KR102400510B1 - Method for detecting multi targets using radar and apparatus for the same - Google Patents
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Abstract
레이더를 사용하여 다중 목표물들을 검출하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 다중 목표물들의 검출 방법은, 상기 장치에 포함된 Mt개의 송신 안테나들을 사용하여 제1 신호들을 전송하는 단계, 상기 다중 목표물들에 의해 반사된 제1 신호들을 상기 장치에 포함된 Mr개의 수신 안테나들을 통해 수신하는 단계, 상기 제1 신호들과 상기 반사된 제1 신호들을 사용하여 상기 다중 목표물들 각각의 속도와 방위각을 추정하기 위한 제1 함수를 생성하는 단계를 포함한다.A method and apparatus for detecting multiple targets using radar are disclosed. A method for detecting multiple targets includes transmitting first signals using M t transmit antennas included in the device, and M r receiving antennas included in the device for first signals reflected by the multiple targets and generating a first function for estimating the velocity and azimuth of each of the multiple targets using the first signals and the reflected first signals.
Description
본 발명은 다중 목표물들의 검출하기 위한 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 FMCW(frequency modulated continuous wave) MIMO(multiple input multiple output) 레이더를 사용하여 다중 목표물들의 거리, 방위각, 및 속도를 추정하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for detecting multiple targets, and more particularly, to a technique for estimating the distance, azimuth, and velocity of multiple targets using a frequency modulated continuous wave (FMCW) multiple input multiple output (MIMO) radar. it's about
자율 주행 기능을 지원하는 차량에서 전방의 다중 목표물들을 검출하기 위해 레이더가 사용될 수 있다. 차량에 탑재된 레이더를 사용하여 다중 목표물들 각각의 거리, 방위각, 및 속도가 추정될 수 있다. 다중 목표물들을 검출하기 위해, 펄스(pulse) 레이더, 연속파(continuous wave) 레이더, FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이더, FSK(frequency shift keying) 레이더 등이 사용될 수 있다.Radar can be used to detect multiple targets ahead in vehicles that support autonomous driving functions. The distance, azimuth, and velocity of each of the multiple targets may be estimated using the vehicle-mounted radar. To detect multiple targets, a pulse radar, a continuous wave radar, a frequency modulated continuous wave (FMCW) radar, a frequency shift keying (FSK) radar, etc. may be used.
레이더를 통해 획득된 정보와 MUSIC(multiple signal classification) 알고리즘을 사용하여, 다중 목표물들의 거리, 방위각, 및 속도가 추정될 수 있다. MUSIC 알고리즘은 높은 계산 복잡도를 가지며, 잡음에 많은 영향을 받는다. 이로 인해, MUSIC 알고리즘에 의해 추정된 결과는 많은 오차를 가질 수 있다. 따라서 현재 MUSIC 알고리즘을 자율 주행 기능을 지원하는 차량에 적용하는 것은 부적절할 수 있으므로, 자율 주행 기능을 지원하는 차량에서 사용 가능한 알고리즘(예를 들어, 다중 목표물들의 검출을 위해 사용되는 알고리즘)이 필요하다.Using information obtained through radar and a multiple signal classification (MUSIC) algorithm, the distance, azimuth, and velocity of multiple targets can be estimated. The MUSIC algorithm has high computational complexity and is greatly affected by noise. Due to this, the result estimated by the MUSIC algorithm may have many errors. Therefore, it may be inappropriate to apply the current MUSIC algorithm to a vehicle supporting the autonomous driving function, so an algorithm that can be used in a vehicle supporting the autonomous driving function (for example, an algorithm used for detection of multiple targets) is required. .
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 FMCW(frequency modulated continuous wave) MIMO(multiple input multiple output) 레이더를 사용하여 다중 목표물들을 검출하는 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for detecting multiple targets using a frequency modulated continuous wave (FMCW) multiple input multiple output (MIMO) radar.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 목표물들의 검출 방법은, 상기 장치에 포함된 Mt개의 송신 안테나들을 사용하여 제1 신호들을 전송하는 단계, 상기 다중 목표물들에 의해 반사된 제1 신호들을 상기 장치에 포함된 Mr개의 수신 안테나들을 통해 수신하는 단계, 상기 제1 신호들과 상기 반사된 제1 신호들을 사용하여 상기 다중 목표물들 각각의 속도와 방위각을 추정하기 위한 제1 함수를 생성하는 단계, 상기 제1 함수의 결과를 최대화하는 속도와 방위각을 상기 다중 목표물들 중에 상기 장치와 가장 가까운 제1 목표물의 속도와 방위각으로 추정하는 단계, 상기 제1 목표물에 의해 야기되는 간섭을 상기 제1 함수에서 제거함으로써 제2 함수를 생성하는 단계, 및 상기 제2 함수의 결과를 최대화하는 속도와 방위각을 상기 다중 목표물들 중에서 제2 목표물의 속도와 방위각으로 추정하는 단계를 포함하며, 상기 장치와 상기 제2 목표물 간의 거리는 상기 장치와 상기 제1 목표물 간의 거리 이상이고, 상기 Mt 및 상기 Mr 각각은 2 이상의 자연수이다.A method for detecting multiple targets according to a first embodiment of the present invention for achieving the above object includes transmitting first signals using M t transmission antennas included in the apparatus, reflected by the multiple targets receiving the first signals through M r receiving antennas included in the device; a first for estimating the velocity and azimuth of each of the multiple targets using the first signals and the reflected first signals generating a 1 function, estimating the velocity and azimuth that maximize the result of the first function as the velocity and azimuth of a first one of the multiple targets closest to the device, caused by the first target generating a second function by removing interference from the first function, and estimating the velocity and azimuth that maximize the result of the second function as the velocity and azimuth of a second one of the multiple targets; , the distance between the device and the second target is equal to or greater than the distance between the device and the first target, and each of M t and M r is a natural number equal to or greater than 2 .
여기서, 상기 Mt개의 송신 안테나들을 통해 전송되는 상기 제1 신호들은 서로 직교할 수 있다.Here, the first signals transmitted through the M t transmit antennas may be orthogonal to each other.
여기서, 제1 함수는 2D MUSIC 알고리즘에 기초하여 생성될 수 있다.Here, the first function may be generated based on the 2D MUSIC algorithm.
여기서, 상기 제1 함수는 상기 다중 목표물들의 속도와 방위각에 의해 형성되는 제1 행렬, 상기 제1 행렬에 대한 에르미트 행렬, 잡음 부공간에 의해 형성되는 제2 행렬, 및 상기 제2 행렬에 대한 에르미트 행렬으로 구성될 수 있다.Here, the first function is a first matrix formed by the velocities and azimuths of the multiple targets, a Hermitian matrix for the first matrix, a second matrix formed by the noise subspace, and for the second matrix It can be configured as a Hermitian matrix.
여기서, 상기 Mt개의 송신 안테나들과 상기 Mr개의 수신 안테나들에 의해 Mt×Mr개의 가상 어레이 엘리먼트들이 구현될 수 있고, 상기 제1 함수는 상기 Mt×Mr개의 가상 어레이 엘리먼트들을 통해 송수신되는 상기 제1 신호들과 상기 반사된 제1 신호들에 기초하여 생성될 수 있다.In this case, M t × M r virtual array elements may be implemented by the M t transmit antennas and the M r receive antennas, and the first function functions to generate the M t × M r virtual array elements. It may be generated based on the first signals transmitted and received through and the reflected first signals.
