汽车自适应巡航控制系统使用FMCW技术
这个例子展示了如何模型汽车自适应巡航控制系统使用调频连续波(FMCW)技术。这个例子执行范围和多普勒估计一个移动的车辆。与脉冲雷达系统中常见的国防工业,汽车雷达系统通常采用FMCW技术。脉冲雷达相比,FMCW雷达更小,使用更少的力量,更便宜。因此,FMCW雷达只能监测距离要小得多。
FMCW波形
考虑一个汽车远程雷达(远程雷达)用于自适应巡航控制系统(ACC)。这种雷达通常占据了乐队大约77 GHz,显示在[1]。雷达系统不断估计车辆之间的距离是安装在前面的车辆,并提醒司机当两个太近。下图显示了ACC的草图。
一个受欢迎的波形在FMCW ACC系统使用。测距的原理使用FMCW技术可以使用下面的图。
接收到的信号的时滞副本传送信号的延迟,
相关范围。因为信号总是席卷一个频带,随时在扫描期间,频率不同,
,是一个常数之间的发送信号和接收信号。通常被称为“拍频”。因为扫描线性,可以推导出时间延迟的拍频,然后将推迟范围。
在ACC设置,最大射程雷达需要监控约200,系统需要能够区分两个目标相距1米。从这些需求,可以计算波形参数。
fc = 77 e9;c = 3 e8;λ= c / fc;
扫描时间可以计算基于信号旅行所需的时间明确的最大射程。一般来说,FMCW雷达系统,扫描时间应该至少5到6次往返时间。这个示例使用5.5倍。
range_max = 200;tm = 5.5 * range2time (range_max c);
扫描带宽可以根据距离分辨率和扫描确定边坡计算使用扫描带宽和扫描时间。
range_res = 1;bw = range2bw (range_res c);sweep_slope = bw / tm;
因为一个FMCW信号往往占据了一个巨大的带宽,盲目设置采样率的两倍带宽经常强调a / D转换器的硬件的能力。为了解决这个问题,通常可以选择一个较低的采样率。两件事可以被认为是:
对于一个复杂的采样信号,采样率可以设置为一样的带宽。
FMCW雷达估计目标范围使用植入dechirped的拍频信号。最大的拍频雷达需要检测的和拍频对应的最大范围和最大的多普勒频率。因此,采样率只需要最大的拍频的两倍。
在这个例子中,相对应的拍频最大范围是由
fr_max = range2beat (range_max sweep_slope c);
此外,汽车旅行的最大速度约为230公里/小时。因此,最大的多普勒频移和最大的拍频可以计算
v_max = 230 * 1000/3600;fd_max = speed2dop (2 * v_max,λ);fb_max = fr_max + fd_max;
本例中采用的采样率较大的最大的拍频和带宽的两倍。
fs = max (2 * fb_max bw);
下表总结了雷达参数。
系统参数值- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -工作频率(GHz) 77年的最大目标范围(m) 200距离分辨率(m) 1最大目标速度(公里/小时)230扫描时间(微秒)7.33扫描带宽(MHz) 150最大的拍频(27.30兆赫)采样率(MHz) 150
以上的所有信息,可以设置FMCW雷达系统中使用波形。
波形= phased.FMCWWaveform (“SweepTime”tm,“SweepBandwidth”bw,…“SampleRate”fs);
这是升调线性FMCW信号,通常被称为锯齿形状。一个可以检查生成的信号的时频图。
sig =波形();次要情节(211);情节(0:1 / fs: tm-1 / fs,真实(sig));包含(“时间(s)”);ylabel (“振幅(v)”);标题(“FMCW信号”);轴紧;次要情节(212);32岁的谱图(32岁的团体16 fs,“桠溪”);标题(“FMCW信号谱图”);
目标模型
ACC雷达的目标通常是一辆车在前面。这个例子假设前方目标车辆行驶50米的车雷达、96 km / h的速度沿轴。
一辆车的雷达截面,根据[1],可以计算基于汽车雷达与目标之间的距离。
car_dist = 43;car_speed = 96 * 1000/3600;car_rcs = db2pow (min (10 * log10 (car_dist) + 5, 20));cartarget = phased.RadarTarget (“MeanRCS”car_rcs,“PropagationSpeed”c…“OperatingFrequency”、fc);carmotion = phased.Platform (“InitialPosition”(car_dist; 0; 0.5),…“速度”,car_speed, 0, 0);
