毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試方法研究

武丹丹，劉洪偉，吳飛燕

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心 （天津）有限公司，天津 300300）

車(chē)載毫米波雷達(dá)作為駕駛輔助的重要環(huán)境感知傳感器，其性能、功能的評(píng)價(jià)方案一直是主機(jī)廠關(guān)注的重點(diǎn)，且隨著國(guó)內(nèi)毫米波雷達(dá)技術(shù)的逐步提升，越來(lái)越多的評(píng)價(jià)指標(biāo)得到公布。如何整理出一套行之有效的毫米波雷達(dá)性能、功能測(cè)試評(píng)價(jià)體系，是目前毫米波雷達(dá)行業(yè)的迫切需求，也是推動(dòng)國(guó)內(nèi)毫米波雷達(dá)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展，規(guī)范智能駕駛汽車(chē)環(huán)境感知策略的重要手段。

就產(chǎn)品層面，24GHz毫米波雷達(dá)技術(shù)不管是歐美還是國(guó)內(nèi)，都較為成熟，且國(guó)內(nèi)已將24GHz頻段停用，因此24GHz毫米波雷達(dá)的研發(fā)及測(cè)試需求基本停滯。76~77GHz毫米波雷達(dá)性能較24GHz毫米波雷達(dá)，穿透性更強(qiáng)，識(shí)別距離顯著提升，是目前車(chē)載毫米波雷達(dá)行業(yè)的主流產(chǎn)品，而77~81GHz毫米波雷達(dá)更傾向于成像雷達(dá)，且目前產(chǎn)品較少，多數(shù)處于試驗(yàn)室開(kāi)發(fā)樣機(jī)階段。

在標(biāo)準(zhǔn)層面，ETSI系列標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了毫米波雷達(dá)測(cè)射頻參數(shù)要求，但未對(duì)毫米波雷達(dá)的探測(cè)功能及應(yīng)用場(chǎng)景做出任何規(guī)范，國(guó)內(nèi)無(wú)線電管理委員會(huì)單獨(dú)出具了國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，就毫米波雷達(dá)工作頻段及雜散限值做出定義，也不涉及毫米波雷達(dá)的應(yīng)用參數(shù)。

就測(cè)試參數(shù)層面，毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別，圍繞著目標(biāo)物的大小及空間位置進(jìn)行測(cè)試，也就對(duì)應(yīng)著目標(biāo)的RCS、距離、速度和角度。目標(biāo)的RCS，即目標(biāo)的反射截面積，可通過(guò)毫米波反射信號(hào)的衰減實(shí)現(xiàn)參數(shù)標(biāo)定。

基于毫米波雷達(dá)功能實(shí)現(xiàn)原理，從毫米波的反射時(shí)間模擬目標(biāo)距離，從反射信號(hào)的多普勒參數(shù)特性層面模擬目標(biāo)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)毫米波雷達(dá)距離準(zhǔn)確度以及速度準(zhǔn)確度的測(cè)試，是目前較為成熟且被行業(yè)廣泛接受的測(cè)試方案?；谏鲜鲈響?yīng)運(yùn)而生的毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器，使得毫米波雷達(dá)的測(cè)試由實(shí)車(chē)道路測(cè)試轉(zhuǎn)向了試驗(yàn)室仿真測(cè)試，進(jìn)而使得毫米波雷達(dá)的距離分辨力和速度分辨力的理想場(chǎng)景搭建及測(cè)試成為了可能。

