基于距離欺騙的汽車防撞雷達性能測試

陳 丁 寇帥偉 石小萍 張文輝

(1.西安工業(yè)大學 西安 710021;2.西安黃河機電有限公司 西安 710043)

射頻仿真/電磁兼容技術(shù)

基于距離欺騙的汽車防撞雷達性能測試

陳 丁1寇帥偉2石小萍2張文輝2

(1.西安工業(yè)大學 西安 710021;2.西安黃河機電有限公司 西安 710043)

為了高效、安全地對汽車自動輔助駕駛系統(tǒng)進行驗證，文中提出一種基于距離欺騙原理的對其車載防撞雷達性能的試驗方法。安裝有矢量信號分析軟件的實時頻譜分析儀對被測車輛的雷達發(fā)射信號進行分析，然后采用電子系統(tǒng)仿真建模軟件SystemVue編輯生成雷達回波信號波形文件，將其導入微波信號發(fā)生器中產(chǎn)生雷達回波模擬中頻信號，經(jīng)后續(xù)處理產(chǎn)生具有虛假距離信息的回波模擬射頻信號。試驗結(jié)果可知：即使不存在障礙物，被測車輛雷達收到回波模擬信號后，也能立即停車避險，且截停概率可達99%以上，提高了汽車自動輔助駕駛系統(tǒng)測試的效率與安全性。

線性調(diào)頻鋸齒波；調(diào)頻測距；矢量信號分析；波形編輯；

0 引言

隨著汽車自動輔助駕駛技術(shù)的普及，其安全性與可靠性日益受到關(guān)注。目前，汽車自動輔助駕駛中的防撞系統(tǒng)，保證高速行駛中的車輛能及時地剎車避險，中采用聲、光、電等多種傳感器進行數(shù)據(jù)融合，捕獲外界環(huán)境的狀態(tài)信息[1]。其中毫米波防撞雷達是汽車防撞系統(tǒng)中最關(guān)鍵的探測傳感器，為了驗證自動輔助駕駛系統(tǒng)安全性、可靠性，一般是在車輛行駛前方擺放障礙物或假人，但研發(fā)初期各項功能尚不完善，多會造成被測車輛的嚴重損毀或徹底報廢，極大地增加了研發(fā)成本和周期。另一種方法是采用仿真軟件構(gòu)建全數(shù)字虛擬車輛建模進行驗證，但仿真條件與真實路況仍然相差較大。因此，目前常見的兩種方法均存在較大的局限性。

本文借用了電子對抗領(lǐng)域中“距離欺騙”方法，構(gòu)建一套用于汽車防撞毫米波雷達的性能測試的半實物仿真試驗平臺，采用軟件生成雷達回波模擬信號，模擬信號中含有距離信息，能夠盡可能地模擬真實路況，以測試汽車防撞系統(tǒng)的安全性與可靠性。

1 毫米波防撞雷達工作原理分析

1.1 毫米波防撞雷達特點

自動輔助駕駛系統(tǒng)是通過多種傳感器來感知道路環(huán)境、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，自動規(guī)劃行車路線，并控制車輛安全、可靠地到達預定目標位置的一種智能設(shè)備[1]。自動輔助駕駛系統(tǒng)的探測裝置通常有超聲波傳感器、視覺傳感器、紅外傳感器、激光雷達、毫米波防撞雷達等所組成。其中，毫米波雷達的功能是前遠程探測，負責障礙物緊急告警、行人探測、碰撞避免、自動行駛控制。這是因為毫米波頻率范圍為30GHz～300GHz，由于其固有的物理特性，受天氣影響較小，毫米波雷達幾乎在各類氣象條件下可晝夜無差異的正常工作，檢測范圍較寬，測距精度高也很高。特別是遠距離探測為高速行駛中的車輛提供足夠的制動剎車距離，也可為路線實施規(guī)劃提供參考。因此，毫米波防撞雷達是整個無人駕駛汽車探測系統(tǒng)最主要組成單元。

