A radartechnika kihívásai a teljes autóipari ellátási láncban

A járműtervezés a fejlesztések hajtóereje Németországban. Emelkedő tendencia mellett csak 2016-ban 52,4 milliárd eurót fektettek be ezen a területen^[1]. A középpontban az önvezető autók állnak. Az újítások a folyamatok állandó módosításával járnak, ami nemcsak a gépkocsigyártókat érinti, a teljes autóipari ellátó láncnak alkalmazkodnia kell az új kihívásokhoz.

Érzékelők – az önvezetés „lelke”

Az önvezető járműveknek óriási mennyiségű információval kell rendelkezniük a környezetükről. Ezeket normál esetben az emberi szem gyűjti be és az agy dolgozza fel. E mechanizmus műszaki megfelelői az érzékelők, amelyek kulcsszerepet töltenek be az önműködő vezetésben. Sok millió járműradart gyártottak már, a prémium kategóriás autókban ezek hétköznapi elemeknek számítanak – a vezetéstámogató rendszerek a segítségükkel előzik meg a baleseteket, és fokozzák a kényelemérzetet utazás közben.
A radarérzékelők leginkább folytonos hullámú frekvenciamodulált (FMCW) jelekkel működnek. A terjedési késleltetést és Doppler-eltolódást kihasználva állapítják meg ezek a szenzorok a különféle objektumok távolságát és sugárirányú sebességét. Az antennasor képességeitől függően akár vízszintes irányszög és emelkedési szög mérésére is alkalmasak. A jelfeldolgozás során az érzékelő elektronikája a detektált objektumok helyzetét és sebességét tartalmazó listát hoz létre, amely a felvett „céltárgy” jellegét (gyalogos, autó, stb.) is tartalmazza. Ezt a listát a jármű elektronikus vezérlőegysége (ECU) kapja meg, amely valós időben döntést hoz az végrehajtandó manőverekről. Maga a jármű, a benne ülő utasok és a közterületen tartózkodók biztonsága szempontjából egyaránt rendkívül fontos ezeknek az adatoknak a pontossága, megbízhatósága.

1. ábra  Vízszintes irányú mérési hibák következtében tévesen érzékeli az objektumok pozícióját az autó. Az önvezető vezérlőrendszer ennek hatására végzetes manőverbe kezdhet

Radom – különleges kihívás

Esztétikai okok miatt a radarrendszereket nem láthatóan helyezik el az autókon, hanem az elülső hűtőrácsra erősített márkajelek vagy az elülső, illetve hátulsó műanyag ütközők mögé rejtik el. Ezek az emblémák, lökhárítók így úgynevezett radommá (radarvédő burkolattá) válnak, aminek következtében a mögöttük elhelyezkedő radarok érzékelési képességeit, pontosságát befolyásoló rádiófrekvenciás elemekként kell minősíteni őket. A radom átviteli csillapítását kétszeresen kell figyelembe venni, mert a jeleknek mind a céltárgy felé való kisugárzáskor, mind a visszaverődést követően át kell rajta haladniuk. A hullámterjedés törvényszerűségei következtében egy adás teljesítménye a távolság négyzetével fordítottan arányosan csökken a haladó és a visszavert irányban egyaránt, ami azt jelenti, hogy a távolság negyedik hatványával gyengül egy „teljes forduló” után.
Például, ha egy 3 W kimeneti teljesítményű, 77 GHz-en működő, 25 dBi antennanyereségű radarral egy 10 m² radarkeresztmetszetű tárgyat kell érzékelni úgy, hogy a minimális detektálási szint -90 dBm, akkor a legnagyobb hatótávolság 109,4 m-re adódik – radom nélkül. Amennyiben a burkolat a két terjedési irányban összesen 3 dB-t csillapít, a hatósugár 16%-kal csökken, 92,1 m-re.
Az anyagveszteség mellett a radom anyagának reflexiója és egyenletessége is komoly mértékben befolyásolja a radar jellemzőit. Például, a festékben található fémes részecskék által okozott visszaverődés és az alaphordozó rádiófrekvenciás illesztetlensége magán a radomon belül, az érzékelőhöz közel kelt zavarjeleket. E parazita-összetevőket befogja és a középfrekvenciás tartományba alakítja a vevőlánc, lerontva az érzékelési küszöböt. Sok gyártó úgy próbál ezen segíteni, hogy olyan szögben helyezi el a radomot, amelynél a visszavert radarjel nem közvetlenül a vevőfokozatba jut be. Egyéb tervezési szempontok miatt csak korlátozottan alkalmazható ez a módszer, ráadásul a rádiófrekvenciás jel erősségét mérséklő parazita-reflexiókat nem szünteti meg.
További problémát jelent, hogy az anyagok inhomogenitása – úgymint zárványok kialakulása, sűrűségingadozás, vagy háromdimenziós márkaemblémák esetén változó anyagvastagság – miatt a kilépő és belépő hullámfront is torzul, ami a szögmérés pontosságát rontja. A radarérzékelők kalibrálásával bizonyos határok között minimalizálható ez a jelenség, de teljes mértékben nem hárítható el, mert a kalibrált radar különféle gyártók esetén eltérő kialakítású radomok mögé kerülhet.

