KR20180101002A

KR20180101002A - Angle Estimation Method and Apparatus for Automotive Radars

Info

Publication number: KR20180101002A
Application number: KR1020170027663A
Authority: KR
Inventors: 신동승; 정소희; 박미룡; 이수인
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2037-03-03
Also published as: KR102059689B1

Abstract

When an angle is estimated in an FMCW radar system having a plurality of reception antennas, DBF (Digital Beamforming) is performed using an angle estimated by using a phase difference. After that, the presence or absence of an actual target is determined in the vicinity of the estimated angle through the DBF method. If there is no target, DBF is performed on the entire range of a FOV to finally determine whether the target exists. So, it is possible to increase the accuracy of the estimated angle and the calculation processing speed. In the present invention, the phase difference angle estimation is performed first, and the DBF is performed around the corresponding angle to verify a result. After that, the DBF is performed on the whole angle when the result is different. It is possible to ensure the accuracy of the angle estimation.

Description

Technical Field [0001] The present invention relates to an angle estimation method and apparatus for estimating an angle of a vehicle radar,

본 발명은 다수의 수신안테나를 가지는 FMCW 레이더 시스템에서 각도를 추정할 때 위상차를 이용하여 추정한 각도를 이용하여 DBF를 수행한 후, DBF를 통해 추정한 각도의 부근에서 실제 표적의 존재 여부를 판단하고, 표적이 존재하지 않을 경우 FOV 전체 범위에 대해 DBF를 수행함으로써 표적의 존재 여부를 최종 판단함으로써 추정 각도의 정확도와 계산 처리 속도를 향상시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.In an FMCW radar system having a plurality of reception antennas, the present invention performs a DBF using an angle estimated using a phase difference when estimating an angle, and then determines whether or not an actual target exists in the vicinity of an angle estimated through the DBF And more particularly to a method and an apparatus for improving the accuracy of an estimated angle and a calculation processing speed by finally determining whether or not a target exists by performing DBF on the entire FOV range when no target exists.

레이다 시스템은 표적(target)을 탐지하기 위해 고안된 신호를 송신하고 표적이 반사한 신호를 수신하여 신호처리를 함으로써 표적을 탐지하는 시스템이다. 이때 신호를 송신할 때는 1) CW(continuous wave)라는 주파수가 일정한 신호를 계속 송신하거나, 2) FMCW(frequency modulated CW)라는 주파수가 일정하게 변하는 신호를 특정 시간 동안 송신하거나, 3) 특정 시간 동안 A 주파수의 신호를 송신하고 다른 특정 시간 동안 B 주파수의 신호를 송신하거나, 4) 그 외의 다양한 방법의 신호를 사용한다. A radar system is a system that detects a target by transmitting a signal designed to detect the target, receiving the signal reflected by the target, and performing signal processing. At this time, when the signal is transmitted, 1) a constant wave of a continuous wave (CW) is continuously transmitted, 2) a signal whose frequency is constantly changed by FMCW (frequency modulated CW) is transmitted for a specific time, or 3) A signal of the frequency A and a signal of the B frequency for another specific time, or 4) using signals of various other methods.

도 1a의 (a)와 같이 업처프(up-chirp)와 다운처프(down-chirp)로 구성된 삼각형 모양의 주파수 변조를 사용하는 FMCW 방식의 신호를 사용하는 것을 예로 들면 (b)의 수식을 이용하여 표적의 거리와 속도를 검출할 수 있다. 여기서

이고, f _B,up 은 업처프에서 검출된 표적에 해당하는 비트 주파수이고, f _B,dn 은 다운처프에서 검출된 표적에 해당하는 비트 주파수이다. 그러나 도 1a의 신호를 사용하면 표적의 거리와 속도를 측정할 수 있지만, 각도는 다른 방법을 사용해서 측정해야 한다. 각도를 측정하기 위해서는 2개 이상의 수신안테나를 사용해야 한다. 도 1b는 본 발명의 발명 대상이 되는 차량용 레이다 센서(S100)의 송신안테나(TX Antenna)와 수신안테나(RX Antenna)의 구성에 대한 예로서, 1개의 송신안테나(T100)와 M개의 수신안테나(R100)로 구성된 사례를 나타낸다.As an example of using the FMCW system signal using the triangular frequency modulation composed of up-chirp and down-chirp as shown in FIG. 1A, the equation (b) So that the distance and speed of the target can be detected. here

