深度解析智能汽車?yán)走_(dá)測試解決方案

隨著無人駕駛技術(shù)發(fā)展勢如破竹，被稱為“汽車之眼”的雷達(dá)用量也持續(xù)迅猛增長。未來的車輛可能使用多達(dá)八個雷達(dá)傳感器，為汽車提供360度全景視圖。雷達(dá)技術(shù)復(fù)雜度不斷增加，也使得測試?yán)щy重重。但有了NI車載雷達(dá)測試系統(tǒng)（VRTS）之后，這都不是事兒。馬上跳轉(zhuǎn)到《微波雜志》2018年3/4月刊，聽NI技術(shù)專家Matt Spexarth談?wù)動脮r最少，測試成本最低的解決方案~

與其他傳感技術(shù)相比，雷達(dá)具有多種優(yōu)勢，這些優(yōu)勢確保其在汽車主動安全和自動駕駛中的作用將在未來得到充分發(fā)揮。雷達(dá)可以通過被探測物體的雷達(dá)多普勒頻移特征來實(shí)時探測被探測物體的速度，而且適用于雨、霧、雪等惡劣天氣條件。這些優(yōu)勢促使汽車制造商越來越多地采用雷達(dá)。

在美國，美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）與20家汽車制造商達(dá)成協(xié)議（這些汽車制造商占了99％以上的美國市場），自愿為2022年之前的所有量產(chǎn)汽車配備自動緊急制動（AEB）系統(tǒng)，AEB是一項(xiàng)基于雷達(dá)的安全功能。隨著汽車從高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）演變?yōu)橥耆詣玉{駛，雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭等傳感器成為確保車輛能夠準(zhǔn)確感知周圍環(huán)境的關(guān)鍵輸入設(shè)備，為車輛提供了所需的信息來做出決定。

汽車?yán)走_(dá)的發(fā)展和進(jìn)步給雷達(dá)傳感器的測試和驗(yàn)證帶來了諸多挑戰(zhàn)，簡而言之，可以歸納為兩大挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)1：滿足現(xiàn)代汽車?yán)走_(dá)日益增長的技術(shù)要求

第一個挑戰(zhàn)的核心是滿足測試現(xiàn)代汽車?yán)走_(dá)日益增長的技術(shù)要求，同時保持或降低生產(chǎn)測試成本?，F(xiàn)代雷達(dá)傳感器通常需要76 GHz至77 GHz的1 GHz帶寬，而且很少有公司具備在此頻率范圍內(nèi)構(gòu)建測試系統(tǒng)的專業(yè)知識。更高帶寬的傳感器提供更高的分辨率，而雷達(dá)制造商已經(jīng)開發(fā)了帶寬接近4 GHz，中心頻率為79 GHz的傳感器，這使得測試更具挑戰(zhàn)性。

早期的雷達(dá)測試方式是什么？

雖然未來雷達(dá)傳感器的技術(shù)不斷提高，但測試這些傳感器的時間和成本必須進(jìn)行優(yōu)化，以滿足價格和數(shù)量要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的廣泛采用。早期的雷達(dá)傳感器制造商使用大型無回波射頻室和角反射器來測試和校準(zhǔn)模塊的功能。這些測試室通常3或5米長，占用大面積的制造空間。為了減少占地面積，雷達(dá)功能測試演變?yōu)槭褂?a href="http://www.ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬延遲線來模擬遠(yuǎn)距離雷達(dá)障礙物，然后由第二個測試站進(jìn)行雷達(dá)參數(shù)測量。

最新最便捷的雷達(dá)測試系統(tǒng)VRTS

NI車載雷達(dá)測試系統(tǒng)（VRTS）等專用系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展了雷達(dá)功能測試。VRTS是一款混合模擬器，內(nèi)置有矢量信號收發(fā)儀（VST），通過高性能低延遲的FPGA將儀器級矢量信號分析儀與矢量信號發(fā)生器集成在一起（見圖1）。

該方法通過將功能測試（對象模擬）和參數(shù)測試組合到單個測試裝置中來集成雷達(dá)模塊生產(chǎn)測試單元。這一組合減少了制造車間的占地面積，并消除了在測試站之間轉(zhuǎn)換雷達(dá)模塊的開銷，不僅提高了吞吐量，也為其他測試裝置騰出了空間。

圖1. NI車載雷達(dá)測試系統(tǒng)框圖。

挑戰(zhàn)2：對傳感器內(nèi)日益復(fù)雜的軟件進(jìn)行驗(yàn)證

除了汽車?yán)走_(dá)測試的更高頻率和帶寬要求之外，測試未來雷達(dá)傳感器的下一個挑戰(zhàn)是對傳感器內(nèi)日益復(fù)雜的軟件進(jìn)行驗(yàn)證。具有1 GHz或更高帶寬的雷達(dá)傳感器會產(chǎn)生大量的原始數(shù)據(jù)。為了避免車輛的通信總線和ECU超負(fù)荷，雷達(dá)傳感器也配備了一個處理器，可以將數(shù)據(jù)縮減為概要快照。

