Radarová technologie v automobilech

Autonomní vozidla vyžadují velké množství informací o okolním prostředí, které běžně zachycuje lidské oko a jsou zpracovávány v mozku. Jejich technickými protějšky jsou senzory, klíčové komponenty autonomních vozidel. Dosud byly vyrobeny miliony radarů pro automobily. Tvoří standardní výbavu luxusních vozidel a používají je asistenční systémy, aby zabránily nehodám a zvýšily jízdní komfort.
Senzory radarů používají většinou kmitočtově modulovanou nosnou vlnu (FMCW). Důsledkem zpoždění šíření signálu a Dopplerova kmitočtového posuvu dokážou senzory měřit a vyhodnotit vzdálenost a radiální rychlost více cílů. V závislosti na vlastnostech antény je také možné změřit a stanovit azimut a dokonce i elevační úhel. Během zpracování signálu vygeneruje elektronika senzorů seznam cílů obsahující změřené pozice a rychlosti objektů spolu s informací o jejich typu (chodec, vozidlo atd.). Tento seznam je nejprve zaslán do elektronické řídicí jednotky (ECU) vozidla, která ho používá k rozhodování o manévrech vozidla v reálném čase. Přesnost a spolehlivost těchto dat jsou mimořádně důležité pro bezpečnost vozidla, jeho pasažérů a dalších účastníků silničního provozu.0

Z estetických důvodů nejsou radarové systémy instalovány na vozidle viditelně. Místo toho bývají skryty za emblémem značky na mřížce chladiče a za předním a zadním plastovým nárazníkem. Z těchto emblémů a nárazníků se stávají radomy (radarové kupole). Radomy musejí být považovány za RF komponenty, které ovlivňují výkonnost a přesnost detekce radaru, který je za nimi skrytý. Ztráta RF přenosu v materiálu radomu zeslabuje signál dvakrát, protože signál musí projít materiálem na cestě k cíli a na cestě zpět. Podle zákonů o šíření signálu je výkon přenášeného signálu nepřímo úměrný druhé mocnině vzdálenosti r v každém směru, což znamená, že je během cesty tam a zpět zeslaben o koeficient r-4.

Když například 77GHz radar s výstupním výkonem 3 W a ziskem antény 25 dBi potřebuje detekovat cíl o radarovém příčném řezu (RSC) 10 m² s minimálním detekovatelným signálem –90 dBm, výsledkem bude maximální dosah radaru 109,4 metru – bez radomu. Pokud obousměrný útlum radomu činí 3 dB, dosah radaru je snížen o 16 % na pouhých 92,1 m.

Kromě útlumu materiálu hraje ve výkonu radaru významnou roli také odrazivost a homogenita materiálu radomu. Odrazy, například od kovových částic v laku, a RF nepřizpůsobení základního materiálu produkuje rušivé signály uvnitř radomu, tedy v blízkosti senzoru. Tyto rušivé signály jsou přijímány a konvertovány v přijímací části a snižují citlivost radaru. Mnozí výrobci automobilů se snaží tento efekt zmírnit tím, že instalují radom pod určitým úhlem, aby vysílaný radarový signál nebyl odrážen přímo zpět do vstupní části přijímače. Tento přístup podléhá konstrukčním omezením a nesníží parazitní odrazy způsobující ztrátu RF výkonu. Dalším problémem jsou nehomogenity materiálu, například inkluze, rozdílná hustota a různé tloušťky materiálu v trojrozměrném logu značky, rušící odchozí a příchozí signál. Toto zkreslení vede k méně přesnému měření úhlů. Kalibrace senzorů radaru dokáže tento efekt do určité míry minimalizovat, ale nedokáže ho úplně odstranit, protože zkalibrovaný radar může být namontován za radomy od různých výrobců.

Aby bylo možné zajistit spolehlivost radarů a bezpečně implementovat asistenční systémy a koncepce autonomních vozidel, je nezbytně nutné, aby byly radomy a jejich vlastnosti ověřeny. Následná korekce použitých materiálů je nesmírně časově náročná a nákladná – a pro výrobce automobilů tudíž nepřijatelná. Se zvyšující se nezávislostí vozidel vyvstává potřeba vysoce kvalitních radomů, jejichž útlum není pouze minimální, ale rovněž konstantní a podrobně znám. Protože výrobci automobilů chtějí z důvodu časového tlaku zkrátit testování na co nejkratší dobu, dodavatelé, kteří dokážou poskytnout již testované radomy s těmito vlastnostmi a informacemi, mají zřejmou konkurenční výhodu.

Za tímto účelem potřebují dodavatelé spolehlivé a detailní testy výrobků. Výrobci radomů obvykle používají k testování svých výrobků referenční radar (golden device). Ve stacionární instalaci sestávající z reflektorů radaru se provádí měření s různými vzdálenostmi a úhly, s radomem a bez něj. Radom úspěšně projde testem, když zjištěné hodnoty splní specifikované tolerance. Jelikož senzory a řídicí jednotky postupně přebírají větší odpovědnost a roste i složitost samotných radomů, tyto selektivní testy již nejsou dostačující.

