泰克汽車毫米波雷達(dá)測(cè)試解決方案

作者：泰克科技高級(jí)應(yīng)用工程師 蘇水金

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及人們生活水平的顯著提高，汽車消費(fèi)每年都在快速增長(zhǎng)，汽車保有量迅速增加，交通事故也急劇上升，汽車安全問題被普遍關(guān)注。汽車防撞系統(tǒng)能夠?qū)Υ蠹s65%的交通事故發(fā)生起到阻止作用。同樣在高端汽車領(lǐng)域，人們?cè)絹碓娇释呖萍紟淼陌踩c便捷，結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車自主智能巡航、輔助泊車、汽車防撞雷達(dá)等各種系統(tǒng)已經(jīng)改變了人們對(duì)傳統(tǒng)汽車電子的認(rèn)識(shí)。毫米波雷達(dá)因其探測(cè)精度高，硬件體積小，受天氣環(huán)境的影響小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。越來越多的車輛采用一個(gè)或者多個(gè)毫米波雷達(dá)來輔助駕駛員的駕駛操作，以提高駕駛的舒適性和安全性，避免交通事故的發(fā)生。

毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛多種功能，ADAS采用的傳感器主要有攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光、超聲波、紅外等。毫米波雷達(dá)傳輸距離遠(yuǎn)，在傳輸窗口內(nèi)大氣衰減和損耗低，穿透性強(qiáng)，可以滿足車輛對(duì)全天氣候的適應(yīng)性的要求，并且毫米波本身的特性，決定了毫米波雷達(dá)傳感器器件尺寸小、重量輕等特性。很好的彌補(bǔ)了攝像頭、激光、超聲波、紅外等其他傳感器，在車載應(yīng)用中所不具備的使用場(chǎng)景。把毫米波雷達(dá)安裝在汽車上，可以測(cè)量從雷達(dá)到被測(cè)物體之間的距離、角度和相對(duì)速度等。利用毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航控制（ACC）、前向防撞報(bào)警（FCW）、盲點(diǎn)檢測(cè)（BSD）、輔助停車、輔助變道等高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能。比較常見的汽車毫米波雷達(dá)工作頻率在76GH-81GHz范圍。

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汽車毫米波雷達(dá)的工作原理

汽車防撞雷達(dá)主要有超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等類型。不同雷達(dá)類型的工作原理不一樣，其性能和特點(diǎn)也各有優(yōu)缺點(diǎn)，不同的雷達(dá)可以用于實(shí)現(xiàn)不同的功能。

毫米波雷達(dá)是ADAS系統(tǒng)的主要傳感器，毫米波雷達(dá)頻率范圍30GHz-300GHz，波長(zhǎng)從1mm-10mm，毫米波雷達(dá)測(cè)距可達(dá)200多米，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有無檢測(cè)、測(cè)距、測(cè)速以及方位測(cè)量。同時(shí)，毫米波雷達(dá)能夠穿過光照、降雨、揚(yáng)塵、大霧等來準(zhǔn)確探測(cè)物體，可全天候工作。

汽車?yán)走_(dá)作為駕駛員輔助系統(tǒng)的核心傳感器（檢測(cè)距離、速度）；遠(yuǎn)距離雷達(dá)（LRR）是用來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航（ACC），中距離雷達(dá)（MRR）用來實(shí)現(xiàn)側(cè)向來車報(bào)警和車道變道輔助，近距離雷達(dá)（SRR）則是用來實(shí)現(xiàn)停車輔助、障礙和行人檢測(cè)。

77GHz汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)屬于目前國(guó)內(nèi)外各大汽車公司研究和設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)，相比于激光車載雷達(dá)、紅外線車載雷達(dá)以及其他低頻段的毫米波車載雷達(dá)而言，77GHz汽車?yán)走_(dá)可利用的頻譜范圍寬、信息容量大、分辨率高、多普勒頻移大、測(cè)速靈敏度高、抗干擾能力及穿透等離子體的能力強(qiáng)，并且容易實(shí)現(xiàn)天線的窄波束和高增益等。

