小技巧 | 自动驾驶汽车雷达仿真

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自动驾驶汽车依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人类主动操作下，自动安全地操作机动车辆。自动驾驶汽车依赖汽车传感器（充当控制系统的“视觉”和“听觉”，能够感知车辆操作特性及其周围环境）的持续发展，这些传感器能够为车辆控制系统提供有关车辆周围环境当前及不断发展状态的数据，车辆操作与安全性都取决于传感器系统的准确度。

汽车传感器主要分为四种类型，分别是可见光谱摄像机、激光测距仪（激光雷达）、超声波传感器和射频测距传感器（射频雷达）。射频雷达采用毫米波频率检测远程物体与障碍物，以及跟踪车辆周围环境中不同行为者（如行人、其它车辆、护栏等）的速度与方向。

1、毫米波雷达工作原理

毫米波雷达发出和接收的实质是电磁波，频率范围在10GHz-200GHz之间，属于微波的范畴，波长在1mm-1cm之间，毫米波的这个频段和波长范围及特性适合车载雷达的应用，如侧向警示、倒车警示等。毫米波雷达对方位的探测，原理就是使用较窄的波束，因为目标出现在大范围波束中无法精确判断方位。手段就是利用毫米波雷达波长短的特性，大量使用阵列天线来构成窄波束，有效提高了方位精度。

2、毫米波雷达分类

目前汽车毫米波雷达频率分为24GHz，77GHz至79GHz三种频段，根据频段又分为短程雷达（SRR）、中程雷达（MRR）、远程雷达（LRR），不同距离的具体功能可见下图。

3、雷达传感器的快速发展

高性能雷达设计首先从天线入手-天线是传感器和它所感应的环境之间的接口。理想情况下，这些天线系统必须以预期的覆盖角度将能量集中到一个方向上。天线必须高效辐射，才能避免能量消耗到天线本身或传感器封装材料上，不应由于发射功率放大器不匹配而损失能量。

雷达仿真可用于设计单个雷达组件（天线与阵列），研发包含所有雷达装置和车辆的系统，甚至能够扩展到包含多个雷达系统、车辆本身及其环境的虚拟系统-即数字原型。高效建模与仿真可带来众多机遇，为雷达传感器的设计与研发节省时间和成本。工程师利用仿真可以：

快速调整天线结构，无需实际制造反复测试。
高效地测试天线替代方案，以了解其在结构与环境条件下的行为。
以最少的精力和成本优化单元和多通道天线阵列。
最后只需要构建一个用于测试的原型。

4、雷达天线仿真流程

（1）ANSYS HFSS可用于快速优化天线单元的正确尺寸。

（2）一旦将辐射结构单元的设计优化到预期频率，就可以快速、自动布置全尺寸阵列。仿真采用高度可扩展的自动化技术，能确定到空间辐射覆盖范围和阵列辐射功率效率所需的最小结构单元数量。

（3）当阵列设计满足性能要求时，则可添加制造细节（通孔、金属厚度、将功率耦合到波导管的结构等），以仿真逼真材料和制造工艺。数字探索试验设计（DoE）可以和预期制造工艺容差对比运行，从而评估此阵列的制造良品率。下图显示为所有阵列单元通电时的仿真远场辐射图。

（4）研究封装和外壳的效应，可了解其对传感器性能的影响。封装内部和附近的金属会对阵列产生电磁耦合，这可能劣化阵列满足辐射规范的能力。此外，天线罩和其它非金属封装的邻近效应也会产生影响。在构建物理原型之前，工程师可在仿真模型中确定和修复这些影响。

（5）另外，工程师还可考虑影响封装传感器性能的环境因素，如雨、冰、灰尘或其它物质等。在此次仿真中，工程师对雷达封装上薄薄的一层（0.1mm）水或冰进行了研究，结果表明水对主波束增益的影响甚微，但是旁瓣电平增加了4dB。通过了解不同环境条件下的性能，工程师可优化阵列设计并在原始设计中构建适当裕量。

5、将雷达集成到汽车上

在完成传感器设计后，必须将其安装到车辆中，以进行评估。许多雷达传感器阵列模型被安装到汽车格栅中，ANSYS HFSS SBR+射线跟踪法EM场求解器可用于对安装的相互作用进行建模。在正确的安装位置显示了用于雷达传感器天线系统的HFSS有限元仿真，在80度出口角显示了HFSS SBR+仿真所用的射线子集。

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来源：艾羽科技

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首次发布时间：2023-04-29