KR20230142929A - Mimo fmcw 레이더 신호 처리 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법 및 장치가 개시된다. 본 개시의 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법은, 복수의 송신 안테나의 각 송신 안테나를 통해 송신된 복수의 첩(chirp) 신호가 타겟에서 반사되는 반사 신호를 복수의 수신 안테나를 통해 수신하는 단계와, 복수의 수신 안테나를 통해 수신한 각 송신 안테나로부터의 서로 다른 위상을 가지는 수신 신호를 합성하여, 수신 신호 벡터를 생성하는 단계와, 수신 신호 벡터에 초고해상도 알고리즘을 적용하여 반사 신호의 도래각을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 개시는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 기법과 초고해상도 알고리즘을 기반으로 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더의 신호 처리를 수행하여 각도 해상도를 향상시킬 수 있는 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.
레이더(radar)는 레이더 신호를 타겟(예컨대, 차량, 항공기 등)으로 송신하고, 타겟에서 반사된 레이더 신호에 기초하여 타겟에 대한 정보를 획득할 수 있다.
즉, 레이더는 자율주행, 국방, 로봇 등 다양한 분야에서 타겟의 위치정보를 파악하는 데 사용된다. 특히 전천후 환경에서 기존 카메라 센서나 라이다 센서가 측정하지 못하는 타겟에 대해서도 레이더는 신뢰도 높게 탐지 가능하다.
일반적으로, 레이더는 CW(Continuous Wave) 레이더 및 펄스 레이더로 구분된다. 펄스 레이더는 일반적으로 국방 영역에서 많이 활용될 수 있고, CW 레이더 기반의 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더는 민수(民需) 영역, 즉 저전력이 필요한 영역에서 많이 사용될 수 있다. 또한, 레이더의 송신 신호가 연속된 첩(Chirp) 신호로 구성되어 있으면서, 수신 대역폭을 대폭 줄일 수 있는 장점이 있어서 최근 자율주행 레이더에서 많이 사용된다.
한편, 종래의 FMCW 레이더는 악천후 환경에 강인하며 복잡도가 낮아서 많이 활용되는 반면, 기존 카메라나 라이다 센서보다는 저해상도의 단점으로 이미징 데이터 구현이 어렵다는 문제가 있다.
즉, 고비용이면서 악천후에 약한 라이다 센서를 보완하고자 FMCW 이미징 레이더의 필요성이 대두되는 상황이다. 다시 말하면, 기후에 강인할 뿐 아니라 저복잡도인 해상도를 현저히 개선시킴으로써 라이다의 기능을 대체할 수 있는 초고해상도 기반의 FMCW 이미징 레이더의 필요성이 대두되고 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 개시의 실시 예의 일 과제는, MIMO 기법과 초고해상도 알고리즘을 기반으로 FMCW 레이더의 신호 처리를 수행하여 각도 해상도를 향상시킬 수 있도록 하는데 있다.
본 개시의 실시 예의 일 과제는, 기후에 강인할 뿐 아니라 저복잡도인 해상도를 현저히 개선시킴으로써 라이다의 기능을 대체할 수 있는 초고해상도 기반의 MIMO FMCW 이미징 레이더에 대해서 제안하고자 하는데 있다.
본 개시의 실시 예의 일 과제는, 다중 송신 안테나와 다중 수신 안테나로 구성된 다수의 안테나 어레이로 인해 발생하는 각 채널간의 신호 간섭을 제거한 후, 초고해상도 알고리즘을 수행하여, 보다 향상된 해상도의 도래각 추정이 가능하도록 하는데 있다.
본 개시의 실시예의 목적은 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법은, 복수의 송신 안테나의 각 송신 안테나를 통해 송신된 복수의 첩(chirp) 신호가 타겟에서 반사되는 반사 신호를 복수의 수신 안테나를 통해 수신하는 단계와, 복수의 수신 안테나를 통해 수신한 각 송신 안테나로부터의 서로 다른 위상을 가지는 수신 신호를 합성하여, 수신 신호 벡터를 생성하는 단계와, 수신 신호 벡터에 초고해상도 알고리즘을 적용하여 반사 신호의 도래각을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
이 외에도, 본 발명의 구현하기 위한 다른 방법, 다른 시스템 및 상기 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체가 더 제공될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 개시의 실시 예에 의하면, MIMO 기법과 초고해상도 알고리즘을 기반으로 FMCW 레이더의 신호 처리를 수행함으로써, 수신 안테나의 개수가 부족함에도 불구하고 MIMO 기법과 초고해상도 알고리즘의 조합을 통해 각도 해상도를 향상시킬 수 있다.