F _{B, up} is the bit frequency corresponding to the target detected in the upchip, and f _B, d n is the bit frequency corresponding to the target detected in the down chirp. However, although the distance and velocity of the target can be measured using the signal of FIG. 1a, the angle must be measured using other methods. Two or more receive antennas must be used to measure the angle. 1B shows an example of the configuration of a TX antenna and a RX antenna of a radar sensor S100 for a vehicle to which the present invention is applied and includes one transmission antenna T100 and M reception antennas R100).

각도를 측정하기 위한 방법에는 몇 가지가 있지만 차량용 레이다 시스템에서는 도 2와 같이 두 개의 수신안테나로 수신된 신호의 위상차(phase difference)를 이용해 각도를 측정하고 있다. 도 2의 (a)에서와 같이 레이다 센서(S100)에서 TX1으로부터 표적 차량에 대해 레이다 파형을 전송하고 2개의 수신안테나 RX1, RX2로 신호를 수신하였을 때, 표적 차량에서 반사되는 신호를 평파로 가정하고 각 수신안테나에 도달하는 신호를 수학적으로 모델링하면 도 2의 (b)와 같이 된다. 도 2의 (b)에서 안테나1과 표적 차량과의 거리가 조금 더 멀기 때문에 안테나2로 신호가 도달했을 때와 비교하면 τ 만큼의 시간 차이가 발생한다. 안테나1로 수신된 신호를

라 하면, 안테나2로 수신된 신호는

로 표현되며, 위상차는

가 된다. 따라서 표적과의 각도는 수식

로 구할 수 있다.There are several methods for measuring angles. However, in a radar system for a vehicle, the angle is measured using a phase difference between signals received by two receiving antennas as shown in FIG. As shown in FIG. 2A, when the radar sensor S100 transmits a radar waveform to the target vehicle from the TX1 and receives signals from the two reception antennas RX1 and RX2, the signal reflected from the target vehicle is assumed to be a flat- And mathematically modeling a signal arriving at each reception antenna is as shown in FIG. 2 (b). In Fig. 2 (b), since the distance between the antenna 1 and the target vehicle is slightly longer, a time difference of τ is generated compared to when the signal reaches the antenna 2. The signal received by antenna 1

, The signal received by the antenna 2 is

, And the phase difference is expressed by

. Therefore,

.

하지만 이 방법에는 같은 거리에 2개 이상의 표적이 존재할 때에는 표적의 각도를 정확히 측정할 수 없는 문제가 있다. 구체적인 예를 들면 도 3과 같이 같은 거리에 있으면서 방위각이 서로 반대 방향인 두 표적에서 반사되는 신호는 수신안테나1과 수신안테나2에 동일하게 나타나기 때문에 위상차가 0이 되어 표적 각도가 0°로 나타나게 된다.However, this method has a problem that the angle of the target can not be accurately measured when there are two or more targets at the same distance. For example, as shown in FIG. 3, signals reflected from two targets having the same distance from each other and having azimuth angles opposite to each other appear at the receiving antenna 1 and the receiving antenna 2, so that the phase difference becomes 0 and the target angle is 0 ° .

앞에서 설명한 과정 중에서 수신 신호 간의 위상차를 이용한 각도 추정 방법은 간단하고 처리속도가 빠른 장점을 갖지만 같은 거리에 있는 다수의 표적을 정확히 구분하기 힘든 문제점이 있다. 이에 본 발명은 종래의 각도 추정 방법을 개량하여 각도 추정의 정확성을 확보하는 방법을 제안하고자 한다.In the process described above, the angle estimation method using the phase difference between the received signals is simple and has a high processing speed, but it is difficult to accurately identify a plurality of targets at the same distance. Accordingly, the present invention proposes a method of improving the accuracy of angle estimation by improving the conventional angle estimation method.

