辅助驾驶24GHz和77GHz车用毫米波雷达传感器速度距离测量

辅助驾驶24GHz和77GHz车用毫米波雷达传感器速度测量比较，环境感知雷达对目标运动学参数的准确测量是实现智能网联汽车安全、高效驾驶的基本保障。现有主流的商用车载雷达传感器中，24GHz和77GHz毫米波雷达因工作频段和工作带宽的不同，在速度、距离、角度测量性能方面存在一定差异。为了评价24GHz和77GHz毫米波雷达传感器的速度测量性能，研制并搭建了一套基于虚拟仪器技术的毫米波雷达目标运动参数模拟校准装置，通过24GHz和77GHz两款毫米波雷达样品的速度模拟校准结果验证了模拟校准装置速度模拟的可行性和准确性。对两款车用毫米波雷达传感器的速度模拟校准结果进行了不确定度评估和比较，模拟校准结果和速度测量不确定度评估。

辅助驾驶以及自动驾驶已成为整个汽车产业的主流发展方向，环境感知是智能网联汽车实现安全、高效地自动驾驶的基本保障。其中，车载毫米波雷达由于具有全天候、全天时、技术成熟、高性能、低成本等优势，在智能网联汽车环境感知中发挥着不可替代的作用，如盲点检测、碰撞预警、变道辅助、自动泊车等辅助驾驶功能，是智能网联汽车与外界环境进行状态信息交互的重要环境感知传感器。目前已在智能网联汽车中大规模商用的车载雷达传感器主要有24GHz和77GHz两个频段的毫米波雷达。24GHz车用毫米波雷达传感器主要工作在24.05～24.25GHz频段范围内，工作带宽为200MHz，主要用于短距离测量，可感知车身周围环境（行人、车辆等）、盲点等，实现自动泊车、变道辅助等功能。77GHz毫米波雷达主要工作在76～77GHz频段范围内，工作带宽为1GHz，主要用于中长距离测量，可以实现自动跟车、自适应巡航、紧急制动等功能。

77GHz毫米波雷达更高的工作频率以及高达1GHz的工作带宽使其测速、测距的分辨力和准确性明显高于仅有200MHz工作带宽的24GHz毫米波雷达。此外，更易于集成的工艺尺寸也使77GHz毫米波雷达正逐渐代替24GHz毫米波雷达，成为智能网联汽车中的主流环境感知毫米波雷达传感器。目前国内外对毫米波雷达主要采用在封闭试验场和实际道路中的实车测试方法。由于在测试过程中缺少参考值且无法进行重复性试验，因此无法对各款商用毫米波雷达的测速值进行有效溯源和性能评价。为了评价24GHz和77GHz毫米波雷达传感器的速度测量性能，研制并搭建了一套基于虚拟仪器技术的毫米波雷达目标运动参数模拟校准装置（以下简称模拟校准装置），介绍了模拟校准装置的工作原理和设计思路，通过24GHz和77GHz两款毫米波雷达样品的模拟校准结果验证了校准装置速度模拟的可行性和准确性。通过对两款毫米波雷达样品的速度模拟校准结果进行不确定度评估，并对校准结果和不确定度评估结果进行了分析与比较，以评价24GHz和77GHz两款毫米波雷达样品的速度测量性能。

1模拟校准原理与装置
1.1模拟校准原理车用毫米波雷达传感器距离测量原理基于时间飞行法。fbtd雷达发射毫米波信号至被测目标，经目标反射后的信号重新被雷达接收，雷达接收的目标回波信号与发射信号经混频后得到拍频信号，拍频信号的频率与探测信号来回的飞行时间之间，B、分别为探测信号的扫频带宽和扫频周期；为雷达与被测目标之间的距离；为电磁波在真空中的传播速度。fdv当目标与雷达之间存在相对运动时，由于多普勒效应，雷达接收到的回波信号与发射信号的频率之间存在多普勒频移，并且与目标的径向速度之间满足，λ为雷达信号的中心波长。θ∆φθ若目标位置与雷达天线阵列法线不在同一轴线上，此时雷达接收到的回波信号与天线法向之间存在一个夹角，根据多天线干涉测角原理，雷达可以通过测量天线阵列相邻阵元之间的相位差来对目标的方位角度进行探测，D为雷达天线阵列相邻阵元之间的距离。根据车用毫米波雷达传感器的测量原理，模拟校准原理概述如下：将雷达发射的毫米波信号进行可控时延和可控频偏处理后，通过收发天线和上下变频器将处理后的回波信号重新发送至毫米波雷达进行接收，实现静态和动态目标的距离和速度模拟，从而对毫米波雷达的距离和速度测量性能进行模拟校准；采用转台使毫米波雷达与模拟目标回波信号的相位中心偏移指定的角度，从而对雷达角度测量性能进行模拟校准。

