научная статья по теме ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ АВТОМОБИЛЬНЫМ РАДАРОМ С АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ И ЧАСТОТНЫМ КАЧАНИЕМ ЛУЧА Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ АВТОМОБИЛЬНЫМ РАДАРОМ С АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ И ЧАСТОТНЫМ КАЧАНИЕМ ЛУЧА»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Построены математические модели датчиков тока на основе пленочных резисторов гребенчатой структуры, позволяющей существенно продвинуться в область малых номиналов сопротивлений. Предложена схема замещения рассмотренных датчиков, позволяющая оценивать их частотные свойства. Учтены сопротивления многослойных охватывающих контактов, электродов гребенчатой структуры и переходное сопротивление, обусловленное неравномерностью тока по толщине пленок в области их контакта. Выявлены условия эквипотенциальности границы проводящей и ре-зистивной пленок.

Расчет датчиков на большие токи (их конструкция отличается планарными контактами, металлизацией нижней стороны подложки и радиатором в виде фланца) проводится аналогично.

ЛИТЕРАТУРА

1. Седаков А. Ю, Смолин В. К. Тонкопленочные элементы в микроэлектронике: основы проектирования и изготовления. — М.: Радиотехника, 2011. — 168 с.

2. Лугин А. Н. Конструкторско-технологические основы проектирования тонкопленочных прецизионных резисторов: монография. — Пенза: ИИЦ ПензГУ, 2008. — 288 с.

3. Гельмутдинов А. Х., Ермолаев Ю. П. Модели оценки сопротивления пленочных контактов и резисторов с распределенными параметрами. — Казань: Новое знание, 2005. — 76 с.

4. Спирин В. Г. Сопротивление электродов тонкопленочного резистора // Нано- и микросистемная техника. — 2008. — № 7. — С. 19—24.

5. Лугин А. Н. Наноразмерные эффекты в тонкопленочном контакте // Петербургский журнал электроники. — 2012. — № 1. — С. 41—45.

6. Колпаков А. Измерение тока в мощных импульсных преобразовательных устройствах // Электронные компоненты. — 2004. — № 2. — С. 77—83.

7. Садков В. Д, Еремеев Ю. В., Старанчук П. Н. Моделирование многослойного контакта прнцезионного чип-резистора // Известия вузов. Электроника. — 2014. — № 6. — С. 14—21.

8. Ямпурин Н. П., Широков Л. В., Садков В. Д. Современные проблемы радиоэлектроники с позиций теории конформных отображений. Монография. — Арзамас: АГПИ, 2014. — 209 с.

9. Данилин В. Н., Кушниренко А. И., Петров Г. В. Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ. — М.: Радио и связь, 1985. — 216 с.

УДК 621. 396. 96

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ АВТОМОБИЛЬНЫМ РАДАРОМ С АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ И ЧАСТОТНЫМ КАЧАНИЕМ ЛУЧА1

THE ACCURACY OF DETERMINATION OF COORDINATES OF MOVING TARGETS IN AN AUTOMOTIVE RADAR USING ANTENNA ARRAY WITH FREQUENCY BEAM SCANNING

Шишанов Сергей Валерьевич

аспирант

E-mail: tribott@mail.ru

Мякиньков Александр Валерьевич

д-р техн. наук, доцент Е-mail: redvillage@mail.ru

Рындык Александр Георгиевич

д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой Е-mail: a_ryndyk@nntu.nnov.ru

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород

Shishanov Sergey V.

Postgraduate E-mail: tribott@mail.ru

Myakinkov Alexandr V.

D. Sc. (Tech.), Associate Professor Е-mail: redvillage@mail.ru

Ryndyk Alexandr G.

D. Sc. (Tech.), Professor, Head of Department Е-mail: a_ryndyk@nntu.nnov.ru

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R. E. Alekseev, Nizhny Novgorod

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках договора № 02.G25.31.0061 от 12 февраля 2013 года (в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218).

Аннотация: Получены оценки потенциальной точности измерения координат целей в автомобильном радаре дальнего действия с антенной решеткой и частотным качанием луча. Приведены результаты математического моделирования.

Ключевые слова: антенная решетка, частотное качание луча, уравнение измерения, потенциальная точность, информационная матрица Фишера.

Abstract: The potential accuracy of determination of targets coordinates in a long range automotive radar with the antenna array and frequency beam scanning is estimated. Mathematical modeling results are presented.

Keywords: antenna array, frequency beam scanning, measurement equation, potential accuracy, Fisher-information matrix.

ВВЕДЕНИЕ

Важной составляющей активной системы безопасности автомобиля являются автомобильные радары (АВР). Их применение позволяет уменьшить риск возникновения аварии, повысить безопасность, снизить расход топлива.

В настоящее время для создания радаров ближнего действия (до 30 м) используется диапазон частот 24 и 79 ГГц, для радаров дальнего действия (до 300 м) — 77 ГГц [1, 3].

Зарубежные АВР строятся, в основном, на базе микрополос-ковых антенн с использованием небольшого числа излучающих элементов антенной решетки. У приемной антенны формируются узкие парциальные лучи диаграммы направленности (ДН), а измерение азимута производится моноимпульсным методом [1].

В АВР дальнего действия обычно используют непрерывный сигнал с частотной модуляцией, поэтому максимальная

мощность излучения современных полупроводниковых передатчиков в КВЧ-диапазоне составляет не более 100 мВт. Модулирующим обычно служит сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), частота которого изменяется по пилообразному закону.

