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Novel MIMO OFDM Waveform Designs and High-Performance Signal Processing Methods for Digital Radars
Recent advances in digital hardware and processing power have enabled the realization of novel digital radars that are superior to radars commercially available today in flexibility and performance. This opens up new opportunities in radar waveform design, modulation, and high-performance signal processing that were previously unfeasible. Probably the most known digital radar modulation concept is OFDM, which has attracted much interest in radar research in the last two decades. The goal of this thesis is to explore new possibilities for OFDM radar waveform design and high-performance digital processing to make future digital radars even more powerful and robust. To this end, the developed novel waveform and signal processing concepts take advantage of the high degree of flexibility and diversity provided by OFDM to overcome previous limitations in radar performance, to enable new MIMO concepts, to enhance radar imaging performance, and to enable robust radar sensing in coexistence with other radars.
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Hochauflösende Radarsensorik für die Anwendung an zivilen Drohnen
Zivile Drohnen finden privat wie auch kommerziell zunehmend Verwendung und werden beispielsweise von Sicherheitsbehörden, als Lieferdrohne oder zur Inspektionen von schwer zugänglichen Objekten genutzt. Für einen benutzerfreundlichen und sicheren Betrieb greifen moderne Drohnen auf eine Vielzahl von Sensoren zurück. Aktuelle Systeme nutzen satellitengestützte Positionsbestimmung, barometrische Höhenmessung und zur Detektion der Umgebung Infrarot-, Ultraschall- und Kamerasensoren. Diese Arbeit stellt Untersuchungen zur Anwendung von hochauflösenden Radarsensoren an Drohnen als Altimeter, für die Kollisionsvermeidung und für die Kartierung der Umgebung vor. Radar-Altimeter können gegenüber der barometrischen Höhenmessung die Flughöhe über Grund messen und weitere nützliche Informationen, wie etwa das Vorhandensein von Vegetation, bereitstellen. Basierend auf durchgeführte Untersuchungen zur Detektion von Vegetation, zur Notwendigkeit eines Gimbals, zur Nutzung als Landeradar sowie Frequenz- und Bandbreitenbetrachtungen werden mehrere Konzepte und Umsetzung vorgestellt und die Vorteile gegenüber den aktuellen Sensoren gezeigt. Bei der zwei- und dreidimensionalen Umfelderkennung werden neben der Entfernung und der Geschwindigkeit zusätzlich die Raumwinkel Azimut und Elevation gemessen. Hierfür wurde ein mehrkanaliger Radarsensor mit austauschbarem Antennen-Front-End entwickelt, an dem je nach Anforderung unterschiedliche Antennensysteme montiert werden können. Mit hoher Entfernungs- und Geschwindigkeitsauflösung sowie einem großen Sichtbereich konnte bei der zweidimensionalen Umfelderkennung gezeigt werden, dass die Detektion von stationären, bewegten und schwachen Zielen, z.B. kleine Drohnen oder feine Teile der Vegetation möglich ist. Die direkte Geschwindigkeitsmessung als Alleinstellungsmerkmal der Radarsensorik konnte zudem genutzt werden, um aus der Zielantwort die Eigenbewegung der Drohne zu bestimmen. Um unter Berücksichtigung der limitierten Nutzlast von Drohnen bei der dreidimensionalen Umfelderkennung beide Raumwinkel mit hoher Trennfähigkeit und großem Sichtbereich abzudecken, wurde ein ausgedünntes Antennensystem mit niedriger Kanalanzahl entworfen. Das für die einzelnen Kanäle verwendete Antennenelement sowie die Optimierung des Antennensystems werden detailliert beschrieben und messtechnisch validiert. Für die Erstellung von Karten der Umgebung zur Selbstlokalisierung oder Wegplanung werden an Drohnen häufig zusätzlich Lidarsensoren montiert. Es konnte gezeigt werden, dass mit den Daten des bildgebenden Radarsensors für die Umfelderkennung hochauflösende zwei- und dreidimensionale Radarkarten erstellt werden können. Untersuchungen zur Genauigkeit der Radarkarten zeigen, dass die Kenntnis der Position der Drohne und nicht der Radarsensor ausschlaggebend ist. In Hinblick auf die limitierte Nutzlast von Drohnen konnte selbst mit den satellitengestützten Positionsdaten der genutzten Drohne ohne zusätzlichen Lidarsensor Karten der Umgebung mit einer Genauigkeit von 0,5m erstellt werden. Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse zeigen, dass Radarsensoren einen großen Beitrag für den sicheren Betrieb von Drohnen leisten und neue Anwendungsmöglichkeiten für Drohnen bieten können.
