泰克汽車毫米波雷達測試解決方案

作者：泰克科技高級應(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，汽車消費每年都在快速增長，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，人們越來越渴望高科技帶來的安全與便捷，結(jié)合信號處理技術(shù)實現(xiàn)汽車自主智能巡航、輔助泊車、汽車防撞雷達等各種系統(tǒng)已經(jīng)改變了人們對傳統(tǒng)汽車電子的認識。毫米波雷達因其探測精度高，硬件體積小，受天氣環(huán)境的影響小等優(yōu)點被廣泛采用。越來越多的車輛采用一個或者多個毫米波雷達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。

毫米波雷達可以實現(xiàn)自動駕駛多種功能，ADAS采用的傳感器主要有攝像頭、毫米波雷達、激光、超聲波、紅外等。毫米波雷達傳輸距離遠，在傳輸窗口內(nèi)大氣衰減和損耗低，穿透性強，可以滿足車輛對全天氣候的適應(yīng)性的要求，并且毫米波本身的特性，決定了毫米波雷達傳感器器件尺寸小、重量輕等特性。很好的彌補了攝像頭、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景。把毫米波雷達安裝在汽車上，可以測量從雷達到被測物體之間的距離、角度和相對速度等。利用毫米波雷達可以實現(xiàn)自適應(yīng)巡航控制（ACC）、前向防撞報警（FCW）、盲點檢測（BSD）、輔助停車、輔助變道等高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能。比較常見的汽車毫米波雷達工作頻率在76GH-81GHz范圍。

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汽車毫米波雷達的工作原理

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

毫米波雷達是ADAS系統(tǒng)的主要傳感器，毫米波雷達頻率范圍30GHz-300GHz，波長從1mm-10mm，毫米波雷達測距可達200多米，可以對目標進行有無檢測、測距、測速以及方位測量。同時，毫米波雷達能夠穿過光照、降雨、揚塵、大霧等來準確探測物體，可全天候工作。

汽車雷達作為駕駛員輔助系統(tǒng)的核心傳感器（檢測距離、速度）；遠距離雷達（LRR）是用來實現(xiàn)自動巡航（ACC），中距離雷達（MRR）用來實現(xiàn)側(cè)向來車報警和車道變道輔助，近距離雷達（SRR）則是用來實現(xiàn)停車輔助、障礙和行人檢測。

77GHz汽車雷達系統(tǒng)屬于目前國內(nèi)外各大汽車公司研究和設(shè)計的熱點，相比于激光車載雷達、紅外線車載雷達以及其他低頻段的毫米波車載雷達而言，77GHz汽車雷達可利用的頻譜范圍寬、信息容量大、分辨率高、多普勒頻移大、測速靈敏度高、抗干擾能力及穿透等離子體的能力強，并且容易實現(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，雷達連續(xù)發(fā)射FMCW調(diào)頻信號，以測量距離、角度以及速度，不同于周期性發(fā)射短脈沖的傳統(tǒng)脈沖雷達系統(tǒng)，車用毫米波雷達，通常采用結(jié)構(gòu)簡單成本較低，適合近距離探測。雷達天線向外發(fā)出一系列連續(xù)調(diào)頻毫米波，頻率隨時間按調(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)目標反射后接收到的回波與發(fā)射波存在一個頻率差，通過信號處理器分析發(fā)射與反射信號的頻率差異，基于多普勒原理，可以精確測量目標相對于雷達的運動速度和距離，進一步通過多目標檢測與跟蹤算法，實現(xiàn)多目標分離與跟蹤。進而結(jié)合車身動態(tài)信息進行數(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，或及時對汽車做出主動干預(yù)，減少事故發(fā)生幾率。工作原理圖見圖1。

圖1 汽車毫米波雷達工作原理框圖

汽車毫米波雷達的測試挑戰(zhàn)

由于車載雷達關(guān)系到駕駛者的生命安全，為了確保汽車防撞雷達的工作穩(wěn)定、正常、可靠，需要對毫米波雷達進行功能和性能測試。從毫米波雷達的研發(fā)、調(diào)試、優(yōu)化、生產(chǎn)、以及安裝校準，都需要對雷達性能進行規(guī)范化、標準化的檢測及診斷，實現(xiàn)對毫米波雷達的發(fā)射機性能、回波接收性能以及抗擾能力的測試。

汽車雷達提供商或毫米波器件研制的過程中，要對發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、雷達組件、芯片、器件、以及單元電路進行測試驗證。由于79GHz提供了4GHz的超高帶寬，對毫米波雷達測試對測量系統(tǒng)來說是一種挑戰(zhàn)，因為隨著頻率升高，信號的衰減會迅速上升，同樣就對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客戶完整的解決方案。

泰克汽車毫米波雷達信號產(chǎn)生和分析方案

汽車毫米波雷達收發(fā)系統(tǒng)主要包括發(fā)射機測試、接收機性能測試、以及抗干擾性能測試，發(fā)射機需要信號分析設(shè)備評估雷達發(fā)射信號的性能指標。接收機需要信號源模擬回波，從FMCW信號，到復(fù)雜的多目標模擬以及干擾信號生成，甚至多個背景發(fā)射機或者存在多種干擾場景下的更加復(fù)雜的信號，利用這些復(fù)雜信號來驗證接收機的性能。泰克提供的汽車毫米波雷達測試與測量解決方案，能夠生成、測量和分析毫米波雷達信號，確保傳感器無故障運行，保證安全駕駛。

