雷达天线系统中的测量仪器（四）
本文摘要：（由ai生成）
雷达目标模拟器（RTS）是用于验证被测雷达（RuT）性能的重要工具，通过生成合成雷达信号回波模拟虚拟目标。Keysight E8718A RTS特别适用于自动驾驶汽车雷达传感器的测试和验证，能模拟复杂的交通场景。RTS可模拟目标的距离、速度、电磁反射率（RCS）和角度位置，支持模拟和数字两种系统构成方式。角度估计可通过机械旋转RTS系统、旋转传感器或使用多天线实现。Keysight E8718A RTS系统基于Xilinx的ZCU111评估板，采用Zynq Ultra Scale+ XCZU28DR射频片上系统（RF SoC），结合FPGA进行信号处理，确保精确的信号模拟与高效的测试验证。此外，其模块化的架构支持多通道操作，适用于多种雷达传感器测试需求。
主要介绍雷达目标模拟器（Radar Target Simulator，RTS）。
Keysight E8718A RTS
RTS系统的基本思想是通过创建由一个或多个虚拟雷达目标组成的环境来验证被测雷达（RuT）的性能。因此，RTS生成合成后的雷达信号回波，并将其发射到RuT，RuT将其识别为真实物体的反射。为了产生这些人工回波，RTS系统接收RuT发出的雷达信号，根据所需的目标特性对其进行下变频和修改，然后向上变频并将其重新传输到RuT。雷达信号的修改可以使用模拟或数字系统结构来实现。在一些替代解决方案中，输入信号不会被修改，而是通过与所需目标属性相对应的改变进行分析和重新合成。 雷达目标仿真器主要用于三种不同的应用。
第一个是线下生产测试，作为雷达厂商出货性能检测的一部分，其作用是校准雷达传感器并在最终组装后验证其功能。另一个是直接在雷达传感器硬件上实现的ADAS功能。在这种情况下，RTS系统提供了一个强大的调试工具，可以在验证软件功能的同时，并使用合成雷达回波对RuT进行激励。在此应用中，传感器是独立测试的。相比之下，第三个应用涉及集成在自动驾驶汽车中的雷达传感器的就地验证，包括与其连接设备的交互。为此，将被测车辆（VuT） 放置在连接到虚拟车辆环境（VVE）模拟的测试台上，其中模拟了汽车所承受的扭矩、转向、俯仰和侧倾力并通过电动机施加到测试台上的 VuT，其行为响应被回馈到VVE模拟中。VuT的集成雷达传感器由RTS系统激励，该系统接收它应该从 VVE 模拟中模拟的虚拟雷达目标列表。用于此应用的RTS系统必须能够同时生成多种不同的合成雷达回波，以模拟复杂的交通场景，从而满足ADAS验证测试的要求。该装置被称为车辆在环测试系统，可以通过部署在实际操作现场的雷达传感器对自动驾驶功能进行整体验证。如图1所示。
图1：用于ADAS验证测试的在环测试台中的RTS系统
目标生成方法
雷达目标具有四种不同的特性：距离、速度、电磁反射率（RCS）和角度位置。这些特性对应于雷达传感器的接收信号与发射信号相比在延迟、多普勒频移、幅度和RuT天线组件之间的相位偏移方面的变化。因此，RTS系统必须模拟所有这些信号并处理，才能生成虚拟雷达目标。1.距离、多普勒和RCS模拟
正如前面所述，RTS系统通过接收RuT发射的雷达信号，并发射处理后的信号，处理后的信号既可以是通过调整RuT发射的输入信号参数（修改模式），也可以是通过分析处理后重新合成的新信号（重新合成模式）。修改模式可以分为两种不同的实现，仅在目标范围的模拟上有所不同。第一种方式是通过延迟输入的雷达信号来模拟目标属性，其延迟量与在自由空间中传播到实际目标一致。因此，RTS 需要应用的所需延迟为：
trts=2Rsim/c0
其中 Rsim 描述了模拟目标的范围。
第二种方法利用了FMCW和chrip序列雷达接收机将信号延迟转换为拍频。因此，将RTS上输入雷达信号的频率通过
fR,rts=B*trts/Ts=2*B*Rsim/Tsc0
能够直接控制拍频信号的频率，随后由雷达换算为目标范围。对于两种方法，RCS的模拟和虚拟目标的速度是相同的。后者是通过
