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レーダーシミュレーションにおけるチャープ波形とレンジドップラー

WaveFarerリニアチャープスクリプトとユーティリティを使用して、チャープ波形を使用したレーダーシステムのシミュレーションを行い、結果を後処理してI&Qデータ、レンジドップラプロット、その他の有用な出力を生成します。

ドライブ・シナリオ

チャープ波形は、レーダーリターンからシーン内の物体のレンジとドップラー速度を計算するために必要な情報を提供するために、自動車レーダーやその他のセンサーアプリケーションで一般的に使用されています。例えば、周波数変調連続波(FMCW)レーダーは、図1に示すように、フレーム内にチャープ波形を連続して送信します。チャープという 用語は、帯域にわたる周波数の調整を意味する。この図は、一般に「ノコギリ波」パターンと呼ばれる直線的なチャープのシーケンスを示しており、周波数は帯域の下端から上端まで調整され、その後再び低い周波数にリセットされる。図中、下限周波数と上限周波数はそれぞれf1とf2、各チャープの継続時間はT、チャープ間のリセット時間はTrである。

 

チャープダイアグラム
図1:リニアチャープのシーケンス。
チャープビート周波数
図2:ビート周波数は、リターンと送信チャープをミックスすることで得られる。

チャープ波形のコピーがシーン内の物体と相互作用してレーダーに戻ってくると、その信号は位相基準として使用される送信信号と混合され、オフセットによってビート周波数が生成されます。このビート周波数は、レーダーシミュレーションソフトウェア )によって物体の範囲を決定するために使用できます。図2は、返送信号と、返送信号の到着の遅れによって生じるオフセットによって生じるビート周波数を図式化したものです。

 

それぞれの伝搬経路は、独自の振幅、位相シフト、ビート周波数を持つミックスダウン信号を生成する。全信号は、これらすべての経路からの寄与のコヒーレントな合計である。レーダー・システムは一般に、これを同相と直交位相(I&Q)成分(数学的には波形の実数成分と虚数成分)に分離します。図3は、I&Qの生成に関する高レベルの概略図とI&Q波形の例を示しています。

 

I&Q波形
I&Qシグナル

図3:ハイレベルのシステム概略図とI&Q波形のサンプル。
パワー対航続距離
図4:ビート周波数からのパワー対レンジ。

ー I&Q波形をー DFT波形をー離散フーリエ変換(ーDFT)によりー処理することによりー周波数に対するーパワースペクトル(ー(ーWaveFarerのー自動車レーダーシミュレーションソフトウェアーおよびー チャープドップラー(ーWaveFarer Automotive Radar Simulation Software and Chirp Doppler to Assess Radar Performance for Drive Scenarios)。次に、これをレンジに対するパワースペクトル密度に変換することができます。典型的な例を図4に示します。X軸は周波数スペクトルと処理されたリターンの等価レンジの両方を示しています。

ドライブシナリオのように、シーン内のオブジェクトが動いている場合、第2のDFTを各フレームのチャープシーケンスに適用して、それらの構造と相互作用しているパスの連続的な短縮または伸長によって引き起こされる位相の変化から生じるドップラー周波数スペクトルを計算することができる。ドップラーシフトは等価速度に変換され、レンジ-ドップラーマップを提供することができ、レンジと速度の両方の関数としてリターンの大きさを示す。

レンジドップラーを生成するWaveFarerレーダーの後処理

WaveFarer2.1と共に、Remcomはシミュレーションからパスデータを抽出するために使用できるスクリプトとユーティリティのパッケージをリリースしました。ユーザーがドライブシナリオや他のレーダーやセンサーアプリケーションのために、車両、歩行者、その他のオブジェクトの動きのパラメータを定義したら、これらのスクリプトを実行してシミュレーションセットをセットアップし、その結果を後処理して様々な出力を生成することができます。

最初のスクリプト CreateLinearChirpSimulationは、一連のスナップショットを設定します。各スナップショットは、ユーザが指定したチャープ音のシーケンスを含むフレームをシミュレートします。これにより、伝搬経路と一意の相互作用チェーン・データが取得され、各フレームの境界となるシミュレーション・ポイント間でこれらの経路がマッピングされる一連のシミュレーション結果が生成されます。ユーザーは、チャープを定義するために以下の主要なパラメータを指定します:

  • シミュレーションされる各フレームのスナップショット

  • チャープ最小および最大周波数

  • チャープの長さとリセット時間

  • 各フレームのチャープ数

スクリプトは次に、実行に必要なシミュレーション、移動する車両、または他のオブジェクトを、要求された各フレームをバインドする一連の時点にわたって作成し、キューに入れ、後処理に必要なデータを生成します。図5は、レーダーを搭載した移動車両、先導車両、静止したガードレールと道路標識を含むドライブシナリオのサンプルです。レーダーは毎秒20メートル移動し、対象車両は毎秒15メートル移動し、毎秒4メートルの2乗の速度でブレーキをかけています。スクリプトが実行されると、要求されたチャープ音のフレームごとに、これらの車両をキーポイントの相対位置に移動させ、シミュレーションを実行し、後のポスト処理で使用する詳細なパスデータを作成する。必要なシミュレーションの回数が最小限になるように、経路データを慎重にマッピングするために多くの最適化が使用されており、非常に効率的な実行時間を実現しています。

 

ドライブ・シナリオ
図5:ドライブシナリオ。

次に レンジドップラーの生成スクリプトは、シミュレーション結果を後処理して、さまざまな追加出力を生成します。ユーザーは、解析対象となるセンサーまたはセンサーアレイを指定するとともに、各チャープ内のサンプル数やサンプル間隔などのチャープサンプリングパラメーターを指定します。次に、ユーティリティを組み合わせて、各フレームを区切る時間内のポイント間に注意深くマッピングされたパスデータを抽出し、これらのマッピングされたパスリターンを処理して、要求された各フレーム内のすべてのチャープにわたって、指定されたサンプルポイントにおけるインパルス応答とI&Qを計算します。これらの結果から、以下の種類の出力が生成される:

  • 各フレームの最初のチャープにおけるパワースペクトル密度とレンジの関係。

  • 各フレームのレンジとドップラー速度に対するパワースペクトル密度

  • 各チャープの中間点における複素インパルス応答

  • 各チャープの中間点におけるSパラメータと周波数。

  • 各チャープについてユーザー指定のサンプル・ポイントにおけるI&Q波形

図6は、2つのスナップショットのレンジの関数としてのパワースペクトル密度を示しており、レーダーがターゲット車両に接近しているときに、ターゲット車両からの明確なリターンと、コーナーリフレクターとして機能するガードレールの支柱からの多数のセカンダリターンを示している。図7は、同じ2つのスナップショットのレンジドップラーを示し、車両の制動によるレンジの減少と速度の変化の両方を示している。

PwrVsRange0-rev1
PwrVsRange0-rev2
図6:パワースペクトル密度と各フレームの最初のチャープからの距離。

レンジ-ドップラープロットに加え、スクリプトはオプションで、各フレームの各チャープに対する複素インパルス応答、Sパラメータ、I&Q波形を生成し、エクスポートすることもできます。

代表的なプロットは、各フレームの最初のチャープについて作成されている。 複素インパルス応答とSパラメータのプロットの例を図8に示す。

レンジドップラー0-rev1
レンジドップラー1-rev1
図7:2つのスナップショットのフレームのレンジドップラー。
国際交流員
CIR2

図8:上の例の最初のチャープに対する複素インパルス応答とS21。

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