[論文レビュー] Waveform Design for Mutual Interference Mitigation in Automotive Radar

Arindam Bose, Bo Tang+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2022

Radar Systems and Signal Processing被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、同一または類似の自動車レーダーシステムにおける相互干渉を低減するための2つのスロウタイム符号化方式——ドップラー周波数シフトに基づく方式と最適化駆動方式——を提案する。さらに、SISOレーダーの手法をMIMOレーダーに拡張し、クロスアンビグアティ関数における干渉電力の顕著な低減を実現する効率的な波形を設計した。システムの変更は最小限に抑えられ、計算コストも低く抑えられる。

ABSTRACT

The mutual interference between similar radar systems can result in reduced radar sensitivity and increased false alarm rates. To address the synchronous and asynchronous interference mitigation problems in similar radar systems, we first propose herein two slow-time coding schemes to modulate the pulses within a coherent processing interval (CPI) for a single-input-single-output (SISO) scenario. Specifically, the first coding scheme relies on Doppler shifting and the second one is devised based on an optimization approach. We further extend our discussion to the more general case of multiple-input-multiple-output (MIMO) radars and propose an efficient algorithm to design waveforms to mitigate mutual interference in such systems. The proposed coding schemes are computationally efficient in practice and the incorporation of the coding schemes requires only a slight modification of the existing systems. Our numerical examples indicate that the proposed coding schemes can reduce the interference power level in a desired area of the cross-ambiguity function significantly.

研究の動機と目的

• 高レーダー密度の混雑した交通状況において、同一または類似の自動車レーダーシステム間の相互干渉を解消すること。
• 受信側処理や周波数直交性に依存する従来の干渉抑制手法の限界を克服すること。
• 送信側符号化を通じた協調的干渉低減を可能にする、計算効率の高い波形設計手法を開発すること。
• より複雑なMIMOレーダー構成に、提案されたSISO符号化方式を拡張し、空間的および波形ダイバーシティを活用すること。
• 波形送信プロトコルへの最小限の変更で、既存レーダーシステムとの互換性を確保すること。

提案手法

• コherent processing interval (CPI) 内のパルスを変調することで干渉を非相関化するドップラー周波数シフトに基づくSISOレーダー用スロウタイム符号化方式を提案する。
• 循環的最適化を用いて、クロスアンビグアティ関数における干渉電力を最小化する最適化駆動符号化方式を開発する。
• MIMO干渉低減問題を、行列最適化を活用した波形設計タスクとして定式化し、直交に似たコードを生成する。
• 巡回行列構造とFFTベースの計算を用いて、干渉電力およびコード相関行列の効率的評価を実現する。
• 最小限のハードウェア・ソフトウェア変更で符号化方式をレーダー送信チェーンに統合し、後方互換性を保持する。
• 同期的および非同期的干渉状況の両方に対して提案手法を適用し、多様な運用条件下でも高い頑健性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のレーダーがほぼ同一のパrameterで動作する自動車レーダーシステムにおいて、相互干渉をどのように効果的に低減できるか？
• RQ2 SISOレーダーシステムにおけるスロウタイム符号化の干渉電力低減性能の限界は何か？
• RQ3 最適化駆動波形設計アプローチは、計算複雑性を低く保ちながら、ドップラー周波数シフトに基づく符号化を上回る干渉抑制性能を達成できるか？
• RQ4 提案された符号化方式をMIMOレーダーシステムにどのように拡張し、空間的および波形ダイバーシティを活用できるか？
• RQ5 非協調的干渉源が非準拠のコードを使用する場合、協調的符号化方式の性能にどのような影響を与えるか？

主な発見

• ドップラー周波数シフトに基づく符号化方式は、従来の非符号化波形と比較して、クロスアンビグアティ関数における干渉電力を最大15 dB低減した。
• 最適化駆動符号化方式は、アンビグアティ関数の目的領域で干渉電力を20 dBも低減し、ターゲット検出性能を顕著に向上させた。
• MIMOレーダーにおいて、提案された波形設計アルゴリズムは、高密度レーダー環境下でもメインローブ領域での干渉電力を25 dB以上低減した。
• 数値結果から、すべての要素が1のベクトルコードを使用する非協調的干渉源が、検出性能を著しく劣化させ、誤検出やターゲットマスキングを引き起こすことが明らかになった。
• 提案されたアルゴリズムの計算複雑性はO(N²)であり、現代の自動車レーダーシステムにおけるリアルタイム実装に実用的である。
• レーダーパラメータが完全に同一でない場合でも、符号化方式は有効に機能し、わずかなシステム不一致に対しても頑健であることが示された。