KR102001394B1 - Method of estimating DOA of received signals based on logarithmic-domain antenna array interpolation, and apparatus for the same - Google Patents
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Abstract
로그-영역 안테나 어레이 보간에 기반한 수신신호의 도래각 추정 방법과 이를 위한 장치가 개시된다. 원래의 안테나 어레이 요소들의 제1 스티어링 행렬과, 원래의 안테나 어레이 요소들에 기초하여 보간한 보간 안테나 어레이 요소들의 제2 스티어링 행렬 각각에 대해 로그를 취한다. 로그 영역에서 제1 스티어링 행렬을 제2 스티어링 행렬로 변환하는 변환행렬을 선형 최소 제곱법과 같은 최적화 기법을 이용하여 구한다. 원래의 안테나 어레이 요소들의 수신신호들의 위상에 대하여 상기 변환행렬을 적용하여 보간 안테나 어레이 요소들에 대응되는 위상을 갖는 보간 수신신호들로 변환한다. 소정의 도래각(DOA) 추정 알고리즘에 기초하여 보간 안테나 어레이 요소들의 보간 수신신호들의 DOA를 추정한다. 보간 안테나 어레이 요소들의 보간 수신신호들 간의 전력 레벨의 편차를 보상하여 보간 수신신호들의 전력 레벨을 실질적으로 균등하게 보정함으로써 DOA 추정의 정확도를 더 높일 수 있다. 이러한 DOA 추정 방법은 프로그램으로 구현되어 디지털 신호처리기와 같은 컴퓨팅 장치를 사용하여 실시할 수 있다.A method for estimating the arrival angle of a received signal based on log-area antenna array interpolation and an apparatus therefor are disclosed. A first steering matrix of the original antenna array elements and a second steering matrix of interpolated antenna array elements based on the original antenna array elements. A transformation matrix for transforming the first steering matrix into the second steering matrix in the logarithmic region is obtained by using an optimization technique such as a linear least squares method. And applies the transformation matrix to the phases of the received signals of the original antenna array elements to convert them into interpolated reception signals having phases corresponding to the interpolation antenna array elements. Estimates the DOA of the interpolated received signals of the interpolation antenna array elements based on a predetermined DOA estimation algorithm. The accuracy of the DOA estimation can be further improved by compensating for the power level deviation between the interpolated received signals of the interpolation antenna array elements to substantially evenly compensate the power level of the interpolated received signals. Such a DOA estimation method can be implemented as a program and can be implemented using a computing device such as a digital signal processor.
Description
본 발명은 안테나 기술 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 균일 선형 어레이(uniform linear array: ULA) 안테나 어레이를 기반으로 하여 수신신호들의 도래각(direction of arrival: DOA)을 효과적이고 정확하게 추정하는 방법과 이를 위한 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
자율 주행 차량 시스템에서 가장 중요한 문제 중 하나는 사람의 안전이다. 예기치 않은 자동차 사고를 예방하기 위해 카메라, 무선 탐지 및 거리 측정 (radio detection and ranging: RADAR) 및 광 탐지 및 거리 측정 (light detection and ranging: LiDAR)과 같은 많은 센서가 자율 차량에 사용되고 있다. 다양한 표적 감지 센서들 중에서 악천후에 사용될 수 있는 레이더가 널리 연구되고 있다.One of the most important problems in autonomous vehicle systems is human safety. Many sensors such as cameras, radio detection and ranging (RADAR) and light detection and ranging (LiDAR) are used in autonomous vehicles to prevent unexpected car accidents. Among various target detection sensors, radar that can be used in bad weather is widely studied.
예를 들어, 전방에 2대의 차량이 레이더 센서로부터 같은 거리에 서로 인접해 있을 때, 레이더는 전방의 차량이 1대가 아닌 2대가 존재한다고 인식할 수 있어야 한다. 표적들의 속도 및 거리(range)가 비슷한 경우 여러 표적을 분리하기 위해 표적의 DOA을 정확하게 추정하는 것이 중요하다. 따라서 다중 신호 분류 (multiple signal classification: MUSIC) 알고리즘과 회전 불변 기법을 통한 신호 파라미터의 추정(estimation of signal parameters via rotational invariance technique: ESPRIT) 알고리즘과 같은 고해상도 DOA 추정 알고리즘이 지난 수십 년 동안 연구되어 왔다. 또한 최근 몇 년 동안에는 MUSIC 알고리즘보다 신호 대 잡음비(SNR)의 영향을 덜 받는 바틀렛(Bartlett) 알고리즘이 관심을 받고 많이 사용되고 있다.For example, when two cars in front are adjacent to each other at the same distance from the radar sensor, the radar must be able to recognize that there are two cars ahead of them. If the speeds and ranges of the targets are similar, it is important to accurately estimate the DOA of the target in order to separate multiple targets. Thus, high-resolution DOA estimation algorithms such as the multiple signal classification (MUSIC) algorithm and the estimation of signal parameters via rotational invariance technique (ESPRIT) algorithms have been studied for decades. Also, in recent years, the Bartlett algorithm, which is less affected by the signal-to-noise ratio (SNR) than the MUSIC algorithm, has received much attention and is being widely used.
도착 방향 (DOA) 추정 알고리즘의 정확성을 향상시키기 위해, 레이더의 안테나 어레이 보간 기술도 지속적으로 연구되어 오고 있다. 안테나 어레이 요소들을 원래 위치에서 원하는 위치로 이동하려면 변환행렬(transformation matrix)을 적용해야 한다. 일반적으로, 적절한 변환행렬을 찾기 위해 선형 최소 제곱법 (linear least squares: LLS)이 널리 사용된다. 그러나 LLS 방법으로 얻은 변환행렬은 안테나 어레이 요소들을 보간하기 위한 최적의 솔루션이 아니다. 이 변환행렬을 적용할 때, 원래의 안테나 어레이 요소들의 선형 조합에 의해 보간된 안테나 어레이 요소들이 생성된다. 따라서 보간된 안테나 어레이 요소들의 진폭은 원래의 안테나 어레이 요소들의 진폭과 다를 수 있다. 안테나 어레이 요소들 사이에 진폭 차이가 존재하면 DOA 추정 알고리즘의 성능이 저하된다. 또한, 진폭 및 위상의 차이를 동시에 최소화 하는 과정에서 LLS법의 해답이 얻어지므로, 보간된 안테나 어레이 요소들의 위상 정보가 정확하게 체계적으로 나타내어지지 못한다. 이런 점들 때문에 DOA 추정 성능이 좋지 않게 된다.In order to improve the accuracy of the DOA estimation algorithm, the antenna array interpolation technique of radar has been continuously studied. To move the antenna array elements from their original position to the desired location, a transformation matrix must be applied. In general, linear least squares (LLS) are widely used to find appropriate transform matrices. However, the transformation matrix obtained by the LLS method is not an optimal solution for interpolating antenna array elements. When applying this transformation matrix, the interpolated antenna array elements are generated by a linear combination of the original antenna array elements. Thus, the amplitude of the interpolated antenna array elements may be different from the amplitude of the original antenna array elements. If there is an amplitude difference between the antenna array elements, the performance of the DOA estimation algorithm degrades. In addition, since the solution of the LLS method is obtained in the process of minimizing the amplitude and phase difference at the same time, the phase information of the interpolated antenna array elements can not be accurately represented systematically. These points lead to poor DOA estimation performance.
