探究毫米波雷達現(xiàn)狀及其測試項目

雷達的探測原理是發(fā)射電磁波，經(jīng)由目標會產(chǎn)生反射回波，雷達再接收其回波，通過分析發(fā)射波與回波的對比處理，進而獲取目標的信息，如距離、速度和角度。當雷達發(fā)射的電磁波的頻率在毫米波波段時，即30~300 GHz，則稱之為毫米波雷達。對于電磁波而言，30~300 GHz是極高頻的波段，頻率越高則其波長越短，而波長越短越趨近于直線傳播，其穿透雜質(zhì)的能力也越強，但在傳播介質(zhì)中能量的衰減也越大。另外，由于波長很短，則發(fā)射天線尺寸可以做得很小，從而雷達的模塊尺寸就能相對的很小。高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中應用了各種傳感器，如超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達（LiDAR）、攝像頭等，其中毫米波雷達是唯一受氣候影響最小的，具有全天候特性，這是其他傳感器所不具備的。隨著智能網(wǎng)聯(lián)的迅速發(fā)展，ADAS不再局限在高端車市場，而逐漸開發(fā)其中低端的市場，相信在不久的將來，在所有汽車上實裝ADAS系統(tǒng)是大勢所趨，故對其所包含的傳感器的研究與測試是必不可少的，尤其是毫米波雷達。

1 國內(nèi)外關于毫米波雷達的研究現(xiàn)狀

1.1 國外毫米波雷達研究現(xiàn)狀毫米波雷達開始研制是在20世紀40年代，最開始的應用是在船用導航上，由于其功率低和傳輸損耗大，發(fā)展受到了很大的限制。70年代中期，德國的AEG-Telefunken和Bosch公司開始注資研究毫米波雷達在汽車上的防撞應用技術，由于成本昂貴沒有后續(xù)發(fā)展，直到80年代后期，歐洲在“歐洲高效安全交通系統(tǒng)計劃”指引下再次啟動車載毫米波雷達的研究方案。車載毫米波雷達所用頻率是24 GHz、77 GHz、79 GHz，嚴格意義上來說24 GHz不算是毫米波頻率段，但24 GHz的波長接近10 mm，故也將其歸類為毫米波雷達，且24 GHz的毫米波雷達是最早被使用的，目前，車載24 GHz雷達主要是用于100 m以內(nèi)的中短距離探測功能，如變道輔助LCA、盲點檢測BSD等。相較于24 GHz，77 GHz受到政策上的支持，世界主流頻段得到統(tǒng)一，再者，77 GHz頻率更高所擁有的帶寬更大，故其分辨率更高，抗干擾更強，因此車載77 GHz雷達主要實現(xiàn)的是遠距離探測目標。而對于頻率更高的79 GHz的毫米波雷達而言，其具有UWB高距離分辨率等特征，有點云成像的探測能力，可實現(xiàn)更高階的主動安全能力，但還只是處于研究開發(fā)階段，技術還不成熟。目前，毫米波雷達的關鍵技術主要掌握在Autoliv、Bosch、Continental、Delphi、Hella等傳統(tǒng)零部件巨頭手中，特別是今后的主流77 GHz毫米波雷達，被Bosch、Continental、Delphi、TRW、Fujitsu-ten等公司所壟斷。圖1是國外主流生產(chǎn)廠商所占市場份額。

圖1 國外主流生產(chǎn)廠商所占市場份額

1.2 國內(nèi)毫米波雷達發(fā)展現(xiàn)狀相較于國外，國內(nèi)毫米波雷達的研發(fā)正處于方興未艾的階段。傳統(tǒng)的24 GHz的毫米波雷達已有不少企業(yè)研制成功，且已形成市場化產(chǎn)品，如杭州智波科技有限公司、廈門意行半導體、華域汽車。由于中國汽車ADAS系統(tǒng)的研究剛處于起步階段，24 GHz雷達近幾年內(nèi)在國內(nèi)仍舊有不錯的市場，但對于77 GHz毫米波雷達的研究，國內(nèi)廠商還是處于技術探索階段，其中較好的公司，如北京行易道研制的77 GHz雷達已經(jīng)實裝在北汽無人駕駛汽車上；南京隼眼科技在2016年下半年推出77 GHz雷達樣機，計劃18~24個月后形成量產(chǎn)。

2 毫米波雷達的原理及測試

2.1 毫米波雷達的探測原理雷達的工作方式主要分兩種：脈沖方式（Pulsed）和調(diào)頻連續(xù)波方式（FMCW），如圖2、圖3所示。

圖2 脈沖工作方式（Pulsed）

脈沖方式，如圖2所示，需要在極短的時間內(nèi)發(fā)射大功率的信號脈沖，硬件結(jié)構(gòu)復雜、成本高，同時脈沖雷達的收發(fā)天線是共用的，所以會存在探測盲區(qū)。而調(diào)頻連續(xù)波方式，如圖3所示，則不需要那么大的瞬時功率，且硬件尺寸小、成本低廉，同時因為這種方式的雷達收發(fā)天線是隔離的，所以不存在探測盲區(qū)，適用于汽車的探測需求，因此大部分的車載毫米波雷達采用FMCW方式。