被认为是自由空间传播模型。
频道= phased.FreeSpace (“PropagationSpeed”c…“OperatingFrequency”足球俱乐部,“SampleRate”fs,“TwoWayPropagation”,真正的);
雷达系统设置
雷达系统的其余部分包括发射机、接收机、天线。下面的例子使用了[1]中给出的参数。注意,这个例子只模型主要部件和省略了从其他组件,如耦合器和混合器。此外,为了简单起见,假定为各向同性天线和天线的增益是包含在发射机和接收机。
ant_aperture = 6.06的军医;%在平方米ant_gain = aperture2gain (ant_aperture,λ);在dB %tx_ppower = db2pow (5) * 1 e - 3;%的美国瓦茨tx_gain = 9 + ant_gain;在dB %rx_gain = 15 + ant_gain;在dB %rx_nf = 4.5;在dB %发射机= phased.Transmitter (“PeakPower”tx_ppower,“获得”,tx_gain);接收机= phased.ReceiverPreamp (“获得”rx_gain,“NoiseFigure”rx_nf,…“SampleRate”fs);
汽车雷达通常安装在车辆上,所以他们往往在运动。这个例子假设雷达旅行100公里/小时的速度沿着轴。所以目标车接近雷达的相对速度4公里/小时。
radar_speed = 100 * 1000/3600;radarmotion = phased.Platform (“InitialPosition”(0,0,0.5),…“速度”,radar_speed, 0, 0);
雷达信号模拟
正如前面简要提到的部分,FMCW雷达测量范围通过检查dechirped的拍频信号。提取这个频率,由混合dechirp操作接收到的信号与传输信号。混合后,dechirped信号只包含单个目标区间对应的频率成分。
此外,尽管它有可能从一个扫描,提取多普勒信息提取的多普勒频移通常在几个清洁工,因为在一个脉冲多普勒频率和差频是不可区分的。测量范围和多普勒,FMCW雷达通常执行以下操作:
波形发生器生成FMCW信号。
发射机和天线放大信号和信号辐射到太空。
信号传播到目标,得到反映目标,和旅行回到雷达。
接收天线收集信号。
接收到的信号是dechirped和保存在一个缓冲区。
一旦一定数量的清洁工填满缓冲区,执行的傅里叶变换在范围和多普勒提取差频以及多普勒频移。一个可以估计目标的距离和速度使用这些结果。范围和多普勒也可以显示为一个图像和给一个直观的估计范围和速度的目标域。
下一节模拟上述过程。共有64名清洁工模拟和多普勒反应生成。
在模拟、频谱分析仪是用于显示每个收到的光谱扫描以及其dechirped同行。
specanalyzer = dsp.SpectrumAnalyzer (“SampleRate”fs,…“PlotAsTwoSidedSpectrum”,真的,…“标题”,“收到和dechirped信号谱”,…“ShowLegend”,真正的);
接下来,运行仿真循环。
rng (2012);Nsweep = 64;xr =复杂(0 (waveform.SampleRate * waveform.SweepTime Nsweep));为m = 1: Nsweep%更新雷达和目标位置[radar_pos, radar_vel] = radarmotion (waveform.SweepTime);[tgt_pos, tgt_vel] = carmotion (waveform.SweepTime);%传输FMCW波形sig =波形();txsig =发射机(团体);%传播信号和反射目标txsig =通道(txsig radar_pos、tgt_pos radar_vel, tgt_vel);txsig = cartarget (txsig);% Dechirp接收到的雷达回波txsig =接收机(txsig);dechirpsig = dechirp (txsig、团体);%可视化频谱specanalyzer ([txsig dechirpsig]);xr(:,米)= dechirpsig;结束
