武丹丹，劉洪偉，吳飛燕

（中汽研汽車檢驗中心 （天津）有限公司，天津 300300）

車載毫米波雷達(dá)作為駕駛輔助的重要環(huán)境感知傳感器，其性能、功能的評價方案一直是主機廠關(guān)注的重點，且隨著國內(nèi)毫米波雷達(dá)技術(shù)的逐步提升，越來越多的評價指標(biāo)得到公布。如何整理出一套行之有效的毫米波雷達(dá)性能、功能測試評價體系，是目前毫米波雷達(dá)行業(yè)的迫切需求，也是推動國內(nèi)毫米波雷達(dá)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展，規(guī)范智能駕駛汽車環(huán)境感知策略的重要手段。

就產(chǎn)品層面，24GHz毫米波雷達(dá)技術(shù)不管是歐美還是國內(nèi)，都較為成熟，且國內(nèi)已將24GHz頻段停用，因此24GHz毫米波雷達(dá)的研發(fā)及測試需求基本停滯。76~77GHz毫米波雷達(dá)性能較24GHz毫米波雷達(dá)，穿透性更強，識別距離顯著提升，是目前車載毫米波雷達(dá)行業(yè)的主流產(chǎn)品，而77~81GHz毫米波雷達(dá)更傾向于成像雷達(dá)，且目前產(chǎn)品較少，多數(shù)處于試驗室開發(fā)樣機階段。

在標(biāo)準(zhǔn)層面，ETSI系列標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了毫米波雷達(dá)測射頻參數(shù)要求，但未對毫米波雷達(dá)的探測功能及應(yīng)用場景做出任何規(guī)范，國內(nèi)無線電管理委員會單獨出具了國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，就毫米波雷達(dá)工作頻段及雜散限值做出定義，也不涉及毫米波雷達(dá)的應(yīng)用參數(shù)。

就測試參數(shù)層面，毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識別，圍繞著目標(biāo)物的大小及空間位置進(jìn)行測試，也就對應(yīng)著目標(biāo)的RCS、距離、速度和角度。目標(biāo)的RCS，即目標(biāo)的反射截面積，可通過毫米波反射信號的衰減實現(xiàn)參數(shù)標(biāo)定。

基于毫米波雷達(dá)功能實現(xiàn)原理，從毫米波的反射時間模擬目標(biāo)距離，從反射信號的多普勒參數(shù)特性層面模擬目標(biāo)速度，進(jìn)而實現(xiàn)毫米波雷達(dá)距離準(zhǔn)確度以及速度準(zhǔn)確度的測試，是目前較為成熟且被行業(yè)廣泛接受的測試方案?；谏鲜鲈響?yīng)運而生的毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器，使得毫米波雷達(dá)的測試由實車道路測試轉(zhuǎn)向了試驗室仿真測試，進(jìn)而使得毫米波雷達(dá)的距離分辨力和速度分辨力的理想場景搭建及測試成為了可能。

目標(biāo)的角度準(zhǔn)確度測試，通過待測雷達(dá)的轉(zhuǎn)動或者目標(biāo)物的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)毫米波雷達(dá)識別目標(biāo)角度的多場景對比測試，與實際應(yīng)用情況較為貼切。毫米波雷達(dá)角度分辨力，從定義上分析，即在規(guī)定條件下，雷達(dá)能夠區(qū)分目標(biāo)的最小間隔，進(jìn)一步可詳細(xì)理解為相同RCS、距離、速度的兩目標(biāo)由同一角度以毫米波雷達(dá)為圓心向兩側(cè)做圓周運動，直至毫米波雷達(dá)將其區(qū)分為兩個目標(biāo)，該最小區(qū)分角度即為毫米波雷達(dá)的角度分辨力。目標(biāo)的RCS、距離、速度、角度對毫米波雷達(dá)角度分辨力測試的具體影響，目前均不明確，雷達(dá)角度分辨力測試涉及因素的復(fù)雜多變，使得該項目測試方案的成型面臨較大的挑戰(zhàn)。例如，對于一定角度的兩個目標(biāo)，目標(biāo)縱向距離增大，兩目標(biāo)之間的橫向距離必然增大，通過在雙目標(biāo)角度固定、縱向距離增大等場景下，對毫米波雷達(dá)角度分辨力測試結(jié)果進(jìn)行分析，可直觀確定雷達(dá)角度分辨力測試中距離等因素對測試結(jié)果的影響，也是形成毫米波雷達(dá)角度分辨力測試方案的重中之重，也是推進(jìn)毫米波雷達(dá)測試評價體系成型的重要一環(huán)，因此本文通過分析毫米波雷達(dá)角度分辨力測試中各因素對測試結(jié)果的影響，提出毫米波雷達(dá)角度分辨力測試方案。

