Capitolo 1 Il progetto Radar Automotive Clearad

Capitolo 1

Il progetto Radar Automotive Clearad

1.1 Criteri di progetto

Il progetto del radar presentato è realizzato tenendo in considerazione i seguenti punti: 1. Rispetto delle Normative UE in termini di bande di frequenza usate, potenze

trasmesse, e compatibilità elettromagnetica;

2. Capacità di rivelare bersagli fino ad un Range Massimo Rmax (150 , 200) m; 3. Risoluzione in Range desiderata <= 1.5 m;

4. Risoluzione Angolare desiderata <= 1°

1.2 Schema a blocchi funzionale

La seguente figura mostra uno schema a blocchi funzionale del radar in cui sono evidenziati soltanto dei macro-blocchi ciascuno identificato attraverso la funzione che svolge.

I segnali estratti dall’antenna monopulse vengono digitalizzati ed elaborati parallelamente, tuttavia soltanto il canale Somma è utilizzato per la ricerca dei possibili bersagli presenti.

Il canale Delta è infatti utilizzato esclusivamente per la determinazione dell’angolo azimutale (DOA) cui si trova un bersaglio precedentemente rivelato.

Figura 1.1: Schema a blocchi funzionale

Comparator Monopulse e Down Convertion ADC MF Accumulo + Pesaggio Σ FFT Rivelazione (CFAR) Down Convertion ADC MF Accumulo + Pesaggio FFT Δ Stima Mono-pulse Az.th Range

1.3 Descrizione sistemistica del radar

1.3.1 Antenna

Al fine di ottimizzare le prestazioni dell’antenna in termini di resistenza alle vibrazioni e sollecitazioni che una vettura in movimento provoca, nonché per ridurne i costi di produzione, si è scelto di utilizzare un’antenna fissa (steady), cioè con velocità di scansione nulla, e boresight allineato alla direzione frontale della vettura. Questa soluzione è sicuramente la più economica rispetto alle alternative utilizzanti una rete di sensori oppure un singolo sensore a fascio stretto con scansione settoriale. Di seguito si riportano le caratteristiche principali dell’antenna del CLEARAD.

Parametro Valore Unità di Misura

Guadagno d’antenna (Gmax):

31 [26] dB(i)

Attenuaz. Lobi Laterali Vicini (NSL):

≥ 13 dB

Attenuaz Lobi Laterali Lontani (FSL) ≥ 20 dB Fascio 3db: - Azimuth: - Elevazione 20 (± 10°) 5 (± 2.5°) deg

Tabella 1.1: Specifiche dell’antenna

Il fascio radar copre dunque una zona di 20° (tra -10° e +10° rispetto al boresight d’antenna) ed è pensata per poter sintetizzare in ricezione i fasci Somma e Delta Azimuth.

1.3.2 Tecnica Monopulse (Accuratezza Angolare Monopulse)

Come accennato in precedenza, l’antenna radar sarà di tipo monopulse, cioè in grado di estrarre l’informazione angolare da un singolo impulso ricevuto, ed in particolare dal confronto di due segnali, detti rispettivamente Somma (Σ) e Delta (Δ), disponibili all’uscita dell’antenna del comparatore monopulse.

E’ noto che, nella sua configurazione classica, un’antenna monopulse è costituita da quattro feeds ricetrasmittenti.

In ricezione, i segnali provenienti da ciascuna antenna vengono opportunamente combinati (nel comparatore monopulse) al fine di ottenere tre segnali indipendenti detti rispettivamente Somma (Σ), Delta Azimuth (Δaz), e Delta Elevazione (Δel).

Il Delta Elevazione si utilizza in pratica quando si ha la necessità di determinare anche la quota del bersaglio.

In questa sede si fa l’ipotesi di lavorare su un piano, e, dunque, si considerano soltanto i canali Somma e Delta Azimuth (Somma e Delta, da qui in avanti).

Il numero di canali riceventi da utilizzare è dunque 2.

