車(chē)用雷達技術(shù)方興未艾。無(wú)論是于現階段的盲點(diǎn)偵測，還是發(fā)展中的自動(dòng)駕駛，高性能、高可靠性、小巧兼低價(jià)，都是相輔相成的關(guān)鍵要素，更是促進(jìn)其核心技術(shù)不斷發(fā)展與完善不可或缺的誘因與動(dòng)機。

 

 

與其他的雷達技術(shù)相類(lèi)似，車(chē)用雷達同樣通過(guò)接收目標物體的反射信號，并進(jìn)一步分析接收信號與原始發(fā)射信號之間在時(shí)間、頻率以及相位上的多重相關(guān)性，從而判斷目標物體與雷達之間的相對速度與空間位置。

 

車(chē)用雷達的核心技術(shù)之一是雷達波形設計。線(xiàn)性頻率調變連續波(LFMCW，常簡(jiǎn)稱(chēng)為FMCW)是一種常用的雷達波形。發(fā)射信號(亦即波形)的穩定度與線(xiàn)性度直接影響雷達對目標物體的辨識能力。由于車(chē)用雷達大多工作在毫米波頻段，所選用的各種材料及組件固有的非線(xiàn)性特性都會(huì )納入最終的發(fā)射信號與接收信號中，從而干擾信號分析算法。

 

車(chē)用雷達利用發(fā)射信號與接收信號之間相互關(guān)聯(lián)的頻率差與相位差，針對多個(gè)目標物體的速度與位置進(jìn)行判斷。當整個(gè)雷達系統，特別是發(fā)射機部分的線(xiàn)性度出現非理想特性時(shí)，頻率差與相位差的計算結果將會(huì )產(chǎn)生模糊性，造成雷達系統無(wú)法正確判斷目標物體，以致于發(fā)生重大差錯。對于未來(lái)的自動(dòng)駕駛控制技術(shù)來(lái)說(shuō)，這是絕對要避免的。

 

為了最大程度地減少錯誤率，必須盡可能地提高發(fā)射訊號的線(xiàn)性度，并藉由量測確保產(chǎn)品之線(xiàn)性度的穩定性?；谟嵦栙|(zhì)量的嚴苛要求，線(xiàn)性度的量測大多采用高階的儀器設備，以降低量測誤差。目前的高階儀器都可以分析帶寬超過(guò)1-GHz的訊號，以確保完整量測雷達訊號。

 

圖1：車(chē)用雷達正迅速擴展，為車(chē)輛提供更多駕駛輔助與更高安全性。

 

 

在車(chē)用雷達應用中，無(wú)論是發(fā)射天線(xiàn)還是接收天線(xiàn)，通常都使用相控陣列。按照整體設計需要，可以采用線(xiàn)性陣列或是平面陣列。

 

眾所周知，陣列天線(xiàn)的主要參數(例如，主瓣方向及寬度、旁瓣抑制、零點(diǎn)位置等等)均可通過(guò)簡(jiǎn)單的數學(xué)公式進(jìn)行計算。然而，這種計算結果的適用性是有條件的，亦即當陣列中任兩單元之間的相互耦合作用與影響極其微小至可以忽略不計的時(shí)候。

 

有一種方法可使得上述的條件得以滿(mǎn)足，就是增加陣列單元之間的相對距離。不過(guò)，這種方法所帶來(lái)的影響是終端產(chǎn)品的尺寸也會(huì )隨之加大。 如果無(wú)法通過(guò)計算達到有效，并準確地設計陣列單元的目的，測試就成為優(yōu)化過(guò)程中的重要手段，再以相應的計算機軟件作為輔佐，以利于大數據(big data)運算。陣列天線(xiàn)的優(yōu)化通常分為下面幾個(gè)步驟：

 

 

除此之外，雷達系統的整體設計方案也必須包含安全便利性的要求。而安全便利性又會(huì )直接或間接地影響到天線(xiàn)的設計，可謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”。

 

在設計陣列基本單元時(shí)，尤其是在評估陣列單元之間的相互耦合過(guò)程中，因為相控天線(xiàn)通常都具有較大的陣列單元數量，使得完整、準確且快捷的測試成為最關(guān)鍵的因素。而要實(shí)現完整又準確的要求，多端口向量網(wǎng)絡(luò )分析儀是必不可少的。 更進(jìn)一步地考慮安全便利性的要求，車(chē)用雷達同一批產(chǎn)品的輻射場(chǎng)型穩定性至關(guān)重要。而要達到這一目標，輻射場(chǎng)型測試設備首先必須具備良好的測試結果的可重復性。這也是車(chē)用雷達測試技術(shù)的難點(diǎn)之一。

 

在一般情況下，天線(xiàn)輻射場(chǎng)型的測試必須在遠場(chǎng)(far field)進(jìn)行。這里的遠場(chǎng)是一個(gè)相對的概念，按照目前行業(yè)常用的天線(xiàn)測試理論的定義，遠場(chǎng)與被測量的天線(xiàn)的尺寸，以及該天線(xiàn)的工作頻率范圍相關(guān)。具體來(lái)說(shuō)，某一天線(xiàn)的遠場(chǎng)與該天線(xiàn)的最大尺寸的平方成正比，而與該天線(xiàn)的工作波長(cháng)成反比。

 

例如，某個(gè)車(chē)用雷達產(chǎn)品的最大尺寸是7.5cm，如果它的工作頻率處在24GHz，這時(shí)的遠場(chǎng)大約在0.9m以外。但是如果它工作在77GHz，其遠場(chǎng)將擴大到3m左右。在一般的測試條件下，這樣大的距離范圍幾乎無(wú)法實(shí)現。

