Autonomes Fahren – Die Rolle der Radarsensoren und wie sie sich testen lassen

Autonome Fahrzeuge sehen die Welt durch Sensoren. Auf deren Verlässlichkeit fußt das ganze Konzept. Ob ein Radarsensor die spezifizierte Leistung erbringt, hängt aber entscheidend von seiner Einbausituation ab. Ein entsprechender Tester liefert die nötigen Erkenntnisse.

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Fortgeschrittene Assistenzsysteme, die den Fahrer unterstützten und die Verkehrssicherheit erhöhen, lassen sich schon in den unteren Fahrzeugklassen ordern und sind automobiler Alltag. Schlagzeilen machen dagegen regelmäßig die voll autonomen (Versuchs-)Fahrzeuge, vor allem dann, wenn ein Vorfall wieder gezeigt hat, dass die komplexen Systeme von der Serienreife noch ein Stück entfernt sind. Dass sie in absehbarer Zeit Realität werden, steht jedoch außer Zweifel.

Zu den Schlüsselkomponenten für autonome Fahrzeuge gehören die Sensoren, welche die Umgebung erfassen. Das sind neben Kameras und Lidarsensoren insbesondere die Radarsensoren. Automotive-Radare werden bereits millionenfach hergestellt und gehören in Premiumfahrzeugen zur Serienausstattung. Aktuell dienen sie hauptsächlich dazu, den Fahrkomfort zu erhöhen und Unfällen vorzubeugen. Die meisten Radarsensoren zur adaptiven Abstands- und Geschwindigkeitsregelung nutzen Frequenzen zwischen 76 und 77 GHz, also 1-GHz-Bandbreite, um andere Fahrzeuge und weit entfernte Objekte zu erkennen. Weitergehende Funktionen, insbesondere solche, die den Nahbereich abtasten, wie der Spurwechselassistent oder die Totwinkelüberwachung, erfordern jedoch zur Erzielung einer höheren Entfernungsauflösung größere Bandbreiten. Die bietet der Frequenzbereich zwischen 77 und 81 GHz. Darüber hinaus lassen sich mit dem erweiterten Frequenzband bis 81 GHz Funkstörungen vermeiden.

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Radar im Fahrzeug und das Radom

Automotive-Radare werden – mehr aus ästhetischen denn aus funktionalen Gründen – von einer Radom (= Radar Dome) genannten Abdeckung geschützt, die aus einem HF-durchlässigen Material bestehen muss. Häufig wird das Markenemblem im Kühlergrill dafür genutzt, aber auch die Kunststoff-Stoßfänger eignen sich gut als „Radar-Verstecke“. Embleme dienten in der Vergangenheit vornehmlich zur Markenpflege und hatten keine darüber hinausgehenden Aufgaben. Mit ihrer Zweckentfremdung als Radom wächst ihnen aber inzwischen der Charakter eines HF-technischen Bauelementes zu. Zieht man diesen neuen Sachverhalt bei ihrem Design nicht ins Kalkül, kann sich das sehr nachteilig auf die Detektionsleistung und Genauigkeit des dahinter verborgenen Radars auswirken.

Insbesondere die dreidimensionale Form der Markensymbole mit lokal variierenden Materialstärken ist im Hinblick auf die für den Betrieb im Millimeterwellenbereich benötigte HF-Performance problematisch. Stoßfänger wiederum sind häufig mit einem metallischen Lack beschichtet, was den hohen Frequenzen ebenfalls abträglich ist. Es erweist sich somit zur Sicherstellung der Radarverlässlichkeit als zwingend geboten, die Materialeigenschaften der Radome zu validieren und ihren Einfluss auf die Radarsignale zu untersuchen. Autonomes Fahren duldet keine Unwägbarkeiten und Risiken in der Fahrzeugsensorik, denn Fehler, die hier gemacht werden, lassen sich nur unzureichend durch Nachverarbeitung korrigieren. Folglich entsteht bei Automobilherstellern und ihren Zulieferern der Bedarf nach neuen Messverfahren, mit denen die Radarverträglichkeit von Radomen beurteilt werden kann.

Radome verschlechtern die Performance

Automotive-Radarsensoren nutzen hauptsächlich frequenzmodulierte Dauerstrichsignale (FMCW). Über die Ausbreitungsverzögerung und Dopplerfrequenzverschiebung kann der Sensor die Entfernung und Radialgeschwindigkeit mehrerer Zielobjekte messen und auflösen, abhängig von den Eigenschaften der Gruppenantenne auch den Azimut und sogar die Elevation. Nach der Erfassung und Nachführung wird im Rahmen der Signalverarbeitung durch die Sensorelektronik eine Zielliste generiert, die die gemessenen Positions- und Bewegungsdaten der Objekte zusammen mit einer Typklassifizierung (Fußgänger, Auto etc.) enthält. Diese Liste wird an das Steuergerät des Fahrzeugs übermittelt, wo auf ihrer Grundlage Echtzeit-Entscheidungen über Fahrzeugmanöver 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, so natürlich von den Hardwarekomponenten, von der Softwareverarbeitung und dem Radarecho selbst. Die Parameter von Signalechos mit einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) lassen sich weniger präzise messen als von solchen mit hohem SNR. Darüber hinaus wirken sich Effekte wie die Mehrwegeausbreitung und die Verzerrung durch Radome 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 Azimutmessfehler von nur 1° beim Radarsensor führt bei einem hundert Meter entfernten Ziel zu einem seitlichen Versatz von 1,75 m. Aufgrund dieser Abweichung könnte das Objekt also auf der falschen Fahrbahn verortet werden. Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, muss der Winkelmessfehler bei derartigen Entfernungen deutlich unterhalb von 1° bleiben.