2. ábra  Tipikus mérési elrendezés etalon berendezéssel

Kalibrálás és visszaigazoló mérés – lehetőség beszállítók számára

A radarok megbízhatósága, továbbá biztonságos vezetéstámogató rendszerek és önvezetési mechanizmusok megvalósítása érdekében elengedhetetlen a radomok, illetve azok tulajdonságainak minősítése. A felhasznált anyagok utólagos módosítása rendkívül időigényes és költséges, így elfogadhatatlan az autógyártók számára. Amint a járművek egyre önállóbbá válnak, egyre fokozódik az igény jó minőségű burkolóanyagok iránt, amelyek csillapítása nem csupán minimális, hanem egyenletes eloszlású is és részleteiben ismert is kell, hogy legyen. Mivel időbeli korlátok miatt az autógyártók a lehető legrövidebbre akarják fogni a tesztelési időt, az előbb felsorolt jellemzőkkel bíró, bevizsgált és részletes információkkal jellemzett radomokat kínáló beszállítók komoly lépéselőnyhöz jutnak.

3. ábra  Az R&S^®QAR jelű, fejlett autóradom-tesztelő. A vizsgálatminta a mérőpad elejéhez van rögzítve. Az átvitelméréshez szükséges milliméteres hullámsávú adó a kék egységben található

Az előbbiekben ismertetettekhez megbízható és részletes tesztelési mechanizmussal kell rendelkezniük a beszállítóknak.
A radomok gyártói jellemzően egy referenciaradar (etalon) segítségével mérik be termékeiket. Visszaverő felületekből felépített, fix telepítésű elrendezéssel differenciális méréseket végeznek különféle szögek és távolságok mentén, radommal és anélkül. A burkolat akkor minősül megfeleltnek, ha a vizsgálati értékek meghatározott tűréshatárokon belül maradnak. Amint egyre több mindent bízunk az érzékelőkre és beavatkozó szervekre, ezzel együtt egyre összetettebb radomokat kialakítva, az előbb leírt szelektív vizsgálatok már nem elegendőek.
Pontosabb eredményeket kapunk, ha a radomot és a radart forgóasztalra helyezzük, és egyetlen visszaverő objektumot használunk. Ekkor több szögállás mellett kell elvégezni a mérést, a forgóasztal által jelzett pozícióadatokkal együtt elmentve az értékeket. Minél precízebben állítható az asztal és minél több helyzetben mérünk, annál valósághűbbek lesznek az eredmények. Ez az eljárás azonban hosszú időt igényel, ezért nem alkalmazható a gyártásban.

4. ábra  A Rohde & Schwarz logóját tartalmazó kísérleti radom. A mintázat mindössze 0,5 mm-re emelkedik ki az alapfelületből, de 77 GHz-en még ez is illesztetlenséget okoz