1 雷達(dá)角度分辨力測試設(shè)備

毫米波雷達(dá)分辨力測試，分為實際目標(biāo)的場景測試和模擬目標(biāo)的實驗室仿真測試。實際目標(biāo)的場景測試，通過在道路試驗場中由兩個特定距離、特定RCS的角錐反射器做圓弧運動實現(xiàn)，該實驗方式受試驗場地、角錐反射器參數(shù)以及試驗操作的限制，目前還無法進(jìn)行試驗參數(shù)的定量對比，也無法進(jìn)行目標(biāo)速度的附加測試，因此本文通過目標(biāo)模擬器進(jìn)行模擬目標(biāo)的試驗室仿真測試，角度分辨力測試環(huán)境如圖1所示。

圖1 毫米波雷達(dá)角度分辨力測試環(huán)境設(shè)計圖

毫米波雷達(dá)角度分辨力測試設(shè)備包括：雷達(dá)目標(biāo)模擬器、轉(zhuǎn)臺擺臂以及吸波板。如圖2和圖3所示，目標(biāo)模擬器具備雙通道，轉(zhuǎn)臺擺臂有兩個，可同軸心轉(zhuǎn)動，兩個目標(biāo)發(fā)射天線通過兩個同軸心的轉(zhuǎn)臺擺臂實現(xiàn)目標(biāo)角度的分離；吸波板為拼成U型遮擋在待測毫米波雷達(dá)左右兩側(cè)及前方的屏蔽鋼板和附在鋼板內(nèi)側(cè)的吸波材料。

圖2 目標(biāo)模擬器測試狀態(tài)圖

圖3 毫米波雷達(dá)角度分辨力測試環(huán)境圖

2 雷達(dá)角度分辨力測試方案

毫米波雷達(dá)角度分辨力分為水平角度分辨力和豎直角度分辨力。水平角度分辨力應(yīng)用于道路交通過程中毫米波雷達(dá)前方多輛汽車、多個行人、多臺兩輪車等目標(biāo)之間的角度分辨，也是日常生活中較為常用的角度分辨場景。豎直角度分辨力應(yīng)用于隧道、路桿等位于車輛上方障礙物的識別，本文以FMCW角雷達(dá)的水平角度分辨力為例，提出毫米波雷達(dá)角度分辨力測試方案。

2.1 距離

距離是毫米波雷達(dá)目標(biāo)探測的重要指標(biāo)，亦是車載毫米波雷達(dá)實現(xiàn)碰撞預(yù)警、盲區(qū)檢測等結(jié)果輸出的重要參考指標(biāo)。距離對毫米波雷達(dá)角度分辨力的影響表現(xiàn)為相同速度、角度、RCS的目標(biāo)，當(dāng)距離不同時測得的角度分辨力不同。