1.4 Waveform

Nel rispetto delle normative europee in termini di automotive radar, si utilizza la banda W di frequenze per cui:

RF =76.5GHz

cui corrisponde una lunghezza d’onda λ=c RF/ = ⋅3 10 / 76.5 108 ⋅ 9 =0.0039m

Nel rispetto delle vigenti normative europee, si utilizza una potenza trasmessa pari a P_T =0.1W (20 dBm)

Dato che si desidera avere una risoluzione in range <= 1.5m, gli impulsi trasmessi dal radar saranno caratterizzati come segue:

70 ( _s 0.07 )

PW = ns PW _μ = μs (pari a 10.5 m in range (minimo range di visibilità)) Modulation On Pulse (MOP):

Tipo: Barker

Numero elementi di codice: 7

cui corrisponde un impulso elementare di lunghezza temporale

10 ( 0.01 )

cod cod s

ed una banda B=1/PW_cod =100MHz

Per quanto riguarda la scelta della PRF, questa è identificata considerando per i targets d’interesse velocità relative (rispetto alla vettura sulla quale è istallato il sistema radar) massime tipo

(

)

Ricordando la relazione che definisce la frequenza Doppler di un target 2 rel D v f λ = con rel

v = velocità relativa del bersaglio =v⊗ =n vcosα (⊗ indica il prodotto scalare) dove

α = angolo compreso tra il vettore velocità ed il versore normale che indica la direzione di moto della vettura sulla quale è installato il radar, la PRF del radar si sceglie facendo in modo che la frequenza doppler massima prevista, ed in particolare quella frequenza doppler che corrisponderebbe ad una velocità pari a v , sia non ambigua, per cui:

2 2 110 56410 56.41 0.0039 DMAX v PRF f Hz KHz λ Δ ⋅ ≡ = = = =

In conseguenza a questa scelta si ha che:

1 17.7 PRI s PRF μ = = 17.7 150 2655 ( ) NA MAX R = ⋅ = m  R

Utilizzando questi parametri (per la banda W), il Duty Cycle del radar diventa: (%) ( ) / ( ) 0.0039 0.39%

Un valore di duty così basso implica che l’energia media che arriva (e viene poi back-scatterata dal bersaglio) è molto bassa, ed allora sarà necessario integrare un discreto numero di impulsi per poter rivelare correttamente il bersaglio stesso.

Di seguito si riporta una tabella riassuntiva dei parametri fin qui proposti.

PARAMETRO VALORE, TIPO UNITÀ DI MISURA

Frequenza Operativa 76-77 GHz

Potenza di Picco 0.1 (20) W (dbm)

PRF 56.410 KHz PRI 17.7 μsec

Pulse Width 0.07 μsec

MOP Barker 7

Banda 100 MHz

Pulse Width (dopo codifica) 0.01 μsec

Tabella 1.2: Parametri radar

Al fine di minimizzare i ritorni da strutture fisse che tipicamente possono trovarsi in ambiente stradale (pali, alberi, edifici, tralicci, ecc) ed aventi una dimensione verticale prevalente, si utilizza per l’onda e.m. trasmessa la polarizzazione orizzontale.

1.5 Radar Data Processing

Dalla teoria radar di base, è possibile dividere l’intervallo spazio/temporale che intercorre tra due trasmissioni di impulsi successive (PRI), in una serie di intervalli elementari detti Range Bin (RB) che identificano la minima cella di risoluzione in range. In formule, si definisce il 150 | sec 2 PWcod RB=c = ⋅PWcod _μ dove

c = velocità della luce (3·108 m/sec)

Per l’automotive radar si ha che

RB = 0.01 · 150 = 1.5 m

In ogni caso, il numero totale di Range Bin in un PRI risulta dunque

NRB = Int(PRI / PWelem) = Int(17.7 / 0.01) = 1770

con i quali viene coperto tutto il range non ambiguo RNA.

Tuttavia dato che il radar deve operare fino ad una distanza massima

200 MAX

R  m

sarà sufficiente analizzare un numero di RB pari a

200 ( MAX 10.5) / (202.5 10.5) / 1.5 128

RB = R − RB = − =

che corrisponde ad un PRI equivalente pari a

Il complemento a PRI di tale valore, è dunque per il radar un tempo morto (ΔT), in cui i campioni in uscita dal ADC non vengono processati (ma scartati).

