Backscatter Transponder Based on Frequency Selective Surface for FMCW Radar Applications

This paper describes an actively-controlled frequency selective surface (FSS) to implement a backscatter transponder. The FSS is composed by dipoles loaded with switching PIN diodes. The transponder exploits the change in the radar cross section (RCS) of the FSS with the bias of the diodes to modulate the backscattered response of the tag to the FMCW radar. The basic operation theory of the system is explained here. An experimental setup based on a commercial X-band FMCW radar working as a reader is proposed to measure the transponders. The transponder response can be distinguished from the interference of non-modulated clutter, modulating the transponder’s RCS. Some FSS with different number of dipoles are studied, as a proof of concept. Experimental results at several distances are provided

THE APPLICATION OF LEAKY WAVE ANTENNAS FOR MEDICAL HYPERTHERMIA TREATMENT AND BEAMFORMER IN FMCW AUTOMOTIVE RADAR SYSTEMS

Thousands of years ago human discovered that if a slice of amber is rubbed against fur, it would absorb light-weight objects. Hundreds of years after that the ancient people figured out that there are actually two different characteristics of attraction and repulsion. Another 2000 years passed when human discovered that these two wonders of nature, magnetism and electricity are actually linked together like the two sides of the same coin. Since then, in the early 19th century great huge achievements were made in antennas and propagation by scientists such as Hans Christen Oersted, Heinrich Hertz, Alexander Popov and Marconi. Since then, antennas have found their enormous applications in military, medical and industrial arenas. In the endless world of antennas, we have picked up leaky wave antennas to further investigate their interesting properties and worked on at least 2 applications of such propagation systems in the medical field as well as in automotive field such as road safety. In our research, we have designed one-dimensional and two-dimensional leaky wave antennas to apply the main beam to the cancerous tissue by using the beam scanning property of these antennas. We could shift the main beam to another location in the tissue. Two-dimensional leaky wave antennas provide more beam flexibility in terms of beam geometry and beam displacement which will be discussed in the corresponding chapters. Improving road safety with equipping vehicles with sensing systems such as frequency modulated continuous wave (FMCW) automotive radar systems is one of the most interesting topics in radar engineering. Surely, the main factor that could influence the mass production of cheap radar systems for automobiles is influenced by what antenna system is designed for that radar system. In this dissertation, we have proposed an FMCW radar system using a cheap antenna solution. The proposed antenna system is comb-line leaky wave antenna. The performance of the proposed radar system has been evaluated using range-Doppler graphs and we have also discussed a common problem in multi-target FMCW radar systems which is the issue of the ghost targets

An Experimental Study of Radar-Centric Transmission for Integrated Sensing and Communications

This study proposes a dual-function radar and communication (DFRC) system that utilizes radar transmission parameters as modulation indexes to transmit data to the users while performing radar sensing as its primary function. The proposed technique exploits index modulation (IM) using the center frequency of radar chirps, their bandwidths, and polarization states as indexes to modulate the communication data within each radar chirp. By utilizing the combination of these indexes, the proposed DFRC system can reach up to 17 Mb/s throughput, while observing a robust radar performance. Through our experimental study, we also reveal the trade-off between the radar sensing performance and communication data rate, depending on the radar waveform parameters selected in the DFRC system. This study also demonstrates the implementation of the proposed DFRC system and presents its real-time over-the-air experimental measurements. Consequently, the simulation results are verified by real-time over-the-air experiments, where ARESTOR, a high-speed signal processing and experimental radar platform, has been employed

