2020年04月01日 | 技术文章—泰克汽车毫米波雷达测试解决方案

随着现代科学技术的快速发展以及人们生活水平的显著提高，汽车消费每年都在快速增长，汽车保有量迅速增加，交通事故也急剧上升，汽车安全问题被普遍关注。汽车防撞系统能够对大约65%的交通事故发生起到阻止作用。同样在高端汽车领域，人们越来越渴望高科技带来的安全与便捷，结合信号处理技术实现汽车自主智能巡航、辅助泊车、汽车防撞雷达等各种系统已经改变了人们对传统汽车电子的认识。毫米波雷达因其探测精度高，硬件体积小，受天气环境的影响小等优点被广泛采用。越来越多的车辆采用一个或者多个毫米波雷达来辅助驾驶员的驾驶操作，以提高驾驶的舒适性和安全性，避免交通事故的发生。

毫米波雷达可以实现自动驾驶多种功能，ADAS采用的传感器主要有摄像头、毫米波雷达、激光、超声波、红外等。毫米波雷达传输距离远，在传输窗口内大气衰减和损耗低，穿透性强，可以满足车辆对全天气候的适应性的要求，并且毫米波本身的特性，决定了毫米波雷达传感器器件尺寸小、重量轻等特性。很好的弥补了摄像头、激光、超声波、红外等其他传感器，在车载应用中所不具备的使用场景。把毫米波雷达安装在汽车上，可以测量从雷达到被测物体之间的距离、角度和相对速度等。利用毫米波雷达可以实现自适应巡航控制（ACC）、前向防撞报警（FCW）、盲点检测（BSD）、辅助停车、辅助变道等高级驾驶辅助系统（ADAS）功能。比较常见的汽车毫米波雷达工作频率在76GH-81GHz范围。

汽车毫米波雷达的工作原理

汽车防撞雷达主要有超声波雷达、激光雷达、毫米波雷达等类型。不同雷达类型的工作原理不一样，其性能和特点也各有优缺点，不同的雷达可以用于实现不同的功能。

毫米波雷达是ADAS系统的主要传感器，毫米波雷达频率范围30GHz-300GHz，波长从1mm-10mm，毫米波雷达测距可达200多米，可以对目标进行有无检测、测距、测速以及方位测量。同时，毫米波雷达能够穿过光照、降雨、扬尘、大雾等来准确探测物体，可全天候工作。

汽车雷达作为驾驶员辅助系统的核心传感器(检测距离、速度)；远距离雷达（LRR）是用来实现自动巡航（ACC），中距离雷达（MRR）用来实现侧向来车报警和车道变道辅助，近距离雷达（SRR）则是用来实现停车辅助、障碍和行人检测。

77GHz汽车雷达系统属于目前国内外各大汽车公司研究和设计的热点，相比于激光车载雷达、红外线车载雷达以及其他低频段的毫米波车载雷达而言，77GHz汽车雷达可利用的频谱范围宽、信息容量大、分辨率高、多普勒频移大、测速灵敏度高、抗干扰能力及穿透等离子体的能力强，并且容易实现天线的窄波束和高增益等。

毫米波带宽大、分辨率高、天线部件尺寸小，能适应恶劣环境。毫米波雷达中目前使用最广泛的是调频连续波（FMCW）的特殊毫米波技术。具体指，雷达连续发射FMCW调频信号，以测量距离、角度以及速度，不同于周期性发射短脉冲的传统脉冲雷达系统，车用毫米波雷达，通常采用结构简单成本较低，适合近距离探测。雷达天线向外发出一系列连续调频毫米波，频率随时间按调制电压的规律变化，一般是连续的三角波，也可以是锯齿波。

毫米波雷达通过微带阵列天线向外发射调频连续波（FMCW），经目标反射后接收到的回波与发射波存在一个频率差，通过信号处理器分析发射与反射信号的频率差异，基于多普勒原理，可以精确测量目标相对于雷达的运动速度和距离，进一步通过多目标检测与跟踪算法，实现多目标分离与跟踪。进而结合车身动态信息进行数据处理。经合理决策后，以声、光及触觉等多种方式警告驾驶员，或及时对汽车做出主动干预，减少事故发生几率。工作原理图见图1。

图1  汽车毫米波雷达工作原理框图

汽车毫米波雷达的测试挑战

由于车载雷达关系到驾驶者的生命安全，为了确保汽车防撞雷达的工作稳定、正常、可靠，需要对毫米波雷达进行功能和性能测试。从毫米波雷达的研发、调试、优化、生产、以及安装校准，都需要对雷达性能进行规范化、标准化的检测及诊断，实现对毫米波雷达的发射机性能、回波接收性能以及抗扰能力的测试。

汽车雷达提供商或毫米波器件研制的过程中，要对发射系统、接收系统、雷达组件、芯片、器件、以及单元电路进行测试验证。由于79GHz提供了4GHz的超高带宽，对毫米波雷达测试对测量系统来说是一种挑战，因为随着频率升高，信号的衰减会迅速上升，同样就对仪表的接收能力也提出了很高的要求。泰克携手合作伙伴可以给汽车毫米波雷达客户完整的解决方案。

泰克汽车毫米波雷达信号产生和分析方案

汽车毫米波雷达收发系统主要包括发射机测试、接收机性能测试、以及抗干扰性能测试，发射机需要信号分析设备评估雷达发射信号的性能指标。接收机需要信号源模拟回波，从FMCW信号，到复杂的多目标模拟以及干扰信号生成，甚至多个背景发射机或者存在多种干扰场景下的更加复杂的信号，利用这些复杂信号来验证接收机的性能。泰克提供的汽车毫米波雷达测试与测量解决方案，能够生成、测量和分析毫米波雷达信号，确保传感器无故障运行，保证安全驾驶。       

