Современные приборы позволяют измерять фазу передаваемого сигнала с пространственным разрешением, и эти измеренные значения можно использовать в целях анализа однородности и задания пороговых значений.
Тестер качества автомобильных обтекателей R&S®QAR50
Измерительная задача
При беспилотном вождении решающее значение имеет точное обнаружение позиций окружающих объектов. Малейшие отклонения при определении углового положения могут искажать предпосылки для принятия последующих решений. Причиной погрешностей угла прихода сигнала (AoA) могут быть, например, неоднородности обтекателя. Ввиду сложного взаимодействия обтекателя и датчика сложно предсказать точные характеристики. Чтобы гарантировать использование только подходящих обтекателей в последующих процессах, требуется надежный метод измерений, пригодный для испытаний в конце производственной линии.
Решение компании Rohde & Schwarz
Тестер качества автомобильных обтекателей R&S®QAR50 — это быстродействующее, прецизионное и экономичное решение для испытаний автомобильных обтекателей. Тестер R&S®QAR50 с опцией анализа однородности R&S®QAR50-K20 (фазовая маска) позволяет определять угловую погрешность в лаборатории и на производстве.
В целях проверки применимости метода измеренные и расчетные значения от тестера R&S®QAR50 перепроверяются с помощью универсального тестера радаров R&S®RadEsT. Прибор R&S®RadEsT представляет собой универсальный имитатор радиолокационных целей автомобильных радаров, который генерирует определяемые пользователем отраженные сигналы радаров под различными углами.
Рис. 1: Определение направления волны от расположенного в центре точечного отражателя, находящегося в дальней зоне
Общее техническое описание
Для начала рассмотрим принципы обработки радиолокационных сигналов и определения угла прихода сигнала.
Излучаемая электромагнитная волна распространяется в пространстве и отражается объектами, находящимися в сигнальном тракте. Пренебрегая аспектами передачи, сосредоточимся на принимающей стороне радара. В данном упрощенном случае предположим, что имеется один точечный отражатель в дальней зоне. Это означает, что плоский фронт волны поступает на приемник. Исходя из того, что точечный отражатель расположен точно по центру области обзора, каждый антенный элемент (от a1 до a5) принимает плоский фронт волны с одинаковой фазой (φ1 = φ2 = φ3 и т. д.). См. рис. 1.
Если отражатель расположен не точно по центру, угол прихода волны вызывает различия в фазе на каждом принимающем элементе.
Угол падения фронта волны α рассчитывается на основе разности фаз Δφ и физического расстояния между антенными элементами d по следующей формуле:
Рис. 2: Определение направления прихода волны от точечного отражателя, расположенного не точно по центру
где φ = 0° (см. рис. 1) и λ ~ 3,9 мм (радар 77 ГГц).
В этом упрощенном случае расчетный угол αestimate = 0.
Неоднородный или неподходящий обтекатель перед приемником оказывает влияние на фронт волны и изменяет фазы (от φ1 до φ5) на каждом принимающем антенном элементе. Это ведет к неточностям при определении угла прихода сигнала.
Рис. 3: Клиновидный обтекатель преломляет фронт волны и вызывает разности фаз на принимающих антенных элементах
В целях экспериментальной проверки предположим, что клиновидный обтекатель вставлен в сигнальный тракт. Диэлектрическая проницаемость обтекателя отличается от проницаемости окружающего воздуха, поэтому скорость распространения электромагнитной волны в обтекателе также отличается. Ввиду своей клиновидной формы обтекатель имеет неоднородную толщину на плоскости падения волны, поэтому он преломляет волну и искажает ее фронт. Подробная информация о характеристиках и диэлектрической проницаемости материалов содержится в руководстве по применению «Определение характеристик полимерных материалов в автомобилестроении» (PD 3647.5084.92). Описываемый эффект представлен на рис. 3.
