Моделирование процесса распространения радиосигналов в автомобильной РЛС Текст научной статьи по специальности «Физика»

ТЕСНМСАЬ БСЖШСЕ

Жеманов Павел Витальевич Студент кафедры Автономные информационные и управляющие системы

МГТУ им. Н.Э.Баумана Р01: 10.24411/2520-6990-2019-11525 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ В

АВТОМОБИЛЬНОЙ РЛС

Zemanov Pavel Vitalevich.

Student of the Department of Autonomous information and control systems of

MSTU. N.E.Bauman

SIMULATION OF RADIO SIGNAL PROPAGATION IN AN AUTOMOBILE RADAR STATION

Аннотация

В данной статье рассмотрены принципы проведения имитационного моделирования автомобильной радиолокационной системы (РЛС) с учётом параметров реальных антенн. Данные, полученные в результате моделирования, позволяют формировать алгоритмы обработки отражённых радиосигналов с учётом типовых дорожных ситуаций, в которых могут использовать автомобильные РЛС.

Abstract

This article discusses the principles of conducting simulation of an automobile radar system (radar) taking into account the parameters of real antennas. The data obtained from the simulation allows us to form algorithms for processing reflected radio signals, taking into account typical road situations in which automobile radars can be used.

Ключевые слова: Автомобильная РЛС, зондирующий сигнал, несущая частота, САПР Winprop ProMan, изотропный передатчик, геометрическая теория дифракции.

Keywords: Automotive radar, probing signal, carrier frequency, winprop ProMan CAD, isotropic transmitter, geometric diffraction theory.

Введение

В настоящее время в процессе проектирования радиолокационных датчиков, устанавливаемых на автомобили, необходимо учитывать условия применения данных систем. Развитие современных САПР позволило проводить моделирование процессов распространения и отражения радиолокационных сигналов с учётом параметров антенной системы в сложных радиолокационных сценах. Используемые методы электродинамического моделирования позволяют получить качественную оценку параметров системы на этапе проектирования без использования дорогостоящих экспериментов.

1. Характеристики передающих и приёмных антенн

Под передающей антенной понимается техническое устройство, с помощью которого в самом устройстве или в непосредственной близости от него образуется определённое распределение тока с целью создания электромагнитного поля излучения.

Приёмной антенной называется техническое устройство, в котором электромагнитное поле, существующее в той же области пространства, создает распределение тока, в результате чего из электромагнитного поля отбирается энергия.

В случае передающей антенны основной интерес представляет, как правило, только поле в области излучения, т. е. характеристика излучения. При рассмотрении приёмной антенны, как правило, интерес представляет лишь случай падения на антенну плоской электромагнитной волны, т. е. когда приёмная антенна находится в дальнем поле передающей антенны.

Хотя характеристики излучения приёмной и передающей антенн описывают относительную напряжённость поля в зависимости от направления излучения или, соответственно, приёма, однако в явном виде они не содержат никакой информации об абсолютном значении напряжённости поля или плотности потока излучения при заданной мощности или об абсолютном значении мощности, принимаемой антенной, при заданной плотности потока излучения падающей волны. Для оценки этих свойств в передающих антеннах вводится понятие об усилении, а в приемных - о действующей площади. Оба понятия на основании теоремы взаимности можно использовать как для приёмных, так и для передающих антенн.

Усиление О передающей антенны является безразмерной скалярной функцией направления излучения. Оно равно интенсивности излучения в соответствующем направлении, умноженной на 4п и делённой на общую излучаемую мощность [1]:

G = G (r ) = 4п

P(r ) P

( i )

При этом выражение

Ps =j (S, r )dF = -L_ j\ Eo(r f dF

8 J'' 27 г2 *Г0(' " ~ (2)

к 27 0г к

представляет собой общую мощность, излучаемую антенной (к - сферическая поверхность в области излучения), а

1

P(r ) = — |E0(r )|2

|2

2Z„............,3)

- интенсивность излучения в направлении г. Антенна, которая во всех направлениях излучает одинаковую мощность, называется сферическим или изотропным излучателем. Можно показать, что такой излучатель не может существовать.

