三角形扫FMCW波形

在汽车自适应巡航控制系统使用FMCW技术(雷达工具箱)例如汽车雷达系统设计为自动巡航控制系统执行范围估计。在后者的例子中,一个三角形扫FMCW波形是用来估计目标的距离和速度同时车辆。

虽然三角形扫FMCW波形优雅地解决了range-Doppler单个目标的耦合问题,在多目标情况下它的处理变得复杂。下一节将展示如何一个三角形扫FMCW波形两个目标存在时的行为。

场景包括一辆车50米远离雷达,96公里/小时的速度沿着同一方向的雷达,和一辆卡车在55米,时速70 km / h在相反的方向。雷达本身是60 km / h的速度运行。

rng (2015);[fmcwwaveform、目标,tgtmotion,通道,发射机,接收机,…sensormotion c fc,λ,fs maxbeatfreq] = helperMFSKSystemSetup;

接下来,从两辆车模拟雷达回波。FMCW波形扫描带宽为150 MHz距离分辨率是1米。每向上或向下扫1毫秒,所以每个三角形扫描需要2毫秒。注意,只需要扫描一个三角形进行联合估计范围和速度。

Nsweep = 2;xr = helperFMCWSimulate (Nsweep fmcwwaveform、sensormotion tgtmotion,…发射机、通道、目标、接收机);

虽然系统需要一个150 MHz带宽,最大的拍频是非常少的。这意味着在处理端,可以毁掉一个信号频率来缓解硬件要求较低。然后击败频率估计使用摧毁信号。

dfactor =装天花板(fs / maxbeatfreq) / 2;fs_d = fs / dfactor;fbu_rng = rootmusic(毁掉(xr (: 1), dfactor), 2, fs_d);fbd_rng = rootmusic(毁掉(xr (:, 2), dfactor), 2, fs_d);

现在有两个打频率的扫描和两个跳动频率扫描。因为任何一双打败频率从扫描和扫描可以定义一个目标,有四种可能的组合的范围和多普勒估计,但只有其中两个与真正的目标。

sweep_slope = fmcwwaveform.SweepBandwidth / fmcwwaveform.SweepTime;rng_est = beat2range ([fbu_rng fbd_rng; fbu_rng flipud (fbd_rng)],…sweep_slope, c)

rng_est =4×149.9765 54.9088 64.2963 40.5891

剩下的两个是通常被称为鬼的目标。真正的目标之间的关系和鬼魂的目标可以更好地解释使用时频表示。

如图,每个路口的一个扫描返回,一个扫描返回表示一个可能的目标。所以区分真正的目标是至关重要的和鬼魂的目标。为了解决这个模棱两可,可以传输更多FMCW信号与不同的斜坡。因为只有真正的目标会占据相同的十字路口在时频域中,歧义是解决。然而,这种方法大大提高了处理复杂性以及所需的处理时间获得有效的估计。

MFSK波形

多频移键控(MFSK)波形[1]是专为汽车雷达实现同步范围和多普勒估计多个目标形势下没有落入的陷阱鬼魂的目标。它的时频表示如下图所示。

图表明MFSK波形是两个线性FMCW波形的组合与一个固定的频率偏移。与常规FMCW波形不同,MFSK扫整个带宽离散步骤。在每个步骤中,一个单频连续波信号传播。因为有两个音调在每个步骤中,它可以被视为一种频移键控(移频键控)的波形。因此,有一个的范围和多普勒关系FMCW波形和另一组距离和多普勒频移频键控的关系。结合两套一起关系可以帮助解决范围之间的耦合和多普勒不管目标出现在现场的数量。

以下部分模拟前面的示例,但是使用一个MFSK波形。

端到端使用MFSK雷达系统仿真波形

首先,参数化MFSK波形满足系统需求中指定[1]。因为距离分辨率是1米,扫描带宽设置为150 MHz。此外,在-294 kHz频率偏移设置中指定[1]。每一步持续约2微秒,整个扫描1024步。因此,每个FMCW扫描需要512步和总扫描时间略高于2 ms。注意,扫描时间与FMCW信号用于前面部分。

mfskwaveform = phased.MFSKWaveform (…“SampleRate”151 e6,…“SweepBandwidth”150 e6,…“StepTime”2 e-6…“StepsPerSweep”,1024,…“FrequencyOffset”-294年e3,…“OutputFormat”,“清洁工”,…“NumSweeps”1);

