WaveFarer Chirp Waveforms and Range-Doppler in Radar Simulations

Las formas de onda chirp se utilizan habitualmente en radares de automoción y otras aplicaciones de sensores para proporcionar la información necesaria para calcular el alcance y la velocidad Doppler de los objetos en una escena a partir de los retornos del radar. Un ejemplo es un radar de onda continua de frecuencia modulada (FMCW), que transmite una secuencia de chirps dentro de una trama, como se muestra en la figura 1. El término "chirp" se refiere al ajuste de la frecuencia a lo largo de una banda. El diagrama muestra una secuencia de chirps lineales, generalmente denominada patrón "diente de sierra", en la que la frecuencia se ajusta desde el extremo inferior de la banda hasta el extremo superior, y luego se restablece de nuevo a la frecuencia inferior. En la imagen, las frecuencias inferior y superior aparecen como f1 y f2, respectivamente, la duración de cada chirrido es T, y el tiempo de reajuste entre chirridos es Tr.

A medida que las copias de la forma de onda chirp interactúan con los objetos de una escena y regresan al radar, la señal se mezcla con la señal de transmisión saliente, utilizándola como referencia de fase, y el desfase crea frecuencias de batido que pueden utilizarse para determinar el alcance del objeto mediante el software de simulación del radar. La figura 2 muestra una representación diagramática de las señales de retorno y la frecuencia de batido que se creará por el desfase que se crea por el retardo en la llegada del retorno.

Cada vía de propagación produce una señal mezclada con su propia amplitud, desfase y frecuencia de batido. La señal total es una suma coherente de las contribuciones de todos estos trayectos. El sistema de radar suele separarla en componentes de fase en fase y en cuadratura (I&Q), que son matemáticamente los componentes real e imaginario de la forma de onda. La figura 3 muestra un diagrama esquemático de alto nivel para la generación de I&Q y un ejemplo de forma de onda I&Q.

La forma de onda I&Q puede procesarse con una transformada discreta de Fourier (DFT), lo que da un espectro de potencia en función de la frecuencia (véase nuestra presentación"Using WaveFarer Automotive Radar Simulation Software and Chirp Doppler to Assess Radar Performance for Drive Scenarios"). A continuación, puede convertirse en densidad espectral de potencia en función del alcance. En la figura 4 se muestra un ejemplo típico, en el que el eje x muestra tanto el espectro de frecuencias como el alcance equivalente de los retornos procesados.

Cuando los objetos de una escena están en movimiento, como en el caso de un escenario de conducción, puede aplicarse una segunda DFT a la secuencia de chirridos de cada fotograma para calcular el espectro de frecuencias Doppler resultante de los cambios de fase provocados por el continuo acortamiento o alargamiento de las trayectorias que interactúan con esas estructuras. Los desplazamientos Doppler pueden convertirse en velocidades equivalentes para proporcionar un mapa rango-Doppler, mostrando la magnitud del retorno en función tanto del rango como de la velocidad, que se describe a continuación.

Postprocesado del radar WaveFarer para generar Range-Doppler

Junto con WaveFarer 2.1, Remcom ha lanzado un paquete de scripts y utilidades que pueden utilizarse para extraer datos de trayectorias a partir de simulaciones. Una vez que el usuario ha definido los parámetros de movimiento de vehículos, peatones u otros objetos para un escenario de conducción u otra aplicación de radar o sensor, estos scripts pueden ejecutarse para configurar los conjuntos de simulación y postprocesar sus resultados para generar una serie de salidas.

