虛擬與現實的邊界突破
自動駕駛雷達感測驗證的典範轉移與技術前沿

隨著汽車工業朝向 Level 3 乃至 Level 4/5 自動駕駛邁進，車輛感測系統的複雜度呈現指數級增長，在確保「零事故」（Net Zero）願景的道路上，如何驗證感測器在極端、複雜且動態環境下的可靠性，已成為工程界最大的挑戰之一；傳統的實車道路測試（Road Testing）雖然真實，但面臨成本高昂、不可重複性以及邊緣案例（Corner Cases）難以復現的困境，因此，將真實道路搬進實驗室，透過軟硬體迴路（Hardware-in-the-Loop, HIL）甚至整車迴路（Vehicle-in-the-Loop, VIL）進行全方位驗證，已成為現代汽車科技發展的必然趨勢，本文將深入探討高頻雷達目標模擬技術的最新進展，解析如何透過電子式掃描與標準化介面，解決傳統測試無法跨越的技術鴻溝。

從道路到實驗室：封閉迴路測試的技術演進

在汽車開發的 V 模型（V-Model）中，驗證與確認（Validation and Verification）是確保功能安全的關鍵環節，然而，隨著先進駕駛輔助系統（ADAS）功能的增加，測試場景的排列組合已達到天文數字。

 

為什麼我們需要 HIL 與 VIL？

傳統的開迴路測試（Open-Loop Testing）通常僅針對單一組件進行功能確認，例如確認雷達是否能偵測到特定距離的靜態物體，然而，現代車輛是一個高度整合的系統，雷達偵測到的數據會即時影響車輛的動力與煞車系統，如果測試環境是被動的、非即時的，我們就無法驗證「車輛對感測結果的反應」是否正確。

硬體迴路（HIL）與整車迴路（VIL）的核心價值在於「封閉迴路」（Closed-Loop），在這種架構下，真實的電子控制單元（ECU）或整車系統與虛擬的模擬環境進行即時互動，當虛擬環境中的車輛煞車時，真實的雷達感測器必須「看到」前方車輛距離縮短，並觸發真實的煞車指令，而這個指令又會回饋到模擬環境中改變車輛動態，這種測試方法能大幅減少原型車的使用數量，並能安全地測試如自動緊急煞車（AEB）等高風險場景。

空中下載（OTA）模擬的技術挑戰

要將 HIL/VIL 應用於雷達感測器，最大的挑戰在於如何「欺騙」雷達，讓它以為自己身處於真實的道路環境中，這就是所謂的空中下載（Over-the-Air, OTA）雷達回波模擬，這不僅僅是產生一個訊號，而是要生成具備精確距離（Range）、徑向速度（Radial Velocity）、雷達截面積（RCS）以及方位角（Azimuth）的複雜電磁波訊號。

典型的車輛迴路（VIL）驗證架構示意圖，展示了虛擬模擬軟體、雷達回波產生器與整車測試台架之間的閉環控制與數據流向。
 

突破機械限制：電子式天線陣列技術的應用

在早期的雷達測試中，為了模擬物體在水平方向（方位角）的移動，工程師往往需要將回波產生器的前端天線安裝在機械手臂或滑軌上進行物理移動，這種方法雖然直觀，但存在嚴重的物理限制：機械移動的速度跟不上高速行駛的模擬場景，且容易產生震動與磨損，難以長時間維持高精度的重複性。

電子切換與相位控制的優勢

最新的高科技解決方案是採用電子式控制的天線陣列（Electronically Controllable Antenna Array），這種技術透過大量的發射與接收天線（例如單一模組可包含多達 96 個發射天線），利用電子切換的方式來模擬物體的橫向移動，這種技術帶來了幾個革命性的突破：

• 極致的速度與反應：
  由於沒有機械慣性，模擬物體可以在毫秒級的時間內從視野的最左側「跳」到最右側，這對於測試像是十字路口橫向來車（Cross Traffic Alert）或行人突然衝出等高動態場景至關重要。
• 多目標產生的可能性：
  傳統機械式架構通常只能模擬單一角度的目標，而先進的陣列技術可以同時模擬多個獨立目標，每個目標都擁有獨立的距離、速度和大小參數。這意味著可以重現如高速公路上多車道超車的複雜場景。
• 近距離模擬能力：
  透過特定的線路設計（Line Mode）或分段模式（Segment Mode），這類系統可以模擬極短距離的物體，甚至接近到雷達感測器的「空氣間隙」（Air Gap）數值，這對於停車輔助或塞車輔助系統的驗證非常關鍵。

解決近場與遠場的矛盾

在雷達測試中，為了符合遠場（Far-Field）條件，測試設備通常需要與待測雷達保持一定的物理距離，然而，在實驗室或產線中，空間往往有限，先進的回波產生器採用了混合技術：對於極短距離（例如小於 17 公尺），採用類比步進延遲線（Analog Stepped Delay Line）；對於遠距離（可達 3000 公尺以上），則採用數位訊號處理技術，這種混合架構確保了在全距離範圍內都能維持高精度的訊號品質，並能模擬出連續且平滑的物體運動軌跡。

標準化的力量：OSI 介面與動態場景生成的整合

硬體能力的提升只是基礎，軟體與通訊協定的標準化才是實現複雜場景模擬的關鍵，在過去，不同的模擬軟體（如 Vector DYNA4, IPG CarMaker, AVL Model.CONNECT）與測試硬體之間往往需要客製化的介面，這大大增加了整合的難度。

