毫米波雷達目標模擬器模擬雷達目標的測試研究

曾 杰，王 戡，胡 雄，游國平

(1.重慶車輛檢測研究院有限公司 國家客車質量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122；2.汽車主動安全測試技術重慶市工業(yè)和信息化重點實驗室，重慶 401122)

隨著汽車對主動安全性能的需求不斷增加，駕駛輔助系統(tǒng)的應用越來越廣泛。典型的駕駛輔助系統(tǒng)如自適應巡航、緊急制動、變道輔助等[1-2]，主要依靠毫米波雷達作為環(huán)境感知傳感器。現(xiàn)階段駕駛輔助系統(tǒng)的安全性能測試主要依靠場地測試+高里程路試。場地測試使用軟體假車、假人、背景車等構成典型的測試場景[3],場地測試的工況不夠豐富，且存在測試重復性差、可控性差、靈活性差和成本較高的缺點[4]；高里程的道路測試能有效觸發(fā)系統(tǒng)功能的場景概率很低，因而測試成本高而且測試效率非常低[5]。

采用軟件在環(huán)、硬件在環(huán)仿真測試手段，將海量基數(shù)的測試場景通過軟件和硬件加速測試的方式，能夠大大提高測試效率、降低測試成本，能夠為高級別駕駛輔助系統(tǒng)的感知、決策算法的快速迭代提供技術支撐[6-7]。 毫米波雷達作為駕駛輔助系統(tǒng)重要的傳感器，在硬件在環(huán)仿真測試方案中主要采用雷達目標模擬器模擬雷達目標，而模擬中虛假目標的出現(xiàn)直接影響硬件在環(huán)仿真測試結果。因此，雷達在雷達目標模擬器中的測試對研究雷達硬件在環(huán)仿真測試理論具有重要意義。本文擬在這方面開展測試研究，為駕駛輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試方法提供參考。

1 毫米波雷達目標模擬原理

1.1 雷達目標模擬器原理

雷達目標模擬器是毫米波雷達的射頻信號在環(huán)仿真系統(tǒng)的關鍵部件，通過射頻天線接收端接收雷達信號后，采用距離-傅里葉變換、速度-傅里葉變換算法對該電磁波信號進行時域、頻域分析，解析雷達波信號特征，再根據(jù)場景軟件中雷達模型傳遞的被模擬目標速度、距離、雷達散射截面RCS(Radar Cross Section)值信息，使用射頻信號技術對雷達目標模擬器接收到的雷達波進行回波延時、多普勒頻移、信號增益與衰減三項操作，實現(xiàn)雷達目標信號的速度、距離、RCS值的模擬。

雷達目標模擬器主要由信號發(fā)射與接受前端、信號調制模塊和吸波暗箱組成[8]，組成結構如圖1所示。信號發(fā)射與接受前端和雷達暗箱內的結構容易造成虛假目標。虛假目標不是雷達目標模擬器模擬的目標，豐富的工程經驗和設計制造工藝才能避免虛假目標出現(xiàn)。

圖1 雷達目標模擬器目標模擬原理

1.2 雷達目標模擬器模擬目標方程

1.2.1 目標距離和速度模擬

分析連續(xù)兩束正弦波調制的雷達波信號，若物體保持靜止，對采集的時域信號進行傅里葉變換后，則會在其相同的頻率f位置出現(xiàn)峰值[9]。雷達目標模擬器模擬距離d的物體計算為式(1)，雷達目標模擬器接收到雷達的電磁波信號后，通過延時發(fā)送模擬的物體雷達反射信號，通過發(fā)射和接收的時間差計算模擬距離drts。若模擬目標速度為v，則連續(xù)兩次信號解析的結果存在相位差，結合兩束波發(fā)射時間間隔Tc，雷達目標模擬器用式(2)可以通過信號的相位差計算模擬目標速度v[8]。

d=dsetup+drts=f·c/(2S)

(1)

v=λ(ω0-ω1)/(4πTc)

(2)

式中：S為信號調制的斜率；c為光速；dsetup為雷達與雷達目標模擬器射頻天線之間的距離,為系統(tǒng)初始配置值；λ為雷達波長；ω0為雷達目標模擬器解析雷達信號相位；ω1為雷達目標模擬器回波信號相位。

1.2.2 目標的RCS值模擬

雷達散射截面RCS是指雷達入射方向上單位立體角內返回散射功率與目標截面積的功率密度之比[10]，表征了目標在雷達波照射下所產生回波強度的一種物理量[11]。RCS值的定義為：

(3)

式中：Es是照射到目標處的入射波的電場強度；Ei是雷達所在處的散射波的電場強度;R0為雷達與目標之間的距離。

雷達目標模擬器主要對信號參數(shù)Grts進行增益、衰減，通過改變回波信號功率密度Pr，從而達到模擬不同雷達反射強度目標的RCS值[12]。雷達目標模擬器對雷達回波信號的模擬方程如下：

Pr=PtGtGr(λ/4πR1)4+Grts

(4)

式中：λ為雷達波長；R1為被測雷達與雷達目標模擬器信號收發(fā)射頻器的距離；Pt為雷達的發(fā)射功率；Gt為雷達發(fā)射天線增益；Gr為雷達接收天線增益；Grts為雷達目標模擬器對回波信號的功率增益參數(shù)。