Fejlett autóradom-tesztelő – mérvadó gyakorlati vizsgálatok

A Rohde & Schwarz kifejlesztette R&S^®QAR jelű, fejlett autóradar-tesztelő berendezését, amellyel megbízható értékeket szolgáltató vizsgálati folyamatok valósíthatók meg, gyakorlati körülmények között elfogadható költségek és mérési sebesség mellett. Etalon egység helyett nagy méretű panelből épül fel, amelyen több száz, az autóradarok frekvenciáján működő adó- és vevőantenna található. Ezek az antennaelemek ugyanazt a „képet” látják, amelyet egy autóradar érzékelne. Nagy apertúrájának köszönhetően a távolságot, valamint a vízszintes és függőleges irányszöget is lényegesen finomabb, milliméteres nagyságrendbe eső felbontással képes detektálni. Ennek köszönhetően a reflexiókat röntgenképhez hasonlóan lehet ábrázolni, így még a kevésbé gyakorlott felhasználók is azonnal felmérhetik a vizsgált minta minőségét. A következő elemzési lépésben a létrehozott kép alapján kiszámíthatók a minőségi paraméterek, ami azt jelenti, hogy a korábbi gyártási tesztek kiválthatók egy egyszerű megfelelőségi vizsgálattal. A sok antennaelem lehetővé teszi, hogy minössze néhány másodperc alatt, egyetlen lépésben, részleteiben térképezzük fel a teljes radomot (egylépéses ellenőrzés), feleslegessé téve az időigényes mérési műveletsorokat (szekvenciákat).
Az R&S^®QAR segítségével a tesztelt eszköz reflexiója és áteresztő képessége egyaránt vizsgálható, ráadásul három dimenzióban. A visszaverődési jellemzők mérése során a radom anyaga által reflektált energiát detektálja a rendszer, ami nem más, mint a radar működési jellemzőit lerontó veszteség. Különféle okoknál fogva – például anyaghiba, légzárványok, eltérő anyagrétegek között bekövetkező, nemkívánatos kölcsönhatások, vagy egyszerűen túlzottan vastagon felvitt összetevők miatt – a radom anyaga bizonyos pontokon nagyobb mértékű visszaverődést okozhat. Ez a mérési eljárás háromdimenziós képet eredményez az összes reflektált jel amplitúdóban és fázisban történő, koherens feldolgozásával. Az eredmények megjelenítése révén azonnal, megbízhatóan, „megfelelt/nem felelt meg” jelleggel, számszerűen értékelhető a vizsgált minta reflexiója, amellett, hogy kvalitatív képet is kapunk róla.
Az 5. ábra nagy felbontású radarképén látható, hogy mit érzékelne a környezetéből a 4. ábrán szereplő kísérleti radommal betakart radar. A világosságszint a reflexióval arányos: minél fényesebb egy terület, annál több verődik ott vissza a kisugárzott jelből. A fémes tárgyak fehéren jelennek meg (a négy csavar a sarkokban). A logó jól kivehető kontúrjai szintén nagymértékű visszaverődésre utalnak, emellett a kép erősen egyenetlen eloszlást tükröz.
Átvitelméréssel a vizsgált minta illesztettségének és csillapításának mértéke állapítható meg, ami a használhatóság alapfeltétele. A tesztelt anyag (4. ábra) mögött elhelyezett, kalibrált adóberendezés végigfut a kiválasztott frekvenciatartományon, a jelek pedig egy vevőmátrixba érkeznek. Ez utóbbi segítségével határozható meg pontosan a radom átvitelének frekvenciamenete, ami alapján részletes következtetések vonhatók le a minta rádiófrekvenciás illesztettségével kapcsolatosan arra a tartományra vonatkozóan, ahol ténylegesen használni kívánják. Ez az információ független a radarjelektől, így az eredmény bármilyen radarfajta esetében mérvadó, bármilyen területre is szánták a radomot.

5. ábra  Az R&S radomja által keltett reflexió nagy felbontású, milliméteres hullámsávú jelekkel készített képe (bal oldalt), elemzésre kijelölt területtel (kék négyzet), valamint az átvitelméréssel felvett egyutas csillapítás (jobb oldalt). A 76 GHz és 77 GHz között mutatkozó illesztetlensége következtében ez a radom nem használható radarokhoz ebben a tartományban

Összefoglalás

Az önvezető járművekbe a környezeti tárgyakat megbízhatóan, hibamentesen érzékelő radarokra van szükség. A megbízhatóság a radar minőségétől és a telepítés körülményeitől egyaránt függ. A gépjárművek karosszériájának radomként használt elemei akár oly mértékben is leronthatják a jelminőséget, hogy a tereptárgyakat már egyáltalán nem, vagy hibás elhelyezkedéssel képes csupán detektálni a radar. Napjainkban a karosszériaelemek már nemcsak hagyományos funkciójuknak kell, hogy megfeleljenek, hanem megfelelő rádiófrekvenciás tulajdonságokkal is rendelkezniük kell. A Rohde & Schwarz által kifejlesztett, R&S^®QAR jelű berendezéssel innovatív, egyedülálló módon lehet rádiófrekvenciás visszaverődéssel és áteresztőképességgel kapcsolatos, térbeli méréseket végezni – a korábbi módszerekhez képest határozottan gyorsabban és részletesebb eredményeket kapva.
Az autógyártók számára a tesztelések mennyiségének növekedése nagyobb költségekkel és a termelékenység csökkenésével jár, a beszállítóknak mindez ugyanakkor újabb lehetőségeket jelent: az érintett elemeket, alkatrészeket saját maguk vizsgálhatják be. Ezzel nem csupán a saját minőségi normáikat javíthatják, hanem megrendelőik bizalmát is erősíthetik, a méréseken keresztül további, járulékos szolgáltatást kínálva nekik.

Szerzők: Andreas Reil és Dr. Steffen Heuel – Rohde & Schwarz

Rohde & Schwarz Budapesti Iroda
1138 Budapest, Madarász Viktor u. 47-49.
Tel.: +36 1 412 4460
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.rohde-schwarz.hu

Még több Rohde & Schwarz

^[1] Fraunhofer Intézet és az Európai Gazdasági Kutatóközpont (ZEW) „Innováció a német gazdaságban” című jelentése alapján (http://ftp.zew.de/pub/zew-docs/mip/17/mip_2017.pdf).