毫米波雷達(dá)研究現(xiàn)狀及其測(cè)試項(xiàng)目

郭 蓬， 郭劍銳， 戎 輝， 唐風(fēng)敏， 王文揚(yáng)， 王夢(mèng)丹

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；3.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300222）

雷達(dá)的探測(cè)原理是發(fā)射電磁波，經(jīng)由目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生反射回波，雷達(dá)再接收其回波，通過分析發(fā)射波與回波的對(duì)比處理，進(jìn)而獲取目標(biāo)的信息，如距離、速度和角度。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的電磁波的頻率在毫米波波段時(shí)，即30～300 GHz，則稱之為毫米波雷達(dá)［1］。對(duì)于電磁波而言，30～300 GHz是極高頻的波段，頻率越高則其波長(zhǎng)越短，而波長(zhǎng)越短越趨近于直線傳播，其穿透雜質(zhì)的能力也越強(qiáng)，但在傳播介質(zhì)中能量的衰減也越大。另外，由于波長(zhǎng)很短，則發(fā)射天線尺寸可以做得很小，從而雷達(dá)的模塊尺寸就能相對(duì)的很?。?］。

ADAS中應(yīng)用了各種傳感器，如超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、lidar、camera等，其中毫米波雷達(dá)是唯一受氣候影響最小的，具有全天候特性，這是其他傳感器所不具備的。隨著智能網(wǎng)聯(lián)的迅速發(fā)展，ADAS不再局限在高端車市場(chǎng)，而逐漸開發(fā)其中低端的市場(chǎng)，相信在不久的將來，在所有汽車上實(shí)裝ADAS系統(tǒng)是大勢(shì)所趨，故對(duì)其所包含的傳感器的研究與測(cè)試是必不可少的，尤其是毫米波雷達(dá)。

1 國(guó)內(nèi)外關(guān)于毫米波雷達(dá)的研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外毫米波雷達(dá)研究現(xiàn)狀

毫米波雷達(dá)開始研制是在20世紀(jì)40年代，最開始的應(yīng)用是在船用導(dǎo)航上，由于其功率低和傳輸損耗大，發(fā)展受到了很大的限制。70年代中期，德國(guó)的AEG-Telefunken和Bosch公司開始注資研究毫米波雷達(dá)在汽車上的防撞應(yīng)用技術(shù)，由于成本昂貴沒有后續(xù)發(fā)展，直到80年代后期，歐洲在“歐洲高效安全交通系統(tǒng)計(jì)劃”指引下再次啟動(dòng)車載毫米波雷達(dá)的研究方案［3］。車載毫米波雷達(dá)所用頻率是24 GHz、77 GHz、79 GHz，嚴(yán)格意義上來說24 GHz不算是毫米波頻率段，但24 GHz的波長(zhǎng)接近10 mm，故也將其歸類為毫米波雷達(dá)，且24 GHz的毫米波雷達(dá)是最早被使用的，目前，車載24 GHz雷達(dá)主要是用于100 m以內(nèi)的中短距離探測(cè)功能，如變道輔助LCA、盲點(diǎn)檢測(cè)BSD等。相較于24 GHz，77 GHz受到政策上的支持，世界主流頻段得到統(tǒng)一，再者，77 GHz頻率更高所擁有的帶寬更大，故其分辨率更高，抗干擾更強(qiáng)，因此車載77 GHz雷達(dá)主要實(shí)現(xiàn)的是遠(yuǎn)距離探測(cè)目標(biāo)。而對(duì)于頻率更高的79 GHz的毫米波雷達(dá)而言，其具有UWB高距離分辨率等特征，有點(diǎn)云成像的探測(cè)能力，可實(shí)現(xiàn)更高階的主動(dòng)安全能力，但還只是處于研究開發(fā)階段，技術(shù)還不成熟。

目前，毫米波雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)主要掌握在Autoliv、Bosch、Continental、Delphi、Hella等傳統(tǒng)零部件巨頭手中，特別是今后的主流77 GHz毫米波雷達(dá)，被Bosch、Continental、Delphi、TRW、Fujitsu-ten等公司所壟斷。

