Определение скорости движения и дальности быстродвижущихся объектов в РЛС с непрерывным линейно-частотно-модулированным излучением с использованием автокорреляционной схемы

Введение. Аппаратную основу современных систем помощи водителю (ADAS) обычно составляют радиолокационные станции миллиметрового диапазона, характеризующиеся относительно небольшой дальностью действия (единицы-десятки метров). В то же время повышение безопасности движения требует ее увеличения как минимум до нескольких сотен, и одним из путей достижения таких значений является увеличение длины волны зондирующего сигнала, например, переход в сантиметровый диапазон длин волн. В работе приведено подробное описание основных этапов работы алгоритма обработки сигнала в макете маломощной РЛС системы ADAS сантиметрового диапазона, обеспечивающего определение скорости движения и дальности быстродвижущихся объектов.

Цель работы. Разработка алгоритма оценки дальности и скорости движения целей в РЛС с широкополосным непрерывным линейно-частотно-модулированным (ЛЧМ) сигналом на базе автокорреляционной схемы в интересах повышения скорости формирования оценок для системы ADAS.

Материалы и методы. Предлагаемый алгоритм базируется на методах первичной и вторичной цифровой обработки радиолокационных сигналов. Для проведения практических исследований использовался макет РЛС сантиметрового диапазона, собранной по автокорреляционной схеме, с широкополосным непрерывным ЛЧМ зондирующим сигналом. Для обработки зарегистрированной выборки отсчетов принятого сигнала применялась среда MatLab.

Результаты. Разработан алгоритм, обеспечивающий определение скорости и дальности быстродвижущихся объектов в условиях, когда их перемещение за интервал оценивания существенно превышает разрешение РЛС по дальности. Использование упрощенной калмановской фильтрации для межпериодной вторичной обработки сигнала позволило существенно повысить устойчивость работы алгоритма. В ходе натурного эксперимента с использованием макета маломощной РЛС с непрерывным излучением сантиметрового диапазона показано, что устойчивая оценка скорости движения и дальности реального автомобиля обеспечивается на расстоянии как минимум порядка одного километра.

Заключение. Результаты проведенного натурного эксперимента позволили сделать вывод о высокой робастности предложенного алгоритма даже при отсутствии межпериодной вторичной обработки. Ее использование позволяет еще больше повысить устойчивость работы алгоритма при практически полном отсутствии дополнительных вычислительных затрат, так как близкий к линейному характер динамики объекта наблюдения и автомобиля-носителя РЛС позволяет полагать достаточным использование упрощенной реализации фильтра Калмана в форме α-β-алгоритма.

1. Global Status Report on Road Safety 2018. URL: https://www.gihub.org/resources/publications/global-statusreport-on-road-safety-2018/ (дата обращения 20.11.2019).

2. Advanced Driver Assistance Systems. SAE Technical Paper 2016-28-0223 / A. Paul, R. Chauhan, R. Srivastava, M. Baruah. doi: 10.4271/2016-28-0223

3. Current Collision Mitigation Technologies for Advanced Driver Assistance Systems – A Survey / U. Z. A. Hamid, K. Pushkin, H. Zamzuri, D. Gueraiche, M. A. A. Rahman // PERINTIS eJournal. 2016. Vol. 6, № 2. P. 78–90. URL: https://www.researchgate.net/profile/Umar_Zakir_Abdul _Hamid/publication/311981545_Current_Collision_Mitiga tion_Technologies_for_Advanced_Driver_Assistance_Syst ems_-_A_Survey/links/586670d108ae329d62074a57.pdf (дата обращения 24.03.2020).

4. Ramnath C. P. Advanced Driver Assistance Sys tems (ADAS) // Intern. J. of Advanced Research in Electronics and Communication Engineering (IJARECE). 2015. Vol. 4, iss.10. P. 2616–2618. URL: http://ijarece.org/wpcontent/uploads/2015/10/IJARECE-VOL-4-ISSUE-10-2616- 2618.pdf (дата обращения 24.03.2020).

5. Z. Peng, C. Li. Portable Microwave Radar Systems for Short-Range Localization and Life Tracking: A Review // Sensors. 2019. Vol. 19, iss. 5, 1136. doi: 10.3390/s19051136

6. Комзалов А. М., Шилов Н. Г. Применение современных технологий в системах помощи водителю автомобиля // Изв. вузов. Приборостроение. 2017. Т. 60, № 11. С. 1077–1082. doi: 10.17586/0021-3454- 2017-60-11-1077-1082

7. Levanon N., Mozeson E. Radar signals. 1st ed. Hoboken, YJ: John Wiley&Sons., 2004, 411 p.

8. Купряшкин И. Ф., Лихачев В. П., Рязанцев Л. Б. Малогабаритные многофункциональные РЛС с непрерывным частотно-модулированным излучением. М.: Радиотехника, 2020. 288 с.

9. Рязанцев Л. Б., Лихачев В. П. Измерение дальности и радиальной скорости объектов широкополосной РЛС с непрерывным линейным частотномодулированным излучением в условиях миграции отметок по каналам дальности // Измерительная техника, 2017. №11. С. 61–64.

10. Zaugg E. C., Edwards M. C., Margulis A. The SlimSAR: a Small, Multi-Frequency, Synthetic Aperture Radar for UAS Operation // 9th IEEE Intern. Radar Conf. 2010.10–14 May 2010, Washington, DC. Piscataway: IEEE, 2010. doi: 10.1109/RADAR.2010.5494612

11. Duersch M. I. BYU MICRO-SAR: A Very Small, Low-Power LFM-CW SAR: Master’s Thesis. Brigham Young University. Provo, UT. 2004. URL: https://scholarsarchive.byu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article= 1727&context=etd/ (дата обращения 01.12.2019).

12. Малогабаритная двухдиапазонная РСА для беспилотного авиационного комплекса / Богомолов А. В., Купряшкин И. Ф., Лихачев В. П., Рязанцев Л. Б. // Тр. XXIX Всерос. симп. "Радиолокационное исследование природных сред". 25–26 марта 2015, Санкт-Петербург / ВКА имени А.Ф. Можайского. Вып. 11. СПб., 2015. С. 237–242.

13. Пат. RU 2635366 C1 (2006.01). Способ определения дальности и радиальной скорости цели в РЛС с непрерывным излучением и устройство его реализующее / И. Ф. Купряшкин, В. П. Лихачев, Л. Б. Рязанцев, В. В. Беляев; опубл. 13.11.2017. Бюл. №32. 7 с.

14. Купряшкин И. Ф., Соколик Н. В. Алгоритм обработки сигналов в радиолокационной системе с непрерывным частотно-модулированным излучением в интересах обнаружения малозаметных воздушных объектов, оценки их дальности и скорости движения // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2019. Т. 22, № 1. С. 39–47. doi: 10.32603/1993-8985-2019-22-1-39-47

15. Кузьмин С. З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев: Изд-во КВiЦ, 2000. 428 с.

16. Фарина А., Студер Ф. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей: пер. с англ. М: Радио и связь, 1993. 320 с.