여기서, 상기 제2 함수를 생성하는 단계는 상기 제1 목표물의 속도와 방위각에 기초하여 제1 행렬을 생성하는 단계, 상기 제1 행렬을 직교한 영역에 투영함으로써 투영된 행렬을 생성하는 단계, 및 상기 투영된 행렬의 샘플 공분산 행렬에 대한 고유 값 분해를 수행함으로써 상기 제2 함수를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, generating the second function includes generating a first matrix based on the velocity and azimuth of the first target, generating a projected matrix by projecting the first matrix onto an orthogonal area, and The method may further include generating the second function by performing eigenvalue decomposition on a sample covariance matrix of the projected matrix.
여기서, 상기 동작 방법은 상기 제1 목표물의 속도와 방위각에 기초하여 제1 행렬을 생성하는 단계, 상기 제1 행렬을 사용하여 상기 장치와 상기 제1 목표물의 거리를 지시하는 비트 주파수를 포함하는 제2 신호를 생성하는 단계, 및 상기 제2 신호에 대한 FFT의 결과를 상기 장치와 상기 제1 목표물의 거리로 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, the operating method includes generating a first matrix based on a velocity and an azimuth of the first target, a first matrix including a bit frequency indicating a distance between the device and the first target using the first matrix The method may further include generating two signals, and estimating a result of FFT on the second signal as a distance between the device and the first target.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 검출 장치는 프로세서, 상기 프로세서의 제어에 따라 제1 신호들을 전송하는 Mt개의 송신 안테나들, 상기 프로세서의 제어에 따라 상기 다중 목표물들에 의해 반사된 제1 신호들을 수신하는 Mr개의 수신 안테나들, 및 상기 프로세서에 의해 실행되는 하나 이상의 명령들을 저장하는 메모리(memory)를 포함하며, 상기 하나 이상의 명령들은 상기 제1 신호들과 상기 반사된 제1 신호들을 사용하여 상기 다중 목표물들 각각의 속도와 방위각을 추정하기 위한 제1 함수를 생성하고, 상기 제1 함수의 결과를 최대화하는 속도와 방위각을 상기 다중 목표물들 중에 상기 장치와 가장 가까운 제1 목표물의 속도와 방위각으로 추정하고, 상기 제1 목표물에 의해 야기되는 간섭을 상기 제1 함수에서 제거함으로써 제2 함수를 생성하고, 그리고 상기 제2 함수의 결과를 최대화하는 속도와 방위각을 상기 다중 목표물들 중에서 제2 목표물의 속도와 방위각으로 추정하도록 실행되며, 상기 장치와 상기 제2 목표물 간의 거리는 상기 장치와 상기 제1 목표물 간의 거리 이상이고, 상기 Mt 및 상기 Mr 각각은 2 이상의 자연수이다.A detection apparatus according to a second embodiment of the present invention for achieving the above object includes a processor, M t transmit antennas for transmitting first signals under the control of the processor, and the multiple targets under the control of the processor. M r receive antennas receiving first signals reflected by generating a first function for estimating the velocity and azimuth of each of the multiple targets using the obtained first signals, and determining the velocity and azimuth that maximizes the result of the first function among the multiple targets closest to the device Estimating the velocity and azimuth of a first target, generating a second function by removing interference caused by the first target from the first function, and determining the velocity and azimuth that maximizes the result of the second function and estimating the velocity and azimuth of a second target among multiple targets, wherein a distance between the device and the second target is greater than or equal to a distance between the device and the first target, and each of M t and M r is a natural number greater than or equal to 2 am.
여기서, 상기 제1 함수는 상기 다중 목표물들의 속도와 방위각에 의해 형성되는 제1 행렬, 상기 제1 행렬에 대한 에르미트 행렬, 잡음 부공간에 의해 형성되는 제2 행렬, 및 상기 제2 행렬에 대한 에르미트 행렬으로 구성될 수 있다.Here, the first function is a first matrix formed by the velocities and azimuths of the multiple targets, a Hermitian matrix for the first matrix, a second matrix formed by the noise subspace, and for the second matrix It can be configured as a Hermitian matrix.
여기서, 상기 Mt개의 송신 안테나들과 상기 Mr개의 수신 안테나들에 의해 Mt×Mr개의 가상 어레이 엘리먼트들이 구현될 수 있고, 상기 제1 함수는 상기 Mt×Mr개의 가상 어레이 엘리먼트들을 통해 송수신되는 상기 제1 신호들과 상기 반사된 제1 신호들에 기초하여 생성될 수 있다.In this case, M t × M r virtual array elements may be implemented by the M t transmit antennas and the M r receive antennas, and the first function functions to generate the M t × M r virtual array elements. It may be generated based on the first signals transmitted and received through and the reflected first signals.
여기서, 상기 제2 함수를 생성하는 경우에 상기 하나 이상의 명령들은 상기 제1 목표물의 속도와 방위각에 기초하여 제1 행렬을 생성하고, 상기 제1 행렬을 직교한 영역에 투영함으로써 투영된 행렬을 생성하고, 그리고 상기 투영된 행렬의 샘플 공분산 행렬에 대한 고유 값 분해를 수행함으로써 상기 제2 함수를 생성하도록 더 실행될 수 있다.wherein, when generating the second function, the one or more instructions generate a first matrix based on the velocity and azimuth of the first target, and generate a projected matrix by projecting the first matrix onto an orthogonal area. and generate the second function by performing an eigenvalue decomposition on a sample covariance matrix of the projected matrix.
여기서, 상기 하나 이상의 명령들은 상기 제1 목표물의 속도와 방위각에 기초하여 제1 행렬을 생성하고, 상기 제1 행렬을 사용하여 상기 장치와 상기 제1 목표물의 거리를 지시하는 비트 주파수를 포함하는 제2 신호를 생성하고, 그리고 상기 제2 신호에 대한 FFT의 결과를 상기 장치와 상기 제1 목표물의 거리로 추정하도록 더 실행될 수 있다.wherein the one or more instructions generate a first matrix based on a velocity and an azimuth of the first target, and a first matrix comprising a bit frequency indicative of a distance between the device and the first target using the first matrix. generating two signals, and estimating a result of FFT on the second signal as a distance between the device and the first target.
본 발명에 의하면, 검출 장치는 다중 목표물들에 의해 반사된 신호에 기초하여 다중 목표물들의 파라미터들(예를 들어, 속도, 방위각, 거리)을 추정하기 위한 제1 함수를 생성할 수 있고, 제1 함수를 최대화하는 속도와 방위각을 검출 장치와 가장 가까운 제1 목표물의 속도와 방위각으로 추정할 수 있다. 검출 장치는 제1 목표물에 의해 야기되는 간섭을 제1 함수에서 제거함으로써 제2 함수를 생성할 수 있고, 제2 함수를 최대화하는 속도와 방위각을 제2 목표물의 속도와 방위각으로 추정할 수 있다. 목표물에 의해 야기되는 간섭이 순차적으로 제거됨으로써, 검출 장치는 다중 목표물들 각각의 파라미터들을 정확하게 추정할 수 있다. 또한, 다중 목표물들의 파라미터들의 검출을 위한 계산 복잡도가 감소할 수 있다.According to the present invention, the detection device may generate a first function for estimating parameters (eg, velocity, azimuth, distance) of multiple targets based on a signal reflected by the multiple targets, the first The velocity and azimuth maximizing the function may be estimated as the velocity and azimuth of a first target closest to the detection device. The detection device may generate the second function by removing the interference caused by the first target from the first function, and may estimate the velocity and azimuth that maximize the second function as the velocity and azimuth of the second target. Since the interference caused by the target is sequentially removed, the detection apparatus can accurately estimate the parameters of each of the multiple targets. In addition, computational complexity for detection of parameters of multiple targets can be reduced.
