一种基于仿真场景的调频连续波毫米波雷达仿真方法与流程

本发明属于雷达仿真模拟领域，具体涉及一种基于仿真场景的调频连续波毫米波雷达仿真方法。

背景技术：

1、毫米波雷达作为当前自动驾驶、自主机器人等热门应用上的主要传感器之一，毫米波雷达在实际测试的过程中，容易受到环境因素的制约，要找到或布置相应的测试环境进行可靠性测试，需要耗费不小的人力物力。而对于仿真环境，可以根据实际所需布置任意的软件仿真环境，无需实物进行测试，在降低成本的同时，达到快速开发的目的。

2、现有验证毫米波雷达功能的技术中，主要有几种验证方法：

3、首先是第一种是实物测试，即把实物毫米波雷达安装在需要测试的装置上(例如智能小车、机器人等)实时测试。这种方法的优点是能反应最真实的情况，能够有效验证毫米波雷达的可靠性。

4、但是第一种实物测试的缺点是测试环境的选择和搭建难，效率低下，开发速度慢，因此有了第二种测试方法，理想化的仿真，即在仿真环境中，在已知环境各个参数的情况下，假设雷达的反射是简单路径传播，而不考虑多径影响。根据目标物与雷达的距离及相对速度，简单换算出目标的距离速度角度等信息，这类仿真只能验证相关装置的功能，而无法验证实际装载雷达后其运行的可靠性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于仿真场景的调频连续波毫米波雷达仿真方法，真实的模拟现实环境中毫米波雷达信号的传播，从而提高应用仿真的可靠性。

2、为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种基于仿真场景的调频连续波毫米波雷达仿真方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，获取仿真环境中各个物体的网格参数；

4、步骤s2，根据预先设置的毫米波雷达参数，及s1步骤的所述网格参数，在仿真环境中，计算出经过物体反射后的雷达信号到达毫米波雷达的信号，并将所有到达的信号进行叠加，得到叠加后的接收信号；

5、步骤s3，对步骤s2得到的叠加后的接收信号送入信号处理单元进行处理，可得到毫米波雷达视野范围内的物体与毫米波雷达的距离和强度，并与设定值进行比对，若计算出的值与实际的值相近，则证明该仿真方法有效，可用于进行实际连续波毫米波雷达的仿真测试。

6、优选的，步骤s1中所述网格参数包括物体在世界坐标系中的位置信息、物体所在平面的曲率半径和方向和物体的材质。

7、优选的，步骤s2中所述毫米波雷达参数至少包括雷达波的发射和接收指向性图、雷达波信号发射的信号强度、信号的频率f0、信号带宽b、调频周期t、以及其他雷达方程中涉及的增益和衰减参数；频率f0单位是hz，信号带宽b单位是bit，调频周期t单位是s。

8、优选的，所述步骤s2的信号强度计算包括以下步骤：

9、步骤s21，已知毫米波雷达参数中的信号发射功率、指向性图和发射接收增益，基于球面波传播的方式，可计算出雷达波到达仿真环境中各网格点时的信号强度，已知仿真环境中网格点对雷达的反射系数、网格点截面曲率半径、以及网格点相对与雷达的移动速度，可基于光线追踪算法计算得到雷达信号经过网格点一次反射和二次反射后，最终到达雷达信号接收器时的信号强度an，信号强度an与波程l平方成反比，单位为db、波程ln与调频频差成正比，单位为m；

10、步骤s22，根据所述步骤s21所得到的信号强度an，波程l，可以将到达的信号sn(t)表示为：

11、

12、其中，k＝b/t为频率调制速率，单位为hz/s；τl＝l/c，为延时时间，单位为s；c为光速，单位为m/s，an单位为w，exp为自然数e的指数，j是虚数，ω是角频率，单位是rad/s，π为圆周率，t为时间变量，单位是s；

13、步骤s23，对所有n个接收到的信号进行叠加即可得到总的雷达接收信号：

14、

15、所述信号sn(t)和s(t)的单位为w。

16、优选的，所述步骤s21的强度计算还包括以下步骤：

17、步骤s201，在仿真环境中，选出雷达信号接收器视野范围内经过一次反射就可以被雷达接收器接收到反射信号的网格点，即一次反射有效网格点。

18、步骤s202，根据光线追踪算法，计算出上述有效网格点中所有可经过其他有效网格点二次反射到达雷达接收器的网格点，即二次反射有效网格点。

19、步骤s203，以上述所有一次反射有效网格点和二次反射有效网格点，统称为有效网格点，计算雷达信号从发射器出发，经过每个有效网格点，到达接收器时，所经过的波程ln，以及每次反射时的雷达截面积σn。

