Architectures and Algorithms for the Signal Processing of Advanced MIMO Radar Systems

Questa tesi si concentra sulla ricerca, lo sviluppo e l’implementazione di nuovi concetti, architetture, sistemi dimostrativi e algoritmi per l’elaborazione dei segnali in sistemi radar avanzati, basati su tecnologia Multiple Input Multiple Output (MIMO). Il con- cetto chiave `e quello di ottenere sistemi compatti, dalle elevate risoluzioni e in grado di eseguire un’elaborazione del segnale radar veloce, un beam-forming tri-dimensionale (3D) e quadri-dimensionale (4D) per la generazione di immagini radar e la stima delle informazioni dei bersagli, detti target. L’idea `e di ottenere una stima completa, che includa la distanza, l’Azimuth e l’elevazione (addizionalmente Doppler come quarta di- mensione) dai target nelle acquisizioni radar. La tecnologia radar indagata ha lo scopo di affrontare diverse applicazioni civili e militari, come la sorveglianza e la rilevazione di targets, sia a livello aereo che a terra, e la consapevolezza situazionale, sia nelle auto che nelle piattaforme di volo, dagli elicotteri, ai Unmanned Aerial Vehicels (UAV) e taxi volanti (air-taxis). Le tematiche affrontante sono molte. Lo sviluppo di sistemi completi e di architetture digitali innovative, basate su tecnologia FPGA, ARM e software, per radar 3D MIMO, che operano in modalit`a Multiplexing Time Division Multiplexing (TDM) e Multiplexing Frequency Diversion (FDM), con segnali di tipo FMCW (Frequency Modulated Contin- uous Wave) e Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), rispettivamente. Lo sviluppo di tecniche di elaborazione del segnale radar in tempo reale, algoritmi di beam-forming e di stima della direzione di arrivo, Direction-Of-Arrival (DOA), dei seg- nali radar, per il rilevamento dei target, con particolare attenzione a processi basati su trasformate di Fourier (FFT). Lo studio e l’implementazione di concetti di sistema avan- zati, parametrizzazione e simulazione di radar digitali di prossima generazione, capaci di operare in tempo reale (ad esempio basati su architetture OFDM). Progettazione e sviluppo di nuove forme d’onda ortogonali ad inviluppo costante per sistemi radar 3D di tipo OFDM MIMO, operanti in tempo reale. Le attivit`a di ricerca di questa tesi sono state svolte presso la compagnia Airbus, con sede a Monaco di Baviera (Germania), nell’ambito di un programma di dottorato, svoltosi in maniera congiunta tra Airbus ed il Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura dell’Universit`a di Udine, con sede a Udine.

This thesis focuses on the research, development and implementation of novel concepts, architectures, demonstrator systems and algorithms for the signal processing of advanced Multiple Input Multiple Output (MIMO) radar systems. The key concept is to address compact system, which have high resolutions and are able to perform a fast radar signal processing, three-dimensional (3D), and four-dimensional (4D) beamforming for radar image generation and target estimation. The idea is to obtain a complete sensing of range, Azimuth and elevation (additionally Doppler as the fourth dimension) from the targets in the radar captures. The radar technology investigated, aims at addressing sev- eral civil and military applications, such as surveillance and detection of targets, both air and ground based, and situational awareness, both in cars and in flying platforms, from helicopters, to Unmanned Aerial Vehicles (UAV) and air-taxis. Several major topics have been targeted. The development of complete systems and innovative FPGA, ARM and software based digital architectures for 3D imaging MIMO radars, which operate in both Time Division Multiplexing (TDM) and Frequency Divi- sion Multiplexing (FDM) modes, with Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) and Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) signals, respectively. The de- velopment of real-time radar signal processing, beamforming and Direction-Of-Arrival (DOA) algorithms for target detection, with particular focus on FFT based, hardware implementable techniques. The study and implementation of advanced system concepts, parametrisation and simulation of next generation real-time digital radars (e.g. OFDM based). The design and development of novel constant envelope orthogonal waveforms for real-time 3D OFDM MIMO radar systems. The MIMO architectures presented in this thesis are a collection of system concepts, de- sign and simulations, as well as complete radar demonstrators systems, with indoor and outdoor measurements. Several of the results shown, come in the form of radar images which have been captured in field-test, in different scenarios, which aid in showing the proper functionality of the systems. The research activities for this thesis, have been carried out on the premises of Air- bus, based in Munich (Germany), as part of a Ph.D. candidate joint program between Airbus and the Polytechnic Department of Engineering and Architecture (Dipartimento Politecnico di Ingegneria e Architettura), of the University of Udine, based in Udine (Italy).