본 발명은 다수의 수신안테나를 가지는 FMCW 레이더 시스템에서 각도를 추정할 때 위상차를 이용하여 추정한 각도 부근에서 DBF(Digital Beamforming) 방법을 통해 실제 표적의 존재 여부를 판단하고, 표적이 존재하지 않을 경우 FOV 전체 범위에 대해 DBF를 수행함으로써 표적의 존재 여부를 최종적으로 판단함으로써 추정 각도의 정확도와 계산 처리 속도를 향상시키는 방법을 제공한다.In the FMCW radar system having a plurality of receiving antennas, it is determined whether or not an actual target exists by using a DBF (Digital Beamforming) method in the vicinity of an angle estimated using a phase difference when estimating an angle. The DBF is performed on the entire range of the FOV to determine the final existence of the target, thereby providing a method of improving the accuracy of the estimation angle and the calculation processing speed.

본 발명에서는 위상차를 이용한 각도 추정을 먼저 수행하고 해당 각도 주변에서 DBF를 수행하여 결과를 검증한 후, 결과가 상이한 경우 전체 각도에 대해 DBF를 수행한다. In the present invention, the angle estimation using the phase difference is first performed, the DBF is performed around the angle, and the result is verified. If the result is different, the DBF is performed on the whole angle.

본 발명의 한 특징에 따르면, 다수의 수신안테나로 수신된 신호로부터 위상차를 이용하여 각도를 추정하는 단계, 추정된 각도 부근에서 DBF를 수행하는 단계, 피크 검출을 확인하여, 만일 DBF를 수행했을 때 해당 각도 부근에서 피크가 검출되지 않을 경우에는 탐지하고자 하는 전체 입사각도 범위에 대해 DBF를 수행하는 단계, DBF 수행 후 다시 피크를 검출하고 피크가 검출된 위치에 대응하는 각도를 레이다 입사 각도로 결정하는 단계를 포함하는, 차량 레이다용 각도 추정 방법이 제안된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for estimating an angle, comprising: estimating an angle from a signal received by a plurality of reception antennas using a phase difference; performing DBF in the vicinity of an estimated angle; checking peak detection; Performing a DBF on the entire incident angle range to be detected when a peak is not detected in the vicinity of the angle, detecting a peak again after DBF is performed, and determining an angle corresponding to a position where the peak is detected to be a radar incidence angle A method for estimating an angle for a vehicle radar is proposed.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 다수의 수신안테나로 수신된 신호로부터 위상차를 이용하여 각도를 추정하는 수단, 추정된 각도 부근에서 DBF를 수행하는 수단, 피크 검출을 확인하여, 만일 DBF를 수행했을 때 해당 각도 부근에서 피크가 검출되지 않을 경우에는 탐지하고자 하는 전체 입사각도 범위에 대해 DBF를 수행하는 수단, DBF 수행 후 다시 피크를 검출하고 피크가 검출된 위치에 대응하는 각도를 레이다 입사 각도로 결정하는 수단을 포함하는, 차량 레이다용 각도 추정 장치가 제안된다.According to another aspect of the present invention there is provided a receiver comprising means for estimating an angle using a phase difference from a signal received at a plurality of receive antennas, means for performing a DBF at an estimated angle, Means for performing a DBF on the entire incident angle range to be detected when a peak is not detected in the vicinity of the relevant angle; means for detecting a peak again after performing the DBF and determining an angle corresponding to a position where the peak is detected to be a radar incidence angle A vehicle radar angle estimating device is proposed.

이상의 본 발명의 구성은 추후 설명하는 도면과 실시형태의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.The above-described configuration of the present invention will become more apparent from the following description of the drawings and embodiments.

본 발명에서는 위상차 각도 추정을 먼저 수행하고 해당 각도 주변에서 DBF를 수행하여 결과를 검증한 후, 결과가 상이한 경우 전체 각도에 대해 DBF를 수행하므로, DBF만 적용한 경우의 신호처리 소요시간이 과도한 문제를 해결하고, 위상차 각도 추정만 적용한 경우의 단일 표적 검출이라는 한계를 해결할 수 있다.In the present invention, since the phase difference angle estimation is performed first, DBF is performed around the corresponding angle, and the result is verified. When the result is different, the DBF is performed on the whole angle. Therefore, And solves the limitation of single target detection when only the phase difference angle estimation is applied.

