WaveFarer Chirp-Wellenformen und Range-Doppler in Radarsimulationen

Chirp-Wellenformen werden häufig bei Radargeräten für Kraftfahrzeuge und anderen Sensoranwendungen verwendet, um die erforderlichen Informationen für die Berechnung der Entfernung und der Doppler-Geschwindigkeit von Objekten in einer Szene aus den Radarrückmeldungen zu erhalten. Ein Beispiel ist ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradar (FMCW), das eine Folge von Chirps innerhalb eines Rahmens sendet (siehe Abbildung 1). Der Begriff Chirp bezieht sich auf die Anpassung der Frequenz über ein Band. Das Diagramm zeigt eine Folge von linearen Chirps, die allgemein als "Sägezahn"-Muster bezeichnet werden, wobei die Frequenz vom unteren Ende des Bandes zum oberen Ende angepasst wird und dann wieder auf die untere Frequenz zurückgesetzt wird. In der Abbildung sind die untere und obere Frequenz mit f1 bzw. f2 angegeben, die Dauer jedes Chirps ist T und die Rücksetzzeit zwischen den Chirps ist Tr.

Wenn Kopien der Chirp-Wellenform mit Objekten in einer Szene interagieren und zum Radar zurückkehren, wird das Signal mit dem ausgehenden Sendesignal gemischt, wobei es als Phasenreferenz verwendet wird, und der Versatz erzeugt Schwebungsfrequenzen, die zur Bestimmung der Reichweite des Objekts durch der Radarsimulationssoftware verwendet werden können . Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung der zurückkehrenden Signale und der Schwebungsfrequenz, die durch den Versatz entsteht, der durch die Verzögerung bei der Ankunft des zurückkehrenden Signals verursacht wird.

Jeder Ausbreitungsweg erzeugt ein nach unten gemischtes Signal mit seiner eigenen Amplitude, Phasenverschiebung und Schwebungsfrequenz. Das Gesamtsignal ist eine kohärente Summe der Beiträge aus allen diesen Pfaden. Das Radarsystem trennt es im Allgemeinen in In-Phase- und Quadratur-Phase-Komponenten (I&Q), mathematisch gesehen die realen und imaginären Komponenten der Wellenform. Abbildung 3 zeigt eine schematische Darstellung der Erzeugung von I&Q und ein Beispiel für eine I&Q-Wellenform.

Die I&Q-Wellenform kann mit einer diskreten Fourier-Transformation (DFT) verarbeitet werden und ergibt ein Spektrum der Leistung im Verhältnis zur Frequenz (siehe unsere Präsentation"Using WaveFarer Automotive Radar Simulation Software and Chirp Doppler to Assess Radar Performance for Drive Scenarios"). Dies kann dann in eine Leistungsspektraldichte im Verhältnis zur Reichweite umgewandelt werden. Ein typisches Beispiel ist in Abbildung 4 dargestellt, wobei die x-Achse sowohl das Frequenzspektrum als auch die äquivalente Reichweite für die verarbeiteten Rückmeldungen zeigt.

Wenn die Objekte in einer Szene in Bewegung sind, wie z. B. bei einem Antriebsszenario, kann eine zweite DFT auf die Sequenz von Chirps in jedem Bild angewendet werden, um das Doppler-Frequenzspektrum zu berechnen, das sich aus den Phasenänderungen ergibt, die durch die kontinuierliche Verkürzung oder Verlängerung von Pfaden verursacht werden, die mit diesen Strukturen interagieren. Die Doppler-Verschiebungen können in äquivalente Geschwindigkeiten umgewandelt werden, um eine Entfernungs-Doppler-Karte zu erstellen, die die Größe des Rücklaufs als Funktion sowohl der Entfernung als auch der Geschwindigkeit zeigt (siehe unten).

WaveFarer Radar-Nachbearbeitung zur Erzeugung von Entfernungs-Doppler

Zusammen mit WaveFarer 2.1 hat Remcom ein Paket von Skripten und Dienstprogrammen veröffentlicht, die zur Extraktion von Pfaddaten aus Simulationen verwendet werden können. Sobald ein Benutzer Parameter für die Bewegung von Fahrzeugen, Fußgängern oder anderen Objekten für ein Fahrszenario oder eine andere Radar- oder Sensoranwendung definiert hat, können diese Skripte ausgeführt werden, um die Simulationssätze einzurichten und ihre Ergebnisse nachzubearbeiten, um eine Reihe von Ausgaben zu erzeugen.