향상된 안테나 어레이 보간 방법에 관한 연구는 거의 없다. 균일한 원형 안테나 어레이에서 보간된 안테나 어레이 요소들을 생성하기 위해 테일러(Taylor) 시리즈 근사법을 사용하는 방법이 알려져 있다(아래 비특허문헌 참조). 그 방법은 더 나은 DOA 추정 성능을 달성할 수 있지만, 시리즈의 차수가 안테나 어레이 요소들의 최대 수보다 작은 것으로 제한되는 단점을 갖는다. 그렇기 때문에, 그 방법은 작은 개수의 안테나 어레이 요소들(예를 들어, 4 개의 안테나 어레이 요소들)을 사용하는 자동차 레이더 시스템에 대한 근사화 성능은 보장하지 못한다. There are few studies on the improved antenna array interpolation method. A method using a Taylor series approximation to generate interpolated antenna array elements in a uniform circular antenna array is known (see non-patent literature below). The method can achieve better DOA estimation performance, but has the disadvantage that the order is limited to less than the maximum number of antenna array elements. As such, the method does not guarantee approximate performance for a car radar system using a small number of antenna array elements (e.g., four antenna array elements).
안테나 시스템을 통하여 전방에 위치한 타겟을 추정할 때, 두 타겟이 매우 인접해 있는 경우, 기존의 안테나 어레이를 통한 타겟 각도 추정 알고리즘으로는 그 두 타겟들을 구분하는 것이 힘들 수 있다. When estimating a target located ahead through the antenna system, if the two targets are very close together, it may be difficult to distinguish between the two targets by a target angle estimation algorithm over existing antenna arrays.
따라서 본 발명의 일 목적은 원래의 안테나 어레이 요소들을 로그 영역에서 원하는 위치로 보간하여 그 보간된 안테나 어레이 요소들에 대한 수신신호들의 위상을 정확히 생성하여 DOA 추정의 성능을 향상시키기 위한 로그-영역 안테나 어레이 보간 기반 수신신호 DOA 추정 방법과 이를 위한 장치를 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a log-area antenna for interpolating original antenna array elements from a logarithmic domain to a desired location to accurately generate the phases of the received signals for the interpolated antenna array elements, And to provide a method for estimating received signal DOA based on array interpolation and an apparatus therefor.
본 발명의 다른 목적은 로그 영역에서 보간된 안테나 어레이 요소들의 수신신호들 간의 전력 편차를 최소화하는 보정을 함으로써 수신신호의 DOA 추정의 정확성을 높일 수 있는 로그-영역 안테나 어레이 보간 기반 수신신호 DOA 추정 방법과 이를 위한 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for estimating received signal DOA based on a log-area antenna array interpolation method capable of enhancing the accuracy of DOA estimation of a received signal by correcting to minimize a power deviation between received signals of antenna array elements interpolated in a logarithmic region And an apparatus therefor.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 위와 같은 DOA 추정 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록 매체를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a computer readable recording medium on which a computer program for executing the DOA estimation method as described above is recorded.
본 발명의 목적은 상술한 것들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be variously modified without departing from the spirit and scope of the present invention.
타겟의 각도 정보는 대부분 수신신호의 위상에 담겨 있다. 따라서 수신신호의 위상 정보에 초점을 맞추어서 수신신호의 각도를 추정할 수 있다. 이런 관점에서, 본 발명의 상기 목적을 달성하기 위한 실시예들에 따른 로그-영역 안테나 어레이 보간에 기반한 수신신호의 DOA 추정 방법은, 균일 선형 어레이(ULA) 형태로 배열된 안테나 어레이 요소들에 있어서, 원래의 안테나 어레이 요소들의 제1 스티어링 행렬과, 상기 원래의 안테나 어레이 요소들에 기초하여 보간한 보간 안테나 어레이 요소들의 제2 스티어링 행렬 각각에 대해 로그를 취하는 단계를 포함한다. 상기 DOA 추정 방법은 로그를 취한 상기 제1 스티어링 행렬을 로그를 취한 상기 제2 스티어링 행렬로 변환하는 변환행렬을 최적화 기법을 이용하여 생성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 DOA 추정 방법은 상기 원래의 안테나 어레이 요소들의 수신신호들의 위상에 대하여 상기 변환행렬을 적용하여 상기 보간 안테나 어레이 요소들에 대응되는 위상을 갖는 보간 수신신호들로 변환하는 단계를 포함한다. 나아가, 상기 DOA 추정 방법은 소정의 DOA 추정 알고리즘에 기초하여 상기 보간 안테나 어레이 요소들의 상기 보간 수신신호들의 DOA를 추정하는 단계를 포함한다. The target angle information is mostly contained in the phase of the received signal. Therefore, the angle of the received signal can be estimated by focusing on the phase information of the received signal. In this regard, a DOA estimation method of a received signal based on log-area antenna array interpolation according to embodiments of the present invention to achieve the above object, in an antenna array element arranged in a uniform linear array (ULA) And taking a log for each of a first steering matrix of the original antenna array elements and a second steering matrix of interpolated antenna array elements based on the original antenna array elements. The DOA estimation method includes a step of generating a transformation matrix for converting the first steering matrix obtained by taking the log into the second steering matrix obtained by using the optimization technique. In addition, the DOA estimation method may include applying the transformation matrix to the phases of the received signals of the original antenna array elements to convert them into interpolated reception signals having phases corresponding to the interpolation antenna array elements. Further, the DOA estimation method includes estimating a DOA of the interpolated received signals of the interpolation antenna array elements based on a predetermined DOA estimation algorithm.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 최적화 기법은 상기 수신신호들 간의 관계에 기초하여 상기 원래의 안테나 어레이 요소들과 상기 보간 안테나 어레이 요소들 간의 위상차를 최소화 하는 선형 최소 제곱법(Linear Least Square: LLS)일 수 있다.In exemplary embodiments, the optimization scheme may include a linear least squares (LLS) method that minimizes the phase difference between the original antenna array elements and the interpolation antenna array elements based on the relationship between the received signals. ).
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 변환행렬은 상기 수신신호들의 진폭은 그대로 유지하면서 상기 수신신호들의 위상만을 로그 영역에서 조합하여 상기 보간 수신신호의 위상으로 변환할 수 있다.In the exemplary embodiments, the transformation matrix may combine only the phases of the received signals in the log domain to convert the phase of the received signals to the phase of the received signal while maintaining the amplitudes of the received signals intact.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 DOA 추정 방법은, 상기 안테나 어레이 요소들에 관해 설정된 관측 시야에 맞는 상기 원래의 안테나 어레이 요소들의 상기 제1 스티어링 행렬과, 상기 원래의 안테나 어레이 요소들을 선형 조합하여 원하는 위치로 보간한 상기 보간 안테나 어레이 요소들의 상기 제2 스티어링 행렬을 구하는 단계를 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the DOA estimation method further comprises: linearly combining the original antenna array elements with the first steering matrix of the original antenna array elements matching the observation field set with respect to the antenna array elements And obtaining the second steering matrix of the interpolation antenna array elements interpolated to the desired position.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 DOA 추정 방법은 상기 보간 수신신호들의 도래각(DOA) 추정의 정확도를 높이기 위해, 상기 보간 안테나 어레이 요소들의 상기 보간 수신신호들 간의 전력 레벨의 편차를 보상하여 상기 보간 수신신호들의 전력 레벨을 실질적으로 균등하게 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the DOA estimation method comprises compensating for a deviation in the power level between the interpolated received signals of the interpolation antenna array elements to increase the accuracy of the DOA estimation of the interpolated received signals, And correcting the power level of the interpolation received signals substantially equally.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 보간 수신신호들의 위상은 상기 전력 레벨을 보정하기 전후로 동일하게 유지될 수 있다.In exemplary embodiments, the phase of the interpolated received signals may remain the same before and after correcting the power level.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 로그를 취하는 단계는, 상기 원래의 안테나 어레이 요소들의 관측 시야를 설정하는 단계와, 설정된 관측 시야에 맞는 상기 원래의 안테나 어레이 요소들의 상기 제1 스티어링 행렬과 상기 보간 안테나 어레이 요소들의 상기 제2 스티어링 행렬을 생성하는 단계와, 상기 제1 및 제2 스티어링 행렬의 각 성분에 대하여 로그를 취하는 단계를 포함할 수 있다.In the exemplary embodiments, the step of taking the log further comprises the steps of: setting an observation field of view of the original antenna array elements; interpolating the first steering matrix of the original antenna array elements Generating the second steering matrix of antenna array elements, and taking a log for each component of the first and second steering matrices.