ASAM OSI 開放模擬介面

ASAM OSI（Open Simulation Interface）的出現解決了這個問題，它是一種針對自動駕駛功能環境感知所設計的通用介面標準，透過 OSI，環境模擬軟體可以將場景中的「物件列表」（Object List）——包含物件的距離、相對速度、方位角、RCS 等參數——直接串流傳輸給雷達回波產生器，這種架構的優勢在於：

• 即時性（Real-time）：
  透過優化的網路傳輸（如 UDP/TCP），場景更新率可以達到極高水準（例如小於 1 毫秒），滿足 HIL 測試對低延遲的嚴格要求。
• 互操作性：
  測試工程師可以自由選擇最適合的模擬軟體，而無需擔心硬體相容性問題，雷達回波產生器內建的 HIL 處理器會負責解析 OSI 封包，並即時控制射頻前端生成對應的雷達回波。

OSI 介面的資料流示意圖。環境模擬軟體產生的物件參數透過標準化的 OSI 訊息傳送至硬體，實現從虛擬場景到實體射頻訊號的轉換。
 

6G 通訊與感測融合（ISAC）：未來的技術前沿

除了傳統的 ADAS 應用，雷達測試技術正迎來一個全新的領域：整合通訊與感測（Integrated Sensing and Communication, ISAC），這是 6G 通訊技術的重要支柱之一，ISAC 的核心概念是利用同一套波形與硬體，同時進行無線通訊與環境感測。

從 5G 到 6G 的技術跨越

目前的雷達測試設備已經具備了支援 FR2 頻段（24 GHz - 44 GHz）以及傳統車用雷達頻段（76 GHz - 81 GHz）的能力，這使得它們不僅能測試車用雷達，還能成為 6G 研究的重要工具，透過外接變頻前端（Frontend），測試系統可以靈活地覆蓋不同的頻率範圍，驗證 ISAC 系統在波束成形（Beamforming）、通道估測（Channel Estimation）以及物件參數估測方面的效能。

這種跨領域的應用展示了高階雷達回波產生器的通用性：它不僅是汽車工業的工具，也是下一代無線通訊研究的基石，透過模擬多個動態目標，研究人員可以評估 ISAC 基地台在複雜環境下的感測能力，這對於未來的智慧城市與數位分身（Digital Twin）應用至關重要。

抗干擾能力驗證：確保頻譜擁擠下的可靠性

隨著路上裝配雷達的車輛越來越多，雷達之間的相互干擾（Radar-to-Radar Interference）已成為不容忽視的安全隱憂，如果雷達感測器無法有效過濾來自其他車輛的雷達訊號，可能會導致目標遺失或產生「幽靈目標」（Ghost Targets），進而引發危險的誤判。

先進的測試方案必須包含干擾模擬功能，這通常涉及將雷達回波產生器與向量訊號產生器（Vector Signal Generator）結合，在測試過程中，除了產生正常的目標回波外，系統還會注入各種形式的干擾訊號，如連續波（CW）、調頻連續波（FMCW）、相位調變連續波（PMCW）等，以驗證待測雷達的抗干擾演算法效能，這類測試要求測試設備具備極高的頻寬與訊號純度，以確保干擾訊號的真實性。

從研發到量產：一致性的品質保證

高科技產品的成功不僅取決於研發階段的創新，更取決於量產階段的品質控管，對於 4D 成像雷達等高階感測器，其生產線末端（End-of-Line, EOL）測試面臨著嚴苛的挑戰：既要保證測試的覆蓋率與精確度，又要盡可能縮短測試時間（Cycle Time）以降低成本。

緊湊型天線測試場（CATR）的應用

為了在有限的產線空間內進行遠場（Far-Field）測試，緊湊型天線測試場（Compact Antenna Test Range, CATR）技術被引入，透過精密設計的反射面，CATR 可以在極短的物理距離內創造出如同數十公尺外的平面波效應，讓雷達感測器在「舒適」的距離下進行測試，而無需佔用龐大的廠房空間。

結合專為產線設計的雷達回波產生器，製造商可以快速執行等效全向輻射功率（EIRP）測量、天線波束圖型驗證以及功能性測試，確保每一顆出廠的雷達都符合嚴格的安全標準。

結論與展望

自動駕駛技術的演進，正推動著測試驗證技術的全面革新，從機械式移動轉向全電子式掃描，從單純的物理訊號模擬轉向基於 OSI 標準的複雜場景產生，再到融合 6G ISAC 的前瞻研究，我們正見證著一個高度虛擬化、自動化且智慧化的驗證時代的來臨，這不僅是為了提升開發效率，更是為了在每一輛車上路前，為人類的生命安全把好最後一道關卡。

產品推薦

在上述探討的技術領域中，其核心產品 R&S®AREG800A 車用雷達回波產生器，正是實現這些先進測試概念的關鍵：

• 極致的靈活性與擴充性：
  AREG800A 支援多達 4 個射頻前端，並可透過 R&S®QAT100 先進天線陣列，實現全電子式的方位角模擬，徹底解決了機械移動的限制，能精確模擬複雜交通場景。
• 無縫接軌 HIL/VIL：
  內建的 HIL 介面與對 ASAM OSI 標準的支援，使其能與 Vector DYNA4、AVL 等主流模擬軟體無縫整合，實現從虛擬模擬到實體訊號的即時轉換。
• 6G ISAC 就緒：
  搭配 R&S®FE44S 前端，頻率覆蓋範圍可延伸至 FR2 頻段，為 6G 感測通訊融合研究提供了強大的硬體平台。
• 全生命週期覆蓋：
  無論是研發階段的精密量測，還是產線端的 R&S®AREG-P 量產解決方案，或是輕便型的 R&S®RadEsT 檢測工具，R&S 都提供了對應的產品，協助客戶在自動駕駛的競賽中保持領先。