目標(biāo)的角度準(zhǔn)確度測(cè)試，通過(guò)待測(cè)雷達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)或者目標(biāo)物的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)毫米波雷達(dá)識(shí)別目標(biāo)角度的多場(chǎng)景對(duì)比測(cè)試，與實(shí)際應(yīng)用情況較為貼切。毫米波雷達(dá)角度分辨力，從定義上分析，即在規(guī)定條件下，雷達(dá)能夠區(qū)分目標(biāo)的最小間隔，進(jìn)一步可詳細(xì)理解為相同RCS、距離、速度的兩目標(biāo)由同一角度以毫米波雷達(dá)為圓心向兩側(cè)做圓周運(yùn)動(dòng)，直至毫米波雷達(dá)將其區(qū)分為兩個(gè)目標(biāo)，該最小區(qū)分角度即為毫米波雷達(dá)的角度分辨力。目標(biāo)的RCS、距離、速度、角度對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試的具體影響，目前均不明確，雷達(dá)角度分辨力測(cè)試涉及因素的復(fù)雜多變，使得該項(xiàng)目測(cè)試方案的成型面臨較大的挑戰(zhàn)。例如，對(duì)于一定角度的兩個(gè)目標(biāo)，目標(biāo)縱向距離增大，兩目標(biāo)之間的橫向距離必然增大，通過(guò)在雙目標(biāo)角度固定、縱向距離增大等場(chǎng)景下，對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，可直觀確定雷達(dá)角度分辨力測(cè)試中距離等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，也是形成毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試方案的重中之重，也是推進(jìn)毫米波雷達(dá)測(cè)試評(píng)價(jià)體系成型的重要一環(huán)，因此本文通過(guò)分析毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試中各因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，提出毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試方案。

1 雷達(dá)角度分辨力測(cè)試設(shè)備

毫米波雷達(dá)分辨力測(cè)試，分為實(shí)際目標(biāo)的場(chǎng)景測(cè)試和模擬目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試。實(shí)際目標(biāo)的場(chǎng)景測(cè)試，通過(guò)在道路試驗(yàn)場(chǎng)中由兩個(gè)特定距離、特定RCS的角錐反射器做圓弧運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)方式受試驗(yàn)場(chǎng)地、角錐反射器參數(shù)以及試驗(yàn)操作的限制，目前還無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)的定量對(duì)比，也無(wú)法進(jìn)行目標(biāo)速度的附加測(cè)試，因此本文通過(guò)目標(biāo)模擬器進(jìn)行模擬目標(biāo)的試驗(yàn)室仿真測(cè)試，角度分辨力測(cè)試環(huán)境如圖1所示。

圖1 毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)圖

毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試設(shè)備包括：雷達(dá)目標(biāo)模擬器、轉(zhuǎn)臺(tái)擺臂以及吸波板。如圖2和圖3所示，目標(biāo)模擬器具備雙通道，轉(zhuǎn)臺(tái)擺臂有兩個(gè)，可同軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)目標(biāo)發(fā)射天線通過(guò)兩個(gè)同軸心的轉(zhuǎn)臺(tái)擺臂實(shí)現(xiàn)目標(biāo)角度的分離；吸波板為拼成U型遮擋在待測(cè)毫米波雷達(dá)左右兩側(cè)及前方的屏蔽鋼板和附在鋼板內(nèi)側(cè)的吸波材料。

圖2 目標(biāo)模擬器測(cè)試狀態(tài)圖

圖3 毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試環(huán)境圖

2 雷達(dá)角度分辨力測(cè)試方案

毫米波雷達(dá)角度分辨力分為水平角度分辨力和豎直角度分辨力。水平角度分辨力應(yīng)用于道路交通過(guò)程中毫米波雷達(dá)前方多輛汽車(chē)、多個(gè)行人、多臺(tái)兩輪車(chē)等目標(biāo)之間的角度分辨，也是日常生活中較為常用的角度分辨場(chǎng)景。豎直角度分辨力應(yīng)用于隧道、路桿等位于車(chē)輛上方障礙物的識(shí)別，本文以FMCW角雷達(dá)的水平角度分辨力為例，提出毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試方案。

2.1 距離

距離是毫米波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)的重要指標(biāo)，亦是車(chē)載毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)碰撞預(yù)警、盲區(qū)檢測(cè)等結(jié)果輸出的重要參考指標(biāo)。距離對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力的影響表現(xiàn)為相同速度、角度、RCS的目標(biāo)，當(dāng)距離不同時(shí)測(cè)得的角度分辨力不同。