fD,rts=2*fcr*vsim/c0
这对应于信号从真实目标反射时形成的多普勒频移。通过对输入的雷达信号进行衰减或放大来模拟目标的RCS，RTS系统接收器的信号功率与RuT的距离为Rc，接收和发射天线增益为Gfe
Prts,rx=Ptx*G*Gfe*Grts*λ^2/(4π)^2*Rc^4
当将上式的功率等同于真实目标引起的接收功率时，可以推导出在Rsim距离处模拟RCS为σsim 的虚拟目标所需的目标仿真器提供的增益
Grts=σsim4πRc^4/Rsim^4Gfe^2λ^2
重合成模式
重合成模式需要分析输入的雷达信号并提取某些信号参数，即Chirp的斜率B。Ts 和重复时间Tc 以及开始和停止频率。基于这些，合成了一种新的Chirp信号，该信号根据模拟虚拟目标的速度和RCS所需的频率和幅度修改进行了改变。创建的新信号也可以是许多虚拟目标的迭加。信号在时间和周期上与输入的雷达信号同步，并以与目标范围相对应的延迟向RuT传输。角度模拟
虚拟雷达目标角位置的仿真与上面讨论的距离、速度和 RCS 仿真方法无关，可以通过机械旋转以RuT为中心的RTS系统来实现，或者通过旋转传感器本身，也可以通过在多个空间分布的RTS天线三种方法实现。 系统构成
生成虚拟雷达目标所需的信号修改可以在模拟或数字域中实现。目标生成过程的选择决定了各个RTS系统的某些特征，例如最小可模拟目标范围、系统的可扩展性和硬件成本。模拟目标生成
模拟目标生成采用分立式射频组件，以便生成所需的信号。图2显示了模拟真实延迟和频移RTS系统的基本设计。在实现目标范围模拟的实时延迟概念时，可以采用所谓的延迟线，或者可以使用表面声波（SAW）滤波器实现。虚拟目标速度的模拟模拟可以通过使用 IQ 混频器或模拟乘法器，类似于频移范围模拟，或者通过在其他信号修改之后分别在上变频和下变频之前引入轻微的频率偏移. 目标RCS的仿真是用可变增益放大器（VGA）放置在信号路径中，并根据实际需要调整其放大。
图 2：模拟实时延迟 (a) 和 频移 RTS 系统的框图(b)
数字目标生成
对于虚拟雷达目标的数字生成，在使用模数转换器（ADC）进行所需的修改之前，对输入的雷达信号进行数字化处理。数字信号样本被送入现场可程序设计门阵列（FPGA）或数字信号处理器（DSP），后者执行信号修正或信号分析和再合成根据要模拟的目标特性。随后，使用数模转换器（DAC）将信号转换回模拟域，并重新传输到 RuT。数字RTS系统的框图如图3所示。 
图 3：数字RTS系统框图
虚拟目标的数字距离模拟是通过样本缓冲实现的，将输入的雷达样本存储在内存中，并以可控的时间偏移量将其读回。或者可以通过重新合成方法模拟范围，将新创建的人工信号与输入的雷达信号同步，并控制将其发送回RuT。这需要一种触发机制，该机制可以检测Chirp，然后重新合成的信号与之对齐。在修正模式的情况下，使用数字复值混频器对目标的速度进行模拟，该混频器通常实现为数值乘数。与输入雷达信号混合的多普勒信号是使用能够合成任意频率信号的直接数字合成（DDS）组件生成的。虚拟目标的RCS可以通过对雷达信号进行简单的数字乘法来模拟，并具有可调因子，或者通过DAC后面的模拟信号路径中的数字可控VGA来模拟。这两个选项可以组合使用，从而延长系统的动态范围。 模拟和数字RTS系统对比