1.2模拟校准装置根据毫米波雷达的测量原理以及模拟校准原理，研制并搭建了一套基于虚拟仪器的模拟校准装置，可以实现对24GHz和77GHz毫米波雷达的距离、速度和角度测量性能的模拟校准。模拟校准装置主要包括硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括微波暗箱、目标速度与距离模拟、收发天线及上下变频器（24GHz和77GHz）、转台等模块。24GHz/77GHz毫米波射频前端上变频器&下变频器PXI控制器PXI射频矢量信号收发器(VST)可变时延发生器(VDG)可变时延发生器(VDG)扩展空间转台毫米波雷达微波暗箱目标速度与距离模拟器收发天线模拟校准装置总体结构图距离模拟范围5～300m距离模拟大允许误差±0.1m速度模拟范围−500～500km/h速度模拟大允许误差±0.1km/h角度模拟范围−180°～180°角度模拟大允许误差±0.3°(c)77G收发天线及变频器(a)微波暗箱(b)目标速度与距离模拟器(d)24G收发天线及变频器模拟校准装置核心硬件模块微波暗箱内部四周均贴有吸波材料，用于防止外部电磁干扰信号对内部校准环境的影响。目标速度与距离模拟器采用2块NI-5692可控时延发生器和1块PXIe-5840矢量信号收发仪，对接收到的雷达信号分别进行高精度可控时延和频移处理，实现两目标的速度和距离模拟功能。通过增加可变时延发生器和矢量信号收发仪的数量，目标模拟数量多可扩展至4个，从而满足车用毫米波雷达传感器多目标运动参数的模拟校准需求。收发天线及上下变频器用于接收毫米波雷达发射的射频信号，将该射频信号下变频至中频信号传输至目标速度与距离模拟器进行时延和频移处理，并将处理后的模拟目标回波信号经上下变频器上变频至射频信号后，发送给毫米波雷达来模拟经目标反射后的原始回波信号。根据毫米波雷达工作频段的不同，模拟校准装置配备了24GHz和77GHz两款收发天线及上下变频器，通过切换可实现对相应工作频段的毫米波雷达进行模拟校准。模拟校准装置的软件部分主要由控制计算机和控制软件组成，用于实现模拟校准装置的控制、参数设置等，控制软件采用LabVIEW编写，使用图形化编程语言G语言编写程序，以流程图或程序框图形式呈现，便于实现面向仪器的编程以及数据采集等。

2速度模拟校准结果及不确定度评估2.1速度模拟校准结果选择的两款24GHz和77GHz毫米波雷达样品的中心频率分别为24.125GHz和76.5GHz，扫频带宽分别为0.2GHz和1GHz。根据两款车用毫米波雷达传感器各自速度测量的分辨力与范围情况，分别选取若干参考速度值进行模拟测速校准试验，对每个模拟目标分别进行10次独立测量，可以看出：该77GHz毫米波雷达样品在1～120m/s（3.6～432km/h）测速范围内的模计量科学与技术拟测速误差均在±0.027m/s（±0.1km/h）范围内；而该24GHz毫米波雷达样品在20～200km/h测速范围内的模拟测速误差则均在±0.35km/h范围内；该款77GHz毫米波雷达样品在测速范围和模拟测速误差方面均优于该款24GHz毫米波雷达样品。本节主要从测量重复性、模拟校准装置的速度模拟误差、待校毫米波雷达样品的速度测量分辨力等方面，分析速度模拟校准结果的不确定度。毫米波雷达的模拟测速误差∆v可表示为：∆v=v−v0（4）vv0式中，为待校毫米波雷达得到的速度测量值；为模拟校准装置所生成的模拟速度值。以表2中50.00m/s（180.0km/h）和表3中180.0km/h同一模拟速度点为例，分别评估77GHz和24GHz毫米波雷达样品的速度模拟校准结果。

