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Signal Processing for Autonomous Driving
Contents
1 Fundamentals of Radar Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Essential Functions of Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Radar System Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Antennas for Radar Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 Antenna Arrays Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.6 An Outline of Automotive Radar Applications . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.7 Challenges for Automotive Radar Developers . . . . . . . . . . . . . . . . 12
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 The Radar Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Radar Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 The Radar Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Effect of Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Radar Equation for Automotive Applications . . . . . . . . . . . . . . . . 17
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Signal Processing for Radar Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.1 Definition of Fourier Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.2 Fourier Transform Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.3 Fourier Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.4 Sampling Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.5 Discrete Fourier Transforms (DFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.6 Power Spectrum Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.7 Windowing Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
xiii
3.2 Multi-dimensional Fourier Transforms
(Basis for Range Doppler Estimation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Noise and Clutter Reduction in Radar Signals . . . . . . . . . . . . . . . 35
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 Radar Waveforms and Their Mathematical Models . . . . . . . . . . . . . 37
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Waveform Types Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 Continuous Waveform (CW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 Pulse Doppler Radar (PDR) Waveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.5 Frequency-Modulated CW (FMCW) and Their Variations . . . . . . . 38
4.5.1 Linear Frequency-Modulated CW (LFMCW) . . . . . . . . . . . 39
4.5.2 Stepped FMCW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5.3 Multi-frequency Shift Keying (MFSK) . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.5.4 Interrupted FMCW (FMICW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.6 Fast Chirp Ramp Sequence Waveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5 Radar Target Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Target Models (Sterling 1–Sterling 4 Models) . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.3 Peak Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.1 Fixed Threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3.2 Multi-cell Thresholding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3.3 Constant False Alarm Detection (CFAR) . . . . . . . . . . . . . . 57
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6 Direction of Arrival (DOA) Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2 Classification of DOA Estimation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3 Approaches to DOA Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.3.1 Signal Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.3.2 DOA Estimation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.3.3 Spatial Smoothing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.3.4 Other DOA Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3.5 Multi-dimensional DOA Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.3.6 Recent Approaches to Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7 Target Filtering and Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.2 Kalman Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.3 Bayesian Filtering (Sequential Monte Carlo) . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
xiv Contents
7.4 Data Association in Multi-target Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.5 Challenges in Target Filtering and Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8 Target Recognition and Classification Techniques . . . . . . . . . . . . . . 105
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.2 Methods of Target Recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8.3 Challenges and Trends in Target Recognition Based on Radar . . . 117
8.3.1 Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.3.2 Current Trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
9 Automotive Radar Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.2 Short-Range Radar (SRR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.3 Long-Range Radar (LRR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9.4 Trends in Automotive Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.4.1 Future Roadmaps Automotive Applications . . . . . . . . . . . . 135
9.4.2 Future Contributions of Automotive Applications . . . . . . . 137
9.4.3 Future Directions and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Contents xv
Chapter 1