Увеличение углового разрешения с помощью радара MIMO

 Радары с формами сигналов с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) можно использовать для увеличения углового разрешения. Цель состоит в том, чтобы использовать антенну с фазированной решеткой меньшего форм-фактора, которая передает сигналы MIMO и принимает эти сигналы с меньшим количеством приемных элементов. Сигналы MIMO позволяют формировать виртуальный массив. Виртуальный массив создает более сфокусированную диаграмму направленности луча, как если бы он был создан из гораздо большего массива. Этот метод популярен в области автомобильных радаров, где критичны меньшие форм-факторы.

Виртуальный массив может быть создан с помощью квазимоностатических радаров MIMO, в которых передающие и приемные массивы расположены близко друг к другу. Двусторонняя диаграмма направленности радара с фазированной антенной решеткой является произведением диаграммы направленности передающей решетки и диаграммы направленности приемной решетки.

Рассмотрим радар миллиметрового диапазона (mmWave) с двухэлементной передающей решеткой и четырехэлементной приемной решеткой. Если оба массива имеют интервал в половину длины волны, двунаправленный шаблон близок к шаблону приемного массива (рис. 1).

Рис. 1. Показана схема для массива с двумя передатчиками и четырьмя приемниками с половинным интервалом длины волны.

Если расстояние между элементами массива передачи увеличивается (более половины длины волны), двусторонняя диаграмма направленности имеет более узкую ширину луча. На рис. 2 показано что, несмотря на то, что передающая матрица имеет лепестки решетки, лепестки решетки отсутствуют в двусторонней схеме.

Рис. 2. Изображена схема для массива из двух передатчиков (с интервалом более половины длины волны) и массива с четырьмя приемниками (с интервалом в половину длины волны).

Двусторонний шаблон этой системы соответствует шаблону виртуального приемного массива с 2 × 4 = 8 элементами. Если тщательно подобрать геометрию передающей и приемной решеток (рис. 3), угловое разрешение системы увеличится без добавления дополнительных антенн к решеткам (рис. 4).

Рис. 3. Вот геометрия массива передачи (расстояние 2λ) и массива приема для создания двустороннего шаблона.

Рис. 4. Наносится двухсторонний паттерн в сравнении с паттерном из виртуального массива.

Когерентные радарные антенные решетки MIMO могут передавать сигналы ортогональной формы. При такой ортогональности можно восстановить каждый переданный сигнал в приемном массиве. Измерения в приемном массиве, соответствующем каждой ортогональной форме сигнала, затем могут быть суммированы для формирования измерений виртуального массива (рис. 5).

Рис. 5. Показана геометрия передающей решетки (расстояние 2λ) и приемной решетки с использованием ортогональных сигналов.

В этом случае, если каждый элемент массива передачи излучает независимо, формирование луча передачи не происходит. В результате схема передачи становится широкой. Это позволяет одновременно освещать все цели с широким лучом. Приемный массив может генерировать несколько лучей для обработки всех целевых эхо-сигналов. По сравнению с обычными радарами с фазированной антенной решеткой, которым требуется последовательное сканирование для охвата всего поля зрения, это еще одно преимущество радаров MIMO для приложений, требующих короткого времени реакции.

Радар TDM-MIMO

Сигналы мультиплексирования с временным разделением (TDM) могут использоваться для достижения ортогональности между каналами передачи. Провести моделирование этой системы и опробовать алгоритм возможно на имеющейся в продаже аппаратной платформе радиолокационных датчиков Demorad 24 ГГц от Analog Devices.

Следуя описанному выше, смоделированная система имеет два передатчика, разнесенных на 1,5 длины волны. Имеется четыре физических принимающих элемента. Задача состоит в том, чтобы сравнить угловое разрешение с четырехэлементным массивом Rx и виртуальным массивом из семи элементов (рис. 6).

Рис. 6. На этом рисунке показана геометрия передающей решетки (расстояние 1,5λ) и приемной решетки.

Для моделирования и измерений без MIMO один элемент Tx используется для создания широкого луча передачи для каждого интервала повторения импульсов (PRI). При использовании четырехэлементной приемной решетки ширина приемного луча составляет примерно 30 градусов. Если объекты в поле зрения находятся в пределах 30-градусного луча, будет трудно различить два объекта.

Затем были реализованы операции MIMO с использованием чередующихся во времени импульсов (Tx-импульс 1 и Tx-импульс 2) от пространственно разделенных передающих элементов. Цель состояла в том, чтобы добиться улучшенного углового разрешения (примерно 17 градусов) по сравнению со случаем операций без MIMO. На рис. 7 показано сравнение двух диаграмм направленности для этого сценария. Узкий луч даст большее угловое разрешение при сканировании поля зрения.

Рис. 7. Сравнение диаграммы направленности четырехэлементного физического массива (синяя линия) и семиэлементного виртуального массива (красная линия).

Рисунок 8 представляет собой фотографию массива.

Рис. 8. Показана фазированная антенная решетка для системы 24 ГГц (два передатчика и четыре приемника).

В этом сценарии мы смоделировали два объекта, разнесенных на 25 градусов (рис. 9). При большем луче (не MIMO) два объекта выглядят как один возврат. В виртуальном массиве, созданном с помощью MIMO, узкий луч помогает разрешить два объекта.

Рис. 9. Сравнение реальных данных с моделированием.

В дополнение к модели мы можем выполнять те же измерения, используя оборудование в режиме MIMO и без MIMO. На рис. 9 также показаны результаты, когда два человека находяться близко расположенными объектами. Данные вводились в MATLAB по мере их создания, а обработка основной полосы частот выполнялась в Phased Array System Toolbox.

Результаты подтверждают, что моделирование и измеренные данные согласуются. Объекты в сцене разнесены на 25 градусов и расположены на одном расстоянии. В случае MIMO (измеренном и смоделированном) регистрируются два объекта. В случае без MIMO два объекта отображаются как один.

Источник: www.mwrf.com