Способ пространственной обработки для радара системы контроля железнодорожного переезда

 Введение. Железнодорожный (ж/д) переезд является источником повышенной опасности как для автомобилей, так и для пешеходов. Для повышения безопасности движения в зоне ж/д переезда могут быть использованы радарные системы. В качестве антенн данных систем зачастую выступают антенные решетки (АР). Основными требованиями, предъявляемыми к радару на ж/д переезде, являются широкий сектор обзора (до 90°) и в то же время высокая точность определения координат целей. Является актуальным анализ способа построения АР и пространственной обработки для автоматической системы контроля движения на ж/д переезде, позволяющий обеспечить выполнение указанных требований.  

Цель работы. Разработка способа построения топологии АР и пространственной обработки радара для контроля движения на ж/д переезде, с помощью которого достигается широкий сектор обзора при высокой точности определения координат целей.  

Материалы и методы. Для рассматриваемого способа построения АР использованы методы теории пространственно-временной обработки сигналов. Разработка анализируемых топологий АР выполнялась методом конечных элементов и методом конечных разностей на базе отрезков микрополосковой линии передачи.  

Результаты. Разработаны способ построения заполненной приемо-передающей АР и алгоритм формирования лучей, обеспечивающие высокое угловое разрешение и однозначное измерение угловых координат цели в широком секторе обзора при относительно низкой вычислительной сложности. Выполнено математическое и электродинамическое моделирование спроектированных топологий АР. Получены уточненные оценки диаграмм направленности (ДН) передающей и приемной АР, которые с высокой степенью точности совпадают с расчетными. Представлены основные конструктивные решения, касающиеся построения АР радара системы безопасности переезда, для обеспечения широкого сектора обзора при определении координат целей.  

Заключение. Показано, что ширина результирующей ДН АР может быть уменьшена в несколько раз по сравнению с шириной ДН приемной решетки при использовании двух передающих антенн, расположенных по краям апертуры. Такой подход во многом аналогичен использованию технологии MIMO, но не требует обеспечения когерентности каналов передачи и применения системы ортогональных сигналов, что также определяет перспективность использования разработки.

1. Railway safety radar system with use of FSR / A. G. Ryndyk, A. V. Myakinkov, D. M. Balashova, V. N. Burov, S. A. Shabalin, A. D. Mikhaylov // Proc. of 2021 21st Intern. Radar Symp. (IRS), Berlin, Germany. 21–22 June 2021. IEEE, 2021. doi: 10.23919/IRS51887.2021.9466229

2. Cherniakov M. Bistatic Radar: principles and practice. Chichester: John Wiley & Sons, 2007. 518 p. doi: 10.1002/9780470035085

3. Rohling H. Automotive radar // Proc. SPIE 5484, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments II. 2004. doi: 10.1117/12.569057

4. Schneider M. Automotive radar – status and trends // Proc. of German Microwave Conf., Ulm, Germany, 2005. P. 144–147.

5. Waldschmidt C., Hasch J., Wolfgang M. Automotive radar – from first efforts to future systems // IEEE J. of Microwaves. 2021. Vol. 1, № 1. P. 135–148. doi: 10.1109/JMW.2020.3033616

6. Development of the automotive radar for the systems of adaptive cruise control and automatic emergency breaking / V. N. Burov, A. A. Kuzin, A. V. Myakinkov, A. D. Pluzhnikov, A. G. Ryndyk, R. S. Fadeev, S. A. Shabalin, P. S. Rogov // Proc. of 2019 Intern. Conf. on Eng. and Telecommunication (EnT), Dolgoprudny, Russia, 20–21 Nov. 2019. IEEE, 2019. doi: 10.1109/EnT47717.2019.9030600

7. Railway level crossing obstruction detection using MIMO radar / A. H. Narayanan, P. Brennan, R. Benjamin, N. Mazzino, G. Bochetti, A. Lancia // 8th European Radar Conf., Manchester, UK, 12–14 Dec. 2011. IEEE, 2011.

8. Foreign objects intrusion detection using millimeter wave radar on railway crossings / H. Cai, F. Li, D. Gao, Y. Yang, S. Li, K. Gao, A. Qin, C. Hu, Z. Huang // 2020 IEEE Intern. Conf. on Systems, Man, and Cybernetics (SMC), Toronto, Canada, 14 Dec. 2020. IEEE, 2020. doi: 10.1109/SMC42975.2020.9282881

9. Signal degradation through sediments on safety-critical radar sensors / M. G. Ehrnsperger, U. Siart, M. Moosbühler, E. Daporta, T. F. Eibert // Adv. RadioSci. 2019. Vol. 17. P. 91–100. doi: 10.5194/ars-17-91-2019

10. Waite J. L., Arnold D. V. Interferometric radar principles in track hazard detection to improve safety // IGARSS 2000. IEEE 2000 Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. Taking the Pulse of the Planet: The Role of Remote Sensing in Managing the Environment. Proceedings (Cat. No.00CH37120), Honolulu, USA, 24–28 July 2000. IEEE, 2002. doi: 10.1109/IGARSS.2000.859622