본 발명의 실시예들에 따르면, 앞에서 언급한 수신신호의 DOA 추정 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터 가독형 기록 매체가 제공된다.According to embodiments of the present invention, a computer readable recording medium on which a computer program for executing the above-mentioned DOA estimation method of a received signal on a computer is recorded.
한편, 본 발명의 상기 목적들을 달성하기 위한 실시예들에 따른 로그-영역 안테나 어레이 보간 기반 수신신호의 도래각 추정 장치는 수신 안테나부, 수신부, 그리고 신호처리부를 포함한다. 상기 수신 안테나부는 일렬로 등간격으로 배열되고 전방에서 입사되는 무선신호를 수신하는 복수 개의 원래의 안테나 어레이 요소들을 포함한다. 상기 수신부는 상기 수신 안테나부의 각 안테나를 통해 수신된 복수 개의 수신신호로부터 소정의 신호를 추출하여 복수 개의 디지털 수신신호로 변환한다. 상기 신호처리부는 원래의 안테나 어레이 요소들의 제1 스티어링 행렬과, 상기 원래의 안테나 어레이 요소들에 기초하여 보간한 보간 안테나 어레이 요소들의 제2 스티어링 행렬 각각에 대해 로그를 취하는 기능과, 로그를 취한 상기 제1 스티어링 행렬을 로그를 취한 상기 제2 스티어링 행렬로 변환하는 변환행렬을 최적화 기법을 이용하여 생성하는 기능과, 상기 수신부가 제공하는 상기 복수 개의 디지털 수신신호들의 위상에 대하여 상기 변환행렬을 적용하여 상기 보간 안테나 어레이 요소들에 대응되는 위상을 갖는 보간 수신신호들로 변환하는 기능과, 소정의 도래각(DOA) 추정 알고리즘에 기초하여 상기 보간 안테나 어레이 요소들의 상기 보간 수신신호들의 도래각(DOA)을 추정하는 기능을 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for estimating the arrival angle of a received signal based on log-area antenna array interpolation, the apparatus including a receiving antenna unit, a receiving unit, and a signal processing unit. The receive antenna portion includes a plurality of original antenna array elements arranged at equal intervals in a row and receiving a radio signal incident from the front side. The receiving unit extracts a predetermined signal from a plurality of reception signals received through the antennas of the reception antenna unit and converts the predetermined signals into a plurality of digital reception signals. Wherein the signal processing unit has a function of taking a log for each of a first steering matrix of original antenna array elements and a second steering matrix of interpolated antenna array elements based on the original antenna array elements, A function of generating a transformation matrix for transforming the first steering matrix into the logarithm of the second steering matrix using an optimization technique and a function of applying the transformation matrix to the phases of the plurality of digital received signals provided by the receiver (DOA) of the interpolated received signals of the interpolation antenna array elements based on a predetermined arrival angle (DOA) estimation algorithm, and a function to convert the interpolated received signals into an interpolated received signal having a phase corresponding to the interpolated antenna array elements. As shown in FIG.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 최적화 기법은 상기 수신신호들 간의 관계에 기초하여 상기 원래의 안테나 어레이 요소들과 상기 보간 안테나 어레이 요소들 간의 위상차를 최소화 하는 선형 최소 제곱법(Linear Least Square: LLS)일 수 있다. In exemplary embodiments, the optimization scheme may include a linear least squares (LLS) method that minimizes the phase difference between the original antenna array elements and the interpolation antenna array elements based on the relationship between the received signals. ).
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 변환행렬은 상기 수신신호들의 진폭은 그대로 유지하면서 상기 수신신호들의 위상만을 로그 영역에서 조합하여 상기 보간 수신신호의 위상으로 변환할 수 있다.In the exemplary embodiments, the transformation matrix may combine only the phases of the received signals in the log domain to convert the phase of the received signals to the phase of the received signal while maintaining the amplitudes of the received signals intact.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 신호처리부는 상기 안테나 어레이 요소들에 관해 설정된 관측 시야에 맞는 상기 원래의 안테나 어레이 요소들의 상기 제1 스티어링 행렬과, 상기 원래의 안테나 어레이 요소들을 선형 조합하여 원하는 위치로 보간한 상기 보간 안테나 어레이 요소들의 상기 제2 스티어링 행렬을 구하는 기능을 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the signal processing unit may be configured to linearly combine the original antenna array elements with the first steering matrix of the original antenna array elements matching the viewing field set with respect to the antenna array elements, To obtain the second steering matrix of the interpolation antenna array elements interpolated by the interpolation antenna array elements.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 신호처리부는, 상기 보간 수신신호들의 도래각(DOA) 추정의 정확도를 높이기 위해, 상기 보간 안테나 어레이 요소들의 상기 보간 수신신호들 간의 전력 레벨의 편차를 보상하여 상기 보간 수신신호들의 전력 레벨을 실질적으로 균등하게 보정하는 기능을 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the signal processing unit may compensate for a deviation in the power level between the interpolated received signals of the interpolation antenna array elements to increase the accuracy of the DOA estimation of the interpolated received signals, And a function of substantially evenly correcting the power level of the interpolation received signals.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 보간 수신신호들의 위상은 상기 전력 레벨을 보정하기 전후로 동일하게 유지될 수 있다.In exemplary embodiments, the phase of the interpolated received signals may remain the same before and after correcting the power level.
본 발명은 DOA 추정의 정확도를 높이기 위해 어레이 보간에 사용되는 새로운 로그 영역 변환행렬을 제공한다. 본 발명에 따른 변환행렬은 원래의 안테나 어레이 요소와 보간된 안테나 어레이 요소들 간의 위상 차이를 최소화하여, 종래의 방법에 비해 보간 오차를 줄여 훨씬 더 정교한 위상으로 보간할 수 있다. 보간된 안테나 어레이 요소들에 대해 정확한 위상을 생성할 수 있다. 이러한 변환행렬을 이용하여 수신신호의 DOA를 추정하면, 위상 왜곡을 최소화 하여 DOA 추정 성능을 크게 개선할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 방법이 적용된 차량용 레이더 센서에 적용되면, 전방 표적 차량으로부터 반사되어 수신되는 수신신호에 대해 보다 향상된 각도 분해능을 가질 수 있다.The present invention provides a new log domain transformation matrix used in array interpolation to increase the accuracy of DOA estimation. The transformation matrix according to the present invention minimizes the phase difference between the original antenna array element and the interpolated antenna array elements, thereby interpolating into a much more sophisticated phase by reducing the interpolation error compared to the conventional method. It is possible to generate an accurate phase for the interpolated antenna array elements. Estimating the DOA of the received signal using these transform matrices minimizes the phase distortion and can greatly improve the DOA estimation performance. Therefore, when applied to a radar sensor for a vehicle to which the method according to the present invention is applied, it is possible to have an improved angular resolution for a received signal reflected and received from a front target vehicle.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 어레이 변환은 보간된 안테나 어레이 요소들의 진폭에 영향을 미치지 않으며 변형 후에도 보존된다. In addition, the antenna array conversion according to embodiments of the present invention does not affect the amplitude of the interpolated antenna array elements and is preserved after deformation.
