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毫米波雷达研究现状及其测试项目

2019-02-19 13:11:15·  来源：MEMS  作者：郭蓬 郭剑锐 戎辉 唐风敏 王文扬 王梦丹  
　
雷达的探测原理是发射电磁波，经由目标会产生反射回波，雷达再接收其回波，通过分析发射波与回波的对比处理，进而获取目标的信息，如距离、速度和角度。当雷达发
雷达的探测原理是发射电磁波，经由目标会产生反射回波，雷达再接收其回波，通过分析发射波与回波的对比处理，进而获取目标的信息，如距离、速度和角度。当雷达发射的电磁波的频率在毫米波波段时，即30~300 GHz，则称之为毫米波雷达。对于电磁波而言，30~300 GHz是极高频的波段，频率越高则其波长越短，而波长越短越趋近于直线传播，其穿透杂质的能力也越强，但在传播介质中能量的衰减也越大。另外，由于波长很短，则发射天线尺寸可以做得很小，从而雷达的模块尺寸就能相对的很小。
 
高级驾驶辅助系统（ADAS）中应用了各种传感器，如超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达（LiDAR）、摄像头等，其中毫米波雷达是唯一受气候影响最小的，具有全天候特性，这是其他传感器所不具备的。随着智能网联的迅速发展，ADAS不再局限在高端车市场，而逐渐开发其中低端的市场，相信在不久的将来，在所有汽车上实装ADAS系统是大势所趋，故对其所包含的传感器的研究与测试是必不可少的，尤其是毫米波雷达。
1 国内外关于毫米波雷达的研究现状
 
1.1 国外毫米波雷达研究现状
毫米波雷达开始研制是在20世纪40年代，最开始的应用是在船用导航上，由于其功率低和传输损耗大，发展受到了很大的限制。70年代中期，德国的AEG-Telefunken和Bosch公司开始注资研究毫米波雷达在汽车上的防撞应用技术，由于成本昂贵没有后续发展，直到80年代后期，欧洲在“欧洲高效安全交通系统计划”指引下再次启动车载毫米波雷达的研究方案。
 
车载毫米波雷达所用频率是24 GHz、77 GHz、79 GHz，严格意义上来说24 GHz不算是毫米波频率段，但24 GHz的波长接近10 mm，故也将其归类为毫米波雷达，且24 GHz的毫米波雷达是最早被使用的，目前，车载24 GHz雷达主要是用于100 m以内的中短距离探测功能，如变道辅助LCA、盲点检测BSD等。
相较于24 GHz，77 GHz受到政策上的支持，世界主流频段得到统一，再者，77 GHz频率更高所拥有的带宽更大，故其分辨率更高，抗干扰更强，因此车载77 GHz雷达主要实现的是远距离探测目标。而对于频率更高的79 GHz的毫米波雷达而言，其具有UWB高距离分辨率等特征，有点云成像的探测能力，可实现更高阶的主动安全能力，但还只是处于研究开发阶段，技术还不成熟。
 
目前，毫米波雷达的关键技术主要掌握在Autoliv、Bosch、Continental、Delphi、Hella等传统零部件巨头手中，特别是今后的主流77 GHz毫米波雷达，被Bosch、Continental、Delphi、TRW、Fujitsu-ten等公司所垄断。图1是国外主流生产厂商所占市场份额。
图1 国外主流生产厂商所占市场份额
 
1.2 国内毫米波雷达发展现状
相较于国外，国内毫米波雷达的研发正处于方兴未艾的阶段。传统的24 GHz的毫米波雷达已有不少企业研制成功，且已形成市场化产品，如杭州智波科技有限公司、厦门意行半导体、华域汽车。由于中国汽车ADAS系统的研究刚处于起步阶段，24 GHz雷达近几年内在国内仍旧有不错的市场，但对于77 GHz毫米波雷达的研究，国内厂商还是处于技术探索阶段，其中较好的公司，如北京行易道研制的77 GHz雷达已经实装在北汽无人驾驶汽车上；南京隼眼科技在2016年下半年推出77 GHz雷达样机，计划18~24个月后形成量产。
 
