Design of a Dual-Radar Forward-Looking Automotive SAR Imaging System

Automotive SAR imaging has recently emerged as a promising candidate to provide ac curate environmental perception in autonomous driving applications. With the help of MIMO devices mounted on vehicles, huge synthetic apertures can be created, thus obtain ing high-resolution images with cost-effective hardware. Nevertheless, current automotive SAR systems face significant limitations in the achievable angular resolution in the vehi cle’s forward view, which for forward-looking operation is essentially constrained by the number of available MIMO channels. To address this problem, the present thesis proposes a dual-radar forward-looking configuration, in which two 8-channel MIMO systems are properly distanced on the car’s hood and allowed to operate in multi-static configuration, forming four equivalent virtual arrays. The non-uniform spatial sampling of signal acqui sitions prevents the coherent combination of the individual SAR images of each virtual radar. For this reason, an image fusion approach based on compressive sensing (CS) is here discussed. To relax the computational requirements while preserving image recon struction performances, a 2-stage procedure combinining CS with a pre-detection step has been developed. Additionally, a novel kind of waveforms called COSMIC has been implemented. COSMIC ensure full orthogonality between the transmitted signals at the imaging receivers while providing Integrated Communication and Sensing (ISAC) capabil ities. The whole system has been validated by numerical simulations, which demonstrate the effectiveness of the proposed strategies.

Il telerilevamento SAR in ambito automotive si è recentemente proposto come un valido candidato per fornire una percezione ambientale accurata in applicazioni di guida au tonoma. Attraverso l’impiego di dispositivi MIMO montati sui veicoli, è possibile creare enormi aperture sintetiche, ottenendo così immagini ad alta risoluzione con hardware a basso costo. Cionostante, gli attuali sistemi SAR automotive mostrano limiti significativi nella risoluzione angolare ottenibile di fronte alla macchina, che in sistemi a visione an teriore è limitata essenzialmente dal numero di canali MIMO disponibili. Per affrontare questo problema, la presente tesi propone una configurazione con doppio radar a visione anteriore, in cui 2 sistemi MIMO ad 8 canali sono opportunamente distanziati sul cofano della macchina e operano in modalità multi-statica, formando quattro schiere di antenne virtuali equivalenti. Il campionamento spaziale irregolare con cui il segnale viene acquisito non consente di combinare coerentemente le singole immagini SAR di ogni schiera vir tuale. Per questa ragione, un approccio di image fusion basato sul compressive sensing è qui discusso. Per ridurre i requisiti computazionali mantenendo analoghe prestazioni nella ricostruzione delle immagini, è stato sviluppato un procedimento in due stadi, che com bina il compressive sensing con una individuazione preliminare dei bersagli nella scena. In aggiunta, è stata implementata una nuova tipologia di forme d’onda chiamate COS MIC. Le forme d’onda COSMIC garantiscono completa ortogonalità tra i segnali trasmessi ai ricevitori del dispositivo di telerilevamento, offrendo al contempo funzionalità di Co municazione e Sensing Integrati (ISAC). L’intero sistema è stato validato per mezzo di simulazioni numeriche, che dimostrano l’efficacia delle strategie proposte.