또한, 초고해상도 기반의 MIMO FMCW 이미징 레이더를 기후에 강인할 뿐 아니라 저복잡도인 해상도를 현저히 개선시킴으로써, 종래 레이더의 해상도 약점을 개선하여 라이다의 기능을 대체할 수 있는 레이더 시스템을 구성할 수 있다.
또한, 다중 송신 안테나와 다중 수신 안테나로 구성된 다수의 안테나 어레이로 인해 발생하는 각 채널간의 신호 간섭을 제거한 후, 초고해상도 알고리즘을 수행함으로써, 보다 향상된 해상도의 도래각 추정이 가능하도록 할 수 있다.
본 개시의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치의 구성을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 종래의 FMCW 레이더를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더의 송신 신호 흐름을 나타낸 예시도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치 적용 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 종래의 FMCW 레이더를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더의 송신 신호 흐름을 나타낸 예시도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치 적용 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 개시의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 개시는 아래에서 제시되는 실시 예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시 예들은 본 개시가 완전하도록 하며, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 개시의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 개시를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 개시에 따른 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1 및 도 2는 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치의 구성을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, MIMO FMCW 레이더의 신호 간섭을 제거하고, 각도 파라미터(이하, 도래각으로 통칭)를 추정하기 위해 초고해상도 알고리즘을 수행하는 등의 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치를 구동하기 위한 환경은, 송신 안테나 어레이(143) 및 수신 안테나 어레이(144)를 포함하는 안테나가 구비된 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)를 포함할 수 있다.
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)는 타겟이 존재하는 것으로 추정되는 영역으로 레이더 신호를 송신(TX)하고, 타겟에서 반사된 레이더 신호를 수신(RX)할 수 있다. 이때, 타겟으로부터 반사된 레이더 신호는 방위각 방향으로 1차원 배열된 수신 안테나 어레이(144)로 수신되어 방위각을 측정할 수 있다.
일 실시 예에서, 송신 안테나 어레이(143)는 1차원으로 배열된 복수의 다중 송신 안테나로 구성될 수 있다. 또한, 수신 안테나 어레이(144)는 1차원으로 배열된 복수의 다중 수신 안테나로 구성될 수 있다.
송신 안테나 어레이(143)에서는 송신 안테나 개수만큼의 송신신호(제1 송신신호 내지 제N 송신신호)를 생성할 수 있다.
그리고 수신 안테나 어레이(144)에서는 주파수 응답 특성 내에 있는 주파수 영역대에서 레이더 수신신호를 수신하며, 수신 안테나 어레이(144)의 수신각도 범위 내에서 전 영역에 대한 신호를 획득할 수 있다.
일 실시 예에서는, 각도를 측정하기 위해 2개 이상 배열된 수신안테나를 사용하고, 각도 검출을 위해 도래각 추정 방식(DoA:direction of arrival estimation)을 사용할 수 있다. 도래각 추정 방식은 모든 배열 안테나를 지향(steering)시켜 출력 신호가 가장 큰 값을 가지는 입사각을 찾는다.
즉 일 실시 예에서는, 신호의 도래각(θ) 추정을 위한 다수의 수신 안테나들이 d의 간격으로 배열된 구조를 나타낼 수 있다. 도래각 추정 알고리즘은 배열 안테나의 출력에 적용되는 가중치에 따라 Conventional beamforming, Capon, MUSIC(multiple signal classification), ESPRIT, ML 등이 사용될 수 있다.
도 2를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)의 구성을 설명한다.
일 실시 예에서, MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)는 레이더 신호 수신 장치가 별도로 구현되는 경우 레이더 신호 수신 장치로부터 디지털 변환된 MIMO FMCW 레이더 신호를 전송 받기 위한 통신부(110)를 포함할 수 있다.
통신부(110)는 외부 장치와 데이터를 송수신하기 위한 통신 모듈(111)을 포함할 수 있고, 통신 모듈(111)은 이동통신 모듈, 무선 인터넷 모듈, 근거리 통신 모듈, 위치정보 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이동통신 모듈은, 이동통신을 위한 기술표준들 또는 통신방식(예를 들어, GSM(Global System for Mobile communication), CDMA(Code Division Multi Access), CDMA2000(Code Division Multi Access 2000), EV-DO(Enhanced Voice-Data Optimized or Enhanced Voice-Data Only), WCDMA(Wideband CDMA), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), LTE(Long Term Evolution), LTE-A(Long Term Evolution-Advanced) 등)에 따라 구축된 이동 통신망 상에서 기지국, 외부의 단말, 서버 중 적어도 하나와 무선 신호를 송수신한다.
