KR20200129526A - 차량용 레이더 장치, 및 차량용 레이더 제어 방법과 시스템 - Google Patents

차량용 레이더 장치, 및 차량용 레이더 제어 방법과 시스템 Download PDF

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Abstract

본 개시는 차량용 레이더 장치, 차량용 레이더 제어 방법 및 차량용 레이더 제어 시스템에 관한 것이다. 구체적으로 차량용 레이더 장치는 타깃 물체 감지를 위한 송신 신호를 전송하는 신호 송신부, 송신 신호가 타깃 물체에 반사되어 발생하는 타깃 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 신호 수신부 및 수신 신호를 처리하여 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 형성하는 신호 처리부를 포함한다. 구체적으로 신호 처리부는, 수신 신호의 주파수 스펙트럼에 기초하여 윈도우 크기를 계산하고, 윈도우 크기에 기초하여 업첩(up chirp) 주파수와 다운첩(down chirp) 주파수 간의 스펙트럼 유사도를 계산하고, 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 타깃 물체의 길이를 계산한다.

Description

차량용 레이더 장치, 및 차량용 레이더 제어 방법과 시스템{RADAR, AND METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING RADAR}
본 개시는 차량용 레이더 장치, 차량용 레이더 제어 방법 및 차량용 레이더 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 주파수 스펙트럼 유사도를 기준으로 유효성을 판단하여 타깃 물체의 길이를 계산하는 FMCW 레이더, FMCW 레이더 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
레이더(radar)는 전자기파를 방출하고 일정 영역 내에 존재하는 물체에 의해 반사되는 반사파를 수신하여 타깃 물체를 감지하는 장치이다. 차량용 레이더는 차량의 주변에 존재하는 물체를 감지하여 운전자의 주행을 돕는 데 사용된다. 이러한 차량용 레이더는 차량에 장착될 수 있는 다양한 형태의 레이더 장치로 구현될 수 있다.
최근에는 차량 주행에 대한 운전자 편의 및 안전에 대한 관심이 높아지면서, 이러한 차량용 레이더 장치를 이용한 다양한 차량 안전 및 편의 기술이 개발되고 있다. 일 예로, 전방 차량을 감지하고, 감지된 전방 차량을 자동으로 추종하여 주행하도록 하는 스마트 크루즈 기술, 자동 주행 기술 및 자동 긴급 정지 기술 등의 다양한 기술이 개발되고 있다.
차량용 레이더에 의해 도로 주행 상황에서 감지되는 물체는 주로 차량이다. 차량용 레이더에 의해 감지되는 차량의 종류는 다양하고, 그 길이 또한 차종에 따라 다양하다. 감지된 차량의 길이를 알 수 있는 경우, 운전 보조 시스템에서 차량을 구분할 수 있다. 나아가, 여러 물체가 존재하는 경우, 차량의 길이로 타깃 물체를 특정할 수 있다면, 해당 타깃 물체를 추적(tracking)하는 데 도움이 될 수 있다. 이에 따라, 차량용 레이더에 의해 감지된 물체의 길이를 유효하게 추정하는 방법에 대한 개발이 필요한 실정이다.
이러한 배경에서, 본 개시는 FMCW 레이더의 신호 특성을 이용하여 주파수 스펙트럼의 유사성을 기준으로 유효성을 판단하고, 유효한 경우 타깃 물체의 길이를 추정하고자 한다.
전술한 과제에서 안출된 본 개시는, 일 측면에서, 본 개시는 타깃 물체 감지를 위한 송신 신호를 전송하는 신호 송신부, 송신 신호가 타깃 물체에 반사되어 발생하는 타깃 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 신호 수신부 및 수신 신호를 처리하여 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 형성하는 신호 처리부를 포함하는 FMCW 레이더를 제공하며, 여기서 신호 처리부는, 수신 신호의 주파수 스펙트럼에 기초하여 윈도우 크기를 계산하고, 윈도우 크기에 기초하여 업첩(up chirp) 주파수와 다운첩(down chirp) 주파수 간의 스펙트럼 유사도를 계산하고, 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 타깃 물체의 길이를 계산하는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에서, 본 개시는, 타깃 물체 감지를 위한 송신 신호를 전송하는 전송 단계, 송신 신호가 타깃 물체에 반사되어 발생하는 타깃 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 수신 단계, 수신 신호를 처리하여 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 형성하는 주파수 스펙트럼 형성 단계, 수신 신호의 주파수 스펙트럼에 기초하여 윈도우 크기를 계산하는 윈도우 크기 계산 단계, 윈도우 크기에 기초하여 업첩(up chirp) 주파수와 다운첩(down chirp) 주파수 간의 스펙트럼 유사도를 계산하는 스펙트럼 유사도 계산 단계 및 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 타깃 물체의 길이를 계산하는 물체 길이 계산 단계를 포함하는 FMCW 레이더 제어 방법을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 개시는, 타깃 물체 감지를 위한 송신 신호를 전송하고, 송신 신호가 타깃 물체에 반사되어 발생하는 타깃 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 안테나부; 및 송신 신호 및 수신 신호 중 적어도 하나를 처리하는 컨트롤러를 포함하고, 컨트롤러는, 수신 신호를 처리하여 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 형성하고, 수신 신호의 주파수 스펙트럼에 기초하여 윈도우 크기를 계산하고, 윈도우 크기에 기초하여 업첩(up chirp) 주파수와 다운첩(down chirp) 주파수 간의 스펙트럼 유사도를 계산하고, 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 타깃 물체의 길이를 계산하는 것을 특징으로 하는, FMCW 레이더 제어 시스템을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 개시에 의하면, 주파수 스펙트럼의 유사도를 기준으로 유효성을 판단하므로, 차량용 레이더에서 검출되는 신호 정보에 노이즈의 정도를 파악할 수 있고, 타깃 물체의 길이에 대한 정확도가 향상될 수 있다. 나아가, 유효한 정보로 판단되는 경우에만 타깃 물체의 길이를 계산하므로, 계산 복잡성을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 레이더의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 레이더에 의해 검출되는 자차량의 전방 물체를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 레이더에서 수신된 수신 신호로부터 형성된 비트 업첩 및 다운첩 주파수 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 레이더 제어 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 레이더 제어 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서의 차량은, 자동차, 오토바이 등을 포함하는 개념일 수 있다. 또한, 차량은 동력원으로서 엔진을 구비하는 내연기관 차량, 동력원으로서 엔진과 전기 모터를 구비하는 하이브리드 차량, 동력원으로서 전기 모터를 구비하는 전기 차량 등을 모두 포함하는 개념일 수 있다. 이하에서는, 차량에 대해 자동차를 위주로 기술한다.
