高性能毫米波雷達探測性能測試系統(tǒng)研制

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088)

0 引言

高性能毫米波雷達由于具備探測距離遠、探測精度高、環(huán)境適應性強、成本不斷下降等綜合優(yōu)勢，已成為高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的重要組成部分[1]。2020年2月，國家發(fā)改委等11部委聯(lián)合出臺《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，毫米波雷達作為復雜環(huán)境感知的車載高精度傳感器，是必須要突破的關鍵基礎技術，也是必須要增強的產業(yè)核心競爭力。同時，該戰(zhàn)略要求通過完善測試評價技術，構建協(xié)同開發(fā)的智能汽車技術創(chuàng)新體系。

毫米波雷達產品研制涉及天線設計、射頻收發(fā)、信號處理、軟件算法及性能測試等眾多專業(yè)，技術難度大，專業(yè)集成度高[2]。由于其高頻段、大帶寬及低時延等射頻特性，毫米波雷達對產品研發(fā)測試要求較高。雷達功能仿真測試、整機性能臺架測試以及樣機道路測試是毫米波雷達測試的最為重要的“三駕馬車”，其中，整機性能臺架測試作為仿真模擬與實際路測的中間測試環(huán)節(jié)，具有承上啟下的作用。因此如何進行有效精準的功能與性能測試，成為毫米波雷達研制水平的衡量標準之一。在所有整機性能測試項中，探測性能和雷達本身關系最為密切，探測性能的好壞，直接決定了雷達設計指標的實現(xiàn)與否。

1 測試需求分析

探測性能指標是臺架測試的重要內容。臺架測試是指在實驗室或生產線上，通過軟硬件深度結合的方式，將雷達的天線性能、射頻性能、探測性能、天線罩透波性能、抗干擾性能等主要性能指標進行準確呈現(xiàn)與合理判定。簡單來說，探測性能測試系統(tǒng)可通過空饋方式接收被測雷達的發(fā)射信號，分析發(fā)射信號的特征參數，并據此模擬道路目標的雷達回波。測試系統(tǒng)需通過模擬目標的距離、速度、方位角等參數來模擬雷達實際應用環(huán)境，從而實現(xiàn)對雷達整機的探測性能測試[3]。另外，由于測試方式主要是空饋測試，應能模擬無回波和電磁屏蔽的工作環(huán)境，因此要求為暗室測試環(huán)境。具體要求如下：

1)探測指標要求

模擬距離是最大距離不小于300 m，距離精度不超過0.2 m；模擬速度范圍不小于400 km/h，速度精度不超過0.1 km/h；角度覆蓋范圍為±90°，角度步進為0.1°。

2)射頻基礎條件要求

微波暗室：靜區(qū)反射電平要求優(yōu)于-50 dB；工作頻段：24 GHz 及76～81 GHz。其中，方位角覆蓋范圍及角度步進由多軸轉臺的電機控制并實現(xiàn)，采用高精度伺服電機閉環(huán)控制完全可以確保轉臺精度和穩(wěn)定性，因此該角度指標不在該探測系統(tǒng)研究范圍之內。因此，探測指標主要集中在距離、速度及其精度上。

當然，要完成該測試系統(tǒng)并使其真正應用于產品研發(fā)與生產活動，同樣少不了其他方面的設計要求，如測試結構總體設計、多軸轉臺實現(xiàn)、軟件界面設計、防呆設計、測試機柜選型、硬件接線、測試夾具設計、軟件校準、系統(tǒng)自檢、測試可靠性以及人機工程等，本文不一一贅述[4]。

2 方案設計

2.1 探測性能指標實現(xiàn)方案

2.1.1 理論計算

對目標的距離模擬可通過數字射頻存儲器(Digital Radio-Frequency Memory,DRFM)方式實現(xiàn)[5]，固定毫米波汽車雷達天線和模擬器天線，通過對采集的雷達信號進行數字信號延遲處理模擬工作距離變化。由于模擬器存在約300 ns的系統(tǒng)延時，為實現(xiàn)近距離目標的模擬，根據測量信號的周期性，通過將測量信號延遲一個固定的延時T，在此基礎上調整相對時延模擬距離的變化范圍及精度。

距離范圍通過調整模擬器回波延時實現(xiàn)，當目標與雷達距離為d時，回波信號延時δt=2d/c，其中c為光速。根據要求，距離模擬范圍為300 m，距離模擬精度為0.2 m，則對應的時延模擬范圍為T～(T+2 000 ns)。回波特性調制單元的延遲分粗延遲和精延遲兩部分實現(xiàn)。粗延遲的延遲量和步進則由存儲器的時鐘頻率及存儲器的容量來決定。采用FPGA內部存儲結合外部存儲器擴展的方案，共同完成數據存儲任務，可滿足延時300 μs的要求，此時對應障礙物模擬距離為45 km，遠遠滿足最大距離不小于300 m的要求。