무선 인터넷 모듈은 무선 인터넷 접속을 위한 모듈을 말하는 것으로, MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)에 내장되거나 외장될 수 있다. 무선 인터넷 모듈은 무선 인터넷 기술들에 따른 통신망에서 무선 신호를 송수신하도록 이루어진다.
무선 인터넷 기술로는, 예를 들어 WLAN(Wireless LAN), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi(Wireless Fidelity) Direct, DLNA(Digital Living Network Alliance), WiBro(Wireless Broadband), WiMAX(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), LTE(Long Term Evolution), LTE-A(Long Term Evolution-Advanced) 등이 있다.
근거리 통신 모듈은 근거리 통신(Short range communication)을 위한 것으로서, 블루투스(BluetoothTM), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), UWB(Ultra Wideband), ZigBee, NFC(Near Field Communication), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, Wireless USB(Wireless Universal Serial Bus) 기술 중 적어도 하나를 이용하여, 근거리 통신을 지원할 수 있다.
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)는 서버 장치 형태로 구현되거나 랩탑 컴퓨터, 개인용 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등 프로세서 및 메모리를 포함한 형태로 구현될 수 있고, 자동차 등의 하나의 모듈로서 구현될 수 있으며, 프로세서를 구동하여 신호 처리가 가능한 컴퓨팅 장치이면 특별히 그 종류를 한정하지 않는다.
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)는 사용자 또는 제어 장치(예를 들어, 자동차의 중앙 처리 장치)에 데이터 처리 과정 또는 동작을 인식한 결과를 표시 또는 전송하거나 사용자로부터 입력을 받거나 사용자가 제어할 수 있는 인터페이스부(120)를 포함할 수 있다. 인터페이스부(120)는 터치식 또는 기계식 버튼(121), 디스플레이(122) 또는 광 출력이 가능한 LED 또는 음성 출력이 가능한 스피커(123)를 포함할 수 있다.
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)는 도 1을 참조하여 설명한 것처럼, 레이더 신호를 송신 또는 수신하는 안테나(142)를 포함하여 구현될 수 있고, 이 경우 레이더 신호를 송신(TX) 또는 수신(RX)하기 위한 적어도 하나 이상의 안테나(143, 144)를 포함할 수 있고, 레이더 신호를 송신하기 위한 앰프(amplifier), 믹서(mixer) 등의 구성 요소와 수신된 레이더 신호를 처리하기 위한 신호 처리부(141)를 포함할 수 있다. 레이더 신호를 송신 또는 수신하기 위한 하드웨어 또는 소프트웨어 구성은 통상의 기술자에게 알려진 사항이므로 본 명세서에서는 자세한 설명을 생략한다.
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)는 수신한 레이더 신호 및 주파수 영역으로 변환된 레이더 신호 등의 중간 또는 최종 데이터들을 저장하거나 시간 영역의 레이더 신호에 적용하여 노이즈를 제거 가능한 머신 러닝 기반의 훈련된 학습 모델을 저장하는 메모리(130)를 포함할 수 있다.
또한, MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)는 도 2에 도시되지 않았지만, 다양한 종류의 외부 기기와의 통로 역할을 수행하는 별개의 인터페이스로서 유/무선 데이터 포트(port), 메모리 카드(memory card) 포트, 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트(port), 오디오 I/O(Input/Output) 포트(port), 비디오 I/O(Input/Output) 포트(port), 이어폰 포트(port)중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)의 신호 처리부(141) 또는 프로세서(160)는 다수의 안테나 어레이로 인해 발생한 각 채널간의 신호 간섭을 제거하거나 도래각을 추정하기 위해 초고해상도 알고리즘을 수행할 수 있다.
도 3은 종래의 FMCW 레이더를 설명하기 위한 예시도이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더를 설명하기 위한 예시도이며, 도 5는 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더의 송신 신호 흐름을 나타낸 예시도이다.
일 실시 예는 라이다의 기능을 대체할 수 있는 초고해상도 기반의 MIMO FMCW 이미징 레이더에 대한 것이다.
도 3을 참조하여, 먼저 FMCW 레이더의 송신 및 수신 안테나의 신호 모델을 설명한다. 일 실시 예에서는, FMCW 레이더의 송신 및 수신 안테나의 경우 송신기(TX) 1개와 수신기(RX) 2개가 있다고 가정할 수 있다.
이때, 수신 안테나 간격이 d라고 가정하면, 송신 안테나로부터 신호가 송신되어 2개의 수신 안테나까지 수신된 신호는, 제1 수신 안테나(RX1)에 도달하는 신호보다 제2 수신 안테나(RX2)에 도달하는 신호가 dsin(θ)만큼 더 길다. 이 길이는 각 수신 안테나에 수신되는 신호의 위상차이 ω=(2π/λ)dsin(θ)로 표현된다. 또한, 제1 수신 안테나(RX1)의 위상을 0 도라고 가정하면, 제1 수신 안테나(RX1)의 위상은 0, 제2 수신 안테나(RX2)의 위상은 ω가 된다.
