Neue Messmethode Emblem-Radomen für 77/79-GHz-Automotive-Radare beurteilen

Radarsensoren im autonomen Fahren, arbeiten in einem breiten Frequenzbereich.
Radarsensoren im autonomen Fahren, arbeiten in einem breiten Frequenzbereich.

Radarsensoren für automatisierte Fahrzeuge müssen in einem breiteren Frequenzbereich arbeiten, als es bisher üblich ist. Dieser Artikel beschäftigt sich mit einer neuartigen Messmethode für Radoms und diskutiert den Einfluss des Radoms auf die Genauigkeit der Winkelerfassung mit modernen Radaren.

Fortgeschrittene Fahrerassistenzsysteme (Advanced Driver Assistant Systems, ADAS) unterstützen den Fahrer und erhöhen die Verkehrssicherheit. Diese Systeme sind heute in Fahrzeugen weit verbreitet. Das autonome Fahren ist aktuell ein wichtiges Ziel in der Automobilbranche, und Forschungs- und Entwicklungsinstitute machen mit komplett automatisierten Fahrzeugen, die ohne Mitwirkung eines Fahrers auf Autobahnen und sogar in dichtem Stadtverkehr unterwegs sind, Schlagzeilen. Es steht außer Zweifel, dass autonome Fahrzeuge in naher Zukunft Realität werden.

Zu den entscheidenden Basistechnologien auf diesem Gebiet gehören neben Kameras und Lidar-Sensoren auch Automotive-Radarsensoren. Automotive-Radare werden bereits heute millionenfach hergestellt und gehören in Premiumfahrzeugen zunehmend zur serienmäßigen Ausstattung. Aktuell kommen Automotive-Radarsensoren hauptsächlich zum Einsatz, um den Fahrkomfort zu erhöhen und Unfällen vorzubeugen. Die meisten Automotive-Radarsensoren, die der adaptiven Abstands- und Geschwindigkeitsregelung (Adaptive Cruise Control, ACC) dienen, nutzen den konventionellen Frequenzbereich von 76 bis 77 GHz, um andere Fahrzeuge und weit entfernte Objekte zu erkennen. Weitergehende Radarfunktionen erfordern jedoch größere Bandbreiten von bis zu 81 GHz, um eine 360°-Radarabtastung des Fahrzeugumfelds zu ermöglichen. Das ist für ADAS-Funktionen wie Spurwechselassistenten und Totwinkel-Überwachung entscheidend, wo es auf hohe Auflösungen und große Erfassungswinkel ankommt. Darüber hinaus trägt das erweiterte Frequenzband bis 81 GHz zur Vermeidung von Funkstörungen bei. Es werden deswegen Radarsensoren benötigt, die in einem breiteren Frequenzbereich arbeiten als früher üblich.

Diese Radare müssen von einer „Radom“ genannten Hülle geschützt werden, die aus einem HF-durchsichtigen Material besteht. Bei einem Radom kann es sich um ein Emblem oder einen Stoßfänger handeln. Man mag Embleme für eine einfache Kunststoffabdeckung halten – tatsächlich handelt es sich jedoch um anspruchsvolle Bauelemente, die sich nicht selten abträglich auf die Detektionsleistung und Genauigkeit eines Radars auswirken. Embleme müssen dem gewünschten optischen Erscheinungsbild gerecht werden, wozu auch die dreidimensionale Form des Markenzeichens gehört. Das ist im Hinblick auf die für den Betrieb im Frequenzbereich von 76 bis 81 GHz benötigte HF-Eigenschaften meistens pro-blematisch. Stoßfänger wiederum sind häufig mit einem metallischen Lack beschichtet, was bei den erwähnten hohen Frequenzen natürlich kritisch ist. Somit wird es unerlässlich, die Materialeigenschaften zu validieren und auch ihren Einfluss auf Radarsensoren zu untersuchen. Aufgrund der hohen Sicherheitsrelevanz von Radarsensoren können hierbei keine Unsicherheiten geduldet werden. Folglich entsteht für Ingenieure und Hersteller ein Bedarf an neuen Messverfahren, mit denen die Radareigenschaften von Emblem-Radomen und Stoßfängern beurteilt werden kann.

Einfluss von Radomen auf Radarmessungen

Automotive-Radarsensoren übermitteln Funksignale mit 24 GHz oder 77 GHz/79 GHz. Sie nutzen hauptsächlich frequenzmodulierte Dauerstrichsignale, die aufgrund der geringen Leistungsaufnahme, des Fehlens einer Blindzone und der kleinen benötigten Empfängerbandbreite vorteilhaft sind. Der Herstellungsprozess ist deswegen kostengünstiger als bei gepulsten Radarsystemen.