Compressive Sensing and Its Applications in Automotive Radar Systems

Die Entwicklung in Richtung zu autonomem Fahren verspricht, künftig einen sicheren Verkehr ohne tödliche Unfälle zu ermöglichen, indem menschliche Fahrer vollständig ersetzt werden. Dadurch entfällt der Faktor des menschlichen Fehlers, der aus Müdigkeit, Unachtsamkeit oder Alkoholeinfluss resultiert. Um jedoch eine breite Akzeptanz für autonome Fahrzeuge zu erreichen und es somit eines Tages vollständig umzusetzen, sind noch eine Vielzahl von Herausforderungen zu lösen. Da in einem autonomen Fahrzeug kein menschlicher Fahrer mehr in Notfällen eingreifen kann, müssen sich autonome Fahrzeuge auf leistungsfähige und robuste Sensorsysteme verlassen können, um in kritischen Situationen auch unter widrigen Bedingungen angemessen reagieren zu können. Daher ist die Entwicklung von Sensorsystemen erforderlich, die für Funktionalitäten jenseits der aktuellen advanced driver assistance systems eingesetzt werden können. Dies resultiert in neuen Anforderungen, die erfüllt werden müssen, um sichere und zuverlässige autonome Fahrzeuge zu realisieren, die weder Fahrzeuginsassen noch Passanten gefährden. Radarsysteme gehören zu den Schlüsselkomponenten unter der Vielzahl der verfügbaren Sensorsysteme, da sie im Gegensatz zu visuellen Sensoren von widrigen Wetter- und Umgebungsbedingungen kaum beeinträchtigt werden. Darüber hinaus liefern Radarsysteme zusätzliche Umgebungsinformationen wie Abstand, Winkel und relative Geschwindigkeit zwischen Sensor und reflektierenden Zielen. Die vorliegende Dissertation deckt im Wesentlichen zwei Hauptaspekte der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Radarsysteme im Automobilbereich ab. Ein Aspekt ist die Steigerung der Effizienz und Robustheit der Signalerfassung und -verarbeitung für die Radarperzeption. Der andere Aspekt ist die Beschleunigung der Validierung und Verifizierung von automated cyber-physical systems, die parallel zum Automatisierungsgrad auch eine höhere Komplexität aufweisen. Nach der Analyse zahlreicher möglicher Compressive Sensing Methoden, die im Bereich Fahrzeugradarsysteme angewendet werden können, wird ein rauschmoduliertes gepulstes Radarsystem vorgestellt, das kommerzielle Fahrzeugradarsysteme in seiner Robustheit gegenüber Rauschen übertrifft. Die Nachteile anderer gepulster Radarsysteme hinsichtlich des Signalerfassungsaufwands und der Laufzeit werden durch die Verwendung eines Compressive Sensing-Signalerfassungs- und Rekonstruktionsverfahrens in Kombination mit einer Rauschmodulation deutlich verringert. Mit Compressive Sensing konnte der Aufwand für die Signalerfassung um 70% reduziert werden, während gleichzeitig die Robustheit der Radarwahrnehmung auch für signal-to-noise-ratio-Pegel nahe oder unter Null erreicht wird. Mit einem validierten Radarsensormodell wurde das Rauschradarsystem emuliert und mit einem kommerziellen Fahrzeugradarsystem verglichen. Datengetriebene Wettermodelle wurden entwickelt und während der Simulation angewendet, um die Radarleistung unter widrigen Bedingungen zu bewerten. Während eine Besprühung mit Wasser die Radomdämpfung um 10 dB erhöht und Spritzwasser sogar um 20 dB, ergibt sich die eigentliche Begrenzung aus der Rauschzahl und Empfindlichkeit des Empfängers. Es konnte bewiesen werden, dass das vorgeschlagene Compressive Sensing Rauschradarsystem mit einer zusätzlichen Signaldämpfung von bis zu 60 dB umgehen kann und damit eine hohe Robustheit in ungünstigen Umwelt- und Wetterbedingungen aufweist. Neben der Robustheit wird auch die Interferenz berücksichtigt. Zum einen wird die erhöhte Störfestigkeit des Störradarsystems nachgewiesen. Auf der anderen Seite werden die Auswirkungen auf bestehende Fahrzeugradarsysteme bewertet und Strategien zur Minderung der Auswirkungen vorgestellt. Die Struktur der Arbeit ist folgende. Nach der Einführung der Grundlagen und Methoden für Fahrzeugradarsysteme werden die Theorie und Metriken hinter Compressive Sensing gezeigt. Darüber hinaus werden weitere Aspekte wie Umgebungsbedingungen, unterschiedliche Radararchitekturen und Interferenz erläutert. Der Stand der Technik gibt einen Überblick über Compressive Sensing-Ansätze und Implementierungen mit einem Fokus auf Radar. Darüber hinaus werden Aspekte von Fahrzeug- und Rauschradarsystemen behandelt. Der Hauptteil beginnt mit der Vorstellung verschiedener Ansätze zur Nutzung von Compressive Sensing für Fahrzeugradarsysteme, die in der Lage sind, die Erfassung und Wahrnehmung von Radarsignalen zu verbessern oder zu erweitern. Anschließend wird der Fokus auf ein Rauschradarsystem gelegt, das mit Compressive Sensing eine effiziente Signalerfassung und -rekonstruktion ermöglicht. Es wurde mit verschiedenen Compressive Sensing-Metriken analysiert und in einer Proof-of-Concept-Simulation bewertet. Mit einer Emulation des Rauschradarsystems wurde das Potential der Compressive Sensing Signalerfassung und -verarbeitung