International audienceCe document présente la mise en oeuvre expérimentale d'un Radar MIMO ULB pour la détection de cibles ponc-tuelles. L'avantage du radar MIMO revient à améliorer la résolution angulaire sans avoir à augmenter le nombre d'antennes nécessaire dans les radars conventionnels et ce, grâce à la création d'un réseau d'antennes virtuelles plus large que le réseau physique. Les résultats obtenus en simulation et en mesure sont également comparés aux systèmes Radar classiques à balayage de faisceau (SIMO) et à ouverture synthétique (SAR)

Carsenat, David

Decroze, Cyril

Fromenteze, Thomas

Kpré, Ettien Lazare

HAL-UNILIM

Mise en oeuvre expe´rimentale d’un Radar MIMOUltra-Large BandeEttien Lazare Kpre´, Cyril Decroze, David Carsenat, Thomas FromentezeTo cite this version:Ettien Lazare Kpre´, Cyril Decroze, David Carsenat, Thomas Fromenteze. Mise en oeuvreexpe´rimentale d’un Radar MIMO Ultra-Large Bande. Journe´es Nationales des Mmicroondes,Jun 2015, Bordeaux, France. <hal-01212305>HAL Id: hal-01212305https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01212305Submitted on 20 Oct 2015HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s.XIXèmes Journées Nationales Microondes3-4-5 Juin 2015 - BordeauxMise en œuvre expérimentale d’un Radar MIMO Ultra-Large BandeEttien L. Kpré1, Cyril Decroze1, David Carsenat1, Thomas Fromenteze11 Institut de Recherche XLIM,Université de limoges, Franceettien.kpre@etu.unilim.frRésuméCe document présente la mise en œuvre expérimentaled’un Radar MIMO ULB pour la détection de cibles ponc-tuelles. L’avantage du radar MIMO revient à améliorerla résolution angulaire sans avoir à augmenter le nombred’antennes nécessaire dans les radars conventionnels etce, grâce à la création d’un réseau d’antennes virtuellesplus large que le réseau physique. Les résultats obtenusen simulation et en mesure sont également comparés auxsystèmes Radar classiques à balayage de faisceau (SIMO)et à ouverture synthétique (SAR).1. IntroductionLe concept Radar MIMO a été introduit depuis unedécennie et a rapidement captivé l’attention de nombreuxchercheurs [2]. Le terme MIMO indique que plusieurs an-tennes émettent et plusieurs reçoivent. Cela dit les sys-tèmes radars utilisant des réseaux d’antennes ne sont pasrécents. Cependant les signaux émis dans la plupart de cessystèmes sont identiques et pondérés par des poids com-plexes à l’émission pour dépointer le faisceau dans unedirection de l’espace. Contrairement à ces systèmes, lessignaux émis par le radar MIMO sont indépendants et lespoids sont appliqués lors du traitement des signaux reçus.Cela offre un degré de liberté supplémentaire pour amé-liorer la résolution [1], minimiser le niveau des lobes se-condaires, discriminer des cibles très proches.Chaque couple Émetteur/Récepteur permet d’avoirune information de la matrice H du canal comme indiquésur la Figure.1. Cette matrice contient les informations re-latives à la signature de la cible. Partant de ce principe,les systèmes radars traditionnels peuvent être considéréscomme un cas particulier du MIMO. Le SAR qui consisteà effectuer une mesure séquentielle d’une antenne vers ellemême revient ainsi à mesurer uniquement la diagonale dela matrice[2]. Le SIMO correspond à une acquisition dusignal émis par une seule antenne sur plusieurs en récep-tion. D’une manière équivalente, cela revient à mesurerune seule ligne de la matrice du canal. Le réseau phasécorrespond quant à lui à la somme des lignes. Le MIMOcontient toutes les informations séparées