泰克超宽带汽车毫米波雷达信号测试方案包括雷达信号产生、雷达信号分析和抗干扰测试，测试系统包括高性能任意波形发生器AWG70000B系列、内置本振的上变频器、天线、内置本振的下变频器、高性能示波器MSO64或DPO70000CDXSX系列、实时频谱分析仪、以及相关软件。AWG70000B系列任意波形发生器产生FMCW雷达中频信号，通过上变频器到76GHz至81GHz毫米波雷达信号，接收到的毫米波雷达信号通过下变频器变到中频，然后利用高性能示波器MSO64或DPO70000CDXSX系列采集雷达中频信号，最后利用FMCW雷达信号分析软件分析宽带雷达信号，对于射频性能指标可以利用实时频谱分析仪RSA5126B进行验证和测试。并且AWG70000B可以与高性能示波器实现整个系统的闭环幅度与相位校准和波形预失真，AWG还可以对高性能示波器采集的波形数据进行回放。

图2  泰克汽车毫米波雷达信号测试框图

测试方案1：雷达接收机性能测试

雷达接收端测试主要评估接收机的性能指标，要验证雷达接收机的性能指标，需要产生毫米波雷达信号来测试汽车雷达接收端的探测性能。泰克的汽车毫米波雷达信号模拟系统由高性能任意波形发生器AWG70000B系列、内置本振的上变频器以及雷达信号生成软件组成，见图3。从生成FMCW雷达信号，到复杂的多目标模拟以及干扰信号生成，甚至多个背景发射机或者存在多种干扰场景下的更加复杂的信号，AWG都可以轻松产生。

泰克的雷达信号产生系统以泰克的AWG任意波形发生器、上变频器以及天线为硬件基础，配合雷达信号生成软件组成了功能强大毫米波雷达信号仿真系统。

图3   超宽带毫米波雷达信号生成

AWG70000B系列高性能任意信号发生器能够在DC～20GHz的频率覆盖范围内产生、校准20GHz瞬时带宽的矢量信号，具备业内无可比拟的采样率、带宽和信号保真度，结合SourceXpress信号高级RF/IF/IQ波形生成和编辑软件，可以轻松产生FMCW、Pulse等雷达测试信号。

对于汽车毫米波雷达，频率在7681GHz范围，载波频率大于20GHz宽带雷达信号产生，由Tektronix公司的任意波发生器AWG70000B和第三方NDK的上变频器组成，能够在76GHz～81GHz的频率覆盖范围内产生、校准4GHz瞬时带宽的矢量信号，上变频器内置本振，不需要外接外部本振，这样可以满足76 GHz～81 GHz 频率范围4GHz 带宽内测试汽车毫米波雷达信号的需求，并能够仿真各种雷达信号，以进行广泛的汽车雷达测试。

图4  AWG +上变频器到76GHz81GHz方案

测试方案2：抗干扰性能测试

毫米波雷达抗干扰测试，需要产生单音信号、互调干扰、多雷达信号、还需要产生复杂环境下各种干扰信号来验证评估雷达的抗干扰能力。

泰克的AWG70000B系列配合SourceXpress中的复杂电磁环境信号生成插件，产生复杂电磁环境下的雷达信号，模拟更加复杂的测试场景，可以将任意波形作为背景发射机，模拟当今复杂的电磁环境实现多雷达目标信号模拟的重要手段，干扰信号模拟，通信信号模拟，复杂电磁环境模拟等，为接收机的抗干扰能力测试提供了有力的工具，验证汽车雷达接收机的抗干扰能力。

泰克AWG中的复杂电磁环境插件可以模拟地面通信信号存在的潜在干扰、可以模拟车载毫米波雷达同类信号间的干扰等各种干扰信号。

图5 复杂电磁环境信号和干扰信号信号生成

在雷达信号库里面，实际上还可以包括若干个雷达信号，而每一个雷达信号都可以设定自己的雷达参数，也可以设定雷达信号是否是同时到达。所以一个信号类型中就可以包括无数个相同类型的信号，模拟复杂电磁环境的真实状态。该软件可以模拟各种复杂信号，完全可以满足当前对复杂电磁环境下的汽车雷达信号模拟需求。

测试方案3：发射机测试

车载雷达系统的发射机进行测试，对雷达发送端发出的雷达信号进行分析，从而测试雷达信号的关键参数。泰克的雷达发射机测试方案以高性能实时示波器、实时频谱分析仪、内置本振的下变频器和天线为硬件基础，配合FMCW信号分析软件组成了功能强大超宽带毫米波雷达发射机信号采集分析方案。

图6   超宽带毫米波雷达信号采集分析

泰克汽车雷达分析解决方案提供了独特的、专为76GHz - 81GHz频段优化内置本振的下变频器，下变频后输出信号范围为2GHz ~ 7GHz中频雷达信号通过实时示波器采集，然后利用FMCW分析软件进行精确的时域和调制域分析，对于射频指标通过实时频谱分析仪测试，实现了优良的汽车雷达分析解决方案，很大限度提高了分析解决方案的性能。

图7 下变频器+实时示波器/实时频谱仪分析76GHz - 81GHz雷达信号

图8 毫米波雷达信号分析软件

总结

泰克7681GHz频率汽车毫米波雷达测试解决方案为汽车雷达系统的研究和生产提供了高效并且强大有力的硬件实验和验证能力，加速了汽车雷达系统的研究。泰克的超宽带毫米波雷达信号测试方案以其独特的性能和丰富功能实现了已往无法测量的重要项目，简单易用的雷达信号产生软件和FMCW雷达信号分析软件完美实现对雷达信号的仿真和分析，大大提高了工程师的工作效率。