基于77Ghz毫米波雷达的ADAS软体目标物研究

2024-10-23万远航黄俊富熊俊芝夏鋆

时代汽车 2024年20期

摘要：为明晰公开道路高级辅助驾驶系统（ADAS）软体目标物的雷达散射截面（RCS）特征，选取现阶段市面上主流测试目标物，参考ISO19206目标物研发标准，基于77GHz大陆408毫米波雷达和雷达小车，在封闭场地内开展不同目标物雷达散射截面测试，通过均值及滑移滤波算法处理测试数据，剖析数据耦合因素。结果表明：受多径效应影响，目标物在近场的RCS特征值会迅速下降；在4-40m的距离下，小孩目标物RCS区间为[-9，3]、成人目标物RCS区间为[-7，4]，自行车目标物RCS区间为[-3，11]；在4-100m的距离下，假车目标物RCS区间为[8，16]，货车目标物区间为[20，45]，为相关目标物或智驾系统开发提供参考。

关键词：毫米波雷达软体目标物 ADAS 77GHz

0 引言

车辆自动紧急制动系统（Autonomous Emerg ency Braking，AEB）性能的不断提升导致该系统在家用汽车市场普及率也随之增加。相关数据表明，有超过18个品牌已实现该系统的全系标配，其中41个品牌AEB占比超过3成[1]。在法规测试层面，自2014年欧洲新车安全评鉴协会（The European New Car Assessment Programme，ENCAP）将自动紧急制动系统纳入汽车整体评价后，中国智能汽车指数测评规程（Intelligent Vehicle Integrated Systems Test Area， IVISTA）和中国新车评价规程（China New Car Asse ssment Programme，CNCAP）也相继出台了符合中国特色相关的政策标准。近年来，随着测试规程逐步升级及测试方法不断细化，整体场景逐步细分为车对车、车对行人及车对两轮车等，对车辆系统性能及研发周期提出了更高的要求[2-3]。

由于车辆AEB系统在研发、验证过程中存在大量的碰撞，为保障测试安全及效率，以德国Messing、奥地利4A为首的公司相继开发了一系列目标物，用于模拟交通场景下的真实参与者，为系统优化提供了大量的摸底数据[4]。现如今，高级辅助驾驶系统（Advanced Driver Assistance System，ADAS）软体目标物已成为主动安全规程测试里必不可少的一部分，并呈现多样化的发展趋势。由于车辆ADAS系统大多通过毫米波雷达及摄像头感知外界环境，故对目标物而言，如何在传感器呈现出与真实交通参与者相似或一致的特征是衡量产品好坏的关键。

现阶段评价ADAS目标物指标参数可分为雷达散射截面积（Radar Cross Section，RCS）和红外反射值，RCS可由毫米波雷达获取，红外反射值与视觉传感器相关[5]。鉴于毫米波雷达具备全天候、成本低廉等优越性，在整车智驾架构领域受到了广泛应用，故准确掌握目标物RCS特征谱是开发相关、优化智驾系统的关键。目前RCS大多通过暗室测量，此类途径精度高，但鉴于ADAS系统最终落地场景为公开道路，故研究目标物在此类场景下的RCS变化也尤为重要。

为此，本文介绍现阶段国内外ADAS软体目标物研究进展，基于ISO19206标准及国内ADAS主流测试设备，分析测试过程中各类要点，剖析各类目标物RCS特征谱变化规律及大小，为国内相关目标物研究及智驾开发提供参考。

1 国内外目标物现状

1.1 国外现状

国外智能网联车辆ADAS系统起步较早，以德国Messing、奥地利4A为首的公司早已在行人、自行车及假车等软体目标物领域展开了大量的研究，并基于大数据推动了国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）19206《用于评估主动安全功能目标物》等系列标准制定，为后续目标物产品研发及测试方法提供了思路。ADAS软体目标物大规模应用在国外起于2014年，4A公司推出了行人目标物，用于行人测试场景。该类目标物身穿黑色T恤及蓝色牛仔裤，通过摆动四肢，能够很好模拟成人男性及7岁儿童在道路行进过程中的响应。气球车用于车对车场景，以德国Messing公司为代表。

1.2 国内目标物现状

相较于国外，国内近年来也涌现出仕博、普奥、立中等软体目标物制造商，参照ISO19206标准研制了相关ADAS软体目标物产品，有效降低了各车企及供应商在研发阶段的测试投入，但国检机构在开展国外ENCAP等正式规程认证中，仍采用国外目标物开展相关测试[6]。

此外，以中国汽车技术研究中心有限公司（中汽中心）和中国汽车工程研究院股份有限公司（中国汽研）为首的国检机构，针对中国道路场景下典型的交通参与者开发了快递三轮车、电动踏板车等软体目标物，具备与真实目标物同样的物理结构及RCS值特征，并在测试可重复性、冲击性、二次修复性方面取得了重大突破；针对大型货车碰撞等伤害性极高的事故场景，开发了符合中国货车特征的卡车目标物，并引入到了IVISTA2023测试规程[7]。

2 目标物RCS值测试方法

雷达散射截面积是表征目标物散射强弱的物理量，能够独立目标本身属性、比较统一目标不同雷达反射的性能，是定量比较雷达模型反射率与真实行人反射率的理想参数。为获取各类目标物雷达散射截面特征谱，本文基于ISO19206测试标准及现有ADAS主流测试设备，开展雷达小车实车测试，通过完成RCS标定及数据后处理，研究各类目标物RCS变化特征及范围。

2.1 雷达小车设备

受多径效应影响，毫米波雷达在近距离固定点位所测的RCS值与真实数值通常存在偏差，需要搭载到移动小车上获取不同方位下的目标物RCS特征谱。本文采用雷达小车见图1，搭载频段77GHz的大陆408毫米波雷达，安装高度离地间隙500mm，安装过程中保证离地间隙误差小于2mm，水平与垂直方向盘查小于1°。