基于不同距離的角度分辨力測(cè)試，步驟如下：①毫米波雷達(dá)模擬裝車(chē)角度，固定在轉(zhuǎn)臺(tái)擺臂圓心的正上方，在雷達(dá)目標(biāo)模擬器上設(shè)置兩個(gè)RCS均為10dBsm（或20dBsm）并帶有一定速度的目標(biāo)，位于距離D1，兩目標(biāo)天線 （目標(biāo)A和目標(biāo)B）通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)擺臂一上一下正對(duì)毫米波雷達(dá)前端 （毫米波雷達(dá)信號(hào)發(fā)射端）固定，其極化方向與毫米波雷達(dá)前端的極化方向一致，此時(shí)目標(biāo)A和目標(biāo)B均處于毫米波雷達(dá)法線方向，毫米波雷達(dá)輸出為一個(gè)目標(biāo)；②將目標(biāo)A和目標(biāo)B的角度分別以0.1°步進(jìn)值朝相反方向?qū)ΨQ(chēng)遠(yuǎn)離，直到毫米波雷達(dá)輸出為兩個(gè)目標(biāo)，記錄此時(shí)兩個(gè)目標(biāo)與被測(cè)雷達(dá)的角度值θd1；③關(guān)閉目標(biāo)模擬器的目標(biāo)輸出，將目標(biāo)A和目標(biāo)B均恢復(fù)至法線方向，再將目標(biāo)A和B的距離設(shè)為D2，重復(fù)步驟②，記錄目標(biāo)A、目標(biāo)B與被測(cè)雷達(dá)的角度θd2；④重復(fù)步驟③，共測(cè)試N組 （N≥5）數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)。

2.2 速度

毫米波雷達(dá)的速度探測(cè)，基于反射信號(hào)的頻偏實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)速度的大小體現(xiàn)在目標(biāo)靠近或遠(yuǎn)離車(chē)本體的快慢。速度對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力的影響表現(xiàn)為相同距離、角度、RCS的目標(biāo)，當(dāng)速度不同時(shí)測(cè)得的角度分辨力不同。

基于不同速度的角度分辨力測(cè)試，步驟如下。

1）進(jìn)行步驟①，其中目標(biāo)的速度設(shè)為V1。

2）將目標(biāo)A和目標(biāo)B的角度分別以0.1°步進(jìn)值朝相反方向?qū)ΨQ(chēng)遠(yuǎn)離，直到毫米波雷達(dá)輸出為兩個(gè)目標(biāo)，記錄此時(shí)兩個(gè)目標(biāo)與被測(cè)雷達(dá)的角度值θv1。

3）關(guān)閉目標(biāo)模擬器的目標(biāo)輸出，將目標(biāo)A和目標(biāo)B均恢復(fù)至法線方向，再將目標(biāo)A和B的速度設(shè)為V2，重復(fù)步驟2），記錄目標(biāo)A、目標(biāo)B與被測(cè)雷達(dá)的角度θv2。

4）重復(fù)步驟3），共測(cè)試N組 （N≥5）數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)。

2.3 角度

目標(biāo)距離的很小變化即可導(dǎo)致距離FFT或多普勒FFT峰值的相位變化，這是毫米波雷達(dá)角度估算的基本原理，而角度準(zhǔn)確度會(huì)隨著測(cè)量角度的增大，準(zhǔn)確度降低。不同毫米波雷達(dá)的FOV是不同的，毫米波雷達(dá)是否對(duì)在不同角度方向上的目標(biāo)具有相同的角度分辨力，需要通過(guò)測(cè)量確定。

基于不同角度的角度分辨力測(cè)試，步驟如下。

1）進(jìn)行步驟①，此時(shí)目標(biāo)角度為θ1=0°。

2）將目標(biāo)A和目標(biāo)B的角度分別以0.1°步進(jìn)值朝相反方向?qū)ΨQ(chēng)遠(yuǎn)離，直到毫米波雷達(dá)輸出為兩個(gè)目標(biāo)，記錄此時(shí)兩個(gè)目標(biāo)與被測(cè)雷達(dá)的角度值θJ1。