de la matrice.Cela offre une richesse des données du canal sondé aug-mentant ainsi la probabilité de détection de cibles. Aussi,l’utilisation des réseau d’émission et de réception indé-pendants, permet de créer un réseau virtuel contenant plus1T2T3T1R2R3RxTmxRnCibleRéseau d’émissionRéseau de réceptionSignaux indépendantsH11 H12 . . . H1nH21 H22 . . . H2n.... . ....Hm1 Hm2 . . . HmnSARSIMOEmissionRéceptionFigure 1. Illustration d’un système Radar-MIMO dis-tribué. La position du mième émetteur est donné parxTm, et celle du nième Récepteur est donné par xRn.d’éléments que le nombre d’antennes physiques comme lemontre la Figure.2. En terme de rayonnement électroma-gnétique, cela revient à faire le produit des diagrammesde rayonnement de l’émission et de la réception. La trans-formée de Fourier spatiale de ce produit correspond à laconvolution spatiale de la position des antennes, il en ré-sulte un réseau virtuel plus grand. Cette particularité per-met d’augmenter la résolution angulaire sans avoir à aug-menter le nombre d’éléments rayonnants [3]. De ce fait, ledesign du réseau d’antennes doit être optimisé afin d’ex-ploiter au mieux ce degré de liberté et minimiser les re-dondances spatiales.2. Reconstitution d’image2.a. Résultats de simulationConsidérons un scénario radar constitué d’un ré-seau monostatique de 4 antennes isotropes espacées ded = 0.7 × λc comme présenté par la Figure.3. Une cibleponctuelle à SER isotrope sur toute la bande d’analyseest placée à une distance r = 3m du radar, considérée enchamp lointain (r > 2 × D2/λc). λc étant la longueurd’onde centrale.XIXèmes Journées Nationales Microondes, 3-4-5 Juin 2015 - Bordeaux{1 1 1 1}dTθRéseau d’émission{1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1}dR = 4× dTθRéseau de réception∗=dT{1 1 . . . . . . 1 1}θRéseau virtuelFigure 2. Exemple de réseau virtuel créé avec un ré-seau de 4 éléments d’émission espacés de dT et 4 élé-ments de réception espacés de dR = 4× dT .1 2 3 4Réseau d’antennes isotropesd = 0.7× λcDs 1(t)s 2(t)s 3(t)s 4(t)Signaux orthogonauxcible à SER isotropeFigure 3. Schéma de la scène constituée d’un réseaumonostatique de 4 antennes.Les signaux reçus sont donnés sous forme matriciellepar l’équation 1 :SR =nT−1∑i=0H.Si +N (1)avec N le bruit additif gaussien, Si les spectres dessignaux émis et H la réponse fréquentielle du canal. Ellecontient les déphasages subits par les signaux entre chaquecouple Émetteur/Récepteur.(H)m,n ∝ exp (−jk.(xTm + xRn).d.sin(θ0)) (2)où k représente la fréquence spatiale et θ0 l’angle souslequel est vu la cible depuis le réseau d’antennes. Un ba-layage de faisceau numérique à postériori dans toutes lesdirections de l’azimut permet de déterminer la position an-gulaire de la cible. La distance de la cible au Radar estdéterminée grâce à la mesure du temps de propagationdes signaux. La Figure.4 présente les cartographies et lesplans de coupe au temps de focalisation (où toutes les fré-quences sont en phase du fait de la compensation), dans lecas où le même réseau d’antennes est utilisé en configura-tion SAR, SIMO et MIMO.Le SAR présente une faible ouverture angulaire ce-pendant il présente de forts niveaux de lobes secondaires.