이하의 설명에서 전방은 차량의 전진 주행 방향을 의미하고, 후방은 차량의 후진 주행 방향을 의미한다. 또한, 차량의 좌측은 차량의 전진 주행 방향의 좌측을 의미하고, 차량의 우측은 차량의 전진 주행 방향의 우측을 의미한다. 또한, 차량의 후측방은 차량의 후진 주행 방향을 기준으로 좌측 또는 우측을 의미한다.
한편, 본 개시에 사용되는 레이더(또는 레이더 센서) 또는 레이더 시스템은 적어도 하나의 차량용 레이더 센서 유닛, 예를 들어 차량의 정면에 장착되는 정면 감지 레이더 센서, 차량의 후방에 장착되는 후방 레이더 센서 및 차량의 각 측방에 장착되는 측방향 또는 측후방 감지 레이더 센서 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 레이더 또는 레이더 시스템은 송신신호 및 수신신호를 분석하여 데이터를 처리하며, 그에 따라 객체에 대한 정보를 검출할 수 있고, 이를 위한 전자 제어 유닛(ECU) 또는 프로세서를 포함할 수 있다. 레이더로부터 ECU로의 데이터 전송 또는 신호 통신은 적절한 차량 네트워크 버스 등과 같은 통신 링크를 이용할 수 있다.
이러한 레이더는 레이더 신호를 송신하는 1 이상의 송신 안테나와 객체로부터 반사된 반사신호를 수신하는 1 이상의 수신 안테나를 포함한다.
한편 본 실시예에 의한 레이더는 실제 안테나 개구(Apeture)보다 큰 가상 안테나 개구를 형성하기 위하여 다차원 안테나 배열 및 다중 입력 다중 출력(Multiple Input Multiple Output)의 신호 송수신 방식을 채택할 수 있다.
예를 들면, 수평 및 수직의 각도 정밀도 및 해상도를 달성하기 위해, 2 차원 안테나 어레이가 사용된다. 2 차원 안테나 어레이를 이용하면 수평 및 수직으로 개별적으로 (시간 다중화 된) 2 회의 스캔에 의해 신호를 송수신하며, 2 차원 레이더 수평 및 수직 스캔 (시간 다중화)과 별도로 MIMO가 이용될 수 있다.
더 구체적으로, 본 실시예에 의한 레이더에서는, 총 12개의 송신 안테나(Tx)를 포함하는 송신안테나부와 16개의 수신안테나(Rx)를 포함하는 수신안테나부로 구성된 2차원 안테나 어레이 구성을 채택할 수 있으며, 결과적으로 총 192개의 가상 수신 안테나 배치를 가질 수 있다.
이 때, 송신안테나부는 4개의 송신 안테나를 포함하는 송신 안테나 그룹을 3개 구비하되, 제1 송신 안테나 그룹은 제2 송신 안테나 그룹과 수직방향으로 일정 거리 이격되고, 제1 또는 2 송신 안테나 그룹은 제3 송신 안테나 그룹과 수평방향으로 일정 거리(D)만큼 이격될 수 있다.
또한, 수신안테나부는 4개의 수신 안테나를 포함하는 4개의 수신 안테나 그룹을 포함할 수 있고, 각 수신안테나 그룹은 수직방향으로 이격되도록 배치되고, 이러한 수신 안테나부는 상기 수평방향으로 이격된 제1 송신안테나 그룹 및 제3 송신 안테나 그룹 사이에 배치될 수 있다.
또한, 다른 실시예에서는, 레이더의 안테나가 2차원 안테나 어레이로 배치되며, 그 예로서 각 안테나 패치가 롬버스(Rhombus) 격자 배치를 가짐으로써 불필요한 사이드 로브를 감소시킬 수 있다.
또는, 2차원 안테나 배열이 다수의 방사 패치가 V자 형상으로 배치되는 V-shape 안테나 어레이를 포함할 수 있으며, 더 구체적으로는 2개의 V자 안테나 어레이를 포함할 수 있다. 이 때에는, 각 V자 안테나 어레이의 꼭지점(Apex)으로 단일 피드(Single Feed)가 이루어진다.