模拟和数字RTS系统的主要区别在于最小可定位目标范围和可扩展性。由于在FPGA或DSP上实现了目标生成过程，因此数字RTS具有高度可扩展性。通过重新配置平台，可以很容易地模拟其他虚拟目标。目标生成单元的数量和分布仅受所采用的FPGA或DSP上可用硬件资源的限制。然而，这种拓扑结构的缺点是雷达信号会经历由ADC和DAC引起的不可避免的延迟，这反过来又会导致不可避免的目标范围偏移。即使使用低延迟转换器，也会导致最小目标范围约为数十米。相比之下，模拟RTS系统不会有此类转换器，因此可以实现非常小的目标范围。尽管如此，模拟设置的可扩展性不强，因为目标生成所需的信号修改是通过分立电气组件实现的，因此必须复 制整个模拟信号路径才能插入额外的目标。两种系统架构之间的其他差异涉及可实现的目标生成方法、成本和空间尺寸。模拟RTS只能实现对目标雷达的信号修改，即真时延和频移概念。在再合成方法中生成人工雷达信号所需的分析和参数提取需要信号处理步骤，而这些步骤只能在数字域中执行。另一方面，使用数字RTS系统，可以实现上述所有目标生成方法。另一个需要考虑的因素是，高性能FPGA或DSP以及高速ADC和DAC的购置成本超过了模拟RTS中相对便宜的电气组件的价格。然而，由于延迟线的空间范围很大，后者占用的空间要大得多。 角度估计
有三种不同目标角度模拟方式。
第一种是将RuT安装在万向节上，即电动万向节悬架，传感器的倾斜度根据要模拟的目标角度而改变。这提供了一种高精度和低成本的解决方案，但只能模拟单个独立移动的角度。因此，该概念仅适用于雷达传感器的下线测试，而不适用于ADAS功能的验证。第二种是RTS系统，其接收和发射天线，使用以半圆形行进的机械轨道而围绕RuT中心移动。可以实现对目标角度进行高精度模拟，并进一步实现多个独立横向移动的虚拟目标。但是，由于可能的相互阻碍和遮挡，目标的数量是有限的。此外，轨道的行进速度限制了虚拟目标的横向速度。最后一种是RTS系统的接收和发射天线以RuT周围的半球形式静态分布。虚拟目标的横向移动是通过天线之间的电子切换来实现的。这是三种解决方案中唯一能够模拟由大量独立移动雷达目标组成的复杂交通场景的解决方案，这是彻底验证自动驾驶功能所必需的。这种方案的一个主要缺点是，虚拟目标只能在RTS系统天线所在的离散角度位置进行仿真。系统架构
实现的RTS系统的基本设计由模块化的独立有限元和公共数字后端组成，如图4所示。可以看出，前端部分分为专用的接收器和发射器，而后端则结合了多个模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）以及目标生成实例，因此能够为多个FE提供服务。一个接收器前端、ADC、目标生成实例、DAC 和发射器前端的组成被视为一个 RTS 通道。设计的模块化和前后端的分离使系统能够轻松地扩展到更多的RTS信道，并自由配置FE的空间分布。此外，公共后端有助于各个通道的同步调整和相互校准。 
图4：数字RTS系统的基本架构
接收机FE接收RuT发出的雷达信号，并将其下变频为中频frts，以便后端的ADC对其进行数字化处理。然后，信号通过FPGA上的目标生成单元，在FPGA上应用所需的目标属性。该单元由后端处理系统（PS）托管的软件应用程控，该应用程序接收由虚拟环境模拟或用户输入生成的目标列表。目标发电单元的输出被馈入DAC，DAC合成修改后的雷达信号并将其传递到发射机FE，在那里它被向上变频回其原始载波频率并重新传输到RuT。系统的前端和后端通过同轴电缆连接。模块化前端有专用接收器和发射器，分别接收和下变频RuT发射的雷达信号，或上变频并重新传输RTS修改的信号。接收机和发射机的框图如图5所示。用于雷达信号下变频的LO信号经过几个倍频级，允许信号以低得多的频率（flo）馈送到有限元，降低了所用硬件组件的频率要求。
图 5：(a) 接收器和 (b) 发射器前端的框图
FE 包含 Vivaldi 天线、单片微波集成电路（MMIC）和其他电子表面贴装器件（SMD）组件，并安装在金属外壳中。整个组件的尺寸为 11mm x35mm x 50mm（宽 x 高 x 长）。如图6所示。 
图 6：接收机前端
外壳材料用黄铜来减轻表面氧化的影响，表面氧化会降低外壳的导电性，从而影响FE PCB与连接的同轴电缆之间的接地。PCB顶部射频层，采用低损耗介电常数，相对介电常数为εr = 3.09，厚度为127μm。这样，微带线的宽度可以设置为313 μm，以实现50Ω的特性阻抗。为了接收RuT发出的雷达信号并重新传输修改后的信号，采用共面Vivaldi天线。S参数如下：