−80 −60 −40 −20 0 20 40 60 80−30−25−20−15−10−50Angle (Degré)Amplitude (dB)  SARSIMOMIMO(a) (b)(c) (c)Figure 4. Cartographie de la scène radar. (a) réseauSAR, (b) réseau SIMO, et (c) réseau MIMO . (d) plansde coupe au temps de focalisation pour la cible placé àr = 3m.Le SIMO quant à lui présente une plus large ouvertureangulaire, mais contrairement au SAR, le niveau deslobes secondaires est faible. Enfin, le MIMO présentele meilleur compromis ouverture angulaire/niveau delobes secondaires. Cela s’explique par l’échantillonnagespatiale plus fin que celui du SIMO et du SAR grâce auréseau virtuel créé, en exploitant toute la matrice du canalpour la réalisation du balayage de faisceau numérique.Dans le cas du MIMO, la résolution peut être améliorée enmodifiant les distances entres antennes. En effet, pour unpas de réseau judicieusement choisi, les antennes peuventêtre largement espacées sans créer de lobe de réseau touten maintenant le niveau des lobes secondaires assez bas.−80 −60 −40 −20 0 20 40 60 80−30−25−20−15−10−50Angle (Degree)Amplitude (dB)  dT=dRdT=1.5xdRdT=4xdR−10 −5 0 5 10−5−4.5−4−3.5−3−2.5−2−1.5−1−0.50Angle (Degree)Amplitude (dB)  dT=dRdT=1.5xdRdT=4xdR(a) (b)Figure 5. Comparaison des résolutions angulaires etniveaux de lobes secondaires. (a) plan de coupe autemps de focalisation pour dT = dR, dT = 2 × dRet dT = 4 × dR. (b) zoom sur les maximums des fais-ceaux.La Figure.5 présente une comparaison de résolutionavec un même nombre d’antennes. Les antennes sont es-pacées de dR = 0.7 × λc en réception et dT en émis-sion. dT prend respectivement les valeurs dT = dR,dT = 2 × dR et dT = 4 × dR. Les résultats montrentXIXèmes Journées Nationales Microondes, 3-4-5 Juin 2015 - Bordeauxbien que le MIMO offre bien cette liberté supplémentaired’écarter au mieux les antennes pour gagner en résolutionangulaire sans avoir d’importantes remontés de lobes se-condaires.2.b. Résultats de mesureLe banc de mesure fréquentielle est présenté par laFigure.6. Il est constitué d’une matrice de commutation4 vers 16 permettant de relier un ARV (ZVL Rohde andSchwarz) au réseau de 4 × 4 (Emetteurs/Récepteurs) an-tennes Vivaldi. L’ensemble des équipements est piloté parun ordinateur via Matlab. La bande de fréquence utilisées’étend de 3 à 6 Ghz avec 801 points de mesure. Pour unevalidation de la comparaison entre le MIMO, le SIMOet le SAR, les antennes ont été espacées d’une distancedT = dR = d = 0.7× λc en émission et en réception.ZVLPc+MatlabSwitchEthernetMatrice decommutationRéseau deréceptionRéseaud’émissioncible 2cible 1(0.58m, 3.3m)(−1.22m, 2.4m)Figure 6. Synoptique de la scène à imager. Deux cy-lindres métalliques à SER isotrope placés en face duréseau d’antennes Vivaldi.Deux cylindres métalliques à SER isotrope dans leplan azimutal ont été placés en face du réseau comme lemontre la Figure.7. Les signaux sont émis et reçus séquen-tiellement afin d’obtenir tous les éléments de la matricedu canal, les mesures étant effectuées en chambre ané-choïque. L’image de la scène a été reconstituée (Figure.8)en appliquant une formation de faisceau numérique.Le cas MIMO corrobore la théorie développée. Il pré-sente le meilleur compromis résolution/lobes secondaires.La résolution angulaire est très proche de celle du SAR del’ordre de 13◦ avec un rapport lobe principal à lobe secon-daire de 15dB tandis que le SAR présente un rapport de6dB. Le SIMO présente une résolution angulaire de 24◦avec un rapport lobe principal à lobe secondaire de 15dB.Comme démontré dans la partie précédente, la résolu-tion du MIMO peut être améliorée en utilisant le mêmenombre d’antenne et ceux, grâce à l’optimisation du pas(a) (b)Figure 7. Photographie du réseau d’antennes et scène àimager. (a) réseau d’antennes 4 émetteurs 4 récepteursespacés de dT = dR = d = 0.7×λc. (b) deux cylindresmétalliques à SER isotrope dans l’azimut−50 0 