1.2 毫米波防撞的雷達信號特征

目前，調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達具有設(shè)備簡單、體積小、重量輕的特點。較之線性調(diào)頻脈沖信號，不會出現(xiàn)距離模糊現(xiàn)象(距離盲區(qū))，較高的靈敏度和較強的抗干擾性,容易獲得很高的距離分辨率，信號能量大。因此，F(xiàn)MCW成為毫米波防撞雷達首選的工作體制。FMCW波形從時域包絡看為一條直線，從時頻曲線看一般為鋸齒形或三角形。FMCW通常采用調(diào)頻測距方進行測距，天線接收到回波信號與發(fā)射信號相混頻,由于經(jīng)過一段時間的延遲,當前時刻的回波信號頻率不同于發(fā)射信號頻率，在混頻后得到二者之間的差值的大小與該系統(tǒng)到目標的距離是一種線性關(guān)系。測得頻率差值，就可以獲得該系統(tǒng)到目標的實際距離,如果目標與雷達是相對運動的關(guān)系，則根據(jù)多普勒效應，還可以獲得目標的徑向速度[2,3]。

鋸齒波調(diào)制信號是一個載頻fc(為起始頻率或中心頻率),調(diào)頻重復周期TF，掃頻帶寬為B的線性調(diào)頻連續(xù)波信號[4～7]，如圖1所示。

設(shè)歸一化的發(fā)射信號為：

(1)

其中：φo為初始相位，單位：rad。n=1,2,3……，對信號瞬時相位求微分可得瞬時頻率為：

設(shè)歸一化的接收信號為：

(2)

其中：tR為延遲時間，單位：s。收發(fā)信號的頻率差為：

(3)

其中：c為光速，v為車速，fR為距離引起頻率差?？紤]汽車也是高速行駛，但cgt;gt;v ，tR應為：

(4)

實際上，汽車在行駛中相對障礙物在做相對運動，v為汽車行駛速度，單位：m/s。應考慮到汽車相對于障礙物高速運動所產(chǎn)生多普勒頻移的影響，收發(fā)信號頻率差應為：

(5)

(6)

由于車輛本身可以通過測量驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速來精確獲得車輛實際速度，消除該項多普勒頻率后，即可得出車輛前方障礙物距離車輛實際距離為[4～7]：

(7)

但上述方法仍存在一個問題，當回波信號延遲時間超過調(diào)頻重復周期TF的話，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會發(fā)生“相位模糊”即將遠處的目標當作是近距離的目標。正是考慮到這個弊端，在設(shè)計雷達的調(diào)頻重復周期TF都取值較大，對應不模糊距離也很大，信號經(jīng)遠距離折返已經(jīng)衰減殆盡，不會發(fā)生“相位模糊”的現(xiàn)象。

2 試驗平臺的設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

一般而言，商用毫米波防撞雷都采用的是固定頻點，信號調(diào)制方式比較簡單，不存在軍用雷達設(shè)計中的擴頻調(diào)制、跳頻或捷變頻等抗電子對抗手段。因此，若能獲得其載頻fo與調(diào)頻帶寬B，調(diào)頻斜率(B/TF)與重復周期TF等關(guān)鍵描述字，即可編輯出回波模擬信號。借鑒雷達對抗技術(shù)中的“距離欺騙”手段，利用了調(diào)頻連續(xù)波差頻測距的“相位模糊”弊端，對原發(fā)射信號進行相應的時延處理即可獲得帶有虛假距離信息的回波模擬信號。同時，考慮到車輛高速運動引起的多普勒頻移量，也必須進行頻移處理。外界環(huán)境也會對毫米波雷達造成干擾，可也在回波模擬信號中夾雜隨機噪聲信號，以驗證自動輔助駕駛功能的汽車是否能在惡劣環(huán)境中安全行駛[7]。

2.2 試驗平臺的硬件組成

該試驗平臺主要是針對車載毫米波防撞雷達的探測信號進行分析以獲得波形關(guān)鍵描述字，依據(jù)試驗要求對探測信號進行時延與頻移處理，獲得帶有距離信息與車速信息的回波模擬信號，來測試車輛在高速行駛過程中在規(guī)定距離內(nèi)突遇障礙物時，是否能夠及時剎車緊急避險。