또는, 2차원 안테나 배열이 다수의 방사 패치가 X자 형상으로 배치되는 X-shape 안테나 어레이를 포함할 수 있으며, 더 구체적으로는 2개의 X자 안테나 어레이를 포함할 수 있다. 이 때에는, 각 X자 안테나 어레이의 중심으로 단일 피드(Single Feed)가 이루어진다.
또한, 본 실시예에 의한 레이더는 수직 및 수평방향의 감지 정확도 또는 해상도를 구현하기 위하여, MIMO 안테나 시스템을 이용할 수 있다.
더 구체적으로, MIMO 시스템에서는 각각의 송신 안테나는 서로 구분되는 독립적인 파형을 가지는 신호를 송신할 수 있다. 즉, 각 송신 안테나는 다른 송신 안테나들과 구분되는 독립적인 파형의 신호를 송신하고, 각각의 수신 안테나는 이 신호들의 상이한 파형으로 인해 객체에서 반사된 반사 신호가 어떠한 송신 안테나에서 송신된 것인지 결정할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의한 레이더는 송수신 안테나를 포함하는 기판 및 회로를 수용하는 레이더 하우징과, 레이더 하우징의 외관을 구성하는 레이돔(Radome)을 포함하여 구성될 수 있다. 이 때, 레이돔은 송수신되는 레이더 신호의 감쇄를 감소시킬 수 있는 재료로 구성되며, 레이돔은 차량의 전후방 범퍼, 그릴이나, 측면 차체 또는 차량 구성요소의 외부 표면으로 구성될 수 있다.
즉, 레이더의 레이돔은 차량 그릴, 범퍼, 차체 등의 내부에 배치될 수도 있고, 차량 그릴, 범퍼, 차체 일부와 같이 차량의 외부 표면을 구성하는 부품의 일부분으로 배치됨으로써, 차량 미감을 좋게 하면서도 레이더 장착의 편의성을 제공할 수 있다.
최근에는 차량 주행을 보조하기 위한 시스템에는 레이더를 이용하여 차량의 주변에 존재하는 물체에 대한 정보를 감지하는 기술이 개발되고 있다. 레이더에 의해 감지되는 차량은 그 종류가 다양하며, 그 길이 또한 차종에 따라 다양하다. 감지된 차량의 길이를 알 수 있는 경우, 운전 보조 시스템에서 차량을 구분할 수 있다. 특히, 여러 물체가 존재하는 경우, 차량의 길이로 타깃 물체를 특정할 수 있다면, 해당 타깃 물체를 추적(tracking)하는 데 도움이 될 수 있다.
이에 따라, 레이더 센서에 의해 감지된 물체의 길이를 추정하는 다양한 방식이 개발되고 있다. 종래의 레이더 센서를 활용하여 물체의 길이 정보를 추정하는 방식으로는 주파수 영역에서 레인지 프로파일(range profile)을 이용하는 방식이 있다. 그러나 레인지 프로파일 정보만을 이용하여 물체의 길이를 추정하는 방식은 차량용 레이더 센서 분야에 적용하기 쉽지 않다. 차량에 장착되어 레이더에 의해 감지되는 환경에는 다른 환경과 달리 주변 수많은 오브젝트와 그 특성으로 인해 주파수 정보가 무수히 많고 뒤섞여 나오기 때문이다. 따라서 차량용 레이더 신호를 이용하여 타깃 물체의 길이를 추정하기 위해서는 추정된 길이에 대한 유효성 판단이 필요하다.
본 개시에서는 FMCW 레이더를 이용하여 주파수 스펙트럼의 형상 유사도에 기초한 유효성을 판단하고, 유효한 것으로 판단되는 경우 차량의 길이를 계산하는 차량용 레이더, 및 차량용 레이더 제어 방법 및 시스템을 제안한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 레이더의 구성을 도시한 도면이다.
본 개시의 레이더는 타깃 물체 감지를 위한 송신 신호를 전송하는 신호 송신부(110), 송신 신호가 타깃 물체에 반사되어 발생하는 타깃 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 신호 수신부(120), 및 수신 신호를 처리하는 신호 처리부(130)를 포함한다.
여기서 레이더는 차량의 전방, 후방, 측방, 내부, 외부 중 적어도 어느 한 위치에 배치되는 차량용 레이더를 포함한다. 본 개시의 일 실시예에 따르면, 레이더는 FMCW 레이더이다. 이하에서는 본 개시의 레이더가 FMCW 레이더인 경우를 기준으로 설명한다. 다만, FMCW 레이더를 기준으로 설명하는 것은 이해의 편의를 위한 것으로, 본 개시는 다양한 형태의 레이더에 적용될 수 있다.
레이더의 신호 송신부(110)는 타깃 물체 감지를 위한 송신 신호를 전송하고, 송신 신호는 레이더의 송신 신호의 방사 방향에 존재하는 물체에 의해 반사되고, 이 반사된 신호는 레이더의 신호 수신부(120)에 의해 수신된다. 수신 신호는 송신 신호를 반사함으로써 발생된 타깃 신호를 포함한다. 일 실시예에서, 신호 송신부(110)와 신호 수신부(120)는 하나의 유닛으로 통합적으로 구현되어 신호 송수신부에서 송신 신호를 전송하고 수신 신호를 수신할 수 있다.