雷達(dá)通過傳感器當(dāng)前跟蹤的所有對象的摘要定期發(fā)送參數(shù)化對象表。每個物體都包含距離、速度、雷達(dá)截面（RCS）、物體ID和置信度（衡量雷達(dá)物體存在的可信度）信息。雷達(dá)的軟件會檢測這些物體并跟蹤它們的實(shí)時動作。軟件算法會尋找不一致性，例如障礙物正在遠(yuǎn)離傳感器，但其多普勒特征卻指示其正在接近。

使用緊湊型雷達(dá)測試系統(tǒng)可以讓軟件開發(fā)人員立即快速驗(yàn)證軟件更改

在實(shí)驗(yàn)室中，工程師必須驗(yàn)證這些算法和實(shí)現(xiàn)這些算法的軟件。這些算法的車內(nèi)現(xiàn)場測試非常重要，但使用緊湊型雷達(dá)測試系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測試可以讓軟件開發(fā)人員立即快速驗(yàn)證軟件更改。

結(jié)合用于移動雷達(dá)模擬天線的機(jī)電一體化組件，VRTS等系統(tǒng)可以生成標(biāo)準(zhǔn)化的雷達(dá)環(huán)境來描述和驗(yàn)證雷達(dá)傳感器軟件，包括模擬在駕駛測試中很難模擬或者很危險的極端場景?；谀M器的實(shí)驗(yàn)室測試對于保證汽車?yán)走_(dá)傳感器設(shè)計(jì)的創(chuàng)新步伐至關(guān)重要。

通過雷達(dá)仿真系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證

在整個ADAS或自動駕駛系統(tǒng)中，工程師還必須考慮通過雷達(dá)仿真來進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證測試。這些系統(tǒng)越來越依賴于傳感器的組合，包括相機(jī)、激光雷達(dá)和雷達(dá)。驗(yàn)證自動緊急制動等ADAS功能的整體性能越來越多地利用傳感器融合技術(shù)，通過兩個或更多傳感器的組合來提高障礙物檢測的質(zhì)量或置信度。例如，如果ADAS雷達(dá)傳感器“看到”障礙物，但攝像機(jī)卻指示路上空無一物，則ECU可以將雷達(dá)檢測到的障礙物視為幻影或干擾。

圖2.驗(yàn)證用于ADAS和自動駕駛的軟件需要同步仿真多個汽車傳感器，以便汽車“認(rèn)為”它在真實(shí)環(huán)境中駕駛。

當(dāng)這些功能的測試上升到系統(tǒng)級時，工程師需要一個測試平臺來支持大量同步傳感器仿真，以模擬車輛感測到的整個周邊環(huán)境。由于VRTS等系統(tǒng)是基于模塊化自動化測試設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)PXI-Express上，工程師可以通過添加額外的PXI模塊（如NI FlexRIO）來支持額外的傳感器，以模擬與雷達(dá)仿真同步的數(shù)字相機(jī)輸入。

最后，先進(jìn)的雷達(dá)調(diào)制技術(shù)將對汽車?yán)走_(dá)測試的未來產(chǎn)生影響。調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)一直是汽車?yán)走_(dá)的典型代表。雷達(dá)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在正在尋找使用MIMO天線來增強(qiáng)汽車?yán)走_(dá)功能，以精確檢測障礙物高度，甚至提供類似于攝像頭的光柵圖像。

雷達(dá)傳感器研究人員發(fā)現(xiàn)采用與蜂窩通信中常用調(diào)制方案類似的調(diào)制方案可以獲得更高的性能。這些方案可以將分配給汽車?yán)走_(dá)的頻譜信道化，使MIMO雷達(dá)能夠?qū)Σ⑿邪l(fā)射和接收路徑之間的單個雷達(dá)反射進(jìn)行。這種方法有望改善雷達(dá)分辨率和視場，同時增強(qiáng)雷達(dá)對其他車輛干擾的抵抗力。相應(yīng)地，雷達(dá)測試系統(tǒng)也必須越來越復(fù)雜。

在這些成像雷達(dá)的分辨率下準(zhǔn)確模擬障礙物可能需要解調(diào)單個雷達(dá)信道，對每個發(fā)射信道應(yīng)用距離、多普勒和RCS障礙效應(yīng)，并按照原始方案調(diào)制每個信道，然后將該障礙物信號反射回傳感器 - 全部以光速往返。這些要求給雷達(dá)測試供應(yīng)商和供應(yīng)商帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，亟需具有極高信號處理能力的高帶寬低延遲系統(tǒng)架構(gòu)。