高性能毫米波雷达探测性能测试系统研制

高性能毫米波雷达由于具备探测距离远、探测精度高、环境适应性强、成本不断下降等综合优势，已成为高级驾驶辅助系统(ADAS)的重要组成部分[1]。2020年2月，国家发改委等11部委联合出台《智能汽车创新发展战略》，毫米波雷达作为复杂环境感知的车载高精度传感器，是必须要突破的关键基础技术，也是必须要增强的产业核心竞争力。同时，该战略要求通过完善测试评价技术，构建协同开发的智能汽车技术创新体系。

毫米波雷达产品研制涉及天线设计、射频收发、信号处理、软件算法及性能测试等众多专业，技术难度大，专业集成度高[2]。由于其高频段、大带宽及低时延等射频特性，毫米波雷达对产品研发测试要求较高。雷达功能仿真测试、整机性能台架测试以及样机道路测试是毫米波雷达测试的最为重要的“三驾马车”，其中，整机性能台架测试作为仿真模拟与实际路测的中间测试环节，具有承上启下的作用。因此如何进行有效精准的功能与性能测试，成为毫米波雷达研制水平的衡量标准之一。在所有整机性能测试项中，探测性能和雷达本身关系最为密切，探测性能的好坏，直接决定了雷达设计指标的实现与否。

1 测试需求分析

探测性能指标是台架测试的重要内容。台架测试是指在实验室或生产线上，通过软硬件深度结合的方式，将雷达的天线性能、射频性能、探测性能、天线罩透波性能、抗干扰性能等主要性能指标进行准确呈现与合理判定。简单来说，探测性能测试系统可通过空馈方式接收被测雷达的发射信号，分析发射信号的特征参数，并据此模拟道路目标的雷达回波。测试系统需通过模拟目标的距离、速度、方位角等参数来模拟雷达实际应用环境，从而实现对雷达整机的探测性能测试[3]。另外，由于测试方式主要是空馈测试，应能模拟无回波和电磁屏蔽的工作环境，因此要求为暗室测试环境。具体要求如下：

1)探测指标要求

模拟距离是最大距离不小于300 m，距离精度不超过0.2 m；模拟速度范围不小于400 km/h，速度精度不超过0.1 km/h；角度覆盖范围为±90°，角度步进为0.1°。

2)射频基础条件要求

微波暗室：静区反射电平要求优于-50 dB；工作频段：24 GHz 及76～81 GHz。其中，方位角覆盖范围及角度步进由多轴转台的电机控制并实现，采用高精度伺服电机闭环控制完全可以确保转台精度和稳定性，因此该角度指标不在该探测系统研究范围之内。因此，探测指标主要集中在距离、速度及其精度上。

当然，要完成该测试系统并使其真正应用于产品研发与生产活动，同样少不了其他方面的设计要求，如测试结构总体设计、多轴转台实现、软件界面设计、防呆设计、测试机柜选型、硬件接线、测试夹具设计、软件校准、系统自检、测试可靠性以及人机工程等，本文不一一赘述[4]。

2 方案设计

2.1 探测性能指标实现方案

对目标的距离模拟可通过数字射频存储器(Digital Radio-Frequency Memory,DRFM)方式实现[5]，固定毫米波汽车雷达天线和模拟器天线，通过对采集的雷达信号进行数字信号延迟处理模拟工作距离变化。由于模拟器存在约300 ns的系统延时，为实现近距离目标的模拟，根据测量信号的周期性，通过将测量信号延迟一个固定的延时T，在此基础上调整相对时延模拟距离的变化范围及精度。

距离范围通过调整模拟器回波延时实现，当目标与雷达距离为d时，回波信号延时δt=2d/c，其中c为光速。根据要求，距离模拟范围为300 m，距离模拟精度为0.2 m，则对应的时延模拟范围为T～(T+2 000 ns)。回波特性调制单元的延迟分粗延迟和精延迟两部分实现。粗延迟的延迟量和步进则由存储器的时钟频率及存储器的容量来决定。采用FPGA内部存储结合外部存储器扩展的方案，共同完成数据存储任务，可满足延时300 μs的要求，此时对应障碍物模拟距离为45 km，远远满足最大距离不小于300 m的要求。

通过数据延迟及频率调整相结合的方式，可实现模拟不同距离及模拟精度。数据延迟实现障碍物距离的粗调，频率调整实现障碍物距离模拟的精调。根据频率变化与FMCW信号参数之间的关系，若FMCW信号调频斜率为k，障碍物距离对应信号延迟量为δt，则障碍物距离对应的频率变化量δf=k×δt。模拟器可实现数据延迟步进0.65 ns，频率补偿精度0.18 Hz。频率调整可实现距离模拟精度为(0.18/k)×c,其中c为光速。当FMCW信号重复周期为500 μs，即调频斜率为 5×1011 Hz/s时，求得距离模拟精度为10-4 m，满足障碍物距离模拟精度0.2 m的要求。

