Автореферат (Алгоритмы обработки сигналов в радиолокаторах предупреждения столкновений транспортных средств)

На правах рукописиБУЙ ЧИ ТХАНЬАЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВВ РАДИОЛОКАТОРАХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯСТОЛКНОВЕНИЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВСпециальность: 05.12.14 – Радиолокация и радионавигацияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква-2016Работа выполнена на кафедре радиоприёмных устройств Московского авиационного института (национального исследовательского университета).Научный руководитель-Доцент, кандидат технических наук, доценткафедры «Радиоприёмные устройства»МАИРасторгуев Владимир ВикторовичОфициальные оппоненты-Доктор технических наук, профессор,ведущий научный сотрудникОАО «РТИ им. А.Л. Минца»Шмелев Александр Борисович-Кандидат технических наук, доценткафедры «Радиоэлектронные системы иустройства», МГТУ им.

Н.Э. БауманаНониашвили Михаил Ильич-АО «Корпорация «Фазотрон-НИИР»Ведущая организацияЗащита диссертации состоится « 27 » декабря 2016 г. в 11-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.03 в Московском авиационном институте(национальном исследовательском университете) по адресу:125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просимвыслать по указанному адресу.С диссертацией можно ознакомиться на сайте www.mai.ru и в библиотекеМАИ.Автореферат разослан « » октября 2016 года.Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.125.03, д.т.н., профессорМ.И.

Сычев2Актуальность работыОдной из главных причин увеличения количества несчастных случаев на дороге является ограниченная оптическая видимость, вызванная наличием дождя, тумана, снега,дыма, пыли и т.п. Эта ситуация серьезно обостряется в осенний и весенний периоды дляучастков дорог со сложным рельефом с резкими (в десятки метров) перепадами высот,особенно в странах с большой плотностью дорожного движения. Поэтому проблема обеспечения безопасного движения транспортных средств (ТС) в условиях ограниченной оптической видимости является чрезвычайно актуальной.Развитие технологий создания информационных датчиков и микроконтроллеровприблизили распространение интеллектуальных систем безопасности движения ТС, к которым относятся системы помощи водителю. Для обеспечения безопасного движения автомобиля в настоящее время используются различные датчики: видео и инфракрасные, радарные, лазерные и ультразвуковые, а также датчики дождя и уровня освещённости.Многие современные автомобили оборудуются системами помощи водителю и датчиками от таких компаний, как Bosch, Denso, Eaton, Hella, Melexis, Mitsubishi, Osram, Valeoи Raytheon.В последние годы для обеспечения движения ночью, на автомобилях начинают активно применяться ИК - камеры (Forward Looking InfraRed - FLIR), которые формируютизображение подобно обычным видеокамерам, но используют для этого диапазон невидимого света (с длиной волны 3-5 или 8-15 мкм).

Однако наличие снега, дождя, дыма и туманна с высокой плотностью является ограничением для применения стандартных видеои ИК камер.Ультразвуковые датчики помощи водителю при парковке, основанные на измерениирасстояния между автомобилем и препятствием, имеют ограниченную дальность действия(< 10 м).Важнейшим преимуществом радарных датчиков является их нечувствительность кпогодным условиям, сезонам и времени суток. Кроме того, радары характеризуютсябольшой дальностью действия, широкой областью обзора и высоким пространственнымразрешением.В настоящее время в мире для повышения безопасности движения ТС производитсямного радаров, в первую очередь для автомобилей и судов.

По дальности работы автомобильные радиолокаторы предупреждения столкновения (РПС) подразделяют на радары:большой дальности (Long Range Radar - LRR) - для систем автоматизированного круизконтроля (АКК), средней дальности (Medium Range Radar - MRR) для предупреждения перекрестного движения и помощи при смене полосы, и малой дальности (Short-Range Radar- SRR), которые обнаруживают препятствия/пешеходов на малой дальности.Известные автомобильные радары (АР) малой дальности (SRR) обычно имеютмаксимальную дальность обнаружения до 50м, сектор обзора в азимутальной плоскостилежит в пределах ±65о, поддержки АКК и парковки.Радиолокационный датчик средней дальности (MRR) компании Bosch, которыйработает в диапазоне частот 76 - 77 ГГц, является стандартом для АР практически во всехстранах мира. При этом, вариант этого АР для переднего обзора имеет угол обзора по азимуту до ±45 градусов и дальность обнаружения до 160 метров от автомобиля-носителя.Вариант MRR обзора позади автомобиля имеет угол обзора по азимуту до ±75 градусов идальность до 90 метров.АР большой дальности (LRR) позволяет наблюдать объекты в диапазоне от 10 до250м.

Основной функцией этих радиолокаторов является обеспечение работы системыАКК. Например, радарный датчик АС20 TRW Automotive выполняет измерение расстоя3ния в диапазоне 1 - 200 м с точностью 1 м, измерение скорости в диапазоне до 250 км/ч сточностью ±0,1 км/ч и сканирование по азимуту в угловом секторе ±6° с точностью ±0,3°.Проведённый обзор известных достижений в области создания современных радарных датчиков показал их основные недостатки:1.

