毫米波雷達目標模擬器校驗方法研究

竇汝鵬，武丹丹，吳飛燕

（中汽研汽車檢驗中心 （天津）有限公司，天津 300300）

隨著汽車保有量在世界范圍內與日俱增，汽車安全成為了汽車廠商和各國政府的重點關注問題。據聯合國統計結果顯示，每年在道路交通事故中遇難的人數大約有124萬人之多。另外，交通擁堵也是城市面臨的問題。以中國為例，汽車數量超過100萬的城市有60個以上，在繁忙市區約有75%的道路會出現高峰時段擁堵，并且交通擁堵常常伴隨著環境污染和能源浪費等一系列問題。因此如何提高道路上車輛的主動安全性，降低道路的交通事故發生率，減少道路擁堵，從而實現車輛安全、舒適、節能、高效行駛，已經成為了交通領域亟待解決的難題。智能交通系統的提出給以上問題提出了新的解決方法和解決思路，而作為智能交通系統中最重要的部分，智能網聯汽車必然是當前的研究重點。

智能網聯汽車的發展離不開各零部件的協同工作，包括毫米波雷達、不停車收費系統、車載電子單元、車載通信終端等。這些零部件是智能網聯汽車技術實現的必要手段，其中毫米波雷達由于其低生產成本等特性被視為未來應用范圍最廣的零部件。

毫米波雷達具備了毫米波的傳輸特性，因其高穿透能力、全天候、全天時工作 （極端惡劣天氣除外）的特點，早期被應用于軍事領域。隨著國內雷達技術的發展，毫米波雷達傳感器開始廣泛應用于汽車電子領域。毫米波雷達的主要功能就是測距、測速、測向定位，即發現目標并測定目標的空間位置，包括目標的距離、速度和方向角度。

各國車載毫米波雷達產品主要集中在24GHz和77GHz［1］，79GHz雷達尚在研發中，幾乎無批量生產。無論是產品投放市場前的檢驗，還是作為研發過程中的輔助，毫米波雷達相關的測試項目都是不可避免的。同樣，對毫米波雷達測試設備進行的校驗也是保證毫米波雷達可靠性的重要一環。因此本文將基于毫米波雷達的目標識別性能測試項目，提出對目標模擬器的校驗方法。

1 雷達目標模擬器

毫米波雷達目標模擬器由天線、控制器、控制軟件等構成，用于模擬毫米波雷達的探測目標來實現對毫米波雷達目標識別性能的測試。作為ARTS雷達測試設備的一個模塊，目標模擬器的工作電壓是220V，載波頻率是75~82GHz，要求輸出距離、速度目標參數的精度應高于76~77GHz毫米波雷達的探測精度，因此車載雷達目標模擬器穩定輸出的近中遠3組距離數據的標準差應小于和慢中快3組速度數據應小于n為采集數據次數，D為毫米波雷達距離精度，V為毫米波雷達速度精度。

另外，如圖1所示，該雷達測試設備還包括：頻譜分析儀、示波器、雷達測試暗箱、干擾信號發生器、電源模塊和計算機。頻譜分析儀的頻率范圍為2Hz～85GHz，分析帶寬為5GHz，用以實現雷達信號的頻譜和波形分析。干擾信號發生器可產生任何頻率高達80GHz、帶寬2GHz的干擾信號，輔助測量雷達的抗干擾性能。計算機用于結果顯示及報告生成。

圖1 雷達測試設備外觀圖

2 雷達目標識別測試項目

根據目標模擬器能夠模擬的目標個數，可以將毫米波雷達目標識別性能測試項目分為單目標測試和多目標測試。

2.1 單目標測試

單目標測試項目包括單個目標的距離信息、速度信息和角度信息。由毫米波雷達目標模擬器模擬單個目標的距離、速度，并通過天線位置或毫米波雷達轉臺位置調整，實現對單個目標角度的設定。根據距離、速度、角度及RCS（目標物反射截面）大小不同組合進行測試，每個測試項測試有效數據不少于8組，并對數據是否符合目標 （距離、速度、角度）精度要求進行篩選，單目標測試推薦測試項見表1。

表1 單目標測試推薦測試項

2.1.1 距離識別精確度

距離識別精確度測試可通過軟件進行自動化測試，首先為目標模擬器設置合適的RCS值，然后為待測雷達與目標模擬器設置多組不同的探測距離值，基于控制變量法通過比較探測距離變化時待測雷達實際測到的距離與預設值之間的差別，來確定待測雷達的距離識別精確度。如圖2所示。

圖2 距離精確度的目標模擬測試示意圖

2.1.2 速度精確度

速度精確度測試可通過軟件進行自動化測試，首先為目標模擬器設置合適的RCS值，并與待測雷達保持一定的距離，然后為目標模擬器設置多組不同的速度，通過比較探測速度變化時待測雷達實際測到的速度與預設值之間的差別，來確定待測雷達的速度精確度。

2.1.3 方位角精確度

方位角精確度測試通過雷達固定底座的旋轉來確定預設角度，首先為目標模擬器設置合適的RCS值并與待測雷達保持一定的距離，目標模擬器本身的速度設置為0km/h。通過保持以上變量不變，而只改變預設角度來比較待測雷達實際測得的方位角信息與預設角度之間的差值，從而評估待測雷達的方位角精確度。如圖3所示。