試驗平臺的主要組成部分由探測信號分析單元與模擬信號生成單元組成(如圖2所示)。探測信號分析單元由實時頻譜分析儀、上變頻模塊、高頻功放模塊與接收天線所組成；模擬信號生成單元由微波信號發(fā)生器、下變頻模塊、高頻功放模塊與接收天線所組成。毫米波頻段已超出了常規(guī)頻譜分析儀的工作范圍，必須下變頻至頻譜儀分析范圍內(nèi)的中頻信號。目前的毫米波信號源價格極其昂貴，微波信號經(jīng)上變頻后可生產(chǎn)毫米波信號。另外一個高頻信號源為上/下變頻模塊提供本振信號。值得注意的是，微波信號發(fā)生器應該與被測雷達同步起來，否者兩者相位差為隨機變量無法實現(xiàn)相位模糊作用[7]。

2.3 信號分析與波形編輯軟件

對被測車輛的毫米波雷達探測信號進行分析，這一工作由安裝在實時頻譜分析儀中的89600VSA系列矢量信號分軟件完成。該軟件具有頻譜分析與矢量信號分析兩類功能，其中頻譜分析功能仿效掃頻調(diào)諧標量頻譜分析，可進行寬帶分析，分辨率帶寬僅為1mHz，可以獲得信號的中心頻率、載頻、調(diào)整帶寬等主要參數(shù)；矢量信號分析全面分析信號(幅度和相位)，多種分析帶寬，可進行時域、頻域和解調(diào)域的分析，由此功能可以獲得被測毫米波防撞雷達的載頻fo、重復周期TF、調(diào)頻帶寬B等形波關(guān)鍵描述字，為下一步編輯生成毫米波模擬回波信號生成提供了參考。

3 試驗實施方法

3.1 截停概率的分析

是否能成功地截停被測車輛的概率直接決定了該套試驗方案是否可行。雷達進行目標探測通常以奈曼-皮爾遜準則為基礎(chǔ)，約束條件為虛警概率Pf=α(一般取10-6)，使發(fā)現(xiàn)概率Pd≥99%，該項技術(shù)稱之為“恒虛警”(CFAR)處理。欺騙式干擾針對雷達其實是一種“反恒虛警”的應對手段。預設(shè)約束條件為檢測概率Pd=α(取10-6)，虛警概率Pf≥90%，雷達中虛警概率Pf與截停概率Ps屬于同一概念，即無真實目標的前提下，雷達卻判決為有目標存在[9]。利用拉格朗日乘子μ(注：μ≥0)構(gòu)造一個目標函數(shù)J為：

J=P(H0|H0)+μ[P(H1|H1)-α]

(8)

式中：P(H0|H0)-無目標提前下，判決無目標的條件概率，P(H0|H0)=1-P(H1|H0)；

P(H1|H0)-無目標提前下，判決有目標的條件概率即虛警概率Pf(截停概率Ps)；

P(H1|H1)-有目標提前下，判決有目標的條件概率即檢測概率Pd；

x-高斯型隨機隨機變量。

值得一提的是，由于近年來新技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)不斷融合，傳統(tǒng)的行業(yè)劃分已很難適應新形勢發(fā)展需要。比如，金融科技可能歸于網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)，也可能歸于金融保險行業(yè)，而人工智能則可能分布于多個行業(yè)內(nèi)。因此，2017年增加了對熱門行業(yè)板塊的統(tǒng)計。從統(tǒng)計結(jié)果來看，除其他板塊⑤ 由于按照熱點板塊進行行業(yè)劃分沒有固定規(guī)則，因此僅對部分關(guān)注熱點板塊進行了細分，將大部分行業(yè)板塊納入“其他”。以外，2017年中國創(chuàng)投的熱點主要分布在物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)、綠色經(jīng)濟、人工智能、金融科技等領(lǐng)域，引領(lǐng)科技發(fā)展的前沿領(lǐng)域（見圖4）。

試驗平臺希望雷達檢測概率盡量低，而虛警概率盡量高，才能被測車輛的毫米波防撞雷達受到“欺騙”而緊急停車。為了到達這個目的，要使目標函數(shù)J盡可能得小。從公式(8)最后一步可見，μ≥0且0≤α≤1，故μ(1-α)≥0，只能是后一項為負數(shù)才能使J盡可能得小。因此需要把被積函數(shù)項為負的x劃給R0域，判決H0成立。否則劃給R1域，判決H1成立[9]。寫成似然比檢驗的形式的門限值為：