El primer script, CreateLinearChirpSimulationestablece una serie de instantáneas en el tiempo, cada una de las cuales simulará un fotograma que contiene una secuencia de chirridos especificada por el usuario. Esto generará una serie de resultados de simulación que capturan las trayectorias de propagación y los datos únicos de la cadena de interacción que permiten mapear estas trayectorias entre los puntos de simulación que delimitan cada fotograma. El usuario especifica los siguientes parámetros clave para definir el chirp:

Instantáneas en el tiempo de cada fotograma que se simulará
Frecuencias mínima y máxima del chirrido
Duración del chirrido y tiempo de reinicio
Número de chirridos en cada fotograma

A continuación, el script crea y pone en cola las simulaciones necesarias para la ejecución, vehículos en movimiento u otros objetos a lo largo de una serie de puntos en el tiempo que delimitan cada fotograma solicitado, generando los datos necesarios para el postprocesamiento. La figura 5 muestra un escenario de conducción de muestra que contiene un vehículo en movimiento con un radar, un vehículo de cabeza, y guardarraíles estacionarios y una señal de tráfico. El radar se mueve a 20 metros por segundo mientras que el vehículo de destino se mueve a 15 metros por segundo y frena a una velocidad de 4 metros por segundo al cuadrado. Cuando se ejecuta el script, éste moverá estos vehículos a sus posiciones relativas en puntos clave para cada fotograma solicitado de chirridos y ejecutará simulaciones, creando datos detallados de la trayectoria que se utilizarán en el postprocesado posterior. Se ha utilizado una serie de optimizaciones para mapear cuidadosamente los datos de la trayectoria de modo que el número de simulaciones requeridas pueda minimizarse, proporcionando un tiempo de ejecución muy eficiente.

A continuación, la función GenerateRangeDoppler post-procesa los resultados de la simulación para generar una variedad de salidas adicionales. El usuario especifica el sensor o el conjunto de sensores que se analizarán, así como los parámetros de muestreo de los chirps, como el número de muestras y el espaciado de las muestras dentro de cada chirp. A continuación, utiliza una combinación de utilidades para extraer los datos de la trayectoria, cuidadosamente mapeados entre los puntos en el tiempo que delimitan cada fotograma, y procesa estos retornos de trayectoria mapeados para calcular la respuesta al impulso y el I&Q en los puntos de muestreo especificados a través de todos los chirps en cada fotograma solicitado. A partir de estos resultados, genera los siguientes tipos de salidas:

Densidad espectral de potencia en función del alcance para el primer chirrido de cada fotograma
Densidad espectral de potencia en función del alcance y la velocidad Doppler para cada fotograma
Respuesta impulsiva compleja en el punto medio de cada chirrido
Parámetros S en función de la frecuencia en el punto medio de cada chirrido
Forma de onda I&Q en puntos de muestreo especificados por el usuario para cada chirp

La figura 6 muestra la densidad espectral de potencia en función del alcance para dos instantáneas, en las que se aprecia un claro retorno del vehículo objetivo a medida que el radar se acerca a él, así como un gran número de retornos secundarios procedentes de los postes de la barandilla, que actúan como reflectores en las esquinas. La figura 7 muestra el Doppler de alcance para estas mismas dos instantáneas, mostrando tanto la reducción del alcance como el cambio de velocidad debido al frenado del vehículo.

Formas de onda chirp y Range-Doppler en simulaciones de radar

Utilice los scripts y utilidades de chirp lineal de WaveFarer para simular sistemas de radar utilizando formas de onda de chirp, y posprocese los resultados para generar datos de I&Q, gráficos de alcance-Doppler y otros resultados útiles.

Figura 1: Secuencia de chirridos lineales.

Figura 2: Las frecuencias de batido se obtienen mezclando los retornos con el chirp transmitido.

Figura 3: Esquema del sistema de alto nivel y forma de onda I&Q de muestra.

Figura 4: Potencia en función del alcance de las frecuencias de batido.

Postprocesado del radar WaveFarer para generar Range-Doppler

Figura 5: Escenario de conducción.

Figura 6: Densidad espectral de potencia en función de la distancia desde el primer chirrido de cada fotograma.

Figura 7: Rango-Doppler para fotogramas en dos instantáneas en el tiempo.

Figura 8: Respuesta impulsional compleja y S21 para el primer chirrido del ejemplo anterior.

Para más información:

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