通過數據延遲及頻率調整相結合的方式，可實現(xiàn)模擬不同距離及模擬精度。數據延遲實現(xiàn)障礙物距離的粗調，頻率調整實現(xiàn)障礙物距離模擬的精調。根據頻率變化與FMCW信號參數之間的關系，若FMCW信號調頻斜率為k，障礙物距離對應信號延遲量為δt，則障礙物距離對應的頻率變化量δf=k×δt。模擬器可實現(xiàn)數據延遲步進0.65 ns，頻率補償精度0.18 Hz。頻率調整可實現(xiàn)距離模擬精度為(0.18/k)×c,其中c為光速。當FMCW信號重復周期為500 μs，即調頻斜率為 5×1011Hz/s時，求得距離模擬精度為10-4m，滿足障礙物距離模擬精度0.2 m的要求。

2.1.2 方案設計

本方案系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由方位模擬單元、射頻收發(fā)單元、信號處理單元、數據處理單元等部分構成，被測高性能毫米波雷達安裝于多軸轉臺上，接收單元將信號下變頻，經AD采集，根據障礙物參數在數字域進行信號處理，處理后的信號經DAC、上變頻處理后恢復至77 GHz。

圖1 探測性能測試系統(tǒng)工作框圖

其中，射頻接收單元主要完成接收來自毫米波雷達的調頻連續(xù)波信號，并實現(xiàn)對射頻信號的下變頻、濾波。信號處理單元主要完成對數字信號的處理，通過數據處理單元的信息，實現(xiàn)延遲、變頻、多普勒補償等功能。射頻發(fā)射單元主要完成調制后的障礙物模擬回波的發(fā)射，將處理后的數字信號進行數模轉換，并進行上變頻、濾波、輸出功率精確控制等。數字處理單元主要完成對信號處理單元、方位模擬單元等的控制和調整，根據上位機單元輸入的目標障礙物參數，分配模擬相應障礙物的控制數據。方位模擬單元主要完成毫米波雷達天線波束寬度的測試，根據障礙物信息調整毫米波雷達天線波束朝向，從而模擬障礙物的不同方位。上位機主要完成系統(tǒng)狀態(tài)顯示以及測試過程中的人機交互，可供用戶輸入單一測試狀態(tài)或者連續(xù)測試狀態(tài)。

2.1.3 測試驗證

由于雷達測量信號無法直接測量延遲，因此需在中頻范圍進行測量。通過信號源輸出脈沖調制點頻信號，脈沖周期與雷達測量信號周期一致，將調制脈沖接至示波器作為觸發(fā)信號，將信號輸出至中頻輸入接口，將中頻輸出接至示波器另一通道，通過調成模擬距離，根據示波器比較觸發(fā)脈沖與中頻輸出的延時關系即可驗證延時范圍及精度。可通過以下方法測試驗證：由信號源產生單頻脈沖信號直接輸入模擬器的DRFM板，并將調制脈沖輸出接入至示波器，同時將模擬器DRFM板的輸出信號接入示波器。

由于模擬器的其他射頻部分延時固定，因此DRFM板的延時精度及范圍即可認為是模擬器的延時精度和范圍。通過調整模擬器模擬距離，測量輸出信號延時最小變化量；根據信號傳輸距離和時間關系，轉化為模擬距離的精度和范圍。

由表1可以看出，距離模擬精度為0.06 m，模擬范圍為600 m，滿足探測性能測試系統(tǒng)要求的精度不大于0.2 m，最大距離不小于300 m的指標要求。

表1 距離模擬精度、范圍的測試結果

由信號源產生頻率范圍在76～81 GHz范圍內的點頻信號，輸出接至頻譜儀，調整目標模擬速度，即可通過頻譜儀驗證對應頻率變化范圍。由信號源產生77 GHz的單頻脈沖信號輸入模擬器，并將模擬器輸出信號接入頻譜儀；調整模擬器模擬速度，測量輸出信號頻率變化最小變化量；調整模擬器模擬速度至最大，測量輸出信號頻率變化量；根據速度與多普勒頻率之間的關系，轉化為模擬速度的精度和范圍。

由表2可以看出，速度模擬精度為0.007 km/h，速度模擬范圍為700 km/h，滿足探測性能測試系統(tǒng)要求的精度不大于0.1 km/h，最大距離不小于400 km/h的指標要求。

表2 速度模擬精度、范圍的測試結果

2.2 射頻基礎條件實現(xiàn)

