Радарная оценка области значений FMCW

Следующая модель показывает сквозную радиолокационную систему FMCW. Системная настройка похожа на MATLAB® Automotive Adaptive Cruise Control Используя Технологический пример FMCW. Единственная разница между этой моделью и вышеупомянутым примером - то, что эта модель имеет развертку формы волны FMCW, которая симметрична вокруг несущей частоты.

Рисунок показывает поток сигналов в модели. Блоки Simulink, которые составляют модель, разделены на два главных раздела, раздел Radar и раздел Channel и Target. Теневой блок слева представляет радиолокационную систему. В этом разделе сигнал FMCW сгенерирован и передан. Этот раздел также содержит приемник, который получает радарное эхо и выполняет ряд операций, таких как dechirping и импульсное интегрирование, чтобы оценить целевой диапазон. Теневой блок на правильных моделях распространение сигнала через пробел и его отражение от автомобиля. Выход системы, предполагаемой области значений в метрах, показывают в блоке отображения слева.

Радар

Радиолокационная система состоит из совмещенного передатчика и приемника, смонтированного на транспортном средстве, проходящем прямая дорога. Это содержит компоненты обработки сигналов, должен был извлечь информацию из возвращенного целевого эха.

В Радаре целевое эхо проходит несколько шагов обработки сигналов, прежде чем целевой диапазон сможет быть оценен. Подсистема обработки сигналов состоит из двух высокоуровневых этапов обработки.

В Этапе 2, каждом Detection and Estimation Chain блок состоит из 3 шагов обработки.

Образуйте канал и предназначайтесь

Канал и Целевая часть модели симулируют распространение сигнала и отражение от целевого транспортного средства.

В Автомобильной подсистеме целевое транспортное средство моделируется как цель точки с заданной эффективной площадью рассеивания. Эффективная площадь рассеивания используется, чтобы измериться, сколько степени может быть отражено от цели.

В сценарии этой модели радарное транспортное средство запускается в начале координат, перемещающемся на уровне 100 км/ч (27,8 м/с), в то время как целевое транспортное средство запускается на уровне 43 метров перед радарным транспортным средством, перемещающимся на уровне 96 км/ч (26,7 м/с). Положения и скорости и радара и целевых транспортных средств используются в канале распространения, чтобы вычислить задержку, Доплера и потерю сигнала.

Исследование модели

Несколько диалоговых параметров модели вычисляются функцией помощника helperslexFMCWParam. Чтобы открыть функцию из модели, нажмите на Modify Simulation Parameters блок. Эта функция выполняется однажды, когда модель загружается. Это экспортирует в рабочую область структуру, на поля которой ссылаются диалоговые окна. Чтобы изменить любые параметры, или измените значения в структуре в командной строке или отредактируйте функцию помощника и повторно выполните его, чтобы обновить структуру параметра.

Результаты и отображения

Спектрограмма FMCW сигнализирует ниже показов, что сигнал линейно развертывает промежуток 150 МГц приблизительно каждые 7 микросекунд. Эта форма волны обеспечивает разрешение приблизительно 1 метра.

Спектр сигнала dechirped показывают ниже. Фигура указывает, что частота удара, введенная к установленному сроку, составляет приблизительно 100 кГц. Обратите внимание на то, что после dechirp, сигнал имеет только одну частотную составляющую. Получившаяся оценка области значений, вычисленная от этой частоты удара, как отображено в полной модели выше, хорошо в 1-метровом разрешении области значений.

Однако этот результат получен с каналом распространения свободного пространства. В действительности распространение между транспортными средствами часто включает разнообразные пути между передатчиком и приемником. Поэтому сигналы от различных путей могут добавить или конструктивно или пагубно в приемнике. Следующий раздел устанавливает распространение на канал 2D луча, который является самым простым многопутевым каналом.

Запустите симуляцию и наблюдайте спектр сигнала dechirped.

Обратите внимание на то, что больше нет доминирующей частоты удара, потому что в этой области значений, сигнал от прямого пути и отраженного пути объединяется пагубно, таким образом, уравновешивая друг друга. Это может также быть замечено по предполагаемой области значений, которая больше не совпадает с основной истиной.