Die ausgesendeten Funksignale werden von anderen Objekten reflektiert. Über die Ausbreitungsverzögerung und Dopplerfrequenzverschiebung kann der Radarsensor die Entfernung und Radialgeschwindigkeit mehrerer Zielobjekte messen und auflösen. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des Antennen-Arrays ist es auch möglich, den Azimut- und sogar den Elevationswinkel zu messen und aufzulösen. Nach der Erkennung wird im Rahmen der Signalverarbeitung eine Zielliste generiert, die Werte wie die Positionen und Geschwindigkeiten der Objekte zusammen mit einer Typeinschätzung enthält. Diese Liste wird dann an das Steuergerät des Fahrzeugs übermittelt, wo auf ihrer Grundlage Echtzeit-Entscheidungen für Fahrmanöver getroffen werden. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Daten ist für die Sicherheit des Fahrzeugs und der Passagiere von zentraler Bedeutung.

 

Die Genauigkeit eines Radars hängt von vielen Faktoren ab, beispielsweise den Hardware-Komponenten, der Software-Verarbeitung und dem Radarecho selbst. Die Parameter von Signalechos mit einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) lassen sich weniger präzise messen als bei einem hohen SNR. Darüber hinaus wirken sich Effekte wie die Mehrwegeausbreitung und Verzerrung durch Radoms stark auf die Messgenauigkeit aus. Ungenauigkeiten bei der Azimutmessung lassen das Ziel gegenüber der tatsächlichen Position versetzt erscheinen. Das wird in Bild 1 verdeutlicht. Ein Messfehler beim Azimutwinkel von nur 1° beim Radarsensor würde beispielsweise ein Ziel in einer Entfernung von 100 m um 1,75 m versetzt erscheinen lassen. Aufgrund dieser Abweichung könnte das Objekt also auf der falschen Fahrbahn verortet werden. Um in der Praxis einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, muss der Winkelmessfehler bei derart großen Entfernungen deutlich unterhalb von 1° bleiben.

Bei einem modernen Radarsensor mit Empfänger-Frontend mit Antennen-Array wird der Azimut (und manchmal auch der Elevationswinkel) anhand von Phasen- und Amplitudenverhältnissen auf Basis von digitalem Beamforming auf der Empfangsseite bestimmt. Für eine optimale Azimutmessgenauigkeit müssen alle Radarsensoren kalibriert werden. Das folgende Verfahren ist für die Radarkalibrierung typisch: Zunächst wird der Radarsensor auf einer Drehscheibe in einer Absorberkammer montiert. Als Referenzziel wird häufig ein Winkelreflektor in einer bekannten Entfernung im Fernfeld verwendet. Daraufhin wird das Radarmuster gemessen und in den Speicher des Radarsensors geschrieben. Diese Informationen werden später vom Erkennungsalgorithmus genutzt. Auf diese Weise wird eine hohe Azimutmessgenauigkeit der produzierten Radarsensoren sichergestellt.

Der Automobilhersteller integriert diese kalibrierten Radarsensoren in das Fahrzeug, häufig hinter einem Emblem oder dem Stoßfänger. Das Material des Radoms wirkt sich auf die HF-Dämpfung aus. Die Durchgangsdämpfung des Radoms erhöht die Zweiwegdämpfung des Radarsignals, wovon der maximale Erfassungsbereich des Radars abhängt. Der Leistungspegel des ausgesendeten Radarsignals wird in Abhängigkeit von der Entfernung R zwischen Radarsensor und Ziel um den Faktor 1/R4 reduziert. Bei einem 77-GHz-Radarsystem mit einer Ausgangsleistung von 3 W, einem Antennengewinn von 25 dBi, einem Ziel mit einem Radarquerschnitt von 10 m² und einem kleinen detektierbaren Signal von -90 dBm würde sich aus der Entfernungsgleichung für diese Konfiguration eine maximale Entfernung von 109,4 m ergeben. Wenn die Zweiwegdämpfung des Radoms 3 dB beträgt, ergibt sich für den gleichen Radarsensor und das gleiche Ziel eine niedrigere maximale Entfernung von 92,1 m. Das entspricht einer Verringerung der Reichweite um 16 Prozent.

Es hat jedoch nicht nur die Materialdämpfung schwerwiegende Folgen. Die Reflektivität und Homogenität des Materials spielen ebenfalls eine wichtige Rolle. Reflexionen und HF-Fehlanpassung des Materials verursachen direkte Signalreflexionen in unmittelbarer Entfernung des Radars. Die Signale werden empfangen und in der Empfängerkette verarbeitet, wodurch sich die Detektionsempfindlichkeit des Radars vermindert. Viele Fahrzeughersteller versuchen, diesen Effekt zu unterdrücken, indem die Radome – nicht nur aus Design-Gründen – geneigt werden, sodass das ausgesandte Radarsignal in eine andere Richtung und nicht direkt zurück zum Empfangszug reflektiert wird. Diese Lösung unterliegt zahlreichen mechanischen Zwängen.

Ein weiteres Problem betrifft Inhomogenitäten des Materials, die die zur Abschätzung eines genauen Azimutwerts verwendete Echosignal-Wellenfront stören. Ein inhomogenes Material verzerrt die Wellenfront, was zu weniger genauen Winkelmessungen führt. Die Radarsensor-Kalibrierung reicht nicht mehr aus, da das kalibrierte Radar hinter Radomen verschiedener Hersteller montiert werden kann (Bild 2).