同时，通过多普勒频移原理可实现对目标的速度参数模拟。DRFM可实现多普勒频移的1 Hz的频率变化精度和DC～±5 MHz的频率变化范围，根据多普勒频率与相对速度公式

其中fd为多普勒频率，fo为载频77 GHz，v为相对速度，c为光速。目标模拟器可实现优于0.007 km/h的速度模拟精度，以及不小于3.5×104 km/h的速度模拟范围，满足速度模拟精度0.1 km/h以及速度模拟范围不小于400 km/h的要求。

本方案系统框图如图1所示，主要由方位模拟单元、射频收发单元、信号处理单元、数据处理单元等部分构成，被测高性能毫米波雷达安装于多轴转台上，接收单元将信号下变频，经AD采集，根据障碍物参数在数字域进行信号处理，处理后的信号经DAC、上变频处理后恢复至77 GHz。

其中，射频接收单元主要完成接收来自毫米波雷达的调频连续波信号，并实现对射频信号的下变频、滤波。信号处理单元主要完成对数字信号的处理，通过数据处理单元的信息，实现延迟、变频、多普勒补偿等功能。射频发射单元主要完成调制后的障碍物模拟回波的发射，将处理后的数字信号进行数模转换，并进行上变频、滤波、输出功率精确控制等。数字处理单元主要完成对信号处理单元、方位模拟单元等的控制和调整，根据上位机单元输入的目标障碍物参数，分配模拟相应障碍物的控制数据。方位模拟单元主要完成毫米波雷达天线波束宽度的测试，根据障碍物信息调整毫米波雷达天线波束朝向，从而模拟障碍物的不同方位。上位机主要完成系统状态显示以及测试过程中的人机交互，可供用户输入单一测试状态或者连续测试状态。

由于雷达测量信号无法直接测量延迟，因此需在中频范围进行测量。通过信号源输出脉冲调制点频信号，脉冲周期与雷达测量信号周期一致，将调制脉冲接至示波器作为触发信号，将信号输出至中频输入接口，将中频输出接至示波器另一通道，通过调成模拟距离，根据示波器比较触发脉冲与中频输出的延时关系即可验证延时范围及精度。可通过以下方法测试验证：由信号源产生单频脉冲信号直接输入模拟器的DRFM板，并将调制脉冲输出接入至示波器，同时将模拟器DRFM板的输出信号接入示波器。

由于模拟器的其他射频部分延时固定，因此DRFM板的延时精度及范围即可认为是模拟器的延时精度和范围。通过调整模拟器模拟距离，测量输出信号延时最小变化量；根据信号传输距离和时间关系，转化为模拟距离的精度和范围。

由表1可以看出，距离模拟精度为0.06 m，模拟范围为600 m，满足探测性能测试系统要求的精度不大于0.2 m，最大距离不小于300 m的指标要求。

由信号源产生频率范围在76～81 GHz范围内的点频信号，输出接至频谱仪，调整目标模拟速度，即可通过频谱仪验证对应频率变化范围。由信号源产生77 GHz的单频脉冲信号输入模拟器，并将模拟器输出信号接入频谱仪；调整模拟器模拟速度，测量输出信号频率变化最小变化量；调整模拟器模拟速度至最大，测量输出信号频率变化量；根据速度与多普勒频率之间的关系，转化为模拟速度的精度和范围。

由表2可以看出，速度模拟精度为0.007 km/h，速度模拟范围为700 km/h，满足探测性能测试系统要求的精度不大于0.1 km/h，最大距离不小于400 km/h的指标要求。

2.2 射频基础条件实现

2.2.1 暗室屏蔽效能

微波暗室的屏蔽效能是由屏蔽材料、屏蔽部件及安装工艺多重因素共同作用的结果，选择合适的材料，满足要求的屏蔽、滤波和接地措施，通过合理的安装工艺，可以充分保证暗室的屏蔽效能[6]。微波暗室的核心指标是反射电平，反射电平大小与暗室设计技术、暗室布局、吸收材料性能及源天线的增益有关。远场天线测试的环境干扰主要是由暗室墙体、转台、源天线支架、受试产品支架等的散射和源天线泄漏引起的。源天线泄漏由铺设在后墙的吸波材料来解决。墙体是暗室的主体，通过铺设合适的吸波材料及合理的材料布局，可使墙体的散射降低到允许的范围。

2.2.2 暗室尺寸计算

对于远场测量，被测天线与测量探头的距离必须足够长，才能满足天线辐射在平面波区域[7]。因此，被测天线与测量探头的距离是决定暗室尺寸的最为关键的尺寸。但距离越长，暗室的占地面积越大。需要通过周密计算，尽可能以最小的暗室尺寸，获得比较理想的测量效果。