从光谱范围,可以看到,虽然接收到的信号是宽带(通道1),席卷整个带宽,dechirped信号变成窄带(通道2)。
范围和多普勒估计
之前估计的值范围和多普勒,这可能是一个好主意,看看所有64的放大范围多普勒反应清洁工。
rngdopresp = phased.RangeDopplerResponse (“PropagationSpeed”c…“DopplerOutput”,“速度”,“OperatingFrequency”足球俱乐部,“SampleRate”fs,…“RangeMethod”,FFT的,“SweepSlope”sweep_slope,…“RangeFFTLengthSource”,“属性”,“RangeFFTLength”,2048,…“DopplerFFTLengthSource”,“属性”,“DopplerFFTLength”,256);clf;plotResponse (rngdopresp xr);%情节范围多普勒地图这一轴([-v_max v_max 0 range_max]) = caxis;
从多普勒响应范围,可以看到前面的车有点超过40米之外,似乎几乎静态的。这预计,因为汽车相对于雷达的径向速度只有4公里/小时,仅相当于1.11 m / s。
有很多方法来估计目标的距离和速度的汽车。例如,一个可以选择几乎任何光谱分析方法提取差频和多普勒频移。下面的例子使用了根音乐算法提取差频和多普勒频移。
边注,虽然接收信号采样在150 MHz的系统可以实现所需的距离分辨率,dechirp后,只需要一个样品速度,对应于最大的拍频。以来最大的拍频一般小于所需的带宽,信号可以摧毁缓解硬件成本。下面的代码片段显示了大量毁灭的过程。
Dn =修复(fs / (2 * fb_max));为m =大小(xr, 2): 1:1 xr_d(:,米)=毁掉(Dn xr(:,米),“杉”);结束fs_d = fs / Dn;
估计范围,首先,使用前后一致地集成的拍频估计扫,然后转换为范围。
fb_rng = rootmusic (pulsint (xr_d“连贯”),1,fs_d);rng_est = beat2range (fb_rng sweep_slope c)
rng_est = 42.9976
第二,多普勒频移估计在扫描范围的目标。
peak_loc = val2ind (rng_est c / (fs_d * 2));fd = -rootmusic (xr_d (peak_loc:), 1, 1 / tm);λv_est = dop2speed (fd) / 2
v_est = 1.0830
注意,范围和多普勒估计都很准确。
距离多普勒耦合效应
一个问题与线性调频信号,比如FMCW信号,是距离多普勒耦合效应。正如前面所讨论的,目标范围对应拍频。因此,准确的估计范围取决于拍频的准确估计。然而,多普勒频移的存在改变了拍频,导致偏见的估计范围。
这个例子中概述的情况,造成的测距误差目标和雷达之间的相对速度
deltaR = rdcoupling (fd sweep_slope c)
deltaR = -0.0041
这个错误是如此之小,我们可以安全地忽略它。
尽管目前的设计是实现所需的性能,一个参数需要进一步关注。在当前配置中,扫描时间大约是7微秒。因此,系统需要扫描一个150 MHz频带内很短。这样一个汽车雷达可能无法满足成本要求。此外,考虑到汽车的速度,不需要使测量每7微秒。因此,汽车雷达经常使用更长的扫描时间。例如,[2]中使用的波形具有相同参数的波形设计在本例中除2的扫描时间。
更长的扫描时间距离多普勒耦合更突出。看到这种效果,首先配置使用2女士作为扫描时间波形。
waveform_tr =克隆(波形);释放(waveform_tr);tm = 2 e - 3;waveform_tr。SweepTime = tm;sweep_slope = bw / tm;
现在计算距离多普勒耦合。
deltaR = rdcoupling (fd sweep_slope c)
deltaR = -1.1118
1.14米的距离误差再也不能被忽视,需要补偿。自然,这样做的一个可能认为遵循同样的步骤概述了在之前的章节中,估算距离和多普勒,找出距离多普勒耦合的多普勒频移,然后删除错误的估计。
不幸的是,这个过程并不很适合工作长的扫描时间。扫描时间越长在扫描结果在一个较低的采样率,从而减少雷达的功能,明确检测高速车辆。例如,使用扫描时间2女士,最明确的速度使用传统的雷达系统可以检测多普勒处理
v_unambiguous = dop2speed (1 / (2 * tm),λ)/ 2