同时，为保障测试数据质量，在雷达小车外置了全球定位系统蘑菇头和实时动态测量技术基站，能够使小车在行进过程中的实际位置与期望轨迹偏差小于2cm，期间基于不同测试场景合理规划行进速度，以此保障毫米波雷达数据采集样本量。

2.2 雷达小车设备

为降低路边建筑或其他目标物带来的反射干扰，选取封闭场地开展相关测试，场地具备如下条件：

（a）毫米波雷达观测区域内无其他障碍物；

（b）封闭场地道路表面由沥青或柏油路面；

（c）封闭场地平整无积水；

（d）封闭场地周围区域没有金属或其他强雷达反射部件。

2.3 数据验证及标定

由于在封闭场地难以精确掌握雷达发射功率、天线增益、目标物截面积等核心参数，本文通过比较当前目标反射功率和参考目标接收功率来确定目标物RCS值。常见的参考目标可分为金属球体、圆柱体和角反射锥三类，考虑到金属球体在不同方位下具备更强的稳定性，故本文选取RCS数据为10的标准金属球体作为目标参照物，标定示意图见图2，图中H为毫米波雷达离地垂直高度，R为毫米波雷达与目标物之间的距离，同距离下的不同目标物RCS值关系可由公式（1）表示。

（1）

式中：σ1为三角反射锥截面积，σreference为参考目标物截面积；

具体标定流程如下：

（a）在距离为R0处的位置放置一个RCS值为10的标准金属球体，测量球体目标功率Preference；

（b）在同样距离放置RCS已知的角反射锥，获取目标功率P1；

（c）利用公式（1）进行RCS校准；

（d）若校准后角反射锥RCS值在期望范围内，对软体目标物进行RCS值校准，验证是否正常工作；

（e）将雷达小车向目标物靠拢，测量不同距离R下的目标物响应Ptarget；

（f）将R0距离下的目标物RCS值σtarget（R0）代入到公式（2）中，计算不同距离R下的目标物RCS值σtarget（R）；

2.4 测试流程

（1）将软体目标物放置到路径指定点位上，固定目标物的底部采用塑料底垫，不干扰雷达反射回波；

（2）使雷达测量小车正对静止假人40m处，对于DRI车辆软体目标物而言，放置于正对100m处；

（3）通过全球定位系统蘑菇头和实时动态测量技术基站，建立对应的路径，雷达测量小车自行以速度10kph沿直线接近目标假人，行进至5m处停止记录，自行退回起始点位，行径过程中小车无突然减速，且与预设路径横向偏差小于±2cm；

（4）重复5次测试，随后将目标物调转到不同方位，重复步骤（2）～（3），完成目标物相关RCS值测试；

3 数据分析

将测试数据每隔0.1m进行均值处理，通过滑移滤波算法得到图4。图中包含假车目标物在3个方位下4-100m的雷达散射截面积数据。从图中可以看出，在0°和180°角度RCS无论从幅值大小或是变化规律均基本保持一致，90°所对应的曲线幅值较高，究其原因在于，此角度下的假车目标物在雷达视角面积更大。此外，三个不同方位在初始距离整体RCS值都偏低，随后随距离增加而快速上升，原因在于，77GHz雷达天线波束宽度较窄，受不同目标物影响，距离目标物过近时，雷达信号只会照射到局部区域上，会产生不同的散射幅度。

为更好对比不同类型目标物RCS特征谱，图5给出了不同类型目标物RCS区间，从图中可以看出，小孩目标物在4-40m距离下RCS区间为[-9，3]、成人目标物RCS区间为[-7，4]，自行车目标物RCS区间为[-3，11]，DRI假车目标物在0-100m距离下的RCS区间为[8，16]，货车目标物RCS区间为[20，45]。

4 结论

本文研究了ADAS软体目标物现状，基于ISO19206标准及国内ADAS主流测试设备，阐述了目标物RCS测试方法，雷达小车搭载大陆408毫米波雷达开展了相关测试，分析了各类目标物RCS特征谱变化规律及范围，为目标物产品研发提供参考，具体结论如下：

（1）受多径效应影响，目标物在近场的RCS特征值会迅速下降；

（2）小孩目标物在4-40m距离下RCS区间为[-9，3]、成人目标物RCS区间为[-7，4]，自行车目标物RCS区间为[-3，11]，DRI假车目标物在0-100m距离下的RCS区间为[8，16]，货车目标物区间为[20，45]；

（3）本文研究仅考虑了77GHz下的大陆408毫米波雷达，对于同频段其他主流毫米波雷达或其他频段毫米波雷达特征谱还未分析。

本文小孩及成人目标物以4A公司为主，在身高及步频等方面与国内真实交通参与者存在部分差异，未来将根据国内交通参与者特征开展相关研究。

参考文献：

[1]胡满江，杨智元，李洋，等.智能汽车人机协同决策关键技术综述[J].中国公路学报，2024，37（3）：98-116.

[2]詹厚顺，罗华平，袁英，等.C-NCAP2021法规中对二轮车场景AEB性能满分要求分析及试验验证[J].汽车实用技术，2023，48（10）：40-46.

[3]宁东宇.中国骑行人软体目标物开发与测试研究[D].长沙：湖南大学，2020.

[4]李文礼，李建波，石晓辉，等.用于汽车ADAS系统测试的软目标车研究进展[J].汽车工程学报，2021，11（4）：280-288.

[5]姜与，肖广宇，蒋熊力忍，等.ADAS软目标物吸波材料及其雷达反射特性分析[J].汽车与新动力，2024，7（2）：51-54.