下图展示了波形的光谱图。更好的揭示是放大到一个小间隔的时频特征波形。

numsamp_step =圆(mfskwaveform.SampleRate * mfskwaveform.StepTime);sig_display = mfskwaveform ();光谱图(sig_display (1:8192), kaiser (3 * numsamp_step, 100),…装天花板(2 * numsamp_step), linspace (0, 4 e6, 2048), mfskwaveform.SampleRate,…“桠溪”,“重新分配”,“minthreshold”,-60)

接下来,模拟系统的返回。再一次,只有一个扫描需要估计范围和多普勒。

Nsweep = 1;释放(渠道);通道。SampleRate = mfskwaveform.SampleRate;释放(接收器);接收器。SampleRate = mfskwaveform.SampleRate;xr = helperFMCWSimulate (Nsweep mfskwaveform、sensormotion tgtmotion,…发射机、通道、目标、接收机);

后续处理样品返回的回声的每一步和组采样信号分为两序列对应于两个清洁工。注意,生成的序列的采样频率是每一步的时间成正比,这是最初的采样率相比少得多。

x_dechirp =重塑(xr (numsamp_step: numsamp_step:结束),2,[])”;fs_dechirp = 1 / (2 * mfskwaveform.StepTime);

在FMCW信号的情况下,MFSK波形是在频域处理的。以下数据显示接收到的回声报对应的频率范围两个清洁工。

xf_dechirp = fft (x_dechirp);num_xf_samp =大小(xf_dechirp, 1);beatfreq_vec = (0: num_xf_samp-1)。/ num_xf_samp * fs_dechirp;clf次要情节(211),情节(beatfreq_vec / 1 e3, abs (xf_dechirp(: 1)))网格在ylabel (“级”)标题(的频谱扫描1 ')次要情节(212)、情节(beatfreq_vec / 1 e3, abs (xf_dechirp(:, 2)))网格在ylabel (“级”)标题(“频谱扫描2”)包含(的频率(赫兹))

请注意,有两个峰值频谱表示两个目标。此外,山峰都在同一地点返回所以没有鬼魂的目标。

检测峰值,可以使用一个CFAR检测器。一旦发现,跳动的频率以及阶段差异两个光谱计算峰值位置。

cfar = phased.CFARDetector (“ProbabilityFalseAlarm”1飞行,…“NumTrainingCells”8);peakidx = cfar (abs (xf_dechirp (: 1)), 1: num_xf_samp);Fbeat = beatfreq_vec (peakidx);φ=角(xf_dechirp (peakidx 2)角(xf_dechirp (peakidx 1));

最后,跳动的频率和相位差异是用来估计范围和速度。这取决于你如何构建相位差,方程略有不同。对于这个示例中所示的方法,它可以显示范围和速度满足以下关系:

在哪里 $$f_b$$拍频, $$\Delta \varphi$$相位差, $$\lambda$$是波长, $$c$$是传播速度, $$T_{\mathrm{年代}}$$是时间步, $$f_{off\mathrm{年代}et}$$频率偏移, $$\beta$$是扫描斜率, $$R$$是范围, $$v$$是速度。基于方程,范围和速度估计如下。

sweep_slope = mfskwaveform.SweepBandwidth /…(mfskwaveform.StepsPerSweep * mfskwaveform.StepTime);temp =…[1 sweep_slope; mfskwaveform。StepTime mfskwaveform.FrequencyOffset) \…[Fbeatφ/(2 *π)]。”;:r_est = c *临时(2)/ 2

r_est =1×254.8564 - 49.6452

v_est =λ*临时(:1)/ (2)

v_est =1×236.0089 - -9.8495

估计范围和速度匹配很好真正的范围和速度值。

总结

这个例子显示了两个同时发生的范围和速度估计方法,使用一个三角形FMCW波形或MFSK波形。这个例子表明,MFSK波形有优势FMCW波形当多个目标,因为它不存在鬼介绍目标在处理。

引用

[1]埃尔,h . m . Meinecke。汽车雷达波形设计原则系统学报CIE雷达国际会议,2001。