Los instrumentos de medición modernos proporcionan una fase de transmisión distribuida en el espacio que puede utilizarse para evaluar la homogeneidad de fase, así como para definir el umbral.
Su misión
Es fundamental, para los vehículos autónomos, detectar la posición exacta de los objetos. Incluso las más pequeñas desviaciones en las estimaciones angulares pueden ocasionar conclusiones erróneas en la toma de decisiones posteriores. Los errores de ángulo de llegada (AoA), por ejemplo, pueden deberse a la falta de homogeneidad del radomo. Debido a las complejas interacciones entre el sensor y el radomo, es difícil predecir el comportamiento exacto. Para asegurar que en los procesos posteriores solo se utilicen radomos homologados, se requiere de un método de medición confiable que sea adecuado para las pruebas de final de la línea de producción.
Solución de Rohde & Schwarz
El probador de radomos R&S®QAR50 es una solución rápida, precisa y rentable para las pruebas de radomos en automóviles. El R&S®QAR50 junto con la opción de análisis de homogeneidad (máscara de fase) R&S®QAR50-K20 permite determinar el error angular tanto en el laboratorio como en la producción.
A fin de probar la aplicabilidad del método, se comparan tanto los resultados medidos como los calculados con el R&S®QAR50 con los del probador esencial de radares R&S®RadEsT. El R&S®RadEsT es un versátil y amplio simulador de blancos de radar en automóviles el cual genera ecos de radar definidos por el usuario desde distintos ángulos.
Fig. 1: estimación de la dirección de un dispersor puntual situado en el centro en condiciones de campo lejano
Antecedentes técnicos
El primer paso consiste en revisar el procesamiento de la señal 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 los objetos que se encuentran en el trayecto de señal. Aquí, la cadena de trasmisión se deja de lado y la atención se centra en el lado de recepción del radar. En este caso simplificado, se asume un solo dispersor puntual en condiciones de campo lejano. Esto significa que un frente de onda plano alcanza al receptor. Se asume que el dispersor puntual se localiza exactamente en el centro del campo de visión, cada elemento de antena (de a1 a a5) recibiría la onda plana con la misma fase (φ1 = φ2 = φ3, etc.) véase la fig. 1.
En el caso de los reflectores que no se ubican en el centro, el ángulo de llegada de la onda daría lugar a una fase diferente en cada elemento receptor.
El ángulo de incidencia α del frente de onda se calcula a partir del desplazamiento de fase Δφ y de las distancias físicas entre las antenas d de la siguiente manera:
Fig. 2: estimación de la dirección de llegada de un dispersor puntual que no se sitúa en el centro
Dado que φ = 0° (véase 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 inadecuado situado delante de los receptores influye los frentes de onda y altera las fases (de φ1 a φ5) en cada elemento de la antena receptora. Esto da lugar a un cálculo incorrecto del ángulo de llegada (AoA).
Fig. 3: un radomo en forma de cuña que refracta los frentes de onda y provoca desplazamientos de fase en los elementos de la antena receptora
Para la verificación experimental, se considera un radomo en forma de cuña, el cual se ha insertado en el trayecto de señal. El radomo tiene una permitividad diferente a la del aire circundante y, por consiguiente, una diferente velocidad de propagación para la onda electromagnética. Debido a que el grosor de la cuña no es homogéneo en toda la región de la imagen, la onda se refracta y distorsiona los frentes de onda. Para obtener más información sobre las características y la permitividad de los materiales, consulte la ficha de aplicación «Characterizing polymer material properties for automotive applications» (PD 3647.5084.92). El efecto descrito se muestra en la fig. 3.
El frente de onda que previamente llegaba de forma ortogonal ahora se refracta y llega a las antenas receptoras con un ángulo de desviación Δα. La desviación se denota como Δα, mientras que el ángulo de incidencia real α en este ejemplo sigue siendo 0°. El radar no puede medir de forma directa el ángulo de llegada. En cambio, detecta las fases del frente de onda en cada una de las antenas receptoras.
