[論文レビュー] Leakage Mitigation and Internal Delay Compensation in FMCW Radar for Small Drone Detection

Junhyeong Park, Seungwoon Park+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Radar Systems and Signal Processing参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、FMCWレーダーにおける送信機受信機漏れと内部信号遅延を低減する、新規のダウンコンversion技術を提案する。周波数計画とデジタル信号処理を組み合わせることで、近距離領域のノイズフロアを7.0 dB低減し、最大検出距離を回復させることで、小型ドローン検出に向けたダイナミックレンジおよび検出性能を顕著に向上させる。

ABSTRACT

One of the notorious problems of frequency modulated continuous-wave (FMCW) radar is leakage between the transmitter and the receiver. The phase noise of the leakage is expressed as a skirt around the leakage signal on power spectrum. It causes the deterioration of the dynamic range, especially, in the near-distance region. Therefore, although FMCW radar has an advantage over pulse radar in terms of near-distance target detection due to its way of operation, the advantage of FMCW radar can be lost because of the leakage. Another problem of FMCW radar is internal delay in the radar system. It leads to the decrease of the maximum detectable range. In this paper, a novel down-conversion technique which resolves these problems is proposed. Detailed theory and procedures to implement the proposed technique are explained. Then, performances of it are verified with the experiment results. The proposed technique can be implemented through frequency planning and digital signal processing without additional parts. The results show that the proposed technique lowers the noise floor about 7.0 dB in the near-distance region and 2.1 dB even in the far-distance region. Also, the results demonstrate the proposed technique recover the reduced maximum detectable range by compensating the internal delay.

研究の動機と目的

• FMCWレーダーにおける送信機受信機漏れという、特に近距離領域でダイナミックレンジを劣化させる深刻な問題に対処すること。
• FMCWレーダーシステムにおける最大検出距離を制限する内部信号遅延の問題を解消すること。
• 追加のハードウェア部品を必要としない、レーダー性能を向上させるソリューションの開発。
• 実環境条件下での実験的検証を通じて、提案手法の有効性を検証すること。
• 挑戦的な近場シナリオにおいて感度とダイナミックレンジを向上させることで、小型低RCSドローンの信頼性の高い検出を可能にすること。

提案手法

• 本手法は、ベースバンド領域において漏れ信号と所望のエコー信号を分離する新規のダウンコンバージョン技術を提案する。
• 漏れスペクトルを所望のベースバンド信号から遠ざけるために、正確な周波数計画を採用する。
• スペクトルスカートとして現れる位相ノイズ成分を推定・キャンセルするためのデジタル信号処理アルゴリズムを適用する。
• レーダーチェーン内の内部遅延を、キャリブレーションに基づくデジタル補正技術を用いてモデル化・補正する。
• 追加のハードウェア部品を必要とせず、既存の信号処理ブロックを活用する。
• 標準的なFMCW信号処理チェーンを用いて実装されるため、既存のレーダーシステムとの互換性が保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FMCWレーダーにおける送信機受信機漏れは、どのようにして効果的に低減可能か。特に近距離領域におけるダイナミックレンジの向上に寄与するか。
• RQ2 FMCWレーダーシステムにおいて、内部信号遅延が最大検出距離に与える影響はどの程度か。
• RQ3 追加のハードウェアを用いずに、周波数計画とデジタル信号処理のみで漏れと内部遅延を補正可能か。
• RQ4 提案された補正手法を適用した後のノイズフロアおよび検出距離における達成可能な改善度合いは何か。
• RQ5 小型低RCSドローンの検出において、実環境条​​件下で提案手法はどのように性能を発揮するか。

主な発見

• 提案手法により、近距離領域のノイズフロアが約7.0 dB低減され、近距離ターゲットに対する感度が顕著に向上した。
• 遠距離領域においてもノイズフロアは2.1 dB低減され、全体的なダイナミックレンジが向上した。
• レーダーシステム内の内部遅延が正常に補正され、以前に低下していた最大検出距離が回復した。
• 追加のハードウェア部品を一切使用せず、周波数計画とデジタル信号処理のみでこれらの改善が達成された。
• 実験結果により、小型ドローン検出に向けた実用的FMCWレーダーシステムにおける手法の有効性が確認された。
• 本研究のアップグレード版は、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniquesに掲載され、技術的貢献および性能の妥当性が裏付けられた。