毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器校驗方法研究

竇汝鵬，武丹丹，吳飛燕

（中汽研汽車檢驗中心 （天津）有限公司，天津 300300）

隨著汽車保有量在世界范圍內(nèi)與日俱增，汽車安全成為了汽車廠商和各國政府的重點關(guān)注問題。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計結(jié)果顯示，每年在道路交通事故中遇難的人數(shù)大約有124萬人之多。另外，交通擁堵也是城市面臨的問題。以中國為例，汽車數(shù)量超過100萬的城市有60個以上，在繁忙市區(qū)約有75%的道路會出現(xiàn)高峰時段擁堵，并且交通擁堵常常伴隨著環(huán)境污染和能源浪費等一系列問題。因此如何提高道路上車輛的主動安全性，降低道路的交通事故發(fā)生率，減少道路擁堵，從而實現(xiàn)車輛安全、舒適、節(jié)能、高效行駛，已經(jīng)成為了交通領(lǐng)域亟待解決的難題。智能交通系統(tǒng)的提出給以上問題提出了新的解決方法和解決思路，而作為智能交通系統(tǒng)中最重要的部分，智能網(wǎng)聯(lián)汽車必然是當(dāng)前的研究重點。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展離不開各零部件的協(xié)同工作，包括毫米波雷達(dá)、不停車收費系統(tǒng)、車載電子單元、車載通信終端等。這些零部件是智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)實現(xiàn)的必要手段，其中毫米波雷達(dá)由于其低生產(chǎn)成本等特性被視為未來應(yīng)用范圍最廣的零部件。

毫米波雷達(dá)具備了毫米波的傳輸特性，因其高穿透能力、全天候、全天時工作 （極端惡劣天氣除外）的特點，早期被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。隨著國內(nèi)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，毫米波雷達(dá)傳感器開始廣泛應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域。毫米波雷達(dá)的主要功能就是測距、測速、測向定位，即發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定目標(biāo)的空間位置，包括目標(biāo)的距離、速度和方向角度。

各國車載毫米波雷達(dá)產(chǎn)品主要集中在24GHz和77GHz［1］，79GHz雷達(dá)尚在研發(fā)中，幾乎無批量生產(chǎn)。無論是產(chǎn)品投放市場前的檢驗，還是作為研發(fā)過程中的輔助，毫米波雷達(dá)相關(guān)的測試項目都是不可避免的。同樣，對毫米波雷達(dá)測試設(shè)備進(jìn)行的校驗也是保證毫米波雷達(dá)可靠性的重要一環(huán)。因此本文將基于毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識別性能測試項目，提出對目標(biāo)模擬器的校驗方法。

1 雷達(dá)目標(biāo)模擬器

毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器由天線、控制器、控制軟件等構(gòu)成，用于模擬毫米波雷達(dá)的探測目標(biāo)來實現(xiàn)對毫米波雷達(dá)目標(biāo)識別性能的測試。作為ARTS雷達(dá)測試設(shè)備的一個模塊，目標(biāo)模擬器的工作電壓是220V，載波頻率是75~82GHz，要求輸出距離、速度目標(biāo)參數(shù)的精度應(yīng)高于76~77GHz毫米波雷達(dá)的探測精度，因此車載雷達(dá)目標(biāo)模擬器穩(wěn)定輸出的近中遠(yuǎn)3組距離數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)小于和慢中快3組速度數(shù)據(jù)應(yīng)小于n為采集數(shù)據(jù)次數(shù)，D為毫米波雷達(dá)距離精度，V為毫米波雷達(dá)速度精度。

另外，如圖1所示，該雷達(dá)測試設(shè)備還包括：頻譜分析儀、示波器、雷達(dá)測試暗箱、干擾信號發(fā)生器、電源模塊和計算機(jī)。頻譜分析儀的頻率范圍為2Hz～85GHz，分析帶寬為5GHz，用以實現(xiàn)雷達(dá)信號的頻譜和波形分析。干擾信號發(fā)生器可產(chǎn)生任何頻率高達(dá)80GHz、帶寬2GHz的干擾信號，輔助測量雷達(dá)的抗干擾性能。計算機(jī)用于結(jié)果顯示及報告生成。

圖1 雷達(dá)測試設(shè)備外觀圖

2 雷達(dá)目標(biāo)識別測試項目

根據(jù)目標(biāo)模擬器能夠模擬的目標(biāo)個數(shù)，可以將毫米波雷達(dá)目標(biāo)識別性能測試項目分為單目標(biāo)測試和多目標(biāo)測試。