이러한 변환행렬은 사전에 계산되어 저장되므로 (오프라인 상태에서) 실시간으로 계산할 필요가 없다. Since these transformation matrices are calculated and stored in advance, they do not need to be computed in real time (off-line).
또한, 본 발명에 의해 로그 영역에서의 안테나 어레이 요소들의 보간을 위한 변환행렬을 사용할 때, 보간된 수신신호의 전력은 모든 안테나 어레이 요소들에 걸쳐 균일하지 않다. 이 경우, 안테나 어레이 보간 효과 및 DOA 추정의 성능은 완전하지 않을 수 있다. 보간된 안테나 어레이 요소들의 수신신호들 간의 전력 편차가 존재하는 경우, 그 수신신호들 간의 전력 편차를 줄여 보간된 수신신호의 전력을 비슷한 수준으로 조정하면 DOA 추정 알고리즘의 정확도를 더 높일 수 있다. Further, when using the transformation matrix for interpolation of antenna array elements in the log domain by the present invention, the power of the interpolated received signal is not uniform across all antenna array elements. In this case, the antenna array interpolation effect and DOA estimation performance may not be complete. If there is a power deviation between the received signals of the interpolated antenna array elements, adjusting the power of the interpolated received signal to a similar level by reducing the power deviation between the received signals can further improve the accuracy of the DOA estimation algorithm.
시뮬레이션 결과로부터 본 발명에 따른 로그 영역에서의 안테나 어레이 보간을 이용한 DOA 추정 방법이 기존의 안테나 어레이 보간법을 이용한 DOA 추정보다 우수한 DOA 추정 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 또한 차량용 레이더로 얻은 실제 측정 데이터를 통해 향상된 각도 분해능 및 추정 성능을 보여주는 것을 확인할 수 있었다. From the simulation results, it can be confirmed that the DOA estimation method using the antenna array interpolation in the log domain according to the present invention has better DOA estimation performance than the DOA estimation using the conventional antenna array interpolation method. In addition, the actual measurement data obtained from the vehicle radar shows the improved angular resolution and estimated performance.
도 1은 N개의(단, N은 2이상의 자연수) 안테나가 ULA의 형태로 배열된 ULA 안테나의 무선신호 수신을 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 도래각(DOA)의 추정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 도 2의 흐름도의 단계 S100의 구체적인 실행 절차를 나타낸다.
도 4는 안테나 어레이 보간 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 2의 흐름도의 단계 S300의 구체적인 실행 절차를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 시스템의 구성을 예시한다.
도 7은 도 6의 시스템의 DSP에서 수신신호로부터 도래각을 추정하는 처리를 수행하는 프로그램의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 알고리즘을 차량용 레이더 장치에 적용하여 전방의 2대의 차량을 인식하는 상황을 나타낸다.
도 9는 4개의 안테나 어레이 요소를 사용하여 본 발명에 따른 보간을 하여 DOA를 추정하는 방법의 성능에 관한 시뮬레이션을 하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 두 변환행렬
도 11은 [θ1, θ2] = [-3.5˚, 2.5˚] 의 두 방향에 위치한 두 개의 인접한 표적에 관해 정규화한 바틀렛 의사스펙트럼을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 12의 (a)는 SNR에 따른 해상도 확률 P r 을 나타내며, (b)는 SNR에 따른 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error: RMSE)를 나타낸다.
도 13의 (a)는 시간 샘플 개수에 따른 해상도 확률을 나타내며, (b)는 시간 샘플 개수에 따른 RMSE를 나타낸다.
도 14는 [θ1, θ2, θ3] = [-8˚, 1.5˚, 7.5˚]의 세 방향에 위치한 세 개의 인접한 표적들에 관해 정규화한 바틀렛 의사스펙트럼을 예시적으로 나타낸다.
도 15의 (a)는 SNR에 따른 해상도 확률을 나타내고, (b)는 SNR에 따른 RMSE를 나타낸다(N=3인 경우).
도 16의 (a)는 SNR에 따른 해상도 확률을 나타내고, (b)는 SNR에 따른 RMSE를 나타낸다(N=5 인 경우).1 shows radio signal reception of a ULA antenna in which N (where N is a natural number of 2 or more) antennas are arranged in the form of a ULA.
2 is a flow chart illustrating a method of estimating an angle of incidence (DOA) in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows a concrete execution procedure of step S100 of the flowchart of FIG.
4 is a diagram for explaining an antenna array interpolation method.
FIG. 5 shows a concrete execution procedure of step S300 of the flowchart of FIG.
Figure 6 illustrates the configuration of a system for implementing the method according to the present invention.
7 is a block diagram showing a configuration of a program for performing processing for estimating an incoming angle from a received signal in the DSP of the system of Fig.
8 shows a situation in which two vehicles ahead are recognized by applying the algorithm of the present invention to a radar system for a vehicle.
9 is a diagram for explaining simulation of performance of a method of estimating a DOA by performing interpolation according to the present invention using four antenna array elements.
FIG.
Figure 11 is an illustration of a normalized Bartlet pseudo-spectrum for two adjacent targets located in two directions [θ 1 , θ 2 ] = [-3.5 °, 2.5 °].
12 (a) shows the resolution probability P r according to the SNR, and FIG. 12 (b) shows the root mean square error (RMSE) according to the SNR.
13 (a) shows the resolution probability according to the number of time samples, and (b) shows the RMSE according to the number of time samples.
14 illustrates an exemplary normalized Bartlet pseudo-spectrum for three adjacent targets located in three directions [θ 1 , θ 2 , θ 3 ] = [-8 °, 1.5 °, 7.5 °].
15 (a) shows the resolution probability according to the SNR, and (b) shows the RMSE according to the SNR (when N = 3).
16 (a) shows the resolution probability according to the SNR, and (b) shows the RMSE according to the SNR (when N = 5).
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, The present invention should not be construed as limited to the embodiments described in Figs.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 구성요소에 대해 사용하였다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Similar reference numerals have been used for the components in describing each drawing.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. It is to be understood that the terms "comprises" or "having" in this application are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as ideal or overly formal in the sense of the art unless explicitly defined herein Do not.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, And should not be construed as limited to the embodiments described in the foregoing description. That is, the present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the following description. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들에 관해 좀 더 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 N개의 안테나가 일렬로 등간격 d 로 이격 배치된 ULA 안테나에서 전방의 표적으로부터 반사되어 되돌아오는 무선신호를 수신하는 것을 나타낸다. FIG. 1 shows that N antennas receive a radio signal reflected from a target ahead in a ULA antenna spaced apart by an equal distance d in a row.
도 1을 참조하면, ULA 형태의 안테나에서, θ 1 , θ 2 , ..., θ K 의 K개의 방향에서 나오는 무선 신호가 N개의 안테나가 일렬로 등간격 d 로 이격 배치된 ULA 안테나 요소들에 입사하는 경우를 고려한다. 안테나 어레이 요소들의 위치는 [d 1 , d 2 , ..., d N ]이며 안테나 어레이의 조준 방향으로부터 θ k (k = 1, 2, ..., K)가 정의된다. 원거리 협대역 신호원을 가정하면, 시간 t에서 실제 안테나 어레이에 수신된 신호 벡터 X (t)는 식 (1)과 같이 표현될 수 있다. In 1, in the form of a ULA antenna, θ 1, θ 2, ..., θ K the radio signals coming from the direction K of N antennas arranged in a ULA antenna elements spaced at equal intervals d in a line of And the incident light is considered. The positions of the antenna array elements are [ d 1 , d 2 , ..., d N ] and θ k (k = 1, 2, ..., K) is defined from the direction of sight of the antenna array. Assuming a distant narrowband signal source, the signal vector X (t) received at the actual antenna array at time t can be expressed as Equation (1).