Přesnější je metoda využívající jen jeden reflektor a radar a radom umístěný na otočném stole. Měření se opakuje pod různými úhly a výsledky se porovnají s úhly natočení otočného stolu. Čím přesněji lze nastavit otočný stůl a čím více úhlů se otestuje, tím více jsou výsledky vypovídající. Nicméně tato metoda zabere hodně času a není tudíž pro výrobní testy vhodná.

Společnost Rohde & Schwarz vyvinula kvalitní testovací zařízení pro automobilové radomy R&S QAR umožňující testovací postup, který poskytne spolehlivá data a je praktický z hlediska nákladů a rychlosti. Místo referenčního zařízení (golden device) používá velký panel s několika sty vysílacích a přijímacích antén pracujících ve stejném kmitočtovém pásmu jako automobilové radary. Antény zařízení R&S QAR vidí to, co by měl vidět automobilový radar. Díky velké štěrbině měří vzdálenost, azimut a elevaci s mnohem větším rozlišením (v řádu milimetrů). Vysoké rozlišení umožňuje vizualizovat odrazivost jako typ rentgenového obrazu, což umožňuje i laikům okamžitě vyhodnotit kvalitu. Ve druhém kroku analýzy je možné z obrazu vypočítat parametry kvality, což znamená, že předchozí výrobní testy lze nahradit prostým testem vyhověl/nevyhověl. Použití mnoha vysílacích a přijímacích antén umožňuje podrobně otestovat celý radom během několika sekund při jediném průchodu (jednorázová metoda) a eliminovat časově náročné měřicí postupy.

Zařízení R&S QAR umožňuje měření jak prostorově vyhodnocené odraznosti, tak propustnosti DUT (testované zařízení). Měření odrazivosti měří energii odraženou materiálem radomu. Ta představuje ztráty zhoršující parametry. Některé části mohou mít vyšší odraznost, a to z různých důvodů – například vadou materiálu, vzduchových inkluzí, nežádoucích interakcí mezi různými vrstvami materiálu nebo nadměrného množství některých materiálových komponent. Tato měřicí metoda poskytuje prostorové vyhodnocení výsledků měření koherentním spojením všech odražených signálů podle amplitudy a fáze. Vizualizace výsledků umožňuje spontánní, kvalitativní a spolehlivé vyhodnocení typu vyhověl/nevyhověl a zároveň kvantitativní zhodnocení odrazivosti DUT.

Radarový obraz s vysokým rozlišením ukazuje, co uvidí senzor radaru zakrytý tímto testovacím radomem. Úrovně jasu reprezentují odrazivost. Čím je oblast jasnější, tím více odráží radarový signál. Kovové objekty jsou zobrazeny bílou barvou (šrouby ve čtyřech rozích). Zřetelně patrné kontury loga označují vysokou odrazivost a velmi nehomogenní celkový obraz.

Měření přenosu definuje kmitočtové přizpůpsobení a útlum materiálu radomu, které jsou základem stanovení jeho vhodnosti. Zkalibrovaná přenosová jednotka umístěná za DUT proměřuje vybraný kmitočtový rozsah. Přijímací část přijímá signál a umožňuje přesné vyhodnocení kmitočtové odezvy přenosu radomu. Kmitočtová odezva poskytne podrobné informace o přizpůsobení DUT v kmitočtovém pásmu vyhrazeném pro provoz radaru. Tato informace nezávisí na použitém typu signálu radaru a je tedy platná pro všechny typy radarů v měřeném kmitočtovém pásmu, které je možné za radom nainstalovat.

Autonomní vozidla vyžadují spolehlivé radary, tzn. musejí bezchybně detekovat okolní objekty. To závisí na kvalitě radaru i na způsobu instalace. Části karoserie vozidla používané jako radomy mohou zhoršit signál natolik, že objekty nebudou vůbec rozpoznány nebo budou špatně určeny jejich polohy. V současnosti musejí tyto díly nejen sloužit svému původnímu účelu, ale musejí mít rovněž definované RF vlastnosti. K ověření těchto vlastností jsou zapotřebí přesné a praktické metody měření. Zařízení R&S QAR od společnosti Rohde & Schwarz nabízí inovativní, unikátní metodu, která přináší za mnohem kratší dobu podrobnější výsledky měření jak pro prostorově vyhodnocenou odraznost RF signálu, tak pro měření přenosu.

Pro výrobce automobilů znamenají další testy větší výdaje a nižší produktivitu, ale pro dodavatele představují nové příležitosti. Mohou totiž testovat požadované díly sami. Tím nejen zvýší své vlastní standardy kvality, ale umožní jim to také zvýšit loajalitu zákazníků, kterým poskytnou prostřednictvím naměřených dat další konkrétní službu.

Rohde & Schwarz

Andreas Reil, Dr. Steffen Heuel

nevena.rasic@publitek.com

https://www.rohde-schwarz.com/us/home_48230.html