도 1은 FMCW MIMO 레이더를 사용하는 검출 장치의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 2는 검출 장치에 포함된 안테나들에 의해 형성되는 가상 안테나를 도시한 개념도이다.
도 3은 기존 2D MUSIC 알고리즘의 수행 결과를 도시한 그래프일 수 있다.
도 4는 직교 투영법에 기초한 간섭 제거 기법이 적용된 2D MUSIC 알고리즘의 수행 결과를 도시한 그래프일 수 있다.
도 5는 기존 2D MUSIC 알고리즘에 의해 발생하는 오류를 도시한 그래프이다.1 is a conceptual diagram illustrating a first embodiment of a detection apparatus using an FMCW MIMO radar.
2 is a conceptual diagram illustrating a virtual antenna formed by antennas included in a detection device.
3 may be a graph illustrating a result of performing an existing 2D MUSIC algorithm.
4 may be a graph illustrating a result of performing a 2D MUSIC algorithm to which an orthogonal projection-based interference cancellation technique is applied.
5 is a graph showing errors generated by the existing 2D MUSIC algorithm.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component. and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but it is understood that other components may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.
본 출원에서 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 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.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, 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 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 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 a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, in order to facilitate the overall understanding, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions of the same components are omitted.
도 1은 FMCW(frequency modulated continuous wave) MIMO(multiple input multiple output) 레이더를 사용하는 검출 장치의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a first embodiment of a detection apparatus using a frequency modulated continuous wave (FMCW) multiple input multiple output (MIMO) radar.
도 1을 참조하면, 검출 장치는 차량에 탑재될 수 있고, 프로세서(110), 메모리(120), 저장 장치(130), Mt개의 송신 안테나들, 및 Mr개의 수신 안테나들을 포함할 수 있다. Mt 및 Mr 각각은 자연수일 수 있다. 프로세서(110)는 메모리(120) 및 저장 장치(130) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(110)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(120) 및 저장 장치(130) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1 , the detection device may be mounted on a vehicle and may include a
검출 장치는 Mt개의 송신 안테나들을 사용하여 신호들을 전송할 수 있고, Mt개의 송신 안테나들에서 전송된 신호들은 K개의 목표물들에 의해 반사될 수 있다. K는 자연수일 수 있다. Mt개의 송신 안테나들은 서로 직교한 파형을 가지는 신호들을 전송할 수 있다. Mt개의 송신 안테나들로부터 전송되는 신호들의 주파수 오프셋(offset)이 조절됨으로써, 서로 직교한 파형을 가지는 신호들이 생성될 수 있다. 또는, 시분할 방식에 기초하여 직교성을 가지는 신호들이 생성될 수 있다. K개의 목표물들에서 반사된 신호들은 Mr개의 수신 안테나들에서 획득될 수 있다. Mr개의 수신 안테나들에서 획득된 신호들은 분리될 수 있다.The detection apparatus may transmit signals using M t transmit antennas, and signals transmitted from the M t transmit antennas may be reflected by K targets. K may be a natural number. The M t transmit antennas may transmit signals having orthogonal waveforms to each other. By adjusting the frequency offset of signals transmitted from the M t transmit antennas, signals having orthogonal waveforms may be generated. Alternatively, signals having orthogonality may be generated based on the time division method. The signals reflected from the K targets may be acquired at the M r receive antennas. Signals obtained from the M r receive antennas may be separated.
서로 다른 주파수 오프셋이 Mt개의 송신 안테나들에 적용되는 경우, Mt개의 송신 안테나들 중에서 mt번째 송신 안테나에서 전송되는 신호(예를 들어, FMCW 신호)는 아래 수학식 1과 같이 정의될 수 있다. 즉, 검출 장치는 송신 안테나를 사용하여 를 전송할 수 있다.When different frequency offsets are applied to the M t transmit antennas, a signal (eg, FMCW signal) transmitted from the m t th transmit antenna among the M t transmit antennas may be defined as in
는 mt번째 송신 안테나에서 전송되는 신호일 수 있다. 는 반송파의 주파수일 수 있다. 는 주파수 오프셋일 수 있다. 은 시간 영역에서 하나의 펄스의 길이일 수 있다. 는 첩 레이트(chirp rate)일 수 있다. 는 K개의 목표물들에 의해 반사될 수 있고, K개의 목표물들에 의해 반사된 신호는 Mr개의 수신 안테나들 중에서 mr번째 수신 안테나에서 수신될 수 있다. mr번째 수신 안테나에서 수신된 신호()는 아래 수학식 2와 같이 정의될 수 있다. 즉, 검출 장치는 수신 안테나를 통해 를 수신할 수 있다. may be a signal transmitted from the m t th transmit antenna. may be the frequency of the carrier wave. may be a frequency offset. may be the length of one pulse in the time domain. may be a chirp rate. may be reflected by the K targets, and the signal reflected by the K targets may be received at the m r th receiving antenna among the M r receiving antennas. The signal received at the m r th receiving antenna ( ) may be defined as in
는 목표물의 반사 계수, 레인지(range)로 인한 경로 손실, 안테나 이득 등을 고려하여 결정될 수 있다. 수학식 2에서 는 아래 수학식 3과 같이 정의될 수 있다. may be determined in consideration of a reflection coefficient of a target, a path loss due to a range, an antenna gain, and the like. in
는 mt번째 송신 안테나에서 k번째 목표물까지의 거리일 수 있다. 는 mr번째 수신 안테나에서 k번째 목표물까지의 거리일 수 있다. 여기서, mt번째 송신 안테나와 mr번째 수신 안테나의 가운데에 위치한 가상 안테나에서 신호가 송수신되는 것으로 가정될 수 있다. 즉, Mt개의 송신 안테나들과 Mr개의 수신 안테나들이 사용됨으로써, Mt×Mr개의 가상 어레이 엘리먼트들(virtual array elements)을 포함하는 안테나가 구현될 수 있다. may be the distance from the m t th transmit antenna to the k th target. may be the distance from the m r th receive antenna to the k th target. Here, it may be assumed that a signal is transmitted/received through a virtual antenna located in the middle between the m t th transmit antenna and the m r th receive antenna. That is, by using M t transmit antennas and M r receive antennas, an antenna including M t ×M r virtual array elements may be implemented.
도 2는 검출 장치에 포함된 안테나들에 의해 형성되는 가상 안테나를 도시한 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating a virtual antenna formed by antennas included in a detection device.
도 2를 참조하면, 검출 장치는 4개의 송신 안테나들과 4개의 수신 안테나들을 포함할 수 있다. 이 경우, 16개의 가상 어레이 엘리먼트들을 포함하는 선형 어레이 안테나가 구현될 수 있다.Referring to FIG. 2 , the detection apparatus may include four transmit antennas and four receive antennas. In this case, a linear array antenna including 16 virtual array elements may be implemented.