2.1 單目標(biāo)測試

單目標(biāo)測試項目包括單個目標(biāo)的距離信息、速度信息和角度信息。由毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬單個目標(biāo)的距離、速度，并通過天線位置或毫米波雷達(dá)轉(zhuǎn)臺位置調(diào)整，實現(xiàn)對單個目標(biāo)角度的設(shè)定。根據(jù)距離、速度、角度及RCS（目標(biāo)物反射截面）大小不同組合進(jìn)行測試，每個測試項測試有效數(shù)據(jù)不少于8組，并對數(shù)據(jù)是否符合目標(biāo) （距離、速度、角度）精度要求進(jìn)行篩選，單目標(biāo)測試推薦測試項見表1。

表1 單目標(biāo)測試推薦測試項

2.1.1 距離識別精確度

距離識別精確度測試可通過軟件進(jìn)行自動化測試，首先為目標(biāo)模擬器設(shè)置合適的RCS值，然后為待測雷達(dá)與目標(biāo)模擬器設(shè)置多組不同的探測距離值，基于控制變量法通過比較探測距離變化時待測雷達(dá)實際測到的距離與預(yù)設(shè)值之間的差別，來確定待測雷達(dá)的距離識別精確度。如圖2所示。

圖2 距離精確度的目標(biāo)模擬測試示意圖

2.1.2 速度精確度

速度精確度測試可通過軟件進(jìn)行自動化測試，首先為目標(biāo)模擬器設(shè)置合適的RCS值，并與待測雷達(dá)保持一定的距離，然后為目標(biāo)模擬器設(shè)置多組不同的速度，通過比較探測速度變化時待測雷達(dá)實際測到的速度與預(yù)設(shè)值之間的差別，來確定待測雷達(dá)的速度精確度。

2.1.3 方位角精確度

方位角精確度測試通過雷達(dá)固定底座的旋轉(zhuǎn)來確定預(yù)設(shè)角度，首先為目標(biāo)模擬器設(shè)置合適的RCS值并與待測雷達(dá)保持一定的距離，目標(biāo)模擬器本身的速度設(shè)置為0km/h。通過保持以上變量不變，而只改變預(yù)設(shè)角度來比較待測雷達(dá)實際測得的方位角信息與預(yù)設(shè)角度之間的差值，從而評估待測雷達(dá)的方位角精確度。如圖3所示。

圖3 方位角精確度的目標(biāo)模擬測試示意圖

2.2 多目標(biāo)測試

多目標(biāo)測試項目包括距離分辨力和角度分辨力。由毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬兩個目標(biāo)的距離、速度，并通過兩個目標(biāo)對應(yīng)的兩個發(fā)射天線的位置調(diào)整，實現(xiàn)對兩目標(biāo)相對于毫米波雷達(dá)角度的調(diào)整。根據(jù)兩目標(biāo)分別對相同距離、角度的分離操作，測試待測毫米波雷達(dá)的距離分辨力和角度分辨力。

2.2.1 距離分辨力

距離分辨力的測試基于目標(biāo)模擬器在待測毫米波雷達(dá)正前方模擬出兩個目標(biāo)。為這兩個目標(biāo)物設(shè)置合適的RCS值并與待測雷達(dá)保持相對速度為0km/h的運動。測試過程中，首先為兩個目標(biāo)與毫米波雷達(dá)保持一定的距離，然后保持一個目標(biāo)不動，逐漸改變另外一個目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離，來測試?yán)走_(dá)的距離分辨力。如圖4所示。

圖4 距離分辨率的目標(biāo)模擬測試示意圖

2.2.2 方位角分辨力

方位角分辨力的測試基于目標(biāo)模擬器在待測雷達(dá)正前方模擬出一個目標(biāo)，同時模擬出與第一個目標(biāo)車身縱向成0°角的第二個目標(biāo)。為兩個目標(biāo)物設(shè)置合適的RCS值，同時保持與待測雷達(dá)之間相同的距離，及相對待測雷達(dá)具有相同的移動速度。測試過程中，使其中一個目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離固定，將另外一個目標(biāo)通過固定底座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即在改變兩個目標(biāo)之間的相對角度來測試?yán)走_(dá)的方位角分辨力。如圖5所示。

圖5 方位角分辨率的目標(biāo)模擬測試示意圖

3 雷達(dá)目標(biāo)模擬器的校驗

車載雷達(dá)目標(biāo)模擬器［2］可以模擬目標(biāo)距離、速度，并通過天線方向角的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對角度的模擬。為了保證其正常使用以及測量結(jié)果精確可靠，應(yīng)按規(guī)定的校驗周期對車載雷達(dá)目標(biāo)模擬器進(jìn)行校驗，角度準(zhǔn)確度的校驗是對天線轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的機(jī)械校準(zhǔn)，而距離分辨力、速度分辨力和角度分辨力分別是在距離準(zhǔn)確度、速度準(zhǔn)確度和角度準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上測試，因此對車載雷達(dá)目標(biāo)模擬器的校驗主要是對目標(biāo)距離、速度的核查。

