汽车雷达罩测试仪助力自动驾驶
文章来源：AI《汽车制造业》
发布时间：2021-09-18
自动驾驶汽车通过传感器感知这个世界，其理念高度依赖于传感器的可靠性。然而，雷达 传感器能否达到性能要求，很大程度上取决于其安装情况。新的测试仪提供了必要的洞察力。
先进的驾驶辅助系统能够协助驾驶操控，并 提高道路安全性，如今的入门级汽车普遍配备了 这种系统，在汽车领域已屡见不鲜。全自动驾驶 车辆（包括试验车辆）越来越受到关注，在发生 交通事故时尤为如此。这些复杂的系统离批量生 产还有很长的路要走，但可以肯定的是，它们在 不久的未来就将成为现实。
用于探测附近目标的传感器是自动驾驶车辆 的关键部件。这些传感器包括摄像头和激光雷达， 但以毫米波雷达传感器为主。汽车雷达每年的产 量数以百万计，这些传感器在高端车辆上是标准 配置。如今，汽车雷达传感器主要用于提高驾驶 舒适性和预防交通事故。支持自适应巡航控制的 雷达传感器大多工作在76～77 GHz的频率范围内 （1 GHz 带宽），以感应前方远距离的其他车辆和 物体。传感器的高级功能，尤其是感应附近目 标的功能（如变道辅助和盲点检测）需要更大 的带宽来实现更高的距离分辨率，这些要求可 以在 77 ～ 81 GHz 的频率范围内得到满足。此 外，汽车频段扩展至 81 GHz 还有助于减少无线电 干扰。
更多出于外观而非功能上的考虑，汽车雷达往 往会安装在雷达罩（雷达天线罩）背后，射频信号 能透过其材料进行传输。汽车车标就经常用于这一 用途，而保险杠也是很好的雷达藏身之处。过去， 车标的主要作用是宣传品牌，并没有什么其他重要 用途。而现在，雷达罩这一用途使得车标更多地承 担了射频组件的功能。如果在设计中没有考虑到这 一点，就会对车标背后雷达的探测性能和准确性产 生非常不利的影响。
具体来说，如果品牌车标三维形状的局部材料 厚度发生了变化，可能会对工作于毫米波频带的雷 达射频性能造成严重问题，而保险杠通常涂有金属 漆面，可能导致高频衰减。因此，为了确保雷达的 可靠性，必须验证雷达罩的材料特性，并检查其对 雷达信号的影响。自动驾驶不允许汽车传感器中存 在任何不确定性和风险，原因在于由此产生的任何 误差都无法通过后续处理得到充分纠正。因此，主 机厂及其供应商需要新的测量手段来评估雷达罩的 雷达一致性。
汽车雷达传感器主要采用调频连续波 (FMCW) 信号。由于传播延迟和多普勒频移的存在，传感器 可以测量和分辨多个目标的距离和径向速度。根据 天线阵列特性的不同，还有可能测量和分辨方位角 甚至仰角。经过检测和跟踪后，传感器会对信号进 行处理，生成包含被测物体位置和速度以及类型信 息（行人还是汽车等）在内的目标列表。此列表会 发送到车辆的电子控制单元，用于对车辆的操控做 出实时决策。因此，这些数据的准确性和可靠性对 车辆及乘客的安全至关重要。
雷达的精度取决于多种因素，包括硬件组成、 软件处理和雷达回波本身。信噪比 (SNR) 低的回波信号，其参数的测量精度不及 SNR 较高的回波信号。此外，雷 达罩的多径传播和失真等效应也 会对测量精度产生巨大影响。方 位角的测量如果不准确，会导致 目标出现偏离实际位置的情况。如图 1 所示，哪怕雷达传感器的 角度测量误差仅有 1°，也会导 致 100 m 远的目标出现 1.75 m 的横向偏移。这一偏移量可能会 导致目标被解读为处于另一条车 道上。为确保运行的可靠性，这 一级别距离下的角度测量误差必 须远小于 1°。
图 1 由于方位角测量误差，目标定位错误，自动驾驶车辆 控制器可能会做出致命操作
图 2 展示了在对真实汽车 部件进行的测量中，方位角偏移 所产生的影响。在一款现成的商 用车载雷达前出现了一个静态目 标，距离为 12.4 m，方位角为 11.5°。图 2 展示了不同的雷达 罩会对雷达散射截面积和入射角 产生怎样的影响。
图 2 不同雷达罩对雷达散射截面积 (RCS) 和入射角的影 响，不合适的雷达罩会导致角度误差
