Radarteknologin ställer komplexa krav på hela leveranskedjan inom fordonsindustrin. Bilradarns egenskaper måste verifieras, vilket ställer stora krav på den mätteknik som används.

Fordonsindustrins utveckling driver innovationerna i Tyskland. Enligt rapporten Innovationen in der Deutschen wirdschaft från Fraunhofer Institute och dess Zentrum für Europäische Wirdschaftforschung GmbH (ZEW), investerades 52,4 miljarder enbart under 2016 – med en uppåtgående trend (http://ftp.zew.de/pub/zew-docs/mip/17/mip_2017.pdf).

Det man fokuserar på är självkörande fordon. Nyutvecklingen inom detta område innebär inte bara kontinuerliga förändringar av fordonstillverkarnas processer utan medför också att hela leverantörskedjan måste anpassa sig till nya utmaningar.

Sensorer – grunden för självkörande fordon
Självkörande fordon kräver massor av information om omgivningen, information som normalt tas in av det mänskliga ögat och processas av hjärnan. De tekniska motsvarigheterna är sensorer, som således tillhör nyckelkomponenterna för självkörande fordon. Redan nu har man tillverkat fordonsradar i miljontals enheter. Idag är fordonsradar standardutrustning i premiumbilar och används av assistanssystem för att förebygga olyckor och öka förarkomforten.

Radarsensorer använder huvudsakligen en frekvensmodulerad signal med kontinuerlig bärvåg (FMCW). Med hjälp av fördröjningen i utbredningen och dopplerfrekvensskiftet kan sensorerna mäta och räkna ut avstånd och radiell hastighet hos flera målobjekt. Beroende på antennmatrisens egenskaper kan det också vara möjligt att mäta och beräkna azimut och även elevationsvinkel.

Under signalbehandlingen tar sensorelektroniken fram mållistor som innehåller objektens uppmätta lägen och hastigheter tillsammans med ”typklassificering” (fotgängare, bil osv.). Denna lista skickas till fordonets elektroniska kontrollenhet (Electrical Control Unit, ECU), som använder den för att i realtid bestämma vilka manövrar fordonet skall göra. Noggrannheten och tillförlitligheten hos dessa data är extremt viktiga för fordonets, dess passagerares och övriga trafikanters säkerhet.

Fig 1. Målobjektets position detekteras på fel plats på grund av azimutmätfel. Det autonoma fordonets kontrollsystem skulle kunna svara med en olycksbringande manöver.

 Radomen – en speciell utmaning
Av estetiska skäl installeras inte radarsystemen öppet på fordonet. Istället döljs de, till exempel bakom ett emblem i kylargallret och bakom främre och bakre stötfångaren. Dessa emblem och stötfångare kommer då att vara radomer (skydd för radarantenn). Som radomer måste de ses som RF-komponenter som påverkar detekteringsprestanda och noggrannhet hos radarenheten som döljs bakom dem.

Materialet har en genomgångsdämpning för RF som försvagar signalen. det sker dessutom två gånger eftersom signalen först passerar ut mot målet och sedan reflekteras tillbaka in. Enligt lagarna för vågutbredning är effekten hos den utsända signalen omvänt proportionell mot avståndet r i kvadrat, vilket innebär att fram och tillbaka så reduceras den till 1/r4.

Ett exempel: om en 77 GHz radar med 3 W uteffekt och en antennförstärkning av 25 dBi skall kunna detektera ett föremål med en radarmålyta av 10 m² och har en minsta detekterbar signal av –90 dBm, skulle detta innebära en maximal radarräckvidd av 109,4 meter – utan  radom. Om dämpningen fram och tillbaka sammantaget är 3 dB, så minskas räckvidden hos radarn med 16 % till endast 92,1 m.

