تعيين موقعيت سه بعدي اهداف با استفاده از يك سنجنده رادار زميني موج ميلي‌متري از نوع ورودي – خروجي چندگانه

3D Positioning of Targets Using mm-Wave Ground-Based MIMO RADAR

امروزه سيستم­ هاي راداري در مسائل گوناگوني از جمله سنجش­از­دور كاربرد دارند. يكي از مهمترين چالش ­ها، تعيين موقعيت و تعيين ميزان جابجايي اهداف با دقت بالا است كه بدين منظور از سنجنده ­هاي مستقر بر روي سكوي زميني استفاده مي­كنند. در اين مقاله روشي ارائه شده است كه تعيين موقعيت مطلق و نسبي اهداف و نيز تخمين بردار جابجايي اهداف به صورت سه بعدي انجام مي­گيرد. بدين منظور يك سنجنده راداري زميني با طول موج ميلي­متري كه داراي دو آنتن فرستنده و چهار آنتن گيرنده است و امواج آن از نوع FMCW هستند، شبيه­سازي شده است. اين سنجنده طوري طراحي شده است كه بر روي يك صفحه دو بعدي حركت مي­كند و سيگنال­هاي ارسالي را دريافت مي­كند. با استفاده از اطلاعات فاز سيگنال­هاي دريافتي توسط آنتن­هاي گيرنده در موقعيت­هاي مختلف مكاني سنجنده، زاويه سيگنال منعكس شده از هدف نسبت به آنتن گيرنده تعيين مي­شود. سپس با استفاده از معادلات سرشكني كمترين مربعات، موقعيت مطلق هدف به صورت سه بعدي تعيين مي­شود. براي ارزيابي مدل ارائه شده دو آزمايش مطرح شد. آزمايش اول نشان داد كه مقدار RMSE براي تعيين موقعيت مطلق كمتر از 3 ميلي­متر است. در آزمايش دوم، تعيين ميزان جابجايي اهداف مورد بررسي قرار گرفت كه در نتايج حاصل تمامي موارد، RMSE براي تعيين بردار جابجايي نسبي به صورت سه بعدي كمتر 0/1 ميلي­متر است. همچنين نشان داده شد كه روش ارائه شده هيچ محدوديتي در تعيين جابجايي نسبي با دامنه بزرگي متفاوت را ندارد و بدون استفاده از الگوريتم­هاي بازيابي فاز، توانايي تخمين جابجايي با مقادير زياد را دارد.

Today, radar systems are used in a variety of applications including remote sensing. One of the most important challenges is to determine the position and the displacement vector of targets with high accuracy. For this purpose, the sensors installed on the ground platforms are used. In this paper, a method is presented that determines the absolute and relative position of the targets and also estimates the displacement of the targets in three dimensions. An FMCW mm-wave ground-based MIMO radar that has two transmitter antennas and four-receiver antennas are simulated. The sensor is designed to move on a two-dimensional plane and received the echo signals which are propagated by transmitters. Using the phase information of the signals captured by receivers antennas in different positions of the sensor, the arrival angle of the signal reflected from the target to the receiver antenna is determined. Then using the least square adjustment equations, the absolute location of the target is determined in the 3D space. Two scenarios were performed to evaluate the proposed model. The first test showed that the RMSE of the absolute position determination is less than 3 mm. in the second scenario, the determination of the displacement vector of the targets is examined. The result shows that the RMSE of the estimated displacement vector in three dimensions is less than 0.1 mm. It was also shown that the proposed method has no limitation in determining the relative displacement with different sizes. The presented model has the ability of the large displacement estimation without using phase unwrapping algorithms.