计
根据政府报告，全世界每年有成千上万的⼈因为车祸⽽丧⽣，⽽伤残⼈数更是达到了数百万[1]。这是科学家和⼯程师致⼒于研究汽车应⽤的⾸要原因，他们希望开发安全的汽车雷达系统，以减少汽车碰撞造成的⼈⾝伤害。在这种市场需求的推动下，车辆上⼴泛采⽤了各种雷达系统，如⾃适应巡航控制（ACC）、停车再起步、盲点检测（BSD），变道辅助（LCA）和追尾预警（RCW）。
基于频率调制连续波（FMCW）[2]的汽车雷达是⽬前⼴泛应⽤的⼀种技术。与脉冲雷达不同，使⽤连续波调制的 FMCW 雷达可以避免传输中的⾼峰均功率⽐（PAPR），简化了功率放⼤器等天线和射频部件的设计过程。因此，基于该技术的汽车雷达系统具有更多优势，例如良好的性能、简化的射频元器件、尺⼨更⼩、重量更轻和成本更低。
本应⽤指南提出了先进型频率调制连续波 FMCW 雷达系统的设计⽅法，其中需要应⽤多天线、数字波束赋形（DBF）、多维 DSP 信号处理和参数估计算法等技术。
根据市场调查，汽车雷达设计⼈员需要⼀款具有以下功能的⼯具：
– ⽣成和分析不同类型的频率调制连续波 FMCW 信号
– 多天线/阵列天线设计能⼒
– ⽤于 DBF 和多⽬标检测的复杂算法设计，具有⾼分辨率和精度的清晰距离和速度测量，以及⽤于防撞和汽车驾驶的复杂 DSP 算法
– 能够应对⾼频、跨域体系结构中的系统复杂性光速汽车
– 复杂的环境场景，包括具有多散射雷达截⾯（RCS）和杂波加扰动的移动⽬标
– ⽤于⾼级测量的测试考虑因素，如检测率、误报率、2D/3D 天线⽅向图、距离多普勒图以及综合⾃动测试系统
W1905 SystemVue 雷达库能够提供这些功能，⽤于汽车雷达系统的仿真和测试。为了节省开发时间并降低成本，SystemVue 雷达库提供⾼度参数化的仿真模型和更⾼级别的参考设计⼯作区，使得设计⼈员能够创建雷达系统操作场景，包括雷达信号⽣成、处理、环境影响（如杂波、⼲扰、⽬标接收机算法和测量）。图 1 为⼀个频率调制连续波FMCW 系统设计的设置⽰例。由于其强⼤的能⼒，所⽰的⼤多数模型（如信号发⽣器、发射机、Tx/Rx 天线、射频接收机、测量、⽬标 RCS、杂波和⼲扰）可以直接从雷达库获得。为了获得包含更准确结果的更详细体系结构，SystemVue 允许对射频发射机/射频接收机使⽤ RF-DSP，或是对跨域仿真中的天线使⽤ DSP-EM。W1905 模块集及其⽰例⼯作区可⽤作算法和体系结构参考设计，以在不同信号条件和环境情况下验证雷达性能。这些可能包括⽬标和 RCS 场景、杂波条件、⼲扰和环境⼲扰等。通过全⾯周到地考虑各种环境影响，同时保持开放的建模环境（.m、C++、VHDL、测试设备），雷达系统设计⼈员可以更有信⼼地在研发早期探索设计体系结构，⽽⽆需进⾏成本昂贵的室外距离测试或使⽤硬件仿真器。
图 1. 在 SystemVue中的频率调制连续波 FMCW 系统设置
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传统的频率调制连续波 FMCW 系统
我们从简单的常规频率调制连续波 FMCW 系统开始，这种系统通常⽤于短程雷达，只需要进⾏距离检测。 频率调制连续波 FMCW 系统中始终使⽤线性调频（LFM）信号。图2 所⽰为形成 FMCW 雷达信号的不同 LFM 信号。
