Beim autonomen Fahren erfassen Radarsensoren alle relevanten Positions- und Bewegungsdaten. Entsprechend wichtig ist deren Zuverlässigkeit.

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Radarsensoren in autonomen Fahrzeugen Die Sinne von Autos schärfen

30.10.2018

Da autonome Fahrzeuge die Welt durch Sensoren erfassen, ist deren Verlässlichkeit oberstes Gebot. Ob ein Radarsensor die spezifizierte Leistung erbringt, hängt jedoch entscheidend von seiner Einbausituation ab. Ein neuer Tester liefert alle nötigen Erkenntnisse.

Automotive-Radare gehören zu den Schlüsselkomponenten autonomer Fahrzeuge. Auf Basis der von den Radarsensoren erfassten Positions- und Bewegungsdaten trifft das Steuergerät des Fahrzeugs Echtzeitentscheidungen über alle Fahrzeugmanöver. Entsprechend ist die Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Daten von zentraler Bedeutung für die Sicherheit des Fahrzeugs und dessen Insassen.

HF-Performance im Millimeterwellenbereich

Häufig werden Automotive-Radare – mehr aus ästhetischen denn aus funktionalen Gründen – durch eine Abdeckung namens Radom (Radar Dome) geschützt, die natürlich aus einem HF-durchlässigen Material bestehen muss. Als Radom eignet sich beispielsweise das Markenemblem im Kühlergrill. Dadurch kommt dem Emblem der Charakter eines HF-technischen Bauelements zu. Wird das beim Bauteildesign nicht einbezogen, kann sich das sehr nachteilig auf die Detektionsleistung und Genauigkeit des dahinter verborgenen Radars auswirken. Insbesondere die dreidimensionale Form der Embleme mit ihren lokal variierenden Materialstärken ist mit Blick auf die benötigte HF-Performance im Millimeterwellenbereich problematisch. Auch die Kunststoff-Stoßfänger eines Fahrzeugs sind geeignete Radome. Stoßfänger sind jedoch häufig mit einem metallischen Lack beschichtet, was den hohen Frequenzen ebenfalls abträglich ist. Beide Beispiele verdeutlichen, dass es zur Sicherstellung der Radarverlässlichkeit zwingend erforderlich ist, die Radom-Materialeigenschaften zu validieren und deren Einfluss auf die Radarsignale zu untersuchen.

Ungenaue Azimutmessung

Die Präzision eines Radars hängt unter anderem von Hardwarekomponenten, Softwareverarbeitung und dem Radarecho selbst ab. Darüber hinaus wirken sich Effekte wie die Mehrwegeausbreitung und die Verzerrung durch den Radom auf die Messgenauigkeit aus. Ungenauigkeiten bei der Azimutmessung lassen das Ziel gegenüber der tatsächlichen Position versetzt erscheinen: Ein Messfehler von nur einem Grad beim Radarsensor führt bei einem hundert Meter entfernten Ziel zu einem seitlichen Versatz von 1,75 m. Aufgrund dieser Abweichung könnte das Objekt also auf der falschen Fahrbahn verortet werden. Deshalb muss der Winkelmessfehler bei derartigen Entfernungen deutlich geringer sein.

Radom-Material schwächt Radarsignal doppelt

Bei modernen Radarsensoren mit Gruppenantenne im Empfänger-Frontend wird der Azimutwinkel über die Phasen- und Amplitudenverhältnisse ermittelt. Für eine optimale Messgenauigkeit muss jeder Radarsensor individuell kalibriert und justiert werden. Die kalibrierten Sensoren werden dann von den Automobilherstellern ins Fahrzeug eingebaut. Erst jetzt kommt das Radom-Material ins Spiel: Durch seine HF-Durchgangsdämpfung schwächt es das Signal – und zwar doppelt, sowohl auf dem Hinweg zum Objekt mit der Entfernung r und zurück. Dabei reduziert sich der Leistungspegel insgesamt um den Faktor 1/r4. Darüber hinaus können Reflexionen, etwa an Metallpartikeln im Lack, und HF-Fehlanpassungen des Grundmaterials Störsignale verursachen, die die Detektionsempfindlichkeit des Radars vermindern.

Referenzradar reicht für Tests nicht aus

Bislang testen die Radom-Hersteller ihre Produkte mit einem Referenzradar. Für diesen Test montiert man Winkelreflektoren in einer vorgegebenen Entfernung und Azimutposition vor dem Radar. Anschließend werden Differenzmessungen mit und ohne Radom durchgeführt und miteinander verglichen. Das Radom hat den Test bestanden, wenn die vom Radar ermittelte Entfernung beziehungsweise Azimutposition und die Echosignalpegel innerhalb vorgegebener Grenzwerte liegen. Mit diesem Verfahren lassen sich jedoch nur bestimmte Azimutwinkel überprüfen, sodass Störstellen im Radom leicht übersehen werden.

Eine andere gängige Messmethode funktioniert ähnlich, kommt aber mit nur einem Reflektor aus. Dabei wird der Radarsensor inklusive Radom auf einer Drehscheibe montiert und die Messung mit verschiedenen Winkeleinstellungen wiederholt. Anschließend wird der an der Scheibe ablesbare tatsächliche Winkel mit dem vom Radar gemessenen Winkel verglichen. Zwar ist diese Methode so genau wie die Positioniergenauigkeit der Drehscheibe, jedoch nimmt der Test viel Zeit in Anspruch und eignet sich deswegen nicht für Produktionstests.

