Contribution à la définition de formes d'ondes pour les radars d'aide à la conduite automobile

Contribution to the definition of waveforms for adaptive control cruise radars

• Auteur / Autrice : Ali Bazzi
• Direction : Thierry Chonavel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et des télécommunications
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Télécom Bretagne en cotutelle avec Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Rennes 1 (1969-2022) - Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conduite automobile

Radar

Résumé

Les radars d'aide à la conduite automobile permettent de détecter la présence de dangers sur la route et peuvent être utilisés pour régler automatiquement une distance minimale de sécurité entre le véhicule porteur du radar et les autres véhicules. Cette thèse vise à contribuer à l'étude d'un nouveau radar développé par la société Autocruise, en considérant plus particulièrement les problèmes du choix de la forme d'onde et du traitement des signaux observés par le radar. Des exigences de faible coût nous ont conduit à privilégier l’emploi de formes d’ondes constituées de rampes de fréquences. En effet, dans ce cadre, le traitement du signal se ramène à l’analyse en bande de base des termes d’intermodulation entre l’onde émise et celle réfléchie par la cible. Les contributions des diverses cibles sont mises en évidence par une analyse de Fourier sur chaque rampe de fréquence. Ce type de radar est classiquement dénommé FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave). Différentes stratégies d'émission de rampes de fréquence ont été envisagées afin d'assurer une bonne association des contributions des différentes cibles présentes sur la route entre les termes d'intermodulation fournis par les différentes rampes de fréquence émises. Afin d'étudier les performances de ces radars, on s'est tout d'abord intéressé aux performances de l'estimation des paramètres de position et de vitesse des cibles. Pour cela, on s’est plus particulièrement intéressé aux bornes théoriques de Cramer-Rao et de Barankin. Ce sont des bornes inférieures de la variance de l'erreur d'estimation des paramètres, valables pour tout estimateur de ces paramètres. Elles présentent donc un intérêt en tant que référence pour évaluer les performances d'un estimateur donné. De plus, la borne de Barankin, plus fine que la borne de Cramer-Rao, permet de mettre en évidence un effet de seuil en dessous duquel le rapport signal à bruit ne permet plus une détection efficace des cibles. Elle fournit donc des indications sur les puissances qui devront être mises en jeux par le radar. Afin de disposer d'un outil de simulation efficace, on a ensuite développé un outil de simulation du radar FMCW intégrant un modèle réaliste de la tête hyperfréquence envisagée pour le futur matériel. Les simulations réalisées sous Matlab font apparaître des résultats analogues à ceux obtenus avec une plateforme ADS, montrant ainsi une bonne prise en compte du système matériel. Les simulations ont conduit à choisir une puissance d'émission de l'ordre de 15dB pour les formes d'onde étudiées. On a comparé les performances obtenues pour les deux formes d'onde retenues et pour des structures de récepteurs réalisant une démodulation simple ou une démodulation en phase et en quadrature. Enfin, pour obtenir une localisation angulaire des cibles on a envisagé une implémentation multi-faisceaux du radar qui permet d'aider au dimensionnement des paramètres du système tels que la largeur des faisceaux du radar ou la vitesse de balayage.

In the field of electronic assistance for safety of car driving, ACC (Automatic Cruise Control) radars are devices of growing interest. They are intended for obstacles and other vehicles detection, estimation of speeds and distances and possibly automatic speed regulation. This work was done as part of a project with the Autocruise company. Requirements of low cost led us to use waveforms made of frequency ramps. Indeed, in this context, the signal processing is based on spectral analysis of the low frequency terms at the output of the mixing of the emitted and reflected signals. Then, for each frequency ramp, the contribution of one target amounts to a sine wave, the parameters of which are related to target distance and speed. A radar system based on the use of such frequency-modulated waves is known as FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave). For radar design purpose, we have studied variance bounds of estimation error for range and velocity. More precisely, we have considered Cramer-Rao and Barankin theoretical performance bounds. We have used both of them for performance analysis. The Barankin bound is known to outperform the Cramer-Rao bound at low SNR. In particular it exhibits a detection threshold effect: below some SNR, estimation performance becomes very bad, showing thus that correct detection is not even feasible. Thus, depending on available power level for emitting the radar signal, we can roughly tell from radar equation and Barankin bound if a given waveform will be able to detect targets in a satisfactory way. In order to be able to detect multiple targets, the FMCW waveform must be designed carefully. Technical and theoretical considerations have leaded us to consider two particular FMCW waveforms, namely a double FMCW waveform and an FMCW waveform with pure sinusoid. For these waveforms, correct detection is ensured from SNRs of about 15dB. Validation of the radar has been carried out on a simulation platform in Matlab. It carefully implements electronic features of the radar under development at Autocruise. Both waveforms appeared to work well. In addition, performing inphase only processing, instead of inphase plus quadrature signal processing, appeared to lead to good performance as well, showing thus potential economic gain in the radar design. With a view to achieve targets bearing estimation, radar scanning has also been implemented, supplying thus a useful tool for antenna pattern specification.