Signal Processing Advances in Radar-Based Identification and High-Accuracy Range Estimation

Fortschreitende Automatisierung bedarf der immer detaillierteren Wahrnehmung und Interpretation der Umgebung durch autonome Systeme. Ein entscheidender Faktor ist hierbei die Identifizierung, sei es von anwesenden Akteuren, relevanten Objekten oder definierten Referenzpunkten.
Radarsensoren finden verbreitet Anwendung im industriellen Kontext, inbesondere in autonomen Arbeitsumgebungen, die Möglichkeiten einer eindeutigen Objektidentifizierung sind jedoch begrenzt. Eine Kombination von Radaren mit Doppler Tags ermöglicht hingegen inherent Objektspezifität. Die Tags erweitern die Funktionsweise von Chirp Sequence Radaren um eindeutige Identifizierung bei hochgenauer Entfernungsschätzung und eröffnen neue Anwendungsoptionen aus dem Bereich der industriellen Automatisierung und darüber hinaus. ... mehr
Den Kern dieser Arbeit bilden die Idee des Doppler Tags sowie eine umfassende Analyse der grundlegenden Eigenschaften, Spezifikationsanforderungen und anwendungsspezifischen Implementierung. Die Arbeit dient als initiale Machbarkeitsstudie für Radar-Doppler-Tag-Systeme mit Schwerpunkt auf Erkenntnissen und Entwicklungen in der Signalverarbeitung hin zu hochgenauen Entfernungsschätzungen.
Doppler-Tags emulieren eine Doppler-ähnliche Frequenzverschiebung des Radarsignals und identifizieren so das markierte Objekt eindeutig. Auch unmarkierte Ziele sind im gesamten Sichtfeld des Radars detektierbar, da Stör\-echos in der Signalverarbeitung unterdrückt werden und die Sensitivität der Hardware für Umgebungsreflexionen erhalten bleibt. Gleichzeitig wird die Schätzgenauigkeit deutlich verbessert. Tags liefern derweil zusätzliche Informationen über ihre zugehörigen Objekte. Die Frequenzverschiebung wird so aufgebracht, dass Tageinflüsse in zwei Seitenbändern enthalten sind. Durch deren Trennung und mathematische Neukombination stehen durch die Tags unverfälschte Signalkomponenten für nachfolgende Verarbeitungsschritte jenseits der Identifizierung zur Verfügung. Inbesondere erlaubt diese Kombination aus Hardware und Signalverarbeitung die Auswertung des ursprünglichen, laufzeitbedingten Phasenversatzes und damit eine hochgenaue Entfernungsschätzung zu markierten und unmarkierten Objekten ohne wesentliche Auflösungsanforderungen.
Die genannten Funktionen werden zum ersten Mal simulativ und in Messungen mit Laboraufbauten sowie realitätsnahen Szenarien validiert. Doppler-Tags mit hochgenauer Entfernungsschätzung zeigen darin zuverlässig vielversprechende Ergebnisse für industrielle Anwendungen wie die räumliche Orientierung mobiler Systeme. Sie sind damit prädestiniert als vielseitige Bestandteile autonomer Umgebungen in einem breiten Spektrum aktueller und zukünftiger Anwendungen.

Advancing automation requires autonomous systems to perceive and interpret their environment. A key factor is identification, whether of present actors, objects of interest, or defined reference points.
Radar sensors are widely applied in industrial environments and particularly expedient in autonomous applications, however, their ability for unique object identification is limited. Where object specificity is crucial, Doppler tags enable this and unlock further potential of radar-tag systems. Not only do they extend chirp sequence sensing to include unique identification of multiple tags, but thereby enable new functionalities and widen radar applicability. ... mehr
Herein lies the notion of this work - initially introducing the idea of Doppler tags and presenting comprehensive analysis about characteristics, specification challenges, and scenario-aware implementation. From the key focus on signal processing advances in highly accurate range estimation to exemplary demonstrations, it presents a fundamental feasibility study for radar-Doppler-tag systems with pinpoint accuracy.
Doppler tags apply an artificial frequency shift to the radar signal, uniquely identifying the tagged object. Any part of the radar-visible surroundings is detectable, whereat tag responses contain additional information, from just a single quantity to tiered data. Clutter is suppressed in signal processing instead of hardware to enhance estimation accuracy but remain receptive. The Doppler tag applies a frequency shift such that any tag impact is comprised in two sidebands. Separating and recombining those allows for the retrieval of unimpaired signal components for subsequent processing steps alongside identification. Preserved delay-dependent phase-offset information from this complementary combination of hardware and signal processing particularly enables highly accurate ranging toward tagged and untagged objects without substantial resolution requirements.
These functionalities are demonstrated for the first time in simulations and validation measurements including expressive laboratory setups and close-to-reality scenarios. Doppler tags with high-accuracy range estimation therein evince reliable performance and promising characteristics for industrial applications. They are hence predestined as versatile building blocks for robust, high-performance autonomous systems across a broad spectrum of emerging applications.