2.2.1速度模拟校准结果A类不确定度评估µA1µA2根据测量结果不确定度的分类与评估方法，采用贝塞尔法估计校准结果的标准偏差，从而得到待校77GHz和24GHz毫米波雷达模拟测速结果的A类不确定度，分别记为和。¯v177GHz毫米波雷达10次测量值的佳估计值为：¯v1=11010∑i=1vi=49.985m/s（5）¯v224GHz毫米波雷达10次测量值的佳估计值为：¯v2=11010∑i=1vi=180.08km/h（6）s1(vi)s2(vi)由贝塞尔法估计标准偏差，两款雷达的实验标准差分别为和：s1(vi)=1910∑i=1(vi−¯v1)2=0.0052m/s（7）s2(vi)=1910∑i=1(vi−¯v2)2=0.20km/h（8）故77GHz毫米波雷达和24GHz毫米波雷达模拟测速试验结果的A类不确定度分别为：µA1=s1(vi)√10=0.0016m/s（9）µA2=s2(vi)√10=0.07km/h（10）2.2.2速度模拟校准结果B类不确定度评估1)目标速度与距离模拟器引入的不确定度根据表1，目标速度与距离模拟器速度模拟的大允许误差为±0.1km/h（±0.03m/s），以矩形分布估计，模拟器对测量结果引入的不确定度为：µb1=0.03√3=0.018m/s（11）µb2=0.1√3=0.058km/h（12）2)待校雷达测速分辨力引入的不确定度由该款77GHz毫米波雷达技术手册可知，雷达的测速分辨力为0.01m/s，以矩形分布估计，雷达测速分辨力对测量结果引入的不确定度为：µb3=0.012√3=0.0029m/s（13）24GHz毫米波雷达的测速分辨力为0.1km/h，同样以矩形分布估计，24GHz雷达测速分辨力对测量结果引入的不确定度由于上述各不确定度分量之间是相互独立的，因此可求得77GHz车用毫米波雷达传感器模拟测速结果的B类不确定度。

2.2.3速度模拟校准结果合成标准不确定度在上述各不确定度分量评估的基础上，由不确定度的合成方法可以得到77GHz雷达在50m/s模拟速度点上的合成标准不确定度为：µc1=√µ2A1+µ2B1=0.019m/s（17）同理可得到24GHz雷达在180km/h模拟速度点上的合成标准不确定度为：µc2=√µ2A2+µ2B2=0.10km/h（18）2.2.4速度模拟校准结果扩展不确定度评估tk=2当置信水平为0.95时，上述不确定度来源向测量结果引入的总误差服从分布，所对应的置信因子，故77GHz车用毫米波雷达传感器在50m/s模拟速度点上的扩展不确定度为：U1=k·µc1=0.038m/s（19）同理可求得24GHz雷达在180km/h模拟速度点上的扩展不确定度为：U2=k·µc2=0.20km/h（20）2.3速度模拟校准结果分析与不确定度评估比较从上述速度模拟校准结果可以看出，测量结果的不确定度来源有多种，并且不同种类的来源对测量结果产生的不确定度也有差异，具体分析如下：1）77GHz毫米波雷达样品速度分辨力为0.01m/s，测速范围为1～120m/s（3.6～432km/h）；24GHz毫米波雷达样品速度分辨力为0.1km/h，测速范围为20～200km/h；两款毫米波雷达样品在50m/s（180km/h）模拟速度点上由于测量重复性引入的不确定度分量分别为0.0016m/s（0.006km/h）和0.07km/h，扩展不确定度分别为0.038m/s（0.14km/h）和0.20km/h(k=2)，证明了该款77GHz毫米波雷达样品在速度测量的分辨力、重复性、测速范围和准确性等方面均优于该款24GHz毫米波雷达样品。2）77GHz毫米波雷达样品速度模拟校准结果的不确定度主要集中在B类不确定度，相比之下，A类不确定度较小，这说明模拟校准装置所生成的模拟目标状态稳定，待校77GHz毫米波雷达样品重复测量得到的数据也是准确、可靠的，验证了模拟校准装置速度模拟的重复性。3）为了提高毫米波雷达速度模拟校准的准确性，应当尽量降低B类不确定度，如选择速度模拟误差更小的模拟器等。待校雷达本身的测速分辨力也属于B类不确定度，因而模拟测速结果的不确定度大小同时也反映了待校雷达本身测速性能的优劣。3结论目前已在智能网联汽车中大规模商用的车载毫米波雷达传感器主要包括工作在24.05～24.25GHz频段的24GHz毫米波雷达和工作在76～77GHz频段的77GHz毫米波雷达。采用自主研制并搭建的一套基于虚拟仪器技术的毫米波雷达目标运动参数模拟校准装置分别对24GHz和77GHz毫米波雷达样品的测速性能进行速度模拟校准试验，并对试验结果从测量重复性、模拟校准装置的速度模拟误差、毫米波雷达样品的速度测量分辨力等方面进行不确定度评估。速度模拟校准结果及其不确定度评估验证了模拟校准装置速度模拟校准功能的可行性和有效性，以及77GHz毫米波雷达样品在测速分辨力、重复性、测速范围和准确性等方面均优于24GHz毫米波雷达样品。为实现车用毫米波雷达传感器更加全面的模拟性能校准，下一步将继续推进毫米波雷达距离和角度测量的模拟校准试验和性能评价，以满足毫米波雷达传感器全量程、大样本、高精度的目标运动学参数校准需求。