Оценка радиолокационной области значений FMCW

Следующая модель показывает сквозную радиолокационную систему FMCW. Настройка системы подобна примеру MATLAB ® Automotive Adaptive Cruise Control с использованием технологии FMCW. Единственное различие между этой моделью и вышеупомянутым примером заключается в том, что эта модель имеет свип формы волны FMCW, который симметричен вокруг несущей частоты.

Рисунок показывает поток сигналов в модели. Блоки Simulink, которые составляют модель, разделены на два основных раздела, раздел Radar и раздел Channel и Target. Затененный блок слева представляет собой радиолокационную систему. В этом разделе формируется и передается сигнал FMCW. Этот раздел также содержит приемник, который захватывает радиолокационное эхо и выполняет ряд операций, таких как дешифрование и импульсное интегрирование, чтобы оценить целевую область значений. Затененный блок справа моделирует распространение сигнала через пространство и его отражение от автомобиля. Выход системы, предполагаемая область значений в метрах, показан в блоке отображения слева.

Радар

Радиолокационная система состоит из совместно расположенных передатчика и приемника, установленного на транспортном средстве, движущемся по прямой дороге. Он содержит компоненты обработки сигналов, необходимые для извлечения информации из возвращенного целевого эхо-сигнала.

В радаре целевое эхо проходит несколько шагов обработки сигнала, прежде чем можно будет оценить целевую область значений. Подсистема обработки сигналов состоит из двух высокоуровневых этапов обработки.

На этапе 2 каждый Detection and Estimation Chain блок состоит из 3 этапов обработки.

Канал и цель

Часть Channel и Target модели моделирует распространение сигнала и отражение от целевого транспортного средства.

В Подсистеме Автомобиля целевое транспортное средство моделируется как точечная цель с заданным радарным сечением. Сечение радара используется, чтобы измерить, какая степень может быть отражена от цели.

В сценарии этой модели радиолокационное транспортное средство стартует в источник, перемещаясь со скоростью 100 км/ч (27,8 м/с), в то время как целевое транспортное средство стартует с 43 метров перед радиолокационным транспортным средством, перемещаясь со скоростью 96 км/ч (26,7 м/с). Положения и скорости как радара, так и транспортных средств используются в канале распространения, чтобы вычислить задержку, Допплер и потери сигнала.

Исследование модели

Несколько диалоговых параметров модели вычисляются вспомогательной функцией helperslexFMCWParam. Чтобы открыть функцию из модели, нажмите Modify Simulation Parameters блок. Эта функция выполняется один раз, когда модель загружена. Он экспортирует в рабочую область структуру, на поля которой ссылаются диалоговые окна. Чтобы изменить любые параметры, либо измените значения в структуре в командной строке, либо отредактируйте функцию helper и перезапустите ее, чтобы обновить структуру параметра.

Результаты и отображения

Спектрограмма сигнала FMCW ниже показывает, что сигнал линейно охватывает диапазон 150 МГц приблизительно каждые 7 микросекунд. Эта форма волны обеспечивает разрешение приблизительно 1 метр.

Спектр дешифрованного сигнала показан ниже. Рисунок показывает, что частота пульсации, введенная мишенью, составляет приблизительно 100 кГц. Обратите внимание, что после дешифровки сигнал имеет только одну частотную составляющую. Получившаяся оценка области значений, рассчитанная на основе этой частоты пульсации, как показано в общей модели выше, хорошо находится в пределах разрешения области значений 1 метр.

Однако этот результат получается с каналом распространения свободного пространства. В действительности, распространение между транспортными средствами часто включает в себя несколько путей между передатчиком и приемником. Поэтому сигналы от различных путей могут добавляться или конструктивно, или разрушительно в приемнике. Следующий раздел устанавливает распространение на двухлучевой канал, который является простейшим многолучевым каналом.

Запустите симуляцию и наблюдайте спектр дешифрованного сигнала.

Обратите внимание, что больше нет доминирующей частоты пульсации, потому что в этой области значений сигнал от прямого пути и отраженного пути объединяются разрушительно, тем самым подавляя друг друга. Это также видно по оценочной области значений, которая больше не соответствует основной истине.

Оценка радиолокационной области значений FMCW и скорости для нескольких целей

Пример модели ниже показывает аналогичную сквозную радиолокационную систему FMCW, которая имитирует 2 цели. Этот пример оценивает и область значений, и скорость обнаруженных целей.