泰克超寬帶汽車毫米波雷達信號測試方案包括雷達信號產(chǎn)生、雷達信號分析和抗干擾測試，測試系統(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、實時頻譜分析儀、以及相關(guān)軟件。AWG70000B系列任意波形發(fā)生器產(chǎn)生FMCW雷達中頻信號，通過上變頻器到76GHz至81GHz毫米波雷達信號，接收到的毫米波雷達信號通過下變頻器變到中頻，然后利用高性能示波器MSO64或DPO70000CDXSX系列采集雷達中頻信號，最后利用FMCW雷達信號分析軟件分析寬帶雷達信號，對于射頻性能指標可以利用實時頻譜分析儀RSA5126B進行驗證和測試。并且AWG70000B可以與高性能示波器實現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)幅度與相位校準和波形預(yù)失真，AWG還可以對高性能示波器采集的波形數(shù)據(jù)進行回放。

圖2 泰克汽車毫米波雷達信號測試框圖

測試方案1：雷達接收機性能測試

雷達接收端測試主要評估接收機的性能指標，要驗證雷達接收機的性能指標，需要產(chǎn)生毫米波雷達信號來測試汽車雷達接收端的探測性能。泰克的汽車毫米波雷達信號模擬系統(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信號生成軟件組成，見圖3。從生成FMCW雷達信號，到復(fù)雜的多目標模擬以及干擾信號生成，甚至多個背景發(fā)射機或者存在多種干擾場景下的更加復(fù)雜的信號，AWG都可以輕松產(chǎn)生。

泰克的雷達信號產(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)，配合雷達信號生成軟件組成了功能強大毫米波雷達信號仿真系統(tǒng)。

圖3 超寬帶毫米波雷達信號生成

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

對于汽車毫米波雷達，頻率在76~81GHz范圍，載波頻率大于20GHz寬帶雷達信號產(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4GHz瞬時帶寬的矢量信號，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)測試汽車毫米波雷達信號的需求，并能夠仿真各種雷達信號，以進行廣泛的汽車雷達測試。

圖4 AWG +上變頻器到76GHz~81GHz方案

測試方案2：抗干擾性能測試

毫米波雷達抗干擾測試，需要產(chǎn)生單音信號、互調(diào)干擾、多雷達信號、還需要產(chǎn)生復(fù)雜環(huán)境下各種干擾信號來驗證評估雷達的抗干擾能力。

泰克的AWG70000B系列配合SourceXpress中的復(fù)雜電磁環(huán)境信號生成插件，產(chǎn)生復(fù)雜電磁環(huán)境下的雷達信號，模擬更加復(fù)雜的測試場景，可以將任意波形作為背景發(fā)射機，模擬當(dāng)今復(fù)雜的電磁環(huán)境實現(xiàn)多雷達目標信號模擬的重要手段，干擾信號模擬，通信信號模擬，復(fù)雜電磁環(huán)境模擬等，為接收機的抗干擾能力測試提供了有力的工具，驗證汽車雷達接收機的抗干擾能力。

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存在的潛在干擾、可以模擬車載毫米波雷達同類信號間的干擾等各種干擾信號。

圖5 復(fù)雜電磁環(huán)境信號和干擾信號信號生成

在雷達信號庫里面，實際上還可以包括若干個雷達信號，而每一個雷達信號都可以設(shè)定自己的雷達參數(shù)，也可以設(shè)定雷達信號是否是同時到達。所以一個信號類型中就可以包括無數(shù)個相同類型的信號，模擬復(fù)雜電磁環(huán)境的真實狀態(tài)。該軟件可以模擬各種復(fù)雜信號，完全可以滿足當(dāng)前對復(fù)雜電磁環(huán)境下的汽車雷達信號模擬需求。

測試方案3：發(fā)射機測試

車載雷達系統(tǒng)的發(fā)射機進行測試，對雷達發(fā)送端發(fā)出的雷達信號進行分析，從而測試雷達信號的關(guān)鍵參數(shù)。泰克的雷達發(fā)射機測試方案以高性能實時示波器、實時頻譜分析儀、內(nèi)置本振的下變頻器和天線為硬件基礎(chǔ)，配合FMCW信號分析軟件組成了功能強大超寬帶毫米波雷達發(fā)射機信號采集分析方案。

圖6 超寬帶毫米波雷達信號采集分析

泰克汽車雷達分析解決方案提供了獨特的、專為76GHz - 81GHz頻段優(yōu)化內(nèi)置本振的下變頻器，下變頻后輸出信號范圍為2GHz ~ 7GHz中頻雷達信號通過實時示波器采集，然后利用FMCW分析軟件進行精確的時域和調(diào)制域分析，對于射頻指標通過實時頻譜分析儀測試，實現(xiàn)了優(yōu)良的汽車雷達分析解決方案，很大限度提高了分析解決方案的性能。

圖7 下變頻器+實時示波器/實時頻譜儀分析76GHz - 81GHz雷達信號

圖8 毫米波雷達信號分析軟件

總結(jié)

泰克76~81GHz頻率汽車毫米波雷達測試解決方案為汽車雷達系統(tǒng)的研究和生產(chǎn)提供了高效并且強大有力的硬件實驗和驗證能力，加速了汽車雷達系統(tǒng)的研究。泰克的超寬帶毫米波雷達信號測試方案以其獨特的性能和豐富功能實現(xiàn)了已往無法測量的重要項目，簡單易用的雷達信號產(chǎn)生軟件和FMCW雷達信號分析軟件完美實現(xiàn)對雷達信號的仿真和分析，大大提高了工程師的工作效率。