圖3 調(diào)頻連續(xù)波工作方式（FMCW）

對于調(diào)頻連續(xù)波的工作方式，其發(fā)射波的頻率是不斷變化的，但頻率的變化率是一定的，因此雷達主要通過對發(fā)射信號和反射回波信號做互相關，檢測出其間的差拍頻率fb和多普勒頻移fd，從而代入公式得出距離和速度。距離和速度公式如下：

式中：S-距離；v-速度；c-光速；T-信號發(fā)射周期；Δf-調(diào)頻帶寬；fb-差拍頻率；λ-信號波長；fd-多普勒頻移。

2.2 毫米波雷達的測試不論對于將來實現(xiàn)自動駕駛，還是現(xiàn)如今ADAS系統(tǒng)，其所需的毫米波雷達技術正在不斷發(fā)展和完善，而雷達從優(yōu)化到大量生產(chǎn)，以及安裝校準，都需要對雷達性能進行規(guī)范化、標準化的檢測及診斷，實現(xiàn)對毫米波雷達的發(fā)射機性能、回波接收性能以及抗擾能力的測試。毫米波雷達的測試主要是從兩方面進行的：射頻信號的性能測試和功能測試。

2.2.1 射頻信號的性能測試雷達整體模塊需要對其識別的關鍵參數(shù)進行綜合的評定，主要包括了雷達探測距離的分辨率和精度，以及徑向速度分辨率和精度。由于雷達本身結(jié)構(gòu)的原因，雷達的接收分析測試必須基于發(fā)射機的信號進行反射，監(jiān)測其對單目標、多目標，靜態(tài)、動態(tài)目標的響應，以及其距離、速度、角度的分辨能力。另外，還得考慮各種干擾信號的存在對雷達信號的影響。所測項目如表1所示。

表1 性能測試項目

當前，主流的雷達測試供應商主要有羅德與施瓦茨（R&S）、dSPACE、東揚精測系統(tǒng)等。其中R&S更為側(cè)重偏射頻和模塊的基本性能測試，而dSPACE則是更關注毫米波雷達開發(fā)的功能節(jié)點的測試。2.2.2 功能測試目前根據(jù)毫米波雷達開發(fā)的功能節(jié)點主要有：自適應巡航ACC、自動緊急制動AEB、前向碰撞預警FCW、變道輔助LCA、盲點檢測BSD、行人檢測系統(tǒng)PDS。對于功能測試就是驗證毫米波雷達模塊是否能實現(xiàn)根據(jù)其開發(fā)的功能節(jié)點，驗證其功能最好的方法當然是能夠?qū)嵮b雷達的汽車在戶外場地實行路測，但如此的測試，所花費的費用多不說，其測試過程中各種場景是不可控的，同時也無法模擬出各種想要測試的場景，故最好是能在實驗室中利用PRESCAN或CARMAKER軟件仿真各種場景來進行測試。為了能夠在實驗室里進行實際和可重復的測試，必須考慮到各種因素。一方面，雷達傳感器必須受到產(chǎn)生的雷達回波的刺激，從而模擬出實際不同的距離、相對速度和方位角的目標，如車輛或行人。

另一方面，必須通過實施適當?shù)拇胧﹣肀苊獠焕硐氲睦走_折射。為了能夠在實驗室里進行實際和可重復的測試，需要搭建一個雷達測試臺，用于現(xiàn)實地使用同步閉環(huán)HIL測試基于雷達的車輛功能。在雷達測試臺中，關鍵的儀器便是雷達目標模擬器，通過接收雷達的發(fā)射波，通過分析其信號，模擬發(fā)送回波給雷達，以此來模擬出一個或多個虛擬目標的距離、速度、角度。各家測試供應商的模擬器的優(yōu)劣性主要是體現(xiàn)在模擬器的帶寬大小、測試最短和最遠距離、以及模擬目標數(shù)量的多少。

當前，在室內(nèi)毫米波雷達功能測試只限于雷達模塊的HIL測試，而對于整車級雷達功能測試由于轉(zhuǎn)鼓功能單一，無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和模擬車體姿態(tài)的改變，故無法進行。值得一提的是，目前日本正在研發(fā)一款測功機，是可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)鼓，但目前無法模擬車身姿態(tài)的變化，如果將來能加上模擬車身姿態(tài)的功能，則就能進行室內(nèi)的整車級雷達功能測試。3 結(jié)論隨著智能網(wǎng)聯(lián)的迅速發(fā)展，ADAS不再局限于高端車市場，而逐漸開發(fā)其中低端的市場，這不僅提高了汽車的駕駛舒適性，同時也為汽車的主動安全提供了保障，因為涉及到汽車的安全，尤其是自動緊急制動AEB，故必須對毫米波雷達是否能準確實現(xiàn)這些功能做一系列的測試檢驗。