Модель по существу совпадает с предыдущим примером с 4 первичными различиями. Эта модель:

Радар

Эта модель использует обработку соединений диапазона-Допплера в подсистеме обработки сигналов. Совместная обработка в области диапазона-Доплера позволяет оценить Доплер через несколько свипов и затем использовать эту информацию для разрешения связывания диапазон-Доплер, получая лучшие оценки области значений.

Подсистема обработки сигналов подробно показана ниже.

Каскады, которые составляют подсистему обработки сигналов, аналогичны предыдущему примеру. Каждый этап выполняет следующие действия.

Как упоминалось в начале примера, радар FMCW использует сдвиг частоты, чтобы вывести область значений цели. Однако движение цели может также ввести сдвиг частоты из-за эффекта Доплера. Поэтому частота пульсации имеет и область значений, и связанную информацию о скорости. Область значений обработки и Допплер в то же время позволяют нам удалить эту неоднозначность. Пока свип является достаточно быстрым, так что цель остается в том же диапазоне ворот для нескольких свипов, Доплер может быть вычислен через несколько свипов, а затем использоваться, чтобы исправить начальные оценки области значений.

Канал и цель

Теперь в сцене есть два целевых транспортных средств, помеченных как Автомобиль и Грузовик, и каждое транспортное средство имеет связанный канал распространения. Машина запускается на 50 метров перед транспортным средством радара и перемещается со скоростью 60 км/ч (16,7 м/с). Грузовик стартует в 150 метрах перед транспортным средством радара и движется со скоростью 130 км/ч (36,1 м/с).

Исследование модели

Несколько диалоговых параметров модели вычисляются вспомогательной функцией helperslexFMCWMultiTargetsParam. Чтобы открыть функцию из модели, нажмите Modify Simulation Parameters блок. Эта функция выполняется один раз, когда модель загружена. Он экспортирует в рабочую область структуру, на поля которой ссылаются диалоговые окна. Чтобы изменить любые параметры, либо измените значения в структуре в командной строке, либо отредактируйте функцию helper и перезапустите ее, чтобы обновить структуру параметра.

Результаты и отображения

Сигнал FMCW, показанный ниже, такой же, как и в предыдущей модели.

Две цели могут быть визуализированы на карте Доплера диапазона ниже.

На карте правильно показаны две цели: одна на 50 метрах и одна на 150 метрах. Поскольку радар может только измерить относительную скорость, ожидаемые значения скорости для этих двух транспортных средств составляют 11,1 м/с и -8,3 м/с, соответственно, где отрицательный знак указывает, что грузовик удаляется от радара. Точные оценки скорости могут оказаться трудными для вывода из карты Доплера диапазона, но оценённые области значений и скорости показаны численно в блоках отображения в модели слева. Как видно, оценки скорости хорошо соответствуют ожидаемым значениям.

Оценка радиолокационной области значений и скорости нескольких целей MFSK

Чтобы иметь возможность выполнять область значений соединения и оценку скорости с помощью вышеописанного подхода, стреловидность должна быть довольно быстрой, чтобы убедиться, что транспортное средство является приблизительно стационарной во время стреловидности. Это часто приводит к более высокой стоимости оборудования. MFSK является новой формой волны, разработанной специально для автомобильного радара, чтобы он мог достичь одновременной области значений и скорости с более длинными свипами.

В приведенном ниже примере показано, как использовать форму волны MFSK для выполнения оценки области значений и скорости. Настройка сцены аналогична настройке предыдущей модели.

Основные различия между этой моделью и предыдущей состоят в блоке формы волны и подсистеме обработки сигналов. Форма волны MFSK по существу состоит из двух FMCW-стрелы с фиксированным смещением частоты. Свип в этом случае происходит на дискретных шагах. Из параметров блока формы волны MFSK время свипа может быть вычислено как продукт времени шага и количества шагов на свип. В этом примере время свипа немного превышает 2 мс, что на несколько порядков больше, чем 7 микросекунд для FMCW, используемой в предыдущей модели. Для получения дополнительной информации о форме волны MFSK смотрите Одновременную оценку области значений и скорости с использованием примера формы волны MFSK.

