실시예에 따라 쓰레숄딩 모듈(135)은 써큘런트 매트릭스 인버젼 모듈(131)에서 검출한 실제 타겟 피크 를 기설정된 임계값 로 필터링 하여 노이즈 성분을 제거하고 실제 피크를 검출한다.

예를 들어 쓰레숄딩 모듈(135)은 수학식 18과 같이 노이즈 성분을 제거하고 실제 피크 를 검출할 수 있다.

<수학식 18>

쓰레숄딩 모듈(135)는 일 실시예에 따라 피크 임계값 을 기정의된 값으로 설정할 수 있다. 피크 임계값은 노이즈 성분을 필터링 하기 위한 최적의 값일 수 있다. 예를 들어 피크 임계값 일 수 있으나, 본 발명의 레인지가 이에 한정되는 것은 아니라 할 것이다.

예를 들어 TX1 - RX1 채널에서는 타겟 1에 상응하는 피크값을 갖는 몇몇 셀이 검출될 수 있지만 TX2 - RX1 채널에서는 타겟 1에 상응하는 피크값을 갖는 셀이 검출되지 않을 수 있다.

쓰레숄딩 모듈(135)이 노이즈 성분을 제거하면 도 13과 같이 인덱스가 1인 실제 피크 만 남게된다.

도 14는 도 13의 실제 피크를 타겟별로 구분하여 나타낸 그래프이고, 도 15 및 도 16은 도 14의 타겟 1 및 타겟 2를 각각 나타낸 각도-파워 스펙트럼 그래프이다.

몇몇 실시예에 따라 객체 분류 모듈(140)은 실제 피크 검출 모듈(130)에서 검출된 실제 피크 를 각각 타겟 별로 클러스터링한다.

예를 들어 도 14의 R-v 도메인에서, 실제 피크 (1)은 R= 7m의 반경 내에 있고, 속도 v=0m/s를 가지고, 실제 피크 (2)은 R= 7.3m의 반경 내에 있고, 속도 v=-2.5m/s를 가진다. 실제 피크 의 두 지점이 거의 근접한 레인지에서 아주 유사한 속도를 가지면 동일한 객체로 판단할 수 있으나, 도시된 예와 같이 두 지점이 레인지 R의 값이 유사해도 다른 속도를 가지는 경우 다른 객체로 판단할 수 있다.

몇몇 실시예에 따라 각도 추정 모듈(150)은 타겟별로 구분된 실제 피크 에 대해 각도를 추정할 수 있다.

각도 추정은 예를 들어 MUSIC 알고리즘을 통해 실제 피크 에 상응하는 타겟의 각도를 추정할 수 있다.

예를 들어, 각 수신 안테나 요소(Rx)에서 i번째 송신 안테나 요소(Tx)에 의해 얻어지는 신호로서, 실제 피크 대신 를 사용할 수 있다.

i번째 송신(Tx) 안테나 요소 및 k번째 수신(Rx) 안테나 요소에서 n번째 타겟의 실제 피크 는 수학식 19와 같이 표현될 수 있다.

<수학식 19>

상기 NZ()는 매트릭스에서 논-제로(Non-zero) 요소를 추출하고, 로우 백터로 벡터화하는 연산을 하므로, n번째 타겟의 DoA(Direction of Arrival)를 추정하기 위해 실제 피크 는 MUSIC 알고리즘에 따라 입력 신호 데이터에 대해 컬럼 방향으로 나열하여 수학식 20과 같이 나타낼 수 있다.

<수학식 20>

수학식 20의 로우 사이즈(row size)는 n번째 타겟에 대해 검출된 피크 셀의 개수와 같고, 컬럼 사이즈는 와 같다. 고유값 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 는 수학식 21과 같이 표현된다.

<수학식 21>

상기 U는 컬럼 벡터가 고유값인 단일 행렬(unitary matrix)이고, D는 구성요소가 내림차순의 고유값인 대각 행렬(diagonal matrix)이다. 가장 큰 고유값에 해당하는 고유 벡터를 제외하고, 나머지 고유벡터들은 노이즈 공간(E_N)을 나타낸다. 조향 벡터 와 노이즈 공간() 사이의 유클리드 거리를 조사하여 수학식 22와 같이 공간 전력 스펙트럼을 구할 수 있다.

<수학식 22>

조향 벡터 는 수학식 23과 같이 표현할 수 있다.

<수학식 23>

각 목표물에 따른 수학식 22에 따른 공간 전력 스펙트럼 을 확인하여 최대 공간 전력 스펙트럼 에 상응하는 지점의 조향 벡터 에 기반하여 각도 [rad]를 추정할 수 있다.