Радарная область значений FMCW и оценка скорости нескольких целей

Модель в качестве примера ниже показов подобная сквозная радиолокационная система FMCW, которая симулирует 2 цели. Этот пример оценивает и область значений и скорость обнаруженных целей.

Модель является по существу тем же самым как предыдущим примером с 4 первичными различиями. Эта модель:

Радар

Эта модель использует соединение Доплера области значений, обрабатывающее в подсистеме обработки сигналов. Обработка соединения в области Доплера области значений позволяет оценить Доплера через несколько разверток и затем использовать ту информацию, чтобы разрешить Доплера области значений, связывающегося, приводя к лучшим оценкам области значений.

Подсистему обработки сигналов показывают подробно ниже.

Этапы, которые составляют подсистему обработки сигналов, похожи на предшествующий пример. Каждый этап выполняет следующие действия.

Как упомянуто 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 удара имеет и область значений и связанную информацию о скорости. Обработка области значений и Доплера одновременно позволяет нам удалить эту неоднозначность. Пока развертка достаточно быстра так, чтобы цель осталась в том же логическом элементе области значений для нескольких разверток, Доплер может быть вычислен через несколько разверток и затем раньше может корректировать начальные оценки области значений.

Образуйте канал и предназначайтесь

Существует теперь два целевых транспортных средства в сцене, помеченной как Автомобиль и Грузовик, и каждое транспортное средство имеет связанный канал распространения. Автомобиль запускает 50 метров перед радарным транспортным средством и перемещается со скоростью 60 км/ч (16,7 м/с). Грузовик запускается на уровне 150 метров перед радарным транспортным средством и перемещается со скоростью 130 км/ч (36,1 м/с).

Исследование модели

Несколько диалоговых параметров модели вычисляются функцией помощника helperslexFMCWMultiTargetsParam. Чтобы открыть функцию из модели, нажмите на Modify Simulation Parameters блок. Эта функция выполняется однажды, когда модель загружается. Это экспортирует в рабочую область структуру, на поля которой ссылаются диалоговые окна. Чтобы изменить любые параметры, или измените значения в структуре в командной строке или отредактируйте функцию помощника и повторно выполните его, чтобы обновить структуру параметра.

Результаты и отображения

Сигнал FMCW, показанный ниже, эквивалентен в предыдущей модели.

Две цели могут визуализироваться в карте Доплера области значений ниже.

Карта правильно показывает две цели: один на уровне 50 метров и один на уровне 150 метров. 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 знак минус указывает, что Грузовик переезжает от радарного транспортного средства. Точные оценки скорости могут затруднить, чтобы вывести из карты Доплера области значений, но предполагаемые области значений и скорости показывают численно в блоках отображения в модели слева. Как видно, оценки скорости совпадают с ожидаемыми значениями хорошо.

Радарная область значений MFSK и оценка скорости нескольких целей

Чтобы смочь сделать, объединенная оценка области значений и скорости с помощью вышеупомянутого подхода, развертка должна быть довольно быстрой, чтобы гарантировать, что транспортное средство является приблизительно стационарным во время развертки. Это часто переводит в более высокие затраты на оборудование. MFSK является новой формой волны, специально разработанной для автомобильного радара так, чтобы это могло достигнуть одновременной области значений и оценки скорости с более длинными развертками.

Пример ниже показов, как использовать форму волны MFSK, чтобы выполнить оценка скорости и область значений. Настройка сцены совпадает с предыдущей моделью.

Первичные различия между этой моделью и предыдущим находятся в блоке формы волны и подсистеме обработки сигналов. Форма волны MFSK по существу состоит из двух разверток FMCW со смещением фиксированной частоты. Развертка в этом случае происходит на дискретных шагах. От параметров блока формы волны MFSK время развертки может быть вычислено как продукт времени шага и количество шагов на развертку. В этом примере время развертки - немного более чем 2 мс, который является несколькими порядками, больше, чем эти 7 микросекунд для FMCW, используемого в предыдущей модели. Для получения дополнительной информации о форме волны MFSK смотрите Одновременную Оценку Области значений и Скорости Используя пример Формы волны MFSK.

