Con instrumentos de medida modernos se puede obtener la fase de transmisión con resolución espacial, que se puede emplear en la evaluación de homogeneidad de fase y la definición de umbrales.
Comprobador de radomos para la automoción R&S®QAR50
Su misión
En los vehículos autónomos, detectar la posición de los objetos con precisión es un aspecto crítico. Incluso la más mínima desviación en los cálculos angulares puede dar lugar a conclusiones incorrectas en la toma de decisiones posterior. Una falta de homogeneidad del radomo puede dar lugar, por ejemplo, a errores del ángulo de llegada (AoA). Debido a las complejas interacciones entre radomo y sensores, resulta muy difícil predecir el comportamiento exacto. Para garantizar que solamente pasen radomos aprobados a los procesos sucesivos se necesita un método de medida fiable y apto para las pruebas de fin de línea.
Solución de Rohde & Schwarz
El comprobador de radomos para automoción R&S®QAR50 es una solución rápida, precisa y económica para realizar medidas de radomos en el sector automovilístico. En combinación con la opción de análisis de homogeneidad R&S®QAR50-K20 (máscara de fase), el R&S®QAR50 permite deducir el error angular tanto en el laboratorio como en la producción.
Para demostrar la aplicabilidad del método, los resultados medidos y calculados del R&S®QAR50 se contrastan con los datos del comprobador esencial de radar R&S®RadEsT. El R&S®RadEsT es un simulador de blancos de radar de automoción versátil y completo que genera ecos radar definidos por el usuario con diferentes ángulos.
Fig. 1: Estimación de la dirección de un dispersor puntual posicionado centralmente en condiciones de campo lejano
Antecedentes técnicos
En primer lugar analizaremos cómo funciona el procesamiento de las señales radar y cómo se obtienen las estimaciones del ángulo de llegada (AoA).
La onda electromagnética emitida se propaga a través del espacio y se refleja en objetos del camino de la señal. Aquí, no se tiene en cuenta la cadena de transmisión, nos referimos solamente al lado de recepción del radar. En este caso simplificado, partimos de un dispersor puntual único en condiciones de campo lejano. Esto significa que un frente de onda planar llega al receptor. Suponiendo que el dispersor puntual se encuentra exactamente en el centro del campo de visión, cada elemento de antena (a1 hasta a5) debería recibir la onda planar con la misma fase (φ1 = φ2 = φ3, etc.) – véase la figura 1.
En caso de reflectores no posicionados centralmente, el AoA de la onda daría lugar a una fase diferente en cada elemento de recepción.
El ángulo de incidencia α del frente de onda se calcula utilizando la diferencia de fase Δφ y las distancias físicas entre las antenas d como sigue:
Fig. 2: Estimación de la dirección de llegada de un dispersor puntual no posicionado centralmente
Donde φ = 0° (véase la fig. 1) y λ ~ 3,9 mm (radar de 77 GHz).
Para este caso sencillo, el resultado es αestimado = 0.
Un radomo no homogéneo o irregular frente a los receptores influye en los frentes de onda y altera las fases (φ1 a φ5) en cada elemento de la antena receptora. La consecuencia es una estimación del AoA incorrecta.
Fig. 3: Radomo en forma de cuña que refracta los frentes de onda y provoca diferencias de fase en los elementos de la antena receptora
Para la verificación experimental, se parte de un radomo en forma de cuña insertado en el camino de la señal. El radomo tiene una permitividad diferente al aire que lo rodea y, por lo tanto, una velocidad de propagación diferente de la onda electromagnética. Puesto que el grosor de la cuña no es homogéneo en toda la región de formación de imágenes, refracta la onda y distorsiona los frentes de onda. Encontrará más información sobre las características del material y la permitividad en la ficha de aplicación «Characterizing polymer material properties for automotive applications» (PD 3647.5084.92). El efecto descrito se ilustra en la figura 3.
