毫米波雷达目标模拟器校验方法研究

2021-06-04窦汝鹏武丹丹吴飞燕

汽车电器 2021年5期

窦汝鹏，武丹丹，吴飞燕

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

随着汽车保有量在世界范围内与日俱增，汽车安全成为了汽车厂商和各国政府的重点关注问题。据联合国统计结果显示，每年在道路交通事故中遇难的人数大约有124万人之多。另外，交通拥堵也是城市面临的问题。以中国为例，汽车数量超过100万的城市有60个以上，在繁忙市区约有75%的道路会出现高峰时段拥堵，并且交通拥堵常常伴随着环境污染和能源浪费等一系列问题。因此如何提高道路上车辆的主动安全性，降低道路的交通事故发生率，减少道路拥堵，从而实现车辆安全、舒适、节能、高效行驶，已经成为了交通领域亟待解决的难题。智能交通系统的提出给以上问题提出了新的解决方法和解决思路，而作为智能交通系统中最重要的部分，智能网联汽车必然是当前的研究重点。

智能网联汽车的发展离不开各零部件的协同工作，包括毫米波雷达、不停车收费系统、车载电子单元、车载通信终端等。这些零部件是智能网联汽车技术实现的必要手段，其中毫米波雷达由于其低生产成本等特性被视为未来应用范围最广的零部件。

毫米波雷达具备了毫米波的传输特性，因其高穿透能力、全天候、全天时工作（极端恶劣天气除外）的特点，早期被应用于军事领域。随着国内雷达技术的发展，毫米波雷达传感器开始广泛应用于汽车电子领域。毫米波雷达的主要功能就是测距、测速、测向定位，即发现目标并测定目标的空间位置，包括目标的距离、速度和方向角度。

各国车载毫米波雷达产品主要集中在24GHz和77GHz［1］，79GHz雷达尚在研发中，几乎无批量生产。无论是产品投放市场前的检验，还是作为研发过程中的辅助，毫米波雷达相关的测试项目都是不可避免的。同样，对毫米波雷达测试设备进行的校验也是保证毫米波雷达可靠性的重要一环。因此本文将基于毫米波雷达的目标识别性能测试项目，提出对目标模拟器的校验方法。

1 雷达目标模拟器

毫米波雷达目标模拟器由天线、控制器、控制软件等构成，用于模拟毫米波雷达的探测目标来实现对毫米波雷达目标识别性能的测试。作为ARTS雷达测试设备的一个模块，目标模拟器的工作电压是220V，载波频率是75~82GHz，要求输出距离、速度目标参数的精度应高于76~77GHz毫米波雷达的探测精度，因此车载雷达目标模拟器稳定输出的近中远3组距离数据的标准差应小于和慢中快3组速度数据应小于n为采集数据次数，D为毫米波雷达距离精度，V为毫米波雷达速度精度。

另外，如图1所示，该雷达测试设备还包括：频谱分析仪、示波器、雷达测试暗箱、干扰信号发生器、电源模块和计算机。频谱分析仪的频率范围为2Hz～85GHz，分析带宽为5GHz，用以实现雷达信号的频谱和波形分析。干扰信号发生器可产生任何频率高达80GHz、带宽2GHz的干扰信号，辅助测量雷达的抗干扰性能。计算机用于结果显示及报告生成。

图1 雷达测试设备外观图

2 雷达目标识别测试项目

根据目标模拟器能够模拟的目标个数，可以将毫米波雷达目标识别性能测试项目分为单目标测试和多目标测试。

2.1 单目标测试

单目标测试项目包括单个目标的距离信息、速度信息和角度信息。由毫米波雷达目标模拟器模拟单个目标的距离、速度，并通过天线位置或毫米波雷达转台位置调整，实现对单个目标角度的设定。根据距离、速度、角度及RCS（目标物反射截面）大小不同组合进行测试，每个测试项测试有效数据不少于8组，并对数据是否符合目标（距离、速度、角度）精度要求进行筛选，单目标测试推荐测试项见表1。

表1 单目标测试推荐测试项

2.1.1 距离识别精确度

距离识别精确度测试可通过软件进行自动化测试，首先为目标模拟器设置合适的RCS值，然后为待测雷达与目标模拟器设置多组不同的探测距离值，基于控制变量法通过比较探测距离变化时待测雷达实际测到的距离与预设值之间的差别，来确定待测雷达的距离识别精确度。如图2所示。

图2 距离精确度的目标模拟测试示意图

2.1.2 速度精确度

速度精确度测试可通过软件进行自动化测试，首先为目标模拟器设置合适的RCS值，并与待测雷达保持一定的距离，然后为目标模拟器设置多组不同的速度，通过比较探测速度变化时待测雷达实际测到的速度与预设值之间的差别，来确定待测雷达的速度精确度。

2.1.3 方位角精确度

方位角精确度测试通过雷达固定底座的旋转来确定预设角度，首先为目标模拟器设置合适的RCS值并与待测雷达保持一定的距离，目标模拟器本身的速度设置为0km/h。通过保持以上变量不变，而只改变预设角度来比较待测雷达实际测得的方位角信息与预设角度之间的差值，从而评估待测雷达的方位角精确度。如图3所示。

