智能汽車毫米波雷達(dá)電磁抗擾度測試方法研究

智能車輛多采用毫米波雷達(dá)作為環(huán)境感知的傳感器，以實(shí)現(xiàn)駕駛輔助功能。毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的電磁抗擾能力將影響車輛輔助駕駛功能的實(shí)現(xiàn)和行車安全。文章在對毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的原理和目標(biāo)識別理論進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，通過模擬目標(biāo)激活毫米波雷達(dá)系統(tǒng)，并在不同等級場強(qiáng)下進(jìn)行毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的抗擾測試。

引言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，誕生出一批高度電子化、自動化的智能汽車，這些車輛搭載了先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），ADAS 的存在極大提升了駕駛的舒適性，但同時(shí)也為行車安全帶來了不確定因素。由于智能汽車內(nèi)部有諸多電子電氣系統(tǒng)，這些系統(tǒng)極易受到外界電磁信號的干擾，因此電磁抗擾能力是智能汽車的重要安全性能指標(biāo)之一。

目前，智能汽車的 ADAS 系統(tǒng)大多將毫米波雷達(dá)作為感知環(huán)境的傳感器，利用毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對車輛前方目標(biāo)的檢測，通過分析周邊車輛及障礙物與自車的相對距離、相對速度等關(guān)系實(shí)現(xiàn)控制自車的安全距離與安全車速，實(shí)現(xiàn)智能駕駛相關(guān)功能。因此，積極開展智能汽車毫米波雷達(dá)電磁抗擾度測試方法研究具有重要意義 [1]。

1. 毫米波雷達(dá)原理

毫米波雷達(dá)按工作原理的不同可以分為脈沖式毫米波雷達(dá)與調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)兩類。

脈沖式毫米波雷達(dá)通過發(fā)射脈沖信號與接收脈沖信號之間的時(shí)間差來計(jì)算目標(biāo)距離。如果目標(biāo)距離較近，則發(fā)射與接收脈沖信號之間的時(shí)間差相對較小。由于智能車輛需要根據(jù)目標(biāo)距離計(jì)算結(jié)果激發(fā)相應(yīng)模塊以實(shí)現(xiàn)特定功能，因此要求雷達(dá)計(jì)算目標(biāo)距離的時(shí)間盡可能短，這種情況下就需要系統(tǒng)采用高速的信號處理技術(shù)，導(dǎo)致脈沖式毫米波雷達(dá)的近距離探測技術(shù)復(fù)雜、成本較高。在實(shí)際應(yīng)用中，智能車輛一般選擇成本低廉、結(jié)構(gòu)相對簡單的調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)。

調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)測量得出不同距離的目標(biāo)的速度，它通過發(fā)射源向給定目標(biāo)發(fā)射微波信號，并分析發(fā)射信號頻率和反射信號頻率之間的差值，精確測量出目標(biāo)相對于雷達(dá)的運(yùn)動速度等信息。

1.1 測距原理

雷達(dá)調(diào)頻器通過天線發(fā)射微波信號，發(fā)射信號遇到目標(biāo)后，經(jīng)目標(biāo)的反射會產(chǎn)生回波信號，發(fā)射信號與回波信號相比形狀相同，時(shí)間上存在差值。以雷達(dá)發(fā)射三角波信號為例，發(fā)射信號與返回的回波信號對比如圖 1（a） 所示。

圖 1 調(diào)頻連續(xù)式毫米波雷達(dá)測距原理

雷達(dá)探測目標(biāo)的距離半徑 R 為

式中：Δt 為發(fā)射信號與回波信號的時(shí)間間隔（ms）；c 為光速。

IF 變化圖像如圖 1（b）所示，發(fā)射信號與回波信號形狀相同，因此根據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系式可得：

式中：T 為發(fā)射信號的周期（ms）；ΔF 為調(diào)頻帶寬；IF 為發(fā)射信號與回波信號混頻后的中頻信號頻率。

根據(jù)式（1）和式（2）可以得出目標(biāo)距離 R 與中頻信號間的關(guān)系式為：

1.2 測速原理

當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)信號發(fā)射源之間存在相對運(yùn)行時(shí)，發(fā)射信號與回波信號之間除存在時(shí)間差外，頻率上還會產(chǎn)生多普勒位移 f_d，對比圖見圖 2 [2]。

圖 2 調(diào)頻連續(xù)式毫米波雷達(dá)測距原理

如圖 2 所示，中頻信號在信號上升階段的頻率 f_b+ 與下降階段的頻率 f_b- 分別用式（4）、式（5）表示：

式中：IF 為發(fā)射源與目標(biāo)處于相對靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的中頻信號頻率；f_d 為發(fā)射信號與回波信號間的多普勒位移，計(jì)算公式為：

