mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2024-12-3-65-77TUXBXLmireabulletin-921Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMATHEMATICAL MODELINGДвумерный алгоритм с последовательной оценкой углов прихода сигналов в системе когерентных распределенных автомобильных радаров с несколькими приемными и передающими антеннамиHigh-resolution 2D-DoA sequential algorithm of azimuth and elevation estimation in automotive distributed system of coherent MIMO radarshttps://orcid.org/0009-0008-5139-6443АртюхинИ. В.ArtyukhinI. V.

Артюхин Игорь Владимирович, электроник 1 категории, кафедра статистической радиофизики и мобильных систем связи, Радиофизический факультет

603022, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, д. 23

Scopus Author ID 57216223873

Igor V. Artyukhin, Engineer, Department of Statistical Radiophysics and Mobile Communication Systems, Faculty of Radiophysics

23, Gagarina pr., Nizhny Novgorod, 603022 

Scopus Author ID 57216223873

artjukhin@rf.unn.ruНижегородский государственный университет им. Н.И. ЛобачевскогоРоссияLobachevsky State University of Nizhny NovgorodRussian Federation2024310520241236577Copyright © Артюхин И.В., 20242024Артюхин И.В.Artyukhin I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/921Цели

Цели. Одной из актуальных задач в радиолокации является проблема повышения пространственного разрешения целей при ограниченной апертуре антенной решетки радара и короткой выборке входных отсчетов. Разрабатываемые алгоритмы должны обеспечивать высокое угловое разрешение и иметь малую вычислительную сложность. В настоящее время автомобили для выполнения требований систем безопасности и помощи водителю оснащаются не одним, а несколькими радарами с общей схемой обработки сигналов для улучшения характеристик при обнаружении, позиционировании и распознавании целей по сравнению с одиночным радаром. Цель работы – разработка двумерного алгоритма оценки угловых координат с низкой вычислительной сложностью в системе распределенных когерентных автомобильных радаров для случая короткой выборки входных отсчетов.

Методы

Методы. Использованы алгоритм формирования виртуальной антенной решетки, двумерный метод Кейпона. Предложена модификация метода Кейпона на основе последовательной оценки углов прихода сигналов применительно к системе распределенных радаров. Для сравнения эффективности рассматриваемых алгоритмов используется метод Монте-Карло.

Результаты

Результаты. Представлен алгоритм с последовательной оценкой азимута и угла места для системы распределенных когерентных автомобильных радаров. Приведены результаты сравнительного анализа предложенного алгоритма и классического двумерного метода Кейпона на основе численного моделирования при помощи метода Монте-Карло. Показано, что предложенная схема приводит к улучшению целевых метрик (вероятности правильного определения числа целей, среднеквадратической и систематической ошибок измерения азимута и угла места) по сравнению с одиночным радаром. Последовательный алгоритм обеспечивает выигрыш в использовании вычислительных ресурсов по сравнению с полным двумерным методом Кейпона.

Выводы

Выводы. Предложенный двумерный метод оценки углов прихода сигналов в азимутальной и угломестной плоскостях может быть применен для распределенной системы бистатических когерентных радаров с несколькими приемными и передающими антеннами (MIMO-радаров). Метод основан на последовательной оценке углов прихода (на первом шаге – в азимутальной плоскости, на втором – в вертикальной). Характеристики системы когерентных радаров с ограниченной конфигурацией антенной решетки, сравнимы с характеристиками высокопроизводительного 4D-радара со значительно большим числом элементов антенной решетки.

Objectives

Objectives. One of the main tasks of radiolocation involves the problem of increasing spatial resolution of the targets in the case of limited aperture of the radar antenna array and short length of time samples (snapshots). Algorithms must be developed to provide high angular resolution and low computational complexity. In order to conform with the existing Advanced Driver Assistance Systems requirements, modern cars are equipped with more than one radar having a common signal processing scheme to improve performance during target detection, positioning, and recognition as compared to a single radar. The present study aims to develop a two-dimensional Direction-of-Arrival algorithm with low computation complexity as part of distributed coherent automotive radar system for cases involving short time samples (snapshots).

Methods

Methods. A virtual antenna array formation algorithm is formulated according to the two-dimensional Capon method. A proposed modification of two-dimensional Capon algorithm is based on sequentially estimating the directions of arrival for the distributed radar system. The Monte Carlo method is used to compare the effectiveness of the considered algorithms.

Results

Results. The 2D-DoA sequential algorithm of azimuth and elevation estimation is proposed. The comparative analysis results for the developed algorithm and classical 2D Capon method based on numerical simulation using Monte Carlo method are presented. The proposed scheme of DoA estimation for coherent signal processing of distributed radars is shown to lead to an improvement of the main considered metrics representing the probability of correctly estimating the number of targets, mean square error, and square error compared to a single radar system. The proposed low-computational algorithm shows the gain in complexity compared to full 2D Capon algorithm.