20、步骤s204，将得到的波程ln，单位为米，以及每次反射时的雷达截面积σn，单位为m2，在已知发射功率pt，单位为db，发射增益gt、接收增益gr均为系数无单位，接收机放大系数ga的情况下，分别代入一次反射雷达方程和二次反射雷达方程，可计算得到每一个波束到达雷达接收器的信号强度an。

21、步骤中的一次反射雷达方程和二次反射雷达方程分别如下：

22、一次反射雷达方程：

23、二次反射雷达方程：

24、优选的，所述步骤3还包括以下步骤：

25、步骤31，对所述步骤23得到的叠加信号s(t)进行快速傅立叶变换，将时域信号变换为频域信号，提取频域信号中的波峰点对应的频率f及峰值a，根据频率与波程的关系即可得到雷达视野范围内物体相对与雷达的距离rn，单位为m，及目标强度a。

26、步骤32，根据用户给定的目标距离、强度,，将所述步骤3得到的雷达视野范围内目标的相对速度及目标强度进行对比，验证雷达的算法和效果，并把结果输出给使用者，即完成基于仿真场景的一发一收调频连续波毫米波雷达仿真。

27、本发明提供的一种基于仿真场景的调频连续波毫米波雷达仿真方法，至少具有以下优点：首先获取仿真环境中雷达感知范围内所有物体的网格参数，其次根据毫米波雷达所在世界坐标系中的位置信息及其所发射雷达波的参数，然后根据雷达方程计算在仿真环境中雷达感知范围内所有物体的反射信号，将得到反射信号进行叠加后进行计算，最后得到雷达视野范围内相对于雷达的物体的理论物体相对与雷达的距离和强度，将该理论距离和强度和物体实际设定距离和强度进行对比，验证雷达的性能和算法，该方法能够真实的模拟现实环境中毫米波雷达信号的传播，从而提高应用仿真的可靠性，无需实物进行模拟。

技术特征：

1.一种基于仿真场景的调频连续波毫米波雷达仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于仿真场景的调频连续波毫米波雷达仿真方法，其特征在于：步骤s1中所述网格参数包括物体在世界坐标系中的位置信息、物体所在平面的曲率半径和方向和物体的材质。

3.根据权利要求2所述的一种基于仿真场景的调频连续波毫米波雷达仿真方法，其特征在于：步骤s2中所述毫米波雷达参数至少包括雷达波的发射和接收指向性图、雷达波信号发射的信号强度、信号的频率f0、信号带宽b、调频周期t、以及其他雷达方程中涉及的增益和衰减参数；频率f0单位是hz，信号带宽b单位是bit，调频周期t单位是s。

4.根据权利要求3所述的一种基于仿真场景的调频连续波毫米波雷达仿真方法，其特征在于，所述步骤s2的信号强度计算包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种基于仿真场景的调频连续波毫米波雷达仿真方法，其特征在于，所述步骤s21的强度计算还包括以下步骤：

6.根据权利要求4所述的一种基于仿真场景的调频连续波毫米波雷达仿真方法，其特征在于，所述步骤s3还包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种基于仿真场景的调频连续波毫米波雷达仿真方法，属于雷达仿真模拟领域，包括以下步骤：首先获取仿真环境中雷达感知范围内所有物体的网格参数，其次根据毫米波雷达所在世界坐标系中的位置信息及其所发射雷达波的参数，然后根据雷达方程计算在仿真环境中雷达感知范围内所有物体的反射信号，将得到反射信号进行叠加后进行计算，最后得到雷达视野范围内相对于雷达的物体的理论物体相对与雷达的距离和强度，将该理论距离和强度和物体实际设定距离和强度进行对比，验证雷达的性能和算法，该方法能够真实的模拟现实环境中毫米波雷达信号的传播，从而提高应用仿真的可靠性，无需实物进行模拟。

技术研发人员：庄天海,沈奕鹏
受保护的技术使用者：深圳芯瑞晟微电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13