3.1 校驗基本要求

校驗的測試結(jié)果必須滿足目標(biāo)模擬器測試精度要求，見章節(jié)1的近中遠(yuǎn)和慢中快3組數(shù)據(jù)要求。若校驗結(jié)果不滿足測試精度要求或校驗過程中遇到異常數(shù)據(jù) （與前期同類數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差超過限值），需重新校驗 （按照首次核查時間要求進(jìn)行），如還達(dá)不到要求，則應(yīng)立即停止使用，貼上停用標(biāo)記，上報核查結(jié)果。

如果校驗過程發(fā)生異常情況，應(yīng)立即關(guān)掉電源，并采取相應(yīng)措施。同時，目標(biāo)模擬器必須進(jìn)行周期性校驗，首次核查時，數(shù)據(jù)采集間隔為一天，持續(xù)時間不短于1個月。再次核查時，數(shù)據(jù)采集間隔為一月，持續(xù)時間為1年。

3.2 距離準(zhǔn)確度的校驗

校驗步驟如下。

1）將試驗室自備樣品安裝在轉(zhuǎn)臺上。

2）設(shè)定車載雷達(dá)目標(biāo)模擬器上的距離參數(shù)，由于該目標(biāo)模擬器76~77GHz具備兩通道目標(biāo)模擬，先使用其中一個通道。

3）將該通道距離參數(shù)分別固定在20m、60m和120m，每隔1min記錄一個距離數(shù)據(jù)，記錄總次數(shù)不少于6次。

4）變換車載雷達(dá)目標(biāo)模擬器的目標(biāo)模擬工作通道，重復(fù)步驟3）。

5）每隔一定時間循環(huán)步驟1）~步驟4）。

6）對應(yīng)每一個距離，求取所有記錄數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，并制作距離曲線。

3.3 速度準(zhǔn)確度的校驗

校驗步驟如下。

1）將試驗室自備樣品安裝在轉(zhuǎn)臺上。

2）設(shè)定車載雷達(dá)目標(biāo)模擬器上的距離在60m，由于該目標(biāo)模擬器76~77GHz具備兩通道目標(biāo)模擬，先使用其中一個通道。

3）將該通道速度參數(shù)分別固定在5km/h、60km/h和120km/h，每隔1min記錄一個速度數(shù)據(jù)，記錄總次數(shù)不少于6次。

4）變換車載雷達(dá)目標(biāo)模擬器的目標(biāo)模擬工作通道，重復(fù)步驟3）。

5）每隔一定時間循環(huán)步驟1）~步驟4）。

6）對應(yīng)每一個速度，求取所有數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，并制作距離曲線。

4 校驗結(jié)果展示

本文以77GHz雷達(dá)為例進(jìn)行測試，展示結(jié)果包括目標(biāo)模擬器的距離精確度測試結(jié)果及速度精確度測試結(jié)果。

4.1 距離精確度測試結(jié)果

為目標(biāo)模擬器依次設(shè)定近中遠(yuǎn)3類探測距離，即20m，60m，120m，由77GHz毫米波雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)識別，連續(xù)測試45天，測試結(jié)果如圖6所示，標(biāo)準(zhǔn)差分別為：1.15m、3.02m、7.43m，對應(yīng)限值分別為：7.25m、7.25m、14.49m，目標(biāo)模擬器距離輸出合格。

4.2 速度精確度測試結(jié)果

為目標(biāo)模擬器依次設(shè)定大中小3類探測速度，即5km/h（1.39m/s），60km/h（13.89m/s），120km/h（33.89m/s），由77GHz毫米波雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)識別，連續(xù)測試45天，測試結(jié)果如圖7所示，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.07m/s、0.00m/s、0.03m/s，對應(yīng)限值均為3.48m/s，目標(biāo)模擬器速度輸出合格。

圖6 探測距離分別為20m、60m、120m時的測試結(jié)果

圖7 探測速度分別為5km/h、60km/h、120km/h時的測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文從毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識別測試項目入手，介紹了毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器的校驗方法，并基于多組數(shù)據(jù)對該方法進(jìn)行有效性驗證，充分證明了本文提出的校驗方法可以詳細(xì)且有效地對毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器進(jìn)行核查，但在該核查中如何保證目標(biāo)識別端性能的穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步研究。