[논문 리뷰] CFAR-Based Interference Mitigation for FMCW Automotive Radar Systems

Jianping Wang|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 04.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 FMCW 자동차 레이더 시스템을 위한 두 가지 CFAR 기반 간섭 감소 기법—CFAR-Z 및 CFAR-AC—을 제안한다. 1D CFAR 검출기를 사용해 시간-주파수 도메인에서 간섭을 짧은 초성 신호 유사 성분으로 탐지하고, 영점화 또는 진폭 보정을 적용함으로써 유용한 표적 신호를 유지하면서 간섭을 효과적으로 억제한다. 이는 기존 방법에 비해 뛰어난 간섭대신잡음비(SINR)와 상관계수를 달성하며, 실시간 구현에 적합한 낮은 계산 복잡도를 갖는다.

ABSTRACT

In this paper, constant false alarm rate (CFAR) detector-based approaches are proposed for interference mitigation of Frequency modulated continuous wave (FMCW) radars. The proposed methods exploit the fact that after dechirping and low-pass filtering operations the targets' beat signals of FMCW radars are composed of exponential sinusoidal components while interferences exhibit short chirp waves within a sweep. The spectra of interferences in the time-frequency ($t$-$f$) domain are detected by employing a 1-D CFAR detector along each frequency bin and then the detected map is dilated as a mask for interference suppression. They are applicable to the scenarios in the presence of multiple interferences. Compared to the existing methods, the proposed methods reduce the power loss of useful signals and are very computationally efficient. Their interference mitigation performances are demonstrated through both numerical simulations and experimental results.

연구 동기 및 목표

• 다수의 FMCW 레이더가 동시에 작동하는 고밀도 자동차 레이더 환경에서 증가하는 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 약한 표적 신호가 강한 간섭으로 인해 떨어지는 것을 방지하면서도 계산 비용이 낮고 실시간으로 구현 가능한 간섭 감소 방법을 개발하기 위해.
• 기존 방법의 한계—신호 전력 손실, 사전 신호 모델에 의존성, 복잡한 시스템 재설계 필요성—을 극복하기 위해.
• 시간-주파수 도메인에서 간섭(짧은 초성 신호)과 표적 빛갈 신호(지수형 사인파)의 고유한 스펙트럼 특성을 활용해 효과적인 탐지 및 억제를 수행하기 위해.

제안 방법

• 간섭 성분은 그들의 일시적인 성격으로 인해 시간-주파수(t-f) 도메인의 각 주파수 빈에서 1D CFAR 검출기를 적용하여 탐지한다.
• 검출된 간섭 지ap은 이진 마스크로 팽창되어 t-f 평면에서 간섭 영향을 받는 영역을 식별한다.
• CFAR-Z의 경우, 식별된 간섭 영역이 t-f 스펙트럼에서 영점화되고, 이후 역단기 푸리에 변환(ISTFT)을 통해 빛갈 신호를 재구성한다.
• CFAR-AC의 경우, 간섭 영역에 대해 이웃한 비간섭 영역에서 유도된 이득 계수를 사용해 진폭 보정을 적용하여 신호 에너지를 유지한다.
• 재구성된 빛갈 신호를 사용해 범위 프로파일을 생성하고, CFAR 검출기를 통해 표적 탐지 성능을 평가한다.
• 윈도우링의 가장자리 효과를 최소화하기 위해 STFT 이전에 팯딩을 적용하고 ISTFT 이후에 제거한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CFAR 기반 탐지 접근법은 FMCW 레이더 신호의 시간-주파수 도메인에서 간섭 성분과 표적 빛갈 신호를 효과적으로 구분할 수 있는가?
• RQ2 CFAR-Z와 CFAR-AC는 간섭 억제 동안 유용한 신호 전력을 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ3 간섭 감소 기법이 약하거나 서로 가까이 있는 표적에 대해 탐지 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기존의 신호 처리나 딥러닝 기반 접근법에 비해 제안된 방법은 낮은 계산 오버헤드로 실시간 처리를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• CFAR-AC 및 CFAR-Z 방법은 테스트된 모든 방법 중에서 가장 높은 상관계수와 간섭대신잡음비(SINR)를 달성하여 웨이블릿 디노이징(WD) 및 적응형 노이즈 컨템너(ANC)를 능가한다.
• CFAR-AC 및 ANC 방법은 표적 거리에서 범위 프로파일의 최고 피크 진폭이 기준 신호에 가장 가까워, 유용한 신호 전력의 보존이 뛰어나다는 것을 나타낸다.
• CFAR-Z 방법은 CFAR-AC보다 낮은 피크 진폭을 보이며, 공격적인 영점화로 인해 일부 유용한 신호 에너지가 손실된다는 것을 시사한다.
• CFAR-Z 및 CFAR-AC 방법은 WD 및 ANC 방법이 놓친 22.5m 곳의 네 번째 정적 표적을 성공적으로 탐지하여 탐지 확률 향상을 입증한다.
• 모든 네 가지 방법(WD, ANC, CFAR-Z, CFAR-AC)은 원시 신호에 비해 표적 탐지 성능을 향상시키며, CFAR-Z 및 CFAR-AC는 이전에 가려졌던 약한 표적의 탐지 가능성을 제공한다.
• 제안된 방법들은 계산 효율성이 뛰어나 자동차 레이더 시스템에서 실시간 구현에 적합하며, 복잡한 신호 재설계나 높은 샘플링 속도가 필요한 방법들과는 달리 이에 부합한다.