图 2. SystemVue⽣成的典型线性 FMCW 信号如下：A）锯齿信号的波形，B）锯齿信号的时延（频率与时间），C）三⾓形信号的波形，D）三⾓形信号的时延（频率与时间）
图 3. 频率调制连续波 FMCW 信号的频率与时间特性
假设 FMCW 雷达信号通过天线发射并在⽬标上反射。接收机在⼀段时延后接收信号，如图 3 所⽰。在 FMCW 接收机输⼊中，时延可以通过以下公式计算：
t = 2 R/ C （1）
其中，R 是雷达与⽬标的距离，C 是光速。
对于图 3 中 LFM 信号的进⼀步信号处理，我们有：
t = f_b T / Δf （2）
其中时间段 T 中的总频差为 Δf，f_b 为时延 t 的拍频。根据（1）和（2），可以使⽤以下公式估算距离：
R = f_b T C / (2 Δf) (3)
频率差 Δf 通过快速傅⾥叶变换（FFT）变换成频谱，然后根据频谱计算出距离。估算⽬标距离的主要算法可以从公式（3）导出。传统 FMCW 雷达的算法框图如图 4 所⽰。
图 4. 频率调制连续波 FMCW 接收机信号处理
根据上述分析可以构建基于常规 FMCW 的短程雷达系统。图 5 所⽰为在 SystemVue中创建的⼀个传统 FMCW 雷达系统的⽰例。
FMCW 系统
图 5. 仿真中的短程频率调制连续波 FMCW 雷达系统
图 5 所⽰为⼀个 24 GHz 频段的频率调制连续波 FMCW 雷达系统。从 SystemVue 的 W1905 雷达库中，使⽤具有 0.1 ms 脉冲重复间隔和 10 μs 脉冲宽度的 LFM 模型作为 FMCW 雷达源，之后是基本的射频调制器。天线 Tx 模型⽤于指定天线波束⾓度以及⽅位⾓和仰⾓的⽬标⽅向（以度为单位）。雷达
⽬标模型⽤于指定⽬标距离、速度和RCS。在接收机中，天线 Rx ⽤于指定其⼤⼩、天线⽅向图、扫描⽅向图和位置。信号处理和距离估计模块以图 4 所⽰ 频率调制连续波 FMCW基本原理为基础创建。
短程 FMCW 雷达的发射机波形和频谱的仿真结果如图 6 所⽰。图 7 中绘制了提取的拍频。然后，可以使⽤公式（3）通过拍频估算⽬标距离。估算的距离值打印在图 5 中系统设计原理图的粉⾊⽂本框中。例如，对于 30 ⽶的实际⽬标距离，估算的距离为 29.2969 ⽶，因此，仿真结果是正确的。
图 6. 仿真结果：短程 FMCW 雷达的发射机波形和频谱
图 7. 仿真结果：短程 FMCW 雷达信号处理后提取的拍频
先进的频率调制连续波 FMCW系统
在给先进的 FMCW 雷达系统建模时采⽤了⼀种新的场景框架仿真技术[3]。该框架⽀持雷达平台运动和以地球为中⼼的惯性框架中的⽬标运动。框架中有三个层，如图 8 所⽰。
第⼀层为轨迹层，该层允许⽤户定义⽬标位置以及发射机和接收机的速度。多个天线阵列可以在不同系统的框架中进⾏设置。⽀持复杂的雷达场景以及复杂的⽬标建模。这种技术还⽀持任意位置和速度下的多天线，这意味着⽀持先进的雷达系统，如有源阵列天线、MIMO 和多静态。
图 8. ⽤于检测远程⽬标的先进 FMCW 雷达系统