Das erste Skript, CreateLinearChirpSimulationerstellt eine Reihe von zeitlichen Schnappschüssen, von denen jeder einen Rahmen simuliert, der eine Folge von Chirps enthält, wie vom Benutzer angegeben. Dadurch wird eine Reihe von Simulationsergebnissen erzeugt, die die Ausbreitungspfade und eindeutige Interaktionskettendaten erfassen, die es ermöglichen, diese Pfade zwischen den Simulationspunkten abzubilden, die jeden Rahmen begrenzen. Der Benutzer gibt die folgenden Schlüsselparameter an, um den Chirp zu definieren:

Zeitliche Schnappschüsse für jedes zu simulierende Bild
Minimale und maximale Chirp-Frequenzen
Chirp-Länge und Rückstellzeit
Anzahl der Chirps in jedem Frame

Das Skript erstellt dann die erforderlichen Simulationen für die Ausführung, sich bewegende Fahrzeuge oder andere Objekte über eine Reihe von Zeitpunkten, die jedes angeforderte Bild begrenzen, und stellt sie in eine Warteschlange, um die für die Nachbearbeitung erforderlichen Daten zu generieren. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für ein Fahrszenario, das ein fahrendes Fahrzeug mit einem Radar, ein Führungsfahrzeug sowie stationäre Leitplanken und ein Straßenschild enthält. Das Radar bewegt sich mit 20 Metern pro Sekunde, während sich das Zielfahrzeug mit 15 Metern pro Sekunde bewegt und mit einer Geschwindigkeit von 4 Metern pro Sekunde im Quadrat bremst. Wenn das Skript ausgeführt wird, bewegt es diese Fahrzeuge zu ihren relativen Positionen an Schlüsselpunkten für jedes angeforderte Bild von Chirps und führt Simulationen durch, um detaillierte Pfaddaten zu erstellen, die in der späteren Nachbearbeitung verwendet werden können. Es wurde eine Reihe von Optimierungen vorgenommen, um die Pfaddaten sorgfältig abzubilden, so dass die Anzahl der erforderlichen Simulationen auf ein Minimum reduziert werden kann, was zu einer sehr effizienten Laufzeit führt.

Als nächstes wird die GenerateRangeDoppler Skript die Simulationsergebnisse nach, um eine Vielzahl zusätzlicher Ausgaben zu erzeugen. Der Benutzer gibt einen Sensor oder ein Sensorarray an, der/das analysiert werden soll, sowie die Chirp-Sampling-Parameter, wie z. B. die Anzahl der Abtastungen und den Abstand der Abtastungen innerhalb jedes Chirps. Anschließend werden mithilfe einer Kombination von Dienstprogrammen Pfaddaten extrahiert, die sorgfältig zwischen den Zeitpunkten, die jeden Rahmen begrenzen, abgebildet werden, und diese abgebildeten Pfadrückgaben verarbeitet, um die Impulsantwort und I&Q an den angegebenen Abtastpunkten über alle Chirps in jedem angeforderten Rahmen zu berechnen. Aus diesen Ergebnissen werden die folgenden Arten von Ausgaben generiert:

Spektrale Leistungsdichte im Vergleich zur Reichweite für den ersten Chirp in jedem Bild
Spektrale Leistungsdichte in Abhängigkeit von der Entfernung und der Doppler-Geschwindigkeit für jedes Bild
Komplexe Impulsantwort in der Mitte eines jeden Chirps
S-Parameter im Vergleich zur Frequenz in der Mitte jedes Chirps
I&Q-Wellenform an benutzerdefinierten Abtastpunkten für jeden Chirp

Abbildung 6 zeigt die spektrale Leistungsdichte in Abhängigkeit von der Reichweite für zwei Momentaufnahmen, die einen deutlichen Rücklauf vom Zielfahrzeug zeigen, während sich das Radar ihm nähert, sowie eine große Anzahl sekundärer Rückläufe, die von den Leitplankenpfosten stammen, die als Eckreflektoren wirken. Abbildung 7 zeigt den Entfernungsdoppler für dieselben beiden Schnappschüsse, wobei sowohl die Verringerung der Reichweite als auch die Änderung der Geschwindigkeit aufgrund des Abbremsens des Fahrzeugs zu erkennen sind.

Chirp-Wellenformen und Bereichsdoppler in Radarsimulationen

Verwenden Sie WaveFarer lineare Chirp-Skripte und -Hilfsprogramme, um Radarsysteme mit Chirp-Wellenformen zu simulieren und die Ergebnisse nachzubearbeiten, um I&Q-Daten, Entfernungs-Doppler-Diagramme und andere nützliche Ergebnisse zu erzeugen.

Abbildung 1: Abfolge von linearen Chirps.

Abbildung 2: Die Schwebungsfrequenzen werden durch Mischen des Rücklaufs mit dem gesendeten Chirp ermittelt.

Abbildung 3: Systemschema auf hoher Ebene und Beispiel einer I&Q-Wellenform.

Abbildung 4: Leistung vs. Reichweite von Schwebungsfrequenzen.

WaveFarer Radar-Nachbearbeitung zur Erzeugung von Entfernungs-Doppler

Abbildung 5: Antriebsszenario.

Abbildung 6: Spektrale Leistungsdichte im Vergleich zur Entfernung vom ersten Chirp in jedem Bild.

Abbildung 7: Entfernungs-Doppler für Bilder zu zwei Zeitpunkten.

Abbildung 8: Komplexe Impulsantwort und S21 für den ersten Chirp im obigen Beispiel.

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