图3 方位角精确度的目标模拟测试示意图

2.2 多目标测试

多目标测试项目包括距离分辨力和角度分辨力。由毫米波雷达目标模拟器模拟两个目标的距离、速度，并通过两个目标对应的两个发射天线的位置调整，实现对两目标相对于毫米波雷达角度的调整。根据两目标分别对相同距离、角度的分离操作，测试待测毫米波雷达的距离分辨力和角度分辨力。

2.2.1 距离分辨力

距离分辨力的测试基于目标模拟器在待测毫米波雷达正前方模拟出两个目标。为这两个目标物设置合适的RCS值并与待测雷达保持相对速度为0km/h的运动。测试过程中，首先为两个目标与毫米波雷达保持一定的距离，然后保持一个目标不动，逐渐改变另外一个目标与雷达之间的距离，来测试雷达的距离分辨力。如图4所示。

图4 距离分辨率的目标模拟测试示意图

2.2.2 方位角分辨力

方位角分辨力的测试基于目标模拟器在待测雷达正前方模拟出一个目标，同时模拟出与第一个目标车身纵向成0°角的第二个目标。为两个目标物设置合适的RCS值，同时保持与待测雷达之间相同的距离，及相对待测雷达具有相同的移动速度。测试过程中，使其中一个目标与雷达之间的距离固定，将另外一个目标通过固定底座进行旋转，即在改变两个目标之间的相对角度来测试雷达的方位角分辨力。如图5所示。

图5 方位角分辨率的目标模拟测试示意图

3 雷达目标模拟器的校验

车载雷达目标模拟器［2］可以模拟目标距离、速度，并通过天线方向角的转动，实现对角度的模拟。为了保证其正常使用以及测量结果精确可靠，应按规定的校验周期对车载雷达目标模拟器进行校验，角度准确度的校验是对天线转动机构的机械校准，而距离分辨力、速度分辨力和角度分辨力分别是在距离准确度、速度准确度和角度准确度的基础上测试，因此对车载雷达目标模拟器的校验主要是对目标距离、速度的核查。

3.1 校验基本要求

校验的测试结果必须满足目标模拟器测试精度要求，见章节1的近中远和慢中快3组数据要求。若校验结果不满足测试精度要求或校验过程中遇到异常数据（与前期同类数据标准差超过限值），需重新校验（按照首次核查时间要求进行），如还达不到要求，则应立即停止使用，贴上停用标记，上报核查结果。

如果校验过程发生异常情况，应立即关掉电源，并采取相应措施。同时，目标模拟器必须进行周期性校验，首次核查时，数据采集间隔为一天，持续时间不短于1个月。再次核查时，数据采集间隔为一月，持续时间为1年。

3.2 距离准确度的校验

校验步骤如下。

1）将试验室自备样品安装在转台上。

2）设定车载雷达目标模拟器上的距离参数，由于该目标模拟器76~77GHz具备两通道目标模拟，先使用其中一个通道。

3）将该通道距离参数分别固定在20m、60m和120m，每隔1min记录一个距离数据，记录总次数不少于6次。

4）变换车载雷达目标模拟器的目标模拟工作通道，重复步骤3）。

5）每隔一定时间循环步骤1）~步骤4）。

6）对应每一个距离，求取所有记录数据的标准差，并制作距离曲线。

3.3 速度准确度的校验

校验步骤如下。

1）将试验室自备样品安装在转台上。

2）设定车载雷达目标模拟器上的距离在60m，由于该目标模拟器76~77GHz具备两通道目标模拟，先使用其中一个通道。

3）将该通道速度参数分别固定在5km/h、60km/h和120km/h，每隔1min记录一个速度数据，记录总次数不少于6次。

4）变换车载雷达目标模拟器的目标模拟工作通道，重复步骤3）。

5）每隔一定时间循环步骤1）~步骤4）。

6）对应每一个速度，求取所有数据的标准差，并制作距离曲线。

4 校验结果展示

本文以77GHz雷达为例进行测试，展示结果包括目标模拟器的距离精确度测试结果及速度精确度测试结果。

4.1 距离精确度测试结果

为目标模拟器依次设定近中远3类探测距离，即20m，60m，120m，由77GHz毫米波雷达进行目标识别，连续测试45天，测试结果如图6所示，标准差分别为：1.15m、3.02m、7.43m，对应限值分别为：7.25m、7.25m、14.49m，目标模拟器距离输出合格。

4.2 速度精确度测试结果

为目标模拟器依次设定大中小3类探测速度，即5km/h（1.39m/s），60km/h（13.89m/s），120km/h（33.89m/s），由77GHz毫米波雷达进行目标识别，连续测试45天，测试结果如图7所示，标准差分别为0.07m/s、0.00m/s、0.03m/s，对应限值均为3.48m/s，目标模拟器速度输出合格。