in einem realistischeren Szenario demonstriert. Die Entwicklung und Validierung des zugrunde liegenden Sensormodells wird ebenso dokumentiert wie die Entwicklung der datengetriebenen Wettermodelle. Nach der Betrachtung von Interferenz und der Koexistenz des Rauschradars mit kommerziellen Radarsystemen schließt ein letztes Kapitel mit Schlussfolgerungen und einem Ausblick die Arbeit ab.Developments towards autonomous driving promise to lead to safer traffic, where fatal accidents can be avoided after making human drivers obsolete and hence removing the factor of human error. However, to ensure the acceptance of automated driving and make it a reality one day, still a huge amount of challenges need to be solved. With having no human supervisors, automated vehicles have to rely on capable and robust sensor systems to ensure adequate reactions in critical situations, even during adverse conditions. Therefore, the development of sensor systems is required that can be applied for functionalities beyond current advanced driver assistance systems. New requirements need to be met in order to realize safe and reliable automated vehicles that do not harm passersby. Radar systems belong to the key components among the variety of sensor systems. Other than visual sensors, radar is less vulnerable towards adverse weather and environment conditions. In addition, radar provides complementary environment information such as target distance, angular position or relative velocity, too. The thesis ad hand covers basically two main aspects of research and development in the field of automotive radar systems. One aspect is to increase efficiency and robustness in signal acquisition and processing for radar perception. The other aspect is to accelerate validation and verification of automated cyber-physical systems that feature more complexity along with the level of automation. After analyzing a variety of possible Compressive Sensing methods for automotive radar systems, a noise modulated pulsed radar system is suggested in the thesis at hand, which outperforms commercial automotive radar systems in its robustness towards noise. Compared to other pulsed radar systems, their drawbacks regarding signal acquisition effort and computation run time are resolved by using noise modulation for implementing a Compressive Sensing signal acquisition and reconstruction method. Using Compressive Sensing, the effort in signal acquisition was reduced by 70%, while obtaining a radar perception robustness even for signal-to-noise-ratio levels close to or below zero. With a validated radar sensor model the noise radar was emulated and compared to a commercial automotive radar system. Data-driven weather models were developed and applied during simulation to evaluate radar performance in adverse conditions. While water sprinkles increase radome attenuation by 10 dB and splash water even by 20 dB, the actual limitation comes from noise figure and sensitivity of the receiver. The additional signal attenuation that can be handled by the proposed compressive sensing noise radar system proved to be even up to 60 dB, which ensures a high robustness of the receiver during adverse weather and environment conditions. Besides robustness, interference is also considered. On the one hand the increased robustness towards interference of the noise radar system is demonstrated. On the other hand, the impact on existing automotive radar systems is evaluated and strategies to mitigate the impact are presented. The structure of the thesis is the following. After introducing basic principles and methods for automotive radar systems, the theory and metrics of Compressive Sensing is presented. Furthermore some particular aspects are highlighted such as environmental conditions, different radar architectures and interference. The state of the art provides an overview on Compressive Sensing approaches and implementations with focus on radar. In addition, it covers automotive radar and noise radar related aspects. The main part starts with presenting different approaches on making use of Compressive Sensing for automotive radar systems, that are capable of either improving or extending radar signal acquisition and perception. Afterwards the focus is put on a noise radar system that uses Compressive Sensing for an efficient signal acquisition and reconstruction. It was analyzed using different Compressive Sensing metrics and evaluated in a proof-of-concept simulation. With an emulation of the noise radar system the feasibility of the Compressive Sensing signal acquisition and processing was demonstrated in a more realistic scenario. The development and validation of the underlying sensor model is documented as well as the development of the data-driven weather models. After considering interference and co-existence with commercial radar systems, a final chapter with conclusions and an outlook completes the work