여기서,
여기서, K는 표적의 수, λ는 안테나의 수신신호의 파장, d i 는 첫 번째 안테나에서 i 번째 안테나까지의 거리를 나타낸다. 본 발명의 실시예에서는 ULA가 사용되기 때문에
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 로그 도메인 상에서의 보간에 기초한 수신신호의 도래각 추정 방법의 실행 절차를 나타낸다. 2 shows an execution procedure of a method of estimating the arrival angle of a received signal based on interpolation on the log domain according to an exemplary embodiment of the present invention.
우선, 로그 영역에서 변환행렬을 산출한다(S100 단계). 도 3은 예시적인 실시예에 따른 로그 영역에서의 변환행렬 산출 절차(S100 단계)를 구체적으로 나타낸다. 도 4는 자동차 레이더에 적용된 일반적인 안테나 어레이 보간 방법을 설명하기 위한 도면이다.First, a transformation matrix is calculated in the log area (S100). FIG. 3 specifically shows a transformation matrix calculation procedure (step S100) in the log domain according to the exemplary embodiment. 4 is a diagram for explaining a general antenna array interpolation method applied to an automobile radar.
먼저, 자동차 레이더의 관측 시야
여기서, θL 및 θR은 도 4에 도시된 것처럼 FOV의 왼쪽 및 오른쪽 경계를 나타내는 각도이다. P는 각도 스템의 개수(number of angle step)를 나타낸다.Here,? L and? R are angles indicating the left and right boundaries of the FOV as shown in Fig. P represents the number of angle steps.
LLS 기법에서 유도된 변환행렬을 사용하는 기존의 안테나 어레이 보간 기법에 따르면, 원래의 안테나 어레이 요소들을 보간된 안테나 어레이 요소들로 변환하는 적절한 행렬을 찾는다. 이 범위에서 원래의 안테나 어레이 요소들의 스티어링 행렬
그런 다음 [g 1 , g 2 , ..., g M ] 위치의 안테나 어레이 요소들을 보간하면 보간된 안테나 어레이 요소들의 스티어링 행렬
여기서,
원래의 스티어링 행렬
적절한 변환행렬
그런 다음, LLS 방법에 기초하여, 기존의 안테나 어레이 보간의 변환행렬
마지막으로 식 (6)과 식 (8)에서 보간된 스티어링 행렬
또한, 행렬
이 변환행렬을 사용하여, 기존의 어레이 보간법으로 보간된 안테나 어레이 요소들의 수신신호
그런데, 안테나 어레이 보간을 위해 기존의 변환행렬
DOA 추정을 정확하게 하기 위해서는 보간된 안테나 어레이 요소들의 위상 정보가 중요하다. 따라서 안테나 어레이 요소들의 진폭을 동일하게 유지하면서, 원래의 안테나 어레이 요소들과 보간된 안테나 어레이 요소들 간의 위상차를 최소화 할 수 있는 보다 효과적인 안테나 어레이 보간 방법이 필요하다.The phase information of the interpolated antenna array elements is important for accurate DOA estimation. Therefore, there is a need for a more efficient antenna array interpolation method that can minimize the phase difference between the original antenna array elements and the interpolated antenna array elements while maintaining the same amplitude of the antenna array elements.
이를 위해, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 식 (6)의 양측에 있는 스티어링 행렬 즉, 원래의 안테나 어레이 요소들의 스티어링 행렬
여기서 LOG(ㆍ)는 행렬의 각 원소에 대해 로그를 취하는 연산자이고,
그런 다음, 로그를 취한 제1 스티어링 행렬
원래의 도메인에서와 같이, 적절한 변환행렬
이 변환행렬
여기서
다시 도 2를 참조하면, 로그 영역에서 변환행렬을 구해놓은 상태에서, 수신 안테나 어레이 요소들이 레이더 신호를 시간 영역에서 수신할 수 있다(S200 단계). Referring again to FIG. 2, in a state where the transformation matrix is obtained in the logarithmic region, the reception antenna array elements can receive the radar signal in the time domain (step S200).
그리고 그 시간 도메인의 수신신호를 미리 산출해둔 변환행렬
식 (8)의 기존의 변환행렬
따라서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 어레이 변환은 보간된 안테나 어레이 요소들의 위상에만 영향을 주며, 보간된 안테나 어레이 요소들에 대해 더 정확한 위상을 생성한다. 기존의 변환행렬
기존의 변환행렬
이 보간된 수신신호 벡터
본 발명에 따라 로그 도메인 상에서의 보간 수신신호 벡터
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, DOA 추정을 더 정확하게 하기 위해 수신신호의 전력도 고려할 수 있다. 보간된 수신신호 벡터
왜냐하면, 아래 식 (19)가 성립하기 때문이다. 아래 식에서
이러한 전력 불균일(power imbalance)은 DOA 추정에서 성능 저하를 일으킬 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 방법에 의하면, 보간된 안테나 어레이 요소들
그러므로 본 발명은 이러한 점을 고려하여, 보간된 수신신호들 간의 전력 차를 완화하기 위하여 단계 S320에서 새롭게 생성된 수신신호들의 진폭을 보정할 수 있다(S330 단계). 즉, 위에서 언급한 본 발명에 따른 위상 보간 방법의 효과를 유지하면서도, 보간된 안테나 어레이 요소들 각각의 수신신호들을 서로 거의 동일한 전력 레벨을 갖도록 체계적으로 나타내기(formulate) 위한 효과적인 보상 방법을 사용할 수 있다. 즉, 전력 레벨이 보상된 수신신호
여기서,
즉, 전력레벨 보상된 보간 수신신호들의 전력
한편, 위에서 설명한 본 발명의 실시예들에 따른 DOA 추정방법은 프로그램으로 구현하여 컴퓨터 가독형 불휘발성 메모리 장치 등과 같은 기록 매체에 저장해 두었다가, 필요 시 신호처리 프로세서 등과 같은 컴퓨팅 장치를 통해 그 프로그램을 실행하여 DOA를 산출하는 방식으로 실시할 수 있다. Meanwhile, the DOA estimation method according to embodiments of the present invention described above may be implemented as a program and stored in a recording medium such as a computer-readable nonvolatile memory device, and the program may be executed through a computing device such as a signal processing processor And calculating the DOA.