Подсистема обработки сигналов описывает, как сигнал обрабатывается для формы волны MFSK. Сигнал сначала произведен в конце каждого шага и затем преобразован в частотный диапазон через БПФ. 1-мерный CA CFAR детектор используется, чтобы идентифицировать peaks, который соответствует целям в спектре. Затем частота в каждом пиковом местоположении и разности фаз между двумя развертками используется, чтобы оценить область значений и скорость целевых транспортных средств.

Исследование модели

Несколько диалоговых параметров модели вычисляются функцией помощника helperslexMFSKMultiTargetsParam. Чтобы открыть функцию из модели, нажмите на Modify Simulation Parameters блок. Эта функция выполняется однажды, когда модель загружается. Это экспортирует в рабочую область структуру, на поля которой ссылаются диалоговые окна. Чтобы изменить любые параметры, или измените значения в структуре в командной строке или отредактируйте функцию помощника и повторно выполните его, чтобы обновить структуру параметра.

Результаты и отображения

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

Радарная область значений FMCW, скорость и угловая оценка нескольких целей

Можно улучшить угловое разрешение радара при помощи массива антенн. В этом примере показано, как разрешить три целевых транспортных средства, перемещающиеся в отдельных маршрутах перед транспортным средством, перевозящим антенную решетку.

В этом сценарии радар перемещается в центральном маршруте магистрали на уровне 100 км/ч (27,8 м/с). Первое целевое транспортное средство перемещается 20 метров вперед в том же маршруте как радар на уровне 85 км/ч (23,6 м/с). Второе целевое транспортное средство перемещается на уровне 125 км/ч (34,7 м/с) в правильном маршруте и составляет 40 метров вперед. Третье целевое транспортное средство перемещается на уровне 110 км/ч (30,6 м/с) в левом маршруте и составляет 80 метров вперед. Антенная решетка радарного транспортного средства является универсальной линейной матрицей (ULA) с 4 элементами.

Источник системы координат сценария в радарном транспортном средстве. Область значений основной истины, 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 направление оценки прибытия в дополнение к области значений и Доплеру, обрабатывающему.

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

Исследование модели

Несколько диалоговых параметров модели вычисляются функцией помощника helperslexFMCWMultiTargetsDOAParam. Чтобы открыть функцию из модели, нажмите на Modify Simulation Parameters блок. Эта функция выполняется однажды, когда модель загружается. Это экспортирует в рабочую область структуру, на поля которой ссылаются диалоговые окна. Чтобы изменить любые параметры, или измените значения в структуре в командной строке или отредактируйте функцию помощника и повторно выполните его, чтобы обновить структуру параметра.

Результаты и отображения

Предполагаемые результаты показывают в модели и совпадают с ожидаемыми значениями хорошо.

Сводные данные

Первая модель показывает, как использовать радар FMCW, чтобы оценить область значений целевого транспортного средства. Информацией, выведенной из эха, такого как расстояние до целевого транспортного средства, являются необходимые входные параметры к полной автомобильной системе ACC.

Пример также обсуждает, как выполнить объединенного Доплера области значений, обрабатывающего, чтобы вывести и область значений и информацию о скорости целевых транспортных средств. Однако стоит отметить, что, когда время развертки долго, системная возможность оценки скорости ухудшается, и возможно, что объединенная обработка больше не может предоставлять точную компенсацию за Доплера области значений, связывающегося. Больше обсуждения этой темы может быть найдено в MATLAB Автомобильным Адаптивным Круиз-контролем Используя Технологический пример FMCW.

Следующая модель показывает, как выполнить ту же область значений и оценку скорости с помощью формы волны MFSK. Эта форма волны может достигнуть объединенной области значений и оценки скорости с более длинными развертками, таким образом уменьшая требования к аппаратным средствам.

Последняя модель является радаром FMCW, показывающим антенную решетку, которая выполняет область значений, скорость и угловую оценку.