일 실시예에서, 신호 송신부(110)에 의해 송신되는 신호는 시간에 따라 선형적으로 스윕(sweep)된 업첩(up chirp)과 다운첩(down chirp) 방식의 신호 파형이다. 송신 신호의 대역폭(BW)이 클수록 신호 처리부(130) 또는 ECU에 의한 표적 검출 성능이 향상될 수 있다. 신호 수신부(120)는 레이더의 송신 신호 방사 방향에 존재하는 하나 이상의 물체(이하에서 타깃, 표적, 오브젝트 등으로도 표현될 수 있음)에 의해 반사된 신호를 수신한다. 이 때, 레이더와 물체와의 왕복 거리만큼의 시간 지연과 물체의 상대 속도에 대한 주파수 편이가 일어난 신호가 신호 수신부(120)에 의해 수신될 수 있다.
본 개시의 신호 처리부(130)는 신호 수신부(120)에 의해 수신된 수신 신호를 처리하여 물체를 검출한다. 일 실시예에서, FMCW 레이더에서 물체를 검출하는 방식은 물체에 대한 거리-속도 맵을 이용하여 피크 전력을 탐지한 후, 미리 설정된 기준 전력을 통해 물체를 선택하는 방식일 수 있다.
본 실시예에서, 신호 처리부(130)는 신호 수신부(120)에 의해 수신된 수신 신호를 처리하여 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 형성하고, 수신 신호의 주파수 스펙트럼에 기초하여 윈도우 크기를 계산하고, 계산된 윈도우 크기에 기초하여 업첩(up chirp) 주파수와 다운첩(down chirp) 주파수 간의 스펙트럼 유사도를 계산하고, 계산된 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 타깃 물체의 길이를 계산한다.
먼저, 본 개시의 신호 처리부(130)는 수신 신호를 처리하여 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 형성한다.
신호 송신부(110)에 의해 방사된 송신 신호와 신호 수신부(120)에 의해 수신된 수신 신호는 도플러 효과 등으로 인하여 차이가 생기고, 이에 따라 비트 주파수(beat frequency)가 생성된다. 다시 말해, 송신 신호와 수신 신호의 주파수 차이를 비트 주파수라 한다. 신호 처리부(130)는 수신 신호의 비트 주파수에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 비트 주파수에 대한 스펙트럼을 형성한다.
일 실시예에서, 본 개시의 레이더의 신호 처리부(130)는 수신 신호로부터 비트 업첩 주파수 스펙트럼(업첩 주파수 스펙트럼 또는 업첩 스펙트럼으로도 기재됨)과 비트 다운첩 주파수 스펙트럼(다운첩 주파수 스펙트럼 또는 다운첩 스펙트럼으로도 기재됨)을 형성한다.
차량용 레이더를 장착한 차량의 전방 또는 차량용 레이더의 송신 신호의 방사 방향에 물체가 존재하는 상황에서, 물체에 대한 업첩 스펙트럼의 형상과 다운첩 스펙트럼의 형상은 유사하다. 스펙트럼에서 추출된 피크 주파수는 물체의 정보를 포함하고 있는 주파수 정보이다. 업첩 구간과 다운첩 구간에 따라 물체에 대한 주파수 정보는 비트 업첩 주파수 fup과 비트 다운첩 주파수 fdn로 구분된다. 여기서 비트 업첩 주파수 fup = fR-fd이고, 비트 다운첩 주파수는 fdn = fR+fd이며, 비트 업첩 주파수와 비트 다운첩 주파수는 도플러 주파수 fd의 2배만큼 차이가 난다. 하나의 물체로부터는 여러 개의 피크 주파수가 나타날 수 있으며, 길이가 길수록 넓은 범위에서 여러 개의 피크 주파수가 확인된다.
이하에서는 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 레이더에 의해 검출되는 자차량의 전방 물체를 도시한 도면이다. 도 3 및 도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 레이더에서 수신된 수신 신호로부터 형성된 비트 업첩 및 다운첩 주파수 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 2는 자차량의 전방을 도시하는 것으로서, 도 2를 참조하면, 자차량은 차로 201 상에서 주행하고 있으며, 자차량의 우측 차로 202에는 전방 차량(타깃 물체)(210)이 존재한다. 타깃 물체(210)는 자차량의 레이더에 의해 검출된다. 구체적으로 레이더는 신호를 방사하고 타깃 물체(210)에 의해 반사된 신호를 수신하여 타깃 물체(210)에 대한 스펙트럼을 형성한다.
도 3에는 타깃 물체에 대한 업첩 주파수 스펙트럼이 도시되어 있고, 도 4에는 타깃 물체에 대한 다운첩 주파수 스펙트럼이 도시되어 있다. 도 3의 박스 310과 도 4의 박스 410으로부터 알 수 있는 바와 같이, 레이더에 의해 검출되는 타깃 물체에 대한 업첩 스펙트럼의 형상과 다운첩 스펙트럼의 형상은 유사하다.
각각의 스펙트럼에서 소정의 맵에 기초하여 피크 주파수가 검출된다. 피크 주파수는 하나의 스펙트럼 내에 복수 개 존재할 수 있다. 업첩 스펙트럼에서 검출된 헤드 주파수(head freaquency)는 도 3에서 2로 표시되어 있고, 테일 주파수(tail frequency)는 도 3에서 1로 표시되어 있다. 마찬가지로, 다운첩 스펙트럼에서 검출된 헤드 주파수는 도 4에서 2로 표시되어 있고, 테일 주파수는 도 4에서 1로 표시되어 있다.
