來(lái)源：《客車技術(shù)與研究》
作者： 重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司 國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心
曾 杰 , 王 戡 , 胡 雄

引言：介紹雷達(dá)目標(biāo)模擬器的原理,對(duì)毫米波雷達(dá)在雷達(dá)目標(biāo)模擬器上的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別能力進(jìn)行測(cè)試,分析雷達(dá)目標(biāo)模擬器存在的不足,為雷達(dá)目標(biāo)模擬器的應(yīng)用提供參考。

隨著汽車對(duì)主動(dòng)安全性能的需求不斷增加, 駕駛輔助系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。典型的駕駛輔助系統(tǒng)如自適應(yīng)巡航、緊急制動(dòng)、變道輔助等 , 主要依靠毫米波雷達(dá)作為環(huán)境感知傳感器?，F(xiàn)階段駕駛輔助系統(tǒng)的安全性能測(cè)試主要依靠場(chǎng)地測(cè)試+高里程路試。

場(chǎng)地測(cè)試使用軟體假車、假人、背景車等構(gòu)成典型的測(cè)試場(chǎng)景, 場(chǎng)地測(cè)試的工況不夠豐富, 且存在測(cè)試重復(fù)性差、可控性差、靈活性差和成本較高的缺點(diǎn);高里程的道路測(cè)試能有效觸發(fā)系統(tǒng)功能的場(chǎng)景概率很低,因而測(cè)試成本高而且測(cè)試效率非常低。

采用軟件在環(huán)、硬件在環(huán)仿真測(cè)試手段, 將海量基數(shù)的測(cè)試場(chǎng)景通過(guò)軟件和硬件加速測(cè)試的方式, 能夠大大提高測(cè)試效率、降低測(cè)試成本, 能夠?yàn)楦呒?jí)別駕駛輔助系統(tǒng)的感知、決策算法的快速迭代提供技術(shù)支撐 。

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(cè)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(cè)試結(jié)果。

因此,雷達(dá)在雷達(dá)目標(biāo)模擬器中的測(cè)試對(duì)研究雷達(dá)硬件在環(huán)仿真測(cè)試?yán)碚摼哂兄匾饬x。本文擬在這方面開(kāi)展測(cè)試研究, 為駕駛輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測(cè)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(hào)在環(huán)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,通過(guò)射頻天線接收端接收雷達(dá)信號(hào)后,采用距離-傅里葉變換、速度-傅里葉變換算法對(duì)該電磁波信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析, 解析雷達(dá)波信號(hào)特征。

再根據(jù)場(chǎng)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(hào)技術(shù)對(duì)雷達(dá)目標(biāo)模擬器接收到的雷達(dá)波進(jìn)行回波延時(shí)、多普勒頻移、信號(hào)增益與衰減三項(xiàng)操作, 實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目 標(biāo)信號(hào)的速度、距離、RCS 值的模擬。

雷達(dá)目標(biāo)模擬器主要由信號(hào)發(fā)射與接受前端、信號(hào)調(diào)制模塊和吸波暗箱組成 , 組成結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。信號(hào)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)。



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(hào), 若物體保持靜止,對(duì)采集的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后, 則會(huì)在其相同的頻率 f位置出現(xiàn)峰值 。

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(hào)后,通過(guò)延時(shí)發(fā)送模擬的物體雷達(dá)反射信號(hào),通過(guò)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算模擬距離 d rts 。

若模擬目標(biāo)速度為 v,則連續(xù)兩次信號(hào)解析的結(jié)果存在相位差, 結(jié)合兩束波發(fā)射時(shí)間間隔 T c ,雷達(dá)目標(biāo)模擬器用式(2) 可以通過(guò)信號(hào)的相位差計(jì)算模擬目標(biāo)速度 v



式中:S 為信號(hào)調(diào)制的斜率; c 為光速;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;為雷達(dá)波長(zhǎng),為雷達(dá)目標(biāo)模擬器解析雷達(dá)信號(hào)相位;為雷達(dá)目標(biāo)模擬器回波信號(hào)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,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 。RCS 值的定義為:



式中:E s 是照射到目標(biāo)處的入射波的電場(chǎng)強(qiáng)度; E i 是雷達(dá)所在處的散射波的電場(chǎng)強(qiáng)度; R 0 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(duì)信號(hào)參數(shù) G rts 進(jìn)行增益、衰減,通過(guò)改變回波信號(hào)功率密度 P r , 從而達(dá)到模擬不同雷達(dá)反射強(qiáng)度目標(biāo)的 RCS 值 。雷達(dá)目標(biāo)模擬器對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的模擬方程如下:


