面向汽车智能化仿真的雷达模拟研究

郭姣
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作者单位:吉林大学

论文类型:硕士论文


摘要:汽车智能化技术毫无疑问是当前汽车领域的研究热点,也是汽车工业发展大势所趋的必然走向。在汽车高级驾驶辅助系统(ADAS)开发的过程中,实车场地实验不仅周期长、成本高、十分消耗人力物力,而且实验工况可重复性差、危险性高,这就凸显了配备有虚拟行驶环境以及各种丰富的传感器模型的汽车智能化仿真平台的重要性。然而传统上许多汽车商业仿真软件往往只注重单一车辆的整车动力学性能,多车模拟以及与行驶环境之间的交互模拟相对比较薄弱,因此本文开展的面向汽车智能化仿真的雷达模拟研究具有十分重要的研究意义。传统上雷达建模方法大多采用射线追踪法来模拟雷达电磁波束的传播通道,该方法计算量很大并不适合实时应用;否则为适应车载雷达的动态场景以及实时应用就需要大量地简化,其结果将失去使用这种方法的意义。另一方面,对于雷达射频前端的模拟则大多借助电磁电路仿真软件,但这无法实时嵌入虚拟环境平台,因此不满足本文以汽车智能化仿真需求为导向的设计初衷。本文在深入调研现有研究现状的基础上,提出了一种几何模型加物理模型的混合建模新方法,其中几何模型属功能性建模,忽略雷达的物理机理和硬件实现,将雷达对周围场景的探测问题简化为几何体相交问题来处理,实现快速且精确的探测与测量功能;在此理想化建模的基础上进一步通过物理模型模拟基于雷达电磁波回波接受机理的目标探测和信号处理流程,包括叠加噪声和干扰,以使雷达模型输出信号更加接近真实物理实际。本文主要研究工作包括:第一,本文提出并建立了一种雷达几何与物理混合建模方法。雷达几何模型将3D场景中的目标物体离散为一系列预先定义的足以充分表达其形状属性的特征点集,将雷达发出的电磁波束抽象成椭圆椎体,与搜索空域内的目标物体特征点集求交并剔除被遮挡的特征点,从而将雷达探测问题转化成为一个几何体相交求解问题,并对其探测过程逐步进行了详细的理论分析;由于雷达几何模型忽略了复杂的雷达硬件及物理作用机理,相比于传统的射线追踪法其计算效率大为提高。第二,在几何模型的基础上,本文进一步建立了与几何模型相结合的雷达物理模型。根据毫米波雷达线性调频连续波(LFMCW)的工作原理,模拟场景中所有目标产生的时域差拍信号,通过添加噪声污染该信号;该时域信号进一步通过二维傅里叶变换到频域,设定恒虚警率(CFAR)阈值,根据频谱上的峰值位置求解出更加接近真实的目标信息并作为雷达探测信号输出。本文对LFMCW调制格式下的信号处理实现原理进行了详细系统的数学推导和分析,并编写MATLAB脚本进行了验证。第三,本文最后实现了将所提出的车载雷达模型在虚拟仿真环境平台Pano Sim的集成;该模型的实现分为三个层次,分别是基于几何模型的功能模型、基于功率衰减的物理模型和反映回波信号噪声的物理模型;本文提出的雷达几何与物理混合模型兼顾了数值计算效率和模拟精度,以满足汽车智能化技术与产品仿真的实时性需求。然后在Simulink平台上搭建了基于雷达探测的自适应巡航控制系统(ACC)的应用实例,以测试验证模型集成后的运行情况。仿真结果表明该ACC控制器实现了上下两层控制,运行结果良好,也证明了本文提出的雷达几何与物理混合模型的有效性。


关键词车载雷达建模;LFMCW雷达;ACC;PanoSim;