Förutom materialets dämpning så spelar också reflektionen och homogeniteten hos radommaterialet en viktig roll för radarprestanda. Reflektioner, till exempel på grund av metallpartiklar i lacken och RF-missanpassning från utgångsmaterialet ger interferenssignaler i själva radomen, alltså i närheten av sensorn. Dessa interferenssignaler tas emot och blandas ner i mottagarkedjan, vilket försämrar detekteringskänsligheten hos radarenheten.

Många fordonstillverkare försöker mildra effekten genom att installera radomen i vinkel så att den utsända signalen inte reflekteras in direkt in i mottagarens ingångssteg. Denna ansats innebär konstruktionsbegränsningar och eliminerar inte de parasitiska reflektionerna som orsakar förluster av RF-energi.

Ett annat problem är att bristande homogenitet hos materialet som inneslutningar, varierande densitet och den varierande tjockleken hos materialet i tredimensionella märkesloggor stör den utgående och inkommande vågfronten. Den blir distorderad, vilket leder till att vinkelmätningarna blir mindre exakta. Kalibrering av radarsensorn kan inom vissa gränser minimera denna effekt, men kan inte helt eliminera den eftersom den kalibrerade radarsensorn kan komma att monteras bakom radomer från olika tillverkare.

Kalibrering och validering – en möjlighet för leverantörer
Validering av radomen och dess egenskaper är alltså nödvändig. Radarns tillförlitlighet måste säkerställas så att man kan implementera säkra assistanssystem och autonoma körkoncept.

Att i efterhand korrigera det material som används är extremt tidsödande och kostsamt och därför oacceptabelt för fordonstillverkarna. När fordonen blir allt mer oberoende, finns det ett behov av radomer av hög kvalitet vars dämpningsegenskaper inte bara är minimerade utan också konstanta och kända i detalj.

Fordonstillverkarna vill hålla testtiderna så korta som möjligt, Därför kan leverantörer få tydliga konkurrensfördelar om de kan leverera redan testade radomer med avseende på dessa egenskaper och med bifogade testdata.

För att kunna göra detta behöver leverantörerna tillförlitliga och detaljerade produkttester. Radomtillverkare använder normalt en refensradar för att testa sina produkter. I en stationär installation av radarreflektorer görs differensmättningar vid olika avstånd och vinklar, med och utan radom. Under förutsättning att de uppmätta värdena ligger inom angivna toleranser blir radomen godkänd. När sensorer och manöverorgan får allt större ansvar, och när komplexiteten hos själva radomen blir allt större, är det inte längre tillräckligt med den typen av selektiva tester.

Fig 2. Typisk testuppsättning med referensradar.

Den testmetod där man använder enbart en reflektor och har radar och radom placerade på ett vridbord är mer noggrann. Mätningen upprepas för olika vinklar och mätresultatet jämförs med den vinkel som ställts in på vridbordet. Ju noggrannare vridbordet kan positioneras och ju fler testpunkter man har, desto bättre gäller resultatet. Emellertid tar denna mätning lång tid och är därför inte lämplig för produktionstest.

Tillförlitlig testprocedur
Rohde & Schwarz utvecklade R&S QAR (Quality Automotive Radome test) för att erbjuda en testprocedur som ger tillförlitliga data och som i praktiken verkligen är användbar med tanke på pris och testtid.

I stället för en referensenhet använder den en panel med flera hundra sändar- och mottagarantenner som arbetar inom samma frekvensområde som fordonsradar. Antennerna i R&S QAR ser det som en fordonsradar skulle se.

Tack vare den stora aperturen mäter den avstånd, azimut och elevation med mycket högre upplösning (i storleksordningen millimeter). Den höga upplösning gör att reflektiviteten visualiseras som ett slags röntgenbild som gör det möjligt även för lekmän att snabbt göra en kvalitetsbedömning.

I ett andra analyssteg kan kvalitetsparametrar beräknas ur denna bild, vilket betyder att tidigare produktionstester kan ersättas av ett enkelt Pass/Fail-test. Användningen av många sändar- och mottagarantenner gör det möjligt att testa hela radomen i detalj på några få sekunder i en enda mätning (One-Shot metod) för att på så sätt eliminera tidsödande testsekvenser.