레이더에 의해 검출된 표적 1에 대한 비트 업첩 주파수는 다음과 같다:
Figure pat00001
레이더에 의해 검출된 표적 1에 대한 비트 다운첩 주파수는 다음과 같다:
Figure pat00002
레이더에 의해 검출된 표적 2에 대한 비트 업첩 주파수는 다음과 같다:
Figure pat00003
레이더에 의해 검출된 표적 2에 대한 비트 다운첩 주파수는 다음과 같다:
Figure pat00004
본 개시의 신호 처리부(130)는 수신 신호의 주파수 스펙트럼에 기초하여 윈도우 크기를 계산한다. 윈도우 크기는 차량 전방 또는 차량용 레이더의 송신 신호 방사 방향에 존재하는 물체에 대한 정보, 예컨대, 신호의 파형 정보에 기초한 유효 스펙트럼 범위를 나타낸다. 윈도우 크기는 물체에 대한 업첩 주파수 스펙트럼의 형상과 다운첩 주파수 스펙트럼의 형상을 비교하는 구간의 길이를 지시한다.
일 실시예에서, 본 개시의 레이더의 신호 처리부(130)는 타깃 물체에 대한 비트 업첩 주파수의 헤드 주파수와 테일 주파수 및 비트 다운첩 주파수의 헤드 주파수와 테일 주파수를 이용하여 윈도우 크기를 계산한다.
일 예시로, 트래킹되지 않는 오브젝트에 대한 윈도우 크기 Lw는 다음과 같다:
Figure pat00005
여기서, kup (2)는 업첩 헤드 주파수이고, kup (1)은 업첩 테일 주파수이고, kdn (2)는 다운첩 헤드 주파수이고, kdn (1)은 다운첩 테일 주파수이며, 기호 […]는 버림이다.
다른 예시에서, 트래킹되는 오브젝트에 대한 윈도우 크기 Lw는 다음과 같다:
Figure pat00006
여기서, fup (2)는 업첩 헤드 주파수이고, fup (1)은 업첩 테일 주파수이고, fdn (2)는 다운첩 헤드 주파수이고, fdn (1)은 다운첩 테일 주파수이며, N은 FFT의 포인트 수(예컨대, 2018, 1014 등)이고, fs는 샘플링 주파수이며, 기호 […]는 버림이다.
본 개시의 신호 처리부(130)는 윈도우 크기에 기초하여 업첩(up chirp) 주파수와 다운첩(down chirp) 주파수 간의 스펙트럼 유사도를 계산한다.
구체적으로, 신호 처리부(130)는 윈도우 크기를 이용하여 비트 업첩 주파수와 비트 다운첩 주파수 각각의 크기(magnitude) 스펙트럼 벡터를 추출하고, 추출한 크기 스펙트럼 벡터를 기초로 스펙트럼 유사도를 계산한다.
비트 업첩 주파수 스펙트럼에 대한 크기 스펙트럼 벡터는 다음과 같이 표현된다:
Figure pat00007
비트 다운첩 주파수 스펙트럼에 대한 크기 스펙트럼 벡터는 다음과 같이 표현된다:
Figure pat00008
크기 스펙트럼 벡터는 각각의 주파수 스펙트럼에서의 테일 주파수로부터 윈도우 크기만큼 이격된 범위를 지시하는 벡터로서, 단일 숫자들의 집합으로 표현될 수 있다.
신호 처리부(130)는, 추출한 크기 스펙트럼 벡터를 기초로 업첩과 다운첩 스펙트럼 유사도를 계산한다.
일 실시예에서, 신호 처리부(130)는 추출한 크기 스펙트럼 벡터 간의 상관 계수를 스펙트럼 유사도로 이용한다. 비트 업첩 주파수 스펙트럼과 비트 다운첩 주파수 스펙트럼의 크기 스펙트럼 벡터 간의 상관 계수는 다음과 같다:
Figure pat00009
여기서,
Figure pat00010
은 업첩 주파수에 대한 크기 스펙트럼 벡터의 평균이고,
Figure pat00011
은 다운첩 주파수에 대한 크기 스펙트럼 벡터의 평균이다.
신호 처리부(130)는, 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 타깃 물체의 길이를 계산한다. 스펙트럼 유사도가 일정 값보다 크다는 것은 비트 업첩 주파수 스펙트럼 및 비트 다운첩 주파수 스펙트럼에 노이즈가 상대적으로 적게 포함되어 해당 스펙트럼을 이용하여 타깃 물체의 길이를 추정하기 적합하다는 것을 의미한다.
일 실시예에서, 신호 처리부(130)는, 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 계산된 윈도우 크기 Lw, 빛의 속도 c 및 주파수 대역폭 fBW을 인자로 하는 다음의 수학식을 이용하여 타깃 물체의 길이를 계산한다:
Figure pat00012
본 개시의 차량용 레이더에 따르면, 차량의 주변에 존재하는 물체의 길이에 대한 검출을 수행할 때에, 차량 주변 환경에 의한 노이즈를 고려하여 수신된 신호에 따른 스펙트럼의 유효성을 판단한다. 스펙트럼의 유효성이 일정 범위보다 큰 것으로 판단되는 경우에는 해당 신호의 스펙트럼이 유효한 것으로 보고, 타깃 물체의 길이를 계산할 수 있다. 이에 따라, 타깃 물체의 길이에 대한 정확성이 향상될 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 레이더 제어 방법의 흐름도이다.