圖1是國(guó)外主流生產(chǎn)廠商所占市場(chǎng)份額。

圖1 國(guó)外主流生產(chǎn)廠商所占市場(chǎng)份額

1.2 國(guó)內(nèi)毫米波雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀

相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)毫米波雷達(dá)的研發(fā)正處于方興未艾的階段。傳統(tǒng)的24 GHz的毫米波雷達(dá)已有不少企業(yè)研制成功，且已形成市場(chǎng)化產(chǎn)品，如杭州智波科技有限公司、廈門意行半導(dǎo)體、華域汽車。由于中國(guó)汽車ADAS系統(tǒng)的研究剛處于起步階段，24 GHz雷達(dá)近幾年內(nèi)在國(guó)內(nèi)仍舊有不錯(cuò)的市場(chǎng)，但對(duì)于77 GHz毫米波雷達(dá)的研究，國(guó)內(nèi)廠商還是處于技術(shù)探索階段，其中較好的公司，如北京行易道研制的77 GHz雷達(dá)已經(jīng)實(shí)裝在北汽無人駕駛汽車上；南京隼眼科技在2016年下半年推出77 GHz雷達(dá)樣機(jī)，計(jì)劃18～24個(gè)月后形成量產(chǎn)。

2 毫米波雷達(dá)的原理及測(cè)試

2.1 毫米波雷達(dá)的探測(cè)原理

雷達(dá)的工作方式主要分兩種：脈沖方式 （Pulsed）和調(diào)頻連續(xù)波方式 （FMCW）［4］，如圖2、圖3所示。

圖2 脈沖工作方式 （Pulsed）

脈沖方式，如圖2所示，需要在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)射大功率的信號(hào)脈沖，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，同時(shí)脈沖雷達(dá)的收發(fā)天線是共用的，所以會(huì)存在探測(cè)盲區(qū)。而調(diào)頻連續(xù)波方式，如圖3所示，則不需要那么大的瞬時(shí)功率，且硬件尺寸小、成本低廉，同時(shí)因?yàn)檫@種方式的雷達(dá)收發(fā)天線是隔離的，所以不存在探測(cè)盲區(qū)，適用于汽車的探測(cè)需求，因此大部分的車載毫米波雷達(dá)采用FMCW方式。

圖3 調(diào)頻連續(xù)波工作方式 （FMCW）

對(duì)于調(diào)頻連續(xù)波的工作方式，其發(fā)射波的頻率是不斷變化的，但頻率的變化率是一定的，因此雷達(dá)主要通過對(duì)發(fā)射信號(hào)和反射回波信號(hào)做互相關(guān)，檢測(cè)出其間的差拍頻率fb和多普勒頻移fd，從而代入公式得出距離和速度。距離和速度公式如下：

式中：S——距離；v——速度；c——光速；T——信號(hào)發(fā)射周期；Δf——調(diào)頻帶寬；fb——差拍頻率；λ——信號(hào)波長(zhǎng)；fd——多普勒頻移。

2.2 毫米波雷達(dá)的測(cè)試

不論對(duì)于將來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，還是現(xiàn)如今ADAS系統(tǒng)，其所需的毫米波雷達(dá)技術(shù)正在不斷發(fā)展和完善，而雷達(dá)從優(yōu)化到大量生產(chǎn)，以及安裝校準(zhǔn)，都需要對(duì)雷達(dá)性能進(jìn)行規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)及診斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米波雷達(dá)的發(fā)射機(jī)性能、回波接收性能以及抗擾能力的測(cè)試。毫米波雷達(dá)的測(cè)試主要是從兩方面進(jìn)行的：射頻信號(hào)的性能測(cè)試和功能測(cè)試。

2.2.1 射頻信號(hào)的性能測(cè)試

雷達(dá)整體模塊需要對(duì)其識(shí)別的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行綜合的評(píng)定，主要包括了雷達(dá)探測(cè)距離的分辨率和精度，以及徑向速度分辨率和精度。由于雷達(dá)本身結(jié)構(gòu)的原因，雷達(dá)的接收分析測(cè)試必須基于發(fā)射機(jī)的信號(hào)進(jìn)行反射，監(jiān)測(cè)其對(duì)單目標(biāo)、多目標(biāo)，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)目標(biāo)的響應(yīng)，以及其距離、速度、角度的分辨能力。另外，還得考慮各種干擾信號(hào)的存在對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響［5］。所測(cè)項(xiàng)目如表1所示。

