用于雷达人体模型的人造皮肤

摘要

一种供在暴露于具有预定频率的电磁辐射的雷达人体模型上使用的人造皮肤和一种具有该人造皮肤的雷达人体模型被提供。人造皮肤和具有该人造皮肤的雷达人体模型被配置为产生紧密近似人的雷达截面的雷达截面。人造皮肤包括导电材料层和屏蔽材料层。导电层和屏蔽层被配置为以暴露于电磁辐射的人类皮肤的电磁响应的水平来反射电磁辐射。屏蔽层还电磁地屏蔽人造皮肤的内侧表面以使其免受电磁辐射。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求在2013年12月27日提交的美国专利申请第14/141,821号的优先权，其全部内容通过引用而被全部结合与此。

技术领域

本发明涉及供在雷达人体模型上使用的人造皮肤。更具体的说，具有人造皮肤的雷达人体模型产生紧密近似(approximate)真实人类主体的雷达截面(RCS)的RCS。

背景技术

许多车辆利用防碰撞系统来帮助减少车辆与诸如行人、路障或其他车辆之类的危险之间的事故。这些系统使用诸如雷达、光学传感器、红外或激光传感器之类的互连传感器网络来检测并跟踪围绕车辆的环境中的对象。

尽管当前的防碰撞系统在识别像其他车辆和路障一样的对象时已经变得熟练和可靠，但是跟踪行人已经证明是更加困难的。因为车辆与行人之间的碰撞是非常严重的问题，因此存在对能够可靠地识别和跟踪行人的防碰撞系统的需要。

诸如摄像机之类的基于光学的传感器通常可以提供高分辨率图像和广观测场。然而，这些系统经常需要大量的计算和数据处理来提取目标信息。此外，基于光学的系统经常受天气和照明条件限制。

尽管红外技术可以克服基于光学的传感器的一些缺陷，但是这些系统对于短距离检测仍然是有限的。基于激光的传感器网络可以提供关于目标的位置和距离的精确信息。然而，激光网络一直具有由于关于目标的纹理信息的缺乏所致的安全问题。

雷达系统在用于测量围绕车辆的对象的距离和相对速度两者的领域中是众所周知的。这些系统可以用来提高驾驶员在能见度不佳时感知对象的能力或者难以看到诸如盲点之类的区域的能力。近来，76-70GHz雷达频段被分配给汽车碰撞避免雷达系统。由于其更远的检测范围、更好的位置分辨率以及对各种道路和天气条件的降低的敏感性，关于该频率范围内的雷达系统有重大的研究和发展。

与光学传感器系统相比，76-78GHz雷达具有更远的检测范围、更高的目标位置分辨率以及对不佳天气和照明条件的更好宽容性的优点。此外，雷达数据包含与目标的不同移动部分的运动相关联的多普勒和微多普勒特征。这使得其对于车辆上的行人碰撞警告/避免系统是理想的。测试这种系统的有效性需要使用特殊的行人人体模型，这些行人人体模型从不同的观察角度和不同的姿势产生与真人相似雷达响应。

对象的尺寸和形状是影响对象在暴露于雷达信号时将生成的响应的因素中的两个。此外，不同的表面材料产生对76-78GHz雷达的不同响应。因此，为了精确地测试行人碰撞系统，雷达人体模型不仅需要具有类似真实行人的身体形状，而且需要具有复制真实人类皮肤的雷达反射率的人造皮肤。此外，真人所生成的雷达响应贯穿其整个身体不是一致的。躯干所生成的响应不同于小腿所生成的响应。因此，雷达人体模型应当可配置为产生不均匀的雷达响应。

生产专门为在76-78GHz车辆碰撞避免雷达评估和测试中使用的雷达人体模型设计的人造皮肤因而将是有益的。该人造皮肤应当使得雷达人体模型能够产生紧密类似真人的雷达截面(RCS)图案数据的RCS图案数据。雷达截面是对象对于雷达是多么可检测的量度。人造皮肤被配置为使得雷达人体模型从雷达系统的角度看上去像人。此外，因为人的雷达响应可以因身体部位而异，因此人造皮肤应当是可以容易配置的以使得雷达人体模型的特定身体部位的响应可以匹配其真人对应物。

