A Study on High-Resolution Radar System: Exploring Array Antenna Configurations and Grating/Side Lobe Suppression

Abstract

본 학위 논문은 드론의 장애물 회피를 위한 주파수 변조 연속 파형 (FMCW) 레이다 시스템에 대한 연구를 다룬다. 드론 탑재용 레이다 시스템은 차량용 레이다 시스템과 상당한 유사성이 있지만, 공중에서 운용되는 특성으로 인해 방위각 방향뿐만 아니라 앙각 방향에 대한 장애물 탐지도 중요하며, 기본적으로 장애물 탐지를 잘 하기 위해서는 고해상도 확보가 필수적으로 요구된다. 게다가 차량에 비해 상대적으로 작은 배터리 용량으로 인해 센서의 무게 및 소모전력이 비행 시간에 미치는 영향이 더 크며, 작은 플랫폼 크기로 인해 센서의 크기 역시 신중하게 고려되어야 한다. 센서의 크기 및 중량 부분의 문제를 해결하기 위해서는 밀리미터파(mmWave) 대역의 레이다 시스템 연구가 필수적이며, 소모 전력을 줄이면서 고해상도 레이다의 성능을 유지하기 위한 적은 채널 수를 활용한 배열 안테나 설계가 필수적이다. 하지만 적은 채널 수를 기반으로 각도 추정을 수행하게 되면 격자 및 부엽 로브에 대한 문제가 발생할 수 있다. 이러한 도전에 대응하기 위해 본 학위논문에서는 격자/부엽 로브 감쇠를 고려한 드론 탑재용 FMCW 레이다 센서의 배열 안테나 설계에 대한 두 가지 방법론을 제안한다. 첫 번째 방법론은 방위각 및 앙각 방향에 대해 각각 고려하여 배열 안테나를 설계하고, 코프라임(Co-prime) 배열 기법을 활용하여 격자/부엽 로브 레벨을 1차적으로 낮추는 배열 구성을 제시한다. 이러한 배열 구성은 평면파 입사 시뮬레이션 및 FMCW 레이다 시뮬레이션을 통해 검증되었다. 하지만 여러 타겟을 맞고 반사되는 신호에 의해서 격자/부엽 로브의 영향이 커지게 되고, 이러한 영향을 2차적으로 낮출 수 있는 Iterative Peak Component Elimination(IPCE) 기법을 소개한다. 기존 알고리즘 들과의 성능 비교를 몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 통해 우수성을 입증하고, 다양한 시나리오상 평면파 입사 시뮬레이션을 통해 검증되었다. 두 번째 방법론은 2D 전체 방향에 대해 격자/부엽 로브 효과를 줄이면서 소모전력을 감소시키는 2차원 저밀도 안테나 배열 (thinned array) 방법론을 제안한다. 최적화 영역을 식별하기 위해 고속 푸리에 변환 특성을 활용하고, 유전 알고리즘을 활용하여 다중 입/출력(MIMO) 시스템 및 부문별 빔(Sectoral beam)을 활용한 아키텍쳐에 대한 최적화를 수행한 결과를 제시한다. 최적화된 배열 구성을 기반으로 각도 추정 시뮬레이션을 통해 1도 미만의 고해상도 레이다 시스템의 배열 안테나를 검증하고, 두 가지 최적화 결과의 비교를 통해 장 단점에 대하여 서술한다. 실제 실험적 검증을 위해 먼저 첫 번째 방법론을 기반으로 한 결과를 사용하여 시스템을 제작하고 측정하였다. 94 GHz 대역에서 구동하는 송/수신 칩셋은 65-nm CMOS 공정을 활용하여 제작되었으며, 코프라임 배열 간격이 넓기 때문에 1:1 개구 결합 방식을 활용하여 급전 네트워크 설계의 복잡성을 줄이고 송신 라인에 대한 신호 손실을 최소화하였다. 이러한 방법론을 기반으로 6개 송신기와 8개 수신기로 구성된 mmWave 레이더 시스템을 개발하고 구축하였다. 구축된 시스템을 사용하여 두 타겟이 있는 경우에 대하여 다양한 시나리오상 측정을 수행한다. 격자/부엽 로브 효과를 감소시키기 위한 신호 처리 기술을 적용하고 검증하였다. 검증 결과에서는 격자/부엽 로브에 의해 성능이 저하된 각도 추정 결과에서 높은 각도 분해능을 유지하며 격자/부엽 로브에 의한 효과를 줄일 수 있음을 확인하였다. 또한 타 알고리즘 대비 해석 시간 측면에서도 경쟁력이 있음을 확인하며, 시스템 관점에서도 다른 드론 탑재 레이다 센서 대비 해상도, 소모전력, 중량 측면에서 경쟁력이 있음을 제시한다. 최종적으로 이 연구는 mmWave 대역에서의 저중량/저전력 고해상도 레이더 시스템을 위한 배열 안테나 구성에 대한 프레임워크를 제공하며, 초소형 드론의 자율 주행 및 다양한 응용 분야에 적용 가능성을 보여주고 있다. 이러한 기술은 mmWave 레이더 시스템과 관련된 도전에 대응하는 데 중요한 역할을 하며, 자율주행을 포함한 고해상도 레이더 기술의 미래 발전을 위한 기초를 마련하고 있다.