즉, FMCW 레이더 방식으로 동작하는 경우, 레이더 장치는 파형 발생기와 전압 제어 발진기를 통해 시간에 따라 주파수 변조된 정형파를 생성하여 송신할 수 있다. 예를 들어, 레이더 장치는 △t 동안 주파수 BW(Bandwidth) 만큼 선행 주파수 변조하여 송신 신호를 만들어 송신할 수 있다.
그리고 전파된 신호는 전방의 물체에 반사되어 거리에 따른 시간 지연과 속도 차이에 의한 도플러 주파수를 가지고 레이더 장치에서 수신될 수 있다. 여기서 수신되는 레이더 신호에 대해서 믹서를 이용하여 수신 신호와 송신 신호를 곱할 수 있으며, 서로 간의 주파수 차이에 기초하여 거리가 추정될 수 있다. 수신된 레이더 신호는 안테나를 통하여 수신된 레이더 신호 그 자체일 수 있으며, 상술한 바와 같이 믹서에 의하여 수신 신호와 송신 신호가 곱해진 신호일 수도 있다.
그리고 레이더 장치는 수신된 레이더 신호에 대한 아날로그-디지털 변환을 수행하고, 디지털 변환된 레이더 신호를 프로세서에 제공할 수 있다. 즉, 레이더 신호는 디지털 값으로 표현될 수 있다.
한편, 레이더 센서는 유효 수신 채널의 수가 증가할수록 타겟의 각도 해상도가 증가한다. 이때, 유효 수신 채널의 수는 레이더의 안테나 수에 의해 결정되는데 기본적으로 수신 안테나의 수가 증가할수록 유효 수신 채널의 수가 증가할 수 있다. 그러나 설계 구조 상 초고해상도의 성능을 얻기 위하여 수신 안테나의 수를 증가시키는 데는 한계가 존재할 수 있다.
따라서, 일 실시 예에서는, 유효 수신 채널의 수를 증가시키기 위하여 다중 송신 안테나와 다중 수신 안테나로 구성된 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 레이더 방식을 적용한 각도 추정 방법을 제공할 수 있다.
일 실시 예에서는, 복수의 송신 안테나들은 복수의 수신 안테나들이 배치된 방향과 동일한 방향으로 일정 간격에 따라 이격하여 배치됨으로써 가상의 유효 수신 채널이 확장될 수 있다. 예를 들어, 복수의 수신 안테나들이 방위각 중심축 방향으로 배치되어 있다고 가정하자. 그러면 복수의 송신 안테나들이 방위각 중심으로 방향으로 일정 간격에 따라 이격되어 배치되는 경우, 가상의 유효 수신 채널이 방위각 중심축 방향으로 확장될 수 있다.
이때, 복수의 송신 안테나들 사이의 이격 거리는 복수의 수신 안테나들 사이의 이격 거리에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 수신 안테나들이 방위각 중심축 방향으로 d 간격만큼 이격하여 배치된다고 가정하자. 그러면, 송신 안테나들은 방위각 중심축 방향으로 d 간격의 배수만큼 이격되어 배치될 수 있다.
즉, 상술한 바와 같이, 일 실시 예의 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)는 MIMO FMCW 레이더를 도 4와 같이 구성할 수 있다.
도 4를 참조하면, MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치(100)는 다중 송신 안테나(TX1, TX2)와 다중 수신 안테나(RX1, RX2, RX3, RX4)로 구성될 수 있다.
즉, 일 실시 예에서는, 송신 안테나 2개와 수신 안테나 4개가 있다고 가정할 수 있다. 제1 송신 안테나(TX1)로부터 송신된 신호는 제1 내지 제4 수신 안테나(RX1 내지 RX4)까지의 수신 안테나에 신호가 수신된다.
그 이후에, 제2 송신 안테나(TX2)에서 송신된 신호도 제1 내지 제4 수신 안테나(RX1 내지 RX4)까지의 수신 안테나에 수신된다.
이때, 제1 송신 안테나(TX1)로부터 수신된 제1 내지 제4 수신 안테나(RX1 내지 RX4)의 수신 신호의 위상 값은 [0, ω, 2ω, 3ω]으로 표현할 수 있다.