도 1a:. 종래의 FMCW 파형을 이용한 표적의 거리 및 속도 검출 방법의 개념도
도 1b: 송신안테나와 다수의 수신안테나로 구성된 차량용 레이다 센서 시스템의 예시도
도 2: 종래의 위상차를 이용한 각도 측정 방법의 개념도
도 3: 도 2의 경우의 문제점을 설명하기 위한 모식도
도 4: 각도 측정을 위한 DBF 방법의 개념도
도 5: 본 발명에 따른 방법의 처리 순서도
도 6: 본 발명에 의한 DBF 적용의 결과 파형도
도 7: 본 발명에 따른 각도 검출 방법을 설명하기 위한 구체적 사례
도 8: 본 발명에 따른 각도 검출 방법을 수행하는 장치의 실시예를 설명하기 위한 구성도1a: Fig. A conceptual diagram of a distance and speed detection method of a target using a conventional FMCW waveform
1B is an exemplary diagram of a radar sensor system for a vehicle comprising a transmitting antenna and a plurality of receiving antennas
2 is a conceptual diagram of an angle measurement method using a conventional phase difference;
3: A schematic diagram for explaining the problem in the case of Fig. 2
Figure 4: Conceptual diagram of DBF method for angle measurement
Figure 5: Process flow diagram of the method according to the invention
Figure 6: Waveform of the result of DBF application according to the present invention
7: Specific examples for explaining the angle detection method according to the present invention
8 is a diagram for explaining an embodiment of an apparatus for performing an angle detection method according to the present invention

도 4는 본 발명에 활용한 DBF 방법에 의한 각도 측정의 개념도이다. DBF를 사용하여 지정된 각도 범위에 대해 일련의 신호처리 작업을 수행함으로써 표적이 존재하는 방위각을 탐지할 수 있다. 4 is a conceptual diagram of angle measurement by the DBF method utilized in the present invention. By performing a series of signal processing operations on the specified angular range using the DBF, the azimuth in which the target is present can be detected.

도 4는 DBF의 한 예를 나타내는 것으로서, 도 4에 따르면 (a)와 같이 신호(ith source)가 M개의 안테나 소자(element)로 입사될 때, (b)와 같이 각 안테나 소자에 수신된 신호(x₁(t)~x_M(t))에 입사각도에 따른 가중치(w^* ₁~w^* _M)를 곱하고 그 합(y(t))을 구한 후, (c)의 수식을 써서 각 입사각도에 대해 출력을 계산하고, 최종적으로, 출력이 가장 크게 나타나는 입사각도를 표적의 각도로 결정한다.4 shows an example of a DBF. Referring to FIG. 4, when a signal i th source is incident on M antenna elements as shown in FIG. 4A, (T) by multiplying the signals x ₁ (t) to x _M (t) by the weights w ^* ₁ to w ^* _M according to incident angles and obtaining the sum y (t) The output is calculated for each incident angle, and finally, the incident angle at which the output is the largest is determined as the angle of the target.

도 5는 본 발명에 따른 각도 추정 방법의 처리 순서도이다. 5 is a flowchart of a method of estimating an angle according to the present invention.

먼저 2개의 수신안테나로 수신된 신호로부터 위상차를 이용하여 각도를 추정한다(10). First, the angle is estimated using the phase difference from the signals received by the two reception antennas (10).

다음에 추정된 각도의 부근에서 DBF를 수행한다(20). Next, DBF is performed in the vicinity of the estimated angle (20).

피크(peak) 검출을 확인하여(30) 만일 DBF를 수행했을 때 해당 각도 부근에서 peak가 검출되지 않을 경우에는 탐지하고자 하는 전체 입사각도 범위에 대해 DBF를 수행한다(40). (30) If the peak is not detected in the vicinity of the angle when DBF is performed, the DBF is performed on the entire incident angle range to be detected (40).

DBF 수행 후 다시 peak를 검출하고(50) peak가 검출된 위치에 대응하는 각도를 입사각도로 결정한다(60). After performing the DBF, the peak is detected again (50) and the angle corresponding to the position where the peak is detected is determined as the incident angle (60).