본 개시의 레이더 제어 방법은 타깃 물체 감지를 위한 송신 신호를 전송하는 신호 전송 단계(S510), 송신 신호가 타깃 물체에 반사되어 발생하는 타깃 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 신호 수신 단계(S520), 수신 신호를 처리하여 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 형성하는 주파수 스펙트럼 형성 단계(S530), 수신 신호의 주파수 스펙트럼에 기초하여 윈도우 크기를 계산하는 윈도우 크기 계산 단계(S540), 윈도우 크기에 기초하여 업첩(up chirp) 주파수와 다운첩(down chirp) 주파수 간의 스펙트럼 유사도를 계산하는 스펙트럼 유사도 계산 단계(S550) 및 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 타깃 물체의 길이를 계산하는 물체 길이 계산 단계(S560)를 포함한다.
신호 전송 단계는 레이더의 신호 송신부에 의해 수행될 수 있고, 신호 수신 단계는 레이더의 신호 수신부에 의해 수행될 수 있다. 또는, 신호 전송 단계와 신호 수신 단계는 신호 송신부와 신호 수신부를 통합한 하나의 유닛에 의해 수행될 수 있다. 주파수 스펙트럼 형성 단계, 윈도우 크기 계산 단계, 스펙트럼 유사도 계산 단계, 및 물체 길이 계산 단계는 레이더의 신호 처리부에 의해 수행될 수 있다. 참고로, 레이더 제어 방법의 각 단계에 대해서는 전술한 레이더의 신호 송신부, 신호 수신부 및 신호 처리부의 구현에 대한 설명을 참조할 수 있다.
여기서 레이더는 차량의 전방, 후방, 측방, 내부, 외부 중 적어도 어느 한 위치에 배치되는 차량용 레이더를 포함하며, 그 레이더 종류로는 예컨대 FMCW 레이더일 수 있다. 이하에서는 본 개시의 레이더가 FMCW 레이더인 경우를 기준으로 설명한다. 다만, FMCW 레이더를 기준으로 설명하는 것은 이해의 편의를 위한 것으로, 본 개시는 다양한 형태의 레이더에 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 송신 신호는 시간에 따라 선형적으로 스윕(sweep)된 업첩(up chirp)과 다운첩(down chirp) 방식의 신호 파형이다. 송신 신호의 대역폭(BW)이 클수록 신호 처리부 또는 ECU에 의한 표적 검출 성능이 향상될 수 있다. 레이더의 송신 신호 방사 방향에 존재하는 하나 이상의 물체(이하에서 타깃, 표적, 오브젝트 등으로도 표현될 수 있음)에 의해 반사된 신호가 수신된다. 이 때, 이 신호는 레이더와 물체와의 왕복 거리만큼의 시간 지연과 물체의 상대 속도에 대한 주파수 편이가 일어난 신호를 포함한다.
먼저, 레이더는 수신 신호를 처리하여 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 형성한다. 송신 신호와 수신 신호는 도플러 효과 등으로 인하여 차이가 생기고, 이에 따라 비트 주파수가 생성된다. 레이더는 수신 신호의 비트 주파수에 대해 FFT를 수행하여 비트 주파수에 대한 스펙트럼을 형성한다.
일 실시예에서, 본 개시의 레이더는 수신 신호로부터 비트 업첩 주파수 스펙트럼(업첩 주파수 스펙트럼 또는 업첩 스펙트럼으로도 기재됨)과 비트 다운첩 주파수 스펙트럼(다운첩 주파수 스펙트럼 또는 다운첩 스펙트럼으로도 기재됨)을 형성한다. 차량용 레이더를 장착한 차량의 전방 또는 차량용 레이더의 송신 신호의 방사 방향에 물체가 존재하는 상황에서, 물체에 대한 업첩 스펙트럼의 형상과 다운첩 스펙트럼의 형상은 유사하다. 스펙트럼에서 추출된 피크 주파수는 물체의 정보를 포함하고 있는 주파수 정보이다. 하나의 물체로부터는 여러 개의 피크 주파수가 나타날 수 있으며, 길이가 길수록 넓은 범위에서 여러 개의 피크 주파수가 확인된다.
본 개시의 레이더는 수신 신호의 주파수 스펙트럼에 기초하여 윈도우 크기를 계산한다. 윈도우 크기는 차량 전방 또는 차량용 레이더의 송신 신호 방사 방향에 존재하는 물체에 대한 정보, 예컨대, 신호의 파형 정보에 기초한 유효 스펙트럼 범위를 나타낸다. 윈도우 크기는 물체에 대한 업첩 주파수 스펙트럼의 형상과 다운첩 주파수 스펙트럼의 형상을 비교하는 구간의 길이를 지시한다.
일 실시예에서, 본 개시의 레이더는 타깃 물체에 대한 비트 업첩 주파수의 헤드 주파수와 테일 주파수 및 비트 다운첩 주파수의 헤드 주파수와 테일 주파수를 이용하여 윈도우 크기를 계산한다.
일 예시로, 트래킹되지 않는 오브젝트에 대한 윈도우 크기 Lw는 다음과 같다:
Figure pat00013
여기서, kup (2)는 업첩 헤드 주파수이고, kup (1)은 업첩 테일 주파수이고, kdn (2)는 다운첩 헤드 주파수이고, kdn (1)은 다운첩 테일 주파수이며, 기호 […]는 버림이다.