수학식 3에서 는 목표물의 속도일 수 있다. 예를 들어, 는 레이더(예를 들어, 안테나) 방향을 기준으로 목표물의 상대적인 속도일 수 있다. 수학식 3에서 에 의하면, 가상 어레이 엘리먼트들을 포함하는 선형 어레이 안테나에서 신호를 송수신하는 효과를 고려하여, 안테나로부터 목표물까지의 거리가 다시 표현될 수 있다. 는 선형 어레이 안테나에 포함된 가상 어레이 엘리먼트(예를 들어, 기준 엘리먼트)로부터 목표물까지의 거리일 수 있다. 는 mt번째 송신 안테나와 mr번째 수신 안테나에 의해 형성되는 가상 어레이 엘리먼트의 상대적인 위칠 수 있다. 는 목표물의 방위각일 수 있고, 선형 어레이 안테나에 포함된 가상 어레이 엘리먼트를 기준으로 결정될 수 있다. 선형 어레이 안테나에 포함된 가상 어레이 엘리먼트의 인덱스가 m이고, 가상 어레이 엘리먼트들 간의 간격이 d인 경우, 수학식 3에서 가 정의될 수 있다.in
FMCW MIMO 레이더의 신호를 처리하기 위해, 검출 장치는 송신 안테나들로부터 전송된 신호와 수신 안테나에서 수신된 신호에 대한 디컨볼루션(deconvolution) 및 로우-패스 필터링(low-pass filtering)을 수행함으로써 아래 수학식 4에서 정의된 신호()를 도출할 수 있다. 수학식 는 비트(beat) 주파수 정보를 포함할 수 있다.In order to process the signal of the FMCW MIMO radar, the detection apparatus performs deconvolution and low-pass filtering on the signal transmitted from the transmitting antennas and the signal received at the receiving antenna by performing the following The signal defined in Equation 4 ( ) can be derived. formula may include beat frequency information.
는 TS마다 샘플링될 수 있고, 샘플링된 신호를 이산 신호로 변환함으로써 아래 수학식 5가 정의될 수 있다. may be sampled every T S , and
다중 목표물들을 검출하기 위해 총 S개의 펄스가 사용되는 경우, S개의 펄스에 속한 s번째 펄스의 n번째 샘플 신호는 아래 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.When a total of S pulses are used to detect multiple targets, the nth sample signal of the sth pulse belonging to the S pulses may be defined as in
수학식 6에서 가 정의될 수 있다. 가상 어레이 엘리먼트들에서 수신 신호들은 수학식 6에 기초하여 하나의 벡터 형태로 표현될 수 있다. 예를 들어, 가상 어레이 엘리먼트들에서 수신 신호들을 기초로 생성된 벡터는 아래 수학식 7과 같이 정의될 수 있다.in
는 어레이 응답 벡터(array response vector)일 수 있고, 가 정의될 수 있다. 는 아래 수학식 8과 같이 모든 펄스에 대한 벡터 형태로 표현될 수 있다. may be an array response vector, can be defined. can be expressed in the form of a vector for all pulses as shown in
수학식 8에서 는 아래 수학식 9와 같이 정의될 수 있다.in
는 아래 수학식 10과 같이 모든 n에 대한 컬럼(column) 형태로 표현될 수 있다. can be expressed in the form of a column for all n as shown in
■ 2D MUSIC(multiple signal classification) 알고리즘■ 2D multiple signal classification (MUSIC) algorithm
검출 장치는 에 기초하여 샘플 공분산 행렬을 계산할 수 있고, 샘플 공분산 행렬에 대한 고유 값 분해(eigen-value decomposition)를 수행함으로써 아래 수학식 11을 생성할 수 있다.the detection device A sample covariance matrix may be calculated based on , and Equation 11 below may be generated by performing eigen-value decomposition on the sample covariance matrix.
는 신호 부공간을 스팬(span)하는 고유 벡터를 기초로 생성된 행렬일 수 있다. 은 잡음 부공간을 스팬하는 고유 벡터를 기초로 생성된 행렬일 수 있다. 이 정의되는 경우, 신호 부공간은 잡음 부공간과 직교할 수 있다. 따라서 아래 수학식 12가 정의될 수 있다. may be a matrix generated based on an eigenvector spanning a signal subspace. may be a matrix generated based on an eigenvector spanning the noise subspace. is defined, the signal subspace may be orthogonal to the noise subspace. Therefore, Equation 12 below can be defined.
검출 장치는 2차원 격자 탐색을 수행함으로써 을 최대화하는 속도(v)와 방위각(θ)을 추정할 수 있다.The detection device performs a two-dimensional grid search by It is possible to estimate the velocity (v) and azimuth (θ) maximizing .
■ 직교 투영법(orthogonal projection)에 기초한 간섭 제거 기법이 적용된 2D MUSIC 알고리즘■ 2D MUSIC algorithm with interference cancellation based on orthogonal projection
수학식 12에서 가 최댓값을 가지는 경우, 검출 장치는 가 최댓값을 가지도록 결정된 속도(v)와 방위각(θ)을 목표물의 속도(v)와 방위각(θ)으로 추정할 수 있다. 그러나 잡음 및 의 사이드-로브(side-lobe) 때문에, 검출 장치로부터 상대적으로 멀리 위치한 목표물에 의해 반사된 신호의 감쇄는 클 수 있다. 이 경우, 검출 장치로부터 상대적으로 멀리 위치한 목표물에 의해 반사된 신호의 크기는 검출 장치로부터 상대적으로 가까이 위치한 목표물에 대한 사이드-로브의 크기보다 작을 수 있다. 따라서 목표물에 대한 파라미터들(예를 들어, 거리, 방위각, 속도)을 추정하는 것은 어려울 수 있다.in Equation 12 has a maximum value, the detection device is The velocity (v) and the azimuth (θ) determined to have a maximum value may be estimated as the velocity (v) and the azimuth (θ) of the target. However, noise and Due to the side-lobe of the signal, the attenuation of the signal reflected by a target located relatively far from the detection device can be large. In this case, the magnitude of the signal reflected by the target relatively far from the detection device may be smaller than the magnitude of the side-lobe with respect to the target relatively close to the detection device. It can therefore be difficult to estimate parameters (eg, distance, azimuth, velocity) for a target.
이러한 문제를 해결하기 위해, 검출 장치는 원시(original) 수신 신호(예를 들어, 수학식 2에 정의된 신호)에 기초하여 목표물의 파라미터들을 추정하기 위해 사용되는 함수(예를 들어, 수학식 12에 정의된 함수)를 생성할 수 있다. 검출 장치는 수학식 12에 정의된 의 최댓값을 계산할 수 있고, 최댓값을 사용하여 목표물의 파라미터들을 추정할 수 있고, 추정된 파라미터들을 사용하여 직교 투영법을 수행함으로써 원시 수신 신호 내의 간섭을 제거할 수 있다. 예를 들어, 검출 장치는 검출 장치로부터 가장 가까운 목표물에 의해 야기되는 간섭을 원시 수신 신호에서 제거함으로써 제1 수신 신호를 생성할 수 있다.To solve this problem, the detection device is a function used to estimate parameters of a target based on an original received signal (eg, the signal defined in Equation 2) (eg, Equation 12) function defined in ) can be created. The detection device is defined in Equation 12 can calculate the maximum value of , estimate parameters of the target using the maximum values, and perform orthogonal projection using the estimated parameters to remove interference in the raw received signal. For example, the detection device may generate the first received signal by removing interference caused by a target closest to the detection device from the original received signal.
