曾 杰，王 戡，胡 雄，游國平

(1.重慶車輛檢測研究院有限公司 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122；2.汽車主動安全測試技術(shù)重慶市工業(yè)和信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122)

隨著汽車對主動安全性能的需求不斷增加，駕駛輔助系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。典型的駕駛輔助系統(tǒng)如自適應(yīng)巡航、緊急制動、變道輔助等[1-2]，主要依靠毫米波雷達(dá)作為環(huán)境感知傳感器。現(xiàn)階段駕駛輔助系統(tǒng)的安全性能測試主要依靠場地測試+高里程路試。場地測試使用軟體假車、假人、背景車等構(gòu)成典型的測試場景[3],場地測試的工況不夠豐富，且存在測試重復(fù)性差、可控性差、靈活性差和成本較高的缺點(diǎn)[4]；高里程的道路測試能有效觸發(fā)系統(tǒng)功能的場景概率很低，因而測試成本高而且測試效率非常低[5]。

采用軟件在環(huán)、硬件在環(huán)仿真測試手段，將海量基數(shù)的測試場景通過軟件和硬件加速測試的方式，能夠大大提高測試效率、降低測試成本，能夠?yàn)楦呒墑e駕駛輔助系統(tǒng)的感知、決策算法的快速迭代提供技術(shù)支撐[6-7]。 毫米波雷達(dá)作為駕駛輔助系統(tǒng)重要的傳感器，在硬件在環(huán)仿真測試方案中主要采用雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬雷達(dá)目標(biāo)，而模擬中虛假目標(biāo)的出現(xiàn)直接影響硬件在環(huán)仿真測試結(jié)果。因此，雷達(dá)在雷達(dá)目標(biāo)模擬器中的測試對研究雷達(dá)硬件在環(huán)仿真測試?yán)碚摼哂兄匾饬x。本文擬在這方面開展測試研究，為駕駛輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試方法提供參考。

1 毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬原理

1.1 雷達(dá)目標(biāo)模擬器原理

雷達(dá)目標(biāo)模擬器是毫米波雷達(dá)的射頻信號在環(huán)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，通過射頻天線接收端接收雷達(dá)信號后，采用距離-傅里葉變換、速度-傅里葉變換算法對該電磁波信號進(jìn)行時域、頻域分析，解析雷達(dá)波信號特征，再根據(jù)場景軟件中雷達(dá)模型傳遞的被模擬目標(biāo)速度、距離、雷達(dá)散射截面RCS(Radar Cross Section)值信息，使用射頻信號技術(shù)對雷達(dá)目標(biāo)模擬器接收到的雷達(dá)波進(jìn)行回波延時、多普勒頻移、信號增益與衰減三項(xiàng)操作，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)信號的速度、距離、RCS值的模擬。

雷達(dá)目標(biāo)模擬器主要由信號發(fā)射與接受前端、信號調(diào)制模塊和吸波暗箱組成[8]，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。信號發(fā)射與接受前端和雷達(dá)暗箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)容易造成虛假目標(biāo)。虛假目標(biāo)不是雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬的目標(biāo)，豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)制造工藝才能避免虛假目標(biāo)出現(xiàn)。

圖1 雷達(dá)目標(biāo)模擬器目標(biāo)模擬原理

1.2 雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)方程

1.2.1 目標(biāo)距離和速度模擬

分析連續(xù)兩束正弦波調(diào)制的雷達(dá)波信號，若物體保持靜止，對采集的時域信號進(jìn)行傅里葉變換后，則會在其相同的頻率f位置出現(xiàn)峰值[9]。雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬距離d的物體計(jì)算為式(1)，雷達(dá)目標(biāo)模擬器接收到雷達(dá)的電磁波信號后，通過延時發(fā)送模擬的物體雷達(dá)反射信號，通過發(fā)射和接收的時間差計(jì)算模擬距離drts。若模擬目標(biāo)速度為v，則連續(xù)兩次信號解析的結(jié)果存在相位差，結(jié)合兩束波發(fā)射時間間隔Tc，雷達(dá)目標(biāo)模擬器用式(2)可以通過信號的相位差計(jì)算模擬目標(biāo)速度v[8]。

d=dsetup+drts=f·c/(2S)

(1)

v=λ(ω0-ω1)/(4πTc)

(2)