发明内容

雷达人体模型的人造皮肤和具有该人造皮肤的雷达人体模型被提供。人造皮肤和具有该人造皮肤的雷达人体模型被配置为产生紧密近似真实人类主体的RCS的RCS。人造皮肤包括导电材料层和屏蔽材料层。屏蔽层被涂覆在导电层的内表面上。导电层和屏蔽层被配置为以暴露于具有预定频率的电磁辐射的人类皮肤的电磁响应的水平来反射该电磁辐射。屏蔽层还电磁地屏蔽人造皮肤的内侧表面以使其免受电磁辐射。

在一个实施例中，导电和屏蔽层可以由单个材料层或多个材料层制成。导电层应当具有被配置为使电磁辐射衰减以产生预定频率处的期望反射率的网格尺寸。优选地，网格尺寸小于电磁辐射的波长的0.05倍。屏蔽层应当具有极低的电阻率并且被配置为在电磁地屏蔽人造皮肤的内侧表面以使其免受电磁辐射的同时反射电磁辐射。

可以通过调节在人造皮肤中使用的导电和屏蔽层的数目来调整人造皮肤的电磁反射率。可以通过调节构成给定导电和/或屏蔽材料层的层的数目来调整人造皮肤的电磁反射率。

人造皮肤的导电和屏蔽层还可以被配置为复制人类皮肤的电磁响应。在一些情况下，人造皮肤被配置为复制暴露于具有8-80GHz的范围内的预定频率的电磁辐射的人类皮肤。在其他情况下，人造皮肤被配置为复制暴露于具有76-78GHz的范围内的预定频率的电磁辐射的人类皮肤。因此，人造皮肤被调整为产生暴露于80GHz的范围内的雷达信号的人类皮肤的特定响应。然而，在一些情况下人造皮肤被调整为产生暴露于76-78GHz的范围内的雷达信号的人类皮肤的特定响应。

人造皮肤被配置为以与暴露于具有预定频率的电磁辐射的人类皮肤的电磁响应大体相等的水平来反射该电磁辐射。导电和屏蔽层可以被配置为使得该水平是当暴露于电磁辐射时的人类皮肤的雷达截面。具体而言，电磁辐射具有8-80GHz或者更具体的说76-78GHz的范围内的预定频率。人造皮肤反射系数(ASRC)还可以相对于发射到人造皮肤的电磁辐射大约是-4.7dB+/-1dB。

在另一个实施例中，导电层被均匀地掺杂有导电添加剂以具有预定体电导率(bulk conductivity)和预定厚度。预定体电导率和预定厚度被配置为以与暴露于预定频率的电磁辐射的人类皮肤的电磁响应大体相等的水平来反射预定频率的电磁辐射。

在另一个实施例中，导电层是具有预定电阻率的涂层，预定电阻率被配置为以与暴露于预定频率的电磁辐射的人类皮肤的电磁响应大体相等的水平来反射预定频率的电磁辐射。

在本发明的另一个实施例中，用于测试和校准8-80GHz或者更具体的说76-78GHz雷达系统的雷达人体模型被提供。该雷达人体模型具有覆盖有上面描述的人造人体模型皮肤的表面。该人体模型还具有有着多个电子部件的内部结构。电子部件可以包括马达、传感器或者其他测试电子电路。人体模型皮肤电磁地屏蔽内部结构和电子部件以使其免受电磁辐射。

雷达人体模型身体具有多个身体部位，这多个身体部位被配置为复制人体的各个部分，例如手臂、腿等。人体的不同部分以不同水平反射电磁辐射。雷达人体模型的身体部位可以被配置为使得多个身体部位中的每一个以预定的依身体部位而定的水平来反射电磁辐射。雷达人体模型身体部位中的每一个雷达人体模型身体部位的预定的依身体部位而定的水平可被配置为复制对应人类身体部位的电磁响应。例如，覆盖雷达人体模型的手臂部分的人体模型皮肤可被配置为复制人手臂的电磁响应。雷达人体模型的其他部分可被相似地配置为匹配人体的各个部分。

