[논문 리뷰] Waveform Design for Mutual Interference Mitigation in Automotive Radar

Arindam Bose, Bo Tang외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 08.

Radar Systems and Signal Processing인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 동일하거나 유사한 자동차 레이더 시스템 간 상호 간섭을 완화하기 위해 도플러 이동 기반 및 최적화 기반의 두 가지 슬로우타임 코딩 기법을 제안한다. 또한 SISO 레이더에서의 접근 방식을 MIMO 레이더로 확장하여 교차 어빌리티 함수에서 간섭 전력을 크게 감소시키는 효율적인 웨이브폼을 설계하였으며, 시스템 수정이 최소화되고 계산 비용도 낮다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고밀도 교통 상황에서 레이더 밀도가 높은 환경에서도 동일하거나 유사한 자동차 레이더 시스템 간의 상호 간섭을 해결한다.
• 수신기 측 처리나 주파수 직교성에 의존하는 전통적 간섭 억제 방법의 한계를 극복한다.
• 협업 간섭 완화를 위해 송신 측 코딩을 통해 실현 가능한 저비용 웨이브폼 설계 기법을 개발한다.
• 더 복잡한 MIMO 레이더 구조로 제안된 SISO 코딩 기법을 확장하여 공간적 및 웨이브폼 다양성을 극대화한다.
• 기존 레이더 시스템과의 호환성을 확보하기 위해 웨이브폼 전송 프로토콜에 대한 수정을 최소화한다.

제안 방법

• 일관된 처리 간격(CPI) 내 펄스를 변조하여 간섭을 비상관시키는 도플러 이동 기반 슬로우타임 코딩 기법을 SISO 레이더에 제안한다.
• 순환 최적화를 활용하여 교차 어빌리티 함수 내 간섭 전력을 최소화하는 최적화 기반 코딩 기법을 개발한다.
• MIMO 간섭 완화 문제를 행렬 최적화를 활용한 웨이브폼 설계 과제로 재구성하여 직교 유사 코드를 생성한다.
• 순환 행렬 구조와 FFT 기반 계산을 활용하여 간섭 전력 및 코드 상관 행렬을 효율적으로 평가한다.
• 최소한의 하드웨어나 소프트웨어 변경으로 코딩 기법을 레이더 전송 체인에 통합하여 이전 호환성을 유지한다.
• 동기 및 이방향 간섭 상황에 모두 제안된 방법을 적용하여 다양한 운영 조건에서의 강건성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 여러 레이더가 거의 동일한 파arameter로 작동할 때 자동차 레이더 시스템 간의 상호 간섭을 효과적으로 완화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 SISO 레이더 시스템에서 교차 어빌리티 함수 내 간섭 전력 감소에 있어 슬로우타임 코딩의 성능 한계는 무엇인가?
• RQ3 최적화 기반 웨이브폼 설계 접근 방식이 저비용 계산 복잡도를 유지하면서도 도플러 이동 기반 코딩보다 간섭 억제 성능을 뛰어나게 할 수 있는가?
• RQ4 제안된 코딩 기법을 MIMO 레이더 시스템으로 확장하여 공간적 및 웨이브폼 다양성을 어떻게 활용할 수 있는가?
• RQ5 비협조적 간섭자들이 비준수 코드를 사용할 경우 협조적 코딩 기법의 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 도플러 이동 기반 코딩 기법은 전통적인 비코딩 웨이브폼 대비 교차 어빌리티 함수에서 간섭 전력을 최대 15 dB 감소시킨다.
• 최적화 기반 코딩 기법은 어빌리티 함수의 목적 영역에서 간섭 전력을 20 dB 감소시켜 타깃 탐지 성능을 크게 향상시킨다.
• MIMO 레이더에서는 제안된 웨이브폼 설계 알고리즘이 고밀도 레이더 조건에서도 메인로브 영역에서 간섭 전력을 25 dB 이상 감소시킨다.
• 수치적 결과는 비협조적 간섭자들이 전부 1로 구성된 벡터 코드를 사용할 경우 탐지 성능이 심각하게 악화되며, 잡음 신호와 타깃 가림 현상이 발생함을 보여준다.
• 제안된 알고리즘의 계산 복잡도는 O(N²)이므로 현대 자동차 레이더 시스템에서 실시간 구현에 실용적이다.
• 레이더 파arameter가 완전히 동일하지 않더라도 코딩 기법은 여전히 효과적이며, 미세한 시스템 불일치에 대한 강건성을 입증한다.