Ограниченная информативность формируемого радиолокационного изображения(РЛИ) дороги, автомобилей, препятствий и окружающей местности, обусловленная недостаточной разрешающей способностью радаров по дальности и азимуту.2. Ограниченность азимутального сектора обзора (апертурный угол порядка 12°) вдальней зоне обнаружения (R 120 м), что не позволяет осуществить обнаружение препятствий в повороте и за ним.3.

Невозможность одновременного измерения двух горизонтальных составляющихвектора скорости автомобиля, что в условиях скользкой дороги и при плохой оптическойвидимости приводит к съезду автомобилей в кювет.Поэтому современные АР не могут решить комплексную задачу предупреждениястолкновений, а также управления (в том числе, автоматизированного) автомобилем приограниченной или отсутствии оптической видимости.Проблемными задачами, связанными с проектированием РЛС обеспечения безопасности движения, занимались различные учёные, как в России, так и других странах. Прежде всего, необходимо отметить основополагающие работы таких выдающихся российскихучёных в области радиолокации, как профессор П.А.Бакулев, профессор Ю.Г.Сосулин,профессор В.Н.Скосырев. Большое влияние на разработку и создание первых панорамныхРЛС для ТС (прежде всего автомобильных РЛС - АРЛС) оказали многолетние исследования известных специалистов МАИ: Нуждина В.М., Расторгуева В.В., Чукина Л.Ф., Давидича И.В.

Кроме того, вопросы разработки радиолокаторов ближней дальности рассмотрены в трудах Шелухина О.И., Елистратова В.В., Ананенкова А.Е., Шнайдера В.Б. Среди зарубежных учёных необходимо отметить труды: M.Skolnik, P.Russer, R.Rollman, M. Schnider, R.Schmidt.В МАИ на кафедре 407 разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец панорамной РЛС обзора пространства ближнего радиуса действия, который в силуочень высокой информативности его РЛИ получил название системы радиовидения (СРВ).Созданная СРВ обладает высоким дальномерным и азимутальным пространственным разрешением, а также высокой скоростью обновления информации в реальном времени, соизмеримой с телевизионными системами.Поскольку основной задачей СРВ является своевременное обнаружение препятствий на дороге и предотвращение столкновения с ними, то в дальнейшем РЛС такого типабудем называть радаром предупреждения столкновений (РПС).При создании РПС было решено большое количество задач, однако, работы по анализу статистических характеристик рассеяния электромагнитных волн (ЭМВ) на такихобъектах, как: автомобили, объекты дорожной инфраструктуры в РПС не были завершены.Не были рассмотрены вопросы влияния параметров антенной системы на характеристикиобнаружения объектов в РПС, не рассмотрены вопросы измерения горизонтального вектора скорости, не рассмотрены алгоритмы обработки радиолокационных изображений (РЛИ)для их адекватного восприятия водителем.

Поэтому можно констатировать, что вопросыпостроения алгоритмов формирования и обработки РЛИ остаются открытыми и разработкаэффективных методов обработки сигналов в РПС ТС является актуальной задачей.Результаты этих исследований должны обеспечить: расширение возможностей и областей применения РПС в различных (не толькоавтомобильных) ТС;4 повышение эффективности методов обработки отраженных сигналов в РПС, расширение функциональных возможностей РПС за счет высокой информативности РЛИ; адекватность формируемого для водителя РЛИ.Цель работы – разработка эффективных алгоритмов обработки сигналов в радарахпредупреждения столкновений транспортных средств для измерения расстояния и скорости сближения с опасными объектами в условиях ограниченной или отсутствия оптической видимости.Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи:1.

На основании проведённого сравнительного анализа затухания ЭМВ миллиметрового (ММ) и инфракрасного (ИК) диапазона длин волн в гидрометеорах и пыли, подтверждены преимущества ММ диапазона и обоснован выбор частотного диапазона дляпроектирования РПС.2. Проведён анализ технических характеристик РПС, важных для проектированиярадара, в частности, оценены характеристики рассеяния ЭМВ на объектах движения и данаоценка влияния уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны (ДНА)РПС на характеристики разрешения объектов - участников движения.3. Разработан корреляционный алгоритм измерения горизонтальных составляющихвектора скорости автомобиля и дана оценка погрешностей измерения.4.

Проведён анализ погрешностей измерения координат, наблюдаемых на РЛИобъектов (в том числе, погрешности измерения углового положения автомобиля относительно оси дороги и расстояния до границы дороги), на основе которого даны рекомендации по выбору технических параметров РПС.5. Разработан новый алгоритм повышения качества визуализации РЛИ на экранеРПС, позволяющий облегчить его восприятие оператором (водителем).Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:1. Проведен анализ влияния уровня боковых лепестков ДНА РПС в азимутальнойплоскости при одновременном наблюдении объектов дорожной инфраструктуры (автомобили, пешеходы и т.п.) с разницей в величине эффективной поверхности рассеяния (ЭПР)более 20 дБ, подтвердивший возможность их раздельного наблюдения.2. Разработан корреляционный алгоритм измерения горизонтальных составляющихвектора скорости автомобиля, основанный на оценке смещения максимума взаимнокорреляционной функции (ВКФ) последовательных кадров РЛИ, полученных при движении автомобиля, позволяющий измерить не только путевую скорость, но и скорость сносаавтомобиля, которую невозможно измерить никаким другим датчиком.3.