P =

то для усиления справедливо соотношение:

P

4п

Однако из-за простого распределения излучения он используется в качестве эталонного излучателя при оценке реальных антенн. Если обозначить интенсивность излучения (постоянную) сферического излучателя через

( 4 )

G = G (r) =

P(r)

(5)

Следовательно, усиление антенны может быть определено также как частное от деления интенсивности излучения антенны Р(г) на интенсивность излучения Рк ненаправленного излучателя, который излучает такую же общую мощность. При подобном определении интенсивность излучения сравнивается с интенсивностью эталонной антенны, которая является изотропным излучателем. Необходимо расширить понятие усиления таким образом, чтобы и другие простые излучатели можно было использовать в качестве эталонных антенн, причем, как правило, за основу следует брать интенсивность излучения в направлении главного максимума эталонной антенны. В качестве таких эталонов на практике используют

G(r) =

P(r)

P

прежде всего диполь Герца и полуволновый диполь, а иногда и другие простые антенны. В противоположность эффективному усилению, вводимому ниже, здесь рассматривается усиление излучения, так как эталон выбирается по излучаемой мощности.

В этом более широком смысле усиление излучения антенны представляет собой такую скалярную функцию направления излучения, которая определяет интенсивность излучения антенны Р(г) в направлении г относительно интенсивности излучения Р в направлении главного излучения эталонной антенны, если они излучают одинаковую общую мощность:

( 6 )

Обозначу функции усиления, для которых в качестве эталонной антенны выбирается сферический излучатель, диполь Герца или полуволновый диполь, соответственно следующим образом [2]:

Gt (r) =

GHz (r)

Gd (r) =

_P(r).

P '

P(r) . P '

1 Hz

P(r)

P

(7)

(8)

(9)

D

В дальнейшем буду оперировать исключительно с усилением, определённым относительно сферического излучателя, как это обычно имеет место в технике антенн СВЧ, и для простоты опущу индекс к.

Усиление в направлении главного максимума получается с помощью нормированной по этому направлению характеристики излучения:

G =

2" * ' (10)

J J |E0 sin SdSd^

'0

^=0 5=0

Теперь необходимо сравнить величины уси- ления относительно диполя Герца справедливо ления при использовании различных эталонных выражение: излучателей. Согласно формулам (7) и (8) для уси-

Р

ОН' = Ок~^~' (11)

р / р тельно сферического излучателя. Обозначу по-

При этом частное Рк ' гн2 равно усилению Нг

сферического излучателя относительно диполя следний через Ок , так что будет справедливо Герца (оно меньше единицы) или, наоборот, соотношение:

Рк / Рм2 равно усилению диполя Герца относи-

Ок =—. (I2)

С учетом этого для произвольной антенны:

Pk

г Ок

ОЧ7 = -. (13)

Ок

В более общем случае, если через а и в обозначены две произвольные эталонные антенны, получается

°а = Оа = (14)

а

г(а

При этом Оа или Ор - усиления рассматрива- помощью нормированных характеристик излуче-

емой антенны относительно антенны а и в соот- ния согласно уравнению (14) получаются следую-

ветственно, а о? - усиление антенны в относи- щие значения:

тельно антенны а.

Для усиления диполя Герца и полуволнового диполя относительно сферического излучателя с

О"' = 1,5; с»)

вк = 1,64. (16)

Наряду с усилением излучения применяется Определю эффективное усиление с помощью

понятие эффективного усиления. Под эффектив- КПД антенны п, который равен отношению излу-

ным усилением понимается такое усиление, когда чаемой мощности Рх к подводимой к антенне за основу берётся не излучаемая мощность, а

мощность, подводимая к реальной системе, кото- мощности ро5щ = рв + р„ (Ру - мощность по-

рая вследствие потерь всегда больше излучаемой. терь):

Р Р

Т]=-— =-8-. (17)

Р Р + Р

общ 8 V

Тогда для эффективного усиления антенны справедливо:

Оэфф =Л- О, (18)

причём может быть использован любой эта- Усиление зачастую выражается в логарифми-

лонный излучатель, который в каждом конкретном ческом масштабе в децибелах (дБ) и в этом случае случае считается свободным от потерь. обозначается через g. Имеет место следующее со-

отношение:

^дб = 101°gG. (19)

К примеру, усилению G= 1000 соответствует g=30 дБ

2. Геометрическая теория дифракции

Геометрическая теория дифракции (ГТД) была предложена Келлером как обобщение результатов асимптотических разложений дифракционных интегралов [3]. И хотя ГТД строится как асимптотическая теория, она применяемая в тех случаях, когда характерный размер объекта много больше длины волны X. Опыт расчётов по ГТД показывает, что она даёт достоверные результаты вплоть до величин порядка X.