그 후에, 검출 장치는 제1 수신 신호를 기초로 의 최댓값을 계산할 수 있고, 최댓값(예를 들어, 원시 수신 신호를 기초로 계산된 최댓값보다 작은 최댓값)을 사용하여 목표물의 파라미터들을 추정할 수 있고, 추정된 파라미터들을 사용하여 직교 투영법을 수행함으로써 제1 수신 신호 내의 간섭을 제거할 수 있다. 예를 들어, 검출 장치는 검출 장치로부터 두 번째로 가까운 목표물에 의해 야기되는 간섭을 제1 수신 신호에서 제거함으로써 제2 수신 신호를 생성할 수 있다.After that, the detection device based on the first received signal It is possible to calculate the maximum value of , and estimate the parameters of the target using the maximum value (eg, a maximum value smaller than the maximum value calculated based on the raw received signal), and perform an orthogonal projection using the estimated parameters. 1 Can cancel interference in the received signal. For example, the detection device may generate the second received signal by canceling interference caused by a target second closest to the detection device from the first received signal.
즉, 가장 큰 를 발생시키는 신호를 반사한 목표물에 대한 파라미터들(예를 들어, 속도 및 방위각)이 추정된 경우, 검출 장치는 추정된 파라미터들을 사용하여 를 계산할 수 있고, 와 직교한 영역에 투영된 행렬을 계산할 수 있다. 와 직교한 영역에 투영된 행렬은 아래 수학식 13과 같이 정의될 수 있다.that is, the largest When parameters (eg, velocity and azimuth) for the target that reflected the signal generating can be calculated, We can compute a matrix projected on a region orthogonal to . A matrix projected on a region orthogonal to can be defined as in Equation 13 below.
또한, 검출 장치는 샘플 공분산 행렬(예를 들어, )에 기초하여 고유 값 분해를 수행함으로써 수학식 12를 계산할 수 있다. 이 경우, 검출 장치는 가장 큰 세기를 가지는 신호를 반사시키는 목표물의 파라미터들로 인한 간섭 효과를 제거할 수 있고, 간섭 효과가 제거된 상태에서 다음 목표물의 파라미터들을 정확하게 추정할 수 있다. 검출 장치는 앞서 설명된 동작을 K번 반복 수행함으로써 K개 목표물들(예를 들어, 도 1에 도시된 K개 목표물들)의 파라미터들을 추정할 수 있다. 가장 작은 수신 세기를 가지는 목표물(예를 들어, 검출 장치로부터 가장 멀리 떨어진 목표물)의 파라미터들도 정확하게 추정될 수 있다.In addition, the detection device is a sample covariance matrix (eg, Equation 12 can be calculated by performing eigenvalue decomposition based on ). In this case, the detection apparatus may remove the interference effect due to the parameters of the target that reflects the signal having the greatest intensity, and accurately estimate the parameters of the next target while the interference effect is removed. The detection apparatus may estimate parameters of K targets (eg, K targets illustrated in FIG. 1 ) by repeatedly performing the above-described operation K times. Parameters of a target having the smallest reception strength (eg, a target farthest from the detection device) can also be accurately estimated.
■ 2D 루트(root) MUSIC 알고리즘■ 2D root MUSIC algorithm
2차원 격자 탐색의 계산량은 매우 많기 때문에, 검출 장치는 2차원 루트 MUSIC 알고리즘을 사용하여 목표물의 파라미터들을 추정할 수 있다. 검출 장치는 아래 수학식 14에 정의된 2개의 벡터들을 정의할 수 있다.Since the calculation amount of the two-dimensional grid search is very large, the detection apparatus may estimate the parameters of the target by using the two-dimensional root MUSIC algorithm. The detection apparatus may define two vectors defined in Equation 14 below.
수학식 14에 정의된 2개의 벡터들을 사용하면, 수학식 12의 분모는 아래 수학식 15와 같이 정의될 수 있다.Using the two vectors defined in Equation 14, the denominator of Equation 12 may be defined as Equation 15 below.
는 아래 수학식 16과 같이 정의될 수 있다. can be defined as in Equation 16 below.
수학식 12의 를 최대화하는 파라미터들을 구하는 것은 수학식 15에서 에 대한 방정식의 근을 구하는 것과 동일할 수 있다. 수학식 15는 아래 수학식 17로 변환될 수 있다.of Equation 12 Finding the parameters that maximize It can be the same as finding the root of the equation for . Equation 15 can be converted to Equation 17 below.
검출 장치는 아래 수학식 18을 만족하는 를 계산할 수 있다.The detection device satisfies Equation 18 below can be calculated.
가 정의되는 경우, 수학식 18의 근들 중에서 속도에 관련된 근은 크기가 1인 단위 원(unit circle)상에 위치할 수 있다. 따라서 K개 목표물들의 속도를 추정하기 위해, 검출 장치는 단위 원에 가장 가까운 K개의 근들(예를 들어, )을 선택할 수 있고, 아래 수학식 19에 기초하여 K개의 목표물들의 속도를 추정할 수 있다. is defined, a root related to speed among the roots of Equation 18 may be located on a unit circle having a size of 1. Therefore, to estimate the velocity of K targets, the detection device uses the K roots closest to the unit circle (eg, ) can be selected, and the velocity of K targets can be estimated based on Equation 19 below.
검출 장치는 에 기초하여 를 계산할 수 있다. 검출 장치는 를 수학식 17에 대입함으로써 아래 수학식 20을 획득할 수 있다.the detection device based on can be calculated. the detection device By substituting in Equation 17,
가 정의되는 경우, 수학식 20의 근들 중에서 방위각에 관련된 근은 크기가 1인 단위 원상에 위치할 수 있다. 따라서 K개 목표물들의 방위각을 추정하기 위해, 검출 장치는 수학식 20의 근들 중에서 단위 원에 가장 가까운 K개의 근들을 선택할 수 있고, 아래 수학식 21에 기초하여 K개 목표물들의 방위각을 추정할 수 있다. is defined, a root related to an azimuth among the roots of
■ ■ 저복잡도low complexity 근사화에 기초한 2D 루트 MUSIC 알고리즘 2D Root MUSIC Algorithm Based on Approximation
수학식 14는 에 대한 함수이고, 가 정의되는 경우, 는 로 표현될 수 있다. 즉, 는 2π 주기를 가지는 주기 함수일 수 있다. 검출 장치는 아래 수학식 22와 같이 를 푸리에 급수(Fourier series)로 표현할 수 있다.Equation 14 is is a function for If is defined, Is can be expressed as in other words, may be a periodic function having a period of 2π. The detection device is as shown in Equation 22 below can be expressed as a Fourier series.
는 아래 수학식 23과 같이 정의될 수 있다. can be defined as in Equation 23 below.
검출 장치는 수학식 18의 디터미넌트(determinant)를 푸리에 급수를 통해 근사화함으로써 아래 수학식 24를 도출할 수 있다.The detection apparatus may derive Equation 24 below by approximating the determinant of Equation 18 through a Fourier series.
