title: Neue Ansätze zur Beschreibung und Modellierung von Phasenstörungen in Dauerstrich-Radarsystemen
Creators: name: Tschapek, Peter
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 62 Ingenieurwissenschaften :: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

description: Dauerstrich-Radarsysteme, insbesondere linear frequenzmodulierte Radarsysteme, sind im Bereich der Fahrzeug-und Verkehrstechnik, der Industrieautomatisierung sowie der Luft- und Raumfahrt bei Zielentfernungen von mehreren hundert Meter eines der präferierten Radarkonzepte, da diese im Vergleich zu Puls-Radaren mit niedrigeren Ausgangsspitzenleistungen eine hohe Entfernungspräzision bei der Radarmessung erreichen. Zur Generierung frequenzmodulierter Radarsignale kommen hierbei zumeist Frequenzsynthesizer zum Einsatz, die auf Phasenregelschleifen oder auf direkter digitaler Synthese basieren. Dabei zeigt sich in der Realität, dass während der Signalgenerierung der Radarsignale sowohl systematische als auch stochastische Phasenstörungen auftreten. Da die Signalphase der Träger der Entfernungsinformation ist, führen daher Phasenstörungen in Abhängigkeit von der Zielentfernung, u. a. durch Dekorrelation von Phasenrauschen im Radarempfänger, zu einer deutlichen Reduzierung der erreichbaren Entfernungspräzision bei der Radarmessung. Dabei ist die Entfernungspräzision einer Radarmessung als Metrik von zentraler Bedeutung, da hierdurch die Leistungsfähigkeit der Systeme beurteilt wird. Für die Modellierung von Radarsystemen zur Vorhersage der erreichbaren Entfernungspräzision, sind jedoch konventionelle Mess- und Modellierungsansätze nicht ausreichend adäquat oder präzise. Hier setzt diese Arbeit an. Das Ziel der Forschung ist daher ein ganzheitlicher Ansatz von der Messung über die Modellierung bis hin zur Vorhersage des Einflusses von Phasenstörungen in Dauerstrich-Radarsystemen, wobei der Fokus auf linear frequenzmodulierten Dauerstrich-Radarsystemen liegt. Für die vorliegende kumulative Dissertation bilden hierbei drei Publikationen die Basis. Entsprechend der zentralen Forschungsaspekte gliedert sich die Forschung der Arbeit in drei Forschungsschwerpunkte. Gegenstand des ersten Forschungsschwerpunktes sind die bei realen, bandbegrenzten Frequenzsynthesizern auftretenden Phasenstörungen. Als erstes wird ein realitätsnahes Signalmodell hergeleitet. Anschließend werden mit der differenzbasierten Phasenrauschmessung und der polynombasierten Extraktion systematischer Phasenstörungen zwei neuartige Messansätze vorgestellt, die zum einen die Messung von Phasenrauschen und zum anderen die Messung systematischer Phasenstörungen von Frequenzsynthesizern während der Modulation erlauben. Dabei werden in beiden Fällen die deterministischen und stochastischen Signalanteile durch die Methoden inhärent voneinander separiert, wobei hierzu multiple Realisierungen desselben stochastischen Prozesses erforderlich sind. Die publizierten Messansätze wurden am Beispiel der linearen Frequenzmodulation einer Phasenregelschleife demonstriert und messtechnisch verifiziert. Weiterhin werden die publizierten Messansätze in dieser Arbeit aufgegriffen und mathematisch mithilfe eines generischen Ansatzes beschrieben. Gegenstand des zweiten Forschungsschwerpunktes ist die Modellierung von Phasenrauschen. Es wird ein neuartiger Ansatz zur spektrumbasierten Phasenrauschmodellierung von Frequenzsynthesizern vorgestellt und beschrieben, bei der ein zeitabhängiger Phasenrauschtermauf Basis eines Phasenrausch-Leistungsdichtespektrums modelliert wird. Die spektralen Eigenschaften bleiben hierbei erhalten. Die Kernidee basiert darauf, dass direkt im Frequenzbereich ein komplexwertiges Spektrum durch einen stochastischen Prozess modelliert wird, dessen Parameter direkt aus einem Phasenrausch-Leistungsdichtespektrum abgeleitet werden. Dabei ist der beschriebene und publizierte Ansatz auf bandbegrenztes Phasenrauschen beschränkt, dessen zugrundeliegender stochastischer Prozess als schwach stationär angenommen wird. Die neuartigen Mess- und Modellierungsansätze von Frequenzsynthesizern aus den ersten beiden Forschungsschwerpunkten werden im dritten Forschungsschwerpunkt für einen neuartigen Ansatz zur phasenbasierten Modellierung von FMCW-Radarsystemen kombiniert. Die Kernidee basiert darauf, dass die Phasenstörungen in dem neuartigen Radarmodell als spektral farbige Störterme additiv in der Phase des Sendesignals modelliert werden. Dabei wird für die spektrumbasierte Phasenrauschmodellierung jenes Phasenrausch-Leistungsdichtespektrumverwendet, das mithilfe der differenzbasierten Phasenrauschmessung während der Frequenzmodulation gemessen wird. Abschließend wurde das Radarmodell durch den in dieser Arbeit konzipierten und realisierten modularen faseroptischen FMCW-Radarstörmessplatz messtechnisch verifiziert, wobei die Radarziele durch eine faseroptische Verzögerungsstrecke synthetisiert wurden. Als zentrale quantitative Metrik wird die erreichbare entfernungsabhängige Entfernungspräzision bei Zielentfernungen zwischen 38m und 880m herangezogen. Die auf Basis des Radarmodells simulierte Entfernungspräzision zeigt eine sehr gute Übereinstimmung hinsichtlich der in der Realität gemessenen Entfernungspräzision. Zwischen Simulation und Messung der Entfernungspräzision einzeln gemessener Ziele bei Entfernungen von mehr als 400m sind maximale Abweichungen von 17,1% ermittelt worden. Die im Rahmen dieser kumulativen Dissertation und in den drei großen Forschungsschwerpunkten erforschten und zum großen Teil publizierten Mess- und Modellierungsansätze werden jeweils mit konventionellen Ansätzen verglichen, um den wissenschaftlichen Mehrwert zu demonstrieren.