Probleme bei einem Standard-Automotive-Radar

Das Bild 2 zeigt den Effekt des Azimut-Versatzes anhand einer Messreihe mit realen Komponenten aus der Automobilindustrie. Einem handelsüblichen Automotive-Radar wurde ein statisches, 12,4 m entferntes Ziel unter einem Winkel von 11,5° angeboten. Die Grafik zeigt die Auswirkungen verschiedener Radome auf Radarquerschnitt und Einfallswinkel. Die blau dargestellten Werte ohne Radom dienen als Vergleichswerte. Man erkennt, dass sich die Verwendung eines geeigneten Radoms (rot) nicht auf die Schätzung des Einfallswinkels auswirkt. Der Radarquerschnitt hat jedoch um den Wert der Zwei-Wege-Dämpfung (in diesem Fall etwa 2 dB) abgenommen.

Bei einem ungeeigneten Radom (orange Werte) sinkt der durchschnittliche Radarquerschnitt um etwa 4 dB relativ zur Vergleichsmessung. Das kann dazu führen, dass schwach reflektierende Ziele nicht mehr detektiert werden. Zusätzlich erkennt man die Auswirkung des ungeeigneten Radoms auf die Detektion des Einfallswinkels. Dieser wird nun nicht mehr konstant bei 11,5° gesehen, sondern alternierend bei 11,7°, sodass die Auswerteelektronik keinen eindeutigen Wert erhält. Die angestrebte Genauigkeit von 0,1° für Automotive-Radare kann mit diesem Radom nicht eingehalten werden.

Radar kalibrieren reicht nicht aus

Bei einem modernen Radarsensor mit Gruppenantenne im Empfänger-Frontend wird der Azimut (und manchmal auch die Elevation) über die Messung der Phasen- und Amplitudenverhältnisse ermittelt, die man durch Beamforming mit der Phased-Array-Antenne gewinnt. Für eine optimale Azimutmessgenauigkeit muss jeder Radarsensor individuell justiert werden. Das folgende Verfahren ist für die Radarkalibrierung typisch: Zunächst wird der Sensor auf einer Drehscheibe in einer Absorberkammer montiert. Als Referenzziel wird häufig ein Winkelreflektor im Fernfeld mit bekanntem Abstand verwendet. Daraufhin wird das Radarmuster gemessen und in den Sensorspeicher geschrieben. Diese Information wird später vom Erkennungsalgorithmus genutzt. Die Korrektur erfolgt im Betrieb also rechnerisch im Zuge der Signalverarbeitung.

Der Automobilhersteller integriert die so kalibrierten Radarsensoren ins Fahrzeug, häufig hinter einem Emblem oder Stoßfänger. Das Radom-Material weist eine HF-Durchgangsdämpfung auf, die das Signal schwächt, und zwar doppelt, denn es muss zweimal hindurch, auf dem Hinweg zum Objekt und zurück. Das reduziert den Erfassungsbereich, wie die folgende Betrachtung zeigt. Der Leistungspegel des ausgesendeten Signals wird auf jeder Teilstrecke nach den Gesetzen der Wellenausbreitung umgekehrt zum Quadrat der Entfernung r reduziert, auf Hin- und Rückweg zusammen also um den Faktor 1/r4. Bei einem 77-GHz-Radar mit einer Ausgangsleistung von 3 W, einem Antennengewinn von 25 dBi, einem Ziel mit einem Radarquerschnitt von 10 m² und einem kleinsten erkennbaren Signal von -90 dBm ergäbe sich aus der Entfernungsgleichung für diese Konfiguration eine maximale Radarreichweite von 109,4 m. Beträgt die Zwei-Wege-Dämpfung des Radoms 3 dB, so vermindert sich die Reichweite für das gleiche Radar um 16 % auf nur noch 92,1 m.

Aber nicht nur die Materialdämpfung beeinträchtigt die Radarleistung. Die Reflexivität und Homogenität des Radom-Materials spielen ebenfalls eine wichtige Rolle. Reflexionen, etwa an Metallpartikeln im Lack, und HF-Fehlanpassung des Grundmaterials verursachen Störsignale im Radom selbst, also in unmittelbarer Nähe des Sensors. Diese Störsignale werden empfangen und in der Empfängerkette heruntergemischt, was die Detektionsempfindlichkeit des Radars vermindert. Viele Fahrzeughersteller versuchen, diesen Effekt zu unterdrücken, indem sie die Radome geneigt einbauen, sodass das ausgesendete Radarsignal abgelenkt und nicht direkt in den Empfangszug reflektiert wird. Diese Lösung unterliegt natürlich konstruktiven Zwängen und beseitigt nicht die Ursache für den Verlust an HF-Energie durch die parasitären Reflexionen.