그런데, 제1 송신 안테나(TX1)와 제2 송신 안테나(TX2)의 간격이 다중 수신 안테나의 각각의 안테나 간격의 4배로 설정되어 있기 때문에, 제2 송신 안테나(TX2)로부터 수신된 제1 내지 제4 수신 안테나(RX1 내지 RX4)의 수신 신호의 위상 값은 [4ω, 5ω, 6ω, 7ω]으로 표현할 수 있다.
이로 인해, 제1 송신 안테나(TX1)로부터 수신된 수신 신호와 제2 송신 안테나(TX2)로부터 수신된 수신 신호의 위상 값을 연결하면, [0, ω, 2ω, 3ω, 4ω, 5ω, 6ω, 7ω]로 표현할 수 있다.
따라서, 2개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나만 가지고 8개의 수신 안테나의 효과를 나타낼 수 있다. 즉, 복수의 수신 안테나를 통해 수신한 방위각 중심축 방향의 수신 신호의 수가 송신 안테나의 개수와 수신 안테나의 개수의 곱만큼 증가한 효과를 가질 수 있다.
이를 MIMO FMCW 레이더의 시스템이라고 정의할 수 있다. 도 5는 MIMO FMCW 레이더의 송신 신호 시간 흐름을 나타낸다.
MIMO FMCW 레이더로부터 수신된 신호는 다수의 안테나 어레이로 인해 각 채널간의 신호 간섭이 발생하게 된다. 이때, 간섭 신호는 크게 2개의 특징으로 구성될 수 있다.
첫 번째는 노이즈에 의한 잡음 신호가 크게 발생한다. 이를 위해서, 프로세서(160)는 필터를 이용해서 신호 영역만 추출해내고, 잡음 신호 영역을 제거하는 방법을 수행할 수 있다.
그리고 두 번째는 인근 채널에 의해 상호 간섭 신호가 발생한다. 이를 위해, 프로세서(160)는 관심 채널에서 수신되는 신호와 인근 채널에서 수신되는 신호간의 에너지 차이를 이용해서 간섭을 제거할 수 있다.
이를 통해서 다수의 안테나 어레이의 간섭신호들을 제거하게 된다. 간섭신호가 제거된 MIMO FMCW 레이더 수신 신호는 8개의 수신 안테나의 신호형태와 동일할 수 있다. 일 실시 예에서는, 이 신호에 대해, 도래각 추정을 하기 위해서 초고해상도 알고리즘을 수행할 수 있다.
여기서, 초고해상도 알고리즘(또는 고해상도 알고리즘)은 다중 신호 분류 기법(MUSIC: Multiple signal classification algorithm)일 수 있으며, 구현시에는 ESPRIT(estimation of signal parameters via rotational invariance techniques)이나 다른 초고해상도 주파수 검출 알고리즘이 이용될 수도 있다. 이하에서는 설명을 용이하게 하기 위하여, MUSIC으로 지칭되는 다중 신호 분류 기법을 적용하는 경우를 가정하여 설명한다.
다중 신호 분류 기법(MUSIC)은 안테나 개수를 증가하지 않고, 신호 처리만으로 각도 해상도를 개선하는 방법으로, 안테나 또는 센서에 측정된 데이터들로 이루어진 공간을 신호 공간과 잡음 공간으로 분리하여 신호원들의 위치에 대한 벡터가 잡음 공간과 직교함을 이용하여 위치를 추적하는 방법이다.
보다 구체적으로 설명하면, 일 실시 예에서는 초고해상도 알고리즘의 수신 신호를 Sr의 벡터로 정의할 수 있다. 그리고 수신신호 sr=RX1, RX2, …, RX8는 수학식 1과 같이 상관 함수의 입력으로 사용할 수 있다.
여기서, N은 다중 수신 신호의 개수를 의미한다. 상관 함수 Rr은 EVD(eigenvalue decomposition, 고유값분해)을 이용해서 신호 부분공간과 노이즈 부분공간으로 분리할 수 있는 특징이 있다.
다시 말하면, 부분공간(부공간) 기반의 도래각 추정은, 입사 신호에 해당하는 스티어링 벡터가 서로 직교하기 때문에 잡음 고유벡터와 신호의 스티어링 벡터의 내적은 0에 가까운 값이 나온다는 점을 기반으로 수행될 수 있다.
이에, 일 실시 예에서는 다음 수학식 2와 같이 노이즈 부분공간 EN과 관심영역의 스티어링(steering) 함수 a(f)의 직교성을 이용하여 관심 신호의 피크(peak)를 날카롭게 만들어서 파라미터의 해상도를 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, MUSIC 알고리즘의 출력인 Rr의 EVD는 신호 부분공간과 노이즈 부분공간으로 분리 가능한 특징을 가질 수 있어, 프로세서(160)는 MUSIC 알고리즘의 출력의 EVD를 신호 부분공간과 노이즈 부분공간으로 분리할 수 있다. 그리고, 프로세서(160)는 신호 부분공간과 노이즈 부분공간을 이용하여 도래각을 결정할 수 있다.