式中：S為信號調(diào)制的斜率；c為光速；dsetup為雷達(dá)與雷達(dá)目標(biāo)模擬器射頻天線之間的距離,為系統(tǒng)初始配置值；λ為雷達(dá)波長；ω0為雷達(dá)目標(biāo)模擬器解析雷達(dá)信號相位；ω1為雷達(dá)目標(biāo)模擬器回波信號相位。

1.2.2 目標(biāo)的RCS值模擬

雷達(dá)散射截面RCS是指雷達(dá)入射方向上單位立體角內(nèi)返回散射功率與目標(biāo)截面積的功率密度之比[10]，表征了目標(biāo)在雷達(dá)波照射下所產(chǎn)生回波強(qiáng)度的一種物理量[11]。RCS值的定義為：

(3)

式中：Es是照射到目標(biāo)處的入射波的電場強(qiáng)度；Ei是雷達(dá)所在處的散射波的電場強(qiáng)度;R0為雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離。

雷達(dá)目標(biāo)模擬器主要對信號參數(shù)Grts進(jìn)行增益、衰減，通過改變回波信號功率密度Pr，從而達(dá)到模擬不同雷達(dá)反射強(qiáng)度目標(biāo)的RCS值[12]。雷達(dá)目標(biāo)模擬器對雷達(dá)回波信號的模擬方程如下：

Pr=PtGtGr(λ/4πR1)4+Grts

(4)

式中：λ為雷達(dá)波長；R1為被測雷達(dá)與雷達(dá)目標(biāo)模擬器信號收發(fā)射頻器的距離；Pt為雷達(dá)的發(fā)射功率；Gt為雷達(dá)發(fā)射天線增益；Gr為雷達(dá)接收天線增益；Grts為雷達(dá)目標(biāo)模擬器對回波信號的功率增益參數(shù)。

2 毫米波雷達(dá)在雷達(dá)目標(biāo)模擬器上的性能測試

本文測試所采用的方案如圖2所示，具有雷達(dá)信號的收發(fā)裝置和信號調(diào)制處理終端。

圖2 測試方案結(jié)構(gòu)示意圖

雷達(dá)目標(biāo)模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)有：工作頻段76～81 GHz;瞬時帶寬≥1 G；模擬RCS值范圍-20～30 dBsm；模擬距離范圍1.75～300 m;距離模擬精度±0.2 m；距離分辨率10～50 cm;模擬速度范圍0～300 km/h ；模擬速度精度±0.2 km/h。

雷達(dá)目標(biāo)模擬器的距離分辨率與模擬目標(biāo)距離有關(guān)，模擬目標(biāo)距離2～3.5 m的分辨率為50 cm，3.5～30 m的分辨率為25 cm，30 m以上的分辨率為10 cm。被測毫米波雷達(dá)為77 GHz的外資品牌雷達(dá)，最大探測距離dradar為0.2～250 m，正前方目標(biāo)距離精度±0.4 m。

測試時雷達(dá)目標(biāo)模擬器的模式分別為靜態(tài)單目標(biāo)測試和動態(tài)目標(biāo)移動測試。靜態(tài)單目標(biāo)測試指雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬的目標(biāo)RCS值、速度v、距離d通過單點(diǎn)手動配置，而動態(tài)目標(biāo)移動測試指雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)的RCS值自動增益補(bǔ)償、速度預(yù)先設(shè)定、距離根據(jù)速度和時間計(jì)算。

2.1 靜態(tài)模式性能測試

1) 雷達(dá)目標(biāo)模擬距離d-雷達(dá)目標(biāo)RCS模擬值測試。將雷達(dá)目標(biāo)模擬器的速度v值設(shè)置為0 km/h，通過調(diào)整雷達(dá)目標(biāo)模擬器的模擬距離d和目標(biāo)RCS值進(jìn)行雷達(dá)近距離目標(biāo)識別性能測試。測試結(jié)果如圖3所示。雷達(dá)能檢測到目標(biāo)的最小距離為2.5 m，此時對應(yīng)的模擬器模擬目標(biāo)的RCS值為3 dBsm；在70 m時的目標(biāo)模擬，最小的目標(biāo)RCS值為-14 dBsm。

圖3 靜態(tài)-近距目標(biāo)識別測試結(jié)果

2) 雷達(dá)目標(biāo)模擬距離d-雷達(dá)目標(biāo)模擬速度v測試。在雷達(dá)目標(biāo)模擬器上首先將雷達(dá)目標(biāo)模擬速度v值設(shè)置為0 km/h、模擬距離設(shè)置為最近距離2.5 m、模擬目標(biāo)RCS值設(shè)置為30 dBsm，隨后逐漸增大模擬速度設(shè)置值，直至雷達(dá)無法識別雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬的目標(biāo)為止，測試結(jié)果如圖4所示。模擬距離2.5 m時能識別到的模擬目標(biāo)最大移動速度v為22.3 km/h，100 m時能識別到的模擬目標(biāo)最大移動速度v為32.4 km/h，250 m時能識別到的模擬目標(biāo)最大移動速度v為54.2 km/h，距離越遠(yuǎn)可識別速度越高。