蓝色数值（即不带雷达罩的 数值）可作为对比。可以看出， 如果使用了合适的雷达罩（红 色），就不会对预估的入射角产 生任何影响。但受到双程衰减的 影响，雷达散射截面积明显减小 （示例中约为 2 dB）。如果使用了 不合适的雷达罩（橙色），则平均 雷达散射截面积较对比测量的结 果降低约 4 dB，因而会难以检测 到弱反射目标。不合适的雷达罩 对入射角检测的影响也同样显而 易见。入射角不再显示为恒定的 11.5°，而是在 11.5°和 11.7° 间交替，导致信号处理单元无法 获得准确的测量值。若使用这种 雷达罩，汽车雷达就无法达到 0.1°的目标精度。
现代雷达传感器会在接收机 前端配备阵列天线，从而能够根 据相控阵天线波束成形所测得的 相位和振幅比来确定方位角（有 时也包括仰角）。为了获得最优 的方位角精度，每个雷达传感器 都必须单独校准。雷达校准的常 用步骤：首先，将传感器安装到 电波暗室的转台上，此时，通常 会使用已知距离处的远场角反射 器作为参考目标；然后，测量雷 达天线方向图，并将结果存储在 传感器的存储器中，该信息后续 将用于检测算法，信号处理期间 会进行校正计算，并会在运行过 程中进行校正。
主机厂将校准后的雷达传感 器集成到车内，通常位于车标或 保险杠背后。由于信号在到达目 标和反射途中一定会穿过雷达罩 材料，因此会导致射频传输衰减 2 次。这一问题会缩小雷达的探 测范围，根据信号传播定律，发 射信号的功率与距离r 的平方成 反比，也就意味着在往返的过程 中，信号功率会以 1/r4 的系数减 少。对于一台 77 GHz 的雷达， 搭配 3 W 输出功率、25 dBi 天线 增益、10 m² 雷达散射截面积的 目标以及 -90 dBm 的信号检测 阈值，根据公式计算，该配置下的最大探测距离为 109.4 m。如果雷达罩的双程衰减达到了 3 dB，那么同一款雷达的最大探 测距离将减少 16%，仅有 92.1 m。
然而材料衰减并不是影响雷 达性能的唯一因素。雷达罩材料 的反射率和均匀性也同样重要。基底材料的反射（如涂料中金属 颗粒的反射）和射频失配会在雷 达罩内，即在靠近传感器位置产 生干扰信号。上述干扰信号会被 接收和下变频至接收机链路，从 而降低雷达探测灵敏度。许多主 机厂都试图通过倾斜雷达罩将发 射的雷达信号反射到其他地方， 而不是直接返回接收机前端，从 而减轻了这种影响。由于本身设 计的局限性，这种解决方案无法 消除射频能量损耗而引起的寄生 反射。
另一个问题在于材料的不均 匀性，如杂质和密度变化，会干 扰出射和入射波。失真的波阵面 会导致角度测量的准确性降低。由于校准后的雷达可能安装在不 同厂家生产的雷达罩背后，因此 通过校准雷达传感器无法消除这 一影响。
雷达罩制造商通常会使用参 考雷达（标准设备）来测试产品。在此类测试中，角反射器会安装 在雷达前方预先规定的距离和方 位角处（图 3）。然后在有雷达罩 和无雷达罩的情况下进行差分测 量，从而进行比较。当由雷达信 号和回波信号电平确定的距离和 方位角都在规定的限值内时，雷 达罩就可通过测试。但这种方法 仅适用于检查特定的方位角，很 容易漏掉雷达罩中的问题区域。
另一种测量方法的操作方式 类似，但只需要一个反射器。这 种方法将雷达传感器和雷达罩安 装在转台上，在不同的角度重复 进行测量，然后将转台上（地面 实况）读到的实际角度与雷达测 得的角度进行比较。该方法的准 确度与转台的定位精度相当。但 这种测试占用的时间较长，不适 用于生产线测试。
优质的 R&S® QAR 汽车雷达 罩测试仪（图 4）克服了传统方 法的局限性。不同于传统的配备 微型天线阵列的标准设备，该产 品使用了大型的面板，配备数百 个发射和接收天线，工作频率覆 盖 75 ～ 82 GHz ，扩展了的汽车 雷达频率范围。测试仪所“看到” 的好比于配备了数百根天线的汽 车雷达所能看到的。但借助于巨 大的孔径，测试仪能够以更高的 分辨率（毫米级精度）测量距离、 方位角和仰角。这样高的分辨率 能够将测量结果（即反射率）呈 现为 X 射线图像，即便测试和 测量经验有限的人员也能立即进 行质量评估。与真实的雷达测量 不同，测定雷达罩的特性无需耗 时的测量程序，与相机拍照类似， R&S® QAR 在一次采样中即可获得 结果。