예를 들어 수학식 19 내지 수학식 23과 같은 각도 추정방법을 이용하여 도 15의 제1 목표물(target 1)은 0.2rad 위치에 있고, 도 16의 제2 목표물(target 2)은 0.3 rad 위치에 있는 것으로 추정할 수 있다.

각도 추정은 일 실시예에 따라 도 14 내지 도 16에 기반한 각도 추정방법을 설명한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 실시예에 따라 공지의 다른 각도 추정방법에 기초하여 목표물의 위치 각도를 추정할 수도 있다고 할 것이다.

도 17은 몇몇 실시예에 따른 다중 입출력 레이더 시스템의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 17을 참조하면, 다중 입출력 레이더 시스템은 송신 모듈(10)에서 송신 신호(S(t))를 생성하고, 송신 신호를 처프 인덱스로 MPSK 변조(Multi Phase Shift Key Modulation)하여 목표물로 출력한다(S10).

MPSK 변조된 송신 신호가 목표물에 반사되어, 수신 신호 Sr(t)로 다중 입출력 레이더 시스템의 수신 모듈(20)로 입력된다(S20). 수신 모듈(20)은 MPSK 변조되지 않은 송신 신호 S(t)와 수신 신호 Sr(t)를 믹싱하여 처프 인덱스에 따라 위상시프트된 것을 분리하여 수신 신호를 추출한다.

수신 모듈(20)은 수신 신호를 아날로그 디지털 변환하여 수신 비트 신호 s[n,m,k]로 생성하고 신호 처리 모듈(30)로 전송한다(S30).

신호 처리 모듈(30)은 수신 비트 신호를 2차원 푸리에 변환하여 레인지-속도(Range-velocity)를 추정한다(S40). 예를 들어 신호 처리 모듈(30)은 비트 신호로부터 샘플 인덱스 및 처프 신호에 따른 레인지(R) 정보를 추출할 수 있다. 레인지 정보(R)는 몇몇 실시예에 따라 레인지 해상도(), 최대 검출 레인지() 등의 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어 신호 처리 모듈(30)은 비트 신호로부터 샘플 인덱스 및 처프 인덱스에 따라 속도 (v) 정보를 추출할 수 있다. 속도 정보는 몇몇 실시예에 따라 속도 해상도() 및 최대 검출 속도()를 포함할 수 있다. 비트 신호에서 추출된 레인지 정보 및 속도 정보는 레인지-속도 도메인에서 복수 개의 비트신호 지점으로 나타날 수 있다.

신호 처리 모듈(30)은 복수 개의 비트신호 지점 각각에 대해, 후보 피크를 추출할 수 있다(S50). 몇몇 실시예에 따라 레인지-속도 도메인이 복수의 셀로 구성된다고 가정하고, 각 셀 중 비트신호 지점을 타겟 셀로 하는 경우, 타겟 셀의 피크값을 타겟 셀 주변의 훈련 셀들에 기반한 임계치와 비교하여 인덱스를 설정한다. 예를 들어 신호 처리 모듈(30)은 타겟 셀의 피크값이 훈련 셀들의 평균에 기초하여 정의되는 임계치보다 작으면 인덱스를 0, 임계치보다 크면 인덱스를 1로 설정하여 후보 결과 피크로 추출할 수 있다.

신호 처리 모듈(30)은 후보 결과 피크에서 실제 타겟 피크를 검출한다(S60). 후보 결과 피크에는 MPSK 변조로 시프트된 다른 타겟 피크에 의한 노이즈가 포함되기 때문에, 후보 결과 피크에서 실제 타겟 피크를 검출한다. 몇몇 실시예에 따라 신호 처리 모듈(30)은 후보 결과 피크에 대해 써큘런트 매트릭스를 이용하여 실제 타겟 피크를 검출한다. 예를 들어 써큘런트 매트릭스는 이산 푸리에 변환 행렬, 대각 행렬을 이용함으로써 연산 복잡도를 완화할 수 있다.

신호 처리 모듈(30)은 속도-도메인 레인지에서 검출된 실제 타겟 피크를 분석하여 동일한 목표물(객체)에 대한 실제 타겟 피크인지, 다른 객체에 대한 실제 타겟 피크인지 구분한다(S70). 예를 들어 속도가 비슷하고 레인지가 인접하면 하나의 물체로 인식하나, 속도 및 레인지 중 어느하나가 다르면 서로 다른 물체로 인식할 수 있다.

신호 처리 모듈(30)은 객체별 추출된 속도-도메인 레인지의 실제 타겟 피크에 대해 목표물이 위치한 방향, 즉 각도 정보를 추정할 수 있다(S80).