Подсистема обработки сигналов описывает, как сигнал обрабатывается для формы волны MFSK. Сначала сигнал дискретизируется в конце каждого шага, а затем преобразуется в частотный диапазон через БПФ. Одномерная CA CFAR детектор используется для идентификации peaks, которые соответствуют целям, в спектре. Затем частота в каждом пиковом местоположении и различие фаз между двумя свипами используются, чтобы оценить область значений и скорость целевых транспортных средств.

Исследование модели

Несколько диалоговых параметров модели вычисляются вспомогательной функцией helperslexMFSKMultiTargetsParam. Чтобы открыть функцию из модели, нажмите Modify Simulation Parameters блок. Эта функция выполняется один раз, когда модель загружена. Он экспортирует в рабочую область структуру, на поля которой ссылаются диалоговые окна. Чтобы изменить любые параметры, либо измените значения в структуре в командной строке, либо отредактируйте функцию helper и перезапустите ее, чтобы обновить структуру параметра.

Результаты и отображения

Предполагаемые результаты показаны в модели, совпадая с результатами, полученными из предыдущей модели.

Оценка радиолокационной области значений FMCW, скорости и угла для нескольких целей

Можно улучшить угловое разрешение радара при помощи массива антенн. Этот пример показывает, как разрешить три целевых автомобиля, движущихся по отдельным полосам перед транспортным средством, несущим антенную решетку.

В этом сценарии радар движется по центральной полосе шоссе со скоростью 100 км/ч (27,8 м/с). Первое целевое транспортное средство двигается на 20 метров вперед по той же полосе, что и радар, со скоростью 85 км/ч (23,6 м/с). Второе целевое транспортное средство едет со скоростью 125 км/ч (34,7 м/с) по правой полосе и на 40 метров вперед. Третье целевое транспортное средство едет со скоростью 110 км/ч (30,6 м/с) по левой полосе и на 80 метров впереди. Антенная решетка радарного транспортного средства является 4-элементным равномерным линейным массивом (ULA).

Источник системы координат сценария находится в радиолокационном транспортном средстве. Основная истина области значений, скорость и угол целевых транспортных средств относительно радара

                Range (m)      Speed (m/s)        Angle (deg)
  ---------------------------------------------------------------
    Car 1         20               4.2               0
    Car 2         40.05           -6.9              -2.9
    Car 3         80.03           -2.8               1.4

Подсистема обработки сигналов теперь включает в себя оценку направления поступления в дополнение к области значений и доплеровской обработке.

Обработка очень похожа на ранее обсуждавшуюся модель FMCW Multiple Target. Однако в этой модели существует 5 этапов вместо 4.

Исследование модели

Несколько диалоговых параметров модели вычисляются вспомогательной функцией helperslex FMCWM ulti Targets DOAP aram. Чтобы открыть функцию из модели, нажмите Modify Simulation Parameters блок. Эта функция выполняется один раз, когда модель загружена. Он экспортирует в рабочую область структуру, на поля которой ссылаются диалоговые окна. Чтобы изменить любые параметры, либо измените значения в структуре в командной строке, либо отредактируйте функцию helper и перезапустите ее, чтобы обновить структуру параметра.

Результаты и отображения

Предполагаемые результаты показаны в модели и хорошо соответствуют ожидаемым значениям.

Сводные данные

Первая модель показывает, как использовать радар FMCW для оценки области значений целевого транспортного средства. Информация, полученная из эхо-сигнала, например расстояние до целевого транспортного средства, являются необходимыми входами в полную систему ACC автомобиля.

В примере также обсуждается, как выполнить комбинированную обработку Доплера диапазона, чтобы вывести информацию о области значений и скорости целевых транспортных средств. Однако следует отметить, что, когда время развертки является большим, способность системы оценивать скорость ухудшается, и возможно, что совместная обработка больше не может обеспечить точную компенсацию для диапазонно-допплеровской связи. Больше обсуждений по этой теме можно найти в примере автомобильного адаптивного круиз-контроля MATLAB с использованием технологии FMCW.

Следующая модель показывает, как выполнить ту же область значений и оценку скорости с помощью формы волны MFSK. Эта форма волны может достичь области значений соединений и оценки скорости с более длинными свипами, таким образом снижая требования к оборудованию.

Последняя модель является радаром FMCW с антенной решеткой, которая выполняет оценку области значений, скорости и угла.