基于雷达性能导向谱算子的FMCW雷达振动环境重构方法研究

《Sensors》：Vibration Environment Reconstruction for FMCW Radar Using a Radar-Performance-Oriented Spectral Operator

　　

履带车辆在越野条件下运行时，会使车载调频连续波（FMCW）雷达承受宽带及冲击性振动，因此振动环境重构对于在实验室中可重复地评估振动引起的感知性能退化具有重要意义。传统重构方法主要针对振动信号特征，如功率谱密度（PSD）、均方根值（RMS）和高阶统计量，而未显式考虑振动分量经雷达处理链产生的频率选择性影响。本研究提出一种面向雷达性能的谱算子，用于FMCW雷达速度测量，并将其与振动PSD及高阶统计特征一同纳入重构过程。数值仿真评估了重构性能，振动台试验评估了实验室实现情况及其与基于模型的雷达参考的一致性。与基于PSD和高阶统计量的重构相比，所提方法将敏感频带有效能量向量的平均相对误差从38.07%降至16.95%。在仿真中，重构的主峰展宽和杂散峰中心位置分别为对应值和对应值，相对于仿真原始振动响应的相对误差分别为4.13%和1.45%。在振动台试验中，相应的测量值分别为对应值和对应值，与采用原始实测振动输入获得的仿真参考值的相对偏差分别为6.36%和7.68%。结果表明，在所评估的案例中，该方法与基于模型的参考值具有更好的一致性，同时保持了相当的振动统计特征。由于缺乏独立的现场实测雷达基线，其相对于实际现场雷达性能退化的准确性尚未得到验证。

面向雷达性能的FMCW雷达振动环境重构研究解读

一、研究背景与问题

调频连续波（FMCW）毫米波雷达凭借环境适应性强、非接触测量以及可直接获取径向速度等优势，在车载感知和运动参数估计领域得到广泛应用。然而，履带车辆在越野行驶过程中受到路面不平度、履带-负重轮相互作用以及悬挂系统和车体结构响应等多重激励源的共同作用，产生宽带且复杂的平台振动环境。已有研究表明，车辆振动和复杂平台运动会引起FMCW毫米波雷达回波的频谱畸变，进而导致感知性能退化。由于车载雷达的鲁棒性评估要求在可控且可重复的条件下研究振动效应，因此有必要基于实测车辆振动特性构建实验室振动环境，以复现振动对雷达性能的影响。

当前研究面临的核心问题在于：实验室振动输入只能近似复现实测环境，如何分配允许的频谱失配成为关键。传统的聚合PSD误差并未根据雷达处理响应来显式区分偏差优先级，仅匹配机械振动描述符并不能保证非线性雷达响应的一致性。现有振动重构方法主要针对振动信号特征（如PSD、RMS和高阶统计量），缺乏对振动分量经雷达处理链后频率选择性影响的显式考虑。为此，研究人员提出一种雷达性能导向的谱算子，并构建统计等效振动重构方法，以改善重构输入对雷达响应特征的复现能力。

二、研究内容与主要技术方法

本研究的主要贡献包括三个方面：首先，将有限相干处理间隔（CPI）弱扰动响应表述为性能导向振动重构的参考频率加权；其次，引入雷达性能导向谱算子，将实测视线（LOS）振动谱映射为雷达误差加权谱（REWS）和敏感频带能量描述符，提供超越传统振动指标的构优先级；最后，将所提谱描述符与PSD及高阶统计约束共同纳入统计等效振动重构方法，并通过数值雷达处理和受控振动台试验评估重构输入。

研究采用的关键技术方法包括：基于目标PSD和随机相位的频域合成方法生成初始高斯随机振动序列；基于Hermite多项式模型的非线性统计校正方法使重构序列的时域统计特征逼近实测数据；迭代时域统计校正与频域谱校正以满足联合约束；以及基于雷达性能导向谱算子的敏感频带增益修正。车辆振动数据来源于某型履带特种车辆在典型越野路面上的实测采集，采用PCB 356A16三轴加速度计和LMS SCM05采集系统，主要基于工况D（混合越野路面）数据开展分析。

三、研究结果

3.1 振动信号级验证

三种重构方法（M1仅匹配PSD、M2联合匹配PSD与统计特征、M3进一步加入雷达性能导向约束）均能较好地复现目标谱的整体形状。M1虽精确复现PSD和RMS，但其峭度、偏度和峰值因子误差较大；加入统计约束的M2和M3显著降低了这些误差，但RMS误差有所增加。在敏感频带有效能量向量重构方面，M1的平均相对误差为86.38%，M2为38.07%，而M3降至16.95%，表明引入雷达性能导向谱约束显著改善了雷达敏感频带内有效能量分布的一致性。

3.2 雷达性能仿真验证

仿真采用FMCW雷达振动谱误差机制与误差传递模型，保留完整指数相位因子进行回波生成、距离FFT、慢时间多普勒FFT和速度谱提取。速度谱切片和距离-多普勒（RD）图对比表明，M3方法的重构结果最接近原始振动输入。在定量指标方面，相对于原始输入仿真，M1高估主峰展宽且未产生明显杂散峰，M2恢复出可辨识杂散分量但低估其中心位置和主峰展宽，M3在两项指标上均更接近参考值，主峰展宽和杂散峰中心位置的相对误差分别为4.13%和1.45%，优于M2的12.40%和15.94%。

3.3 振动台试验验证

振动台试验采用VT-150振动台、LA-200功率放大器和DG852 Pro信号发生器构成试验平台，以IWR1843雷达运行厂商演示软件，固定角反射器提供静止目标场景。由于可用振动台无法精确重放原始宽带冲击性车辆振动记录，以原始实测振动输入仿真的雷达响应作为基于模型的参考。M3重构激励下实测主峰展宽和杂散峰中心位置相对于模型参考的相对偏差分别为6.36%和7.68%，优于其他方法。实测M3展宽和杂散峰中心均低于模型参考，而仿真M3展宽高于参考且峰中心更接近，说明输入级匹配和数值响应一致性不能替代硬件测试，振动台和安装传递特性、接收机缺陷及模型简化均可能贡献残余偏差。

四、讨论与结论

讨论部分指出，本研究所提方法在评估案例中保持所选振动统计特征的相当一致性，同时将敏感频带有效能量平均误差从M2的38.07%降至M3的16.95%。改进的敏感频带能量匹配也改善了仿真中雷达性能退化的复现，主峰展宽和杂散峰中心位置相对误差分别从M2的12.40%和15.94%降至M3的4.13%和1.45%。振动台试验中M3相应测量值偏离模型参考6.36%和7.68%，表明在所评估条件下实测响应具有一致性。

研究结论为：该方法将雷达响应参考加权引入统计等效振动重构，与PSD和高阶统计约束联合使用，在实际重构容差内优先处理频率分布误差。重构目标针对固定参考LOS上的局部线性振动，适用于单轴振动台。安装点测量可能包含旋转引起的局部运动，但方法不复现时变姿态、坐标投影或指向相关散射。一阶模型提供参考权重，而强多频耦合通过完整响应模型而非REWS单独评估。未来工作应测试更强调制和姿态变化，并使用带目标运动参考的同步现场振动与雷达数据直接评估现场性能退化。