도 6은 본 발명에 따른 수신신호 도래각 추정 방법을 실시하기 위한 예시적인 실시예에 따른 ULA 안테나 기반 레이더 시스템(10)의 구성을 나타낸다. FIG. 6 shows a configuration of a ULA antenna-based
도 6을 참조하면, 이 레이다 시스템(10)은 ULA 수신 안테나(60)와 ULA 송신 안테나(70)에 연결된 무선통신 모듈(RF module)(20), 패스밴드부(30), 디지털신호처리부(Digital Signal Processor: DSP, 40), 사용자 인터페이스(User Interface, 50)를 포함한 구성일 수 있다. 6, the
ULA 수신 안테나(60)와 ULA 송신 안테나(70)는 각각 다수의 안테나를 포함할 수 있다. 특히, ULA 수신 안테나(60)는 다수의 안테나가 등간격으로 일렬로 배치된 ULA 형태의 안테나 어레이를 가질 수 있다. 송신 안테나(70)를 통해 송출된 무선주파수 신호가 전방의 표적에서 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 ULA 수신 안테나(60)가 수신할 수 있다.The ULA receive
무선통신모듈(20)은 ULA 수신 안테나(60)에 연결되어 ULA 수신 안테나(60)가 잡은 미약한 신호를 증폭시키는 저잡음 증폭기(Low-Noise Amplifier: LNA)(22)를 포함한다. 또한, 디지털 신호 처리부(40)가 제공하는 디지털 출력신호에 기초하여 소정의 아날로그 파형을 갖는 신호를 생성하는 파형발생기(Waveform Generator, 24), 생성된 신호를 무선 송출하기 위해 무선주파수(RF) 신호로 변환하는 발진기(26), 그리고 발진기(26)에서 출력되는 신호를 송출에 필요한 출력으로 증폭하여 송신 안테나(70)에 제공하는 전력증폭기(Power Amplifier: PA, 28)를 포함한다. 발진기(26)는 예컨대 전압제어발진기(Voltage Control Oscillator: VCO)로 구성될 수 있다.The
패스밴드부(30)는 저잡음 증폭기(22)에서 출력되는 수신신호와 발진기(26)에서 출력되는 발진신호를 혼합하는 혼합기(Mixer, 32)와, 이 혼합기(32)의 출력신호에 포함된 상기 수신신호와 상기 발진신호의 합 주파수를 제거하여 중간주파수(IF)의 신호출력을 추출하기 위한 저역통과필터(Low-Pass Filter: LPF, 34), 그리고 LPF(34)를 통해 얻어지는 중간주파수 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환기(Analog-to-Digital Converter: ADC, 36)를 포함한다.The
DSP(40)는 패스밴드부(30)에서 제공되는 디지털 중간주파수 신호를 위에서 설명한 방법에 따라 처리하여 안테나 어레이 수신신호의 DOA를 추정한다. 또한, 표적으로 송출할 신호를 생성하여 RF 모듈(20)에 제공한다.The
사용자 인터페이스(UI, 50)는 DSP(40)의 처리 결과를 표시하거나 또는 사용자의 지시를 DSP(40)에 전달한다. The user interface (UI) 50 displays the processing result of the
예시적인 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수신신호의 DOA 추정방법은 프로그램으로 구현될 수 있다. 그 프로그램은 DSP(40)에 내장되어 실행될 수 있다. 도 7은 이 프로그램의 구성을 나타내는 블록도이다. According to an exemplary embodiment, a DOA estimation method of a received signal according to the present invention can be implemented by a program. The program can be embedded in the
예시적인 실시예에 따르면, 이 프로그램은 위상 정보 생성부(310), 수신신호 생성부(320), 진폭 보정부(330), 그리고 DOA 추정부(400)를 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the program may include a
위상 정보 생성부(310), 수신신호 생성부(320), 그리고 진폭 보정부(330)는 수신 안테나 소자(60)로 수신하여 디지털 신호로 변환된 시간 도메인의 수신신호를 미리 산출해둔 변환행렬
DOA 추정부(400)는 진폭 보정부(330)를 통해 얻어지는 로그 도메인에서 보간된 안테나 어레이 요소들의 수신신호를 이용하여 DOA 추정 알고리즘을 수행한다. 이를 통해, 수신 안테나 소자(60)의 안테나 어레이 요소들에 수신되는 신호들의 도래각을 추정하는 단계 S400의 처리를 수행한다. The
한편, 발명자들은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 보간법을 사용하여 얻어지는 DOA 추정의 정확도를 검증하기 위해, 몇 가지 시뮬레이션을 해보았다. 한 가지 시뮬레이션을 위해, 정확히 동일한 개구들(apertures)을 유지하면서, 원래의 안테나 어레이 요소들을 최소 중복(redundancy) 선형 안테나 어레이로 변환하였다. 일반적으로 최소 중복 선형 안테나 어레이는 안테나 어레이의 중복 공간 수를 최소화하여 주어진 수의 안테나 어레이 요소들에 대한 최대 해상도를 보여준다. 더욱이, 비균일 선형 어레이는 동일한 개구들을 갖는 균일한 선형 어레이보다 더 나은 DOA 추정 성능을 보인다고 알려져 있다. 따라서 시뮬레이션에서 원래의 안테나 선형 어레이로 변환함으로써, DOA 추정의 성능 향상을 분석하였다.Meanwhile, the inventors have conducted some simulations to verify the accuracy of the DOA estimation obtained using the interpolation method according to the exemplary embodiment of the present invention. For one simulation, the original antenna array elements were converted into a minimal redundant linear antenna array while maintaining exactly the same apertures. Generally, the least redundant linear antenna array minimizes the number of redundant spaces in the antenna array and thus shows the maximum resolution for a given number of antenna array elements. Moreover, non-uniform linear arrays are known to exhibit better DOA estimation performance than uniform linear arrays with identical apertures. Therefore, the performance improvement of the DOA estimation is analyzed by converting to the original antenna linear array in the simulation.
본 발명에 따른 로그-영역 어레이 보간에 기반한 레이더 수신신호의 DOA 추정 방법은 표적 검출용 레이더 장치에 응용하여 DOA를 고해상도로 추정할 수 있다. 도 8은 본 발명에 따른 레이더 수신신호의 DOA 추정 알고리즘을 차량(100)용 레이더 장치(10)에 적용하여 전방의 2대의 차량(200a, 200b)을 인식하는 상황을 나타낸다. The DOA estimation method of the radar received signal based on the log-area array interpolation according to the present invention can be applied to the radar device for target detection to estimate the DOA at high resolution. FIG. 8 shows a situation in which two
시뮬레이션에서는 도 9에 도시된 것처럼 자동차 장거리 레이더 (LRR)에서 널리 사용되는 4개의 안테나 어레이 요소(X1, X2, X3, X4) (N = 4)를 사용하였다. 원래의 안테나 어레이 요소들의 위치는 [d1, d2, d3, d4] = [0, 2λ, 4λ, 6λ]이고, 4개의 안테나 어레이 요소들의 최소 중복 선형 어레이 위치는 [0, 1, 4, 6]로 하였다. 그래서 도 9에 예시된 것처럼 안테나 어레이 변환행렬을 사용하여 [g1, g2, g3, g4] = [0, 1λ, 4λ, 6λ] 위치의 안테나 어레이 요소들을 보간하였다. 여기서, 두 대의 표적 차량(200a, 200b)은 [θ1, θ2] = [-3.5˚, 2.5˚] 방향에 있다고 가정한다. DOA 추정 알고리즘으로 바틀렛 알고리즘을 사용하였다. 또한, 안테나 어레이 요소들에서의 신호 대 잡음비(SNR)는 10dB로 설정되며, 수천 개의 시간 샘플을 사용하여 바틀렛 알고리즘에 사용된 상관 행렬을 구성하였다. 또한, FOV는 Θ = {θp | LRR의 FOV와 등가인 θp = -10˚ + (p-1) x 0.1˚, p = 1, 2, ..., 201}이다. 안테나 어레이 요소들 수와 FOV가 주어지면 기존 기술에 따른 변환행렬
먼저, 이러한 시뮬레이션 조건을 사용하여 식 (24)와 같이 두 가지 유형의 보간 오차를 계산한다.First, using these simulation conditions, two types of interpolation errors are calculated as in equation (24).
