Hochauflösende binokulare MIMO-Millimeterwellen-Radare (binoMIMO)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Reiner Thomä; Professor Dr.-Ing. Christian Waldschmidt
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317632307

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes war es, einen kooperativen Verbund von zwei räumlich getrennten Radaren (binokulares Radarsysteme) mit Methoden der modellbasierten Signalverarbeitung zu kombinieren, um damit eine robustere Detektion und höhere Auflösung von Radarzielen zu erreichen. Die hardwaretechnische Realisierung und die Entwicklung einer angepasster Signalverarbeitung waren hierbei die Schwerpunkte der Projektarbeiten. Innerhalb des Projektes konnten bedeutende Fortschritte sowohl im Bereich der hardwaretechnischen Realisierung von verteilten MIMO-Radaren im oberen Millimeterwellenbereich und deren Kalibrierung, als auch im Bereich der Signalverarbeitung für MIMO-Radarsysteme erzielt werden. Eine Herausforderung war die Sicherstellung des kohärenten Betriebs des Radarsystems unter Berücksichtigung einer aufwandsgünstigen Signalverteilung. Im Rahmen des Projektes wurden hierzu verschiedene Ansätze untersucht, die simulativ bewertet und mittels eines realisierten Radardemonstrators messtechnisch verifiziert wurden. Als Ergebnis zeigte sich, dass verteilte Radarsysteme mit nicht-kohärenter Signalsynthese realisierbar sind, welche zum einen eine sehr große Apertur und zum anderen eine sehr hohe und im Vergleich zum kohärenten Verbund vergleichbare Detektionsfähigkeit erreichen. Aufgrund der großen Apertur zeigte sich, dass klassische Methoden zur winkelabhängigen Kalibrierung des Radarsystems sehr zeitaufwendig sind. Diese Probleme konnten mit Hilfe eines neuen Verfahrens zur Kalibrierung großer Aperturen basierend auf Moden gelöst werden, wodurch eine sehr genaue und effiziente Kalibrierung ermöglicht wird. Die Ergebnisse der Kalibrierung werden in der Signalverarbeitung genutzt. Für die Signalverarbeitung zeigte sich, dass Nichtidealitäten der Radarhardware, die hohe Signalbandbreite und große Apertur systematische Signalstörungen und somit Fehler bei der Zieldetektion verursachen. Des Weiteren zeigte sich, dass stochastische Störungen wie Phasenrauschen Probleme bei der eindeutigen Detektion von Zielen verursachen. Durch die Entwicklung einer modellbasierten, auf das Radarsystem angepassten Signalverarbeitung konnten diese Störungen weitestgehend kompensiert werden. Im Ergebnis steht eine robustere Detektion von Zielen. Die erzielten Ergebnisse im Bereich der Signalverarbeitung sind übertragbar auf andere Anwendungsfelder mit MIMO-Systemen wie z. B. die Extraktion von Informationen der Mehrwegeausbreitung aus Funkkanalmessungen. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass der binokulare Aufbau des Radarsystems zur Verbesserung des Zieleindrucks genutzt werden kann. Somit stellt das realisierte binokulare Radarsystem in Kombination mit der entwickelten Signalverarbeitung eine wesentliche Neuerung und Fortschritt im Bereich der Radartechnik dar. Die Publikation der Ergebnisse in Fachzeitschriften zeigt die Bedeutung und Akzeptanz der erzielten Ergebnisse innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Phase Noise Mitigation for Multistatic FMCW Radar Sensor Networks Using Carrier Transmission”. In: IEEE Microwave and Wireless Components Letters (Dez. 2018), S. 1143–1145
  A. Dürr, B. Schweizer, J. Bechter und C. Waldschmidt
  
• “High-Resolution 160-GHz Imaging MIMO Radar Using MMICs With On-Chip Frequency Synthesizers”. In: IEEE Trans. Microwave Theory Tech. (Sep. 2019), S. 3897–3907
  A. Dürr, D. Schwarz, S. Häfner, M. Geiger et al.
  
• “Mitigation of RF Impairments of a 160-GHz MMIC FMCW Radar Using Model-Based Estimation”. In: IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 68.3 (2019), S. 1–9
  S. Häfner, A. Dürr, C. Waldschmidt und R. Thom
  
• “Calibration-Based Phase Coherence of Incoherent and Quasi-Coherent 160-GHz MIMO Radars”. In: IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 68.7 (2020), S. 2768–2778
  A. Dürr, R. Kramer, D. Schwarz, M. Geiger et al.
  
• “Compensation of Motion-Induced Phase Errors and Enhancement of Doppler Unambiguity in TDM–MIMO Systems by Model-Based Estimation”. In: IEEE Sens. Lett. 4.10 (2020), S. 1–4
  Stephan Häfner und Reiner Thom
  
• “Mitigation of Leakage in FMCW Radars by Background Subtraction and Whitening”. In: IEEE Microwave Wireless Compon. Lett. 30.11 (2020), S. 1105–1107
  Stephan Häfner, André Dürr, Christian Waldschmidt und Reiner Thom
  
• “Highly Efficient Angular Array Calibration Based on the Modal Wave Expansion Technique”. In: IEEE Open Journal of Antennas and Propagation 2 (2021), S. 938–948
  A. Dürr, M. Linder, D. Schwarz und C. Waldschmidt
  
• “Parameter Estimation for Broadband mm-Wave FMCW MIMO Radars - A a Model-Based System Identification Perspectiv”. Diss. Technische Universität Ilmenau, 2021
  Stephan Häfner
  
• “Range-Angle Coupling and Near-Field Effects of Very Large Arrays in mm-Wave Imaging Radars”. In: IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 69.1 (2021), S. 262–270
  A. Dürr, B. Schneele, D. Schwarz und C. Waldschmidt
  
• “A novel covariance model for MIMO sensing systems and its identification from measurements”. In: Signal Processing 197 (2022), S. 108542
  Stephan Häfner, André Dürr, Christian Waldschmidt und Reiner Thom
  
• “Coherent Measurements of a Multistatic MIMO Radar Network With Phase Noise Optimized Non-Coherent Signal Synthesis”. In: IEEE Journal of Microwaves (2022), S. 1–14
  André Dürr, Dennis Böhm, Dominik Schwarz, Stephan Häfner et al.