이때, 프로세서(160)는 신호 부분공간의 함수 a(f)와 노이즈 부분공간 EN간의 직교성을 이용하여 신호 부분공간에 포함된 관심 신호의 피크가 예리해지도록 변화시키고, 피크가 예리해진 관심 신호에 기반하여 도래각을 산출할 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치 적용 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 기존 FMCW 레이더와, 일 실시 예의 초고해상도 기반의 MIMO FMCW 레이더 결과를 비교 분석한 것이다. 도 6에 도시된 결과를 참조하면, 기존 FMCW 레이더는 해상도가 낮아서 2개의 타겟을 1개로만 탐지하나, 일 실시 예의 MIMO FMCW 레이더는 해상도가 향상되어 2개의 타겟으로 정확히 탐지하는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, S100단계에서, 프로세서(160)는 복수의 송신 안테나의 각 송신 안테나를 통해 송신된 복수의 첩(chirp) 신호가 타겟에서 반사되는 반사 신호를 복수의 수신 안테나를 통해 수신한다.
이때, MIMO FMCW 레이더는, 상기 복수의 송신 안테나에서 시분할하여 서로 다른 시간에 상기 첩 신호를 상기 타겟으로 송신하고, 동일한 송신 안테나에서 송신하여 타겟으로부터 반사된 수신 신호를 복수의 수신 안테나에서 동시에 병렬 수신하도록 구성될 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 복수의 송신 안테나들 사이의 이격 거리는 복수의 수신 안테나들 사이의 이격 거리에 기초하여 결정될 수 있다. 그리고 일 실시 예에서, 복수의 송신 안테나들 사이의 이격 거리는 복수의 수신 안테나들 개수에 더 기초하여 결정될 수 있다.
따라서, 일 실시 예에서, 복수의 수신 안테나를 통해 수신한 수신 신호는, 복수의 송신 안테나의 개수와 방위각 중심축 방향의 복수의 수신 안테나의 개수의 곱에 해당하는 개수의 서로 다른 위상을 가질 수 있다.
S200단계에서, 프로세서(160)는 복수의 수신 안테나를 통해 수신한 각 송신 안테나로부터의 서로 다른 위상을 가지는 수신 신호를 합성하여, 수신 신호 벡터를 생성한다.
이때, 프로세서(160)는 MIMO FMCW 레이더로부터 수신된 신호에서 다수의 안테나 어레이로 인해 발생한 각 수신 채널간의 신호 간섭을 확인하여, 각 수신 채널간의 신호를 간섭하는 간섭 신호를 제거할 수 있다.
간섭 신호를 제거하기 위해, 프로세서(160)는 필터를 이용해서 신호 영역을 추출하고, 노이즈에 의한 잡음 신호 영역을 제거할 수 있다. 그리고 프로세서(160)는 기 설정된 관심 채널에서 수신되는 신호와 인근 채널에서 수신되는 신호간의 에너지 차이를 기반으로 인근 채널에 의해 발생한 상호 간섭 신호를 제거할 수 있다.
여기서, 필터는 원하는 대역의 신호를 통과시키고, 인접 채널, 대안 채널 방해자를 감쇄시키는 역할을 하는 채널 필터일 수 있다.
한편, 일 실시 예에서는, 다수의 안테나 어레이를 사용하여 수신된 신호를 검출할 수 있는데, 다수의 안테나 어레이 내의 각각의 수신 안테나와 연관된 "시스템 온 칩"("System on a Chip", "SoC")을 통해, 수신된 데이터를 디지털화한 후, 데이터를 채널화하고 채널화된 데이터를 전송할 수 있다.
즉, 일 실시 예에서는, 기 설정된 조건 또는 사용자로부터의 요청 등에 의해 관심 채널이 지정될 수 있으며, 다수의 안테나 어레이의 수신 안테나와 연관된 각각의 SoC를 통해, 적어도 관심 채널에 대해 전체 데이터 세트를 수신하여 채널화한 다음, SoC의 모두로부터 채널화된 데이터가 전송되도록 할 수 있다.
S300단계에서, 프로세서(160)는 수신 신호 벡터에 초고해상도 알고리즘을 적용하여 반사 신호의 도래각을 추정한다.
프로세서(160)는 도래각을 추정하기 위해, 수신 신호 벡터에 대한 상관 함수를 생성하고, 상관 함수에 EVD(eigenvalue decomposition)를 수행하여, 신호 부분공간과 노이즈 부분공간으로 분리할 수 있다.