雷达人体模型皮肤的导电和屏蔽层还可被配置为使得预定的依身体部位而定的水平是当暴露于电磁辐射时的人类皮肤的雷达截面。具体而言，电磁辐射具有8-80GHz或者更具体的说76-78GHz的范围内的预定频率。预定水平还可以被设置为使得人造皮肤的反射系数大约是-4.7dB+/-1dB。以这种方式，雷达人体模型能够精确地产生紧密近似真实人类主体的RCS的RCS以便测试和校准76-78GHz的范围内的频率的雷达。

附图说明

图1是人造皮肤的各层的分解图；

图2是覆盖有人造皮肤的雷达人体模型的描绘；

图3是测量具有人造皮肤的雷达人体模型的响应的雷达系统的例示；

图4是沿着图3中示出的线4-4的人造皮肤的示例图；

图5是沿着图3中示出的线5-5的人造皮肤的示例图；

图6是覆盖有人造皮肤的雷达人体模型的内部结构的示例图；

图7描绘了覆盖有被77GHz雷达作为目标的人造皮肤的雷达人体模型以及该雷达人体模型的示例性平滑化雷达截面图案；

图8描绘了被雷达作为目标的人以及一般成年人的77GHz平均雷达截面图案；并且

图9是覆盖77GHz处的覆盖有人造皮肤的雷达人体模型的示例性平滑化雷达截面图案以及一般成年人的平均雷达截面图案的雷达截面。

具体实施方式

首先参考图1和图2，根据本发明的一个实施例的雷达人体模型100的人造皮肤10被提供。人造皮肤10由导电材料层20和屏蔽材料层30制成。人造皮肤10以如下水平反射诸如来自雷达发射器110(图3)的电磁辐射110a，该水平更具体的说是暴露于该电磁辐射的人类皮肤的电磁响应。导电层20具有内表面22和外表面24。同样，屏蔽层30具有内表面32和外表面34。

在一个实施例中，导电层20材料一般可以是聚酯、棉和不锈钢的混合。在一示例中，导电层20由按重量计算的大约36％的聚酯、36％的棉和28％的不锈钢的混合构成。由此得到的导电层20可以具有大约1mm的厚度、260g/m²的重量以及2000欧姆/平方(Ohm/sq)的电阻率。示例性的导电层20可以由2片由Less>TM>

屏蔽材料层30被涂覆在导电层20的内表面22上。导电层20和屏蔽层30可以利用缝合、胶水或者本领域已知的其他粘合方法而被保持在一起。屏蔽层30电磁地屏蔽人造皮肤10的内表面32以使其免受电磁辐射110a。屏蔽材料层30一般可以是聚酯和铜的混合。在一个示例中，屏蔽层30由大约65％的聚酯和35％的铜的混合构成。由此得到的屏蔽层30可以具有大约0.08mm的厚度、80g/m²的重量以及0.05欧姆/平方的电阻率。屏蔽层30的示例可以是由Less>

导电和屏蔽层20、30可以由单个材料层或多个材料层制成。导电层20应当具有被配置为使电磁辐射110a衰减以产生预定频率处的期望反射率的网格尺寸。优选地，导电和屏蔽层20、30的网格尺寸小于电磁辐射110a的波长的0.05倍。屏蔽层30应当具有极低的电阻率并且被配置为在电磁地屏蔽人造皮肤10的内侧表面32以使其免受电磁辐射110a的同时反射电磁辐射110a。

可以通过调节在人造皮肤10中使用的导电和屏蔽层20、30的数目来调整人造皮肤10的电磁反射率。可以通过调节构成给定导电和/或屏蔽层20、30的材料层的数目来调整人造皮肤10的电磁反射率。