3）關(guān)閉目標(biāo)模擬器的目標(biāo)輸出，將目標(biāo)A和目標(biāo)B均恢復(fù)至θ2方向，重復(fù)步驟2），記錄目標(biāo)A、目標(biāo)B與被測(cè)雷達(dá)的角度θJ2。

4）重復(fù)步驟3），共測(cè)試N組 （N≥5）數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)。

2.4 RCS

RCS大小的不同，表現(xiàn)為毫米波雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)反射截面的大小，對(duì)于不同RCS的模擬目標(biāo)，其角度分辨力的測(cè)試步驟如下。

1）進(jìn)行步驟①，此時(shí)目標(biāo)RCS為Q1。

2）將目標(biāo)A和目標(biāo)B的角度分別以0.1°步進(jìn)值朝相反方向?qū)ΨQ(chēng)遠(yuǎn)離，直到毫米波雷達(dá)輸出為兩個(gè)目標(biāo)，記錄此時(shí)兩個(gè)目標(biāo)與被測(cè)雷達(dá)的角度值θQ1。

3）關(guān)閉目標(biāo)模擬器的目標(biāo)輸出，將目標(biāo)A和目標(biāo)B均恢復(fù)至法線方向，重復(fù)步驟2），再將目標(biāo)A和目標(biāo)B的RCS設(shè)為Q2，記錄目標(biāo)A、目標(biāo)B與被測(cè)雷達(dá)的角度θQ2。

4）重復(fù)步驟3），進(jìn)行RCS為0dBsm、10dBsm和20dBsm的測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)。

3 雷達(dá)角度分辨力測(cè)試結(jié)果展示

3.1 距離

距離對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力影響的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 距離對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力影響

表1中毫米波雷達(dá)的角度分辨力為2×θdi，由表1中數(shù)據(jù)可觀察出，在目標(biāo)模擬測(cè)試的情況下，角雷達(dá)的角度分辨力隨著距離的增大而減小。

3.2 速度

速度對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力影響的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 速度對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力影響

表2中毫米波雷達(dá)的角度分辨力為2×θVi，由表2中數(shù)據(jù)，可觀察出隨著目標(biāo)速度的增大，角度分辨力在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)不規(guī)律變化，且波動(dòng)幅度不大。

3.3 角度

角度對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力影響的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 角度對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力影響

表3中毫米波雷達(dá)的角度分辨力為2×θJi，由表3中數(shù)據(jù)，可觀察出隨著目標(biāo)角度的變化，毫米波雷達(dá)角度分辨力仍在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，即目標(biāo)角度的變化不影響毫米波雷達(dá)角度分辨力的測(cè)試結(jié)果。

3.4 RCS

RCS對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力影響的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 RCS對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力影響

表4中毫米波雷達(dá)的角度分辨力為2×θQi，由表4中數(shù)據(jù)，可觀察出RCS的變化，不影響毫米波雷達(dá)角度分辨力的測(cè)試。

4 結(jié)論

本文從毫米波雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別性能影響因素入手，在目標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)的仿真試驗(yàn)條件下，通過(guò)對(duì)變量及結(jié)果的橫向?qū)Ρ?，分析距離、速度、角度、RCS對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試結(jié)果的影響。從上述數(shù)據(jù)可得出距離是毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試的變量，而速度、角度、RCS對(duì)毫米波雷達(dá)的測(cè)試基本無(wú)影響。毫米波雷達(dá)角度分辨力測(cè)試方案可基于此結(jié)論，以不同目標(biāo)距離，分組對(duì)毫米波雷達(dá)角度分辨力進(jìn)行測(cè)試。而從角度分辨力的計(jì)算原理可知，毫米波雷達(dá)的角度分辨力僅與天線個(gè)數(shù)有關(guān)，因此雷達(dá)目標(biāo)模擬器的模擬仿真測(cè)試、不同型號(hào)間毫米波雷達(dá)的性能區(qū)別、仿真測(cè)試與真實(shí)目標(biāo)的道路試驗(yàn)之間的測(cè)試結(jié)果區(qū)別，仍需進(jìn)一步地研究與探討。