毫米波雷达目标模拟器模拟雷达目标的测试研究

曾 杰，王 戡，胡 雄，游国平

(1.重庆车辆检测研究院有限公司 国家客车质量监督检验中心，重庆 401122；2.汽车主动安全测试技术重庆市工业和信息化重点实验室，重庆 401122)

随着汽车对主动安全性能的需求不断增加，驾驶辅助系统的应用越来越广泛。典型的驾驶辅助系统如自适应巡航、紧急制动、变道辅助等[1-2]，主要依靠毫米波雷达作为环境感知传感器。现阶段驾驶辅助系统的安全性能测试主要依靠场地测试+高里程路试。场地测试使用软体假车、假人、背景车等构成典型的测试场景[3],场地测试的工况不够丰富，且存在测试重复性差、可控性差、灵活性差和成本较高的缺点[4]；高里程的道路测试能有效触发系统功能的场景概率很低，因而测试成本高而且测试效率非常低[5]。

采用软件在环、硬件在环仿真测试手段，将海量基数的测试场景通过软件和硬件加速测试的方式，能够大大提高测试效率、降低测试成本，能够为高级别驾驶辅助系统的感知、决策算法的快速迭代提供技术支撑[6-7]。 毫米波雷达作为驾驶辅助系统重要的传感器，在硬件在环仿真测试方案中主要采用雷达目标模拟器模拟雷达目标，而模拟中虚假目标的出现直接影响硬件在环仿真测试结果。因此，雷达在雷达目标模拟器中的测试对研究雷达硬件在环仿真测试理论具有重要意义。本文拟在这方面开展测试研究，为驾驶辅助系统硬件在环仿真测试方法提供参考。

1 毫米波雷达目标模拟原理

1.1 雷达目标模拟器原理

雷达目标模拟器是毫米波雷达的射频信号在环仿真系统的关键部件，通过射频天线接收端接收雷达信号后，采用距离-傅里叶变换、速度-傅里叶变换算法对该电磁波信号进行时域、频域分析，解析雷达波信号特征，再根据场景软件中雷达模型传递的被模拟目标速度、距离、雷达散射截面RCS(Radar Cross Section)值信息，使用射频信号技术对雷达目标模拟器接收到的雷达波进行回波延时、多普勒频移、信号增益与衰减三项操作，实现雷达目标信号的速度、距离、RCS值的模拟。

雷达目标模拟器主要由信号发射与接受前端、信号调制模块和吸波暗箱组成[8]，组成结构如图1所示。信号发射与接受前端和雷达暗箱内的结构容易造成虚假目标。虚假目标不是雷达目标模拟器模拟的目标，丰富的工程经验和设计制造工艺才能避免虚假目标出现。

图1 雷达目标模拟器目标模拟原理

1.2 雷达目标模拟器模拟目标方程

1.2.1 目标距离和速度模拟

分析连续两束正弦波调制的雷达波信号，若物体保持静止，对采集的时域信号进行傅里叶变换后，则会在其相同的频率f位置出现峰值[9]。雷达目标模拟器模拟距离d的物体计算为式(1)，雷达目标模拟器接收到雷达的电磁波信号后，通过延时发送模拟的物体雷达反射信号，通过发射和接收的时间差计算模拟距离drts。若模拟目标速度为v，则连续两次信号解析的结果存在相位差，结合两束波发射时间间隔Tc，雷达目标模拟器用式(2)可以通过信号的相位差计算模拟目标速度v[8]。

d=dsetup+drts=f·c/(2S)

(1)

v=λ(ω0-ω1)/(4πTc)

(2)

式中：S为信号调制的斜率；c为光速；dsetup为雷达与雷达目标模拟器射频天线之间的距离,为系统初始配置值；λ为雷达波长；ω0为雷达目标模拟器解析雷达信号相位；ω1为雷达目标模拟器回波信号相位。

1.2.2 目标的RCS值模拟

雷达散射截面RCS是指雷达入射方向上单位立体角内返回散射功率与目标截面积的功率密度之比[10]，表征了目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量[11]。RCS值的定义为：

(3)

式中：Es是照射到目标处的入射波的电场强度；Ei是雷达所在处的散射波的电场强度;R0为雷达与目标之间的距离。

雷达目标模拟器主要对信号参数Grts进行增益、衰减，通过改变回波信号功率密度Pr，从而达到模拟不同雷达反射强度目标的RCS值[12]。雷达目标模拟器对雷达回波信号的模拟方程如下：

Pr=PtGtGr(λ/4πR1)4+Grts

(4)

式中：λ为雷达波长；R1为被测雷达与雷达目标模拟器信号收发射频器的距离；Pt为雷达的发射功率；Gt为雷达发射天线增益；Gr为雷达接收天线增益；Grts为雷达目标模拟器对回波信号的功率增益参数。

2 毫米波雷达在雷达目标模拟器上的性能测试

本文测试所采用的方案如图2所示，具有雷达信号的收发装置和信号调制处理终端。

图2 测试方案结构示意图

雷达目标模拟器的主要技术指标有：工作频段76～81 GHz;瞬时带宽≥1 G；模拟RCS值范围-20～30 dBsm；模拟距离范围1.75～300 m;距离模拟精度±0.2 m；距离分辨率10～50 cm;模拟速度范围0～300 km/h ；模拟速度精度±0.2 km/h。