目標(biāo)與雷達(dá)信號發(fā)射源之間的相對運(yùn)動速度 v 可以根據(jù)多普勒原理計(jì)算：

式中：f_o 為發(fā)射波的中心頻率；λ 為發(fā)射波波長。

2. 毫米波雷達(dá)目標(biāo)識別系統(tǒng)理論分析

圖 3 目標(biāo)識別流程圖

毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識別是通過分析回波特征信息，采用數(shù)學(xué)手段通過各種特征空間變換來抽取目標(biāo)的特性參數(shù)，如大小、材質(zhì)、形狀等，并將抽取的特性參數(shù)與已建立的數(shù)據(jù)庫中的目標(biāo)特征參數(shù)進(jìn)行比較、辨別和分類，流程如圖 3 所示。

2.1 特征信息提取

利用發(fā)射源與目標(biāo)處于相對靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的中頻信號可以進(jìn)行目標(biāo)特征信息的提取，以有效進(jìn)行目標(biāo)識別，一般情況下，提取的信息可以分為 5 類：

（1）回波信號參數(shù)?；夭ㄐ盘柕闹饕獏?shù)有：極點(diǎn)和斜升響應(yīng)（反應(yīng)目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息），回波幅相波形（反應(yīng)目標(biāo)綜合信息），回波頻率/時(shí)寬/帶寬/信號形式（反應(yīng)輻射源類型）；

（2）雷達(dá)截面積參數(shù)。反應(yīng)目標(biāo)材料和形狀等信息的 RCS 序列、極值、方差、統(tǒng)計(jì)分布和均值等；

（3）運(yùn)動參數(shù)。包括目標(biāo)運(yùn)動速度、軌跡、高度等，同時(shí)也包括目標(biāo)微動產(chǎn)生的微多普勒等；

（4）一維、二維等圖像參數(shù)；

（5）基于極化散射矩陣、散射中心分布和角閃爍的參數(shù)。

2.2 特征空間變換

特征空間變換是利用梅林變換、沃爾什變換、馬氏距離線性變換等正交變換方法，解除不同目標(biāo)特征間的相關(guān)性，加強(qiáng)不同目標(biāo)特征間的可分離性，最終剔除冗余特征，達(dá)到減少計(jì)算量的目的 [3]。

2.3 識別算法

識別算法主要有 3 部分內(nèi)容：空目標(biāo)去除、無效目標(biāo)去除和靜止目標(biāo)去除，如圖 4 所示。

圖 4 識別算法流程圖

對于空目標(biāo)的去除，可以通過監(jiān)測 CAN 相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲位，如果該存儲位為特定數(shù)值，即表示該信道沒有檢測到目標(biāo)信號，此時(shí)可以通過簡單的代碼實(shí)現(xiàn)空目標(biāo)去除。

對于無效目標(biāo)，其與有效目標(biāo)的主要區(qū)別是目標(biāo)數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)間極短且參數(shù)跳躍性比較大，不符合車輛的行駛特征，因此可以通過分析相鄰采樣點(diǎn)之間的車輛數(shù)據(jù)變化情況實(shí)現(xiàn)無效干擾目標(biāo)的識別，對無效目標(biāo)進(jìn)行去除。

對于靜止目標(biāo)，若本車采集到的自車行駛速度與目標(biāo)車輛和本車之間的相對速度的絕對值相等，且本車運(yùn)動方向與檢測到的相對速度的方向相反，則可以判定該目標(biāo)為靜止目標(biāo) [4]。

2.4 目標(biāo)特征庫建立

目標(biāo)特征庫的建立有 3 種方法：（1）通過實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立；（2）通過半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)建立；（3）通過虛擬仿真數(shù)據(jù)建立。

實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)目標(biāo)特征庫是由在實(shí)際電磁環(huán)境中對雷達(dá)目標(biāo)測量得出的數(shù)據(jù)構(gòu)成，可信度較高，但同時(shí)數(shù)據(jù)庫建立成本較高。

半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)目標(biāo)特征庫是由一組半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)構(gòu)成，通過模擬雷達(dá)的工作特性，對在微波暗室中的縮比目標(biāo)模型進(jìn)行微波測量，得到半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)，這種采取緊縮場等近似手段得出的數(shù)據(jù)具有一定可信度，但也存在成本較高的問題。

虛擬仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行建模，并對模型的回波進(jìn)行仿真分析，按照需要修改相應(yīng)參數(shù)，即可獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)，繼而建立目標(biāo)特征庫，這種方式所用的時(shí)間短并且成本低，但獲取的數(shù)據(jù)可信度不高。在實(shí)際應(yīng)用中，可以結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的方法建立數(shù)據(jù)庫 [3，5]。