ΔT = PRI – PRI200 =17.7 – 1.28 = 16.42 µsec

Questo tempo può essere utilizzato per effettuare calcoli ed elaborazioni lente. La seguente figura mostra le grandezze in gioco.

Figura 1.2: Grandezze temporali in un PRI

PRI200

RB

PRI

ΔT

Si descrive di seguito il processing radar relativo ai campioni corrispondenti alla PRI200

relativi al solo canale Somma, dato che sul canale Delta si esegue un processing identico. [1]

1.5.1 Sensitivity Time Control (STC)

Data la presenza di clutter esteso, e l’impossibilità di prevedere filtri cancellatori (MTI), si potrebbe inserire la funzione STC che agisce sui campioni (o meglio sul modulo dei campioni) in uscita dal filtro adattato al fine di ridurre l’effetto del clutter.

Questa funzione, infatti, è usata per attenuare i contributi di segnale provenienti dalle prime celle in range.

La funzione STC dipende dalla distanza, è caratterizzata da una distanza minima di applicabilità dopo la quale la funzione inizia a decrescere, ed una distanza massima, che delimitano l’insieme di distanze in cui l’attenuazione variabile dell’STC deve agire.

1.5.2 Filtro Adattato o Matched Filter (MF)

Il filtro adattato, nel caso di MOP di tipo Barker, ha una banda ottima di ricezione (nel senso che massimizza il rapporto SNR in ricezione) pari alla larghezza di banda della modulazione intra-pulse effettuata.

Quindi z Hz Barker 100 FM B =B = MH .

In pratica, se si sceglie lo schema di demodulazione caratteristico delle tecniche di campionamento bilatere in cui vengono generati e campionati separatamente i segnali I e Q (vedi schema precedente), occorre prevedere due filtri adattati (rispettivamente per ciascuno dei due segnali). In tal caso, è sufficiente utilizzare filtri con ampiezza di banda

50 FM

B = M

per essere adattati al segnale che transita.

Senza perdita di generalità, di seguito consideriamo di lavorare sui campioni complessi,

(

)

I campioni complessi in ingresso al filtro subiscono un processo di correlazione temporale con la forma d’onda trasmessa (base).

Nel caso in cui non sia presente alcun bersaglio nel PRI considerato, il processo di correlazione darà in uscita solo campioni di rumore.

Invece, se il bersaglio è presente, quando i campioni ricevuti si allineano temporalmente con quelli della base, si avrà un picco della funzione di correlazione.

All’uscita del filtro adattato si ha dunque uno stream di campioni (demodulati) che a tutti gli effetti rappresentano, dopo la necessaria decimazione, l’asse digitale delle distanze.

Il numero di campioni complessi (Range Sample) che rappresentano l’asse delle distanze (da 0 a RMAX) è pari a

NC_RMAX = RB200 = 128 .

1.5.3 Pesaggio ed Accumulo

I gruppi (batches) da NC_RMAX campioni in uscita dal FM sono accumulati PRI dopo

PRI fino ad un numero pari al numero di canali previsti per le FFT da realizzare di seguito (NCH_FFT).

In pratica, dopo la trasmissione di NCH_FFT impulsi e la memorizzazione dei relativi assi

digitali ricevuti all’uscita del FM, si ottiene una quantità di campioni complessi ben rappresentabile tramite la seguente matrice.

... C21

C₁₁ C₁₂ C₁₃ ...

Figura 1.3: Banco di filtri doppler PRIs

Range

PRI_1 PRI_2 PRI_ NCH_FFT RS_1

RS_2

RS_ NC_RMAX Banco FFT_ N_{C_RMAX}

Per il radar automotive si avrà in particolare che NCH_FFT = 128.

Una volta riempita interamente la matrice dei campioni, il processing radar è pronto per effettuare le FFT.

Banco FFT_1 Banco FFT_2

Le righe della matrice diventano vettori di dati complessi da mandare in ingresso ad altrettanti banchi FFT dopo essere state pesate tramite una funzione di tipo Blackman al fine di ridurre i lobi laterali degli spettri d’uscita dai banchi FFT.