在典型的碰撞避免系统中，雷达发射器110向目标发射雷达波110a。反射的雷达波110b被雷达接收器112检测到。在图3中示出的简化示例中，雷达发射器110向雷达人体模型100发射雷达波110a。雷达人体模型100所反射的反射雷达波110b被雷达接收器112检测到。

人造皮肤10被配置为具有近似人类皮肤的雷达反射率的雷达反射率。认识到的是，取决于用来检测人的雷达110a的频率，人类皮肤将产生不同的雷达反射率响应。在一些情况下，本发明的人造皮肤10被配置为具有如下雷达反射率，该雷达反射率大约类似暴露于具有76-78GHz的频率范围的雷达的人类皮肤的雷达反射率。如果人造皮肤10被设计为与该特定频率范围内的雷达一起工作，则本领域技术人员将认识到改变雷达110的频率将必然影响人造皮肤10的性能。同样地，像人造皮肤10被配置为具有大约类似人类皮肤的雷达反射率的雷达反射率那样，人造皮肤10被更改为精确地复制诸如汽车或其他常见目标之类的另一类型的目标的响应。

人造皮肤10的层20、30的厚度可以被操纵以调节人造皮肤10的雷达反射率。例如，如在图4和图5中示出，雷达人体模型100的躯干140和腿150的截面图被示出。在优选实施例中，图5中示出的腿150上的雷达人体模型皮肤10具有与图4中示出的躯干140上的雷达人体模型皮肤10相同的厚度。然而，本领域技术人员将认识到可以通过改变导电层20的厚度来调节人造皮肤10的反射率。例如，假定相同材料被使用，更厚的导电层20与具有相对更薄的导电层20的人体模型皮肤10相比将使雷达波110a衰减更多。以这种方式，人体模型皮肤10可以被调整为更加精确地复制具有不同雷达反射率的目标。

导电层20由电阻织物制成并且负责产生与暴露于雷达波110的人类皮肤的电磁响应相似的水平的反射率。例如，导电层20产生与暴露于76-78GHz雷达的人类皮肤的电磁响应相似的水平的反射率。屏蔽层30具有高导电性并且用作人造皮肤10的内侧表面32后面的结构、部件等的电磁屏蔽。具有内侧表面42和外侧表面44的附加泡沫层40由于填充和轮廓成形目的而可以或者可以不位于屏蔽层30后面。

尽管在一个实施例中人造皮肤10具有由织物网状层制成的导电层20和屏蔽层30，但是本领域技术人员将认识到人造皮肤10的替代配置可被用来产生与暴露于76-78GHz雷达的人类皮肤的电磁响应相似的水平的反射率。

在人造皮肤10的一个替代实施例中，导电层20被均匀地掺杂有导电添加剂以具有预定体电导率和预定厚度。示例性的导电层20是具有大约3.5的介电常数的铜连续尼龙层。导电层20被诸如碳之类的导电添加剂掺杂以具有不同的有效体电导率。预定体电导率σ和预定厚度d被配置为以与暴露于预定频率的电磁辐射110a的人类皮肤的电磁响应大体相等的水平来反射预定频率的电磁辐射110a。

下面的表格1提供了使示例性碳掺杂铜连续尼龙导电层20的体电导率σ与该层的厚度d相关以获得-4.7dB的期望反射系数的四个示例。

表格1

在另一个实施例中，人造皮肤10使薄导电层涂层被涂覆到基板。屏蔽层30可以是被用薄导电层20涂层涂覆的诸如铜之类的导体。导电层20涂层具有预定电阻率，该预定电阻率被配置为以与暴露于相同电磁辐射110a的人类皮肤的水平大体相等的水平来反射电磁辐射110a。在一优选实施例中，导电层20涂层具有大约“100欧姆每平方，+/-2欧姆每平方”的预定电阻率，以产生反射系数-4.7dB。