3. 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)電磁抗擾測試環(huán)境

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的電磁抗擾測試環(huán)境包括輻射抗擾度測試系統(tǒng)、暗室音視頻監(jiān)控系統(tǒng)、虛擬環(huán)境模擬系統(tǒng) 3 個(gè)部分，如圖 5 所示。

圖 5 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)電磁抗擾測試環(huán)境

其中，輻射抗擾測試系統(tǒng)（包括信號源、功率放大器、天線）用于向車輛施加一定等級的場強(qiáng)；暗室音視頻監(jiān)控系統(tǒng)（包括音視頻監(jiān)控設(shè)備、顯示器等）用于將車輛儀表盤報(bào)警信息顯示在控制室內(nèi)；虛擬環(huán)境模擬系統(tǒng)是毫米波雷達(dá)系統(tǒng)激活的關(guān)鍵，用于向毫米波雷達(dá)呈現(xiàn)虛擬的道路環(huán)境[6]。

基于毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理及目標(biāo)識別理論，可以在暗室內(nèi)通過真實(shí)反射波和人為構(gòu)造反射波兩種方式激活毫米波雷達(dá)系統(tǒng)。

當(dāng)采用真實(shí)反射波激活毫米波雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，可以在車輛前方布置障礙物將毫米波雷達(dá)的發(fā)射信號進(jìn)行反射，使雷達(dá)模塊可以感知預(yù)設(shè)信息，并向安全測算模塊傳遞該信息，繼而激發(fā)執(zhí)行模塊。

當(dāng)采用人為構(gòu)造反射波激活毫米波雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，可以利用一對微波天線及一臺微波收發(fā)一體機(jī)將具有一定頻移的雷達(dá)波反饋至毫米波雷達(dá)，使其認(rèn)為前方存在障礙物。

微波收發(fā)一體機(jī)可以直接讀取毫米波雷達(dá)發(fā)射波的工作頻率和周期，并可以人工輸入距離 R 和速度 V 的參數(shù)。通過計(jì)算，微波收發(fā)一體機(jī)將攜帶上述兩種參數(shù)的反饋雷達(dá)波發(fā)送至毫米波雷達(dá)，在車輛前方 R 處模擬一個(gè)行駛速度為V的障礙物 [1]。

4. ADAS 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)電磁抗擾測試

4.1 測試過程

試驗(yàn)布置參照 ISO 11451－2：2016 標(biāo)準(zhǔn)，車輛狀態(tài)設(shè)置為：車速 50 km/h、大燈開啟、車門閉鎖、空調(diào)制冷中檔狀態(tài)、風(fēng)機(jī)中檔狀態(tài)、收音機(jī) 87.5 MHz、ADAS 相關(guān)功能開啟。

試驗(yàn)中在車輛前方利用障礙物模擬目標(biāo)車位置，成功激活了毫米波雷達(dá)系統(tǒng)相關(guān)模塊功能，使車輛顯示屏上出現(xiàn)了前方車輛影像。為全面考核毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的電磁抗擾能力，將發(fā)射天線正對車輛前方和右側(cè)進(jìn)行測試。

4.2 測試結(jié)果分析

分別對車輛施加 30 V/m、45 V/m、60 V/m、90 V/m及 100 V/m 場強(qiáng)的抗擾信號，觀察車輛在 20～2000 MHz 頻段內(nèi)抗擾性能，并記錄車輛現(xiàn)象，車輛異?，F(xiàn)象如表 1 所示。

表 1 車輛異常現(xiàn)象

從表 1 中可以看出，在多數(shù)測試條件下，車輛出現(xiàn)了蜂鳴器響、顯示屏切換等故障現(xiàn)象，這些現(xiàn)象雖然對車輛的安全性影響較小，但會降低產(chǎn)品的電磁兼容性品質(zhì)，引起較大的客戶抱怨。

此外，在車輛前方進(jìn)行 100 V/m 垂直極化場的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)抗擾測試時(shí)，車輛在 20～100 MHz 頻段內(nèi)出現(xiàn)了目標(biāo)車大范圍前后移動的情況，這種情況可能會導(dǎo)致 ADAS 控制器的誤判，造成 ACC、AEB、FCW 等功能執(zhí)行模塊的異常操作，嚴(yán)重威脅車輛的行駛安全。

5. 結(jié)語

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)抗擾試驗(yàn)測試結(jié)果顯示，在一定強(qiáng)度的場強(qiáng)下，電磁信號會干擾毫米波雷達(dá)系統(tǒng)，影響系統(tǒng)及車輛功能。

現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，在短波電臺、大型基站等附近均存在類似等級的場強(qiáng)，對智能車輛的安全行駛構(gòu)成了影響。在這種情況下，進(jìn)行毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的抗擾測試，對于企業(yè)評估產(chǎn)品性能具有重要意義。