Fig 3. Testsystemet R&S QAR Quality Automotive Radome. Testobjektet monteras på framkanten av bordet. Den blå enheten innehåller millimetervågssändaren för transmissionsmätningar.

R&S QAR gör det möjligt att mäta båda rumsligt upplöst reflektivitet och transmission hos testobjektet. Den förstnämnda mäter den reflekterade energin från radommaterialet, det vill säga den förlust som negativt påverkar prestanda. Ett visst område kan ha högre reflektivitet av olika skäl, till exempel materialfel, luftinneslutningar, oönskad växelverkan mellan olika materialskikt eller en alltför stor andel av vissa materialkomponenter. Mätmetoden ger rumsligt upplösta mätresultat genom att koherent länka alla reflekterade signaler efter magnitud och fas. Visualiseringen av resultaten ger en spontan, kvalitativ och tillförlitlig Pass/Fail-bedömning, men också en kvalitativ beskrivning av testobjektets reflektiva egenskaper.

Den högupplösta radarbilden (fig 5) visar vad en radarsensor täckt av denna demonstrationsradom (fig 4) skulle se. Ljusstyrkan i bilden representerar reflektiviteten. Ju mer radarsignalen reflekteras, desto ljusare blir området. Metallobjekt visas som vitt (skruvarna i de fyra hörnen). Den tydligt märkbara konturen av loggan indikerar hög reflektivitet och en väldigt ojämn helhetsbild.

Fig 4. Demonstrationsradom med Rohde & Schwarz logga som bara sticker upp 0,5 mm över radomens bas. Även denna ringa ökning av tjockleken leder till missanpassning vid 77 GHz.

Fig 5. Högupplöst millimetervågsbild av reflektivitet (vänster) med det valda analysområdet (den blå fyrkanten) och transmissionsmätningen/envägsdämpningen (höger) hos R&S radom. På grund av missanpassningen mellan 76 och 77 MHz, skulle en sådan radom inte vara lämplig för radar i detta frekvensområde.

 Transmissionsmätningarna ger svar på frekvensanpassning och dämpning hos radommaterialet, som ligger till grund för dess lämplighet. En kalibrerad sändarenhet bakom testobjektet (fig 4) sveper över det valda frekvensområdet. Mottagarmatrisen tar emot signalen och ger en noggrann bedömning av radomens frekvenssvar vid sändning. Frekvenssvaret ger detaljerad information om RF-anpassningen hos testobjektet över precis det område som används för radarenheterna. Denna information är oberoende av faktisk vågform hos signalen och gäller därför för alla typer av radarenheter som kan installeras bakom radomen.

Unik mätmetod
Autonoma fordon måste ha radar som tillförlitligt, det vill säga utan fel, detekterar objekt i omgivningen. Detta är beroende både av kvaliteten hos radarn och av hur den byggs in i karossen. När man använder karosseridelar som radomer kan detta påverka signalen negativt så att objekt inte alls detekteras eller detekteras på fel plats.

Idag, när karosserikomponenter inte längre enbart har sin ursprungliga funktion utan också måste ha väl definierade RF-egenskaper, krävs noggranna och praktiskt användbara mätmetoder för att verifiera dessa. R&S QAR från Rohde&Schwarz innebär en innovativ och unik mätmetod. Den ger mer detaljerade mätresultat på betydligt kortare tid. Det gäller för såväl rumsligt upplöst RF-reflektivitet som för transmissionsmätningar.

För fordonstillverkare innebär fler tester högre kostnader och lägre produktivitet, men för komponentleverantörer respresenterar de nya möjligheter. De kan själva testa de aktuella komponenterna. Detta inte bara höjer deras egen kvalitetsnivå, utan ger också en möjlighet att knyta starkare band till sina kunder genom möjligheten att erbjuda dem viktiga mätdata.

Författare: Andreas Reil och dr Steffen Heuel

Filed under: Utländsk Teknik