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仿真流程

仿真器采用一条尽量透明的雷达处理链路。它不是直接把一个 3D 模型变成最终图片，而是把每个中间步骤都保留下来：先处理几何，再处理散射，再合成雷达原始数据，最后用 FFT 解释成距离、速度和角度。

如果你是初学者，可以先把整个项目理解成一个“翻译器”：

三维几何语言 -> 雷达回波语言 -> 频谱图语言

三维几何语言描述的是物体表面在哪里；雷达回波语言描述的是这些表面会产生什么复数采样；频谱图语言则把采样解释成我们熟悉的距离、速度和角度。

总览

  1. 读取 OBJ、STL 或 GLB mesh。
  2. 将 mesh 转换为三角面片。
  3. 对每个 chirp 应用目标平移和固定欧拉角旋转。
  4. 保留法向朝向雷达相位中心的三角面。
  5. 去掉被其他三角面遮挡的面。
  6. 将可见面转换为简化散射单元。
  7. 为每个 TX/RX 通道合成原始雷达数据立方体。
  8. 执行 Range FFT、Doppler FFT 和 Angle FFT。

1. 读取 Mesh

输入的目标是一个 3D 模型文件，例如：

  • examples/meshes/box.obj
  • examples/meshes/Thanh.glb

这些文件本来是给三维渲染或建模软件用的。雷达仿真不需要颜色、纹理、骨骼动画，只需要表面几何。所以第一步是把模型统一转换成三角面片。

对应代码在 mesh_loader.py：

  • load_mesh() 负责根据扩展名选择加载方式。
  • _load_obj() 处理简单 OBJ 文件。
  • _load_stl() 处理 STL 文件。
  • _load_glb() 使用 trimesh 处理 GLB 文件。

最终输出统一是 TriangleMesh。

2. 三角面片几何处理

三角面片是后续所有计算的基本单位。每个三角面都可以计算：

  • 中心点：用作散射点位置。
  • 法向量：判断它是否朝向雷达。
  • 面积：影响回波强度。

对应代码在 geometry.py：

  • triangle_centers() 计算中心。
  • triangle_normals() 计算法向。
  • triangle_areas() 计算面积。
  • ray_triangle_intersection() 判断射线是否打到三角面。

这一步不涉及雷达公式，只是纯几何。

3. 每个 Chirp 下更新目标位置

FMCW 雷达会发出一串 chirp。目标可能在这些 chirp 之间移动，所以每个 chirp 都要计算一次目标位置。

目标位置使用简单恒速模型：

当前位置 = 初始位置 + 速度 * slow_time

然后再应用固定欧拉角旋转。这样可以模拟一个整体移动的刚体目标。

对应代码在 signal_synth.py 的 _simulate_block() 中。它会在每个 chirp 内调用 transform_vertices()，把原始 mesh 顶点变换到当前时刻的位置。

4. 筛选雷达可见面

不是所有表面都应该产生雷达回波。比如一个人体模型背后的面，或者被前面身体挡住的面，不应该直接被雷达看到。

可见性筛选分两步：

  1. 朝向判断：法向背向雷达的面先丢弃。
  2. 遮挡判断：从雷达到面中心发射一条射线，如果中途撞到其他三角面，说明这个面被挡住。

对应代码在 visibility.py。这一步很直观，但计算量也大，因为它可能需要把很多射线和很多三角面做相交测试。

5. 把可见面变成散射点

雷达信号合成不直接处理完整三角面，而是把每个可见三角面近似成一个点状散射体。

每个散射点包含：

  • 位置：三角面中心
  • 强度：由面积、入射角和整体反射率决定

简单理解：

大面片 + 正对雷达 = 强回波
小面片 + 斜着对雷达 = 弱回波
背向雷达 = 不产生回波

对应代码在 scatter_model.py。

6. 合成原始雷达数据立方体

这是整个仿真的核心。

对每个散射点、每个 chirp、每个 TX/RX 通道，模拟器都会计算：

  • 发射天线到散射点的距离
  • 散射点到接收天线的距离
  • 往返延迟
  • beat frequency
  • 复数相位
  • 幅度衰减

然后把所有散射点贡献的复数信号叠加起来。

最终得到的原始数据形状是：

num_adc_samples x num_chirps x (num_tx * num_rx)

这就是 rdc，也是后续 FFT 的输入。

7. 三次 FFT

原始 rdc 还不是人容易看的结果，需要通过三次 FFT 解释：

FFT 处理维度 得到什么
Range FFT ADC 采样点 距离
Doppler FFT chirp 序列 速度
Angle FFT MIMO 虚拟通道 角度

对应代码在 fft_pipeline.py。

8. 绘图

FFT 输出仍然是数组。为了看结果，examples/plot/plot_thanh_run.py 会把它们画成热力图：

  • 距离-速度图
  • 距离-角度图
  • 速度-角度图
  • 距离-Chirp 图
  • 四图总览

这些图不是额外算法，而是把 FFT 输出可视化，帮助检查仿真是否合理。

当前建模范围

第一版有意保持信号模型简单：

  • 不加噪声
  • 不做滤波
  • 不做 CFAR
  • 不做 MUSIC
  • 不做额外微多普勒专用后处理

这样可以让代码更容易检查，同时保留 MIMO FMCW 雷达主链路。

为什么流程要这样拆

这个项目的目标不是“一步得到漂亮图”，而是让每一步都能解释：

  • 如果 mesh 加载错了，可以先查 TriangleMesh。
  • 如果目标完全没回波，可以查可见性筛选。
  • 如果距离不对，可以查 beat frequency 和 Range FFT。
  • 如果速度不对，可以查 slow-time 和 Doppler FFT。
  • 如果角度不对，可以查虚拟通道和 Angle FFT。

这种拆法更适合学习和调试，也方便以后逐步加入更真实的雷达效应。