[논문 리뷰] Leakage Mitigation and Internal Delay Compensation in FMCW Radar for Small Drone Detection

Junhyeong Park, Seungwoon Park외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 17.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 FMCW 레이더에서 송신기-수신기 유령 신호를 완화하고 내부 신호 지연을 보정하는 새로운 다운컨버전 기법을 제안한다. 주파수 계획과 디지털 신호 처리를 융합함으로써, 근거리 영역에서 노이즈 수준을 7.0 dB 감소시키고 최대 탐지 거리를 복원함으로써, 소형 드론 탐지에 있어 다이내믹 레인지와 탐지 성능을 크게 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• FMCW 레이더에서 송신기-수신기 유령 신호로 인해 다이내믹 레인지가 떨어지는 문제, 특히 근거리 영역에서 심화되는 문제를 해결하기 위해.
• FMCW 레이더 시스템에서 최대 탐지 거리를 제한하는 내부 신호 지연 문제를 해결하기 위해.
• 추가 하드웨어 구성 요소 없이도 레이더 성능을 향상시킬 수 있는 해결책을 개발하기 위해.
• 실제 환경 조건에서 실험적 검증을 통해 제안된 기법의 효과성을 입증하기 위해.
• 도전적인 근거리 환경에서 감도와 다이내믹 레인지 향상을 통해 소형, 저RCS 드론을 신뢰성 있게 탐지할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 기본대역 영역에서 유령 신호를 목적 신호와 분리하는 새로운 다운컨버전 기법을 제안한다.
• 유령 스펙트럼을 관심 있는 기본대역 신호에서 멀리 떼어내기 위해 정밀한 주파수 계획을 적용한다.
• 스펙트럼 날개(스펙트럼 스커트)로 나타나는 유령 신호의 위상 노이즈 성분을 추정하고 제거하기 위해 디지털 신호 처리 알고리즘을 적용한다.
• 레이더 체인 내부 지연을 보정하기 위해 캘리브레이션 기반의 디지털 보정 기법을 사용하여 모델링한다.
• 추가 하드웨어 구성 요소가 필요 없도록 기존의 신호 처리 블록을 활용한다.
• 표준 FMCW 신호 처리 체인을 사용하여 구현함으로써 기존 레이더 시스템과의 호환성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FMCW 레이더에서 송신기-수신기 유령 신호를 효과적으로 완화하여 근거리 영역에서 다이내믹 레인지 향상을 이룰 수 있는가?
• RQ2 내부 신호 지연이 FMCW 레이더 시스템에서 최대 탐지 거리를 얼마나 악화시킬 수 있는가?
• RQ3 추가 하드웨어 없이 주파수 계획과 디지털 신호 처리만으로도 유령 신호와 내부 지연을 보정할 수 있는가?
• RQ4 제안된 보정 기법을 적용한 후 노이즈 수준과 탐지 거리에서 기대할 수 있는 향상 수준은 어느 정도인가?
• RQ5 소형, 저RCS 드론 탐지에 있어 실생활 조건에서 제안된 방법의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 기법은 근거리 영역에서 노이즈 수준을 약 7.0 dB 감소시켜 근거리 표적에 대한 감도를 크게 향상시킨다.
• 원거리 영역에서도 노이즈 수준이 2.1 dB 감소하여 전반적인 다이내믹 레인지가 향상된다.
• 레이더 시스템 내부 지연이 성공적으로 보정되어 이전에 저하되었던 최대 탐지 거리가 복원된다.
• 추가 하드웨어 구성 요소 없이 주파수 계획과 디지털 신호 처리만으로도 이러한 향상을 달성한다.
• 실험 결과는 제안된 기법이 실용적인 FMCW 레이더 시스템에서 소형 드론 탐지에 효과적임을 확인한다.
• 이 작업의 업그레이드된 버전이 IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques에 게재되어 기술적 기여도와 성능의 타당성을 입증하였다.