[論文レビュー] A Sub-Nyquist Radar Prototype: Hardware and Algorithms

Eliahu Baransky, Gal Itzhak+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2012

Sparse and Compressive Sensing Techniques参考文献 9被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、Xamplingおよび有限レートのイノベーション（FRI）原理に基づく最初のハードウェアプロトタイプであるサブ・ナイキストレーダーシステムを提示している。このシステムは、30 MHzのナイキストレートに比べ30倍低い1 MHzでレーダー信号をサンプリングすることを可能にし、正確なターゲット検出と局所化を維持している。4チャネルのアナログフロントエンドが、ランダムに中心周波数を設定したクリスタルバンドパスフィルタを用いて、スパarsなレーダーエコーを効率的にサンプリングし、その後、直交一致 Pursuit（OMP）を用いてパrameter回復を行う。実時間実験では、ミリメートル未満の分解能を達成した。

ABSTRACT

Traditional radar sensing typically involves matched filtering between the received signal and the shape of the transmitted pulse. Under the confinement of classic sampling theorem this requires that the received signals must first be sampled at twice the baseband bandwidth, in order to avoid aliasing. The growing demands for target distinction capability and spatial resolution imply significant growth in the bandwidth of the transmitted pulse. Thus, correlation based radar systems require high sampling rates, and with the large amounts of data sampled also necessitate vast memory capacity. In addition, real-time processing of the data typically results in high power consumption. Recently, new approaches for radar sensing and detection were introduced, based on the Finite Rate of Innovation and Xampling frameworks. These techniques allow significant reduction in sampling rate, implying potential power savings, while maintaining the system's detection capabilities at high enough SNR. Here we present for the first time a design and implementation of a Xampling-based hardware prototype that allows sampling of radar signals at rates much lower than Nyquist. We demostrate by real-time analog experiments that our system is able to maintain reasonable detection capabilities, while sampling radar signals that require sampling at a rate of about 30MHz at a total rate of 1Mhz.

研究の動機と目的

• ナイキストレート未満の信号サンプリングを実現しつつ、ターゲット検出および局所化性能を維持する実用的なレーダーシステムの設計および実装を目的とする。
• サブ・ナイキストサンプリングフレームワークを活用することで、従来のレーダーシステムの高いサンプリングレート、消費電力、メモリ要求を克服することを目的とする。
• 市販部品を用いて、Xamplingベースのレーダーシグナル回復を実時間でハードウェアベースで実装可能であることを実証することを目的とする。
• 動的範囲制限や複数ターゲットシナリオを含む現実的条件下でのシステム性能を検証することを目的とする。

提案手法

• システムは、スパースなレーダーシグナルのサブ・ナイキストサンプリングを可能にするために、ランダムに中心周波数を設定した4チャネルのアナログフロントエンドとクリスタルバンドパスフィルタを採用している。
• 各チャネルは低レート（合計1 MHz）でアナログフィルタリングとサンプリングを実行し、ターゲットの遅延と振幅に関する情報を保持する一般化測定値を取得する。
• 回復アルゴリズムは、低レートサンプルからターゲットパラメータ（遅延および振幅）を再構成するために直交一致 Pursuit（OMP）を用いる。
• アンプの線形性やフィルタの非理想性といった実用的制約を考慮し、固定周波数のクリスタルフィルタを用いて安定性と効率性を確保している。
• ソフトウェア上で複数のパルスを統合することで動的範囲を向上させ、500パルスで最大27 dBの有効SNR向上を達成した。
• リアルタイム信号処理は、National InstrumentsのシャーシとLabVIEWインターフェースを用いてデータ取得および可視化に実装した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハードウェアプロトタイプは、正確なターゲットパrameter推定を維持しながら、レーダーシグナルのサブ・ナイキストサンプリングを達成できるか？
• RQ2 実際の状況において、FRIおよびXampling原理を用いたレーダーターゲットパラメータの信頼性ある回復に必要な最小サンプリングレートは何か？
• RQ3 低SNRおよび動的範囲制限の下で、ターゲット検出率および局所化精度はどのように評価されるか？
• RQ4 パルス統合は、強い干渉エコーに対してシステムの有効な動的範囲および耐障害性をどの程度向上できるか？

主な発見

• サンプリングレートを30 MHzから1 MHzに30倍低減したが、高いターゲット検出および局所化精度を維持した。
• 距離が39.28 km、65.43 km、98.76 km、132.54 kmの4ターゲットシナリオにおいて、推定遅延の最大誤差はわずか11メートルであった。
• 120–135 kmの距離に位置するターゲットでは最大19メートルの誤差にとどまり、長距離でのロバストネスを示した。
• 7倍の振幅差を持つターゲットを正しく分離できたため、高い動的範囲と近接ターゲットの分離能力を示した。
• システムの動的範囲は27.23 dBであり、最小検出可能信号は4 mV（−34.94 dBm）、歪みが発生する前の最大入力は92 mV（−7.71 dBm）であった。
• 500パルスにわたるパルス統合により、有効な動的範囲が27 dB向上し、低SNR条件下での性能が顕著に向上した。