이때 DBF를 수행한 후 검출되는 peak는 하나 이상이 될 수 있는데, 이는 표적이 1개 이상이 존재함을 의미하는 것이다. In this case, the peak to be detected after DBF is performed may be one or more, which means that at least one target exists.

본 발명의 방법에 대해 보다 구체적으로 설명하자면, 레이다의 전체 FOV(field of view)를 [-V, V]로 표현하고, 표적이 위치한 각도를 A={a1, a2, ..., an}라고 정의하면, A∈FOV라는 관계가 성립한다. To describe the method of the present invention more specifically, the entire field of view (FOV) of the radar is expressed as [-V, V] and the angle at which the target is located is defined as A = {a1, a2, , The relation A∈FOV holds.

단계 10 이후에 추정한 각도를 θ라고 하고, 단계 20에서 DBF를 수행할 각도 범위를 mFOV=[θ-a, θ+a]로 조정한다. 이 때 a는 추정한 각도 θ의 오차를 감안하여 DBF를 수행할 범위를 설정하기 위해 임의로 선택한 값이며, 노이즈에 의한 측정 오차를 감안하여 선택하거나 필요한 여러 요소를 감안하여 선택한 값인바, 본 발명에서는 구체적인 선택 방법은 생략하기로 한다. The angle estimated after Step 10 is?, And the range of angles in which DBF is to be performed is adjusted to mFOV = [? - a,? + A] in Step 20. In this case, a is a value arbitrarily selected in order to set a range for performing the DBF in consideration of the error of the estimated angle &thetas; and it is a value selected by considering a measurement error due to noise or a selected value considering various necessary factors. A concrete selection method will be omitted.

단계 20에서 DBF를 수행한 후 피크 검출을 확인(30)한다. 피크가 검출되면 표적이 mFOV 범위 안에 위치한다는 것을 의미하며 피크가 검출된 위치에 대응하는 각도를 표적의 각도로 결정한다(60). 만일 피크가 검출되지 않으면 표적이 mFOV 범위 밖에 위치한다는 것을 의미하므로, DBF를 수행할 각도범위를 FOV=[-V, V]로 조정한 후 DBF를 수행한다(40). 다시 피크를 검출하고(50) 피크가 검출된 위치에 대응하는 각도를 입사각도로 결정한다(60).After performing DBF in step 20, peak detection is confirmed (30). If a peak is detected, this means that the target is within the mFOV range, and the angle corresponding to the position at which the peak is detected is determined as the angle of the target (60). If the peak is not detected, it means that the target is located outside the mFOV range. Therefore, the DBF is performed after the angle range for performing the DBF is adjusted to FOV = [- V, V]. The peak is detected again (50) and the angle corresponding to the position where the peak is detected is determined as the incident angle (60).

도 6은 2개의 표적이 2m 거리에서 각각 -45°, 60°의 위치에 있을 때, FOV가 ―90도~90도인 영역에 대해 1도 간격으로 본 발명의 각도 추정 방법을 수행한 결과를 나타내는 파형도이다. 도 6을 보면, ―45도 지점과 60도 지점에 표적1과 2가 존재함을 추정할 수 있다.Figure 6 shows the result of performing the angle estimation method of the present invention at 1 degree intervals for an area where the FOV is between -90 degrees and 90 degrees when the two targets are at -45 degrees and 60 degrees respectively at a distance of 2 meters Fig. 6, it can be estimated that targets 1 and 2 are present at a point of -45 degrees and a point of 60 degrees.

도 7은 본 발명을 설명하기 위한 각도 검출 사례를 나타낸다. Fig. 7 shows an example of angle detection for explaining the present invention.

도 7의 (a)는 a1 각도 방향에 1개의 표적이 있고, 위상차를 이용하여 θ를 각도로 추정한 후, mFOV=[θ-a, θ+a]에 대해 DBF를 수행하여 a1 각도에서 피크를 검출한 사례를 나타낸다. 7A, there is one target in the angular direction of a1, and DBF is performed on mFOV = [theta] -a, [theta] + a] after estimating the angle by using the phase difference, Is detected.