La seguente figura, mostra un esempio di funzione di pesaggio di tipo Blackman .

Figura 1.4: Finestra di Blackman

1.5.4 FFT

Come detto in precedenza, ciascuna riga della matrice PRI vs Range viene pesata e processata tramite banco di filtri FFT da 128 punti indipendentemente dalle altre. In questo modo si effettua un’analisi spettrale Range Sample per Range Sample ed in uscita si ottiene una nuova matrice di dati complessi stavolta di tipo Range vs Doppler (di seguito matrice Range/Doppler) mostrata di seguito.

... d21

d11 d12 d13 ...

Figura 1.5: Matrice range-doppler

Range Doppler RS_1 RS_2 PRI_ NC_RMAX CH_1 CH_2 CH_ NC_FFT

Mediante l’operazione di modulo quadro (rivelatore quadratico) si può allora ottenere elemento per elemento lo spettro di potenza del segnale di ritorno da ogni cella (identificata tramite la coppia di parametri (CH_DOP, RS)).

Per quanto concerne la risoluzione in velocità ottenibile con le scelte appena indicate, dato che 56.41 PRF = KHz _ 128 CH FFT N =

ciascun canale (del singolo banco) FFT avrà larghezza spettrale _ 440.7 CH CH FFT PRF B Hz N = =

corrispondente ad una risoluzione in velocità pari a

( ) / 2 0.856 / 3.08 /

vel CH

RIS = B ⋅λ = m s= km h

ritenuta ampiamente soddisfacente date le velocità in gioco nelle applicazioni automotive.

1.5.5 RIVELAZIONE

Il processo di rivelazione effettuato direttamente sui dati della matrice Range/Doppler ottenuta all’uscita dei banchi FFT (o meglio sul modulo quadro) è detto Velocity Search.

La presenza di un eventuale bersaglio, viene infatti determinata analizzando le sue caratteristiche cinematiche (velocità relativa e frequenza doppler corrispondente), ed in particolare confrontando cella per cella i valori della matrice Range/Doppler (o meglio, i corrispondenti ottenuti dopo rivelazione quadratica), con un valore di soglia VT

calcolata (cella per cella) dall’algoritmo CFAR in modo tale da mantenere costante la probabilità di falso allarme.

In letteratura è possibile trovare diverse metodologie di calcolo CFAR della soglia, ciascuna caratterizzata da una complessità e prestazioni (a parità di scenario considerato) differenti. Ovviamente ciò che occorre fare è scegliere una tecnica che rappresenti un trade-off tra peso computazionale richiesto e prestazioni (in termine di numero di falsi allarmi) ottenute. In prima analisi ci si orienta per l’impiego di una sogliatura CFAR monodimensionale. [2]

Per il CLEARAD si è scelta una tecnica CA-CFAR, ma si è risparmiato sul costo computazionale; l’algoritmo è descritto dettagliatamente nel capitolo 3.

Si ricorda che il processo di rivelazione viene effettuato esclusivamente sui campioni in uscita dal canale Somma anche se lo stesso data processing (rivelazione esclusa) viene contemporaneamente implementato anche sul canale Delta.

Ad ogni cella in cui si registra il superamento della soglia è possibile associare un bersaglio rivelato.

Al termine del processo di rivelazione, è dunque possibile conoscere:

- il numero di bersagli presenti nella zona d’interesse del radar - il range e la doppler associate a ciascun bersaglio

- l’indice (riga,colonna) della matrice Range/Doppler in cui si sono verificati i superamenti di soglia

1.5.6 Stima Angolare Monopulse (Risoluzione angolare monopulse)

Il blocco funzionale di stima angolare monopulse riceve in ingresso (bersaglio per bersaglio) i campioni complessi omologhi, cioè con stessi indici (riga,colonna) corrispondenti alla cella cui si è avuta la rivelazione di un bersaglio, relativi ai canali Somma e Delta.

Per ogni coppia viene determinata una stima angolare θ∧. [3]