與

(9)

根據(jù)約束條件P(H1|H0)=Pd=α，可以列出積分方程：

(10)

由方程(10)求解獲得μ值，將不滿足μ≥0的解舍去。前方無障礙物情況下(0代表無目標)，防撞毫米波雷達卻收到了帶有“距離欺騙”信息的目標回波模擬信號(1代表有目標)。與正常奈曼-皮爾遜準則下判決域相比，欺騙干擾使“有目標”和“無目標”條件概率密度函數(shù)波形位置發(fā)生了顛倒，判決門限μ兩側(cè)判決域亦發(fā)生了顛倒，但被干擾雷達并不知悉。由于回波模擬信號比真實的回波能量要高20dB以上，其SNR也遠高于后者?！?”與“1”對應的波峰在橫軸方向上的間距拉大，兩個波形的重疊區(qū)域會減小(如圖3)。為使圖中橫線陰影面積不斷擴大(Pf?90%)，而圖中斜線與橫線重疊面積卻在不斷減少，最終趨近于一個恒定值(Pd=10-6)。理論分析可知，只要保證被測車輛雷達接收機不飽和，回波模擬信號能量越大，車輛被成功截停的概率也越高，該套試驗方案是完全可行的。

3.2 試驗設(shè)備的現(xiàn)場布置

如圖4所示為實驗設(shè)備現(xiàn)場布置圖。試驗平臺放置在鐵搭頂部，喇叭天線偏轉(zhuǎn)θ角度以對準被測車輛的毫米波防撞雷達。試驗平臺與車輛的水平距離LT應遠遠大于觸發(fā)自動輔助駕駛系統(tǒng)緊急制動的距離，且保證能收到回波模擬信號即可。被測車輛行駛到預定位置后，就會觸發(fā)非接觸開關(guān)，試驗平臺會發(fā)射出回波模擬信號。隨后被測車輛雷達收到了帶有“距離欺騙”信息的回波模擬信號。此時，車輛應當會開始剎車，繼續(xù)前行LS距離后才徹底停止。非接觸開關(guān)到車輛徹底停止的位置之間距離為Ltri，實際剎車距離應為LS=Ltri-LB?？稍诓煌窙r、氣象等條件下，不分晝夜的反復進行試驗，獲得其對應的實際剎車距離LS數(shù)據(jù)。

3.3 主要參數(shù)的選擇設(shè)置

由于編輯好的波形文件已下載至微波信號發(fā)生器中，只需將微波信號發(fā)生器設(shè)置為“觸發(fā)輸出”模式，若有外部觸發(fā)信號輸入，就會輸出雷達回波模擬中頻信號，通過上變頻、高頻功放處理后，由喇叭天線向被測車輛定向發(fā)射回波射頻信號。因此，試驗前只需在SystemVue軟件中的設(shè)置好信號幅度與觸發(fā)延遲時間兩個關(guān)鍵參量即可。

3.3.1 回波模擬信號幅度的設(shè)置

試驗前，被測車輛停置在非接觸開關(guān)處，將喇叭天線精確對準被測車輛的毫米波防撞雷達，不斷調(diào)高輸出信號幅度值，同時觀察被測車輛雷達是否收到模擬回波信號。一般來說，回波模擬信號功率至少大于實際回波信號20dB以上，但必須保持在雷達接收機最大動態(tài)范圍以內(nèi)，以免出現(xiàn)雷達接收機飽和的故障現(xiàn)象。由于不同的環(huán)境條件，傳播過程中信號能量衰減情況差異很大。因此，每次試驗都必須提前選擇好合適的幅度值。