Изначально перпендикулярный фронт волны теперь преломлен и поступает на принимающие антенные элементы со смещением угла Δα. Это смещение обозначается как Δα, при этом фактический угол падения α в нашем примере по-прежнему составляет 0°. Радар не способен напрямую измерять угол прихода сигнала. Вместо этого он определяет фазы фронта волны на каждом принимающем антенном элементе.
По приведенной выше формуле радар ошибочно рассчитывает угол прихода сигнала не как 0°, а как зависимость от разности фаз Δφ между антенными элементами. В зависимости от геометрии обтекателя угловая погрешность, рассчитанная на основе значений разности фаз от тестера R&S®QAR50 Rohde & Schwarz согласно рис. 3, может отличаться в различных точках области обзора. Распознаваемые фазы являются результатом наложения фактического угла прихода сигнала α и смещения угла Δα.
Используя тестер R&S®QAR50, сложно напрямую измерять изменения угла прихода сигнала, поскольку в приборе отсутствуют данные о геометрии радара и обработке сигналов. Однако, если принять за основу базовую обработку формирования луча на принимающей антенне, вносимая неправильным обтекателем погрешность угла прихода сигнала приблизительно рассчитывается по следующей формуле:
Тестер качества автомобильных обтекателей R&S®QAR50
При беспилотном вождении решающее значение имеет точное обнаружение позиций окружающих объектов. Малейшие отклонения при определении углового положения могут искажать предпосылки для принятия последующих решений. Причиной погрешностей угла прихода сигнала (AoA) могут быть, например, неоднородности обтекателя. Ввиду сложного взаимодействия обтекателя и датчика сложно предсказать точные характеристики. Чтобы гарантировать использование только подходящих обтекателей в последующих процессах, требуется надежный метод измерений, пригодный для испытаний в конце производственной линии.
В качестве эмпирического правила для малого Δα с координатной сеткой R&S®QAR50 можно принять, что Δα ≈ 0,062 Δφобтек./см. Это означает, что если OEM-производитель считает угловую погрешность 1° приемлемой, допускается максимальная разность фаз
Тестер радаров R&S®RadEsT
Тестер качества автомобильных обтекателей R&S®QAR50 — это быстродействующее, прецизионное и экономичное решение для испытаний автомобильных обтекателей. Тестер R&S®QAR50 с опцией анализа однородности R&S®QAR50-K20 (фазовая маска) позволяет определять угловую погрешность в лаборатории и на производстве.
В целях проверки применимости метода измеренные и расчетные значения от тестера R&S®QAR50 перепроверяются с помощью универсального тестера радаров R&S®RadEsT. Прибор R&S®RadEsT представляет собой универсальный имитатор радиолокационных целей автомобильных радаров, который генерирует определяемые пользователем отраженные сигналы радаров под различными углами.
, измеренная на тестере R&S®QAR50. Однако это применимо только к базовой геометрии обтекателя и стандартной обработке формирования луча. Для каждой комбинации радара и обтекателя требуется отдельный анализ.
Представленные выше теоретические выкладки нуждаются в экспериментальной проверке.
Рис. 4: Размеры клина, изготовленного в целях экспериментальной проверки
Экспериментальная проверка
В целях экспериментальной проверки был изготовлен клин из полиоксиметилена (POM), размеры которого показаны на рис. 4.
Диэлектрическая проницаемость полиоксиметилена εr = 2,93 подтверждается различными методами.
Соответствующее преломление фронта волны рассчитывается следующим образом:
Рис. 1: Определение направления волны от расположенного в центре точечного отражателя, находящегося в дальней зоне
Для начала рассмотрим принципы обработки радиолокационных сигналов и определения угла прихода сигнала.