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Flexible Wellenleitermesssonde für MMIC-basierte Radarsysteme bis 300 GHz
Die hohe Auflösung, der sehr kompakte Aufbau und die kostengünstige Herstellung von Radarsystemen im oberen Millimeterwellenbereich zwischen 150 GHz und 300 GHz erweiteren das bekannte Anwendungsspektrum von Radarsensoren enorm. Zusätzliche Komponenten wie sperrige Linsen und Gehäuse zum Schutz bei rauen Umgebungsbedingungen beschränken allerdings die Einsatzmöglichkeiten. In dieser Arbeit wird daher ein Radarsystem mit Messsonde basierend auf einem flexiblen dielektrischen Wellenleiter vorgestellt, das beinahe unabhängig von räumlichen Anforderungen und ohne aufwendiges Gehäuse eingesetzt werden kann. Hierbei werden die einzelnen passiven Komponenten ausführlich betrachtet und ihre Auswirkungen auf die gewonnen Radarinformationen analysiert sowie Kompensationsmöglichkeiten für Nichtidealitäten präsentiert. Im Nahbereich unter 50 cm ergibt sich für die Messsonde selbst bei Wellenleitern von bis zu 4 m Länge eine höhere Empfangsleistung als für ein herkömmliches Radar. Durch die geringen Verluste und die hohe mechanische Flexibilität ergeben sich somit völlig neue Anwendungsgebiete für Radarsysteme, wie anhand von Beispielen verdeutlicht wird.
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Signalverarbeitungskonzepte zur Minendetektion mittels drohnengestütztem Ground Penetrating Synthetic Aperture Radar
Die humanitäre Minenräumung ist langsam, teuer und gefährlich. Das am häufigsten eingesetzte technische Hilfsmittel ist ein Metalldetektor, der in unmittelbarer Nähe der Mine eingesetzt werden muss. Ziel dieser Arbeit war die Erforschung und Entwicklung der Signalverarbeitungskette für ein Ground Penetrating Synthetic Aperture Radar, das an einer autonom fliegenden Plattform befestigt und zur gefahrlosen Detektion von Stolperdrähten, vergrabenen Antipersonenminen und anderer Sprengkörper eingesetzt werden kann. Das entwickelte Messsystem besteht aus einem Hexacopter, einem 2x2-Radar, das im Frequenzbereich 1GHz–4GHz arbeitet, und einer hochgenauen Lokalisierungseinheit. Für die Detektion von Stolperdrähten wird in dieser Arbeit eine lineare Bewegung mit dem seitlich zur Flugrichtung ausgerichteten Radar genutzt, um einen hohen Flächendurchsatz zu erzielen. Neben dem Einfluss des Einfallswinkels der elektromagnetischen Welle wurde auch der Einfluss der Drahtlänge und Vegetation messtechnisch untersucht. Diese Ergebnisse bildeten den Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Algorithmus auf Basis einer modifizierter Radon-Transformation, der zur automatischen Detektion von Stolperdrähten angewandt werden kann. Zur Erhöhung der Detektionswahrscheinlichkeit vergrabener Objekte wird die Flexibilität der Drohne ausgenutzt, beliebige Trajektorien abfliegen zu können. Durch kreisförmige Überflüge in unterschiedlichen Höhen wird die Winkeldiversität und anschließend durch die kohärente Überlagerung der Daten das Signal-zu-Clutter-Verhältnis erhöht, sodass vergrabene Landminen als auch Bestandteile von improvisierten Sprengkörpern detektiert werden können. Die ersten Messergebnisse verifizieren den Systemansatz und demonstrieren, dass Sprengkörper und deren Bestandteile auf und unter der Erdoberfläche detektiert und zentimetergenau lokalisiert werden können.
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Optimierte Signalverarbeitung für Chirp-Sequence-modulierte Kfz-Radarsensoren
Immer komplexere und leistungsfähigere Fahrerassistenzsysteme in Fahrzeugen sind auf eine möglichst genaue Erfassung der Umgebung angewiesen. Eine wichtige Sensorklasse stellen dabei die Radarsensoren dar, da diese durch den Dopplereffekt direkt die radiale Geschwindigkeit von Zielobjekten erfassen können. Zukünftige Radare müssen über eine immer bessere Auflösung für die Bestimmung der Entfernungen, der Geschwindigkeiten und der Winkel, unter der Ziele erfasst werden, verfügen. Dies ermöglicht eine Klassifikation von Zielobjekten, beispielsweise die Unterscheidung zwischen Fußgängern und Fahrzeugen. Diese Arbeit stellt optimierte Ansätze der Signalverarbeitung vor, um unter anderem die Geschwindigkeitsauflösung durch eine geschickte Messauswertung zu verbessern, ohne die Messdauer zu verlängern. Weiterhin werden zwei Verfahren betrachtet und verglichen, die den Eindeutigkeitsbereich der Geschwindigkeit bei der Verwendung mehrerer Sendeantennen vergrößern. Eine verbesserte Winkelauflösung wird durch eine gezielte Unterabtastung und anschließende Rekonstruktion erreicht, sodass in der gleichen Entfernung und Geschwindigkeit unterschiedlich starke Ziele getrennt werden können. Zum Schluss werden zwei verschiedene Ansätze zur Unterabtastung in allen Messdimensionen und der anschließenden Rekonstruktion verglichen.