3.3.2 觸發(fā)延遲時間參量的設(shè)置

由公式(3)可知，回波相對于發(fā)射信號的延遲tR導致了兩者之間存在頻率差fΔ，通過頻率差fΔ計算出目標與車輛之間的距離。對SystemVue軟件構(gòu)建的仿真模型中“Time Delay”模塊中，設(shè)置合理的延遲時間就達到試驗目的。只有當探測距離小于臨界距離時，自動輔助駕駛系統(tǒng)才能驅(qū)使制動系統(tǒng)完成剎車操作。由公式(4)可得延遲時間tR取值范圍為：

實際上，觸發(fā)信號傳送至微波信號發(fā)生器有個時間延遲tTR，微波信號發(fā)生器收到觸發(fā)信號后會專門延遲tR后發(fā)出信號，回波模擬信號到被測車輛也有一段傳播時間tL。若不對延遲時間量tTR和tL進行補償，可能會導致被測車輛雷達探測獲取距離信息大于臨界距離，而被測車輛將繼續(xù)高速F正常行駛?？衫谜{(diào)頻鋸齒波信號“相位模糊”弊端進行冗余延遲時間的補償。由于雷達收發(fā)信號均為周期信號：

SR(nTF+tR) =SR[(n+1)TF+tR]

=SR(tR)

(11)

進行冗余延遲時間補償后，微波信號發(fā)生器發(fā)出初始信號為SR0[nTF+TF-(tTR+tL)+tR]，被測車輛雷達收到回波模擬信號為：

SR[nTF+TF-(tTR+tL)+tR+(tTR+tL)]

=SR[nTF+TF+tR]

=SR(tR)

(12)

因此，設(shè)置合理的延遲時間量為τ=TF+tR-(tTR+tL)。此外，被測車輛雷達與微波信號發(fā)生器之間的同步信號也會發(fā)生延遲，從統(tǒng)計學上看為均值0的均勻分布隨機變量，可忽略不計。從被測車輛觸發(fā)非接觸開關(guān)到收到回波模擬信號過程中，存在一個冗余的調(diào)頻重復周期TF，使汽車繼續(xù)以高速v前行距離LB=v·TF，故真實的剎車距離應當為：LS=Ltri-LB=Ltri-v·TF。

4 結(jié)束語

該試驗平臺可產(chǎn)生帶有虛假障礙物信息的雷達回波模擬信號，成功地截停正在高速行駛中的被測車輛，且截停的成功概率超過99%，實現(xiàn)了對汽車安全性能的驗證工作。試驗平臺核心組成部分均為通用儀器設(shè)備，試驗結(jié)束后仍可供其他試驗使用，降低了研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期。凡是載有無線電探測裝置的無人駕駛汽車、空中無人機、水面無人航行器都采用該種方法進行防撞安全性驗證試驗。如安保工作中，驅(qū)逐或逼停一些即將闖入保護區(qū)域內(nèi)的非法的無人機或無人駕駛車輛，同時也不會造成被驅(qū)逐無人機或無人駕駛汽車嚴重損毀。該套試驗系統(tǒng)平臺在上述領(lǐng)域中具有廣闊的應用價值和較大市場空間。

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PerformanceTestofAutomotiveAnti-CollisionRadarBasedonDistanceDeception

Chen Ding1, Kou Shuaiwei2, Shi Xiaoping2, Zhang Wenhui2

(1. Xi’an Technological University, Xi’an 710021;2. Xi’an Huanghe Electromechanical Co., Ltd, Xi’an 710043)

In order to test and verify automobile auto-assisted drive system efficiently and safely, a new test method based on range deception is proposed. Firstly, signal transmitted by radar on the vehicle-under-test is analyzed by using real-time spectrum analyzer (vector signal analyzing software is installed); then edit and generate radar echo signal waveform file by using an electronic system modeling and simulation software SystemVue; load the file to a microwave signal generator to generate radar echo analog IF signals; and generate echo analog RF signals with false range information through succeeding processing. Test results show that, the vehicle-under-test will stop to prevent collision immediately even there is no obstacle, probability of car stopping is above 90%; which can improve test efficiency and safety of auto-assisted drive system significantly.

LFM sawtooth wave; FM ranging; vector signal analysis; waveform editing

2017-08-25

陳丁(1982-)，男，博士研究生。主要研究方向為雷達系統(tǒng)總體設(shè)計與仿真。

TN955+.2

A

1008-8652(2017)03-081-06