수학식 24에서 z에 대한 다항식 차수는 "(S-1)×M"일 수 있다. 이 경우, S 또는 M이 커짐에 따라 다항식 차수가 증가할 수 있다. 수학식 24에서 z에 대한 다항식 차수가 "N<(S-1)×M"을 만족하도록 설정되는 경우, 검출 장치는 낮은 다항식 차수를 가지는 수학식 24의 근들을 효율적으로 찾을 수 있다. 검출 장치는 수학식 24의 근들과 수학식 19를 사용하여 K개의 목표물들의 속도를 추정할 수 있고, 수학식 24의 근들과 수학식 20 및 21을 사용하여 K개의 목표물들의 방위각을 추정할 수 있다. 방위각 추정을 위해 사용되는 방정식의 차수는 높지 않기 때문에, 검출 장치는 근사화 동작 없이 방위각을 정확하게 추정할 수 있다. 필요한 경우, 검출 장치는 근사화 동작을 수행함으로써 방위각을 추정할 수 있다.In Equation 24, the polynomial order for z may be “(S-1)×M”. In this case, the polynomial order may increase as S or M increases. When the polynomial order for z in Equation 24 is set to satisfy "N<(S-1)×M", the detection apparatus can efficiently find the roots of Equation 24 having a low polynomial order. The detection apparatus may estimate the velocity of the K targets using the roots of Equation 24 and Equation 19, and estimate the azimuth angles of the K targets using the roots of Equation 24 and
■ 가중치를 고려한 ■ Considering the weight 저복잡도low complexity 근사화에 기초한 2D 루트 MUSIC 알고리즘 2D Root MUSIC Algorithm Based on Approximation
검출 장치는 수학식 24에 정의된 를 가중치()와 함께 근사화할 수 있다. 예를 들어, 검출 장치는 아래 수학식 25에 기초하여 를 근사화할 수 있다.The detection device is defined in Equation 24 weight ( ) can be approximated with For example, the detection device is based on Equation 25 below can be approximated.
가 만족되는 경우에, 검출 장치는 정확한 근사화를 위해 를 아래 수학식 26과 같이 정의할 수 있다. is satisfied, the detection device is used to obtain an accurate approximation can be defined as in Equation 26 below.
는 에르미트 대칭 행렬(Hermitian symmetric matrix)의 디터미넌트일 수 있다. 따라서 는 항상 실수 값을 가질 수 있으며, 수학식 25는 아래 수학식 27과 같이 재정의될 수 있다. may be a determinant of a Hermitian symmetric matrix. thus may always have a real value, and Equation 25 may be redefined as Equation 27 below.
수학식 27의 파라미터들은 아래 수학식 28과 같이 정의될 수 있다.The parameters of Equation 27 may be defined as Equation 28 below.
검출 장치는 아래 수학식 29에 기초하여 수학식 27의 근들을 계산할 수 있다.The detection apparatus may calculate the roots of Equation 27 based on Equation 29 below.
따라서 검출 장치는 ""을 만족하는 근들을 효율적으로 계산할 수 있다. 검출 장치는 수학식 27의 근들과 수학식 19를 사용하여 K개의 목표물들의 속도를 추정할 수 있고, 수학식 27의 근들과 수학식 20 및 21을 사용하여 K개의 목표물들의 방위각을 추정할 수 있다. 방위각 추정을 위해 사용되는 방정식의 차수는 높지 않기 때문에, 검출 장치는 근사화 동작 없이 방위각을 정확하게 추정할 수 있다. 필요한 경우, 검출 장치는 근사화 동작을 수행함으로써 방위각을 추정할 수 있다.Therefore, the detection device is " It is possible to efficiently calculate the roots satisfying " can be used to estimate the azimuth angle of K targets. Since the order of the equation used for azimuth estimation is not high, the detection device can accurately estimate the azimuth without approximation operation. If necessary, the detection device performs the approximation operation You can estimate the azimuth by doing it.
검출 장치는 추정된 속도와 방위각을 사용하여 검출 장치(예를 들어, 안테나)와 목표물 간의 거리를 추정할 수 있다. 검출 장치는 추정된 속도와 방위각을 사용하여 를 계산할 수 있다. 는 아래 수학식 30과 같이 정의될 수 있다.The detection device may estimate a distance between the detection device (eg, an antenna) and the target using the estimated velocity and azimuth. The detection device uses the estimated velocity and azimuth can be calculated. can be defined as in
검출 장치는 와 수학식 10에서 정의된 를 곱함으로써 아래 수학식 31에서 정의된 를 계산할 수 있다.the detection device and defined in
목표물의 속도와 방위각에 의해 형성된 벡터()를 정합 필터(matched filter)에 통과시키는 효과가 발생하므로, 목표물 방향으로의 SNR(signal to noise ratio)이 최대가 되도록 수신 벡터가 결합될 수 있다. 따라서 다른 목표물로부터 반사되는 신호는 널링(nulling)될 수 있다. 는 k번째 목표물과 검출 장치(예를 들어, 안테나) 간의 거리에 해당하는 단일 비트 주파수()로 인하여 발생하는 단일 톤(tone) 신호를 Ts마다 샘플링한 신호에 잡음이 더해진 신호일 수 있다. 에 대한 FFT(fast Fourier transform)의 결과인 피크 주파수는 비트 주파수일 수 있고, 검출 장치는 아래 수학식 32를 사용하여 k번째 목표물과 검출 장치(예를 들어, 안테나) 간의 거리를 추정할 수 있다.A vector formed by the target's velocity and azimuth ( ) is passed through the matched filter, so that the reception vectors can be combined so that the signal to noise ratio (SNR) in the direction of the target is maximized. Accordingly, signals reflected from other targets may be nulled. is the single bit frequency corresponding to the distance between the kth target and the detection device (eg, antenna) ) may be a signal in which noise is added to a signal obtained by sampling a single tone signal generated every T s . A peak frequency that is a result of a fast Fourier transform (FFT) for may be a bit frequency, and the detection device may estimate the distance between the k-th target and the detection device (eg, antenna) using Equation 32 below. .
한편, 앞서 설명된 실시예들에 따른 성능은 다음과 같을 수 있다. 검출 장치의 동작 주파수(), 송신 안테나, 및 수신 안테나는 아래 표 1과 같이 정의될 수 있다.Meanwhile, performance according to the above-described embodiments may be as follows. The operating frequency of the detection device ( ), a transmit antenna, and a receive antenna may be defined as shown in Table 1 below.
검출 장치의 전방에 3개의 목표물들이 존재하는 것으로 가정될 수 있다. 3개의 목표물들의 파라미터들(예를 들어, 거리, 방위각, 속도)은 아래 표 2와 같이 정의될 수 있다.It can be assumed that there are three targets in front of the detection device. The parameters (eg, distance, azimuth, and speed) of the three targets may be defined as shown in Table 2 below.
거리는 검출 장치(예를 들어, 안테나)와 목표물 간의 거리일 수 있다. 목표물의 방위각()은 검출 장치를 기준으로 결정될 수 있다. 목표물의 속도()는 검출 장치에 대한 상대 속도일 수 있다. k는 목표물의 인덱스일 수 있다.The distance may be a distance between a detection device (eg, an antenna) and a target. The azimuth of the target ( ) may be determined based on the detection device. target speed ( ) may be the relative velocity to the detection device. k may be an index of a target.
송신 안테나들로부터 전송된 신호들은 목표물들에 의해 반사될 수 있고, 수신 안테나들은 목표물들로부터 반사된 신호들을 수신할 수 있다. 수신 안테나들에서 수신된 신호들의 강도는 표 2에 정의된 거리의 네 제곱에 반비례하는 것으로 가정될 수 있다. 여기서, AWGN(additive white Gaussian noise)이 존재할 수 있으며, 분산값은 8.57×10-4로 설정될 수 있다.Signals transmitted from the transmit antennas may be reflected by targets, and the receive antennas may receive signals reflected from the targets. It can be assumed that the strength of signals received at the receiving antennas is inversely proportional to the fourth power of the distance defined in Table 2. Here, additive white Gaussian noise (AWGN) may be present, and the variance value may be set to 8.57×10 −4 .
