一文讀懂車(chē)用雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車(chē)用雷達(dá)技術(shù)方興未艾。無(wú)論是于現(xiàn)階段之盲點(diǎn)偵測(cè)，抑或是發(fā)展中的自動(dòng)駕駛控制，高性能、高可靠性、小巧兼低價(jià)，都是相輔相成的關(guān)鍵要素，更是促進(jìn)其核心技術(shù)不斷發(fā)展與完善不可或缺的誘因與動(dòng)機(jī)。

車(chē)用雷達(dá)是駕駛輔助系統(tǒng)的重要組成部份。其不僅提供駕駛?cè)藛T舒適從而減少緊張感的駕駛環(huán)境，更為全面提高道路交通安全奠定必要的基礎(chǔ)。從設(shè)計(jì)車(chē)用雷達(dá)及其最佳化到大量生產(chǎn)，以及安裝除錯(cuò)，都會(huì)使用到多種檢驗(yàn)與量測(cè)方法。本文僅從射頻(RF)量測(cè)技術(shù)角度探討車(chē)用雷達(dá)的若干設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

雷達(dá)波形的線性度

與其他的雷達(dá)技術(shù)相類(lèi)似，車(chē)用雷達(dá)同樣藉由接收目標(biāo)物體的反射訊號(hào)，并進(jìn)一步分析接收訊號(hào)與原始發(fā)射訊號(hào)之間在時(shí)間、頻率以及相位上的多重相關(guān)性，從而判斷目標(biāo)物體與雷達(dá)之間的相對(duì)速度與空間位置。

車(chē)用雷達(dá)的核心技術(shù)之一是雷達(dá)波形設(shè)計(jì)。線性頻率調(diào)變連續(xù)波(LFMCW，常簡(jiǎn)稱為FMCW)是一種常用的雷達(dá)波形。發(fā)射訊號(hào)(亦即波形)的穩(wěn)定度與線性度直接影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)物體的辨識(shí)能力。由于車(chē)用雷達(dá)大多工作在毫米波頻段，所選用的各種材料及元件固有的非線性特性都會(huì)納入最終的發(fā)射訊號(hào)與接收訊號(hào)中，從而干擾訊號(hào)分析演算法。

車(chē)用雷達(dá)利用發(fā)射訊號(hào)與接收訊號(hào)之間相互關(guān)聯(lián)的頻率差與相位差，針對(duì)多個(gè)目標(biāo)物體的速度與位置進(jìn)行判斷。當(dāng)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)，特別是發(fā)射機(jī)部份的線性度出現(xiàn)非理想特性時(shí)，頻率差與相位差的計(jì)算結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生模糊性，造成雷達(dá)系統(tǒng)無(wú)法正確判斷目標(biāo)物體，以致于發(fā)生重大差錯(cuò)。對(duì)于未來(lái)的自動(dòng)駕駛控制技術(shù)來(lái)說(shuō)，這是絕對(duì)要避免的。

為了最大程度地減少錯(cuò)誤率，必須盡可能地提高發(fā)射訊號(hào)的線性度，并藉由量測(cè)確保產(chǎn)品之線性度的穩(wěn)定性?；谟嵦?hào)品質(zhì)的嚴(yán)苛要求，線性度的量測(cè)大多采用高階的儀器設(shè)備，以降低量測(cè)誤差。目前的高階儀器都可以分析頻寬超過(guò)1-GHz的訊號(hào)，以確保完整量測(cè)雷達(dá)訊號(hào)。

車(chē)用雷達(dá)正迅速擴(kuò)展，為輛提供更多駕駛輔助與更高安全性

天線

在車(chē)用雷達(dá)應(yīng)用中，無(wú)論是發(fā)射天線還是接收天線，通常都使用相控陣列。按照整體設(shè)計(jì)需要，可以采用線性陣列或是平面陣列。

眾所周知，陣列天線的主要參數(shù)(例如，主瓣方向及寬度、旁瓣抑制、零點(diǎn)位置等等)均可藉由簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算。然而，這種計(jì)算結(jié)果的適用性是有條件的，亦即當(dāng)陣列中任兩單元之間的相互耦合作用與影響極其微小至可以忽略不計(jì)的時(shí)候。有一種方法可使得上述的條件得以滿足，就是增加陣列單元之間的相對(duì)距離。不過(guò)，這種方法所帶來(lái)的影響是終端產(chǎn)品的尺寸也會(huì)隨加大。