Conclusions

Conclusions. The proposed two-stage algorithm for estimating the directions of arrival of signals in azimuth and elevation planes can be applied to the distributed system of coherent radars with several receiving and transmitting antennas representing multiple input multiple output (MIMO) radars. The algorithm is based on sequentially estimating the directions of arrival, implying estimation in the azimuthal plane at the first stage and estimation in the vertical plane at the second stage. The performance of a coherent radar system with limited antenna array configuration of separate radar is close in characteristics to a high-performance 4D-radar with a large antenna array system.

распределенные автомобильные радарыкогерентная обработкаалгоритмы сверхразрешениядвумерный алгоритм Кейпонаautomotive distributed radarscoherent signal processinghigh-resolution algorithms2D CaponReferencesGiannini V., Goldenberg M., Eshrahi A., et al. 9.2 A 192-Virtual-Receiver 77/79GHz GMSK Code-Domain MIMO Radar System-on-Chip. In: 2019 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), San Francisco, CA, USA. 2019. P. 164–166. https://doi.org/10.1109/ISSCC.2019.8662386Giannini V., Goldenberg M., Eshrahi A., et al. 9.2 A 192-Virtual-Receiver 77/79GHz GMSK Code-Domain MIMO Radar System-on-Chip. In: 2019 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), San Francisco, CA, USA. 2019. P. 164–166. https://doi.org/10.1109/ISSCC.2019.8662386Godara L.C. Smart Antennas. CRC Press; 2004. 472 p.Godara L.C. Smart Antennas. CRC Press; 2004. 472 p.Tuncer T.E., Friedlander B. (Eds.). Classical and Modern Direction-of-Arrival Estimation. Academic Press, Inc.; 2009. 456 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-19135-3Tuncer T.E., Friedlander B. (Eds.). Classical and Modern Direction-of-Arrival Estimation. Academic Press, Inc.; 2009. 456 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-19135-3Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г., Елохин А.В., Купцов В.В. Метод минимального многочлена для оценки параметров сигналов, принимаемых антенной решеткой. Акустический журнал. 2018;64(1):78–85. https://doi.org/10.7868/S0320791918010057Ermolaev V.T., Flaksman A.G., Elokhin A.V., et al. Minimal Polynomial Method for Estimating Parameters of Signals Received by an Antenna Array. Acoust. Phys. 2018;64(1):83–90. https://doi.org/10.1134/S1063771018010050 [Original Russian Text: Ermolaev V.T., Flaksman A.G., Elokhin A.V., Kuptsov V.V. Minimal Polynomial Method for Estimating Parameters of Signals Received by an Antenna Array. Akusticheskii Zhurnal. 2018;64(1):78–85 (in Russ.). https://doi.org/10.7868/S0320791918010057 ]Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г., Елохин А.В., Шмонин О.А. Угловое сверхразрешение сигналов в антенной решетке с помощью корневого метода минимального многочлена корреляционной матрицы. Известия вузов. Радиофизика. 2018;61(3):261–272.Ermolaev V.T., Flaksman A.G., Elokhin A.V., et al. Angular Superresolution of the Antenna-Array Signals Using the Root Method of Minimum Polynomial of the Correlation Matrix. Radiophys. Quantum Electron. 2018;61(3):232–241. https://doi.org/10.1007/s11141-018-9884-5 [Original Russian Text: Ermolaev V.T., Flaksman A.G., Elokhin A.V., Shmonin O.A. Angular Superresolution of the Antenna-Array Signals Using the Root Method of Minimum Polynomial of the Correlation Matrix. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Radiofizika. 2018;61(3):261–272 (in Russ.).]Родионов А.А., Турчин В.И. Обработка сигналов в антенных решётках на основе модели помехи, включающей корреляционную матрицу неполного ранга. Известия вузов. Радиофизика. 2017;60(1):60–71.Rodionov A.A., Turchin V.I. Processing of Antenna-Array Signals on the Basis of the Interference Model Including a Rank-Deficient Correlation Matrix. Radiophys. Quantum Electron. 2017;60(1):54–64. https://doi.org/10.1007/s11141-0179776-0 [Original Russian Text: Rodionov A.A., Turchin V.I. Processing of Antenna-Array Signals on the Basis of the Interference Model Including a Rank-Deficient Correlation Matrix. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Radiofizika. 