盡在雷達(dá)的掌控之中

作者：Clyde Callewaert，美國南菲爾德Autoliv Electronics首席RF工程師

雷達(dá)系統(tǒng)在當(dāng)今輔助駕駛系統(tǒng)和未來自動(dòng)駕駛車輛中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些系統(tǒng)必須準(zhǔn)確無誤地提供所需的功能和安全性。Autoliv在汽車研發(fā)的早期階段采用ANSYS電磁場(chǎng)仿真軟件評(píng)估備選的雷達(dá)集成方案，進(jìn)而研發(fā)可靠的系統(tǒng)并避免昂貴的設(shè)計(jì)修改費(fèi)用。

"雖然Autoliv通常不能控制保險(xiǎn)杠格柵和其他鄰近組件的材料、幾何結(jié)構(gòu)及其所用的油漆類型，但必須保證汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的性能。"

格柵俯視圖，用綠色顯示了雷達(dá)傳感器安裝支架

汽車安全性與自動(dòng)駕駛需要越來越多的雷達(dá)系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)車輛環(huán)境。在車輛研發(fā)的早期階段，尚未進(jìn)行原型車性能測(cè)試之前，工程師通常開展雷達(dá)系統(tǒng)的封裝設(shè)計(jì)。如果工程師的設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么必須重復(fù)進(jìn)行封裝過程，其成本大約高達(dá)100萬美元，并且很可能會(huì)延誤車輛上市。全球汽車安全系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者Autoliv采用ANSYS HFSS 來預(yù)測(cè)格柵和其他鄰近組件如何影響輻射圖，以便在設(shè)計(jì)原型之前提早驗(yàn)證設(shè)計(jì)，從而避免上述成本。

例如，當(dāng)今的許多汽車都配備盲點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)，其在后保險(xiǎn)杠格柵（覆蓋保險(xiǎn)杠的塑料板）的兩個(gè)角安裝雷達(dá)傳感器，以監(jiān)測(cè)相鄰車道是否存在車輛，以及車輛的行駛方向及速度。如果駕駛員盲區(qū)存在車輛，后視鏡上的警告指示燈則會(huì)亮起。此外，當(dāng)今的許多汽車也在前保險(xiǎn)杠中間裝有雷達(dá)傳感器，以實(shí)現(xiàn)前方碰撞警告等功能，該功能可以檢測(cè)出如果駕駛員不注意可能會(huì)碰到的車輛或物體。全自動(dòng)駕駛車輛預(yù)計(jì)會(huì)在保險(xiǎn)杠格柵和其他車體面板背后安裝這些雷達(dá)系統(tǒng)。

雷達(dá)系統(tǒng)利用發(fā)射器發(fā)射電磁輻射短脈沖。 在發(fā)射脈沖之后，發(fā)射器關(guān)閉，接收器開始監(jiān)聽周圍物體反射脈沖產(chǎn)生的信號(hào)。對(duì)于雷達(dá)傳感器發(fā)射的電磁輻射而言，由于輻射必須穿過一些物體，其可能會(huì)以很難預(yù)測(cè)的方式產(chǎn)生變形。周圍其他物體可能會(huì)產(chǎn)生反射并干擾接收器。在新車中集成雷達(dá)傳感器時(shí)，工程師必須將系統(tǒng)放置在合適的位置，以防止格柵和安裝支架干擾其精度。這意味著需要在傳感器的整個(gè)方位（從一側(cè)到另一側(cè)）獲得相對(duì)恒定的強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)最大限度地減少由于發(fā)射到非預(yù)期方向或者被保險(xiǎn)杠格柵反射回雷達(dá)所造成的能量浪費(fèi)。由于必須實(shí)現(xiàn)耐用性、安全性、美觀及可制造性等多種目標(biāo)，保險(xiǎn)杠格柵的幾何結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜。稍微改變傳感器位置就可能無法滿足精度要求。雖然Autoliv通常不能控制保險(xiǎn)杠格柵和其他鄰近組件的材料、幾何結(jié)構(gòu)及其所用的油漆類型，但必須保證汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的性能。

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用于仿真的保險(xiǎn)杠格柵的CAD文件截?cái)嘟孛妫瑯?biāo)明了雷達(dá)傳感器位置 

"在試駕過程中，如果Autoliv工程師發(fā)現(xiàn)雷達(dá)位置或支架幾何結(jié)構(gòu)使其無法滿足性能要求，則必須花費(fèi)大約100萬美元重復(fù)整個(gè)過程。"