當(dāng)前，主流的雷達(dá)測(cè)試供應(yīng)商主要有羅德與施瓦茨（R&S）、dSPACE、東揚(yáng)精測(cè)系統(tǒng)等。其中R&S更為側(cè)重偏射頻和模塊的基本性能測(cè)試，而dSPACE則是更關(guān)注毫米波雷達(dá)開發(fā)的功能節(jié)點(diǎn)的測(cè)試。

2.2.2 功能測(cè)試

目前根據(jù)毫米波雷達(dá)開發(fā)的功能節(jié)點(diǎn)主要有：自適應(yīng)巡航ACC、自動(dòng)緊急制動(dòng)AEB、前向碰撞預(yù)警FCW、變道輔助LCA、盲點(diǎn)檢測(cè)BSD、行人檢測(cè)系統(tǒng)PDS。

對(duì)于功能測(cè)試就是驗(yàn)證毫米波雷達(dá)模塊是否能實(shí)現(xiàn)根據(jù)其開發(fā)的功能節(jié)點(diǎn)，驗(yàn)證其功能最好的方法當(dāng)然是能夠?qū)?shí)裝雷達(dá)的汽車在戶外場(chǎng)地實(shí)行路測(cè)，但如此的測(cè)試，所花費(fèi)的費(fèi)用多不說，其測(cè)試過程中各種場(chǎng)景是不可控的，同時(shí)也無法模擬出各種想要測(cè)試的場(chǎng)景，故最好是能在實(shí)驗(yàn)室中利用PRESCAN或CARMAKER軟件仿真各種場(chǎng)景來進(jìn)行測(cè)試。為了能夠在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行實(shí)際和可重復(fù)的測(cè)試，必須考慮到各種因素。一方面，雷達(dá)傳感器必須受到產(chǎn)生的雷達(dá)回波的刺激，從而模擬出實(shí)際不同的距離、相對(duì)速度和方位角的目標(biāo)，如車輛或行人［6］。另一方面，必須通過實(shí)施適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀苊獠焕硐氲睦走_(dá)折射。為了能夠在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行實(shí)際和可重復(fù)的測(cè)試，需要搭建一個(gè)雷達(dá)測(cè)試臺(tái)，用于現(xiàn)實(shí)地使用同步閉環(huán)HIL測(cè)試基于雷達(dá)的車輛功能。在雷達(dá)測(cè)試臺(tái)中，關(guān)鍵的儀器便是雷達(dá)目標(biāo)模擬器，通過接收雷達(dá)的發(fā)射波，通過分析其信號(hào)，模擬發(fā)送回波給雷達(dá)，以此來模擬出一個(gè)或多個(gè)虛擬目標(biāo)的距離、速度、角度。各家測(cè)試供應(yīng)商的模擬器的優(yōu)劣性主要是體現(xiàn)在模擬器的帶寬大小、測(cè)試最短和最遠(yuǎn)距離、以及模擬目標(biāo)數(shù)量的多少。

表1 性能測(cè)試項(xiàng)目

當(dāng)前，在室內(nèi)毫米波雷達(dá)功能測(cè)試只限于雷達(dá)模塊的HIL測(cè)試，而對(duì)于整車級(jí)雷達(dá)功能測(cè)試由于轉(zhuǎn)鼓功能單一，無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和模擬車體姿態(tài)的改變，故無法進(jìn)行。值得一提的是，目前日本正在研發(fā)一款測(cè)功機(jī)，是可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)鼓，但目前無法模擬車身姿態(tài)的變化，如果將來能加上模擬車身姿態(tài)的功能，則就能進(jìn)行室內(nèi)的整車級(jí)雷達(dá)功能測(cè)試。

3 結(jié)論

隨著智能網(wǎng)聯(lián)的迅速發(fā)展，ADAS不再局限于高端車市場(chǎng)，而逐漸開發(fā)其中低端的市場(chǎng)，這不僅提高了汽車的駕駛舒適性，同時(shí)也為汽車的主動(dòng)安全提供了保障，因?yàn)樯婕暗狡嚨陌踩?，尤其是自?dòng)緊急制動(dòng)AEB，故必須對(duì)毫米波雷達(dá)是否能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)這些功能做一系列的測(cè)試檢驗(yàn)。