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Antenna Array Design Solutions for Millimeter-Wave Vehicle-Integrated Automotive Radars
Radar sensors are crucial components of advanced driver assistance systems. In order to cope with the future requirements of highly automated and autonomous driving, today’s automotive radar sensors performance needs to be improved. This dissertation addresses the design and development of robust mm-wave antenna systems suitable for automotive radar applications. This study presents a microstrip antenna array with wideband and stable radiation performance. It proposes also an optimization strategy for finding the position of transmitting and receiving antennas in a MIMO radar while taking the angular resolution requirements into consideration. Finally, it analyzes the problem of the integration of the radar sensor in the vehicle and introduces the use of low-RCS antenna arrays to mitigate the multiple reflections between the bumper of the car and the radar sensor, when the latter is hidden integrated in the vehicle. Some low-RCS antenna designs are proposed and discussed.
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Koppelmatrixbasierte Verfahren für Entwurf und Abstimmung verlustbehafteter Filter
Das Koppelmatrix-Modell ist ein häufig verwendetes Werkzeug zur Optimierung und Analyse von Filterstrukturen. Diese Dissertation zeigt einen neuen Weg für eine häufig auftretende Aufgabe bei der Verwendung dieses Modells auf: Der Umformung der Koppelmatrix von einer gegebenen Starttopologie in eine frei wählbare Zieltopologie. Die Eigenschaften des zugrunde liegenden inversen Eigenwertproblems werden dabei ausgenutzt um mit geringem durchschnittlichem Zeitaufwand eine Lösung zu finden. Basierend auf diesem Algorithmus wird ein Verfahren vorgestellt, mit dessen Hilfe aus gemessenen Streuparametern eines Filters Rückschlüsse auf dessen Koppelstruktur möglich sind. Die Anwendung dieses Verfahrens wird im Kontext verschiedener praktischer Aufgabenstellungen des Entwurfs und der Analyse von Filtern demonstriert.
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Measurement Techniques for Highly Integrated mm-Wave Antennas
Integrated antennas are a crucial component in the development of high-performance, fully-integrated transceiver chips. However, due to the small size of integrated antennas and their complicated contacting fixtures, existing measurement setups cannot be used for their characterization. Therefore, new approaches must be investigated to obtain reliable and accurate measurement results and thus to make optimized on-chip antenna designs possible. This work addresses the challenges of measuring integrated antennas at mm-wave frequencies. It introduces a robotic measurement setup to accurately determine the radiation properties of on-chip antennas and quantifies the achievable measurement accuracy through an in-depth uncertainty analysis. The study also analyzes post-processing techniques to mitigate severe distortions that occur in the measurement environment.
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Breitbandige hochintegrierte FMCW-Radare bei 160 GHz für industrielle Anwendungen
Viele Anwendungen im industriellen Umfeld können durch kostengünstige Radarsensoren, die in Silizium-Germanium hochintegriert sind, erschlossen werden. Ausgehend von den typischen Anforderungen und Randbedingungen wird ein Systemdesign vorgestellt, mit dem ein möglichst leistungsstarker Radarsensor erreicht werden kann. Dabei werden die Erzeugung eines geringen Phasenrauschens bei der Betriebsfrequenz und der systematische Vergleich eines monostatischen und eines bistatischen Radarchips diskutiert. Durch die Integration der Antennen auf den Radarchip ist das gesamte Millimeterwellen-Frontend auf einem MMIC realisiert. Die Chip-integrierten Antennen werden innerhalb der Aufbau- und Verbindungstechnik umfassend erläutert. Als kostengünstige Häusungstechnologie werden QFN-Gehäuse betrachtet. Sowohl für offene als auch teilvergossene QFN-Gehäuse werden einfach umsetzbare Gehäuseanpassungen vorgestellt, die eine sinnvolle Verwendung über 100 GHz ermöglichen. Abschließend wird der modulare Radardemonstrator vorgestellt und u. a. in Feldtests in einer industriellen Tankanlage charakterisiert.
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Eigenschaften und Unterdrückung von Interferenzen zwischen Kfz-Radarsensoren
Zur Erfassung von Personen und Objekten im Umfeld von Kraftfahrzeugen werden unter anderem Radarsensoren eingesetzt. Um die Sensoranforderungen für automatisierte und autonome Fahraufgaben zu erfüllen, werden an einzelnen Fahrzeugen mehrere Radare benötigt. Eine starke Verbreitung der Radare führt zur Entstehung von Interferenzen, die die Sensorleistung einschränken. In dieser Arbeit werden Gegenmaßnahmen beim Auftreten von Interferenzen beschrieben und bewertet, um eine Funktionalität der Sensoren zu gewährleisten.