圖4 速度模擬范圍測試

3) 靜態(tài)模式目標(biāo)測試精度。在雷達(dá)目標(biāo)模擬器上首先將雷達(dá)目標(biāo)模擬速度v設(shè)置為0 km/h、模擬距離d設(shè)置為2.5 m、目標(biāo)RCS值設(shè)置為30 dBsm，隨后逐漸增大距離設(shè)置的值，直至雷達(dá)無法識別雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬的目標(biāo)為止。測試結(jié)果如圖5所示。模擬距離d較近時，雷達(dá)識別的目標(biāo)距離dradar較雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬距離d小；模擬距離d增大后，雷達(dá)識別的目標(biāo)距離dradar較雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬距離d大。

圖5 雷達(dá)目標(biāo)模擬器靜態(tài)距離精度測試對比

2.2 動態(tài)模式目標(biāo)移動測試

在雷達(dá)目標(biāo)模擬器上首先將雷達(dá)目標(biāo)模擬速度v設(shè)置為10 km/h(遠(yuǎn)離被測雷達(dá))、模擬距離d設(shè)置為2.5 m、模擬目標(biāo)RCS值設(shè)置為30 dBsm(自動增益補(bǔ)償)，隨后啟動雷達(dá)目標(biāo)模擬器，直至雷達(dá)無法識別雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬的目標(biāo)為止。主要測試了10～100 km/h速度下的雷達(dá)對雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)識別的精度。測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 雷達(dá)目標(biāo)模擬器動態(tài)距離精度測試對比

由于雷達(dá)識別的目標(biāo)距離dradar最大為250 m，因此隨著速度v增大，測試結(jié)果的采樣點(diǎn)數(shù)量減少。不同速度下被測雷達(dá)識別目標(biāo)的RCS值與距離dradar關(guān)系表示如圖7所示。在模擬距離d為2.5～50 m的范圍內(nèi)，模擬不同目標(biāo)速度v的RCS值不同，在近距離模擬速度v為20 km/h以內(nèi)容易出現(xiàn)虛假目標(biāo)。虛假目標(biāo)的RCS值不會隨著模擬距離d的改變而改變，且其RCS值的范圍主要在-4～+3 dBsm之間。但隨著模擬距離d增大，虛假目標(biāo)消失、目標(biāo)RCS值也隨之增大。目標(biāo)運(yùn)動速度越高，雷達(dá)對目標(biāo)距離的識別響應(yīng)有延遲，造成一定距離誤差。

圖7 不同速度的雷達(dá)識別目標(biāo)RCS值

2.3 測試結(jié)果分析

對比分析毫米波雷達(dá)識別的雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬的靜態(tài)和移動目標(biāo)的測試結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1) 在靜態(tài)測試模式下，被測雷達(dá)識別最近的模擬目標(biāo)RCS值與距離成反比，雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬最近距離不能覆蓋雷達(dá)可識別范圍。

2) 雷達(dá)目標(biāo)模擬器在低速、近距離模擬目標(biāo)時，容易出現(xiàn)虛假目標(biāo)，虛假目標(biāo)的RCS值比真實(shí)目標(biāo)值小，且主要集中在2.5～50 m的范圍內(nèi)。

3) 由于雷達(dá)目標(biāo)模擬器精度所限，模擬目標(biāo)存在±0.2 m誤差，雷達(dá)檢測目標(biāo)同樣存在±0.4 m誤差，因此理論上計(jì)算雷達(dá)檢測到目標(biāo)的誤差范圍為±0.6 m之間，但靜態(tài)測試和動態(tài)測試的誤差均超過此范圍。

3 結(jié)束語

目前，雷達(dá)目標(biāo)模擬器技術(shù)能夠滿足雷達(dá)目標(biāo)速度、RCS值模擬的需求，但需要進(jìn)一步提升雷達(dá)目標(biāo)模擬器的距離模擬精度。另外，由于目標(biāo)模擬原理和雷達(dá)暗箱的設(shè)計(jì)原因，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)著重消除虛假目標(biāo)。