毫米波帶寬大、分辨率高、天線部件尺寸小，能適應(yīng)惡劣環(huán)境。毫米波雷達(dá)中目前使用最廣泛的是調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）的特殊毫米波技術(shù)。具體指，雷達(dá)連續(xù)發(fā)射FMCW調(diào)頻信號(hào)，以測(cè)量距離、角度以及速度，不同于周期性發(fā)射短脈沖的傳統(tǒng)脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，車用毫米波雷達(dá)，通常采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本較低，適合近距離探測(cè)。雷達(dá)天線向外發(fā)出一系列連續(xù)調(diào)頻毫米波，頻率隨時(shí)間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化，一般是連續(xù)的三角波，也可以是鋸齒波。

毫米波雷達(dá)通過微帶陣列天線向外發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波（FMCW），經(jīng)目標(biāo)反射后接收到的回波與發(fā)射波存在一個(gè)頻率差，通過信號(hào)處理器分析發(fā)射與反射信號(hào)的頻率差異，基于多普勒原理，可以精確測(cè)量目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度和距離，進(jìn)一步通過多目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)分離與跟蹤。進(jìn)而結(jié)合車身動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)合理決策后，以聲、光及觸覺等多種方式警告駕駛員，或及時(shí)對(duì)汽車做出主動(dòng)干預(yù)，減少事故發(fā)生幾率。工作原理圖見圖1。

圖1 汽車毫米波雷達(dá)工作原理框圖

汽車毫米波雷達(dá)的測(cè)試挑戰(zhàn)

由于車載雷達(dá)關(guān)系到駕駛者的生命安全，為了確保汽車防撞雷達(dá)的工作穩(wěn)定、正常、可靠，需要對(duì)毫米波雷達(dá)進(jìn)行功能和性能測(cè)試。從毫米波雷達(dá)的研發(fā)、調(diào)試、優(yōu)化、生產(chǎn)、以及安裝校準(zhǔn)，都需要對(duì)雷達(dá)性能進(jìn)行規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)及診斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米波雷達(dá)的發(fā)射機(jī)性能、回波接收性能以及抗擾能力的測(cè)試。

汽車?yán)走_(dá)提供商或毫米波器件研制的過程中，要對(duì)發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、雷達(dá)組件、芯片、器件、以及單元電路進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。由于79GHz提供了4GHz的超高帶寬，對(duì)毫米波雷達(dá)測(cè)試對(duì)測(cè)量系統(tǒng)來說是一種挑戰(zhàn)，因?yàn)殡S著頻率升高，信號(hào)的衰減會(huì)迅速上升，同樣就對(duì)儀表的接收能力也提出了很高的要求。泰克攜手合作伙伴可以給汽車毫米波雷達(dá)客戶完整的解決方案。

泰克汽車毫米波雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生和分析方案

汽車毫米波雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)主要包括發(fā)射機(jī)測(cè)試、接收機(jī)性能測(cè)試、以及抗干擾性能測(cè)試，發(fā)射機(jī)需要信號(hào)分析設(shè)備評(píng)估雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的性能指標(biāo)。接收機(jī)需要信號(hào)源模擬回波，從FMCW信號(hào)，到復(fù)雜的多目標(biāo)模擬以及干擾信號(hào)生成，甚至多個(gè)背景發(fā)射機(jī)或者存在多種干擾場(chǎng)景下的更加復(fù)雜的信號(hào)，利用這些復(fù)雜信號(hào)來驗(yàn)證接收機(jī)的性能。泰克提供的汽車毫米波雷達(dá)測(cè)試與測(cè)量解決方案，能夠生成、測(cè)量和分析毫米波雷達(dá)信號(hào)，確保傳感器無故障運(yùn)行，保證安全駕駛。