轨迹层处理雷达平台运动和⽬标运动。假设雷达 Tx 和 Rx 站安装在移动平台上，轨迹层可⽤于指定雷达平台。使⽤雷达平台模型，⽤户可以设置诸如飞机、船舶和卫星等移动平台，这些平台具有位置、速度和加速度等参数。移动⽬标也可以通过 ECI 框架参数中的位置、速度、加速度和 RCS 来指定。轨道层中允许存在多个雷达发射站和接收站，以设计定制雷达系统，如相控阵、MIMO、双静态和多静态。多⽬标使⽤雷达⽬标散射位置模型在层中指定。
天线层计算天线坐标中不同⽬标散射的仰⾓和⽅位⾓。雷达平台位置和雷达⽬标散射位置模型的输⼊是 ECI 帧中的 X、Y 和 Z 值。这些值可以从轨迹层中的雷达平台和雷达⽬标散射位置输⼊。⽅位⾓和仰⾓端⼝的输出是天线框架中⽬标散射的仰⾓和⽅位⾓。
信令层在物理层设置仿真。有了雷达场景框架，⽤户可以使⽤内置框架模型库中提供的特性模型或从 C++、MATLAB 或 HDL 等语⾔代码中导⼊的特性模型来构建⾃⼰的雷达系统。该模型库包含现成的基本模型，可⽤于信号源、信号处理和测量。它还提供模板，有助于简化先进系统的设计、验证和测试。
例如，假设我们设计了⼀个具有先进 FMCW 信号处理体系结构的 77 GHz 远程汽车雷达系统。其主要技术指标如下表所列。我们假设发射平台位于经度 117.8 度，纬度 34度，海拔为 500 ⽶，速度为 5 ⽶/秒。它是⼀个单静态雷达系统，因此接收平台具有相同的位置和速度。⽬标位于经度 117.8 度，纬度 34.
003 度，⾼度为 500 ⽶，速度为-4.5 ⽶/秒，这意味着它正朝向汽车⽽来。表中列出了所有系统参数。
下表--远程 FMCW 雷达技术指标
图 5 所⽰为频率调制连续波 FMCW系统，根据仿真结果，该系统适⽤于短距离检测。然⽽，先进的 FMCW 雷达系统需要⾮常准确地检测远程移动⽬标。在本节中，我们将讨论采⽤先进雷达信号处理算法的先进 频率调制连续波 FMCW系统。图 9 为⼀个先进 FMCW 系统的设计。
图 9. ⽤于检测远程⽬标的先进 FMCW 雷达系统
在图 9 中，频率调制连续波 FMCW系统使⽤场景框架技术及其三个层进⾏建模。在轨迹层中，我们规定发射机位于经度 117.8 度，纬度 34 度，⾼度为 500 ⽶，速度为 5
⽶/秒。假设它是⼀个单静态雷达系统，接收平台具有相同的位置和速度。⽬标位于经度 117.8 度，纬度 34.003 度，⾼度为 500 ⽶，速度为 -4.5 ⽶/秒。在轨迹层的仿真中，SystemVue 计算出雷达与⽬标之间的距离以及雷达平台运动引起的多普勒频率和⽬标的运动。在天线层中，计算⽬标的⾼程和⽅位⾓，并将⾓度信息发送到信令层中的天线模型，以控制天线的操作。天线阵列可以在不同系统的信令层进⾏设置。⽀持复杂的雷达场景以及复杂的⽬标建模。
这种场景框架技术⽀持任意位置和速度的多天线。在信令层可以设置先进的雷达系统，如有源阵列天线、MIMO 和多静态。在图 9 所⽰的先进 FMCW 系统中，我们可以看到基本的⼦系统，包括发射机、环境、射频接收机、信号处理器以及距离和速度信息的提取和测量。每个⼦系统的详细结构如下所⽰。
图 10. 频率调制连续波 FMCW 发射机
图 10 中的 FMCW 雷达发射机由⼏个主要部分组成：