표 1 및 표 2에 정의된 파라미터들에 기초한 기존 2D MUSIC 알고리즘의 수행 결과는 아래 도 3과 같을 수 있다. 2D MUSIC 알고리즘을 위한 탐색 간격은 "속도 그리드(speed grid)=40:0.5:100, 각도 그리드(angle grid)=-30:0.5:30"일 수 있다.The result of performing the existing 2D MUSIC algorithm based on the parameters defined in Tables 1 and 2 may be as shown in FIG. 3 below. The search interval for the 2D MUSIC algorithm may be “speed grid=40:0.5:100, angle grid=-30:0.5:30”.
도 3은 기존 2D MUSIC 알고리즘의 수행 결과를 도시한 그래프일 수 있다.3 may be a graph illustrating a result of performing an existing 2D MUSIC algorithm.
도 3을 참조하면, 목표물 #1에 의해 반사된 신호의 크기는 목표물 #3에 의해 반사된 신호의 크기보다 크기 때문에, 목표물 #1에 의해 반사된 신호는 목표물 #3에 의해 반사된 신호에 대한 간섭으로 작용할 수 있다. 따라서 검출 장치는 목표물 #3의 파라미터들(예를 들어, 거리, 방위각, 속도)을 정확하게 추정하지 못할 수 있다.Referring to FIG. 3 , since the magnitude of the signal reflected by the
반면, 직교 투영법에 기초한 간섭 제거 기법이 적용된 2D MUSIC 알고리즘이 사용되면, 검출 장치는 수신 신호에 기초하여 목표물 #1의 파라미터들을 추정할 수 있고, 수신 신호에서 목표물 #1에 의해 야기되는 간섭을 제거한 제1 신호를 도출할 수 있고, 제1 신호에 기초하여 목표물 #2의 파라미터들을 추정할 수 있고, 제1 신호에서 목표물 #2에 의해 야기되는 간섭을 제거한 제2 신호를 도출할 수 있고, 제2 신호에 기초하여 목표물 #3의 파라미터들을 추정할 수 있다. 직교 투영법에 기초한 간섭 제거 기법이 적용된 2D MUSIC 알고리즘의 수행 결과는 아래 도 4와 같을 수 있다.On the other hand, when the 2D MUSIC algorithm to which the interference cancellation technique based on the orthogonal projection is applied is used, the detection apparatus can estimate the parameters of the
도 4는 직교 투영법에 기초한 간섭 제거 기법이 적용된 2D MUSIC 알고리즘의 수행 결과를 도시한 그래프일 수 있다.4 may be a graph illustrating a result of performing a 2D MUSIC algorithm to which an orthogonal projection-based interference cancellation technique is applied.
도 4를 참조하면, 검출 장치는 목표물 #1 내지 #3 각각의 속도 및 방위각을 정확하게 추정할 수 있고, 속도 및 방위각에 기초하여 목표물 #1 내지 #3 각각의 거리를 추정할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the detection apparatus may accurately estimate the velocity and azimuth of each of the
한편, 기존 2D MUSIC 알고리즘이 사용되는 경우, 120×120 그리드에 대하여 수학식 12의 근들을 도출하기 위해 복잡한 계산 과정이 필요할 수 있다. 또한, 기존 2D MUSIC 알고리즘이 사용되는 경우, 검출 장치는 FFT를 수행함으로써 목표물의 거리를 추정할 수 있다. 이 경우, 추정 오류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 거리 추정시에 다음과 같이 오류가 발생할 수 있다.Meanwhile, when the existing 2D MUSIC algorithm is used, a complicated calculation process may be required to derive the roots of Equation 12 for a 120×120 grid. In addition, when the existing 2D MUSIC algorithm is used, the detection apparatus may estimate the distance of the target by performing FFT. In this case, an estimation error may occur. For example, the following error may occur when estimating the distance.
도 5는 기존 2D MUSIC 알고리즘에 의해 발생하는 오류를 도시한 그래프이다.5 is a graph showing errors generated by the existing 2D MUSIC algorithm.
도 5를 참조하면, 수학식 12에서 의 피크 값이 잘못 결정되는 경우, 검출 장치는 목표물 #1의 비트 주파수가 목표물 #3의 비트 주파수와 동일한 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라, 검출 장치는 목표물 #1의 거리를 69.8679m로 판단할 수 있고, 목표물 #2의 거리를 80.0051m로 판단할 수 있고, 목표물 #3의 거리를 69.8679m로 판단할 수 있다. 즉, 검출 장치에 의해 추정된 목표물 #3의 거리는 표 2에 정의된 목표물 #3의 거리와 다를 수 있다.5, in Equation 12 In case the peak value of is erroneously determined, the detection apparatus may determine that the beat frequency of the
한편, 기존 2D MUSIC 알고리즘에 의해 추정된 속도에 대한 MSE(mean squared error)와 본 발명에서 제안된 2D MUSIC 알고리즘에 의해 추정된 속도에 대한 MSE는 아래 표 3과 같을 수 있다.Meanwhile, the mean squared error (MSE) for the velocity estimated by the existing 2D MUSIC algorithm and the MSE for the velocity estimated by the 2D MUSIC algorithm proposed in the present invention may be shown in Table 3 below.
기존 2D MUSIC 알고리즘에 의해 추정된 방위각에 대한 MSE와 본 발명에서 제안된 2D MUSIC 알고리즘에 의해 추정된 방위각에 대한 MSE는 아래 표 4와 같을 수 있다.The MSE for the azimuth estimated by the existing 2D MUSIC algorithm and the MSE for the azimuth estimated by the 2D MUSIC algorithm proposed in the present invention may be shown in Table 4 below.
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.The methods according to the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the computer-readable medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in the art of computer software.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of computer-readable media include hardware devices specially configured to store and carry out program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as at least one software module to perform the operations of the present invention, and vice versa.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although it has been described with reference to the above embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. will be able
Claims (12)
상기 장치에 포함된 Mt개의 송신 안테나들을 사용하여 제1 신호들을 전송하는 단계;
상기 다중 목표물들에 의해 반사된 제1 신호들을 상기 장치에 포함된 Mr개의 수신 안테나들을 통해 수신하는 단계;
상기 제1 신호들과 상기 반사된 제1 신호들을 사용하여 상기 다중 목표물들 각각의 속도와 방위각을 추정하기 위한 제1 함수를 생성하는 단계;
상기 제1 함수의 결과를 최대화하는 속도와 방위각을 상기 다중 목표물들 중에 상기 장치와 가장 가까운 제1 목표물의 속도와 방위각으로 추정하는 단계;
상기 제1 함수의 결과를 최대화하는 속도와 방위각에 기초하여 제1 행렬을 생성하는 단계;
상기 제1 행렬을 직교한 영역에 투영함으로써 투영된 행렬을 생성하는 단계;
상기 투영된 행렬의 샘플 공분산 행렬에 대한 고유값 분해(eigen-value decomposition)을 수행함으로써 제2 함수를 생성하는 단계; 및
상기 제2 함수의 결과를 최대화하는 속도와 방위각을 상기 다중 목표물들 중에서 제2 목표물의 속도와 방위각으로 추정하는 단계를 포함하며,
상기 장치와 상기 제2 목표물 간의 거리는 상기 장치와 상기 제1 목표물 간의 거리 이상이고, 상기 Mt 및 상기 Mr 각각은 2 이상의 자연수인, 동작 방법.A method of operation performed in a device for detecting multiple targets, comprising:
transmitting first signals using M t transmit antennas included in the apparatus;
receiving the first signals reflected by the multiple targets through M r receiving antennas included in the apparatus;
generating a first function for estimating velocity and azimuth of each of the multiple targets using the first signals and the reflected first signals;
estimating the velocity and azimuth that maximize the result of the first function as the velocity and azimuth of a first one of the multiple targets that is closest to the device;
generating a first matrix based on a velocity and an azimuth that maximizes a result of the first function;
generating a projected matrix by projecting the first matrix onto an orthogonal region;
generating a second function by performing eigen-value decomposition on a sample covariance matrix of the projected matrix; and
estimating the velocity and azimuth that maximize the result of the second function as the velocity and azimuth of a second target among the multiple targets;
wherein the distance between the device and the second target is greater than or equal to the distance between the device and the first target, and wherein each of M t and M r is a natural number greater than or equal to 2 .