泰克超寬帶汽車毫米波雷達(dá)信號(hào)測(cè)試方案包括雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生、雷達(dá)信號(hào)分析和抗干擾測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)包括高性能任意波形發(fā)生器AWG70000B系列、內(nèi)置本振的上變頻器、天線、內(nèi)置本振的下變頻器、高性能示波器MSO64或DPO70000CDXSX系列、實(shí)時(shí)頻譜分析儀、以及相關(guān)軟件。AWG70000B系列任意波形發(fā)生器產(chǎn)生FMCW雷達(dá)中頻信號(hào)，通過上變頻器到76GHz至81GHz毫米波雷達(dá)信號(hào)，接收到的毫米波雷達(dá)信號(hào)通過下變頻器變到中頻，然后利用高性能示波器MSO64或DPO70000CDXSX系列采集雷達(dá)中頻信號(hào)，最后利用FMCW雷達(dá)信號(hào)分析軟件分析寬帶雷達(dá)信號(hào)，對(duì)于射頻性能指標(biāo)可以利用實(shí)時(shí)頻譜分析儀RSA5126B進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。并且AWG70000B可以與高性能示波器實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)幅度與相位校準(zhǔn)和波形預(yù)失真，AWG還可以對(duì)高性能示波器采集的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。

圖2 泰克汽車毫米波雷達(dá)信號(hào)測(cè)試框圖

測(cè)試方案1：雷達(dá)接收機(jī)性能測(cè)試

雷達(dá)接收端測(cè)試主要評(píng)估接收機(jī)的性能指標(biāo)，要驗(yàn)證雷達(dá)接收機(jī)的性能指標(biāo)，需要產(chǎn)生毫米波雷達(dá)信號(hào)來測(cè)試汽車?yán)走_(dá)接收端的探測(cè)性能。泰克的汽車毫米波雷達(dá)信號(hào)模擬系統(tǒng)由高性能任意波形發(fā)生器AWG70000B系列、內(nèi)置本振的上變頻器以及雷達(dá)信號(hào)生成軟件組成，見圖3。從生成FMCW雷達(dá)信號(hào)，到復(fù)雜的多目標(biāo)模擬以及干擾信號(hào)生成，甚至多個(gè)背景發(fā)射機(jī)或者存在多種干擾場(chǎng)景下的更加復(fù)雜的信號(hào)，AWG都可以輕松產(chǎn)生。

泰克的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)以泰克的AWG任意波形發(fā)生器、上變頻器以及天線為硬件基礎(chǔ)，配合雷達(dá)信號(hào)生成軟件組成了功能強(qiáng)大毫米波雷達(dá)信號(hào)仿真系統(tǒng)。

圖3 超寬帶毫米波雷達(dá)信號(hào)生成

AWG70000B系列高性能任意信號(hào)發(fā)生器能夠在DC～20GHz的頻率覆蓋范圍內(nèi)產(chǎn)生、校準(zhǔn)20GHz瞬時(shí)帶寬的矢量信號(hào)，具備業(yè)內(nèi)無可比擬的采樣率、帶寬和信號(hào)保真度，結(jié)合SourceXpress信號(hào)高級(jí)RF/IF/IQ波形生成和編輯軟件，可以輕松產(chǎn)生FMCW、Pulse等雷達(dá)測(cè)試信號(hào)。

對(duì)于汽車毫米波雷達(dá)，頻率在76~81GHz范圍，載波頻率大于20GHz寬帶雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生，由Tektronix公司的任意波發(fā)生器AWG70000B和第三方NDK的上變頻器組成，能夠在76GHz～81GHz的頻率覆蓋范圍內(nèi)產(chǎn)生、校準(zhǔn)4GHz瞬時(shí)帶寬的矢量信號(hào)，上變頻器內(nèi)置本振，不需要外接外部本振，這樣可以滿足76 GHz～81 GHz 頻率范圍4GHz 帶寬內(nèi)測(cè)試汽車毫米波雷達(dá)信號(hào)的需求，并能夠仿真各種雷達(dá)信號(hào)，以進(jìn)行廣泛的汽車?yán)走_(dá)測(cè)試。

圖4 AWG +上變頻器到76GHz~81GHz方案

測(cè)試方案2：抗干擾性能測(cè)試

毫米波雷達(dá)抗干擾測(cè)試，需要產(chǎn)生單音信號(hào)、互調(diào)干擾、多雷達(dá)信號(hào)、還需要產(chǎn)生復(fù)雜環(huán)境下各種干擾信號(hào)來驗(yàn)證評(píng)估雷達(dá)的抗干擾能力。

