Digitalna obrada signala u radarima MIMO sa vremenski multipleksiranim signalima na predaji
Sažetak
Uvod/cilj: Aktuelnu temu značajnih istraživačkih i razvojnih napora iz oblasti radarskih sistema predstavlja radarska tehnologija MIMO (eng. Multiple-Input-Multiple-Output). Radari MIMO predstavljaju revolucionaran iskorak u domenu radaske tehnologije, jer upotrebom više predajnih antena koje emituju ortogonalne talasne oblike omogućavaju bolju detekciju i ugaonu rezoluciju. Za postizanje efikasnih rezultata od ključnog značaja je kvalitetna digitalna obrada signala i primena naprednih algoritama kako bi se dobile informacije o cilju. U fokusu ovog rada su koherentni radari MIMO, jer povećavaju ugaonu rezoluciju. Primenjeno je vremensko multipleksiranje signala na predaji, kao jedan od osnovnih načina postizanja ortogonalnosti između signala, pri čemu je korišćen kontinualni frekvencijski modulisani signal (eng. FMCW – Frequency Modulated Continuous Wave) kao osnova za formiranje predajnog talasnog oblika. Cilj ovog rada jeste da pruži i objasni osnove digitalne obrade signala u radarima MIMO, iznese analitičke izraze i potvrdi ih kroz simulaciju i eksperimentalnu verifikaciju.
Metode: Iznete su teorijske osnove pri čemu je korišćena diskretna Furijeova transformacija kao osnovni alat u digitalnoj obradi signala i dobijanju informacija o daljini, brzini i azimutu pod kojim se cilj nalazi. Razvijena je simulacija u softverskom paketu MATLAB radi analize performansi modela radarskog sistema. Sprovedena je eksperimentalna verifikacija, pri čemu su specifični scenariji snimljeni pomoću radarske platforme PUP_DUAL24P_T2R4, a prikupljeni podaci su naknadno obrađeni. Napisane su MATLAB funkcije MIMOFMCW i procDC za generisanje simulacionih odbiraka eho signala i za automatizovanu obradu signala i prikazane karakteristične matrice daljina-brzina i daljina-ugao.
Rezultati: Simulacija i eksperimentalna verifikacija potvrđuju ispravnost teorijskih osnova koje se odnose na digitalnu obradu signala u MIMO radarima, pri čemu se jasno mogu odrediti parametri ciljeva.
Zaključak: Diskretna Furijeova transformacija je jednostavan alat koji daje zadovoljavajuće rezultate za određivanje daljine, brzine i ugla ciljeva. FMCW pružaju tačnost pri određivanju daljine i brzine, a režim MIMO povećava uglovnu rezoluciju. Algoritam DFT uspeva da odredi ugao cilja, ali sa određenom greškom, pa je za tačnije određivanje ugla potrebno koristiti visokorezolucione metode.
Reference
Abdi, A.H. & Rasheed, H. 2022. Performance Analysis of Outdoor Massive MIMO on Ultra-High Frequency Bands (73 GHz and 100 GHz). In: 2022 International Symposium on Networks, Computers and Communications (ISNCC), Shenzhen, China, pp.1-6, July 19-22. Available at: https://doi.org/10.1109/ISNCC55209.2022.9851799.
Alizadeh, M., Shaker, G., De Almeida, J.C.M., Morita, P.P. & Safavi-Naeini, S. 2019. Remote Monitoring of Human Vital Signs Using mm-Wave FMCW Radar. IEEE Access, 7, pp.54958-54968. Available at: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2912956.
Bliss, D.W. & Forsythe, K.W. 2006. MIMO Radar Medical Imaging: Self-Interference Mitigation for Breast Tumor Detection. In: 2006 Fortieth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, Pacific Grove, CA, USA, pp.1558-1562, October 29-November 01. Available at: https://doi.org/10.1109/ACSSC.2006.355020.
Davis, M.S., Showman, G.A. & Lanterman, A.D. 2014. Coherent MIMO radar: The phased array and orthogonal waveforms. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 29(8), pp.76-91. Available at: https://doi.org/10.1109/MAES.2014.130148.
Dessai, S.N. & Patidar, H. 2024. Hardware software SoC co‐design analysis and implementation of MIMO‐OFDM for 4G/5G/6G eNodeB applications. Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, 35(7), e5012. Available at: https://doi.org/10.1002/ett.5012.
Han, K., Bauduin, M., & Bourdoux, A. 2024. Beamspace Matrix Completion in Subarray-Based Sparse Linear Array for High-Resolution Automotive MIMO Radar. In: 2024 IEEE Radar Conference (RadarConf24), Denver, CO, USA, pp.1-6, May 06-10. Available at: https://doi.org/10.1109/RadarConf2458775.2024.10549360.
He, H., Stoica, P. & Li, J. 2009. Designing Unimodular Sequence Sets With Good Correlations—Including an Application to MIMO Radar. IEEE Transactions on Signal Processing, 57(11), pp.4391-4405. Available at: https://doi.org/10.1109/tsp.2009.2025108.
Iovescu, C. & Rao, S. 2016. The fundamentals of millimeter wave sensors. Texas Instruments [online]. Available at: https://www.ti.com/lit/wp/spyy005a/spyy005a.pdf?ts=1736646797336 [Accessed: 10 May 2024].
Janoudi, V., Schoeder, P., Grebner, T., Schwarz, D., Waldschmidt, C., Dickmann, J. & Appenrodt, N. 2023. Antenna Array Design for Coherent MIMO Radar Networks. In: 2023 IEEE Radar Conference (RadarConf23), San Antonio, TX, USA, pp.1-6, May 01-05. Available at: https://doi.org/10.1109/RadarConf2351548.2023.10149789.