El frente de onda ortogonal incidente anterior ahora está refractado e incide en las antenas receptoras con un ángulo de desfase Δα. El desfase se indica como Δα, mientras que el ángulo de incidencia real α en este ejemplo sigue siendo 0°. El radar no puede medir directamente el AoA. En lugar de ello, detecta las fases del frente de onda en cada una de las antenas receptoras.
De acuerdo a la fórmula indicada más arriba, el radar calculará ahora erróneamente el AoA no como 0°, sino como una función de la diferencia de fase Δφ entre los elementos de antena. Dependiendo de la geometría del radomo, la estimación de error angular de Rohde & Schwarz calculada a partir del resultado de fase de AoA en el R&S®QAR50 puede variar a lo largo del campo de visión (FoV). Las fases detectadas son una superposición del AoA real α y el ángulo de desfase Δα.
Con el R&S®QAR50 es difícil medir directamente la influencia del AoA, ya que el instrumento carece de información sobre la geometría del radar y el procesamiento de señales. No obstante, partiendo del procesamiento básico de formación de haces de recepción, el error de AoA derivado del radomo irregular se puede estimar del siguiente modo:
Comprobador de radomos para la automoción R&S®QAR50
En los vehículos autónomos, detectar la posición de los objetos con precisión es un aspecto crítico. Incluso la más mínima desviación en los cálculos angulares puede dar lugar a conclusiones incorrectas en la toma de decisiones posterior. Una falta de homogeneidad del radomo puede dar lugar, por ejemplo, a errores del ángulo de llegada (AoA). Debido a las complejas interacciones entre radomo y sensores, resulta muy difícil predecir el comportamiento exacto. Para garantizar que solamente pasen radomos aprobados a los procesos sucesivos se necesita un método de medida fiable y apto para las pruebas de fin de línea.
Como regla general para Δα pequeños con la evaluación de cuadrícula del R&S®QAR50, se puede asumir una desviación de Δα ≈ 0,062 Δφradomo /cm. Esto significa que asumir un error angular de 1° se considera aceptable por parte del OEM, una diferencia de fase máxima de
R&S®RadEsT Radar Essential Tester
El comprobador de radomos para automoción R&S®QAR50 es una solución rápida, precisa y económica para realizar medidas de radomos en el sector automovilístico. En combinación con la opción de análisis de homogeneidad R&S®QAR50-K20 (máscara de fase), el R&S®QAR50 permite deducir el error angular tanto en el laboratorio como en la producción.
Para demostrar la aplicabilidad del método, los resultados medidos y calculados del R&S®QAR50 se contrastan con los datos del comprobador esencial de radar R&S®RadEsT. El R&S®RadEsT es un simulador de blancos de radar de automoción versátil y completo que genera ecos radar definidos por el usuario con diferentes ángulos.
medida con el R&S®QAR50 es admisible. No obstante, esto solo es aplicable a geometrías básicas y al procesamiento de formación de haces estándar, y debe ser evaluado para cada combinación de radar/radomo.
Las desviaciones teóricas descritas más arriba deben confirmarse con una verificación experimental.
Fig. 4: Dimensiones de la cuña fabricada para la verificación experimental
Verificación experimental
Para la verificación experimental se fabricó una cuña de polioximetileno (POM) con las dimensiones indicadas en la fig. 4.
La permitividad del POM se verifica como εr = 2,93 con diversos métodos.
El cálculo de la refracción resultante de los frentes de onda da como resultado
Fig. 1: Estimación de la dirección de un dispersor puntual posicionado centralmente en condiciones de campo lejano
En primer lugar analizaremos cómo funciona el procesamiento de las señales radar y cómo se obtienen las estimaciones del ángulo de llegada (AoA).