Aussagefähige Tests auf Knopfdruck

Der Radom-Tester R&S QAR überwindet die beschriebenen Einschränkungen der bisherigen Behelfsmethoden. Statt eines Referenzradars mit winzigem Antennenfeld nutzt der Tester ein großflächiges Paneel mit mehreren Hundert Sende- und Empfangsantennen, die im erweiterten Frequenzbereich zwischen 75 und 82 GHz arbeiten. Der R&S QAR „sieht“ somit das gleiche, was ein mit Hunderten von Antennen bestückter Automotive-Radar sehen würde – dank der großen Apertur allerdings mit einer viel höheren Auflösung. Für Entfernung, Azimut und Elevation liegt die Auflösung im Millimeterbereich. Aufgrund dieser feinen Granularität kann das Messergebnis (genauer: die Reflektivität) als röntgenähnliches Bild visualisiert werden, das eine sofortige Qualitätseinschätzung auch durch messtechnische Laien zulässt, insbesondere in End-of-Line-Prüfungen. Dabei gewinnt der R&S QAR seine Ergebnisse im One-Shot-Verfahren im Stil einer Fotokamera. Anders als bei Messungen mit echten Radaren sind zur Ermittlung der Radom-Eigenschaften also keine zeitaufwendigen Testreihen nötig.

Qualitative und quantitative Einschätzung

Wie verläuft eine Messung mit dem Radom-Tester konkret? Zunächst wird das zu testende Radom in einem definierten Bereich vor dem Paneel platziert. Anschließend wird mittels einer Reflektivitätsmessung die Energie bestimmt, die durch das Radom-Material reflektiert wird. Da dieser Anteil nicht durch das Radom gelangt, verschlechtert er die Performance oder sogar das korrekte Funktionieren. Bestimmte Radom-Bereiche können eine besonders hohe Reflektivität aufweisen, beispielsweise aufgrund von Materialfehlern, Lufteinschlüssen, unerwünschten Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Materialschichten oder eines zu hohen Anteils bestimmter Materialkomponenten. Indem der R&S QAR alle reflektierten Signale aus dem Prüfvolumen kohärent nach Betrag und Phase verknüpft, liefert er ein räumlich aufgelöstes Messergebnis, das durch seine bildhafte Aufbereitung sowohl qualitative Einschätzungen als auch quantitative Untersuchungen des Prüflings ermöglicht.

Das in einer Abbildung gezeigte hochaufgelöste Radarbild einer R&S-Raute veranschaulicht, was ein mit diesem Radom abgedeckter Radarsensor sehen würde. Dabei codieren die Helligkeitsabstufungen die Reflektivität: Je heller ein Bereich, desto mehr Radarwellen wirft er zurück. So erscheint Metall weiß – die Schrauben in den vier Ecken der R&S-Raute. Die deutlich sichtbaren Konturen des Logos weisen auf eine hohe lokale Reflektivität und ein sehr inhomogenes Gesamtbild hin. Eine Logo-Dicke von 0,5 mm würde ausreichen, um die Radar-Performance im Straßenverkehr erheblich zu beeinträchtigen.

Detaillierte Informationen zur HF-Anpassung

In einem zweiten Messdurchgang werden die Frequenzanpassung und die Dämpfung des Radom-Materials gemessen. Dazu befindet sich hinter dem Prüfling ein Sendemodul. Per Sweep überstreicht der Sender einen ausgewählten Frequenzbereich. Der so erhaltene Radom-Übertragungsfrequenzgang liefert detaillierte Informationen über die HF-Anpassung des Prüflings in exakt dem Frequenzband, das für den Radarbetrieb vorgesehen ist. Die Informationen sind unabhängig von der konkreten Signalwellenform, die von der Radareinheit verwendet wird, und gelten somit für alle potenziell hinter dem Radom verbauten Radartypen. Die gezeigten Ergebnisse der Transmissionsmessung weisen eine hohe Welligkeit zwischen 76 und 79 GHz auf, so dass ein solches Radom für Radare in diesem Frequenzbereich nicht geeignet wäre. Vergleichbare Transmissionsmessungen an einem echten 3D-Radom aus der Automobilindustrie ergeben einen ähnlich zerklüfteten Kurvenverlauf.

Bildergalerie

  • Geeignete Radoms wirken sich nicht auf die Schätzung des Einfallswinkels aus. Der Radarquerschnitt nimmt jedoch um den Wert der Zwei-Wege-Dämpfung ab.

    Bild: Rohde & Schwarz

  • Beim Radom-Tester R&S QAR wird das Testobjekt an der vorderen Kante des Objekttischs montiert. Der blaue Aufsatz enthält den optional lieferbaren Millimeterwellensender für Transmissionsmessungen.

    Bild: Rohde & Schwarz

  • Zu sehen ist ein hochaufgelöstes Millimeterwellen-Bild der Reflektivität (links) und der Einwegdämpfung (rechts) für ein Demonstrations-Radom mit der R&S-Raute. Der blaue Rahmen im Logo markiert den Strahlungsquerschnitt des Messsenders beziehungsweise des Radars.

    Bild: Rohde & Schwarz

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