图 4 优质的 R&S® QAR 汽车雷达罩测试仪，被测器件安 装在台面前端，台面上的蓝色单元包含了用于传输测量的 毫米波发射单元选件
被测的雷达罩需放置在面板 前方的指定区域。测量项目有两 种，一种是测定被测器件的反射 率，另一种是测定其透波率。
首先是为了确定雷达罩材料 反射了多少能量而测量反射率， 即无法通过雷达罩的能量。反射 会降低雷达性能，甚至如上文所 分析的，会影响雷达正常工作。由于各种原因，如材料缺陷、气泡杂质及不同材料层间多余的 相互作用或材料成分过量，某 些区域可能具有更高的反射率。这种测量方法会根据幅度和相 位，将所有反射信号进行关联， 从而获得空间分辨测量结果。可视化的测量结果实现了对被 测器件的反射行为进行直观且 定量的评估。
出于演示的目的，我们专门 制作了一个演示用的雷达罩，其 中包含打磨成不同厚度的罗德与 施瓦茨公司徽标。图 5 中的高分 辨率雷达图像展示了被雷达罩遮 盖的雷达传感器能看到什么。亮 度等级代表了其反射率。区域的 亮度越高，表示反射的雷达信号 越多。金属物体显示为白色（四 个角上的螺丝）。清晰可见的徽 标轮廓表明整体图像的局部反射 率较高，且分布非常不均匀。徽 标中多出 0.5 mm 厚度的区域足 以大幅降低雷达在道路上的性 能。在本示例中，通常用于安装 传感器的雷达罩中间区域，其平 均反射率为 -11.0 dB，标准方差 为-18.2 dB。在许多应用场景下， 这一数值明显超出了雷达可靠运 行的范畴。在具体实践中，预期 反射率取决于雷达单元的灵敏度 和要覆盖的最大探测范围。
其次是测量雷达罩材料的 频率匹配和衰减。位于被测器 件（图 4）背后的发射单元会扫 描整个工作频率范围。这一测 量方式实现了对雷达罩传输频 率响应的精确评估。频率响应 能够提供雷达工作频率范围内， 关于被测器件射频匹配的详细 信息。该信息与雷达单元所使 用的实际信号波形无关，因此 适用于能够安装在雷达罩背后的所有类型的雷达。图 5 中右侧的图 表展示了演示用雷达罩的测量结果。由于该雷达罩在 76 ～ 79 GHz 频率 范围内具有很高的带内波动，因此不 适合于该频段的雷达。
图 5 高分辨率毫米波反射图像（左）和单向衰减（右），徽标中的 蓝色轮廓代表了测试发射机或雷达的辐射散射截面积。该面积可用 于进行评估
汽车工业中一个真实的 3D 雷达 罩上所进行的传输测量得到了类似的 锯齿状曲线，如图 6 所示。该雷达罩 存在下列多种性能问题：处于 71 GHz 左右频率范围的匹配性能，其适用性 不及 76 GHz 频段。这种情况通常由 于雷达罩某些材料层的厚度增加而引 发。79 GHz 频段不稳定的衰减变化表 明驻波比显著增加。这种情况表明雷 达罩的边界处存在反射，并且具有很 强的干扰影响。整体单向衰减相对较 高，导致探测范围明显缩小。
图 6 对具有复杂 3D 设计的商用多层雷达罩进行传输测量
自动驾驶要求雷达对周围区域目 标的探测必须可靠，不得有误差。可 靠性能否得到保障，不仅取决于雷达 的质量，更取决于其安装情况。雷达 通常安装在品牌车标或保险杠背后。这些车身部件（雷达天线罩）会导致 信号降低以致无法探测到目标或探测 到目标在错误的位置。如今，此类部 件不仅要满足其最初的用途，还要具 有规定的射频特性。为了验证这些特 性，需要准确实用的测量方法。R&S® QAR 测试仪提供了一种速度和 效果都优于标准设备的汽车雷 达罩质量评估方法。R&S® QAR 能够测量被测器件的透波率， 揭示雷达罩设计的基本适用性， 同时还能测量反射率，形成 X 射线的可视化图像，即便不是 专业人士也能够可靠地对产品 进行通过或不通过的评估，尤 其适用于生产线终端测试。
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