如果無(wú)法藉由計(jì)算達(dá)到有效并準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)陣列單元的目的，量測(cè)就成為最佳化過(guò)程中的重要手段，再以相應(yīng)的電腦軟體作為輔佐，以利于大數(shù)據(jù)(big data)運(yùn)算。陣列天線的最佳化通常分為下面幾個(gè)步驟：

• 陣列基本單元的輻射場(chǎng)型設(shè)計(jì)

• 陣列單元之間相互耦合的評(píng)估

• 天線陣列的輻射場(chǎng)型設(shè)計(jì)

• 陣列饋電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

• 雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)

• 車(chē)輛保險(xiǎn)杠影響之考量

除此之外，雷達(dá)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案也必須包含安全便利性的要求。而安全便利性又會(huì)直接或間接地影響到天線的設(shè)計(jì)，可謂「牽一發(fā)而動(dòng)全身」。

在設(shè)計(jì)陣列基本單元時(shí)，尤其是在評(píng)估陣列單元之間的相互耦合過(guò)程中，因?yàn)橄嗫靥炀€通常都具有較大的陣列單元數(shù)量，使得完整、準(zhǔn)確且快捷的量測(cè)成為最關(guān)鍵的因素。而要實(shí)現(xiàn)完整又準(zhǔn)確的要求，多埠向量網(wǎng)路分析儀是必不可少的。

更進(jìn)一步地考慮安全便利性的要求，車(chē)用雷達(dá)同一批產(chǎn)品的輻射場(chǎng)型穩(wěn)定性至關(guān)重要。而要達(dá)到這一目標(biāo)，輻射場(chǎng)型量測(cè)設(shè)備首先必須具備良好的量測(cè)結(jié)果之可重復(fù)性。這也是車(chē)用雷達(dá)量測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)之一。

在一般情況下，天線輻射場(chǎng)型的量測(cè)必須在遠(yuǎn)場(chǎng)(far field)進(jìn)行。這里的遠(yuǎn)場(chǎng)是一個(gè)相對(duì)的概念，按照目前業(yè)界常用的天線量測(cè)理論之定義，遠(yuǎn)場(chǎng)與被量測(cè)之天線的尺寸以及該天線的工作頻率范圍相關(guān)。具體來(lái)說(shuō)，某一天線之遠(yuǎn)場(chǎng)與該天線的最大尺寸的平方成正比，而與該天線的工作波長(zhǎng)成反比。

例如，某個(gè)車(chē)用雷達(dá)產(chǎn)品的最大尺寸是7.5cm，如果它的工作頻率處在24GHz，這時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)大約在0.9m以外。但是如果它工作在77GHz，其遠(yuǎn)場(chǎng)將擴(kuò)大到3m左右。在一般的量產(chǎn)條件下，這樣大的距離范圍幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

77GHz車(chē)用雷達(dá)頻譜的雜訊級(jí)

為了克服上述遠(yuǎn)場(chǎng)定義的局限性，可以選擇在近場(chǎng)(near field)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后藉由近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)場(chǎng)的結(jié)果。雖然這種近場(chǎng)量測(cè)方法不再有距離范圍的限制，但是，為了確保量測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度，不僅量測(cè)設(shè)備會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集所需的時(shí)間也會(huì)成倍增加。此外，因?yàn)閿?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要額外的時(shí)間，使得整個(gè)量測(cè)過(guò)程變得十分冗長(zhǎng)，以致于很難滿足量產(chǎn)效能的要求。

目前業(yè)界正在研究全新的方法，以最大程度地降低上述空間與時(shí)間的限制，從而在適當(dāng)?shù)木嚯x范圍內(nèi)，提高量產(chǎn)能力。

干擾

如同其他射頻產(chǎn)品，對(duì)于車(chē)用雷達(dá)也同樣存在干擾與抗干擾的問(wèn)題。從目前的技術(shù)來(lái)看，單一輛車(chē)上的雷達(dá)數(shù)量有超過(guò)十顆的趨勢(shì)。所幸藉由天線的設(shè)計(jì)以及在安裝時(shí)的適當(dāng)調(diào)整，可以減少單一輛車(chē)上各個(gè)雷達(dá)之間的相互干擾。然而，目前還沒(méi)有與車(chē)用雷達(dá)相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)用雷達(dá)所運(yùn)作的頻率范圍更是無(wú)須申請(qǐng)?jiān)S可證，因而對(duì)于不同車(chē)輛，特別是不同制造商的車(chē)輛，各車(chē)輛上雷達(dá)之間的相互干擾會(huì)是非常棘手的問(wèn)題。