基于不同距離的角度分辨力測試，步驟如下：①毫米波雷達(dá)模擬裝車角度，固定在轉(zhuǎn)臺擺臂圓心的正上方，在雷達(dá)目標(biāo)模擬器上設(shè)置兩個RCS均為10dBsm（或20dBsm）并帶有一定速度的目標(biāo)，位于距離D1，兩目標(biāo)天線 （目標(biāo)A和目標(biāo)B）通過轉(zhuǎn)臺擺臂一上一下正對毫米波雷達(dá)前端 （毫米波雷達(dá)信號發(fā)射端）固定，其極化方向與毫米波雷達(dá)前端的極化方向一致，此時目標(biāo)A和目標(biāo)B均處于毫米波雷達(dá)法線方向，毫米波雷達(dá)輸出為一個目標(biāo)；②將目標(biāo)A和目標(biāo)B的角度分別以0.1°步進(jìn)值朝相反方向?qū)ΨQ遠(yuǎn)離，直到毫米波雷達(dá)輸出為兩個目標(biāo)，記錄此時兩個目標(biāo)與被測雷達(dá)的角度值θd1；③關(guān)閉目標(biāo)模擬器的目標(biāo)輸出，將目標(biāo)A和目標(biāo)B均恢復(fù)至法線方向，再將目標(biāo)A和B的距離設(shè)為D2，重復(fù)步驟②，記錄目標(biāo)A、目標(biāo)B與被測雷達(dá)的角度θd2；④重復(fù)步驟③，共測試N組 （N≥5）數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)。

2.2 速度

毫米波雷達(dá)的速度探測，基于反射信號的頻偏實現(xiàn)，目標(biāo)速度的大小體現(xiàn)在目標(biāo)靠近或遠(yuǎn)離車本體的快慢。速度對毫米波雷達(dá)角度分辨力的影響表現(xiàn)為相同距離、角度、RCS的目標(biāo)，當(dāng)速度不同時測得的角度分辨力不同。

基于不同速度的角度分辨力測試，步驟如下。

1）進(jìn)行步驟①，其中目標(biāo)的速度設(shè)為V1。

2）將目標(biāo)A和目標(biāo)B的角度分別以0.1°步進(jìn)值朝相反方向?qū)ΨQ遠(yuǎn)離，直到毫米波雷達(dá)輸出為兩個目標(biāo)，記錄此時兩個目標(biāo)與被測雷達(dá)的角度值θv1。

3）關(guān)閉目標(biāo)模擬器的目標(biāo)輸出，將目標(biāo)A和目標(biāo)B均恢復(fù)至法線方向，再將目標(biāo)A和B的速度設(shè)為V2，重復(fù)步驟2），記錄目標(biāo)A、目標(biāo)B與被測雷達(dá)的角度θv2。

4）重復(fù)步驟3），共測試N組 （N≥5）數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)。

2.3 角度

目標(biāo)距離的很小變化即可導(dǎo)致距離FFT或多普勒FFT峰值的相位變化，這是毫米波雷達(dá)角度估算的基本原理，而角度準(zhǔn)確度會隨著測量角度的增大，準(zhǔn)確度降低。不同毫米波雷達(dá)的FOV是不同的，毫米波雷達(dá)是否對在不同角度方向上的目標(biāo)具有相同的角度分辨力，需要通過測量確定。

基于不同角度的角度分辨力測試，步驟如下。

1）進(jìn)行步驟①，此時目標(biāo)角度為θ1=0°。

2）將目標(biāo)A和目標(biāo)B的角度分別以0.1°步進(jìn)值朝相反方向?qū)ΨQ遠(yuǎn)離，直到毫米波雷達(dá)輸出為兩個目標(biāo)，記錄此時兩個目標(biāo)與被測雷達(dá)的角度值θJ1。

3）關(guān)閉目標(biāo)模擬器的目標(biāo)輸出，將目標(biāo)A和目標(biāo)B均恢復(fù)至θ2方向，重復(fù)步驟2），記錄目標(biāo)A、目標(biāo)B與被測雷達(dá)的角度θJ2。