Radar Interference Mitigation for Automated Driving: Exploring Proactive Strategies

Autonomous driving relies on a variety of sensors, especially on radars, which have unique robustness under heavy rain/fog/snow and poor light conditions. With the rapid increase of the amount of radars used on modern vehicles, where most radars operate in the same frequency band, the risk of radar interference becomes a compelling issue. This article analyses automotive radar interference and proposes several new approaches, which combine industrial and academic expertise, toward the path of interference-free autonomous driving

Modeling Backscattering Behavior of Vulnerable Road Users Based on High-Resolution Radar Measurements

Bei der Weiterentwicklung der Technologie des autonomen Fahrens (AD) ist die Beschaffung zuverlässiger dreidimensionaler Umgebungsinformationen eine unverzichtbare Aufgabe, um ein sicheres Fahren zu ermöglichen. Diese Herausforderung kann durch den Einsatz von Fahrzeugradaren zusammen mit optischen Sensoren, z. B. Kameras oder Lidars, bewältigt werden, sei es in der Simulation oder in konventionellen Tests auf der Straße. Das Betriebsverhalten von Fahrzeugradaren kann in einer Over-the-Air (OTA) Vehicle-in-the-Loop (ViL) Umgebung genau bewertet werden. Für eine umfassende experimentelle Verifizierung der Fahrzeugradare muss jedoch die Umgebung, insbesondere die gefährdeten Verkehrsteilnehmer (VRUs), möglichst realistisch modelliert werden. Moderne Radarsensoren sind in der Lage, hochaufgelöste Erkennungsinformationen von komplexen Verkehrszielen zu liefern, um diese zu verfolgen. Diese hochauflösenden Erkennungsdaten, die die reflektierten Signale von den Streupunkten (SPs) der VRUs enthalten, können zur Erzeugung von Rückstreumodelle genutzt werden. Darüber hinaus kann ein realistischeres Rückstreumodell der VRUs, insbesondere von Menschen als Fußgänger oder Radfahrer, durch die Modellierung der Bewegung ihrer Extremitäten in Verkehrsszenarien erreicht werden. Die Voraussetzung für die Erstellung eines solchen detaillierten Modells in verschiedenen Situationen sind der Radarquerschnitt (RCS) und die Doppler-Signaturen, die sich aus den menschlichen Extremitäten in einer bewegten Situation ergeben. Diese Daten können durch die gesammelten Radardaten aus hochauflösenden RCS-Messungen im Radial- und Winkelbereich gewonnen werden, was durch die Analyse der Range-Doppler-Spezifikation der menschlichen Extremitäten in verschiedenen Bewegungen möglich ist. Die entwickelten realistischen Radarmodelle können bei der Wellenausbreitung im Radarkanal, bei der Zielerkennung und -klassifizierung sowie bei Datentrainingsalgorithmen zur Validierung und Verifizierung der Kfz-Radarfunktionen eingesetzt werden. Anschließend kann mit dieser Bewertung die Sicherheit von fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) beurteilt werden. Daher wird in dieser Arbeit ein hochauflösendes RCS-Messverfahren vorgeschlagen, um die relevanten SPs verschiedener VRUs mit hoher radialer und winkelmäßiger Auflösung zu bestimmen. Eine Gruppe unterschiedliche VRUs wird in statischen Situationen gemessen, und die notwendigen Signalverarbeitungsschritte, um die relevanten SPs mit den entsprechenden RCS-Werten zu extrahieren, werden im Detail beschrieben. Während der Analyse der gemessenen Daten wird ein Algorithmus entwickelt, um die physischen Größen der gemessenen Testpersonen aus dem extrahierten Rückstreumodell zu schätzen und sie anhand ihrer Größe und Statur zu klassifizieren. Zusätzlich wird ein Dummy-Mensch vermessen, der eine vergleichbare Größe wie die vermessenen Probanden hat. Das extrahierte Rückstreuverhalten einer beispielhaften VRU-Gruppe wird für ihre verschiedenen Typen ausgewertet, um die Übereinstimmung zwischen virtuellen Validierungen und der Realität aufzuzeigen und den Genauigkeitsgrad der Modelle sicherzustellen. In einem weiteren Schritt wird diese hochauflösende RCS-Messtechnik mit der Motion Capture Technologie kombiniert, um die Reflektivität der SPs von den menschlichen Körperregionen in verschiedenen Bewegungen zu erfassen und die Radarsignaturen der menschlichen Extremitäten genau zu schätzen. Spezielle Signalverarbeitungsschritte werden eingesetzt, um die Radarsignaturen aus den Messergebnissen des sich bewegenden Menschen zu extrahieren. Diese nachbearbeiteten Daten ermöglichen es der Technik, die zeitlich variierenden SPs an den Extremitäten des menschlichen Körpers mit den entsprechenden RCS-Werten und Dopplersignaturen einzuführen. Das extrahierte Rückstreumodell der VRUs enthält eine Vielzahl von SPs. Daher wird ein Clustering-Algorithmus entwickelt, um die Berechnungskomplexität bei Radarkanalsimulationen durch die Einführung einiger virtueller Streuzentren (SCs) zu minimieren. Jedes entwickelte virtuelle SCs hat seine eigene spezifische Streueigenschaft