本领域技术人员将认识到在人造皮肤10的上述实施例中，人造皮肤10的反射率至少部分地由导电层20的密度、厚度和/或掺杂决定。以这种方式，不同的材料可被在人造皮肤10中使用以产生与暴露于例如76-78GHz的预定频率的雷达的人类皮肤的电磁响应相似的水平的反射率。另外，在人造皮肤10中使用的材料可以被配置为相对于发射到人造皮肤10的电磁辐射110a具有大约“-4.7dB，+/-1dB”的ASRC。

具有厚度d、电容率ε_m、磁导率μ_m和良好导电背衬(backing)的均质材料层的反射系数Γ可以被表示为：

$\Gamma =R-\frac{(1-R^2)e^{-j2{\gamma }_{m}d}}{1-{\mathrm{Re}}^{-j2{\gamma }_{m}d}}---\left(1\right)$

其中

$R=\frac{z_m-z_0}{z_m+z_0}---\left(2\right)$

$z_m=\sqrt{{\mu }_m/{ϵ}_m}---\left(3\right)$

$z_0=\sqrt{{\mu }_0/{ϵ}_0}---\left(4\right)$

${\gamma }_m=2\pi f\sqrt{{\mu }_m{ϵ}_m}---\left(5\right)$

可能的材料的电容率ε_m和磁导率μ_m可以从诸如材料的制造商或已知材料特性的查找表之类的已知来源得到。

电容率ε_m和磁导率μ_m可以是频率f、自由空间的电容率ε₀和自由空间的磁导率μ₀的函数。材料电容率ε_m也可以被表示为如下的介电常数ε_r和体电导率σ的函数：

${ϵ}_m={ϵ}_0{ϵ}_r-j\frac{\sigma }{2{\mathrm{\pi fϵ}}_0{ϵ}_r}---\left(6\right)$

本领域技术人员将认识到，通过使用等式(1)-(6)，人造皮肤10的附加导电层20可以被确定。体电导率σ和厚度d可以被相应的调节以将导电层20配置为具有期望的反射系数-4.7dB。相似地，导电层20可以被配置为具有替代的反射系数以适应不同的设计参数。以这种方式，等式(1)-(6)提供了一种基于可能的材料的频率f、电容率ε_m和磁导率μ_m来实现期望的反射系数Γ的方式。

根据前述，认识到随着频率f改变，期望的反射系数Γ应当被同样地调节。具体而言，随着频率f减小，期望的反射系数Γ应当按照每GHz大约0.027dB增大。例如，如果频率f被减少20GHz至56-53GHz的范围，则期望的反射系数Γ应当增大大约0.54dB至大约-4.16dB。

随着发射的雷达波110a被朝着人造皮肤10发射，波110a通过导电层20传播并且由于其电阻率而经历衰减。这使来自雷达波110a的电磁能量变换为热。在穿过导电层20的厚度之后，雷达波110a遇到屏蔽层30。屏蔽层30反射雷达110a以使得反射波110b再一次通过导电层20传播回来并且因而在离开人造皮肤20之前回来穿过导电层20的厚度。因此，雷达波的进和出导电层20的每一遍使雷达波110a、110b衰减总往返衰减的大约1/2。因此，导电层20的总衰减在77GHz处应当被配置在4.7dB左右以复制干燥人类皮肤的行为。

现在转到图6-图8，在另一个优选实施例中，人造皮肤10为了雷达测试而被涂覆于雷达人体模型100的表面区域。雷达人体模型100被成形为类似人体310。雷达人体模型100被用来测试和校准雷达系统，诸如在车辆防碰撞系统中使用的雷达系统。雷达人体模型100具有内部结构120和多个电子部件130。人造皮肤10屏蔽雷达人体模型100的内部结构120、130以使其免受电磁辐射110a。人造皮肤10还可被配置为使得雷达人体模型100的身体部位140、150、160所反射的电磁响应匹配人体340、350、360(见图8)上的对应身体部位的电磁响应。