Según la fórmula proporcionada anteriormente, el radar calculará ahora de manera errónea el ángulo de llegada no como 0°, sino como una función del desplazamiento de fase Δφ entre los elementos de la antena. En función de la geometría del radomo, la estimación del error angular calculada por Rohde & Schwarz utilizando el resultado de fase 3 con el R&S®QAR50, el AoA puede variar a lo largo del campo de visión (FoV). Las fases detectadas son una superposición del ángulo de llegada real α y del ángulo de desfase Δα.
Con el R&S®QAR50, es difícil medir directamente la influencia del ángulo de llegada, debido a que al instrumento le falta información sobre la geometría del radar y el procesamiento de señales. Sin embargo, al asumir un procesamiento básico de formación de haces en la recepción, el error del ángulo de llegada provocado por un radomo inadecuado puede estimarse de la siguiente manera:
Probador de radomos R&S®QAR50
Es fundamental, para los vehículos autónomos, detectar la posición exacta de los objetos. Incluso las más pequeñas desviaciones en las estimaciones angulares pueden ocasionar conclusiones erróneas en la toma de decisiones posteriores. Los errores de ángulo de llegada (AoA), por ejemplo, pueden deberse a la falta de homogeneidad del radomo. Debido a las complejas interacciones entre el sensor y el radomo, es difícil predecir el comportamiento exacto. Para asegurar que en los procesos posteriores solo se utilicen radomos homologados, se requiere de un método de medición confiable que sea adecuado para las pruebas de final de la línea de producción.
Como una regla de oro para valores pequeños de Δα con la evaluación de cuadrícula del R&S®QAR50, puede asumirse una desviación de Δα ≈ 0.062 Δφradomo /cm. Esto significa que, si asumimos que el fabricante de equipos originales considera aceptable un error angular de 1°, se permite un desplazamiento de fase máximo de
Probador esencial de radares R&S®RadEsT
El probador de radomos R&S®QAR50 es una solución rápida, precisa y rentable para las pruebas de radomos en automóviles. El R&S®QAR50 junto con la opción de análisis de homogeneidad (máscara de fase) R&S®QAR50-K20 permite determinar el error angular tanto en el laboratorio como en la producción.
A fin de probar la aplicabilidad del método, se comparan tanto los resultados medidos como los calculados con el R&S®QAR50 con los del probador esencial de radares R&S®RadEsT. El R&S®RadEsT es un versátil y amplio simulador de blancos de radar en automóviles el cual genera ecos de radar definidos por el usuario desde distintos ángulos.
medido por el R&S®QAR50. No obstante, esto solo se aplica a geometrías básicas y al procesamiento estándar de la formación de haces, y debe evaluarse para cada combinación de radar/radomo.
Las desviaciones teóricas descritas anteriormente deben compararse mediante una verificación experimental.
Fig. 4: dimensiones de la cuña fabricada para la verificación experimental
Verificación experimental
Para la verificación experimental se fabrica una cuña de polioximetileno (POM) con las dimensiones que se muestran en la fig. 4.
La permitividad del POM se ha verificado y se ha determinado como εr = 2.93 con múltiples métodos.
El cálculo de la refracción que se ha obtenido de los frentes de onda da como resultado
Fig. 1: estimación de la dirección de un dispersor puntual situado en el centro en condiciones de campo lejano
El primer paso consiste en revisar el procesamiento de la señal 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 los objetos que se encuentran en el trayecto de señal. Aquí, la cadena de trasmisión se deja de lado y la atención se centra en el lado de recepción del radar. En este caso simplificado, se asume un solo dispersor puntual en condiciones de campo lejano. Esto significa que un frente de onda plano alcanza al receptor. Se asume que el dispersor puntual se localiza exactamente en el centro del campo de visión, cada elemento de antena (de a1 a a5) recibiría la onda plana con la misma fase (φ1 = φ2 = φ3, etc.) véase la fig. 1.