상기 식(24)에 기초하여 계산된 오차 값이 작을수록, 더욱 정확하게 안테나 어레이의 보간이 수행될 수 있다. 두 변환행렬
또한 LRR의 FOV (즉, FOV의 길이는 20˚)에 대해 오차들은 다음과 같이 주어진다: For the FOV of the LRR (i.e., the length of the FOV is 20 degrees), the errors are given by:
그러므로 위의 두 가지 유형의 보간 오차의 결과로부터 판단해볼 때, 본 발명의 방법에 따른 어레이 변환행렬
이러한 변환행렬을 사용하여 수신신호를 체계화하고 DOA 추정을 수행할 수 있다. 도 11은 [θ1, θ2] = [-3.5˚, 2.5˚]의 두 방향에 위치한 두 개의 인접한 표적들에 관해 정규화한 바틀렛 의사스펙트럼을 예시적으로 나타낸 도면이다. Such a transformation matrix can be used to organize the received signal and perform DOA estimation. Figure 11 is an illustration of a normalized Bartlet pseudo-spectrum for two adjacent targets located in two directions [θ 1 , θ 2 ] = [-3.5 °, 2.5 °].
도 11의 바틀렛 의사스펙트럼에 따르면, 바틀렛 방법은 원래의 수신신호에서 두 표적을 분간할 수 없으며 추정 DOA는 -0.1˚이다(파란색 그래프 참조). 일반적으로 2λ 간격으로 배치된 4개의 안테나 어레이 요소들을 사용하면, 반 전력 빔폭(half-power beamwidth)은 6.5˚가 된다. 그러므로 주어진 DOA를 구별할 수 없는 것이 어쩌면 합리적인 결과이다. 기존 기술에 따른 변환행렬
이에 비해, 본 발명에 따른 변환행렬
통계적 성능 평가를 위해 기존의 Bartlett 방법과 본 발명에 따른 로그 영역 상의 어레이 보간을 적용한 Bartlett 방법의 해상도 확률 P r 을 계산하는 것도 의미가 있다. 또한 다른 시뮬레이션 조건을 그대로 유지하면서 안테나 어레이 SNR 값만을 변화시키면서 해상도 확률 P r 과 RMSE를 산출할 수 있다. 이 계산의 결과가 도 12에 표시되어 있다. 도 12는 SNR에 따른 해상도 확률 P r 을 나타내며, (b)는 SNR에 따른 평균 제곱근 오차(RMSE)를 나타낸다. 이 해상도 확률 P r 은 다음과 같이 정의될 수 있다.For the statistical performance evaluation, it is also meaningful to calculate the resolution probability P r of the Bartlett method and the Bartlett method applying the array interpolation on the log domain according to the present invention. Also, the resolution probability P r and RMSE can be calculated while changing only the antenna array SNR value while maintaining other simulation conditions. The results of this calculation are shown in Fig. 12 shows the resolution probability P r according to the SNR, and (b) shows the mean square root error (RMSE) according to the SNR. This resolution probability P r can be defined as follows.
여기서, N r 은 수신된 신호들로부터 두 개의 별개의 DOA들이 추출되는 횟수를 나타내고, N t 는 시뮬레이션들의 수를 나타낸다. 동일한 조건에서 이 시뮬레이션을 1000번 수행하므로, N t 는 1000이다. 아래 식 (26)과 같이 정의되는 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error: RMSE)를 계산한다.Where N r represents the number of times two separate DOAs are extracted from the received signals and N t represents the number of simulations. We perform this
여기서,
해상도 확률 P r 과 RMSE를 고려할 때, 본 발명에 따라 로그 영역 상의 어레이 보간을 적용한 Bartlett 방법(표 1의 케이스 (c)와 (d))은 기존의 단순한 바틀렛 방법(표 1의 케이스 (a) ) 또는 기존의 변환행렬
또한, 상관행렬 구축에 사용된 샘플 수를 변경하면서 보간 방법들 간의 성능 비교를 수행한 결과가 도 13에 도시되어 있다. 도 13의 (a)는 시간 샘플 개수에 따른 해상도 확률을 나타내며, (b)는 시간 샘플 개수에 따른 RMSE를 나타낸다. 적은 수의 시간 샘플이 사용 되더라도 본 발명에 따른 안테나 어레이 변환방법은 향상된 예측 성능을 보여줌을 알 수 있다. Also, the results of performing performance comparisons between interpolation methods while changing the number of samples used in the construction of the correlation matrix are shown in FIG. 13 (a) shows the resolution probability according to the number of time samples, and (b) shows the RMSE according to the number of time samples. It can be seen that the antenna array conversion method according to the present invention shows improved prediction performance even when a small number of time samples are used.
나아가, 상기 레이더의 FOV 내에 3개의 표적 차량이 존재하는 경우에 대한 시뮬레이션을 수행해보았다. 이 시뮬레이션은 표적 정보를 제외하고는 도 10과 동일한 시뮬레이션 조건을 유지하면서 수행하였다. 도 14는 [θ1, θ2, θ3] = [-8˚, 1.5˚, 7.5˚]의 세 방향에 위치한 세 개의 인접한 표적들에 관해 정규화한 바틀렛 의사스펙트럼을 예시적으로 나타낸다. 도 14에 도시된 바와 같이 기존의 바틀렛 방법 (도 14의 파란색 그래프 참조) 및 기존의 변환행렬
그러나 본 발명에 따른 변환행렬
또한 본 발명에 따른 DOA 추정 방법의 성능을 고해상도 DOA 추정 알고리즘으로 알려진 다중 신호 분류 (MUSIC) 알고리즘과 비교한다. MUSIC 알고리즘을 적용하기 위해서는 AIC(Akaike information criterion) 또는 MDL(minimum description length)을 이용하여 표적의 수를 미리 추정해야한다. 표적의 수가 잘 추정된다면
그러나
또한, 시뮬레이션은 4 개의 안테나 어레이 요소들뿐만 아니라 3개 또는 5개와 같은 다른 개수의 안테나 어레이 요소들에 대해서도 수행하였다. 어레이 요소들의 수가 3 일 때, 어레이 요소들의 원래 위치는 [d1, d2, d3] = [0, 1.5λ, 3λ]로 주어진다. 이 어레이는 최소 중복 어레이로 변환되며, 보간된 어레이 요소들은 [g1, g2, g3] = [0, 1λ, 3λ]에 위치한다. 또한 표적의 위치는 [θ1, θ2] = [-4˚, 6.5˚]이며, FOV의 범위는 -15˚ ~ 15˚라고 가정한다. 주어진 어레이의 반 전력 빔폭이 12이므로, 어레이는 매우 낮은 각도 분해능을 가지며, 주어진 DOA는 기존의 바틀렛 알고리즘과 구별되지 않았다. In addition, the simulation was performed for four antenna array elements as well as for a different number of antenna array elements, such as three or five. When the number of array elements is 3, the original position of the array elements is given by [d 1 , d 2 , d 3 ] = [0, 1.5λ, 3λ]. This array is converted to the least redundant array, and the interpolated array elements are located at [g 1 , g 2 , g 3 ] = [0, 1λ, 3λ]. The position of the target is assumed to be [θ 1 , θ 2 ] = [-4 °, 6.5 °], and the FOV range is -15 ° to 15 °. Because the half-power beam width of a given array is 12, the array has very low angular resolution, and the given DOA is indistinguishable from the conventional Bartlett algorithm.
