毫米波雷達研究現狀及其測試項目

郭 蓬， 郭劍銳， 戎 輝， 唐風敏， 王文揚， 王夢丹

（1.天津大學，天津 300072；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300；3.河北工業大學，天津 300222）

雷達的探測原理是發射電磁波，經由目標會產生反射回波，雷達再接收其回波，通過分析發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［1］。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，其穿透雜質的能力也越強，但在傳播介質中能量的衰減也越大。另外，由于波長很短，則發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［2］。

ADAS中應用了各種傳感器，如超聲波雷達、毫米波雷達、lidar、camera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。隨著智能網聯的迅速發展，ADAS不再局限在高端車市場，而逐漸開發其中低端的市場，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 國內外關于毫米波雷達的研究現狀

1.1 國外毫米波雷達研究現狀

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發展，直到80年代后期，歐洲在“歐洲高效安全交通系統計劃”指引下再次啟動車載毫米波雷達的研究方案［3］。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，可實現更高階的主動安全能力，但還只是處于研究開發階段，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是國外主流生產廠商所占市場份額。

圖1 國外主流生產廠商所占市場份額

1.2 國內毫米波雷達發展現狀

相較于國外，國內毫米波雷達的研發正處于方興未艾的階段。傳統的24 GHz的毫米波雷達已有不少企業研制成功，且已形成市場化產品，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系統的研究剛處于起步階段，24 GHz雷達近幾年內在國內仍舊有不錯的市場，但對于77 GHz毫米波雷達的研究，國內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。

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）和調頻連續波方式 （FMCW）［4］，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發射大功率的信號脈沖，硬件結構復雜、成本高，同時脈沖雷達的收發天線是共用的，所以會存在探測盲區。而調頻連續波方式，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天線是隔離的，所以不存在探測盲區，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 調頻連續波工作方式 （FMCW）

對于調頻連續波的工作方式，其發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——信號發射周期；Δf——調頻帶寬；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

不論對于將來實現自動駕駛，還是現如今ADAS系統，其所需的毫米波雷達技術正在不斷發展和完善，而雷達從優化到大量生產，以及安裝校準，都需要對雷達性能進行規范化、標準化的檢測及診斷，實現對毫米波雷達的發射機性能、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。由于雷達本身結構的原因，雷達的接收分析測試必須基于發射機的信號進行反射，監測其對單目標、多目標，靜態、動態目標的響應，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［5］。所測項目如表1所示。

當前，主流的雷達測試供應商主要有羅德與施瓦茨（R&S）、dSPACE、東揚精測系統等。其中R&S更為側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的功能節點的測試。

2.2.2 功能測試

目前根據毫米波雷達開發的功能節點主要有：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PDS。

對于功能測試就是驗證毫米波雷達模塊是否能實現根據其開發的功能節點，驗證其功能最好的方法當然是能夠將實裝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［6］。另一方面，必須通過實施適當的措施來避免不理想的雷達折射。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，用于現實地使用同步閉環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，通過接收雷達的發射波，通過分析其信號，模擬發送回波給雷達，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劣性主要是體現在模擬器的帶寬大小、測試最短和最遠距離、以及模擬目標數量的多少。

表1 性能測試項目

當前，在室內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鼓功能單一，無法實現轉向和模擬車體姿態的改變，故無法進行。值得一提的是，目前日本正在研發一款測功機，是可實現轉向的轉鼓，但目前無法模擬車身姿態的變化，如果將來能加上模擬車身姿態的功能，則就能進行室內的整車級雷達功能測試。

3 結論

隨著智能網聯的迅速發展，ADAS不再局限于高端車市場，而逐漸開發其中低端的市場，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這些功能做一系列的測試檢驗。