En el caso de los reflectores que no se ubican en el centro, el ángulo de llegada de la onda daría lugar a una fase diferente en cada elemento receptor.
El ángulo de incidencia α del frente de onda se calcula a partir del desplazamiento de fase Δφ y de las distancias físicas entre las antenas d de la siguiente manera:
Fig. 5: imagen de la máscara de fase de la cuña fabricada para la verificación experimental
En primer lugar, se verifica la diferencia de fase que se ha calculado de manera teórica para la placa de POM con el R&S®QAR50. La máscara de fase obtenida se muestra en la fig. 5.
Con el modo de cuadrícula activado, el R&S®QAR50 genera de manera automática la fase promedio de cada celda de la cuadrícula. A fin de asegurar la coherencia, se utiliza una cuadrícula de 10 mm × 10 mm. El desplazamiento de fase entre las celdas individuales se evalúa de la siguiente manera:
Fig. 6: configuración experimental con un sensor radar de automóvil, radomo en forma de cuña y el R&S®RadEsT
Esto da como resultado una diferencia promedio de 66.6°/cm, muy próxima a los 65.3° que se calcularon. La desviación entre ambos valores se debe tanto a las tolerancias de fabricación, como a las imprecisiones en la medición.
Para la verificación final, se utiliza una configuración de laboratorio basada en un sensor radar de quinta generación y el probador esencial de radares R&S®RadEsT. El apantallamiento opcional se utiliza para mejorar la precisión de la configuración de prueba y para asegurar que todas las mediciones se realicen bajo condiciones de campo lejano adecuadas.
El simulador R&S®RadEsT se configura para proporcionar un solo blanco situado a una distancia de 40 m, el cual se posiciona directamente en el centro del campo de visión del radar. Se realizan tres pruebas: una medición referencial sin la cuña y dos mediciones en las que se intercambia la posición de la cuña entre un registro y otro. La fig. 6 muestra la configuración de la medición.
Según la regla de oro que se mencionó anteriormente, se asume que el radar proporciona un angulo de llegada incorrecto de aproximadamente ±4.1°, y que la dirección de la cuña es quién va a determinar si es más o menos.
La siguiente tabla proporciona una visión general de la desviación esperada del ángulo de llegada según la regla de oro que se mencionó anteriormente, así como del ángulo de llegada medido mediante la configuración experimental.
| Sin radomo | Error positivo | Error negativo | |
|---|---|---|---|
| Esperada | 0° | 4.1° | –4.1° |
| Medida | 0° | 4.2° | –3.8° |
Una vez más, no puede determinarse con certeza la causa de las desviaciones. Las desviaciones pueden deberse a defectos del material o de fabricación o bien pueden atribuirse a las incertidumbres de medición de los sensores e instrumentos utilizados.
Resumen
Aunque el error angular que un radomo imperfecto introduce no puede medirse directamente, puede, aún así, calcularse en una configuración de laboratorio a partir de los resultados de la opción de análisis de homogeneidad (máscara de fase) del R&S®QAR50-K20.
La diferencia de fase teórica que se calculó a partir de la permitividad electromagnética (εr = 2.93) y del espesor de la cuña es de 65.3°/cm. Este resultado coincide con la diferencia de fase medida con la opción de análisis de homogeneidad (máscara de fase) del R&S®QAR50-K20, la cual es de 66.6°/cm.
El error teórico del ángulo de llegada (indicado como Δα) de 4.0° y la desviación estimada del ángulo de llegada con la opción R&S®QAR50-K20 de 4.1° coincide perfectamente con las incertidumbres esperadas.
La verificación experimental de estos dos valores, realizada con un sensor radar de quinta generación, el cual fue estimulado por un probador esencial de radares R&S®RadEsT, muestra que los resultados de los enfoques teóricos y experimentales pueden reproducirse en el mundo real.
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