La onda electromagnética emitida se propaga a través del espacio y se refleja en objetos del camino de la señal. Aquí, no se tiene en cuenta la cadena de transmisión, nos referimos solamente al lado de recepción del radar. En este caso simplificado, partimos de un dispersor puntual único en condiciones de campo lejano. Esto significa que un frente de onda planar llega al receptor. Suponiendo que el dispersor puntual se encuentra exactamente en el centro del campo de visión, cada elemento de antena (a1 hasta a5) debería recibir la onda planar con la misma fase (φ1 = φ2 = φ3, etc.) – véase la figura 1.
En caso de reflectores no posicionados centralmente, el AoA de la onda daría lugar a una fase diferente en cada elemento de recepción.
El ángulo de incidencia α del frente de onda se calcula utilizando la diferencia de fase Δφ y las distancias físicas entre las antenas d como sigue:
Fig. 5: Imagen de máscara de fase de la cuña fabricada para la verificación experimental
En primer lugar se verifica la diferencia de fase resultante calculada teóricamente para la pieza de POM experimental con el R&S®QAR50. La máscara de fase resultante se muestra en la fig. 5.
Con el modo de cuadrícula activado, el R&S®QAR50 indica automáticamente la fase media de cada celda de la cuadrícula. Para mantener la consistencia se emplea un tamaño de cuadrícula de 10 mm × 10 mm. La diferencia de fase entre las celdas individuales se evalúa del siguiente modo:
Fig. 6: Configuración experimental con sensor radar para automóviles, radomo en forma de cuña y R&S®RadEsT
El resultado es una diferencia media de 66,6°/cm – muy cercano a los 65,3° calculados. La desviación entre los dos valores se debe a tolerancias de la producción e inexactitudes de medida.
Para la verificación final se utiliza una configuración de laboratorio basada en un sensor radar de quinta generación y el comprobador esencial de radar R&S®RadEsT. El apantallamiento opcional se emplea para mejorar la precisión de la configuración de prueba y para garantizar que todas las medidas se toman en condiciones adecuadas de campo lejano.
El simulador del R&S®RadEsT está configurado para generar un blanco único a una distancia de 40 m, posicionado directamente en el centro del FoV del radar. Se ejecutan tres medidas: una medida de referencia sin la cuña y dos medidas con la cuña girándola entre ambas capturas. La fig. 6 muestra la configuración de medida.
Partiendo de la regla general indicada más arriba, se supone que el radar indicará un AoA (incorrecto) de aprox. ±4,1°, donde la dirección de la cuña determina si es positivo o negativo.
La tabla de abajo muestra un esquema de la desviación esperada del AoA según la regla general expuesta más arriba y el AoA medido con la configuración experimental.
| Sin radomo | Error positivo | Error negativo | |
|---|---|---|---|
| Esperado | 0° | 4,1° | –4,1° |
| Medido | 0° | 4,2° | –3,8° |
De nuevo, la causa de las desviaciones no se puede determinar con certeza. Las desviaciones pueden ser consecuencia de defectos del material o de fabricación, o pueden atribuirse a las incertidumbres de medida de los instrumentos y sensores utilizados.
Resumen
A pesar de que el error angular introducido por un radomo imperfecto no se puede medir directamente, sí puede deducirse en una configuración de laboratorio utilizando los resultados de la opción de análisis de homogeneidad (máscara de fase) R&S®QAR50-K20.
La diferencia de fase teórica deducida de la permitividad electromagnética (εr = 2,93) y el grosor de la cuña da como resultado 65,3°/cm. Este resultado coincide en gran medida con la diferencia de fase medida con la opción de análisis de homogeneidad (máscara de fase) R&S®QAR50-K20, de 66,6°/cm.
El error teórico de AoA (denominado Δα) de 4,0° y el desfase de AoA estimado con la opción R&S®QAR50-K20, de 4,1°, coinciden perfectamente dentro de las incertidumbres esperadas.
La verificación experimental de estos dos valores utilizando un sensor radar de quinta generación estimulado por un comprobador de radar esencial R&S®RadEsT muestra que los resultados del método teórico y el experimental se pueden reproducir en la realidad.
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