泰克的AWG70000B系列配合SourceXpress中的復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)生成插件，產(chǎn)生復(fù)雜電磁環(huán)境下的雷達(dá)信號(hào)，模擬更加復(fù)雜的測(cè)試場(chǎng)景，可以將任意波形作為背景發(fā)射機(jī)，模擬當(dāng)今復(fù)雜的電磁環(huán)境實(shí)現(xiàn)多雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)模擬的重要手段，干擾信號(hào)模擬，通信信號(hào)模擬，復(fù)雜電磁環(huán)境模擬等，為接收機(jī)的抗干擾能力測(cè)試提供了有力的工具，驗(yàn)證汽車?yán)走_(dá)接收機(jī)的抗干擾能力。

泰克AWG中的復(fù)雜電磁環(huán)境插件可以模擬地面通信信號(hào)存在的潛在干擾、可以模擬車載毫米波雷達(dá)同類信號(hào)間的干擾等各種干擾信號(hào)。

圖5 復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)和干擾信號(hào)信號(hào)生成

在雷達(dá)信號(hào)庫(kù)里面，實(shí)際上還可以包括若干個(gè)雷達(dá)信號(hào)，而每一個(gè)雷達(dá)信號(hào)都可以設(shè)定自己的雷達(dá)參數(shù)，也可以設(shè)定雷達(dá)信號(hào)是否是同時(shí)到達(dá)。所以一個(gè)信號(hào)類型中就可以包括無數(shù)個(gè)相同類型的信號(hào)，模擬復(fù)雜電磁環(huán)境的真實(shí)狀態(tài)。該軟件可以模擬各種復(fù)雜信號(hào)，完全可以滿足當(dāng)前對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下的汽車?yán)走_(dá)信號(hào)模擬需求。

測(cè)試方案3：發(fā)射機(jī)測(cè)試

車載雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)雷達(dá)發(fā)送端發(fā)出的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行分析，從而測(cè)試?yán)走_(dá)信號(hào)的關(guān)鍵參數(shù)。泰克的雷達(dá)發(fā)射機(jī)測(cè)試方案以高性能實(shí)時(shí)示波器、實(shí)時(shí)頻譜分析儀、內(nèi)置本振的下變頻器和天線為硬件基礎(chǔ)，配合FMCW信號(hào)分析軟件組成了功能強(qiáng)大超寬帶毫米波雷達(dá)發(fā)射機(jī)信號(hào)采集分析方案。

圖6 超寬帶毫米波雷達(dá)信號(hào)采集分析

泰克汽車?yán)走_(dá)分析解決方案提供了獨(dú)特的、專為76GHz - 81GHz頻段優(yōu)化內(nèi)置本振的下變頻器，下變頻后輸出信號(hào)范圍為2GHz ~ 7GHz中頻雷達(dá)信號(hào)通過實(shí)時(shí)示波器采集，然后利用FMCW分析軟件進(jìn)行精確的時(shí)域和調(diào)制域分析，對(duì)于射頻指標(biāo)通過實(shí)時(shí)頻譜分析儀測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的汽車?yán)走_(dá)分析解決方案，很大限度提高了分析解決方案的性能。

圖7 下變頻器+實(shí)時(shí)示波器/實(shí)時(shí)頻譜儀分析76GHz - 81GHz雷達(dá)信號(hào)

圖8 毫米波雷達(dá)信號(hào)分析軟件

總結(jié)

泰克76~81GHz頻率汽車毫米波雷達(dá)測(cè)試解決方案為汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的研究和生產(chǎn)提供了高效并且強(qiáng)大有力的硬件實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證能力，加速了汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的研究。泰克的超寬帶毫米波雷達(dá)信號(hào)測(cè)試方案以其獨(dú)特的性能和豐富功能實(shí)現(xiàn)了已往無法測(cè)量的重要項(xiàng)目，簡(jiǎn)單易用的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生軟件和FMCW雷達(dá)信號(hào)分析軟件完美實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的仿真和分析，大大提高了工程師的工作效率。