图7：Vivaldi天线天线 S 参数
对于接收或修改的雷达信号的下变频或上变频，下图集成了接收和发送路径，包括低噪声放大器（LNA）或功率放大器（PA）以及同相和正交（IQ）混频器和倍频器。为了减轻相互耦合，接收和发送的通道单独设计，从而减少假目标的产生。
图 8：雷达收发器 MMIC
对于RTS系统的数字后端，采用了Xilinx的ZCU111评估板，该评估板具有Zynq Ultra Scale+XCZU28DR射频片上系统（RF SoC），集成了8个高速ADC和DAC。Xilinx 的 Zynq SoC 系列集成了处理系统（PS）和可程序设计逻辑（PL），在本例中采用四核 Arm Cortex-A53、双核 Arm Cortex-R5 和 Ultra Scale+ FPGA 的形式。PS Access 内存（RAM），位于评估板上。PS 和 PL 之间的高级可扩展接口（AXI）连接支持通过运行在 ARM 处理器上的软件应用程控 FPGA 单元。安装在 ZCU111 上的定制适配器板集成了平衡-非平衡（BALUN）转换器，可通过超小型版本 A （SMA）连接器链接 ADC 和 DAC。如图9所示 
图 9：安装了适配器板的 Zynq UltraScale+ RFSoC ZCU111 评估板
模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）
8个集成ADC和DAC配置为fs的通用采样频率。fs,rts= 4 GHz。采样时钟由板载射频锁相环（PLL）在 RF SoC 外部生成。ADC的分辨率为12位。采样和DAC14位。样本，每个样本都缩放到 16 位。出于兼容性原因，转换器的最大输入输出功率分别为PADC = PDAC = 1 dBm。由于采样频率超过ADC和DAC所连接的FPGA的内部时钟频率，因此使用先进先出（FIFO）缓冲器，在ADC的数字输出端对样本进行并行化，并在DAC的输入端串行化。ADC和DAC会给通过它们的信号带来不可避免的延迟，这与系统的其他延迟一起定义了虚拟雷达目标的最小可模拟距离。现场可程序设计门阵列（FPGA）
XCZU28DR RF Soc 的 Ultra Scale+ FPGA 具有 850 560 个触发器（FF）、425 280 个查找表（LUT）、1080 块 RAM （BRAM）模块和 4272 个数字信号处理器（DSP）切片。它从ADC接收包含下变频和数字化雷达信号的采样数据流，应用目标生成信号修改，并将其转发到DAC进行重新合成。FPGA 的内部时钟频率设置为 500MHz，这要求数据样本以 8 个为一组并行化，以便通过 AXI 流接口同时传播到 PL。因此，FPGA上目标生成单元的每个阶段都必须并行实现，以避免任何积压。 Processing System(PS)
处理系统控制FPGA上的目标生成单元应用于雷达信号的延迟、频移、衰减和相移。为此，它通过 AXI Lite 接口在 PL 中设置相应的寄存器，此外，软件应用程序实例传输控制协议（TCP）或用户数据报协议（UDP） Web 服务器，具体取决于用例场景。服务器从虚拟环境模拟或用户输入接收 RTS 系统通过以太网连接模拟的目标列表。为此，实现了开源轻量级互联网协议（lwIP）堆栈，该堆栈允许将目标生成参数从使用者或环境模拟传输到FPGA，从而实现资源高效、低延迟的传输。AxelDiewald，High-Precision Automotive RadarTarget Simulation，Scientific Publishing.
- www.keysight.com，Building a Radar Target Simulator
- E8718A 雷达目标模拟器 76 GHz 至 81 GHz，带远程头，www.keysight.com