50−30−25−20−15−10−50Angle(Degree)Amplitude(dB)  SARSIMOMIMO(a) (b)(c) (c)Figure 8. Image reconstituée des deux cylindres mé-talliques avec un réseau d’antennes 4 × 4 dans le casSAR(a), SIMO(b), et MIMO(c). (d) plan de coupe autemps de focalisation pour la cible placé à R = 2.4m.d du réseau d’antennes pour éviter la redondance des in-formations spatiales. Afin de valider cette affirmation, unréseau d’antennes avec le même nombre d’éléments lar-gement espacés a été mis en place. Dans ce cas le réseaud’émission est constitué de deux sous-réseaux espacés de4 × λc avec un pas de sous-réseau de dT = 0.7 × λc.La Figure.9 montre les photographies de la scène pour lesdeux réseaux avec une bille placée en face et les imagesreconstituées. Pour le même nombre d’antennes, la réso-lution a été améliorée d’un facteur 2 passant 13◦ (pourle premier réseau) à 6◦ (pour le second). De plus pourune même dynamique de 10dB sur l’image aucun lobe se-condaire n’est apparent malgré l’écartement des antennes.Il en résulte que pour une même résolution d’image, leMIMO permet de réduire considérablement le nombred’antennes nécessaires dans le cas des radars classiques.XIXèmes Journées Nationales Microondes, 3-4-5 Juin 2015 - Bordeaux(a) (b)(c) (d)Figure 9. Photographies de la scène et images recons-tituées. (a) Photo du réseau avec un pas régulier. (b)Photo du réseau avec un pas irrégulier. (c) Image re-constituée avec le premier réseau. (d) image reconsti-tuée avec le second réseau.3. ConclusionLe concept du radar MIMO est assez récent, il existedans la littérature de nombreuses publications sur cettethématique, cependant très peu de résultats expérimentauxsont présentés. Ce document présente l’apport du radarMIMO par rapport aux radar classiques avec des résultatsexpérimentaux. Il permet grâce au réseau virtuel d’amé-liorer la résolution de l’image sans avoir à augmenter lenombre d’antennes. Les systèmes radar MIMO présententbien d’autres avantages qui n’ont pas été exploités dans cedocument cependant, ils nécessitent autant de filtres adap-tés que de voie d’émission pour chaque récepteur. Ainsipour N voies d’émission et M voies de réception, il fautN × M filtres adaptés, ce qui engendre une complexitéet un coût élevé du système. Les premières perspectivesde ces travaux seront de simplifier l’architecture du réseauMIMO en utilisant des composants compressifs basés surle principe du retournement temporel qui joueront le rôlede multiplexeurs en émission et de démultiplexeurs à laréception. La faisabilité de ces multiplexeurs a été déjàmontrée dans [4], il sera question de les adapter au cas duradar MIMO.Références[1] P. P. Vaidyanathan and P. Pal, "MIMO radar, SIMOradar, and IFIR radar : a comparison", in Signals,Systems and Computers, 2009 Conference Record ofthe Forty-Third Asilomar Conference on, 2009, pp.160–167.[2] D. W. Bliss and K. W. Forsythe, "Multiple-inputmultiple-output (MIMO) radar and imaging : degreesof freedom and resolution", in Signals, Systems andComputers, 2004. Conference Record of the Thirty-Seventh Asilomar Conference on, 2003, vol. 1, pp.54–59.[3] Li Jian and Stoica Petre, "MIMO radar signal proces-sing". J. Wiley & Sons 2009.[4] T. Fromenteze, C. Decroze, and D. Carsenat, “PassiveUWBmultiplexing device for a single-port MIMO RA-DAR,” in Microwave Symposium (IMS), 2014 IEEEMTT-S International, 2014, pp. 1–4.XIXèmes Journées Nationales Microondes, 3-4-5 Juin 2015 - Bordeaux

Mise en oeuvre expérimentale d’un Radar MIMO Ultra-Large Bande

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