This dissertation explores the Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radar system for obstacle avoidance in drones. While the radar system for drones shares significant similarities with those used in vehicles, the nature of drone operations in the airspace makes obstacle detection in both azimuth and elevation directions crucial. Additionally, to ensure effective obstacle detection, high resolution is essential. Furthermore, due to the relatively small battery capacity in drones compared to vehicles, the impact of sensor weight and power consumption on flight time is more pronounced. The compact platform size of drones also necessitates careful consideration of sensor size. To address challenges in sensor size and weight, research on millimeter-wave (mmWave) radar systems becomes essential. Designing antenna arrays with fewer channels to reduce power consumption while maintaining the performance of high-resolution radar is crucial. However, employing a reduced number of channels for angle estimation may lead to issues related to grating/side lobes effects. To tackle these challenges, this thesis proposes two methodologies for the antenna array design of drone-mounted FMCW radar sensors, taking into account grating/side lobe attenuation. The first methodology involves designing antenna arrays separately for azimuth and elevation directions, utilizing co- prime array techniques to initially reduce grating/side lobe effects. This array configuration is validated through plane wave incidence simulations and FMCW radar simulations. However, given the influence of grating/side lobe effects from multiple targets, a secondary approach is introduced, employing the Iterative Peak Component Elimination (IPCE) technique to further mitigate these effects. The superiority of this algorithm over existing ones is demonstrated through Monte Carlo simulations and verified through plane wave incidence simulations in various scenarios. The second methodology proposes a thinned array technique for reducing grating/side lobe effects in the 2-dimensions overall direction while reducing the number of channels. Utilizing the characteristics of fast Fourier transform, the methodology identifies the optimization area and performs optimization using a genetic algorithm for various system architectures, including Multiple Input/Multiple Output (MIMO) systems and sectoral beam utilization. The validated array configuration is then used for angle estimation simulations to verify the array configuration of the high-resolution radar system with less than 1° resolution. The strengths and weaknesses of the two optimization results are compared. For practical experimental verification, the system is first developed and measured based on the results of the first methodology. The transmitting/receiving chipsets operating in the 94 GHz band are fabricated using the 65-nm CMOS process. The utilization of one-to-one aperture coupling technique minimizes signal loss on transmission lines, addressing the complexity of rapid excitation network design. The radar system consisting of 6 transmitters (Tx) and 8 receivers (Rx) is developed and constructed based on this methodology. The constructed system is then utilized to perform measurements in various scenarios with two targets. In addition, the proposed signal processing techniques for reducing grating/sidelobe effects are applied and verified. The results confirm that high angular resolution is maintained in angle estimation despite the performance degradation caused by grating/side lobe effects. Additionally, competitive interpretation times compared to other algorithms are observed, and from a system perspective, the proposed system exhibits competitiveness in resolution, power consumption, and weight compared to other drone-mounted radar sensors. In conclusion, this research provides a framework for antenna array configurations for low-weight, low-power, high-resolution radar systems in the mmWave band, demonstrating its applicability in the autonomous navigation of small drones and various other fields. This technology plays a crucial role in addressing challenges associated with mmWave radar systems and lays the foundation for the future development of high-resolution radar technology, including autonomous driving.