ЛЧМ-сигнал удобно применять в антенной решетке с частотным качанием луча (ЧКЛ), которое заключается в изменении направления луча ДН антенны в зависимости от несущей частоты сигнала, подаваемого на вход антенны (при изменении несущей частоты меняется разность фаз колебаний, питающих элементы решетки [5]). Основным достоинством решетки с ЧКЛ является то, что она не требует фазирования элементов. Узкий луч на передачу поворачивается по азимуту автоматически в соответствии с законом изменения частоты [8]. При этом достигается высокий коэффициент усиления передающей и приемной антенн.

АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ И СКОРОСТИ ЦЕЛИ

На рис. 1 показана геометрия системы измерения координат, где АВР — автомобильный радар; Ц — цель; ^тах — максимальная дальность действия радара; у — максимальный сектор обзора антенной решетки; а — азимут цели; хц и уц — координаты цели.

На рис. 2, а, изображен график зависимости закона изменения частоты излученного и принятого сигналов от времени.

В АВР с непрерывным ЛЧМ-сигналом обработка принимаемого сигнала, отраженного от целей, заключается в перемножении его с излучаемым сигналом и выделении сигнала разностной частоты путем низкочастотной фильтрации. Результатом последующего спектрального анализа является обнаружение спектральных составляющих, соответствующих окружающим объектам, и измерение для каждого из объектов пары частот /1 и/ (рис. 2, а, б).

yU

Рис. 1. Геометрия системы

Рис. 2. К принципу определения координат цели:

а — закон изменения частоты излученного 1 и принятого 2 сигналов от времени; б — амплитудный спектр сигнала, отраженного от цели, на выходе системы обработки

Частоты /1 и /2 равны:

¡1 = -/д + <ЗР, /2 = /д + ?зР,

где / — частота Доплера, зависящая от относительной скорости цели; в = А//?нр.сп — индекс частотной модуляции; ?з = 2Я/с — задержка распространения сигнала; Я — дальность до цели; с — скорость света; А/ = /к — / — ширина спектра частот излученного сигнала; /н и /к — начальная и конечная частоты в спектре сигнала; ?нр.сп — длительность нарастания/спада частоты ЛЧМ сигнала; — частота дискретизации.

Оценивая частоты /1 и /2, можно вычислить дальность и скорость цели [1, 2]:

R

ct,

TAf f + fi);

v = 77 (f2 - fi),

4/ц

(1)

где f4 — центральная частота в спектре излученного сигнала.

С учетом выражения для дальности R из (1) можно вычислить координаты цели: хц = R sin (а);

уц = R cos (а).

(2)

щую способность по дальности АВР с ЧКЛ 5Г = 1,5 м, разрешающую способность по скорости 8и = 10 км/ч (2,8 м/с) [8].

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ТОЧНОСТЬ ОЦЕНКИ КООРДИНАТ И СКОРОСТИ ЦЕЛИ

Как видно из формул (1), (2), оценки координат цели являются функциями измерений первичных параметров (частот /1, /2 и азимута цели а).

Разлагая выражения (2) в ряд по степеням Я и а в окрестности их истинных значений, пренебрегая флуктуационными ошибоками измерения первичных параметров и ограничиваясь линейными членами, получим оценки случайной ошибки определения координат хц и уц. Если считать ошибки измерения дальности и азимута независимыми, дисперсия ошибки измерения координат хц и уц будет иметь вид:

2 _ (Эх)2 2 , (дх)2 2.

2 = fду

-

2 + f dV dR W

ПАРАМЕТРЫ

АВТОМОБИЛЬНОГО РАДАРА С ЧАСТОТНЫМ КАЧАНИЕМ ЛУЧА

У АВР дальнего действия сектор обзора обычно составляет около 30°. Разрешающая способность по азимуту определяется параметрами антенны. Типичным значением ширины ДН для данного класса радаров является величина около 3°. Максимальная ширина спектра сигнала регламентирована документом [3] и составляет 1 ГГц. Задавая период перестройки частоты (период сканирования) Тскан. = 28 мс, при выбранных значениях перечисленных параметров получим разрешаю -

равномерном распределении амплитуд возбуждения по раскры-ву антенны определяется как:

у = пЬ/4ъ, (3)

где Ь — апертура антенны.

Ширина ДН по точкам половинной мощности:

© = 0,88Х/Ь. (4)

Из формул (3) и (4) получим потенциальную точность измерения угла:

2

л/3 е

где ак — потенциальная точность измерения расстояния,

2

аа — потенциальная точность измерения угла, дх/дЯ, дх/да, ду/дЯ, ду/да — коэффициенты чувствительности, равные соответственно 8т(а), Яео8(а), ео8(а), Я8т(а).

Потенциальная точность измерения угла определяется из [4] и имеет вид:

°а2 = ^/(4выхУ)2, где X — длина волны; #вых = = ^2Е/N — отношение сигнал/шум на выходе когерентного накопителя; Е — энергия излученного сигнала; N0 — спектральная плотность мощности шума; у — эффективная ширина раскрыва антенны, которая при

V0,88 л4вых

где 9 — ширина ДН антенны по уровню половинной мощности.

Для оценки потенциальной точности измерения расстояния рассмотрим уравнение измерений:

2п = НиХи + ^

где гп = [/1, /2]Т — вектор первичных измерений (Т — символ транспонирования), xn = = [Яп, уп]Т — вектор параметров цели, Нп — матрица производных, определяющая зависимость истинных значений первичных параметров от истинных значений дальности до цели и ее скорости, Агп — вектор случайных ошибок измерения первичных параметров.

Матрица Нп определяется следующим образом [7]:

Hn

f f

дЯ dV

dfV f

dV dV

(5)

Выражая частот

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком