Gli strumenti di misura moderni forniscono una fase di trasmissione risolta spazialmente che può essere utilizzata nella valutazione dell'omogeneità di fase e nella definizione della soglia.
Tester R&S®QAR50 per radome automobilistici
Attività da eseguire
Per i veicoli autonomi, rilevare posizioni precise degli oggetti è fondamentale. Anche piccole deviazioni nelle stime angolari possono causare conclusioni errate nelle decisioni successive. Gli errori di angolo di arrivo (AoA), ad esempio, possono essere causati da disomogeneità del radome. A causa delle complesse interazioni tra radome e sensore, il comportamento esatto è difficile da prevedere. Per garantire che vengano utilizzati solo radome qualificati nei processi successivi, è necessario un metodo di misura affidabile adatto al collaudo finale.
Soluzione Rohde & Schwarz
Il tester R&S®QAR50 per radome automobilistici è una soluzione rapida, precisa ed economica per il collaudo dei radome automobilistici. Il tester R&S®QAR50, insieme all'opzione di analisi di omogeneità R&S®QAR50-K20 (maschera di fase), consente di determinare l'errore angolare in laboratorio e in produzione.
Per dimostrare l'applicabilità del metodo, i risultati misurati e calcolati dal tester R&S®QAR50 sono confrontati con quelli del tester radar essenziale R&S®RadEsT. Il tester R&S®RadEsT è un simulatore di bersagli radar automobilistici versatile e completo che genera echi radar definibili dall'utente a vari angoli.
Fig. 1: Stima della direzione di un diffusore puntiforme posizionato centralmente in condizioni di campo lontano
Background tecnico
Il primo passo è esaminare l'elaborazione del segnale radar e come vengono ottenute le stime dell'AoA.
L'onda elettromagnetica emessa si propaga nello spazio ed è riflessa dagli oggetti nel percorso del segnale. Qui, la catena di trasmissione viene trascurata e ci si concentra sul lato ricevente del radar. In questo caso semplificato, si ipotizza un singolo diffusore puntiforme in condizioni di campo lontano. Ciò significa che un fronte d'onda piano raggiunge il ricevitore. Ipotizzando che il diffusore puntiforme sia esattamente al centro del campo visivo, ogni elemento dell'antenna (a1 - a5) riceverebbe l'onda piana con la stessa fase (φ1 = φ2 = φ3, ecc.) – vedere la Fig. 1.
Per i riflettori non posizionati centralmente, l'AoA dell'onda comporterebbe una fase diversa in ciascun elemento ricevente.
L'angolo di incidenza α del fronte d'onda viene calcolato utilizzando la differenza di fase Δφ e le distanze fisiche tra le antenne d come segue:
Fig. 2: Stima della direzione di arrivo per un diffusore puntiforme non posizionato centralmente
Dove φ = 0° (vedere Fig. 1) e λ ~ 3,9 mm (radar a 77 GHz).
Per questo caso semplice, ciò si traduce in αstima = 0.
Un radome disomogeneo o improprio davanti ai ricevitori influenza i fronti d'onda e altera le fasi (φ1 - φ5) in ogni elemento dell'antenna ricevente. Questo porta a una stima errata dell'AoA.
Fig. 3: Un radome a forma di cuneo che rifrange i fronti d'onda e provoca differenze di fase negli elementi dell'antenna ricevente
Per la verifica sperimentale, considerare un radome a forma di cuneo inserito nel percorso del segnale. Il radome ha una permittività diversa rispetto all'aria circostante e quindi una velocità di propagazione diversa per l'onda elettromagnetica. Poiché lo spessore del cuneo non è omogeneo in tutta la regione di imaging, esso rifrange l'onda e distorce i fronti d'onda. Ulteriori informazioni sulle caratteristiche del materiale e sulla permittività possono essere trovate nella scheda applicativa "Caratterizzazione delle proprietà dei materiali polimerici per applicazioni automobilistiche" (PD 3647.5084.92). L'effetto descritto è dimostrato nella Fig. 3.
Il fronte d'onda in arrivo precedentemente ortogonale è ora rifratto e arriva alle antenne riceventi con un angolo di offset Δα. L'offset è indicato come Δα, mentre l'angolo di incidenza effettivo α in questo esempio è ancora 0°. Il radar non può misurare direttamente l'AoA. Invece, rileva le fasi del fronte d'onda in ciascuna delle antenne riceventi.
Secondo la formula data in precedenza, il radar calcolerà ora erroneamente l'AoA non come 0°, ma come funzione della differenza di fase Δφ tra gli elementi dell'antenna. A seconda della geometria del radome, la stima dell'errore angolare calcolata da Rohde & Schwarz utilizzando il risultato di fase R&S®QAR50 di 3 AoA può variare nel campo visivo (FoV). Le fasi rilevate sono una sovrapposizione dell'effettivo AoA α e dell'angolo di offset Δα.
Con il tester R&S®QAR50, è difficile misurare direttamente l'influenza dell'AoA, poiché lo strumento non dispone di informazioni sulla geometria del radar e sull'elaborazione del segnale. Tuttavia, ipotizzando un'elaborazione di beamforming di ricezione di base, l'errore AoA introdotto dal radome improprio può essere stimato come:
Tester R&S®QAR50 per radome automobilistici
Per i veicoli autonomi, rilevare posizioni precise degli oggetti è fondamentale. Anche piccole deviazioni nelle stime angolari possono causare conclusioni errate nelle decisioni successive. Gli errori di angolo di arrivo (AoA), ad esempio, possono essere causati da disomogeneità del radome. A causa delle complesse interazioni tra radome e sensore, il comportamento esatto è difficile da prevedere. Per garantire che vengano utilizzati solo radome qualificati nei processi successivi, è necessario un metodo di misura affidabile adatto al collaudo finale.
Come regola empirica per piccoli Δα con la valutazione della griglia R&S®QAR50, si può ipotizzare una deviazione di Δα ≈ 0,062 Δφradome/cm. Ciò significa che, ipotizzando che un errore angolare di 1° sia considerato accettabile dal produttore originale (OEM), è consentita una differenza di fase massima di
Tester radar essenziale R&S®RadEsT
Il tester R&S®QAR50 per radome automobilistici è una soluzione rapida, precisa ed economica per il collaudo dei radome automobilistici. Il tester R&S®QAR50, insieme all'opzione di analisi di omogeneità R&S®QAR50-K20 (maschera di fase), consente di determinare l'errore angolare in laboratorio e in produzione.
Per dimostrare l'applicabilità del metodo, i risultati misurati e calcolati dal tester R&S®QAR50 sono confrontati con quelli del tester radar essenziale R&S®RadEsT. Il tester R&S®RadEsT è un simulatore di bersagli radar automobilistici versatile e completo che genera echi radar definibili dall'utente a vari angoli.
misurata con il tester R&S®QAR50. Tuttavia, questo si applica solo alle geometrie di base e all'elaborazione standard del beamforming e deve essere valutato per ogni combinazione radar/radome.
Le deviazioni teoriche sopra descritte devono essere verificate sperimentalmente.
Fig. 4: Dimensioni del cuneo prodotto per la verifica sperimentale
Verifica sperimentale
Per la verifica sperimentale, è stato realizzato un cuneo in poliossimetilene (POM) con le dimensioni mostrate nella Fig. 4.
La permittività del POM è verificata come εr = 2,93 con metodi multipli.
Il calcolo della rifrazione risultante dei fronti d'onda porta a
Fig. 1: Stima della direzione di un diffusore puntiforme posizionato centralmente in condizioni di campo lontano
Il primo passo è esaminare l'elaborazione del segnale radar e come vengono ottenute le stime dell'AoA.
L'onda elettromagnetica emessa si propaga nello spazio ed è riflessa dagli oggetti nel percorso del segnale. Qui, la catena di trasmissione viene trascurata e ci si concentra sul lato ricevente del radar. In questo caso semplificato, si ipotizza un singolo diffusore puntiforme in condizioni di campo lontano. Ciò significa che un fronte d'onda piano raggiunge il ricevitore. Ipotizzando che il diffusore puntiforme sia esattamente al centro del campo visivo, ogni elemento dell'antenna (a1 - a5) riceverebbe l'onda piana con la stessa fase (φ1 = φ2 = φ3, ecc.) – vedere la Fig. 1.
Per i riflettori non posizionati centralmente, l'AoA dell'onda comporterebbe una fase diversa in ciascun elemento ricevente.
L'angolo di incidenza α del fronte d'onda viene calcolato utilizzando la differenza di fase Δφ e le distanze fisiche tra le antenne d come segue:
Fig. 5: Immagine della maschera di fase del cuneo prodotto per la verifica sperimentale
Per prima cosa, la differenza di fase risultante calcolata teoricamente viene verificata per la piastra POM sperimentale utilizzando il tester R&S®QAR50. La maschera di fase risultante è mostrata nella Fig. 5.
Con la modalità griglia attivata, il tester R&S®QAR50 fornisce automaticamente la fase media di ogni cella della griglia. Per coerenza, viene utilizzata una griglia di dimensioni 10 mm × 10 mm. La differenza di fase tra le singole celle viene valutata come segue:
Fig. 6: Configurazione sperimentale con sensore radar automobilistico, radome a forma di cuneo e R&S®RadEsT
Questo si traduce in una differenza media di 66,6°/cm – molto vicina ai 65,3° calcolati. La deviazione tra i due valori è causata dalle tolleranze di produzione e dalle inaccuratezze di misura.
Per la verifica finale, viene utilizzata una configurazione di laboratorio basata su un sensore radar di quinta generazione e sul tester radar essenziale R&S®RadEsT. La schermatura opzionale viene utilizzata per migliorare l'accuratezza della configurazione del test e per garantire che tutte le misure siano eseguite in condizioni appropriate di campo lontano.
Il simulatore R&S®RadEsT è configurato per fornire un singolo bersaglio a una distanza di 40 m posizionato direttamente al centro del campo visivo del radar. Sono stati eseguiti tre test: una misura di riferimento senza il cuneo e due misure con il cuneo capovolto tra le registrazioni. La Fig. 6 mostra la configurazione di misura.
Con la regola empirica sopra descritta, si ipotizza che il radar fornisca un AoA (errato) di circa ±4,1°, con la direzione del cuneo che determina se sia positivo o negativo.
La tabella sottostante fornisce una panoramica della deviazione prevista dell'AoA secondo la regola empirica spiegata sopra e dell'AoA misurato utilizzando la configurazione sperimentale.
| Nessun radome | Errore positivo | Errore negativo | |
|---|---|---|---|
| Previsto | 0° | 4,1° | -4,1° |
| Misurato | 0° | 4,2° | -3,8° |
Ancora una volta, la causa delle deviazioni non può essere determinata con certezza. Le deviazioni possono essere dovute a difetti del materiale o di fabbricazione, oppure possono essere attribuibili alle incertezze di misura degli strumenti e dei sensori utilizzati.
Riassunto
Sebbene l'errore angolare introdotto da un radome imperfetto non possa essere misurato direttamente, può comunque essere derivato in una configurazione di laboratorio utilizzando i risultati dell'opzione di analisi di omogeneità (maschera di fase) R&S®QAR50-K20.
La differenza di fase teorica derivata dalla permittività elettromagnetica (εr = 2,93) e dallo spessore del cuneo risulta di 65,3°/cm. Questo risultato corrisponde bene alla differenza di fase misurata con l'opzione di analisi di omogeneità (maschera di fase) R&S®QAR50-K20 di 66,6°/cm.
L'errore teorico di AoA (indicato come Δα) di 4,0° e l'offset di AoA stimato utilizzando l'opzione R&S®QAR50-K20 di 4,1° corrispondono perfettamente entro le incertezze previste.
La verifica sperimentale di questi due valori, utilizzando un sensore radar di quinta generazione stimolato da un tester radar essenziale R&S®RadEsT, dimostra che i risultati degli approcci teorici e sperimentali possono essere riprodotti nel mondo reale.
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