Contribution to imaging focusing techniques using synthetic aperture radars in millimeter and sub-millimeter bands

Abstract

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Las frecuencias de ondas milimétricas (mmW) y terahercios ofrecen características únicas para obtener simultáneamente una buena resolución espacial y penetrabilidad. Los radares de onda continua de frecuencia modulada (FMCW) forman parte de los nuevos dispositivos de detección instalados en vehículos para explorar el entorno. La próxima generación de vehículos conectados y autónomos estará equipada con un elevado número de antenas que operan en una amplia gama de frecuencias para las comunicaciones y la detección del entorno ambiental. El estudio de las respuestas angulares espaciales en 3D y los patrones de radiación modificados por la estructura del vehículo permitirá una mejor integración de las antenas de comunicación y detección asociadas. El algoritmo de imagen multifrecuencia bifocalizada (MFBF) en la banda W utilizando el radar FMCW tiene una aplicabilidad directa en la mejora de la detección de armas ocultas, como sensores de proximidad para evitar colisiones y la localización de peatones en vehículos. Esta tesis doctoral evalúa la viabilidad de utilizar la señal de frecuencia intermedia (FI) proporcionada por un radar FMCW homodino que opera en 77 GHz como entrada al algoritmo monostático-bistático MFBF de mmW desde un punto de vista teórico y mediante simulación. Los resultados del algoritmo MFBF utilizando el radar FMCW se comparan con los obtenidos utilizando FSCW, equivalente al parámetro S21 obtenido a partir de un analizador vectorial de redes (VNA). Adicionalmente, también se ha investigado la capacidad de este sistema de radar utilizando el algoritmo de “imaging” MFBF para obtener imágenes desde un punto de vista analítico y experimental. Se realizaron dos conjuntos de mediciones, utilizando objetivos de referencia, en la banda W a 100 GHz y en la banda de terahercios a 300 GHz. Finalmente, esta tesis ha estudiado de forma teórica, mediante simulación electromagnética y experimental, el método de obtención de corrientes producidas por una antena que irradia sobre una plataforma vehicular utilizando imágenes diferenciales (“differential imaging”). La parte de simulación y experimental del estudio se centra en la medición de un objetivo a escala utilizando un sistema de imágenes que opera en una banda de terahercios -de 220 a 330 GHz- que coincide con una de las bandas de frecuencias de 5G. Se concluye que es viable la utilización de las señales FI proporcionadas por un radar FMCW homodino como entrada para el algoritmo monostático-biestático MFBF. Además, se ha demostrado la robustez del sistema “ultrawideband” (UWB) de ondas milimétricas y terahercios monostático de campo cercano en el dominio de la frecuencia, a 100 GHz y 300 GHz, utilizando el algoritmo de imaging. Finalmente, mediante el sistema UWB, se han demostrado las prestaciones del concepto de “differential imaging” para estimar las corrientes superficiales generadas por una antena sobre un vehículo.

[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Millimeter-wave (mmW) and terahertz frequencies offer unique characteristics for simultaneous good spatial resolution and penetrability. Frequency modulated continuous wave (FMCW) radars are part of the new sensing devices installed in vehicles to scan the environment. The next generation of connected and autonomous vehicles will be equipped with a high number of antennas operating over a wide range of frequencies for communications and sensing of the ambient environment. The study of 3D spatial angular responses and radiation patterns modified by the radiation structure and by the vehicle structure will enable better integration of the associated communication and sensing antennas. The W-band multi-frequency bifocused imaging (MFBF) algorithm using FMCW radar has direct applicability in improving concealed weapon detection, such as proximity sensors for collision avoidance and pedestrian detection in vehicles. This thesis evaluates the feasibility of using the intermediate frequency (IF) signal provided by a homodyne FMCW radar operating at 77 GHz as input to the mmW monostatic-bistatic MFBF algorithm from a theoretical and simulation point of view. The results of the MFBF algorithm using the FMCW radar are compared with those obtained using FSCW, equivalent to the S21 parameter obtained from a vector network analyzer (VNA). Additionally, the capability of this radar system using the MFBF imaging algorithm to obtain images from an analytical and experimental point of view has also been investigated. Two sets of measurements were performed, using reference targets, in the W-band at 100 GHz and in the terahertz band at 300 GHz. Finally, this thesis has studied theoretically, by means of electromagnetic simulation and experimental, the method of obtaining currents produced by an antenna radiating on a vehicular platform using differential imaging. The simulation and experimental part of the study focuses on the measurement of a scaled target using an imaging system operating in a terahertz band - from 220 to 330 GHz – which coincides with a 5G frequency band. It is concluded that it is feasible to use the IF signals provided by a homodyne FMCW radar as input to the monostatic-bistatic MFBF algorithm. Furthermore, the robustness of the near-field monostatic millimeter-wave and terahertz near-field ultrawideband (UWB) system in the frequency domain at 100 GHz and 300 GHz using the imaging algorithm was demonstrated. Finally, the concept of differential imaging using the UWB system has been demonstrated to estimate the surface currents generated by an antenna on a vehicle.