또한 5개의 안테나 어레이 요소들에 대해, 원래의 안테나 어레이 요소들의 위치는 [d1, d2, d3, d4, d5] = [0, 2.25λ, 4.5λ, 6.75λ, 9λ]로 주어지고, 위치 [g1, g2, g3, g4, g5] = [0, 1λ, 4λ, 7λ, 9λ]로 변환된다. 이 경우, FOV는 LRR의 그것과 동일하게 주어지고, 표적들은 [θ1, θ2] = [-1˚, 3˚]에 위치된다. 이 DOA들은 주어진 어레이의 반 전력 빔폭이 4.5˚이므로, 기존의 바틀렛 알고리즘을 사용하여서는 구분할 수 없다. 3개와 5개의 안테나 어레이 요소들을 갖는 두 가지 경우, 어레이 SNR을 0 dB에서 10 dB로 증가시켰을 때의 해상도 확률과 RMSE가 도 15와 도 16에 각각 표시되어 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 방법은 안테나 어레이 요소의 개수가 3개인 경우나 5개인 경우에도 더 나은 성능을 보여준다.Also for the five antenna array elements, the positions of the original antenna array elements are [d 1 , d 2 , d 3 , d 4 , d 5 ] = [0, 2.25λ, 4.5λ, 6.75λ, 9λ] And are converted into positions [g 1 , g 2 , g 3 , g 4 , g 5 ] = [0, 1λ, 4λ, 7λ, 9λ]. In this case, the FOV is given the same as that of the LRR, and the targets are located at [θ 1 , θ 2 ] = [-1 °, 3 °]. These DOAs can not be distinguished using the conventional Bartlett algorithm because the half-power beam width of a given array is 4.5˚. In both cases with three and five antenna array elements, the resolution probability and RMSE when the array SNR is increased from 0 dB to 10 dB are shown in FIGS. 15 and 16, respectively. As can be seen from the figure, the method according to the present invention shows better performance when the number of antenna array elements is three or five.
위와 같은 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해, 자동차 시험장에서 자동차 LRR을 사용하여 실제 측정을 수행해본 결과가 표 2에 정리되어 있다. In order to verify the above simulation results, the actual measurement results using the automobile LRR in the automobile test center are summarized in Table 2.
시뮬레이션 결과와 유사하게, 본 발명에 따른 변환행렬
위와 같이 시뮬레이션과 측정 결과로부터, 본 발명에 따른 로그 영역에서의 변환행렬을 이용하는 수신신호의 DOA 추정 방법이 LLS의 방법을 이용하여 도출된 종래의 변환행렬을 사용하는 DOA 추정보다 훨씬 우수한 각도 분해능 및 추정 정확도를 나타냄을 확인할 수 있다.From the above simulation and measurement results, it can be seen that the DOA estimation method of the received signal using the transformation matrix in the log domain according to the present invention is superior to the DOA estimation using the conventional transformation matrix derived using the LLS method It can be confirmed that the estimation accuracy is shown.
본 발명은 안테나 어레이 장치에서 수신신호의 DOA를 측정하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어 차량용 레이더 장치에 적용하여 전방의 표적 차량을 정확하게 인식하는 데 효과적이다. The present invention can be used to measure DOA of a received signal in an antenna array device. For example, it is effective to accurately recognize a target vehicle ahead by applying it to a radar apparatus for a vehicle.
10: ULA 안테나 기반 레이더 시스템 20: 송신부
24: 파형 발생기(Waveform Generator) 26: 발진기
28: 전력 증폭기(PA) 30: 수신부
32: 저잡음 증폭기(LNA) 34: 혼합기
36: 저역통과필터(LPF) 38: AD변환기
40: 신호 처리부 50: 사용자 인터페이스 (User Interface)
60: ULA 수신 안테나 70: ULA 송신 안테나10: ULA antenna-based radar system 20:
24: Waveform generator 26: Oscillator
28: Power amplifier (PA) 30: Receiver
32: Low Noise Amplifier (LNA) 34: Mixer
36: Low-pass filter (LPF) 38: AD converter
40: a signal processor 50: a user interface
60: ULA receiving antenna 70: ULA transmitting antenna
Claims (14)
원래의 안테나 어레이 요소들의 제1 스티어링 행렬과, 상기 원래의 안테나 어레이 요소들에 기초하여 보간한 보간 안테나 어레이 요소들의 제2 스티어링 행렬 각각에 대해 로그를 취하는 단계;
로그를 취한 상기 제1 스티어링 행렬을 로그를 취한 상기 제2 스티어링 행렬로 변환하는 변환행렬을 최적화 기법을 이용하여 생성하는 단계;
상기 원래의 안테나 어레이 요소들의 수신신호들의 위상에 대하여 상기 변환행렬을 적용하여 상기 보간 안테나 어레이 요소들에 대응되는 위상을 갖는 보간 수신신호들로 변환하는 단계; 및
소정의 도래각(DOA) 추정 알고리즘에 기초하여 상기 보간 안테나 어레이 요소들의 상기 보간 수신신호들의 도래각(DOA)을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로그-영역 안테나 어레이 보간에 기반한 수신신호의 도래각 추정 방법.For antenna array elements arranged in the form of a uniform linear array (ULA)
Taking a log for a first steering matrix of the original antenna array elements and a second steering matrix of interpolated antenna array elements based on the original antenna array elements;
Generating a transformation matrix for transforming the first steering matrix obtained by taking the log into the second steering matrix obtained by using an optimization technique;
Applying the transform matrix to the phase of the received signals of the original antenna array elements to transform them into interpolated received signals having a phase corresponding to the interpolated antenna array elements; And
Estimating the DOA of the interpolated received signals of the interpolated antenna array elements based on a predetermined DOA estimation algorithm. Arrival angle estimation method.
상기 수신 안테나부의 각 안테나를 통해 수신된 복수 개의 수신신호로부터 소정의 신호를 추출하여 복수 개의 디지털 수신신호로 변환하는 수신부; 및
원래의 안테나 어레이 요소들의 제1 스티어링 행렬과, 상기 원래의 안테나 어레이 요소들에 기초하여 보간한 보간 안테나 어레이 요소들의 제2 스티어링 행렬 각각에 대해 로그를 취하는 기능과, 로그를 취한 상기 제1 스티어링 행렬을 로그를 취한 상기 제2 스티어링 행렬로 변환하는 변환행렬을 최적화 기법을 이용하여 생성하는 기능과, 상기 수신부가 제공하는 상기 복수 개의 디지털 수신신호들의 위상에 대하여 상기 변환행렬을 적용하여 상기 보간 안테나 어레이 요소들에 대응되는 위상을 갖는 보간 수신신호들로 변환하는 기능과, 소정의 도래각(DOA) 추정 알고리즘에 기초하여 상기 보간 안테나 어레이 요소들의 상기 보간 수신신호들의 도래각(DOA)를 추정하는 기능을 포함하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로그-영역 안테나 어레이 보간에 기반한 수신신호의 도래각 추정 장치.A receiving antenna comprising a plurality of original antenna array elements arranged at regular intervals in a row and receiving a radio signal incident from the front;
A receiving unit for extracting a predetermined signal from a plurality of received signals received through each antenna of the receiving antenna unit and converting the predetermined signal into a plurality of digital receiving signals; And
A function of taking a log for each of a first steering matrix of original antenna array elements and a second steering matrix of interpolated antenna array elements interpolated based on said original antenna array elements, To the second steering matrix obtained by taking the log by using an optimization technique; and a function of generating a transformation matrix by using the transformation matrix for the phase of the plurality of digital received signals provided by the receiver, (DOA) estimation algorithm based on a predetermined angle of arrival (DOA) estimation algorithm, a function of estimating an angle of arrival (DOA) of the interpolated received signals of the interpolation antenna array elements And a signal processing unit including a signal processing unit Each estimator arrival of the received signal based on the interpolation.
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