雷达目标模拟器的距离分辨率与模拟目标距离有关，模拟目标距离2～3.5 m的分辨率为50 cm，3.5～30 m的分辨率为25 cm，30 m以上的分辨率为10 cm。被测毫米波雷达为77 GHz的外资品牌雷达，最大探测距离dradar为0.2～250 m，正前方目标距离精度±0.4 m。

测试时雷达目标模拟器的模式分别为静态单目标测试和动态目标移动测试。静态单目标测试指雷达目标模拟器模拟的目标RCS值、速度v、距离d通过单点手动配置，而动态目标移动测试指雷达目标模拟器模拟目标的RCS值自动增益补偿、速度预先设定、距离根据速度和时间计算。

2.1 静态模式性能测试

1) 雷达目标模拟距离d-雷达目标RCS模拟值测试。将雷达目标模拟器的速度v值设置为0 km/h，通过调整雷达目标模拟器的模拟距离d和目标RCS值进行雷达近距离目标识别性能测试。测试结果如图3所示。雷达能检测到目标的最小距离为2.5 m，此时对应的模拟器模拟目标的RCS值为3 dBsm；在70 m时的目标模拟，最小的目标RCS值为-14 dBsm。

图3 静态-近距目标识别测试结果

2) 雷达目标模拟距离d-雷达目标模拟速度v测试。在雷达目标模拟器上首先将雷达目标模拟速度v值设置为0 km/h、模拟距离设置为最近距离2.5 m、模拟目标RCS值设置为30 dBsm，随后逐渐增大模拟速度设置值，直至雷达无法识别雷达目标模拟器模拟的目标为止，测试结果如图4所示。模拟距离2.5 m时能识别到的模拟目标最大移动速度v为22.3 km/h，100 m时能识别到的模拟目标最大移动速度v为32.4 km/h，250 m时能识别到的模拟目标最大移动速度v为54.2 km/h，距离越远可识别速度越高。

图4 速度模拟范围测试

3) 静态模式目标测试精度。在雷达目标模拟器上首先将雷达目标模拟速度v设置为0 km/h、模拟距离d设置为2.5 m、目标RCS值设置为30 dBsm，随后逐渐增大距离设置的值，直至雷达无法识别雷达目标模拟器模拟的目标为止。测试结果如图5所示。模拟距离d较近时，雷达识别的目标距离dradar较雷达目标模拟器模拟距离d小；模拟距离d增大后，雷达识别的目标距离dradar较雷达目标模拟器模拟距离d大。

图5 雷达目标模拟器静态距离精度测试对比

2.2 动态模式目标移动测试

在雷达目标模拟器上首先将雷达目标模拟速度v设置为10 km/h(远离被测雷达)、模拟距离d设置为2.5 m、模拟目标RCS值设置为30 dBsm(自动增益补偿)，随后启动雷达目标模拟器，直至雷达无法识别雷达目标模拟器模拟的目标为止。主要测试了10～100 km/h速度下的雷达对雷达目标模拟器模拟目标识别的精度。测试结果如图6所示。

图6 雷达目标模拟器动态距离精度测试对比

由于雷达识别的目标距离dradar最大为250 m，因此随着速度v增大，测试结果的采样点数量减少。不同速度下被测雷达识别目标的RCS值与距离dradar关系表示如图7所示。在模拟距离d为2.5～50 m的范围内，模拟不同目标速度v的RCS值不同，在近距离模拟速度v为20 km/h以内容易出现虚假目标。虚假目标的RCS值不会随着模拟距离d的改变而改变，且其RCS值的范围主要在-4～+3 dBsm之间。但随着模拟距离d增大，虚假目标消失、目标RCS值也随之增大。目标运动速度越高，雷达对目标距离的识别响应有延迟，造成一定距离误差。

图7 不同速度的雷达识别目标RCS值

2.3 测试结果分析

对比分析毫米波雷达识别的雷达目标模拟器模拟的静态和移动目标的测试结果，可以得到以下结论：

1) 在静态测试模式下，被测雷达识别最近的模拟目标RCS值与距离成反比，雷达目标模拟器模拟最近距离不能覆盖雷达可识别范围。

2) 雷达目标模拟器在低速、近距离模拟目标时，容易出现虚假目标，虚假目标的RCS值比真实目标值小，且主要集中在2.5～50 m的范围内。

3) 由于雷达目标模拟器精度所限，模拟目标存在±0.2 m误差，雷达检测目标同样存在±0.4 m误差，因此理论上计算雷达检测到目标的误差范围为±0.6 m之间，但静态测试和动态测试的误差均超过此范围。

3 结束语

目前，雷达目标模拟器技术能够满足雷达目标速度、RCS值模拟的需求，但需要进一步提升雷达目标模拟器的距离模拟精度。另外，由于目标模拟原理和雷达暗箱的设计原因，在实际应用中应着重消除虚假目标。