[论文解读] 1-bit Localization Scheme for Radar using Dithered Quantized Compressed Sensing

Thomas Feuillen, Chunlei Xu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2018

Sparse and Compressive Sensing Techniques参考文献 15被引用 11

一句话总结

本文提出一种基于抖动量化压缩感知的FMCW雷达1比特定位方案，实现极端比特率降低下的高精度二维目标定位。通过在1比特量化前注入随机抖动，并将投影反投影（PBP）算法改进以联合估计距离和角度，该方法在测量数增加时实现可证明的误差衰减，仿真与真实世界实验均表明其性能优于无抖动及全精度方案。

ABSTRACT

We present a novel scheme allowing for 2D target localization using highly quantized 1-bit measurements from a Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radar with two receiving antennas. Quantization of radar signals introduces localization artifacts, we remove this limitation by inserting a dithering on the unquantized observations. We then adapt the projected back projection algorithm to estimate both the range and angle of targets from the dithered quantized radar observations, with provably decaying reconstruction error when the number of observations increases. Simulations are performed to highlight the accuracy of the dithered scheme in noiseless conditions when compared to the non-dithered and full 32-bit resolution under severe bit-rate reduction. Finally, measurements are performed using a radar sensor to demonstrate the effectiveness and performances of the proposed quantized dithered scheme in real conditions.

研究动机与目标

• 在极端比特率约束下实现FMCW雷达的二维目标定位，具体为使用1比特量化测量。
• 通过在未量化观测上引入随机抖动，克服1比特量化引起的定位伪影。
• 开发并理论分析一种改进的PBP算法，以从抖动后的1比特测量中联合估计距离和角度。
• 在无噪声仿真与消声室中的真实雷达测量中验证所提方案。
• 证明抖动可缓解确定性伪影，并在噪声环境下提升系统鲁棒性。

提出的方法

• 雷达信号模型在距离-角度联合域中表示为稀疏信号，两个接收天线捕获FMCW信号。
• 在未量化基带信号前添加抖动向量，再进行均匀标量1比特量化，以随机化量化误差。
• 将量化观测建模为抖动线性投影的符号测量，构成量化压缩感知（QCS）框架。
• 将投影反投影（PBP）算法改进，以联合估计两个天线在二维稀疏信号上的支撑，促进距离波形的一致性。
• 理论分析表明，在传感矩阵与抖动满足适当条件时，PBP算法的重构误差随测量数增加而衰减。
• 通过蒙特卡洛仿真在多种场景下验证该方法，并利用消声室中角反射器的实测雷达数据进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用双天线FMCW雷达系统的1比特测量实现准确的二维目标定位？
• RQ2 抖动是否能有效抑制1比特雷达信号重构中的量化诱导伪影？
• RQ3 在1比特条件下，PBP算法的重构误差如何随测量数变化？
• RQ4 在严重比特率约束下，所提抖动1比特方案是否优于无抖动1比特与全32比特系统？
• RQ5 系统噪声与抖动在真实雷达应用中如何相互作用？抖动是否仍能提升定位性能？

主要发现

• 所提抖动1比特方案在仿真中实现高精度二维定位，优于严重比特率降低下的无抖动1比特与全32比特系统。
• PBP算法的重构误差随测量数增加而衰减，本文提供了误差衰减的理论保证。
• 仿真结果表明，抖动可消除无抖动1比特系统中常见的强确定性伪影，尤其在低信噪比或低测量数条件下。
• 消声室中的真实实验结果证实，即使在系统噪声存在下，抖动仍能提升定位精度，验证了其鲁棒性。
• 该方法仅使用每样本1比特即可实现高精度二维定位，适用于低功耗、低带宽雷达应用，如物联网传感器网络。
• 理论分析表明，抖动QCS模型满足LPD（线性相位多样性）条件，可实现稳定恢复且误差有界。