MIMO Radar with colocated antennas : theoretical investigation, simulations and development of an experimental platform

par Oscar Gómez

Thèse de doctorat en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Geneviève Baudoin.

Le président du jury était Bernard Huyart.

Le jury était composé de Geneviève Baudoin, Florence Nadal, Pascale Pinaud, Benoît Poussot, Daniel Roviras.

Les rapporteurs étaient Marc Lesturgie, Christophe Craeye.


  • Résumé

    Un radar MIMO (Multiple Input Multiple Output) est un système radar qui utilise plusieurs antennes émettrices et réceptrices, dans lequel les formes d'ondes émises peuvent être indépendantes. Par rapport aux radars utilisant des antennes en réseaux phasés, les radars MIMO offrent davantage de degrés de liberté, ce qui permet d'améliorer les performances du système en termes de détection et localisation. La technique MIMO offre également la possibilité de synthétiser un diagramme de rayonnement désiré par une définition judicieuse des formes d'ondes émises. Dans la mesure où les paramètres des cibles (positions, vitesses, directions d'arrivée (DOA), ...) sont estimés à partir des échos des signaux émis, on comprend aisément que les formes d'ondes employées jouent un rôle clé dans les performances du système. Cette thèse porte sur l'estimation de DOA et sur la conception des formes d'ondes pour un radar MIMO. Le cadre d'étude est restreint au cas où les antennes sont colocalisées et les cibles sont immobiles et supposées ponctuelles. La plupart des travaux antérieurs (au commencement de la thèse) portaient sur le radar MIMO bande étroite et faisaient l'hypothèse d'émetteurs-récepteurs idéaux et indépendants. Cette thèse contribue à élargir le cadre d'étude en s'intéressant d'une part au passage en large bande et d'autre part à la modélisation et à la prise en compte de la non-indépendance des émetteurs-récepteurs et autres imperfections. Dans la mesure où le recours à des signaux large bande est nécessaire lorsqu'une résolution importante est souhaitée, nous nous sommes attachés dans cette thèse à adapter le modèle d'un système de radar MIMO au cas large bande et à proposer de nouvelles techniques visant à améliorer les performances d'estimation de DOA dans le cas de signaux large bande. Cette thèse analyse également l'influence de conditions non idéales comme l'impact des phénomènes de couplage électromagnétique sur les diagrammes de rayonnement dans un réseau d'antennes. Cette étude est menée dans le cas bande étroite. En particulier, nous étudions l'influence du couplage direct entre les réseaux d'antennes d'émission et de réception (appelé « crosstalk ») sur les performances des techniques proposées. Nous établissons un modèle du signal permettant de prendre en compte ce phénomène et proposons une technique de réduction du « crosstalk » qui permet une estimation efficace des DOA des cibles. Nous montrons par ailleurs comment améliorer les performances d'estimation de DOA en présence de diagrammes de rayonnement incluant le couplage entre antennes. Le dernier apport principal de cette thèse est la conception et réalisation d'une plateforme expérimentale comportant une seule architecture d'émetteur-récepteur, qui permet de simuler un système MIMO utilisant des antennes colocalisées en appliquant le principe de superposition. Cette plateforme nous a permis d'évaluer les performances des techniques proposées dans des conditions plus réalistes

  • Titre traduit

    Radar MIMO utilisant des antennes colocalisées : étude théorique, simulations et développement d'une plateforme expérimentale


  • Résumé

    A Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) radar is a system employing multiple transmitters and receivers in which the waveforms to be transmitted can be totally independent. Compared to standard phased-array radar systems, MIMO radars offer more degrees of freedom which leads to improved angular resolution and parameter identifiability, and provides more flexibility for transmit beampattern design. The main issues of interest in the context of MIMO radar are the estimation of several target parameters (which include range, Doppler, and Direction-of-Arrival (DOA), among others). Since the information on the targets is obtained from the echoes of the transmitted signals, it is straightforward that the design of the waveforms plays an important role in the system accuracy. This document addresses the investigation of DOA estimation of non-moving targets and waveform design techniques for MIMO radar with colocated antennas. Although narrowband MIMO radars have been deeply studied in the literature, the existing DOA estimation techniques have been usually proposed and analyzed from a theoretical point of view, often assuming ideal conditions. This thesis analyzes existing signal processing algorithms and proposes new ones in order to improve the DOA estimation performance in the case of narrowband and wideband signals. The proposed techniques are studied under ideal and non-ideal conditions considering punctual targets. Additionally, we study the influence of mutual coupling on the performance of the proposed techniques and we establish a more realistic signal model which takes this phenomenon into account. We then show how to improve the DOA estimation performance in the presence of distorted radiation patterns and we propose a crosstalk reduction technique, which makes possible an efficient estimation of the target DOAs. Finally, we present an experimental platform for MIMO radar with colocated antennas which has been developed in order to evaluate the performance of the proposed techniques under more realistic conditions. The proposed platform, which employs only one transmitter and one receiver architectures, relies on the superposition principle to simulate a real MIMO system


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