그리고 프로세서(160)는 신호 부분공간(ES)과 노이즈 부분공간(EN)에 기반하여 도래각을 산출할 수 있다. 즉, 프로세서(160)는 신호 부분공간(ES)의 스티어링(steering) 함수와 노이즈 부분공간(EN) 간의 직교성을 이용하여 신호 부분공간(ES)에 포함된 관심 신호의 피크가 예리해지도록 변화시키고, 피크가 예리해진 관심 신호에 기반하여 도래각을 산출할 수 있다.
일 실시 예에서, 초고해상도 알고리즘은, MUSIC(Multiple Signal Classification Algorithm) 다중 신호 분류 기법일 수 있다.
다중 신호 분류 기법(MUSIC)은 안테나 개수를 증가하지 않고, 신호 처리만으로 각도 해상도를 개선하는 방법으로, 일 실시 예에서는, 다중 신호 분류 기법을 기반으로, 안테나 또는 센서에 측정된 데이터들로 이루어진 공간을 신호 공간과 잡음 공간으로 분리하여 신호원들의 위치에 대한 벡터가 잡음 공간과 직교함을 이용하여 위치를 추적할 수 있다.
이상 설명된 본 개시에 따른 실시 예는 컴퓨터 상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은, 프로그램 명령어를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.
한편, 상기 컴퓨터 프로그램은 본 개시를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.
본 개시의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 개시에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다.
본 개시에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 개시가 한정되는 것은 아니다. 본 개시에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 개시를 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 개시의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 개시의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 개시의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치
110 : 통신부
120 : 인터페이스부
130 : 메모리
140 : 레이더부
141 : 신호 처리부
142 : 안테나
143 : 송신 안테나 어레이
144 : 수신 안테나 어레이
150 : 전원 공급부
160 : 프로세서
110 : 통신부
120 : 인터페이스부
130 : 메모리
140 : 레이더부
141 : 신호 처리부
142 : 안테나
143 : 송신 안테나 어레이
144 : 수신 안테나 어레이
150 : 전원 공급부
160 : 프로세서
Claims (20)
- 각 단계의 적어도 일부가 프로세서에 의해 수행되는, MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) FMCW((Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더의 신호 처리를 수행하는 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법으로서,
복수의 송신 안테나의 각 송신 안테나를 통해 송신된 복수의 첩(chirp) 신호가 타겟에서 반사되는 반사 신호를 복수의 수신 안테나를 통해 수신하는 단계;
상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신한 각 송신 안테나로부터의 서로 다른 위상을 가지는 수신 신호를 합성하여, 수신 신호 벡터를 생성하는 단계; 및
상기 수신 신호 벡터에 초고해상도 알고리즘을 적용하여 상기 반사 신호의 도래각을 추정하는 단계를 포함하는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 MIMO FMCW 레이더는, 상기 복수의 송신 안테나에서 시분할하여 서로 다른 시간에 상기 첩 신호를 상기 타겟으로 송신하고, 동일한 상기 송신 안테나에서 송신하여 상기 타겟으로부터 반사된 수신 신호를 상기 복수의 수신 안테나에서 동시에 병렬 수신하도록 구성된,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
복수의 상기 송신 안테나들 사이의 이격 거리는 복수의 상기 수신 안테나들 사이의 이격 거리에 기초하여 결정되는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법. - 제 3 항에 있어서,
복수의 상기 송신 안테나들 사이의 이격 거리는 복수의 상기 수신 안테나들 개수에 더 기초하여 결정되는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 MIMO FMCW 레이더로부터 수신된 신호에서 다수의 안테나 어레이로 인해 발생한 각 수신 채널간의 신호 간섭을 확인하는 단계; 및
상기 각 수신 채널간의 신호를 간섭하는 간섭 신호를 제거하는 단계를 더 포함하는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 간섭 신호를 제거하는 단계는,
필터를 이용해서 신호 영역을 추출하는 단계; 및
노이즈에 의한 잡음 신호 영역을 제거하는 단계를 포함하는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 간섭 신호를 제거하는 단계는,
기 설정된 관심 채널에서 수신되는 신호와 인근 채널에서 수신되는 신호간의 에너지 차이를 기반으로 인근 채널에 의해 발생한 상호 간섭 신호를 제거하는 단계를 포함하는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 도래각을 추정하는 단계는,
상기 수신 신호 벡터에 대한 상관 함수를 생성하는 단계;
상기 상관 함수에 EVD(eigenvalue decomposition)를 수행하여, 신호 부분공간과 노이즈 부분공간으로 분리하는 단계; 및
상기 신호 부분공간(ES)과 상기 노이즈 부분공간(EN)에 기반하여 상기 도래각을 산출하는 단계를 포함하는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 도래각을 추정하는 단계는,