v_unambiguous = 0.4870
明确的速度只有0.48 m / s,这意味着相对速度,1.11 m / s,不能明确地发现。这不仅意味着目标多普勒处理汽车将出现放缓,但距离多普勒耦合也不能正确地补偿。
解决这种模棱两可没有多普勒处理的一种方法是采用三角形扫描模式。下一节展示了三角扫描地址问题。
三角扫描
在三角扫描,有扫一扫,一下来形成一个周期,如下列图所示。
两个清洁工有相同的斜率除了不同的迹象。从图一可以看出,多普勒频率的存在,
,影响频率(
和
)在上下不同的清洁工。因此通过结合两上下跳动频率扫描,可以平均多普勒的耦合效应和范围估计可以获得没有歧义。
首先,使用三角扫描设置波形。
waveform_tr。SweepDirection =“三角形”;
现在模拟信号返回。由于扫描时间越长,更少的清洁工(16和64)之前收集处理。
Nsweep = 16;xr = helperFMCWSimulate (Nsweep waveform_tr、radarmotion carmotion,…发射机、通道、cartarget接收机);
单独的扫描和扫描处理获得相对应的跳动频率上下扫描。
fbu_rng = rootmusic (pulsint (xr(1:2,::结束),“连贯”),1,fs);fbd_rng = rootmusic (pulsint (xr(: 2:2:结束),“连贯”),1,fs);
使用这两种扫描和扫描同时跳动频率,正确的估计范围。
rng_est = beat2range ([fbu_rng fbd_rng], sweep_slope, c)
rng_est = 42.9658
此外,多普勒频移和速度也可以以类似的方式中恢复过来。
fd = - (fbu_rng + fbd_rng) / 2;λv_est = dop2speed (fd) / 2
v_est = 1.1114
估计范围和速度匹配的真实值,43 m和1.11 m / s,很好。
双线传播
完成讨论,在现实中,雷达和目标之间的实际信号传播工具是更复杂的比建模。例如,无线电波可以通过反射到达目标车辆。一个简单而被广泛使用的模型来描述这种多路径场景是一个双线模型,在雷达的信号传播到目标车辆通过两条路径,一个直接路径和一个反映道路路面情况,如下图所示。
道路影响的反射信号和接收信号的相位在目标车辆的连贯组合信号通过两条路径。同样的事情发生在回程的反射信号目标车辆旅行回雷达。因此根据车辆之间的距离,信号从不同的路径可能会增加建设性或点火,使信号强度波动。这样的波动会带来一些挑战在连续检测阶段。
下一节展示多路径效应,使用两个光通道模型传播之间的信号雷达和目标车辆。
txchannel = phased.TwoRayChannel (“PropagationSpeed”c…“OperatingFrequency”足球俱乐部,“SampleRate”fs);rxchannel = phased.TwoRayChannel (“PropagationSpeed”c…“OperatingFrequency”足球俱乐部,“SampleRate”fs);Nsweep = 64;xr = helperFMCWTwoRaySimulate (Nsweep、波形、radarmotion carmotion,…发射机、txchannel rxchannel cartarget,接收机);plotResponse (rngdopresp xr);%情节范围多普勒地图轴([-v_max v_max 0 range_max]);caxis(爬);
剩下所有的设置相同,由此产生的比较range-Doppler地图与双线传播和range-Doppler地图获得之前与视线(LOS)传播通道显示信号强度下降了近40分贝,这是重要的。因此,在设计必须考虑这样的效果。一个可能的选择是形成一个非常鲜明的光束在垂直方向零反射。
总结
这个例子展示了如何使用FMCW执行范围和多普勒信号估计在一个汽车自动巡航控制应用程序。示例还展示了如何生成一个范围接收信号的多普勒图,讨论了如何使用三角形扫来弥补FMCW信号的距离多普勒耦合效应。最后,由于多径传播对信号电平的影响进行了探讨。
引用
[1]Karnfelt, c . et al . .77 GHz ACC雷达仿真平台、IEEE国际会议在智能交通系统中通信(ITST), 2009年。
[2]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。
