Master thesis : FMCW Radar Prototyping for Proximity-Sensing Applications

Abstract

This master thesis studied the design, implementation and experimental validation of a FMCW radar prototype for proximity-fuze applications. The goal was to evaluate the feasibility of a short range radar chain able to detect targets under the constraints of high relative velocity, short ranges and compact hardware integration.

The work first presents radar techniques for proximity sensing, focusing on FMCW operation and its limitations in high-Doppler scenarios. The theoretical constraints related to chirp duration, beat-signal bandwidth, sampling frequency, and range-Doppler coupling are then analysed in order to identify realistic operating conditions for the developed 5.5 GHz prototype. An RF front-end is combined with an acquisition board based on an STM32H7 microcontroller. This board handles power distribution, analog signal conditioning, and digital signal processing for target range estimation.

The results confirmed the correct operation of the FMCW chain and the detection of a moving metallic reflector with the radar prototype. Due to hardware constraints, the FSK approach was explored in order to evaluate an alternative suitable to compact integration, while still allowing both range and velocity tracking of a target.

Ce travail de fin d'études étudie la conception, la réalisation et la validation expérimentale d’un prototype de radar FMCW destiné à des applications de détonateur de proximité. L'objectif était d'évaluer la faisabilité d'une chaîne radar courte portée capable de détecter des cibles dans des conditions contraintes par une vitesse relative élevée, ainsi qu'une intégration matérielle compacte.

Le travail présente d'abord les techniques radar pour la détection de proximité, en mettant l'accent sur le fonctionnement FMCW et sur ses limites dans les situations à fort effet Doppler. Les contraintes théoriques liées à la durée des chirps, à la bande passante du signal de battement, à la fréquence d'échantillonnage et au couplage distance-Doppler sont ensuite analysées afin d'identifier des conditions de fonctionnement réalistes pour le prototype à 5,5 GHz développé. Un front-end RF est associé à une carte d'acquisition basée sur un microcontrôleur STM32H7. Cette carte prend en charge la distribution de l'alimentation, le conditionnement analogique des signaux ainsi que leur traitement numérique, permettant ainsi l'estimation de la distance à la cible.

Les résultats ont confirmé le fonctionnement de la chaîne FMCW, la détection d'un réflecteur métallique mobile avec le prototype radar. En raison des contraintes matérielles, l'approche FSK a ensuite été explorée afin d’évaluer une alternative plus adaptée à l'implémentation embarquée, permettant le suivi en distance et vitesse d'une cible.