多个身体部位140、150、160包括躯干140、腿150、手臂160和头部170。人体模型身体部位140、150、160中的每一个都被成形为类似人310上的对应身体部位340、350、360。例如，雷达人体模型的手臂160具有与真实人手臂360的尺寸和形状相似的尺寸和形状。由于尺寸和形状的变化，人体340、350、360的各部分不同程度地反射电磁辐射。例如，人躯干340与人手臂360相比不同地反射电磁辐射110a。因此，雷达人体模型100的特定身体部位上的人体模型皮肤10被配置为以与对应人类身体部位的水平匹配的特定水平来反射电磁辐射110a。

如在图7-图9中示出，为了验证人造皮肤10的性能，来自被人造皮肤10覆盖的雷达人体模型100的平滑化雷达截面图案200被与若干(例如九个)人310测试主体的平均平滑化雷达截面图案300相比较。为了获得平滑化雷达截面图案200，雷达人体模型100被放置在消声室中的旋转柱上，如在本领域中众所周知的。在77GHz的电磁辐射110a被从雷达发射器110发射的同时，雷达人体模型100被旋转。反射的雷达110b被雷达接收器112检测到并且数据被绘制。图7中示出的平滑化雷达截面图案200是使用5°移动窗口的平滑化雷达截面图案。认识到平滑化图案有助于使主图案变化可视化，而没有由来自在不同时间返回的不同身体部位140、150、160、170的散射的同相和异相干扰造成的快速振荡。

入射在空气-材料界面上的平面电磁场的反射系数由来自上面的等式(2)给出：

$R=\frac{z_m-z_0}{z_m+z_0}---\left(2\right)$

其中Z_m是根据等式(3)的材料的阻抗并且Z₀是根据等式(4)的自由空间的阻抗。均质导电材料的阻抗Z_m是频率ω(以弧度计)、磁导率u、电容率ε和电导率σ的函数，并且由下式给出。

$Z_m=\sqrt{\frac{j\omega \mu }{\sigma +j\omega ϵ}}---\left(7\right)$

干燥人类皮肤在77GHz处的近似介电常数大约是6.62。干燥人类皮肤在相同频率处的电导率是38.1S/m。因而根据等式(2)和(7)认识到干燥人类皮肤的反射系数在77GHz处大约是-4.68dB。这些值是可公开获得的并且在本领域中是已知的。

还应当认识到干燥人类皮肤的雷达截面比由理想电导体制成的相同人模型的雷达截面低4.68dB。因此，人造皮肤10被配置为具有相对于理想电导体的反射系数大约是-4.7dB+/-1dB的ASRC以复制干燥人类皮肤的行为。

如上所述，人雷达反射特性是使用与雷达人体模型100相同的设备和过程来测量的。人310测试主体的尺寸和体型的范围是人的典型代表。所有九个主体的77GHz处的平滑化雷达截面图案300在图8中被示出。

为了验证来自具有人造皮肤10的雷达人体模型100的平滑化雷达截面图案200，九个人310测试主体的平滑化雷达截面图案300(虚线)被与雷达人体模型100的平滑化雷达截面图案(实线)相比较，如在图9中示出。

图9展示了具有人造皮肤10的雷达人体模型100产生与一般人310主体相似的雷达截面电平和图案。雷达人体模型100的平滑化雷达截面图案200电平在侧视角度比人平滑化雷达截面图案300电平高大约2dB。这是由于在测试中使用的雷达人体模型的躯干140的前后厚度比一般成年男性厚的事实。

认识到人造皮肤10在76.5GHz处产生大约-4.7dB的反射系数。认识到该反射系数与干燥人类皮肤的反射系数相似。测量到的被人造皮肤10覆盖的雷达人体模型100的平滑化雷达截面图案200数据当被与人310测试主体的平滑化雷达截面图案300相比较时表现出相似的雷达反射特性。因此，该测试数据展示了人造皮肤10以暴露于电磁辐射的人类皮肤的电磁响应的水平反射77GHz雷达。

清楚的是，本发明的许多修改和变体鉴于以上教导是可能的并且在所附权利要求的范围内可以用除具体描述的方式之外的方式实践。