 

圖2：77GHz車(chē)用雷達頻譜的噪聲級。

 

為了克服上述遠場(chǎng)定義的局限性，可以選擇在近場(chǎng)(near field)進(jìn)行數據采集，然后通過(guò)近場(chǎng)與遠場(chǎng)的對應關(guān)系，將采集到的數據轉換成遠場(chǎng)的結果。雖然這種近場(chǎng)測試方法不再有距離范圍的限制，但是，為了確保測試結果的精準度，不僅測試設備會(huì )變得相當復雜，數據采集所需的時(shí)間也會(huì )成倍增加。此外，因為數據轉換需要額外的時(shí)間，使得整個(gè)測試過(guò)程變得十分冗長(cháng)，以致于很難滿(mǎn)足量產(chǎn)效能的要求。

 

目前業(yè)界正在研究全新的方法，以最大程度地降低上述空間與時(shí)間的限制，從而在適當的距離范圍內，提高量產(chǎn)能力。

 

 

跟其他射頻產(chǎn)品一樣，車(chē)用雷達也同樣存在干擾與抗干擾的問(wèn)題。從目前的技術(shù)來(lái)看，同一輛車(chē)上的雷達數量有超過(guò)十顆的趨勢。所幸通過(guò)天線(xiàn)的設計，以及在安裝時(shí)的適當調整，可以減少同一輛車(chē)上各個(gè)雷達之間的相互干擾。然而，目前還沒(méi)有與車(chē)用雷達相關(guān)的設計技術(shù)標準，車(chē)用雷達所運行的頻率范圍更是無(wú)須申請許可證，因而對于不同車(chē)輛，特別是不同制造商的車(chē)輛，各車(chē)輛上雷達之間的相互干擾會(huì )是非常棘手的問(wèn)題。

 

鑒于存在過(guò)多與干擾源相關(guān)的未知因素，在抗干擾能力的設計時(shí)間，從最壞處著(zhù)眼，兼顧那些最初看起來(lái)發(fā)生機率不高的場(chǎng)景，以便正確評估雷達系統被干擾后做出難以預期的反應。

 

如前所述，車(chē)用雷達主要用來(lái)準確，并快速地判斷目標物體與雷達之間的相對速度與空間位置。錯誤的判斷可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是“幻視”，即“無(wú)中生有”；另一類(lèi)是“盲視”，即“視而不見(jiàn)”。無(wú)論誤判屬于哪一類(lèi)，都與交通安全息息相關(guān)，對于未來(lái)的自動(dòng)駕駛控制技術(shù)來(lái)說(shuō)，這些都是絕對要避免的。如果相對距離足夠遠，就會(huì )有充分的時(shí)間對誤判進(jìn)行修正。

 

因此，處于相對近距離時(shí)的誤判將是十分危險的。應該如何評估“相對近距離”？舉例來(lái)說(shuō)，在城區內的道路上，通常的時(shí)速限制是60km/h。以這樣的速度換算一下，15m至20m就會(huì )是“相對近距離”。因為一旦在這個(gè)距離內出現交通異常，雷達系統必須迅速并有效地啟動(dòng)剎車(chē)系統，以便讓行進(jìn)中的車(chē)輛在一秒，甚至更短的時(shí)間內停下來(lái)。但問(wèn)題是，在這個(gè)距離內雷達系統可能發(fā)生上述的“幻視”，或者“盲視”嗎？

 

答案是肯定的。也就是說(shuō)，由于接收系統受到干擾，在特定的條件下(甚至包括天氣的影響)，車(chē)用雷達系統對于目標物體反射回來(lái)的信號的敏感度會(huì )急劇下降，原本百米以外的目標物體都可以分辨，而此時(shí)就連十米左右的目標物體都難以辨識。

 

為了確保車(chē)用雷達的抗干擾能力，標準化的測試方法是必要的。雖然目前尚無(wú)測試法規，業(yè)界還是可以參考其他類(lèi)似的標準，先進(jìn)行前期的可靠性測試，從而贏(yíng)得時(shí)間提前測試，以便在正式的測試方法標準化之后，基于已有的數據，按照法規適當修正抗干擾余量，或者提升抗干擾能力。

 

目前的抗干擾能力檢測方法主要通過(guò)軟件設定場(chǎng)景，在電波暗室里，由信號源產(chǎn)生特定的雷達波形作為干擾源，再由雷達目標仿真器仿真特定的目標物體，以此評估被測雷達在該特定場(chǎng)景中對于目標物體反射信號的敏感度的下降程度，由此推算被測雷達在這一特定場(chǎng)景中對于特定干擾源的抗干擾能力。

 

圖3：不同類(lèi)型的車(chē)用雷達傳感器共享有限的免授權頻譜，因而可能相互干擾。

 

圖4：完整的車(chē)用雷達&射頻測試解決方案為精準測試需求奠定基礎。

 

 

綜上所述，由于涉及極其重要的交通安全因素，在自動(dòng)駕駛控制技術(shù)真正成為人們日常生活的一部分之前，其中關(guān)鍵技術(shù)之一的雷達技術(shù)還有待進(jìn)一步的發(fā)展與完善，例如，雷達波形線(xiàn)性度的穩定性、量產(chǎn)的技術(shù)瓶頸、多種場(chǎng)景中的抗干擾能力等等。而與此密切相關(guān)的車(chē)用雷達的射頻測試技術(shù)，已經(jīng)為精準的測試以及未來(lái)更進(jìn)階的測試需求奠定了必要的基礎。

 

本文轉載自電子工程專(zhuān)輯。