封裝設(shè)計(jì)對(duì)雷達(dá)精度的影響

為了滿足車輛上市日期的要求，Autoliv必須首先完成封裝設(shè)計(jì)。這主要包括：在測(cè)試車輛或格柵之前，確定傳感器相對(duì)于格柵的最佳位置以及設(shè)計(jì)安裝支架。Autoliv積極投資封裝設(shè)計(jì)、為原型車安裝檢測(cè)設(shè)備以及在各種不同環(huán)境中進(jìn)行駕駛測(cè)試，以評(píng)估雷達(dá)的精度。在試駕過程中，如果Autoliv工程師發(fā)現(xiàn)雷達(dá)位置或支架幾何結(jié)構(gòu)，使其無法滿足性能要求，則必須花費(fèi)大約100萬美元重復(fù)整個(gè)過程。此外，額外的設(shè)計(jì)迭代還會(huì)浪費(fèi)8到12個(gè)星期的項(xiàng)目時(shí)間，這很可能會(huì)延誤車輛上市。

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不帶格柵的傳感器發(fā)射輻射圖帶格柵的傳感器發(fā)射輻射圖

仿真汽車?yán)走_(dá)性能

Autoliv通過采用ANSYS HFSS 在原型設(shè)計(jì)之前以數(shù)字化方式探索和評(píng)估雷達(dá)傳感器封裝設(shè)計(jì)，從而避免上述潛在問題。HFSS已經(jīng)在眾多不同的項(xiàng)目和應(yīng)用中展示了其強(qiáng)大的預(yù)測(cè)功能。仿真過程首先是獲取支架與格柵材料的物理樣本，以確定它們的電氣屬性，這需要采用波導(dǎo)或準(zhǔn)光技術(shù)來執(zhí)行準(zhǔn)確的電磁仿真。測(cè)量的電氣屬性包括格柵、油漆層和支架的介電常數(shù)與損耗正切。

Autoliv工程師可采用汽車原始設(shè)備制造商（OEM）提供的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）文件，其中包含了支架、格柵和其他鄰近組件的現(xiàn)有幾何結(jié)構(gòu)。ANSYS SpaceClaim 可用于轉(zhuǎn)換和準(zhǔn)備CAD，以支持HFSS導(dǎo)入和網(wǎng)格劃分優(yōu)化功能。他們截?cái)喾抡婺Ｐ椭械母駯牛瓤晒?jié)省計(jì)算資源，又能保持電磁保真度。工程師已經(jīng)對(duì)公司現(xiàn)有的全部雷達(dá)系統(tǒng)創(chuàng)建了ANSYS HFSS 模型。他們按照Autoliv封裝指南選擇用于車輛的雷達(dá)系統(tǒng)并將其安裝到仿真模型的支架中，以用作初始設(shè)計(jì)。然后，工程師把測(cè)量得到的格柵、油漆和支架的電氣屬性分配到模型中的各自對(duì)象上。仿真采用了 ANSYS HFSS， ANSYS HFSS-IE 求解器 和ANSYS 高性能計(jì)算功能.

自動(dòng)駕駛汽車?yán)走_(dá)：仿真技術(shù)
助力改善雷達(dá)性能

"憑借ANSYS HFSS，Autoliv工程師已經(jīng)將眾多雷達(dá)系統(tǒng)集成到新車輛上，而且并未出現(xiàn)需要額外設(shè)計(jì)迭代的任何問題。"

滿足精度要求

工程師隨后在HFSS中對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，并導(dǎo)出到自定義MATLAB程序中，該程序可模擬雷達(dá)傳感器所用的算法，進(jìn)而評(píng)估雷達(dá)性能，如信噪比、視場(chǎng)角、方位偏差和方位模糊性。在給定方位角和給定雷達(dá)截面的情況下，仿真使工程師能夠確定雷達(dá)能夠探測(cè)到物體的最大距離，如在另一個(gè)車道30米處迎面駛來的一輛摩托車。如果預(yù)測(cè)性能無法達(dá)到最低要求，則需要采取幾何對(duì)策，如：重新定位雷達(dá)，然后再重復(fù)仿真過程。此外，格柵的幾何結(jié)構(gòu)也有可能在設(shè)計(jì)過程中發(fā)生改變，不過即使出現(xiàn)這種情況，Autoliv工程師可以獲得新的幾何結(jié)構(gòu)，再次執(zhí)行仿真，并且在必要時(shí)修改設(shè)計(jì)。

對(duì)于工程師而言，將雷達(dá)傳感器集成到車輛上以實(shí)現(xiàn)符合政府法規(guī)要求和客戶預(yù)期的高精度，這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。憑借ANSYS HFSS電磁場(chǎng)仿真軟件，Autoliv工程師已經(jīng)將眾多雷達(dá)系統(tǒng)集成到新車輛上，而且并未出現(xiàn)需要額外設(shè)計(jì)迭代的任何問題。此外，仿真還幫助工程師發(fā)現(xiàn)封裝設(shè)計(jì)需要改進(jìn)的方面，從而顯著增加雷達(dá)系統(tǒng)的范圍與精度。

雷達(dá)傳感器方位預(yù)測(cè)誤差的預(yù)測(cè)值與測(cè)量值對(duì)

 

用于測(cè)試格柵材料的消聲室