2017;60(1):60–71 (in Russ.).]Patole S.M., Torlak M., Wang D., Ali M. Automotive radars: A review of signal processing techniques. IEEE Signal Processing Magazine. 2017;34(2):22–35. https://doi.org/10.1109/MSP.2016.2628914Patole S.M., Torlak M., Wang D., Ali M. Automotive radars: A review of signal processing techniques. IEEE Signal Processing Magazine. 2017;34(2):22–35. https://doi.org/10.1109/MSP.2016.2628914Ермолаев В.Т., Семенов В.Ю., Флаксман А.Г., Артюхин И.В., Шмонин О.А. Метод формирования виртуальных приемных каналов в автомобильном MIMO-радаре. Радиотехника. 2021;85(7):115–126.Ermolaev V.T., Semenov V.Yu., Flaksman A.G., Artyukhin I.V., Shmonin O.A. The method of forming virtual receiving channels in the automobile MIMO-radar. Radiotekhnika = J. Radioengineering. 2021;85(7):115–126 (in Russ.).Li J., Stoica P. MIMO Radar Signal Processing. Wiley-IEEE Press; 2009. 448 p. ISBN 978-0-4701-7898-0Li J., Stoica P. MIMO Radar Signal Processing. Wiley-IEEE Press; 2009. 448 p. ISBN 978-0-4701-7898-0Folster F., Rohling H., Lubbert U. An automotive radar network based on 77 GHz FMCW sensors. In: IEEE International Radar Conference. 2005. P. 871–876. https://doi.org/10.1109/RADAR.2005.1435950Folster F., Rohling H., Lubbert U. An automotive radar network based on 77 GHz FMCW sensors. In: IEEE International Radar Conference. 2005. P. 871–876. https://doi.org/10.1109/RADAR.2005.1435950Артюхин И.В., Аверин И.М., Флаксман А.Г., Рубцов А.Е. Алгоритм оценки углов прихода сигналов в системе распределенных некогерентных автомобильных радаров. Журнал радиоэлектроники. 2023;4:1–20. http://jre.cplire.ru/jre/apr23/2/text.pdfArtyukhin I.V., Averin I.M., Flaksman A.G., Rubtsov A.E. Direction-of-Arrival Estimation Algorithm in Automotive Distributed Non-Coherent Multi-Radar Systems. Zhurnal radioelektroniki = J. Radio Electronics. 2023;4:1–20 (in Russ.). https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.4.2Gottinger M., Hoffmann M., Christmann M., Schutz M., Kirsch F., Gulden P., Vossiek M. Coherent Automotive Radar Networks: The Next Generation of Radar-Based Imaging and Mapping. IEEE Journal of Microwaves. 2021;1(1):149–163. https://doi.org/10.1109/JMW.2020.3034475Gottinger M., Hoffmann M., Christmann M., Schutz M., Kirsch F., Gulden P., Vossiek M. Coherent Automotive Radar Networks: The Next Generation of Radar-Based Imaging and Mapping. IEEE Journal of Microwaves. 2021;1(1):149–163. https://doi.org/10.1109/JMW.2020.3034475Richards M.A. Fundamentals of Radar Signal Processing. 2nd edition. New York: McGraw-Hill; 2014. 656 p.Richards M.A. Fundamentals of Radar Signal Processing. 2nd edition. New York: McGraw-Hill; 2014. 656 p.Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г., Шмонин О.А. Применение концепции виртуальной антенной решетки в MIMO-радаре при наличии отражений от земной поверхности. Известия вузов. Радиофизика. 2020;63(3):240–249.Ermolaev V.T., Flaksman A.G., Shmonin O.A. Using the Concept of a Virtual Antenna Array in a MIMO Radar in the Presence of Reflections from the Ground Surface. Radiophys. Quantum Electron. 2020;63(3):218–226. https://doi.org/10.1007/s11141-021-10047-1 [Original Russian Text: Ermolaev V.T., Flaksman A.G., Shmonin O.A. Using the Concept of a Virtual Antenna Array in a MIMO Radar in the Presence of Reflections from the Ground Surface. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Radiofizika. 2020;63(3):240–249 (in Russ.).]Björnson E., Hoydis J., Sanguinetti L. Massive MIMO Networks: Spectral, Energy, and Hardware Efficiency. Found. Trends® Sign. Process. 2017;11(3–4):154–655. http://doi.org/10.1561/2000000093Björnson E., Hoydis J., Sanguinetti L. Massive MIMO Networks: Spectral, Energy, and Hardware Efficiency. Foundations and Trends® in Signal Processing. 2017;11(3–4):154–655. http://doi.org/10.1561/2000000093Gentilho E., Scalassara P.R., Abrão T. Direction-of-Arrival Estimation Methods: A Performance-Complexity Tradeoff Perspective. J. Sign. Process. Syst. 2020;92(2):239–256. https://doi.org/10.1007/s11265-019-01467-4Gentilho E., Scalassara P.R., Abrão T. Direction-of-Arrival Estimation Methods: A Performance-Complexity Tradeoff Perspective. J. Sign. Process. Syst. 2020;92(2):239–256. https://doi.org/10.1007/s11265-019-01467-4

The authors declare that there are no conflicts of interest present.