다른 예시에서, 트래킹되는 오브젝트에 대한 윈도우 크기 Lw는 다음과 같다:
Figure pat00014
여기서, fup (2)는 업첩 헤드 주파수이고, fup (1)은 업첩 테일 주파수이고, fdn (2)는 다운첩 헤드 주파수이고, fdn (1)은 다운첩 테일 주파수이며, N은 FFT의 포인트 수(예컨대, 2018, 1014 등)이고, fs는 샘플링 주파수이며, 기호 […]는 버림이다.
본 개시의 레이더는 윈도우 크기에 기초하여 업첩(up chirp) 주파수와 다운첩(down chirp) 주파수 간의 스펙트럼 유사도를 계산한다.
구체적으로, 레이더는 윈도우 크기를 이용하여 비트 업첩 주파수와 비트 다운첩 주파수 각각의 크기(magnitude) 스펙트럼 벡터를 추출하고, 추출한 크기 스펙트럼 벡터를 기초로 스펙트럼 유사도를 계산한다.
비트 업첩 주파수 스펙트럼에 대한 크기 스펙트럼 벡터는 다음과 같이 표현된다:
Figure pat00015
비트 다운첩 주파수 스펙트럼에 대한 크기 스펙트럼 벡터는 다음과 같이 표현된다:
Figure pat00016
크기 스펙트럼 벡터는 각각의 주파수 스펙트럼에서의 테일 주파수로부터 윈도우 크기만큼 이격된 범위를 지시하는 벡터로서, 단일 숫자들의 집합으로 표현될 수 있다.
레이더는, 추출한 크기 스펙트럼 벡터를 기초로 업첩과 다운첩 스펙트럼 유사도를 계산한다.
일 실시예에서, 레이더는 추출한 크기 스펙트럼 벡터 간의 상관 계수를 스펙트럼 유사도로 이용한다. 비트 업첩 주파수 스펙트럼과 비트 다운첩 주파수 스펙트럼의 크기 스펙트럼 벡터 간의 상관 계수는 다음과 같다:
Figure pat00017
여기서,
Figure pat00018
은 업첩 주파수에 대한 크기 스펙트럼 벡터의 평균이고,
Figure pat00019
은 다운첩 주파수에 대한 크기 스펙트럼 벡터의 평균이다.
레이더는, 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 타깃 물체의 길이를 계산한다. 스펙트럼 유사도가 일정 값보다 크다는 것은 비트 업첩 주파수 스펙트럼 및 비트 다운첩 주파수 스펙트럼에 노이즈가 상대적으로 적게 포함되어 해당 스펙트럼을 이용하여 타깃 물체의 길이를 추정하기 적합하다는 것을 의미한다.
일 실시예에서, 레이더는, 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 계산된 윈도우 크기 Lw, 빛의 속도 c 및 주파수 대역폭 fBW을 인자로 하는 다음의 수학식을 이용하여 타깃 물체의 길이를 계산한다:
Figure pat00020
본 개시의 차량용 레이더를 제어하는 방법에 따르면, 차량의 주변에 존재하는 물체의 길이에 대한 검출을 수행할 때에, 차량 주변 환경에 의한 노이즈를 고려하여 수신된 신호에 따른 스펙트럼의 유효성을 판단한다. 스펙트럼의 유효성이 일정 범위보다 큰 것으로 판단되는 경우에는 해당 신호의 스펙트럼이 유효한 것으로 보고, 타깃 물체의 길이를 계산할 수 있다. 이에 따라, 타깃 물체의 길이에 대한 정확성이 향상될 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 레이더 제어 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
본 개시의 레이더 제어 시스템(600)은 타깃 물체 감지를 위한 송신 신호를 전송하고, 송신 신호가 타깃 물체에 반사되어 발생하는 타깃 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 안테나부(610)와 송신 신호 및 수신 신호 중 적어도 하나를 처리하는 컨트롤러(620)를 포함한다.
구체적으로 컨트롤러(620)는, 수신 신호를 처리하여 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 형성하고, 수신 신호의 주파수 스펙트럼에 기초하여 윈도우 크기를 계산하고, 윈도우 크기에 기초하여 업첩(up chirp) 주파수와 다운첩(down chirp) 주파수 간의 스펙트럼 유사도를 계산하고, 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 타깃 물체의 길이를 계산한다.
레이더 제어 시스템의 안테나부는 레이더의 신호 송신부 및/또는 신호 수신부에 대응하는 구성이고, 레이더 제어 시스템의 컨트롤러는 레이더의 신호 처리부에 대응하는 구성이다. 따라서, 안테나부와 컨트롤러에 대한 구체적인 설명은 레이더의 신호 송신부, 신호 수신부 및 신호 처리부 각각에 대한 설명을 참조할 수 있으므로, 여기서 다시 상세하게 서술하지 않는다.