该距离与天线的口径，以及毫米波波长有关，计算公式为

其中L为远场测量距离，D为测量天线的口径尺寸，λ为测量频率对应的波长，f为测量频率，c为光速。从以上的计算公式中可得知，在远场测量技术中，天线口径尺寸越大，测试频段越高，需要的测量距离越长。最小测量距离的公式为

在满足测量距离L≥Lmin的条件下，天线测量误差可以接受。根据现有的汽车毫米波雷达产品，频率为24 GHz的雷达天线口径不超过8 cm，频段为76～81 GHz的雷达天线口径不超过5 cm，暗室尺寸需覆盖现有的汽车毫米波频率范围及雷达天线口径，计算结果如表3所示。

根据以上计算结果，天线暗室的被测件到测量天线探头间的距离应不小于3.46 m,考虑到被测件安装转台占地空间及测量天线探头的前伸距离，暗室的长度方向尺寸需延长1.4 m以上；同时弧形滑轨的尺寸决定了暗室的宽度，雷达在垂直方向的波束宽度以及楼层的内部净高决定了暗室的高度，因此可将暗室尺寸定义为长度5 m，宽度4 m，高度3 m，才能满足测试要求。

2.2.3 暗室静区性能仿真设计

仿真分析计算条件如下：

暗室尺寸：暗室主体5 m×4 m×3 m(L×W×H)；暗室布局：源天线位置距后墙0.5 m，左右居中，距地面1.5 m，测试距离4 m；中心频点：77 GHz；静区尺寸：0.15 m×0.15 m×0.15 m。

根据要求，制作了作为发射源天线馈源的标准喇叭天线模型，进行其辐射方向图的仿真，其外形、最大增益及半功率波束宽度如图2所示。

设定收发天线互耦,暗室吸波材料二次以上反射,转台、导轨及模拟器等设备影响不计入，仿真计算结果如图3所示。

经仿真分析，77 GHz频段下暗室静区反射电平为-52.76 dB,小于-50 dB，满足设计指标要求。

3 测试系统扩展应用

高性能毫米波雷达探测性能测试系统既是毫米波雷达产品研发的重要保障，又是毫米波雷达批量生产不可缺少的核心设备，同时还是提升产品质量的利器。围绕探测性能测试系统研制过程中关键问题，从理论计算、方案设计到测试验证，分析了基于雷达目标模拟的探测指标实现及验证方法。从暗室屏蔽效能、暗室尺寸计算到暗室静区性能仿真设计，研究了该测试系统射频基础条件的形成过程。

1)该测试系统具有较强的扩展性。增加频谱仪、信号源、示波器及相关射频组件，可实现对高性能毫米波雷达天线方向图、增益、波束宽度、副瓣电平等无源天线的指标测试，还可实现频率、带宽、调制线性度、相位噪声、射频功率等有源雷达的指标测试。若降低配置，将暗室调整为测试暗箱，暗箱尺寸可参照表3，此时该系统即可用于生产测试。

2)该测试系统具有较高的兼容性和灵活性。配置不同的射频前端，可兼容当前市场较为流行的24 GHz与77 GHz毫米波雷达探测性能测试。在多轴转台上加装独立控制的摆臂及射频前端，即可实现双目标测试。

4 结束语

高性能毫米波雷达性能优越，应用范围广，同时产品研制难度较高。无论是军用还是民用毫米波雷达领域，不管在研发还是批量生产环节，均需使用探测性能测试系统。根据《智能汽车创新发展战略》要求，探测性能测试系统为完善高性能毫米波雷达测试评价技术，构建协同开发的智能汽车技术创新体系提供了有效手段。来源于军工领域的毫米波雷达探测性能测试技术，结合智能驾驶、安防雷达、智能家居等民用市场需求，不断进行技术创新，必将为军工研究所的产业发展增加持久动力。

[1]李骏，王健安，赖凡.毫米波片上雷达技术研究进展[J].微电子学,2019,49(4):545-550.

[2]刘华军，赖少发.汽车毫米波雷达目标跟踪的快速平方根CKF算法[J].南京理工大学学报,2016,40(1):56-60.

[3]王然，闫抒升，贺照辉，等.一种基于半实物仿真的雷达模拟器设计[J].空军预警学院学报,2018，32(4):276-279.

[4]吴义保.车载雷达自动测试系统开发[J].雷达科学与技术,2018,16(2):221-225.

WU Yibao.Development of Automatic Test System for Vehicle Radar[J].Radar Science and Technology,2018,16(2):221-225.(in Chinese)

[5]郭剑鹰,丁德锋,陈晓,等.基于DRFM与DDS的汽车雷达目标模拟器设计[J].上海汽车,2018(2):43-46.

[6]易鸣镝，王迪.微波暗室设计研究[J].通用电源技术,2012,29(5):128-130.

[7]赵雷.微波暗室静区反射率电平的设计仿真[D].西安：西安电子科技大学, 2006.