[논문 리뷰] RaSSteR: Random Sparse Step-Frequency Radar

Kumar Vijay Mishra, Satish Mulleti외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 12.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 55인용 수 6

한 줄 요약

RaSSteR는 기존의 단계적 주파수 레이더보다 더 적은 주파수 캐리어를 사용하면서도 고해상도 거리 및 도플러 추정을 가능하게 하는 무작위 희소 단계 주파수 레이더 웨이브폼을 제안한다. 이는 희소 복원 기법을 활용하여 거리-도플러 결합과 스펙트럼 간섭을 완화한다. 강한 간섭 조건에서도 표준 무작위 단계 주파수 레이더보다 30% 높은 목표물 탐지 성공률을 달성한다.

ABSTRACT

We propose a method for synthesizing high range resolution profiles (HRRP) using stepped frequency waveform (SFW) processing. Conventional SFW radars sweep over the available spectrum linearly to achieve high resolution from their instantaneous bandwidth. However, they suffer from strong range-Doppler coupling and coexisting spectral interference. Prior works are able to mitigate only one of these drawbacks. We present a new extit{ra}ndom extit{s}parse extit{ste}p-frequency extit{r}adar (RaSSteR) waveform that consumes less spectral resources without loss of range resolution and estimates both high-resolution range and Doppler by exploiting sparse recovery techniques. In the presence of interference, the operation with the new waveform is made cognitive by focusing available transmit power only in the few transmit bands. Our theoretical analyses show that, even while using fewer carriers in the available bandwidth, RaSSteR has identical recovery guarantees as the standard random stepped frequency (RSF) waveform. Numerical experiments demonstrate performance enhancements with RaSSteR over state-of-the-art such as SFW, RSF, conventional pulse-compression-based pulse Doppler radar, and sub-Nyquist radar. In addition, the target hit rate of RaSSteR in the presence of strong interference is 30% more than conventional RSF.

연구 동기 및 목표

• 기존 단계 주파수 레이더(SFW)의 한계인 거리-도플러 결합과 스펙트럼 간섭에 대한 취약성을 해결한다.
• 이전 방법들이 간섭 또는 결합 문제 중 하나만 완화하는 데에 치중된 대안적 트레이드오���을 극복한다.
• 스펙트럼 점유를 줄이고 간섭 제한 환경에서 지능형 전송이 가능한 웨이브폼을 개발하여 고해상도 거리 해상도를 유지한다.
• 적은 전송 캐리어 수로도 희소 복원을 통해 이동하는 목표물의 정확한 거리 및 도플러 동시 추정을 가능하게 한다.
• 스펙트럼 자원 소비를 줄이고 간섭 조건에서의 강인성을 향상시키면서도 표준 무작위 단계 주파수(RSF) 레이더 수준의 성능을 달성한다.

제안 방법

• 가용 대역폭에서 주파수 캐리어의 부분집합을 선택하는 무작위 희소 단계 주파수 웨이브폼(RaSSteR)을 설계하여 스펙트럼 점유를 감소시킨다.
• 압축 감지 및 희소 복원 기법(예: 수직 매칭 추적)을 활용하여 데이터가 부족한 상황에서도 고해상도 거리 프로파일(HRRP)과 도플러 추정을 복원한다.
• 비교적 간섭이 없는 활성 주파수 대역에만 전송 전력을 집중시켜 동적 스펙트럼 환경에서 신호-간섭비(SIR)를 향상시키는 지능형 전송을 구현한다.
• 스트레치 처리 및 펄스 간 일관성 적립을 통해 위상 정보를 추출하여 정확한 거리 및 도플러 추정을 수행한다.
• 이론적 분석을 통해 RaSSteR는 적은 캐리어 수로도 표준 RSF와 동일한 복원 보장을 유지함을 입증한다.
• 지연-도플러 도메인에서 목표물 응답을 모델링하고, 시간 지연 및 도플러 시프트 응답의 사전을 사용하여 희소 복원 문제를 해결함으로써 도플러 추정을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희소하고 무작위적인 단계 주파수 웨이브폼은 더 적은 주파수 캐리어를 사용하면서도 표준 무작위 단계 주파수 레이더와 동일한 HRRP 복원 보장을 달성할 수 있는가?
• RQ2 강한 스펙트럼 간섭 조건에서 RaSSteR는 기존 SFW, RSF, 펄스-도플러 레이더와 비교해 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 간섭 제한 환경에서 비간섭 대역에 전력 집중을 통해 지능형 운영이 목표물 탐지 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 낮은 신호 대 잡음비(SNR)와 높은 간섭 조건에서도 RaSSteR은 밀접하게 배치된 이동 목표물의 거리 및 도플러를 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ5 강한 간섭 조건에서 최신 기술 대비 RaSSteR의 목표물 탐지 성공률 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 이론적 분석을 통해 RaSSteR는 더 적은 캐리어를 사용함에도 불구하고 표준 무작위 단계 주파수(RSF) 레이더와 동일한 복원 보장을 확보함을 입증했다.
• 강한 간섭 조건(SIR = 10 dB)에서도 RaSSteR는 기존 RSF보다 30% 높은 목표물 탐지 성공률을 기록하여 뛰어난 강인성을 입증했다.
• RaSSteR는 낮은 신호 대 잡음비와 높은 간섭 조건에서 고전적 펄스-도플러 레이더 및 서브-니크스 레이더보다 밀접하게 배치된 목표물을 탐지하는 데서 뛰어난 성능을 보였다.
• 간섭 제한 환경에서 비지능형 시스템인 SFW 및 LFM PDR과 비교해, RaSSteR의 지능형 운영—비간섭 대역에 전력 집중—이 뛰어난 성능 향상을 이끌었다.
• N < M(주파수 재사용) 조건에서도 RaSSteR는 높은 성능을 유지하여 캐리어 부족에 대한 내성을 입증했다.
• 수치 실험 결과, RaSSteR는 60m HRRP 내에서 밀집된 12개의 목표물을 모두 성공적으로 탐지했으며, LFM PDR 및 서브-니크스 레이더는 탐지 누락 및 오진보를 보였다.