2 毫米波雷達在雷達目標模擬器上的性能測試

本文測試所采用的方案如圖2所示，具有雷達信號的收發(fā)裝置和信號調制處理終端。

圖2 測試方案結構示意圖

雷達目標模擬器的主要技術指標有：工作頻段76～81 GHz;瞬時帶寬≥1 G；模擬RCS值范圍-20～30 dBsm；模擬距離范圍1.75～300 m;距離模擬精度±0.2 m；距離分辨率10～50 cm;模擬速度范圍0～300 km/h ；模擬速度精度±0.2 km/h。

雷達目標模擬器的距離分辨率與模擬目標距離有關，模擬目標距離2～3.5 m的分辨率為50 cm，3.5～30 m的分辨率為25 cm，30 m以上的分辨率為10 cm。被測毫米波雷達為77 GHz的外資品牌雷達，最大探測距離dradar為0.2～250 m，正前方目標距離精度±0.4 m。

測試時雷達目標模擬器的模式分別為靜態(tài)單目標測試和動態(tài)目標移動測試。靜態(tài)單目標測試指雷達目標模擬器模擬的目標RCS值、速度v、距離d通過單點手動配置，而動態(tài)目標移動測試指雷達目標模擬器模擬目標的RCS值自動增益補償、速度預先設定、距離根據(jù)速度和時間計算。

2.1 靜態(tài)模式性能測試

1) 雷達目標模擬距離d-雷達目標RCS模擬值測試。將雷達目標模擬器的速度v值設置為0 km/h，通過調整雷達目標模擬器的模擬距離d和目標RCS值進行雷達近距離目標識別性能測試。測試結果如圖3所示。雷達能檢測到目標的最小距離為2.5 m，此時對應的模擬器模擬目標的RCS值為3 dBsm；在70 m時的目標模擬，最小的目標RCS值為-14 dBsm。

圖3 靜態(tài)-近距目標識別測試結果

2) 雷達目標模擬距離d-雷達目標模擬速度v測試。在雷達目標模擬器上首先將雷達目標模擬速度v值設置為0 km/h、模擬距離設置為最近距離2.5 m、模擬目標RCS值設置為30 dBsm，隨后逐漸增大模擬速度設置值，直至雷達無法識別雷達目標模擬器模擬的目標為止，測試結果如圖4所示。模擬距離2.5 m時能識別到的模擬目標最大移動速度v為22.3 km/h，100 m時能識別到的模擬目標最大移動速度v為32.4 km/h，250 m時能識別到的模擬目標最大移動速度v為54.2 km/h，距離越遠可識別速度越高。

圖4 速度模擬范圍測試

3) 靜態(tài)模式目標測試精度。在雷達目標模擬器上首先將雷達目標模擬速度v設置為0 km/h、模擬距離d設置為2.5 m、目標RCS值設置為30 dBsm，隨后逐漸增大距離設置的值，直至雷達無法識別雷達目標模擬器模擬的目標為止。測試結果如圖5所示。模擬距離d較近時，雷達識別的目標距離dradar較雷達目標模擬器模擬距離d小；模擬距離d增大后，雷達識別的目標距離dradar較雷達目標模擬器模擬距離d大。

圖5 雷達目標模擬器靜態(tài)距離精度測試對比

2.2 動態(tài)模式目標移動測試

在雷達目標模擬器上首先將雷達目標模擬速度v設置為10 km/h(遠離被測雷達)、模擬距離d設置為2.5 m、模擬目標RCS值設置為30 dBsm(自動增益補償)，隨后啟動雷達目標模擬器，直至雷達無法識別雷達目標模擬器模擬的目標為止。主要測試了10～100 km/h速度下的雷達對雷達目標模擬器模擬目標識別的精度。測試結果如圖6所示。

圖6 雷達目標模擬器動態(tài)距離精度測試對比

由于雷達識別的目標距離dradar最大為250 m，因此隨著速度v增大，測試結果的采樣點數(shù)量減少。不同速度下被測雷達識別目標的RCS值與距離dradar關系表示如圖7所示。在模擬距離d為2.5～50 m的范圍內，模擬不同目標速度v的RCS值不同，在近距離模擬速度v為20 km/h以內容易出現(xiàn)虛假目標。虛假目標的RCS值不會隨著模擬距離d的改變而改變，且其RCS值的范圍主要在-4～+3 dBsm之間。但隨著模擬距離d增大，虛假目標消失、目標RCS值也隨之增大。目標運動速度越高，雷達對目標距離的識別響應有延遲，造成一定距離誤差。

圖7 不同速度的雷達識別目標RCS值

2.3 測試結果分析

對比分析毫米波雷達識別的雷達目標模擬器模擬的靜態(tài)和移動目標的測試結果，可以得到以下結論：

1) 在靜態(tài)測試模式下，被測雷達識別最近的模擬目標RCS值與距離成反比，雷達目標模擬器模擬最近距離不能覆蓋雷達可識別范圍。

2) 雷達目標模擬器在低速、近距離模擬目標時，容易出現(xiàn)虛假目標，虛假目標的RCS值比真實目標值小，且主要集中在2.5～50 m的范圍內。

3) 由于雷達目標模擬器精度所限，模擬目標存在±0.2 m誤差，雷達檢測目標同樣存在±0.4 m誤差，因此理論上計算雷達檢測到目標的誤差范圍為±0.6 m之間，但靜態(tài)測試和動態(tài)測試的誤差均超過此范圍。

3 結束語

目前，雷達目標模擬器技術能夠滿足雷達目標速度、RCS值模擬的需求，但需要進一步提升雷達目標模擬器的距離模擬精度。另外，由于目標模擬原理和雷達暗箱的設計原因，在實際應用中應著重消除虛假目標。