A study on the use of multi-static radar for automotive applications

In an automotive scenario, the radar's key role is to make the drive experience safe and comfortable. Differently from the other sensors, such as the camera and the lidar, it allows higher spatial resolution in any weather condition. In this scenario, the Synthetic aperture radar systems exploit the vehicle movement to synthesize a synthetic aperture to overcome the physical limits of MIMO systems. Along the range direction, the availability of bandwidth, according to the limits imposed by the ITU regulations, in some cases does not provide the right amount of resources to reach a small value of resolution. Therefore, other techniques should be used to obtain better image results, using the limited spectrum resources. In an automotive scenario, the development of mobile radio networks contributes to the growth of V2X communications. So, the cooperation between vehicles and infrastructures can be exploited to improve the range resolution. Some SAR applications show that by exploiting some specific acquisition geometries, it is possible to improve the range resolution (considering the same bandwidth resources) by coherently summing the different acquisition images. However, in real systems, both navigation data and vehicular localization should be known to carry out an appropriate phase calibration before the sum. This thesis will show an approach to use limited bandwidth resources to obtain different images with different resolutions. The tessellation in the wavenumber domain will be exploited to fill a more significant spectrum portion (with respect to the single acquisition) using multi-static SAR acquisitions. The scope of this work is to analyze such principle theoretically and prove it experimentally based on indoor acquisitions. In particular, an experiment will be carried out in which seven bistatic configurations will be considered to obtain a final reduction of the range resolution of one third, with respect to the nominal system range resolution obtained for the single image, considering the same bandwidth for all the acquisition blocks. Then, a phase compensation will be applied to sum the images coherently: this procedure is crucial since a real system presents intrinsic phase errors produced by the measurement system itself. The final images will show how the correct overlapping of different tiles in the wavenumber domain, corresponding to the coherent sum of the images obtained for each acquisition block, can improve the range resolution.

In uno scenario automobilistico, il ruolo chiave del radar è rendere sicura e comfortevole l'esperienza di guida. Diversamente dagli altri sensori, come la camera e il lidar, esso permette di avere un'alta risoluzione spaziale in qualsiasi condizione atmosferica. In questo scenario, i sistemi radar ad apertura sintetica sfruttano il movimento del veicolo per sintetizzare un apertua sintentica e superare i limiti fisici dei sistemi MIMO. Lungo la direzione di range, la banda disponibile, in accordo ai limiti imposti dalle regolazioni dell'ITU, in alcuni casi non fornisce la giusta quantità di risorse per ottenere un valore piccolo di risoluzione. Per questo motivo, altre tecniche dovrebbero essere utilizzate per ottenere immagini migliori, anche utilizzando una quantità di risorse limitate in termini di banda. In uno scenario automobilistico, lo sviluppo delle reti mobili ha contribuito alla crescita delle comunicazioni V2X. Perciò, la cooperazione tra i veicoli e le infrastrutture può essere sfruttata per migliorare la risoluzione in range. Infatti, alcune applicazioni SAR mostrano che, sfruttando alcune specifiche geometrie di acquisizione, è possibile ottenere un miglioramento della risoluzione in range (considerando le stesse risorse in termini di banda) sommando coerentemente le immagini generate da acquisizioni differenti. Tuttavia, nei sistemi reali, sia i dati di navigazione che di localizzazione del veicolo dovrebbero essere noti per effettuare un'appropriata calibrazione di fase prima della somma. In questa tesi, verrà mostrato un approccio per usare delle risorse di banda limitate ed ottenere comunque un miglioramento della risoluzione in range. Verrà sfruttata la tassellazione dei numeri d'onda per riempire una porzione di spettro più ampia di quella associata alla singola acquisizione usando delle acquisizioni SAR multistatiche. Lo scopo di questo lavoro è analizzare teoricamente tale principio e dimostrarlo sperimentalmente sulla base di acquisizioni indoor. In particolare, verrà condotto un esperimento in cui verranno prese in considerazione sette acquisizioni bistatiche per ottenere una riduzione della risoluzione in range di circa un terzo rispetto alla risoluzione nominale associata alla singola acquisizione, e considerando per ogni blocco acquisizione la stessa banda. Una compensazione di fase sarà poi applicata affinché sia possibile la somma coerente delle immagini: questa procedure è cruciale dato che un sistema reale presenta errori di fase dovuti al sistema stesso. L'immagine finale ottenuta mostrerà come la corretta sovrapposizione di diversi tasselli nel dominio dei numeri d'onda, derivante dalla somma coerente delle immagini ottenute da ogni blocco acquisizione, può portare ad un miglioramento della risoluzione in range.