System Modeling of Next Generation Digitally Modulated Automotive RADAR (DMR)

abstract: State-of-the-art automotive radars use multi-chip Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radars to sense the environment around the car. FMCW radars are prone to interference as they operate over a narrow baseband bandwidth and use similar radio frequency (RF) chirps among them. Phase Modulated Continuous Wave radars (PMCW) are robust and insensitive to interference as they transmit signals over a wider bandwidth using spread spectrum technique. As more and more cars are equipped with FMCW radars illuminate the same environment, interference would soon become a serious issue. PMCW radars can be an effective solution to interference in the noisy FMCW radar environment. PMCW radars can be implemented in silicon as System-on-a-chip (SoC), suitable for Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) implementation and is highly programmable. PMCW radars do not require highly linear high frequency chirping oscillators thus reducing the size of the final solution. This thesis aims to present a behavior model for this promising Digitally modulated radar (DMR) transceiver in Simulink/Matlab. The goal of this work is to create a model for the electronic system level framework that simulates the entire system with non-idealities. This model includes a Top Down Design methodology to understand the requirements of the individual modules’ performance and thus derive the specifications for implementing the real chip. Back annotation of the actual electrical modules’ performance to the model closes the design process loop. Using Simulink’s toolboxes, a passband and equivalent baseband model of the system is built for the transceiver with non-idealities of the components built in along with signal processing routines in Matlab. This model provides a platform for system evaluation and simulation for various system scenarios and use-cases of sensing using the environment around a moving car.Dissertation/ThesisMasters Thesis Engineering 201

MEMS based radar sensor for automotive collision avoidance

This dissertation presents the architecture of a new MEMS based 77 GHz frequency modulated continuous wave (FMCW) automotive long range radar sensor. The design, modeling, and fabrication of a novel MEMS based TE10 mode Rotman lens. MEMS based Single-pole-triple-throw (SP3T) RF switches and an inset feed type microstrip antenna array that form the core components of the newly developed radar sensor. The novel silicon based Rotman lens exploits the principle of a TE10 mode rectangular waveguide that enabled to realize the lens in silicon using conventional microfabrication technique with a cavity depth of 50 μm and a footprint area to 27 mm x 36.2 mm for 77 GHz operation. The microfabricated Rotman lens replaces the conventional microelectronics based analog or digital beamformers as used in state-of-the-art automotive long range radars to results in a smaller form-factor superior performance less complex low cost radar sensor. The developed Rotman lens has 3 beam ports, 5 array ports, 6 dummy ports and HFSS simulation exhibits better than -2 dB insertion loss and better than -20 dB return loss between the beam ports and the array ports. A MEMS based 77 GHz SP3T cantilever type RF switch with conventional ground connecting bridges (GCB) has been designed, modelled, and fabricated to sequentially switch the FMCW signal among the beam ports of the Rotman lens. A new continuous ground (CG) SP3T switch has been designed and modeled that shows a 4 dB improvement in return loss, 0.5 dB improvement in insertion loss and an isolation improvement of 3.5 dB over the conventional GCB type switch. The fabrication of the CG type switch is in progress. Both the switches have a footprint area of 500 µm x 500 μm. An inset feed type 77 GHz microstrip antenna array has been designed, modelled, and fabricated on a Duroid 5880 substrate using a laser ablation technique. The 12 mm x 35 mm footprint area antenna array consists of 5 sub-arrays with 12 microstrip patches in each of the sub-arrays. HFSS simulation result shows a gain of 18.3 dB, efficiency of 77% and half power beam width of 9°