도 7의 (b)는 a1과 a2 각도 방향에 2개의 표적이 있고, 위상차를 이용하여 θ를 각도로 추정한 후, mFOV=[θ-a, θ+a]에 대해 DBF를 수행하여 피크를 검출하지 못하고, FOV 전체 범위에 대해 DBF를 수행하여 a1 각도와 a2 각도에서 피크를 검출한 사례를 나타낸다. 7B, there are two targets in the angular directions of a1 and a2. After estimating the angle with θ using the phase difference, DBF is performed on mFOV = [θ-a, θ + a] And DBF is performed for the entire range of the FOV to detect a peak at the a1 angle and the a2 angle.

도 7의 (c)는 a1과 a2 각도 방향에 2개의 표적이 있고, 위상차를 이용하여 θ를 각도로 추정한 후, mFOV=[θ-a, θ+a]에 대해 DBF를 수행하여 a1 각도와 a2 각도에서 피크를 검출한 사례를 나타낸다. FIG. 7C shows two targets in the angular directions of a1 and a2. After estimating the angle θ using the phase difference, DBF is performed on mFOV = [θ-a, θ + a] And a2 angle.

한편, 이상에서 도면과 함께 설명한 본 발명의 각도 추정 방법은, 각 수행 단계를 실행 또는 처리하는 장치로서 구현가능하다. 도 8은 본 발명의 각도 추정 방법을 실행하기 위한 장치의 한 실시예를 나타낸다.Meanwhile, the angle estimation method of the present invention described above with reference to the drawings can be implemented as an apparatus that executes or processes each execution step. 8 shows an embodiment of an apparatus for carrying out the angle estimation method of the present invention.

FMCW 신호를 생성하기 위한 파형생성부(waveform generator)(100), FMCW 신호를 송신하기 위한 하나 이상의 전송안테나(T100), 표적에 의해 반사된 신호를 수신하여 DBF 각도 추정을 수행하기 위한 다수의(예를 들어, 세 개 이상)의 수신안테나(R100), 기저대역의 아날로그 신호를 얻기 위해 송신된 FMCW 신호와 수신된 신호를 곱하는 믹서(mixer) 및 저주파 필터(LPF)(200), 기저대역의 아날로그 신호에 대한 디지털 신호처리를 하기 위해 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부 ADC(300), 디지털 신호에 포함된 주파수 신호를 해석하기 위한 푸리에 해석기 FFT(400), 해석한 주파수에 대해 표적에 대응하는 주파수를 찾기 위한 피크 검출기(peak detector)(500), 검출된 피크에 대응하는 표적의 거리·속도·각도 검출기(target detector)(600)로 구성되어 있다. A waveform generator 100 for generating an FMCW signal, at least one transmission antenna T100 for transmitting an FMCW signal, a plurality of A mixer and a low-pass filter (LPF) 200 for multiplying the received signal by an FMCW signal transmitted to obtain a baseband analog signal, a baseband An analog-to-digital converter (ADC) 300 for converting a digital signal into a digital signal for analog signal processing, a Fourier transformer FFT 400 for analyzing a frequency signal included in the digital signal, A peak detector 500 for finding a corresponding frequency, and a target distance, velocity, and angle detector 600 corresponding to the detected peak.

한편, 상기 거리·속도·각도 검출기(600) 중, 각도 검출과 관련된 각도 검출기(610)는 위상차를 이용하는 각도 검출기(phase-comparison angle detector)(611)와 위상차를 이용하여 검출한 각도에 따른 mFOV를 설정하기 위한 mFOV 결정기(selector)(612), mFOV 혹은 전체 FOV에 대해 DBF에 의한 각도 검출을 수행하는 각도 검출기(DBF angle detector)(613)로 구성된다.The angle detector 610 related to the angle detection includes a phase-comparison angle detector 611 using a phase difference, and a phase-comparison angle detector 611 using a phase difference to detect an mFOV And an angle detector (DBF angle detector) 613 for performing angle detection by the DBF on the mFOV or the entire FOV.

Claims

Estimating an angle using a phase difference from a signal received by a plurality of reception antennas,
Performing a DBF in the vicinity of the estimated angle,
Performing a DBF on the entire incident angle range to be detected if a peak is not detected in the vicinity of the angle when the DBF is performed,
Detecting a peak again after performing the DBF and determining an angle corresponding to a position where the peak is detected as a radar incidence angle.