式中:為雷達(dá)波長(zhǎng); R 1 為被測(cè)雷達(dá)與雷達(dá)目標(biāo)模擬器信號(hào)收發(fā)射頻器的距離; P t 為雷達(dá)的發(fā)射功率; G t為雷達(dá)發(fā)射天線增益;G r 為雷達(dá)接收天線增益; G rts 為雷達(dá)目標(biāo)模擬器對(duì)回波信號(hào)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(cè)試

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




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(shí)帶寬逸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 10cm。被測(cè)毫米波雷達(dá)為 77 GHz 的外資品牌雷達(dá), 最大探測(cè)距離 d radar 為 0. 2 ~ 250 m, 正前方目標(biāo)距離精度0. 4 m。

測(cè)試時(shí)雷達(dá)目 標(biāo)模擬器的模式分別為靜態(tài)單目標(biāo)測(cè)試和動(dòng)態(tài)目標(biāo)移動(dòng)測(cè)試。靜態(tài)單目標(biāo)測(cè)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(guò)單點(diǎn)手動(dòng)配置,而動(dòng)態(tài)目標(biāo)移動(dòng)測(cè)試指雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)的 RCS 值自 動(dòng)增益補(bǔ)償、速度預(yù)先設(shè)定、距離根據(jù)速度和時(shí)間計(jì)算。

2.1   靜態(tài)模式性能測(cè)試

1) 雷達(dá)目標(biāo)模擬距離 d-雷達(dá)目 標(biāo) RCS 模擬值測(cè)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(guò)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(shí)別性能測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果如圖 3 所示。雷達(dá)能檢測(cè)到目標(biāo)的最小距離為 2. 5 m,此時(shí)對(duì)應(yīng)的模擬器模擬目標(biāo)的 RCS 值為 3 dBsm; 在70 m 時(shí)的目標(biāo)模擬,最小的目標(biāo) RCS 值為-14 dBsm。



2) 雷達(dá)目標(biāo)模擬距離 d-雷達(dá)目標(biāo)模擬速度 v 測(cè)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(wú)法識(shí)別雷達(dá)目 標(biāo)模擬器模擬的目標(biāo)為止, 測(cè)試結(jié)果如圖 4 所示。

模擬距離 2. 5 m時(shí)能識(shí)別到的模擬目標(biāo)最大移動(dòng)速度 v 為22.3 km/h,100 m 時(shí)能識(shí)別到的模擬目 標(biāo)最大移動(dòng)速度 v 為32. 4 km/h, 250 m 時(shí)能識(shí)別到的模擬目標(biāo)最大移動(dòng)速度 v 為 54.2 km/h,距離越遠(yuǎn)可識(shí)別速度越高。



3) 靜態(tài)模式目標(biāo)測(cè)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(wú)法識(shí)別雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬的目標(biāo)為止。

測(cè)試結(jié)果如圖 5所示。模擬距離 d 較近時(shí), 雷達(dá)識(shí)別的目標(biāo)距離d radar 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(shí)別的目標(biāo)距離 d radar 較雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬距離 d 大。




2.2  動(dòng)態(tài)模式目標(biāo)移動(dòng)測(cè)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(cè)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(dòng)增益補(bǔ)償)。

隨后啟動(dòng)雷達(dá)目標(biāo)模擬器,直至雷達(dá)無(wú)法識(shí)別雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬的目標(biāo)為止。主要測(cè)試了 10~100 km/h 速度下的雷達(dá)對(duì)雷達(dá)目 標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)識(shí)別的精度。測(cè)試結(jié)果如圖 6 所示。




由于雷達(dá)識(shí)別的目標(biāo)距離 d radar 最大為 250 m, 因此隨著速度 v 增大, 測(cè)試結(jié)果的采樣點(diǎn)數(shù)量減少。不同速度下被測(cè)雷達(dá)識(shí)別目 標(biāo)的 RCS 值與距離 d radar 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(huì)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(dòng)速度越高,雷達(dá)對(duì)目標(biāo)距離的識(shí)別響應(yīng)有延遲,造成一定距離誤差。




2. 3  測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)比分析毫米波雷達(dá)識(shí)別的雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬的靜態(tài)和移動(dòng)目標(biāo)的測(cè)試結(jié)果,可以得到以下結(jié)論:

1) 在靜態(tài)測(cè)試模式下, 被測(cè)雷達(dá)識(shí)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(shí)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(shí),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)存在圖片0. 2 m 誤差, 雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)同樣存在圖片0. 4 m 誤差,因此理論上計(jì)算雷達(dá)檢測(cè)到目標(biāo)的誤差范圍為圖片0. 6 m之間,但靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試的誤差均超過(guò)此范圍。

3  結(jié)束語(yǔ)

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)。