이상에서 설명한 "시스템", "프로세서", "컨트롤러", "컴포넌트", "모듈", "인터페이스", "모델", "유닛" 등의 용어는 일반적으로 컴퓨터 관련 엔티티 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어 또는 실행 중인 소프트웨어를 의미할 수 있다. 예를 들어, 전술한 구성요소는 프로세서에 의해서 구동되는 프로세스, 프로세서, 컨트롤러, 제어 프로세서, 개체, 실행 스레드, 프로그램 및/또는 컴퓨터일 수 있지만 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 컨트롤러 또는 프로세서에서 실행 중인 애플리케이션과 컨트롤러 또는 프로세서가 모두 구성 요소가 될 수 있다. 하나 이상의 구성 요소가 프로세스 및/또는 실행 스레드 내에 있을 수 있으며 구성 요소는 한 시스템에 위치하거나 두 대 이상의 시스템에 배포될 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상에서의 설명 및 첨부된 도면은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 나타낸 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 구성의 결합, 분리, 치환 및 변경 등의 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 개시에 개시된 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 개시의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 타깃 물체 감지를 위한 송신 신호를 전송하는 신호 송신부;
    상기 송신 신호가 상기 타깃 물체에 반사되어 발생하는 타깃 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 신호 수신부; 및
    상기 수신 신호를 처리하여 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 형성하는 신호 처리부
    를 포함하고,
    상기 신호 처리부는,
    상기 수신 신호의 주파수 스펙트럼에 기초하여 윈도우 크기를 계산하고,
    상기 윈도우 크기에 기초하여 업첩(up chirp) 주파수와 다운첩(down chirp) 주파수 간의 스펙트럼 유사도를 계산하고,
    상기 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 상기 타깃 물체의 길이를 계산하는 것을 특징으로 하는, FMCW 레이더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 수신 신호로부터 비트 업첩 주파수 스펙트럼과 비트 다운첩 주파수 스펙트럼을 형성하고,
    상기 비트 업첩 주파수의 헤드 주파수와 테일 주파수 및 상기 비트 다운첩 주파수의 헤드 주파수와 테일 주파수를 이용하여 상기 윈도우 크기를 계산하는 것을 특징으로 하는, FMCW 레이더.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 윈도우 크기를 이용하여 상기 비트 업첩 주파수와 상기 비트 다운첩 주파수 각각의 크기(magnitude) 스펙트럼 벡터를 추출하고,
    상기 추출한 크기 스펙트럼 벡터를 기초로 스펙트럼 유사도를 계산하는 것을 특징으로 하는, FMCW 레이더.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 추출한 크기 스펙트럼 벡터 간의 상관 계수를 스펙트럼 유사도로 이용하는 것을 특징으로 하는, FMCW 레이더.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 상기 계산된 윈도우 크기, 빛의 속도 및 주파수 대역폭을 인자로 상기 타깃 물체의 길이를 계산하는 것을 특징으로 하는, FMCW 레이더.
  6. 타깃 물체 감지를 위한 송신 신호를 전송하는 신호 전송 단계;
    상기 송신 신호가 상기 타깃 물체에 반사되어 발생하는 타깃 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 신호 수신 단계;
    상기 수신 신호를 처리하여 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 형성하는 주파수 스펙트럼 형성 단계;
    상기 수신 신호의 주파수 스펙트럼에 기초하여 윈도우 크기를 계산하는 윈도우 크기 계산 단계;
    상기 윈도우 크기에 기초하여 업첩(up chirp) 주파수와 다운첩(down chirp) 주파수 간의 스펙트럼 유사도를 계산하는 스펙트럼 유사도 계산 단계; 및
    상기 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 상기 타깃 물체의 길이를 계산하는 물체 길이 계산 단계
    를 포함하는 FMCW 레이더 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    주파수 스펙트럼 형성 단계는,
    상기 수신 신호로부터 비트 업첩 주파수 스펙트럼과 비트 다운첩 주파수 스펙트럼을 형성하고,
    상기 윈도우 크기 계산 단계는,
    상기 비트 업첩 주파수의 헤드 주파수와 테일 주파수 및 상기 비트 다운첩 주파수의 헤드 주파수와 테일 주파수를 이용하여 상기 윈도우 크기를 계산하는 것을 특징으로 하는, FMCW 레이더 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스펙트럼 유사도 계산 단계는,
    상기 윈도우 크기를 이용하여 상기 비트 업첩 주파수와 상기 비트 다운첩 주파수 각각의 크기(magnitude) 스펙트럼 벡터를 추출하고,
    상기 추출한 크기 스펙트럼 벡터를 기초로 스펙트럼 유사도를 계산하는 것을 특징으로 하는, FMCW 레이더 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스펙트럼 유사도 계산 단계는,
    상기 추출한 크기 스펙트럼 벡터 간의 상관 계수를 스펙트럼 유사도로 이용하는 것을 특징으로 하는, FMCW 레이더 제어 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 물체 길이 계산 단계는,
    상기 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 상기 윈도우 크기에 기초하여 상기 타깃 물체의 길이를 계산하는 것을 특징으로 하는, FMCW 레이더 제어 방법.
  11. 타깃 물체 감지를 위한 송신 신호를 전송하고, 상기 송신 신호가 상기 타깃 물체에 반사되어 발생하는 타깃 신호를 포함하는 수신 신호를 수신하는 안테나부; 및
    상기 송신 신호 및 상기 수신 신호 중 적어도 하나를 처리하는 컨트롤러
    를 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 수신 신호를 처리하여 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 형성하고,
    상기 수신 신호의 주파수 스펙트럼에 기초하여 윈도우 크기를 계산하고,
    상기 윈도우 크기에 기초하여 업첩(up chirp) 주파수와 다운첩(down chirp) 주파수 간의 스펙트럼 유사도를 계산하고,
    상기 스펙트럼 유사도가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우, 상기 타깃 물체의 길이를 계산하는 것을 특징으로 하는, FMCW 레이더 제어 시스템.
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