4）重復(fù)步驟3），共測試N組 （N≥5）數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)。

2.4 RCS

RCS大小的不同，表現(xiàn)為毫米波雷達(dá)探測目標(biāo)反射截面的大小，對于不同RCS的模擬目標(biāo)，其角度分辨力的測試步驟如下。

1）進(jìn)行步驟①，此時目標(biāo)RCS為Q1。

2）將目標(biāo)A和目標(biāo)B的角度分別以0.1°步進(jìn)值朝相反方向?qū)ΨQ遠(yuǎn)離，直到毫米波雷達(dá)輸出為兩個目標(biāo)，記錄此時兩個目標(biāo)與被測雷達(dá)的角度值θQ1。

3）關(guān)閉目標(biāo)模擬器的目標(biāo)輸出，將目標(biāo)A和目標(biāo)B均恢復(fù)至法線方向，重復(fù)步驟2），再將目標(biāo)A和目標(biāo)B的RCS設(shè)為Q2，記錄目標(biāo)A、目標(biāo)B與被測雷達(dá)的角度θQ2。

4）重復(fù)步驟3），進(jìn)行RCS為0dBsm、10dBsm和20dBsm的測試，并記錄數(shù)據(jù)。

3 雷達(dá)角度分辨力測試結(jié)果展示

3.1 距離

距離對毫米波雷達(dá)角度分辨力影響的測試結(jié)果見表1。

表1 距離對毫米波雷達(dá)角度分辨力影響

表1中毫米波雷達(dá)的角度分辨力為2×θdi，由表1中數(shù)據(jù)可觀察出，在目標(biāo)模擬測試的情況下，角雷達(dá)的角度分辨力隨著距離的增大而減小。

3.2 速度

速度對毫米波雷達(dá)角度分辨力影響的測試結(jié)果見表2。

表2 速度對毫米波雷達(dá)角度分辨力影響

表2中毫米波雷達(dá)的角度分辨力為2×θVi，由表2中數(shù)據(jù)，可觀察出隨著目標(biāo)速度的增大，角度分辨力在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)不規(guī)律變化，且波動幅度不大。

3.3 角度

角度對毫米波雷達(dá)角度分辨力影響的測試結(jié)果見表3。

表3 角度對毫米波雷達(dá)角度分辨力影響

表3中毫米波雷達(dá)的角度分辨力為2×θJi，由表3中數(shù)據(jù)，可觀察出隨著目標(biāo)角度的變化，毫米波雷達(dá)角度分辨力仍在一定范圍內(nèi)波動，即目標(biāo)角度的變化不影響毫米波雷達(dá)角度分辨力的測試結(jié)果。

3.4 RCS

RCS對毫米波雷達(dá)角度分辨力影響的測試結(jié)果見表4。

表4 RCS對毫米波雷達(dá)角度分辨力影響

表4中毫米波雷達(dá)的角度分辨力為2×θQi，由表4中數(shù)據(jù)，可觀察出RCS的變化，不影響毫米波雷達(dá)角度分辨力的測試。

4 結(jié)論

本文從毫米波雷達(dá)目標(biāo)識別性能影響因素入手，在目標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)的仿真試驗條件下，通過對變量及結(jié)果的橫向?qū)Ρ?，分析距離、速度、角度、RCS對毫米波雷達(dá)角度分辨力測試結(jié)果的影響。從上述數(shù)據(jù)可得出距離是毫米波雷達(dá)角度分辨力測試的變量，而速度、角度、RCS對毫米波雷達(dá)的測試基本無影響。毫米波雷達(dá)角度分辨力測試方案可基于此結(jié)論，以不同目標(biāo)距離，分組對毫米波雷達(dá)角度分辨力進(jìn)行測試。而從角度分辨力的計算原理可知，毫米波雷達(dá)的角度分辨力僅與天線個數(shù)有關(guān)，因此雷達(dá)目標(biāo)模擬器的模擬仿真測試、不同型號間毫米波雷達(dá)的性能區(qū)別、仿真測試與真實目標(biāo)的道路試驗之間的測試結(jié)果區(qū)別，仍需進(jìn)一步地研究與探討。