• 收藏

  • 点赞

  • 评论

  • 微信扫一扫分享

减少汽车雷达系统性能的不确定因素

来源:爱集微

#汽车#

#雷达#

2019-04-01

如今,汽车企业正在竞相为其汽车引入更多的高级驾驶辅助系统,例如自主巡航定速、紧急制动和车道保持辅助系统。随着这些系统的日益复杂化,为了使汽车获得感知环境所必需的信息,对于汽车雷达系统也提出了更高的要求。

雷达系统如何实现环境感知呢?汽车雷达系统的工作原理是:发射连续的高频信号,然后通过测量反射信号的传播延迟和多普勒频移,来计算车辆与其他物体和车辆之间的距离及其径向速度。采用阵列天线的高级雷达系统还可以测量车辆行驶路径与所测物体之间的方位角(水平面的角度),以及车辆与其他物体之间的仰角(垂直面的夹角)。

汽车雷达系统工作的准确性与可靠性至关重要,因为汽车控制系统需要根据雷达系统提供的数据来了解车身周围环境并做出实时的操纵决策。错误的数据将导致致命的决策。例如,如果在两辆车相距 100 米时,雷达系统将两车角度误报 1 度,那么当它们会车时彼此间隔的误差就有 1.5 米,相当于一辆车的宽度。这个距离足以导致本应安全驶过各自车道的两辆车发生迎面碰撞。

影响功能的天线罩

雷达传感器通常隐藏在汽车散热器格栅上的车标或者保险杠后面。尽管这样可以改善车辆的美观度,但代价是在雷达信号传播的路径中引入了衰减材料。这些车标或保险杠将成为雷达传感器的“穹顶”(或称“天线罩”),成为其射频系统的一部分,它们会改变传输信号,在某种程度上可能影响雷达的探测性能和准确性。

这会产生怎样的影响呢?根据反平方定律,雷达传感器接收的反射信号的功率将是其发射功率的 1/r4。例如,如果一个输出功率为 3W 和天线增益为 25dBi 的 77GHz 雷达,要想探测截面积为 10 m²的目标,且雷达最小可检测信号为 -90 dBm。则雷达的最大探测距离将为 109.4 m。但是如果增加了天线罩,会导致双向的路径衰减增加3dB,那么雷达的探测距离会减少 16%,仅为 92.1m,比没有天线罩时少了几个车长。

天线罩还会产生其他的问题。在基材与雷达信号之间可能产生射频失配。塑料成型制品的材料特性通常不均匀,这会导致不可预测的信号失真。金属表面完工时同样也会存在散射问题。由此产生的干扰信号会降低雷达接收器的探测灵敏度。一种解决方法是调整天线罩的安装使雷达发射的信号不会直接反射回接收器。但是,这种方法会给车辆设计带来限制,并且不能消除寄生反射的问题。

通过系统校准提高系统性能

雷达系统设计人员面临的挑战是,尽管系统本身存在诸多不确定性,但雷达的性能都必须达到一定的水平。任何能减少系统误差的方法,都将有助于更容易达到性能要求。

例如,雷达传感器制造商可以对其产品进行校准。然而,射频系统设计人员清楚,制造商无法预知其传感器将安装在哪种天线罩下,采用哪种喷涂工艺,以及材料的特性变化等等。因此,单凭传感器校准还不足以保证达到必要的系统性能。

消除性能不确定性因素的另一个步骤是,由天线罩供应商对其产品的属性进行测试和验证,以便让雷达系统设计人员知道他们使用的是怎样的天线罩。如果在汽车生产线上测试和调整每个天线罩的性能,成本太过高昂。

因此,天线罩供应商需要对他们的产品做详细且可靠的生产级测试。此前,他们通常在静态环境中使用参考雷达系统来测试他们的产品,这种系统包含多个雷达反射器。首先在各种距离和角度下进行测量,并根据测量结果创建参考规范,随后以相同方式对每个天线罩进行比对测量。当天线罩的测量值在参考测量值的规定公差范围内时,天线罩通过测试。

一种更为详细的测试方法是,将雷达和天线罩安装在转盘上并正对一个反射器,然后旋转转盘并进行各种角度的测量。这种方法可以创建更详细的参考测量集,但速度太慢,不适合生产测试。

更好的天线罩测试仪

鉴于雷达系统的性能在汽车系统中的重要性日益增加,罗德与施瓦茨开发了 R&S®QAR  高品质汽车天线罩测试仪。该系统能够提供可靠的测试数据,并且测试成本和速度非常适用于生产环境。

测试仪(见图 1)采用由数百个雷达发射和接收天线组成的阵列,这些天线可接收汽车雷达发射的信号。测试仪利用天线阵列以毫米级分辨率测量距离、方位角和仰角,直观呈现天线罩对测试信号的影响。同时,还可以分析所得到的图像,从中提取质量参数,然后将其处理成简单的通过/失败指标。由于使用了数量众多的发射和接收天线,只需几秒钟即可完成整个天线罩的详细测试。

1R&S®QAR 高品质汽车天线罩测试仪提供了一种快速测试复杂射频部件是否合格的方法

为检验测试仪的测试能力,专门生产了一个带罗德与施瓦茨徽标的测试用天线罩,徽标比天线罩表面凸出 0.5 mm。如图 2 所示。

2:测试天线罩上凸出 0.5 mm 的徽标在 77 GHz 处产生失配

图 3 中的高分辨率雷达图像即为测试仪显示屏的内容,亮度越高表示反射率越高。四角处的螺钉等金属物体以白色显示,徽标上的轮廓线呈现出高反射率和不均匀性。

3:左图所示为测试天线罩的非均匀反射图像,右图显示了它的单向衰减

测试仪还可以测试透射率,确定材料的频率匹配度和衰减,从而确定其在特定频率下的适用性。被测部件后面经校准的发射单元(图1)按选定的频率范围进行扫描,天线阵列接收信号,从而精确评估天线罩的发射频率响应。此频率响应还显示了被测天线罩在预期工作频率下与雷达信号的射频匹配程度。

确保安全关键数据的准确性和可靠性

自动驾驶辅助系统要想精确地感知周围环境,必须从多个雷达系统获取高质量的可靠数据。由于雷达天线罩会在雷达射频信号传播路径中引入不确定因素,可能会破坏这些数据的质量和可靠性。同时,在汽车生产线上检查和调整雷达天线罩的性能过于复杂、昂贵且耗时,因此制造商不得不将天线罩作为独立部件来测试和验证其射频性能。R&S®QAR 高品质汽车雷达测试仪是定制的射频性能检测解决方案。相比其他测试方法,该测试仪不仅可以收集更详细的测试结果,而且能够大幅缩短测试时间,适用于空间分辨的射频反射和传输测量。

作者Andreas Reil Steffen Heuel 博士


爱集微

作者

微信:

邮箱:jiwei@lunion.com.cn

作者简介

读了这篇文章的人还读了...