상기 신호 부분공간(ES)의 스티어링(steering) 함수와 상기 노이즈 부분공간(EN) 간의 직교성을 이용하여 상기 신호 부분공간(ES)에 포함된 관심 신호의 피크가 예리해지도록 변화시키고, 피크가 예리해진 관심 신호에 기반하여 상기 도래각을 산출하는 단계를 포함하는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 초고해상도 알고리즘은, MUSIC(Multiple Signal Classification Algorithm) 다중 신호 분류 기법인,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신한 상기 수신 신호는, 상기 복수의 송신 안테나의 개수와 상기 복수의 수신 안테나의 개수의 곱에 해당하는 개수의 서로 다른 위상을 갖는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 방법. - MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) FMCW((Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더의 신호 처리를 수행하는 MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치로서,
메모리; 및
상기 메모리와 연결되고, 상기 메모리에 포함된 컴퓨터 판독가능한 명령들을 실행하도록 구성된 하나의 프로세서를 포함하고,
상기 적어도 하나의 프로세서는,
복수의 송신 안테나의 각 송신 안테나를 통해 송신된 복수의 첩(chirp) 신호가 타겟에서 반사되는 반사 신호를 복수의 수신 안테나를 통해 수신하는 동작,
상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신한 각 송신 안테나로부터의 서로 다른 위상을 가지는 수신 신호를 합성하여, 수신 신호 벡터를 생성하는 동작, 및
상기 수신 신호 벡터에 초고해상도 알고리즘을 적용하여 상기 반사 신호의 도래각을 추정하는 동작을 수행하도록 설정되는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 MIMO FMCW 레이더는, 상기 복수의 송신 안테나에서 시분할하여 서로 다른 시간에 상기 첩 신호를 상기 타겟으로 송신하고, 동일한 상기 송신 안테나에서 송신하여 상기 타겟으로부터 반사된 수신 신호를 상기 복수의 수신 안테나에서 동시에 병렬 수신하도록 구성된,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치. - 제 12 항에 있어서,
복수의 상기 송신 안테나들 사이의 이격 거리는 복수의 상기 수신 안테나들 사이의 이격 거리에 기초하여 결정되는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 프로세서는,
상기 MIMO FMCW 레이더로부터 수신된 신호에서 다수의 안테나 어레이로 인해 발생한 각 수신 채널간의 신호 간섭을 확인하는 동작, 및
상기 각 수신 채널간의 신호를 간섭하는 간섭 신호를 제거하는 동작을 더 수행하도록 설정되는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 간섭 신호를 제거하는 동작은,
필터를 이용해서 신호 영역을 추출하는 동작, 및
노이즈에 의한 잡음 신호 영역을 제거하는 동작을 포함하는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 간섭 신호를 제거하는 동작은,
기 설정된 관심 채널에서 수신되는 신호와 인근 채널에서 수신되는 신호간의 에너지 차이를 기반으로 인근 채널에 의해 발생한 상호 간섭 신호를 제거하는 동작을 포함하는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 도래각을 추정하는 동작은,
상기 수신 신호 벡터에 대한 상관 함수를 생성하는 동작,
상기 상관 함수에 EVD(eigenvalue decomposition)를 수행하여, 신호 부분공간과 노이즈 부분공간으로 분리하는 동작, 및
상기 신호 부분공간(ES)과 상기 노이즈 부분공간(EN)에 기반하여 상기 도래각을 산출하는 동작을 포함하는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치. - 제 18 항에 있어서,
상기 도래각을 추정하는 동작은,
상기 신호 부분공간(ES)의 스티어링(steering) 함수와 상기 노이즈 부분공간(EN) 간의 직교성을 이용하여 상기 신호 부분공간(ES)에 포함된 관심 신호의 피크가 예리해지도록 변화시키고, 피크가 예리해진 관심 신호에 기반하여 상기 도래각을 산출하는 동작을 포함하는,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 초고해상도 알고리즘은, MUSIC(Multiple Signal Classification Algorithm) 다중 신호 분류 기법인,
MIMO FMCW 레이더 신호 처리 장치.
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| KR1020220041578A KR20230142929A (ko) | 2022-04-04 | 2022-04-04 | Mimo fmcw 레이더 신호 처리 방법 및 장치 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020220041578A KR20230142929A (ko) | 2022-04-04 | 2022-04-04 | Mimo fmcw 레이더 신호 처리 방법 및 장치 |
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Family
ID=88295560
Family Applications (1)
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Citations (1)
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2022
- 2022-04-04 KR KR1020220041578A patent/KR20230142929A/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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