1. 线性调频信号源。为了满⾜不同的应⽤情况，频率扫描模式可以是三⾓形、锯齿形或⼏种频率⽅向图的组合。
2. T/R 模块。有源阵列天线归可以存档。T/R 模块以数字⽅式或仿真⽅式设计。
3. 发射机和接收机的天线（详细的算法如图 11 和 12 所⽰）。
– 使⽤此平台可以设计单个天线或阵列天线。雷达天线 Tx 和 Rx 型号⽀持两种⼯作模式：内置天线⽅向图的搜索和跟踪：
– 对于⽤户定义的⽅向图，天线⽅向图阵列参数⽤于从其他软件（如 EMPro）导⼊
– 除了⽤户定义的⽅向图之外，内置⽅向图还包括均匀、余弦、抛物线、三⾓形、圆形、余弦平⽅形和 Taylor 型
– 也⽀持天线扫描模式，包括圆形、双向扇区扫描、单向扇区扫描、双向光栅和单向光栅。
4. 通过信号处理，波束赋形器可以对⼲扰空间滤波进⾏归档。传播可以在期望的⽅向形成具有更⾼灵敏度的响应⽅向图。为了对天线⽅向图进⾏观察，可以使⽤基于
SystemVue DAV功能的新 3D/2D 绘图，如图 11 所⽰。
图 11. 使⽤ SystemVue DAV 功能的天线⽅向图绘图
阵列天线也可以在平台上设计，如图 12 所⽰。
图 12. 在 SystemVue 中使⽤雷达相控阵 Tx 和 Rx 的阵列天线设计
电⼦扫描阵列（ESA）提供可控、敏捷的⾼增益波束，这对于雷达、天⽓监视和成像等应⽤很有利。与
需要万向节转向的反射器天线相反的是，阵列波束对空间中的阵列波束进⾏电⼦扫描（ESA），不会物理移动阵列。通过 ESA 扫描波束可以在⼏微秒内完成，⽽反射器需要⼏毫秒。
雷达相控阵 Tx 和雷达相控阵 Rx 模型⽤于仿真 ESA 发射和接收模型。这两种模型均⽀持线性阵列和 2-D 平⾯阵列。您可以使⽤模板数组参数指定任意形状的阵列形状，如图13 所⽰。它们也⽀持任意天线阵列。
图 13. 频率调制连续波 FMCW 雷达中的波束赋形
波束赋形是在雷达天线阵列中使⽤的⼀种信号处理技术，⽤于发射和接收定向信号。使⽤⾃适应或固定的接收/发射波束⽅向图可实现空间选择性。它与全向接收/发射相⽐的⼀处改进称为接收/发射增益（或损耗）。波束赋形可⽤于射频和雷达波，在雷达、声纳、地震学、⽆线通信，射电天⽂学、语⾳、声学和⽣物医学等领域得到了充分的应⽤。⾃适应波束赋形⽤于通过数据⾃适应空间滤波和⼲扰抑制来检测和估计传感器阵列输出处的指定信号。
波束赋形利⽤⼲扰来改变阵列的⽅向性。在发射时，波束赋形器控制每个发射机上信号的相位和相对振幅，以便在波前⽣成具有相长⼲涉和相消⼲涉的码型。在接收时，来⾃不同传感器的信息被组合到⼀起，使得预期的辐射模式能优先被观察到。
波束赋形指来⾃多个相位中⼼的数据的相⼲组合，以提供到达⾓的选择性，即形成和引导天线波束。
为了仿真实际环境中的汽车雷达性能，我们必须考虑⽬标返回 RCS、杂波、⼲扰和信道噪声。在图 14 中，考虑使⽤
两个⽬标来仿真在多⽬标环境下⼯作的 FMCW 雷达设计。
图 14. FMCW 仿真环境
射频接收机如图 15 所⽰，包括阵列天线 Rx、T/R 模块、波束赋形器以及与信号处理器的接⼝。
图 15. 射频接收机
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