11. Iqbal Z., Pour M. Grating Lobe Mitigation in Scanning Planar Phased Array Antennas // 2019 IEEE Intern. Symp. on Phased Array System & Technology (PAST), Waltham, USA, 15–18 Oct. 2019. IEEE, 2019. P. 1–3. doi: 10.1109/PAST43306.2019.9020996

12. Tashtarian G., Majedi M. S. Grating lobes reduction in linear arrays composed of subarrays using PSO // 2019 Intern. Symp. on Networks, Computers and Communications (ISNCC), Istanbul, Turkey, 18–20 June 2019. IEEE, 2019. P. 1–6. doi: 10.1109/ISNCC.2019.8909108

13. Khalilpour J., Ranjbar J., Karami P. A novel algorithm in a linear phased array system for side lobe and grating lobe level reduction with large element spacing // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 2020. Vol. 104. P. 265–275. doi: 10.1007/s10470-020-01612-1

14. Pirkani A. A., Pooni S., Cherniakov M. Implementation of MIMO beamforming on an OTS FMCW automotive radar // IRS 2019, Intern. Radar Symp., Ulm, Germany, 26–28 June 2019. IEEE, 2019. 8 p. doi: 10.23919/IRS.2019.8768103

15. Engels F., Wintermantel M., Heidenreich P. Automotive MIMO radar angle estimation in the presence of multipath // European Radar Conf. (EURAD), Nuremberg, Germany, 11–13 Oct. 2017. IEEE, 2017. doi: 10.23919/EURAD.2017.8249152

16. Hehenberger S. P., Yarovoy A., Stelzer A. A 77- GHz FMCW MIMO radar employing a non-uniform 2D antenna array and substrate integrated wave-guides // 2020 IEEE MTT-S Intern. Conf. on Microwaves for Intelligent Mobility (ICMIM), Linz, Austria, 23–23 Nov. 2020. IEEE, 2020. doi: 10.1109/ICMIM48759.2020.9299059

17. Radar subsystems of autonomous mobile robotic systems for studying tsunami in the coastal zone / P. O. Beresnev, A. A. Kurkin, A. A. Kuzin, A. V. Myakinkov, E. N. Pelinovsky, A. G. Ryndyk, S. A. Shabalin // Science of Tsunami Hazards. 2020. Vol. 39, iss. 3. P. 137– 155. doi: 10.1109/ICMIM48759.2020.9299059

18. Millimeter-wave phased antenna array for automotive radar / A. A. Kuzin, A. V. Myakinkov, A. G. Ryndyk, S. A. Shabalin // Proc. Intern. Radar Symp., Ulm, Germany, 26–28 June 2019. IEEE, 2019. doi: 10.23919/IRS.2019.8768182

19. Банков С. Е., Курушин А. А. Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР. М.: Солон-пресс, 2017. 316 с.

20. Use of subarrays in a linear array for improving wide angular scanning performance / F. S. Akbar, L. P. Ligthart, G. Hendrantoro, I. E. Lager // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 135290–135299. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2941398

21. Многопозиционная просветная радиолокационная система с подвижными позициями / А. В. Мякиньков, Д. М. Смирнова, А. А. Кузин, В. Н. Буров // Датчики и системы. 2015. № 11. С. 21–27.

22. Бляхман А. Б., Мякиньков А. В., Рындык А. Г. Измерение координат целей в трехкоординатных бистатических радиолокационных системах с обнаружением на просвет // Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51, № 4. С. 422–427.

23. Бляхман А. Б., Мякиньков А. В., Рындык А. Г. Пространственно-временная обработка сигналов в бистатической просветной радиолокационной системе с антенной решеткой // Радиотехника и электроника. 2004. Т. 49, № 6. С. 707–712.

24. Kumari P., Mitra E., Mandal D. Wide null control of compact multiple antenna terminals using PSO // 2017 Intern. Electrical Engineering Congress (iEECON), Pattaya, Thailand, 08–10 March 2017. IEEE, 2017. doi: 10.1109/IEECON.2017.8075847

25. Pozar D. M. Microwave engineering. 4rd ed. NY: John Wiley & Sons, Inc., 2012. 752 p.

26. Balanis C. A. Antenna theory: analysis and design. NY: John Wiley & Sons Inc., 2016. 1095 p.

27. Sedivy P. Radar sidelobe canceller performance evaluation // 2013 Conf. on Microwave Techniques (COMITE), Pardubice, Czech Republic, 17–18 Apr. 2013. IEEE, 2013. doi: 10.1109/COMITE.2013.6545067

28. Ward J., Compton R. T. Sidelobe level performance of adaptive sidelobe canceller arrays with element reuse // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1990. Vol. 38, iss. 10. P. 1684–1693. doi: 10.1109/8.59783