圖3 方位角精確度的目標模擬測試示意圖

2.2 多目標測試

多目標測試項目包括距離分辨力和角度分辨力。由毫米波雷達目標模擬器模擬兩個目標的距離、速度，并通過兩個目標對應的兩個發射天線的位置調整，實現對兩目標相對于毫米波雷達角度的調整。根據兩目標分別對相同距離、角度的分離操作，測試待測毫米波雷達的距離分辨力和角度分辨力。

2.2.1 距離分辨力

距離分辨力的測試基于目標模擬器在待測毫米波雷達正前方模擬出兩個目標。為這兩個目標物設置合適的RCS值并與待測雷達保持相對速度為0km/h的運動。測試過程中，首先為兩個目標與毫米波雷達保持一定的距離，然后保持一個目標不動，逐漸改變另外一個目標與雷達之間的距離，來測試雷達的距離分辨力。如圖4所示。

圖4 距離分辨率的目標模擬測試示意圖

2.2.2 方位角分辨力

方位角分辨力的測試基于目標模擬器在待測雷達正前方模擬出一個目標，同時模擬出與第一個目標車身縱向成0°角的第二個目標。為兩個目標物設置合適的RCS值，同時保持與待測雷達之間相同的距離，及相對待測雷達具有相同的移動速度。測試過程中，使其中一個目標與雷達之間的距離固定，將另外一個目標通過固定底座進行旋轉，即在改變兩個目標之間的相對角度來測試雷達的方位角分辨力。如圖5所示。

圖5 方位角分辨率的目標模擬測試示意圖

3 雷達目標模擬器的校驗

車載雷達目標模擬器［2］可以模擬目標距離、速度，并通過天線方向角的轉動，實現對角度的模擬。為了保證其正常使用以及測量結果精確可靠，應按規定的校驗周期對車載雷達目標模擬器進行校驗，角度準確度的校驗是對天線轉動機構的機械校準，而距離分辨力、速度分辨力和角度分辨力分別是在距離準確度、速度準確度和角度準確度的基礎上測試，因此對車載雷達目標模擬器的校驗主要是對目標距離、速度的核查。

3.1 校驗基本要求

校驗的測試結果必須滿足目標模擬器測試精度要求，見章節1的近中遠和慢中快3組數據要求。若校驗結果不滿足測試精度要求或校驗過程中遇到異常數據 （與前期同類數據標準差超過限值），需重新校驗 （按照首次核查時間要求進行），如還達不到要求，則應立即停止使用，貼上停用標記，上報核查結果。

如果校驗過程發生異常情況，應立即關掉電源，并采取相應措施。同時，目標模擬器必須進行周期性校驗，首次核查時，數據采集間隔為一天，持續時間不短于1個月。再次核查時，數據采集間隔為一月，持續時間為1年。

3.2 距離準確度的校驗

校驗步驟如下。

1）將試驗室自備樣品安裝在轉臺上。

2）設定車載雷達目標模擬器上的距離參數，由于該目標模擬器76~77GHz具備兩通道目標模擬，先使用其中一個通道。

3）將該通道距離參數分別固定在20m、60m和120m，每隔1min記錄一個距離數據，記錄總次數不少于6次。

4）變換車載雷達目標模擬器的目標模擬工作通道，重復步驟3）。

5）每隔一定時間循環步驟1）~步驟4）。

6）對應每一個距離，求取所有記錄數據的標準差，并制作距離曲線。

3.3 速度準確度的校驗

校驗步驟如下。

1）將試驗室自備樣品安裝在轉臺上。

2）設定車載雷達目標模擬器上的距離在60m，由于該目標模擬器76~77GHz具備兩通道目標模擬，先使用其中一個通道。

3）將該通道速度參數分別固定在5km/h、60km/h和120km/h，每隔1min記錄一個速度數據，記錄總次數不少于6次。

4）變換車載雷達目標模擬器的目標模擬工作通道，重復步驟3）。

5）每隔一定時間循環步驟1）~步驟4）。

6）對應每一個速度，求取所有數據的標準差，并制作距離曲線。

4 校驗結果展示

本文以77GHz雷達為例進行測試，展示結果包括目標模擬器的距離精確度測試結果及速度精確度測試結果。

4.1 距離精確度測試結果

為目標模擬器依次設定近中遠3類探測距離，即20m，60m，120m，由77GHz毫米波雷達進行目標識別，連續測試45天，測試結果如圖6所示，標準差分別為：1.15m、3.02m、7.43m，對應限值分別為：7.25m、7.25m、14.49m，目標模擬器距離輸出合格。

4.2 速度精確度測試結果

為目標模擬器依次設定大中小3類探測速度，即5km/h（1.39m/s），60km/h（13.89m/s），120km/h（33.89m/s），由77GHz毫米波雷達進行目標識別，連續測試45天，測試結果如圖7所示，標準差分別為0.07m/s、0.00m/s、0.03m/s，對應限值均為3.48m/s，目標模擬器速度輸出合格。

圖6 探測距離分別為20m、60m、120m時的測試結果

圖7 探測速度分別為5km/h、60km/h、120km/h時的測試結果

5 結論

本文從毫米波雷達的目標識別測試項目入手，介紹了毫米波雷達目標模擬器的校驗方法，并基于多組數據對該方法進行有效性驗證，充分證明了本文提出的校驗方法可以詳細且有效地對毫米波雷達目標模擬器進行核查，但在該核查中如何保證目標識別端性能的穩定性仍需進一步研究。