2 毫米波雷达的原理及测试
2.1 毫米波雷达的探测原理
雷达的工作方式主要分两种：脉冲方式（Pulsed）和调频连续波方式（FMCW），如图2、图3所示。
图2 脉冲工作方式（Pulsed脉冲方式，如图2所示，需要在极短的时间内发射大功率的信号脉冲，硬件结构复杂、成本高，同时脉冲雷达的收发天线是共用的，所以会存在探测盲区。而调频连续波方式，如图3所示，则不需要那么大的瞬时功率，且硬件尺寸小、成本低廉，同时因为这种方式的雷达收发天线是隔离的，所以不存在探测盲区，适用于汽车的探测需求，因此大部分的车载毫米波雷达采用FMCW方式。
图3 调频连续波工作方式（FMCW）
 
对于调频连续波的工作方式，其发射波的频率是不断变化的，但频率的变化率是一定的，因此雷达主要通过对发射信号和反射回波信号做互相关，检测出其间的差拍频率fb和多普勒频移fd，从而代入公式得出距离和速度。距离和速度公式如下：
式中：S-距离；v-速度；c-光速；T-信号发射周期；Δf-调频带宽；fb-差拍频率；λ-信号波长；fd-多普勒频移。

2.2 毫米波雷达的测试
不论对于将来实现自动驾驶，还是现如今ADAS系统，其所需的毫米波雷达技术正在不断发展和完善，而雷达从优化到大量生产，以及安装校准，都需要对雷达性能进行规范化、标准化的检测及诊断，实现对毫米波雷达的发射机性能、回波接收性能以及抗扰能力的测试。毫米波雷达的测试主要是从两方面进行的：射频信号的性能测试和功能测试。

2.2.1 射频信号的性能测试
雷达整体模块需要对其识别的关键参数进行综合的评定，主要包括了雷达探测距离的分辨率和精度，以及径向速度分辨率和精度。由于雷达本身结构的原因，雷达的接收分析测试必须基于发射机的信号进行反射，监测其对单目标、多目标，静态、动态目标的响应，以及其距离、速度、角度的分辨能力。另外，还得考虑各种干扰信号的存在对雷达信号的影响。所测项目如表1所示。
 
表1 性能测试项目
当前，主流的雷达测试供应商主要有罗德与施瓦茨（R&S）、dSPACE、东扬精测系统等。其中R&S更为侧重偏射频和模块的基本性能测试，而dSPACE则是更关注毫米波雷达开发的功能节点的测试。
 
2.2.2 功能测试
 
目前根据毫米波雷达开发的功能节点主要有：自适应巡航ACC、自动紧急制动AEB、前向碰撞预警FCW、变道辅助LCA、盲点检测BSD、行人检测系统PDS。
对于功能测试就是验证毫米波雷达模块是否能实现根据其开发的功能节点，验证其功能最好的方法当然是能够将实装雷达的汽车在户外场地实行路测，但如此的测试，所花费的费用多不说，其测试过程中各种场景是不可控的，同时也无法模拟出各种想要测试的场景，故最好是能在实验室中利用PRESCAN或CARMAKER软件仿真各种场景来进行测试。为了能够在实验室里进行实际和可重复的测试，必须考虑到各种因素。
 
一方面，雷达传感器必须受到产生的雷达回波的刺激，从而模拟出实际不同的距离、相对速度和方位角的目标，如车辆或行人。
另一方面，必须通过实施适当的措施来避免不理想的雷达折射。为了能够在实验室里进行实际和可重复的测试，需要搭建一个雷达测试台，用于现实地使用同步闭环hil测试基于雷达的车辆功能。
 
在雷达测试台中，关键的仪器便是雷达目标模拟器，通过接收雷达的发射波，通过分析其信号，模拟发送回波给雷达，以此来模拟出一个或多个虚拟目标的距离、速度、角度。各家测试供应商的模拟器的优劣性主要是体现在模拟器的带宽大小、测试最短和最远距离、以及模拟目标数量的多少。
 
当前，在室内毫米波雷达功能测试只限于雷达模块的HIL测试，而对于整车级雷达功能测试由于转鼓功能单一，无法实现转向和模拟车体姿态的改变，故无法进行。值得一提的是，目前日本正在研发一款测功机，是可实现转向的转鼓，但目前无法模拟车身姿态的变化，如果将来能加上模拟车身姿态的功能，则就能进行室内的整车级雷达功能测试。
 
3 结论
随着智能网联的迅速发展，ADAS不再局限于高端车市场，而逐渐开发其中低端的市场，这不仅提高了汽车的驾驶舒适性，同时也为汽车的主动安全提供了保障，因为涉及到汽车的安全，尤其是自动紧急制动AEB，故必须对毫米波雷达是否能准确实现这些功能做一系列的测试检验。 
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