Li, X., Wang, X., Yang, Q. & Fu, S. 2021. Signal Processing for TDM MIMO FMCW Millimeter-Wave Radar Sensors. IEEE Access, 9, pp.167959-167971. Available at: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3137387.
Liu, B. 2009. Orthogonal Discrete Frequency-Coding Waveform Set Design with Minimized Autocorrelation Sidelobes. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 45(4), pp.1650-1657. Available at: https://doi.org/10.1109/taes.2009.5310326.
-Luswave Technology. 2020. PUP_DUAL24P_T2R4 Datasheet [online]. Available at: https://luswave.com/PUP_EN24P_T2R4 [Accessed: 1 June 2024].
Mahafza, B.R. 2013. Radar Systems Analysis and Design using MATLAB, 2nd Edition. New York: Chapman and Hall/CRC. Available at: https://doi.org/10.1201/9781420057072.
-MathWorks. 2024. Radar Data Cube [online]. Available at: https://www.mathworks.com/help/phased/gs/radar-data-cube.html [Accessed: 24 May 2024].
Omer, A.E., Shaker, G., Safavi-Naeini, S., Murray, K. & Hughson, R. 2018. Glucose Levels Detection Using mm-Wave Radar. IEEE Sensors Letters, 2(3), pp.1-4. Available at: https://doi.org/10.1109/LSENS.2018.2865165.
Proakis, J.G. & Manolakis, D.G. 2014. Digital Signal Processing, Fourth Edition. Harlow, Essex, UK: Pearson. ISBN: 978-1-292-02573-5.
Ramasubramanian, K. 2017. Using a complex-baseband architecture in FMCW radar systems. Texas Instruments [online]. Available at: https://www.ti.com/lit/wp/spyy007/spyy007.pdf [Accessed: 5 May 2024].
Rao, S. 2018. MIMO Radar. Texas Instruments, July [online]. Available at: https://www.ti.com/lit/an/swra554a/swra554a.pdf?ts=1736649852855 [Accessed: 3 May 2024].
Richards, M.A. 2014. Fundamentals of Radar Signal Processing, 2nd Edition. New York: McGraw-Hill Education [online]. Available at: https://www.accessengineeringlibrary.com/content/book/9780071798327 [Accessed: 3 May 2024]. ISBN: 9780071798327.
Stoica, P. & Li, J. 2008. MIMO Radar Signal Processing. John Wiley & Sons, Inc. Available at: https://doi.org/10.1002/9780470391488.
Sun, H. 2023. Introduction to MIMO Radar Waveforms. IEEE AESS, 13 April [online]. Available at: https://ieee-aess.org/presentation/lecture/introduction-mimo-radar-waveforms [Accessed: 25 April 2024].
Sun, H., Brigui, F. & Lesturgie, M. 2014. Analysis and comparison of MIMO radar waveforms. In: 2014 International Radar Conference, Lille, France, pp.1-6, October 13-17. Available at: https://doi.org/10.1109/radar.2014.7060251.
Wang, Z., Shi, D. & Wu, H. 2021. The Role of Massive MIMO and Intelligent Reflecting Surface in 5G/6G Networks. In: 2021 International Conference on Wireless Communications and Smart Grid (ICWCSG), Hangzhou, China, pp.309-312, August 13-15. Available at: https://doi.org/10.1109/ICWCSG53609.2021.00067.
Wiesbeck, W., Sit, L., Younis, M., Rommel, T., Krieger, G. & Moreira, A. 2015. Radar 2020: The future of radar systems. In: 2015 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Milan, Italy, pp.188-191, July 26-31. Available at: https://doi.org/10.1109/igarss.2015.7325731.
Wu, C., Zhang, Z., Chen, L. & Yu, W. 2019. The Same Range Line Cells Based Fast Two-Dimensional Compressive Sensing For Airborne MIMO Array SAR 3-D Imaging. In: IGARSS 2019 - 2019 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Yokohama, Japan, pp.3653-3656, July 28-August 02. Available at: https://doi.org/10.1109/IGARSS.2019.8900050.
Sva prava zadržana (c) 2025 Borko B. Đaković, Slobodan M. Simić, Lidija M. Trivundža, Aleksandar G. Ristić
Ovaj rad je pod Creative Commons Autorstvo 4.0 međunarodnom licencom.
Vojnotehnički glasnik omogućava otvoreni pristup i, u skladu sa preporukom CEON-a, primenjuje Creative Commons odredbe o autorskim pravima:
Autori koji objavljuju u Vojnotehničkom glasniku pristaju na sledeće uslove:
- Autori zadržavaju autorska prava i pružaju časopisu pravo prvog objavljivanja rada i licenciraju ga Creative Commons licencom koja omogućava drugima da dele rad uz uslov navođenja autorstva i izvornog objavljivanja u ovom časopisu.
- Autori mogu izraditi zasebne, ugovorne aranžmane za neekskluzivnu distribuciju rada objavljenog u časopisu (npr. postavljanje u institucionalni repozitorijum ili objavljivanje u knjizi), uz navođenje da je rad izvorno objavljen u ovom časopisu.
- Autorima je dozvoljeno i podstiču se da postave objavljeni rad onlajn (npr. u institucionalnom repozitorijumu ili na svojim internet stranicama) pre i tokom postupka prijave priloga, s obzirom da takav postupak može voditi produktivnoj razmeni ideja i ranijoj i većoj citiranosti objavljenog rada (up. Efekat otvorenog pristupa).