[论文解读] Waveform Design for Mutual Interference Mitigation in Automotive Radar

Arindam Bose, Bo Tang+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2022

Radar Systems and Signal Processing被引用 4

一句话总结

本文提出两种慢时域编码方案——基于多普勒频移的和基于优化的——以减轻相同或相似的汽车雷达系统之间的相互干扰。此外，该方法进一步扩展至MIMO雷达，通过设计高效的波形显著降低交叉模糊函数中的干扰功率，且仅需极少的系统修改和较低的计算成本。

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.

研究动机与目标

• 解决在高雷达密度的密集交通场景中，相同或相似汽车雷达系统之间的相互干扰问题。
• 克服传统干扰抑制方法的局限性，这些方法依赖于接收端处理或频率正交性。
• 开发计算效率高的波形设计技术，通过发射端编码实现协作式干扰抑制。
• 将所提出的SISO编码方案扩展至更复杂的MIMO雷达配置，以增强空间与波形多样性。
• 通过仅对波形传输协议进行微小修改，确保与现有雷达系统的向后兼容性。

提出的方法

• 为SISO雷达提出一种基于多普勒频移的慢时域编码方案，通过调制相干处理间隔（CPI）内的脉冲，实现干扰的非相关化。
• 采用循环优化方法，开发基于优化的编码方案，以最小化交叉模糊函数中的干扰功率。
• 将MIMO干扰抑制问题建模为波形设计任务，利用矩阵优化生成类似正交的码字。
• 利用循环矩阵结构和基于FFT的计算方法，实现对干扰功率和码相关矩阵的高效评估。
• 在雷达传输链中集成编码方案，仅需极少的软硬件修改，同时保持向后兼容性。
• 将所提方法应用于同步与异步干扰场景，证明其在多样化工作条件下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当多个雷达以几乎相同的参数运行时，如何有效减轻汽车雷达系统中的相互干扰？
• RQ2 慢时域编码在SISO雷达系统中，对交叉模糊函数内干扰功率的降低能力存在何种性能极限？
• RQ3 基于优化的波形设计方法是否能在保持低计算复杂度的同时，优于基于多普勒频移的编码在干扰抑制方面的表现？
• RQ4 如何将所提出的编码方案扩展至MIMO雷达系统，以利用空间与波形多样性？
• RQ5 非合作干扰源使用非合规码字时，对协作编码方案的性能有何影响？

主要发现

• 与传统非编码波形相比，基于多普勒频移的编码方案在交叉模糊函数中将干扰功率降低了高达15 dB。
• 基于优化的编码方案在模糊函数的目标区域实现超过20 dB的干扰功率降低，显著提升目标检测性能。
• 在MIMO雷达中，所提出的波形设计算法即使在高密度雷达条件下，也能使主瓣区域的干扰功率降低超过25 dB。
• 数值结果表明，使用全1向量码的非合作干扰源会严重恶化检测性能，导致虚警和目标遮蔽。
• 所提算法的计算复杂度为O(N²)，使其在现代汽车雷达系统中具备实时实现的可行性。
• 即使雷达参数不完全相同，编码方案仍保持有效性，表现出对微小系统失配的鲁棒性。