이에 따라 오토모티브 장치는 속도 모호성 문제를 해결하면서도, 다중 입출력 레이더 시스템을 통해 추출된 목표물의 각도, 속도 및 레인지정보를 이용하여 주행을 할 수 있다.

도 18은 몇몇 실시예에 따른 반도체 장치를 나타낸 도면이다.

반도체 장치(200)는 메모리(210) 및 프로세서(220)를 포함한다. 몇몇 실시예에 따라 도 1의 신호 처리 모듈(30)은 반도체 장치(200)와 같이 구현될 수 있다.

메모리(210)는 동작 메모리일 수 있다. 예를 들어 송신 모듈(10)의 송신 신호 S(t) 및 처프 신호에 대한 정보를 저장할 수 있고, 수신 모듈(20) 및 신호 처리 모듈(30)의 동작시 중간 데이터를 저장할 수 있다.

프로세서(220)는 송신 모듈(10), 수신 모듈(20) 및 신호 처리 모듈(30)의 동작 처리 및 연산을 수행할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1 : 오토모티브 장치
10 : 송신 모듈
20 : 수신 모듈
30, 100 : 신호 처리 모듈

Claims (10)

1. 복수의 송신 안테나 요소를 포함하여, 각 송신 안테나 요소는 송신 신호를 생성하고, 처프 인덱스에 따라 MPSK(Multi Phase Shift Key) 변조하여 목표물로 출력하는 송신 모듈;
   복수의 수신 안테나 요소를 포함하여, 각 수신 안테나 요소는 상기 변조된 송신신호가 상기 목표물에 반사된 수신 신호를 수신하여 상기 송신신호와 믹싱하고, 아날로그-디지털 변환하여 비트 신호로 생성하는 수신 모듈; 및
   상기 비트 신호에서 레인지 정보 및 속도 정보를 추출하고, 레인지-속도 도메인의 실제 피크로부터 각도 정보를 추정하여 출력하는 신호 처리 모듈을 포함하는 다중 입출력 레이더 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 송신 신호는
   단위 신호 프레임 내 복수의 반복 처프 신호를 포함하고,
   상기 복수의 반복 처프신호는 상기 복수의 송신 안테나 요소마다 할당된 상기 처프 인덱스에 비례하는 위상으로 MPSK 변조되어 출력되는, 다중 입출력 레이더 시스템.
3. 제2항에 있어서, 제1 송신 안테나 요소에서 출력되는 변조된 제1 송신 신호는 제2 송신 안테나 요소에서 출력되는 변조된 제2 송신 신호와 서로 직교성을 가지는, 다중 입출력 레이더 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 수신 모듈은
   상기 복수의 수신 안테나 요소 중 k번째 수신 안테나 요소에서, 상기 변조된 송신 신호의 m번째 처프 신호를 샘플링한 n번째 샘플을 상기 아날로그-디지털 변환된 비트 신호로 출력하여 생성하는, 다중 입출력 레이더 시스템.
   (상기 k, m, n은 자연수)
5. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리 모듈은
   상기 비트 신호를 레인지-속도 도메인에 대한 결과 피크로 추출하고,
   상기 송신 신호 및 상기 결과 피크로부터 상기 레인지 정보, 속도 해상도 및 상기 속도 정보를 추출하며,
   상기 레인지 정보는 레인지 해상도 및 최대 검출 레인지를 포함하고, 상기 속도 정보는 최대 검출 속도를 포함하는, 다중 입출력 레이더 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 신호 처리 모듈은
   상기 결과 피크에 인접한 훈련 셀들에 기반한 임계치를 상기 결과 피크와 비교하고,
   상기 임계치보다 큰 값을 갖는 상기 결과 피크를 후보 피크로 추출하는, 다중 입출력 레이더 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 신호 처리 모듈은
   상기 후보 피크에 써큘런트 매트릭스의 속성을 이용하여 처프 신호를 분리하고,
   상기 처프 신호가 분리된 후보 피크를 패스트 푸리에 변환하여 상기 실제 피크를 검출하는, 다중 입출력 레이더 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 검출된 실제 피크를 필터링하여 노이즈 성분을 제거하는, 다중 입출력 레이더 시스템.
9. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리 모듈은
   상기 실제 피크의 상기 속도 정보 및 상기 레인지 정보에 기초하여 목표물별로 구분하는, 다중 입출력 레이더 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 신호 처리 모듈은
    상기 목표물별로 구분된 실제 피크의 공간 전력 스펙트럼에 기반한 조향 벡터를 추출하여, 상기 각도 정보를 추정하는, 다중 입출력 레이더 시스템.

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