2.2.1 暗室屏蔽效能

微波暗室的屏蔽效能是由屏蔽材料、屏蔽部件及安裝工藝多重因素共同作用的結果，選擇合適的材料，滿足要求的屏蔽、濾波和接地措施，通過合理的安裝工藝，可以充分保證暗室的屏蔽效能[6]。微波暗室的核心指標是反射電平，反射電平大小與暗室設計技術、暗室布局、吸收材料性能及源天線的增益有關。遠場天線測試的環(huán)境干擾主要是由暗室墻體、轉臺、源天線支架、受試產品支架等的散射和源天線泄漏引起的。源天線泄漏由鋪設在后墻的吸波材料來解決。墻體是暗室的主體，通過鋪設合適的吸波材料及合理的材料布局，可使墻體的散射降低到允許的范圍。

2.2.2 暗室尺寸計算

對于遠場測量，被測天線與測量探頭的距離必須足夠長，才能滿足天線輻射在平面波區(qū)域[7]。因此，被測天線與測量探頭的距離是決定暗室尺寸的最為關鍵的尺寸。但距離越長，暗室的占地面積越大。需要通過周密計算，盡可能以最小的暗室尺寸，獲得比較理想的測量效果。

表3 不同天線口徑下的最小遠場測量距離

根據以上計算結果，天線暗室的被測件到測量天線探頭間的距離應不小于3.46 m,考慮到被測件安裝轉臺占地空間及測量天線探頭的前伸距離，暗室的長度方向尺寸需延長1.4 m以上；同時弧形滑軌的尺寸決定了暗室的寬度，雷達在垂直方向的波束寬度以及樓層的內部凈高決定了暗室的高度，因此可將暗室尺寸定義為長度5 m，寬度4 m，高度3 m，才能滿足測試要求。

2.2.3 暗室靜區(qū)性能仿真設計

仿真分析計算條件如下：

暗室尺寸：暗室主體5 m×4 m×3 m(L×W×H)；暗室布局：源天線位置距后墻0.5 m，左右居中，距地面1.5 m，測試距離4 m；中心頻點：77 GHz；靜區(qū)尺寸：0.15 m×0.15 m×0.15 m。

根據要求，制作了作為發(fā)射源天線饋源的標準喇叭天線模型，進行其輻射方向圖的仿真，其外形、最大增益及半功率波束寬度如圖2所示。

(a)標準喇叭天線模型

設定收發(fā)天線互耦,暗室吸波材料二次以上反射,轉臺、導軌及模擬器等設備影響不計入，仿真計算結果如圖3所示。

圖3 77 GHz頻段下靜區(qū)電場分布

經仿真分析，77 GHz頻段下暗室靜區(qū)反射電平為-52.76 dB,小于-50 dB，滿足設計指標要求。

3 測試系統(tǒng)擴展應用

高性能毫米波雷達探測性能測試系統(tǒng)既是毫米波雷達產品研發(fā)的重要保障，又是毫米波雷達批量生產不可缺少的核心設備，同時還是提升產品質量的利器。圍繞探測性能測試系統(tǒng)研制過程中關鍵問題，從理論計算、方案設計到測試驗證，分析了基于雷達目標模擬的探測指標實現(xiàn)及驗證方法。從暗室屏蔽效能、暗室尺寸計算到暗室靜區(qū)性能仿真設計，研究了該測試系統(tǒng)射頻基礎條件的形成過程。

1)該測試系統(tǒng)具有較強的擴展性。增加頻譜儀、信號源、示波器及相關射頻組件，可實現(xiàn)對高性能毫米波雷達天線方向圖、增益、波束寬度、副瓣電平等無源天線的指標測試，還可實現(xiàn)頻率、帶寬、調制線性度、相位噪聲、射頻功率等有源雷達的指標測試。若降低配置，將暗室調整為測試暗箱，暗箱尺寸可參照表3，此時該系統(tǒng)即可用于生產測試。

2)該測試系統(tǒng)具有較高的兼容性和靈活性。配置不同的射頻前端，可兼容當前市場較為流行的24 GHz與77 GHz毫米波雷達探測性能測試。在多軸轉臺上加裝獨立控制的擺臂及射頻前端，即可實現(xiàn)雙目標測試。

4 結束語

高性能毫米波雷達性能優(yōu)越，應用范圍廣，同時產品研制難度較高。無論是軍用還是民用毫米波雷達領域，不管在研發(fā)還是批量生產環(huán)節(jié)，均需使用探測性能測試系統(tǒng)。根據《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》要求，探測性能測試系統(tǒng)為完善高性能毫米波雷達測試評價技術，構建協(xié)同開發(fā)的智能汽車技術創(chuàng)新體系提供了有效手段。來源于軍工領域的毫米波雷達探測性能測試技術，結合智能駕駛、安防雷達、智能家居等民用市場需求，不斷進行技術創(chuàng)新，必將為軍工研究所的產業(yè)發(fā)展增加持久動力。