В ГТД наряду с отражением и преломлением, постулируются лучи, порождаемые лучами первичного поля, касающимися тела или попадающие на изломы поверхности тела (ребра, острия). Каждый луч первичного поля порождает бесконечное множество дифрагированных лучей.

При нормальном падении излучения на тонкую плоскую апертуру постулаты ГТД могут быть сформулированы следующим образом:

- угловые точки контура апертуры, порождающие дифракционные лучи во всех направлениях, являются источниками сферических волн;

- контур апертуры порождает краевую волну, угол раствора конуса её лучей равен к/2. Для прямолинейного края волна является цилиндрической, а для криволинейного тороидальной.

Вторичными дифрагированными лучами обычно можно пренебречь, так как они возникают от лучей, распространяющихся в плоскости апертуры, амплитуда которых мала.

Таким образом, алгоритм решения дифракционной задачи по ГТД сводится к определению положения постулированных источников дифракционных волн и последующему сложению комплексных амплитуд этих волн в точке наблюдения. Фактически это означает, что дифракционная задача сводится к интерференционной.

Амплитуды дифрагированных волн и относительные фазовые сдвиги в рамках ГТД не определяются, для их нахождения необходимо использовать данные, полученные из более общей теории.

3. Создание и моделирование работы РЛС

Для проверки данной теории и оценки работы потенциальной РЛС при помощи пакета Winprop ProMan произведено моделирование распространения радиосигналов в радиолокационной сцене с участием РЛС и окружающих объектов на трассе движения автомобиля.

Для этого создана дорожная ситуация, показанная в 2D изображении на рисунке 1.

Рисунок 1 21

На сцене изображены несколько зданий, 3 автомобиля и дорога. Подразумевается, что все автомобили движутся. На крыше одного из них мон-

юдель сцены

тирован изотропный передатчик с несущей частотой 24 ГГц и мощностью 0 дБм.

На рисунке 2 показана 3Р модель построенной сцены.

Рисунок 2 3D модель сцены

Моделирование произведено для 6 отсчётов с временным интервалом 1 секунда, которые соответствуют определённым моментам движения встречного автомобиля.

Для каждой метки времени (она окрашивается в индивидуальный цвет) осуществлена трассировка лучей для вычисления путей распространения и уровня принимаемого сигнала от передатчика с учётом отражений и дифракций, т.е. излучаемые лучи, попадая на изломы или рёбра какой-либо поверхности (в данном случае от зданий), отража-

ются на указанные отсчёты (геометрическая теория дифракции).

Помимо этого, продемонстрирован импульсный отклик для каждого из лучей, сходящихся в каждой временной метке.

На рисунках 3-6 иллюстрируются движение автомобилей по дороге в 3Б пространстве, а также прохождение сигнала в атмосфере. На графиках изображена мощность сигнала для каждого временного отрезка и задержка времени, вызванная отличием расстояний, которые проходит сигнал.

TECHNICAL SCIENCE / «Ш11ШетУМ~^®УГМа1>#Щ6©)),2©2(1

60 80 100 120 140 160 ISO 200 220 240

Delay [in-]

TECHNICAL SCIENCE / «Ш11ШетУМ~^®УГМа1>#Щ6©)),2©2©

Можно проанализировать полученные результаты, пятствия с масштабом, при котором была спроек-сравнив полученные значения расстояния до пре- тирована сцена моделирования.

Таблица 1

Результаты моделирования_

Отсчет времени, с Искомые данные, м

Реальное Полученное

1 62,1 60,3

2 44,7 43,8

3 30,9 30,2

6 17,4 17,1

На более дальних расстояниях ошибка измерений существенна. Результаты можно улучшить путем работы с диаграммой направленности, заменив изотропный передатчик.

Заключение В результате проделанной работы было промоделировано распространение радиосигналов с участием РЛС и окружающих объектов на трассе движения автомобиля. Проведён анализ уровня мощности отражённых радиосигналов и оценка

качества работы проектируемой системы при помощи сложной радиолокационной сцены.

Список литературы

1. Кюн Р. Микроволновые антенны. СПб: Судостроение, 1967.

2. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. 2-е изд. Энергия, 1975.

3. Воскресенский Д.И., Степаненко В.И. Устройства СВЧ и антенны. Москва: Радиотехника, 2003.