상기 Mt개의 송신 안테나들을 통해 전송되는 상기 제1 신호들은 서로 직교하는, 동작 방법.The method according to claim 1,
and the first signals transmitted through the M t transmit antennas are orthogonal to each other.
상기 제1 함수는 2D MUSIC(multiple signal classification) 알고리즘에 기초하여 생성되는, 동작 방법.The method according to claim 1,
wherein the first function is generated based on a 2D multiple signal classification (MUSIC) algorithm.
상기 제1 함수는 상기 제1 행렬, 상기 제1 행렬에 대한 에르미트(Hermitian) 행렬, 잡음 부공간에 의해 형성되는 제2 행렬, 및 상기 제2 행렬에 대한 에르미트 행렬으로 구성되는, 동작 방법.The method according to claim 1,
wherein the first function consists of the first matrix, a Hermitian matrix for the first matrix, a second matrix formed by a noise subspace, and a Hermitian matrix for the second matrix .
상기 Mt개의 송신 안테나들과 상기 Mr개의 수신 안테나들에 의해 Mt×Mr개의 가상 어레이 엘리먼트들이 구현되고, 상기 제1 함수는 상기 Mt×Mr개의 가상 어레이 엘리먼트들을 통해 송수신되는 상기 제1 신호들과 상기 반사된 제1 신호들에 기초하여 생성되는, 동작 방법.The method according to claim 1,
M t × M r virtual array elements are implemented by the M t transmit antennas and the M r receive antennas, and the first function is transmitted and received through the M t ×M r virtual array elements. generated based on first signals and the reflected first signals.
상기 동작 방법은,
상기 제1 행렬을 사용하여 상기 장치와 상기 제1 목표물의 거리를 지시하는 비트(beat) 주파수를 포함하는 제2 신호를 생성하는 단계; 및
상기 제2 신호에 대한 FFT(fast Fourier transform)의 결과를 상기 장치와 상기 제1 목표물의 거리로 추정하는 단계를 더 포함하는, 동작 방법.The method according to claim 1,
The method of operation is
generating a second signal comprising a beat frequency indicative of a distance between the device and the first target using the first matrix; and
and estimating a result of a fast Fourier transform (FFT) on the second signal as a distance between the device and the first target.
프로세서(processor);
상기 프로세서의 제어에 따라 제1 신호들을 전송하는 Mt개의 송신 안테나들;
상기 프로세서의 제어에 따라 상기 다중 목표물들에 의해 반사된 제1 신호들을 수신하는 Mr개의 수신 안테나들; 및
상기 프로세서에 의해 실행되는 하나 이상의 명령들을 저장하는 메모리(memory)를 포함하며,
상기 하나 이상의 명령들은,
상기 제1 신호들과 상기 반사된 제1 신호들을 사용하여 상기 다중 목표물들 각각의 속도와 방위각을 추정하기 위한 제1 함수를 생성하고;
상기 제1 함수의 결과를 최대화하는 속도와 방위각을 상기 다중 목표물들 중에 상기 장치와 가장 가까운 제1 목표물의 속도와 방위각으로 추정하고;
상기 제1 목표물의 속도와 방위각에 기초하여 제1 행렬을 생성하고;
상기 제1 행렬을 사용하여 상기 장치와 상기 제1 목표물의 거리를 지시하는 비트(beat) 주파수를 포함하는 제2 신호를 생성하고;
상기 제2 신호에 대한 FFT(Fast Fourier Transformation)의 결과를 상기 장치와 상기 제1 목표물의 거리로 추정하고;
상기 제1 목표물에 의해 야기되는 간섭을 상기 제1 함수에서 제거함으로써 제2 함수를 생성하고; 그리고
상기 제2 함수의 결과를 최대화하는 속도와 방위각을 상기 다중 목표물들 중에서 제2 목표물의 속도와 방위각으로 추정하도록 실행되며,
상기 장치와 상기 제2 목표물 간의 거리는 상기 장치와 상기 제1 목표물 간의 거리 이상이고, 상기 Mt 및 상기 Mr 각각은 2 이상의 자연수인, 장치.A device for detecting multiple targets, comprising:
processor;
M t transmit antennas for transmitting first signals under the control of the processor;
M r receiving antennas for receiving the first signals reflected by the multiple targets under the control of the processor; and
a memory for storing one or more instructions executed by the processor;
The one or more instructions
generate a first function for estimating a velocity and an azimuth of each of the multiple targets using the first signals and the reflected first signals;
estimating the velocity and azimuth that maximize the result of the first function as the velocity and azimuth of a first one of the multiple targets that is closest to the device;
generate a first matrix based on the velocity and the azimuth of the first target;
use the first matrix to generate a second signal comprising a beat frequency indicative of a distance between the device and the first target;
estimating a result of Fast Fourier Transformation (FFT) on the second signal as a distance between the device and the first target;
generate a second function by canceling interference caused by the first target from the first function; And
estimating the velocity and azimuth maximizing the result of the second function as the velocity and azimuth of a second one of the multiple targets;
and wherein the distance between the device and the second target is greater than or equal to the distance between the device and the first target, and wherein each of M t and M r is a natural number greater than or equal to 2 .
상기 제1 함수는 상기 제1 행렬, 상기 제1 행렬에 대한 에르미트(Hermitian) 행렬, 잡음 부공간에 의해 형성되는 제2 행렬, 및 상기 제2 행렬에 대한 에르미트 행렬으로 구성되는, 장치.9. The method of claim 8,
wherein the first function consists of the first matrix, a Hermitian matrix for the first matrix, a second matrix formed by a noise subspace, and a Hermitian matrix for the second matrix.
상기 Mt개의 송신 안테나들과 상기 Mr개의 수신 안테나들에 의해 Mt×Mr개의 가상 어레이 엘리먼트들이 구현되고, 상기 제1 함수는 상기 Mt×Mr개의 가상 어레이 엘리먼트들을 통해 송수신되는 상기 제1 신호들과 상기 반사된 제1 신호들에 기초하여 생성되는, 장치.9. The method of claim 8,
M t × M r virtual array elements are implemented by the M t transmit antennas and the M r receive antennas, and the first function is transmitted and received through the M t ×M r virtual array elements. generated based on first signals and the reflected first signals.
상기 제2 함수를 생성하는 경우, 상기 하나 이상의 명령들은,
상기 제1 행렬을 직교한 영역에 투영함으로써 투영된 행렬을 생성하고; 그리고
상기 투영된 행렬의 샘플 공분산 행렬에 대한 고유 값 분해(eigen-value decomposition)를 수행함으로써 상기 제2 함수를 생성하도록 더 실행되는, 장치.
9. The method of claim 8,
When generating the second function, the one or more instructions include:
generate a projected matrix by projecting the first matrix onto an orthogonal region; And
and generate the second function by performing eigen-value decomposition on a sample covariance matrix of the projected matrix.
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