鑒于存在過(guò)多與干擾源相關(guān)的未知因素，在抗干擾能力的設(shè)計(jì)階段，從最壞處著眼，兼顧那些最初看起來(lái)發(fā)生機(jī)率不高的場(chǎng)景，以便正確評(píng)估雷達(dá)系統(tǒng)被干擾后做出難以預(yù)期的反應(yīng)。

如前所述，車(chē)用雷達(dá)主要用來(lái)準(zhǔn)確并快速地判斷目標(biāo)物體與雷達(dá)之間的相對(duì)速度與空間位置。錯(cuò)誤的判斷可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是「幻視」，即「無(wú)中生有」；另一類(lèi)是「盲視」，即「視而不見(jiàn)」。無(wú)論誤判屬于哪一類(lèi)，都與交通安全息息相關(guān)，對(duì)于未來(lái)的自動(dòng)駕駛控制技術(shù)來(lái)說(shuō)，這些都是絕對(duì)要避免的。如果相對(duì)距離足夠遠(yuǎn)，就會(huì)有充份的時(shí)間對(duì)誤判進(jìn)行修正。

因此，處于相對(duì)近距離時(shí)的誤判將是十分危險(xiǎn)的。應(yīng)該如何評(píng)估「相對(duì)近距離」？舉例來(lái)說(shuō)，在城區(qū)內(nèi)的道路上，通常的時(shí)速限制是60km/hr。以這樣的速度換算一下，15m至20m就會(huì)是「相對(duì)近距離」。因?yàn)橐坏┰谶@個(gè)距離內(nèi)出現(xiàn)交通異常，雷達(dá)系統(tǒng)必須迅速并有效地啟動(dòng)煞車(chē)系統(tǒng)，以便讓行進(jìn)中的車(chē)輛在一秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)停下來(lái)。但問(wèn)題是，在這個(gè)距離內(nèi)雷達(dá)系統(tǒng)可能發(fā)生上述的「幻視」抑或「盲視」嗎？

答案是肯定的。也就是說(shuō)，由于接收系統(tǒng)受到干擾，在特定的條件下(甚至包括天氣的影響)，車(chē)用雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于目標(biāo)物體反射回來(lái)的訊號(hào)之敏感度會(huì)急遽下降，原本百米以外的目標(biāo)物體都可以分辨，而此時(shí)就連十米左右的目標(biāo)物體都難以辨識(shí)。

為了確保車(chē)用雷達(dá)的抗干擾能力，標(biāo)準(zhǔn)化的量測(cè)方法是必要的。雖然目前尚無(wú)量測(cè)法規(guī)，業(yè)界還是可以參考其他類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)，先進(jìn)行前期的可靠性量測(cè)，從而贏得時(shí)間提前量測(cè)，以便在正式的量測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)化之后，基于已有的數(shù)據(jù)，按照法規(guī)適當(dāng)修正抗干擾余量，抑或提升抗干擾能力。

目前的抗干擾能力檢測(cè)方法主要藉由軟體設(shè)定場(chǎng)景，在電波暗室里，由訊號(hào)源產(chǎn)生特定的雷達(dá)波形作為干擾源，再由雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬特定的目標(biāo)物體，以此評(píng)估被測(cè)雷達(dá)在該特定場(chǎng)景中對(duì)于目標(biāo)物體反射訊號(hào)之敏感度的下降程度，由此推算被測(cè)雷達(dá)在這一特定場(chǎng)景中對(duì)于特定干擾源的抗干擾能力。

不同類(lèi)型的車(chē)用雷達(dá)感測(cè)器共享有限的免授權(quán)頻譜，因而可能相互干擾

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于涉及極其重要的交通安全因素，在自動(dòng)駕駛控制技術(shù)真正成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠葜?，其中關(guān)鍵技術(shù)之一的雷達(dá)技術(shù)還有待進(jìn)一步的發(fā)展與完善，例如，雷達(dá)波形線性度的穩(wěn)定性、量產(chǎn)的技術(shù)瓶頸、多種場(chǎng)景中的抗干擾能力等等。而與此密切相關(guān)的車(chē)用雷達(dá)之射頻量測(cè)技術(shù)，已經(jīng)為精準(zhǔn)的測(cè)試以及未來(lái)更進(jìn)階的量測(cè)需求奠定了必要的基礎(chǔ)。