Излучаемая электромагнитная волна распространяется в пространстве и отражается объектами, находящимися в сигнальном тракте. Пренебрегая аспектами передачи, сосредоточимся на принимающей стороне радара. В данном упрощенном случае предположим, что имеется один точечный отражатель в дальней зоне. Это означает, что плоский фронт волны поступает на приемник. Исходя из того, что точечный отражатель расположен точно по центру области обзора, каждый антенный элемент (от a1 до a5) принимает плоский фронт волны с одинаковой фазой (φ1 = φ2 = φ3 и т. д.). См. рис. 1.
Если отражатель расположен не точно по центру, угол прихода волны вызывает различия в фазе на каждом принимающем элементе.
Угол падения фронта волны α рассчитывается на основе разности фаз Δφ и физического расстояния между антенными элементами d по следующей формуле:
Рис. 5: Изображение фазовой маски клина, изготовленного в целях экспериментальной проверки
Сначала с помощью тестера R&S®QAR50 проверяется теоретически рассчитанная разность фаз для экспериментального клина из полиоксиметилена. Полученная фазовая маска показана на рис. 5.
С включенным режимом координатной сетки тестер R&S®QAR50 автоматически выводит среднее значение фазы для каждой ячейки сетки. Чтобы гарантировать достоверность результатов, используется сетка 10 х 10 мм. Разность фаз между отдельными ячейками определяется следующим образом:
Рис. 6: Экспериментальная установка, состоящая из автомобильного радара, клиновидного обтекателя и тестера R&S®RadEsT
Таким образом, средняя разность фаз составляет 66,6°/см, что очень близко к расчетному значению 65,3°. Отклонение между этими двумя значениями связано с производственными допусками и погрешностями измерений.
В целях конечной верификации применяется лабораторная установка, состоящая из автомобильного радара пятого поколения и универсального тестера R&S®RadEsT. Дополнительное экранирование позволяет повысить точность испытательной установки и гарантировать выполнение всех измерений в соответствующих условиях дальней зоны.
Имитатор R&S®RadEsT настроен таким образом, чтобы имитировать одиночную радиолокационную цель на расстоянии 40 м точно по центру области обзора радара. Проводятся три испытания: эталонное измерение без клина и два измерения с клином, который переворачивается между двумя измерениями. На рисунке 6 показана измерительная установка.
Согласно описанному выше эмпирическому правилу предполагается, что радар выдает (неверный) угол прихода сигнала ок. ±4,1°, при этом плюс или минус зависят от направления клина.
В таблице ниже представлен обзор ожидаемого отклонения угла прихода сигнала согласно описанному выше эмпирическому правилу и измеренные значения угла прихода сигнала на экспериментальной установке.
| Без обтекателя | Положительная погрешность | Отрицательная погрешность | |
|---|---|---|---|
| Ожидаемые значения | 0° | 4,1° | –4,1° |
| Измеренные значения | 0° | 4,2° | –3,8° |
Повторно подчеркнем, что причину отклонений нельзя определить с полной уверенностью. Отклонения могут быть вызваны дефектами материала, производственным браком либо погрешностями используемых приборов и датчиков.
Заключение
Несмотря на невозможность прямого измерения угловой погрешности, вносимой неидеальным обтекателем, этот параметр можно определять с помощью лабораторной установки и опции анализа однородности R&S®QAR50-K20 (фазовая маска).
Теоретическая разность фаз при диэлектрической проницаемости εr = 2,93 и заданной толщине клина составляет 65,3°/см. Этот результат очень близок к значению разности фаз = 66,6°/см, измеренному с помощью опции анализа однородности R&S®QAR50-K20 (фазовая маска).
Теоретическая погрешность угла прихода сигнала Δα = 4,0° и определенное с помощью опции R&S®QAR50-K20 смещение угла прихода сигнала = 4,1° отлично коррелируют друг с другом с учетом ожидаемых допусков.
Экспериментальная проверка этих двух значений с помощью радарного датчика пятого поколения, который имитируется универсальным тестером R&S®RadEsT, показывает, что результаты теоретического и экспериментального подходов можно воспроизводить в реальных условиях.
Сопутствующие товары