Ein weiteres Problem resultiert aus Inhomogenitäten des Materials aufgrund von Einschlüssen und Dichteschwankungen, welche die hin- und rücklaufende Wellenfront beeinflussen. Sie wird verzerrt, was zu weniger genauen Winkelmessungen führt. Die Radarsensor-Kalibrierung kann diesen Effekt nicht auffangen, da das kalibrierte Radar hinter Radomen verschiedener Hersteller montiert sein kann.

Wie Radome bisher getestet wurden

Die Radom-Hersteller testen ihre Produkte bislang mit einem Referenzradar. Für diesen Test montiert man Winkelreflektoren in einer vorgegebenen Entfernung und Azimutposition vor dem Radar (Bild 3). Es werden nun Differenzmessungen mit und ohne Radom durchgeführt und miteinander verglichen. Das Radom hat den Test bestanden, wenn die vom Radar ermittelte Entfernung bzw. Azimutposition und die Echosignalpegel innerhalb vorgegebener Grenzwerte liegen. Mit diesem Verfahren werden jedoch nur bestimmte Azimutwinkel überprüft, sodass Störstellen im Radom leicht übersehen werden können.

Eine andere Messmethode funktioniert ähnlich, kommt aber mit nur einem Reflektor aus. Der Radarsensor wird dabei inklusive Radom auf einer Drehscheibe montiert und die Messung mit verschiedenen Winkeleinstellungen wiederholt. Der an der Scheibe ablesbare tatsächliche Winkel (Ground Truth) und der vom Radar gemessene werden verglichen. Die Methode ist so genau wie die Positioniergenauigkeit der Drehscheibe. Der Test nimmt jedoch viel Zeit in Anspruch und eignet sich deswegen nicht für Produktionstests.

Der Quality Automotive Radome Tester R&S QAR von Rohde & Schwarz (Bild 4) soll die Einschränkungen der bisherigen Behelfsmethoden überwinden helfen. Statt eines Referenzradars mit seinem winzigen Antennenfeld nutzt er ein großflächiges Paneel mit mehreren Hundert Sende- und Empfangsantennen, die im erweiterten Frequenzbereich der Automotive-Radare zwischen 75 bis 82 GHz arbeiten. Er sieht somit das gleiche, was ein Automotive-Radar sehen würde, falls es ebenfalls über Hunderte von Antennen verfügen würde, allerdings dank der großen Apertur mit einer viel höheren Auflösung im Millimeterbereich für Entfernung, Azimut und Elevation. Aufgrund dieser feinen Granularität kann das Messergebnis (genauer: die Reflexivität) als röntgenähnliches Bild visualisiert werden, das eine sofortige Qualitätseinschätzung auch durch messtechnische Laien zulässt. Anders als bei Messungen mit echten Radaren sind zur Ermittlung der Radom-Eigenschaften keine zeitaufwendigen Testreihen zu absolvieren, sondern der R&S QAR gewinnt seine Ergebnisse im One-Shot-Verfahren im Stil einer Fotokamera.

Das zu testende Radom wird in einem definierten Bereich vor dem Paneel platziert. Zwei Messungen sind anschließend möglich, eine zur Reflexivität und eine zur Transmissivität des Messobjekts. Zunächst wird mit einer Reflexivitäts-Messung die Energie bestimmt, die durch das Radom-Material reflektiert wird. Das ist der Anteil, der nicht durch das Radom gelangt und so die Performance verschlechtert oder gar, wie oben beschrieben, die korrekte Funktion beeinträchtigt. Ein bestimmter Bereich kann aus verschiedenen Gründen eine hohe Reflexivität aufweisen, beispielsweise aufgrund von Materialfehlern, Lufteinschlüssen, unerwünschter Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Materialschichten oder eines zu hohen Anteils bestimmter Materialkomponenten. Durch die kohärente Verknüpfung aller reflektierten Signale aus dem Prüfvolumen nach Betrag und Phase liefert die Messmethode ein räumlich aufgelöstes Messergebnis, das durch seine bildhafte Aufbereitung einerseits eine spontane qualitative Einschätzung des Prüflings gestattet, andererseits aber auch quantitative Untersuchungen ermöglicht.

Das Beispiel eines Test-Radoms

Zu Demonstrationszwecken wurde ein Test-Radom hergestellt, in dem die Rohde & Schwarz-Raute räumlich, also mit wechselnden Schichtdicken, umgesetzt wurde (Bild 5). Das hochaufgelöste Radarbild (Bild 6) veranschaulicht, was ein mit diesem Radom abgedeckter Radarsensor sehen würde. Die Helligkeitsabstufungen codieren die Reflexivität. Je heller ein Bereich, desto mehr Radarwellen wirft er zurück. Metall erscheint weiß (zu sehen an den Schrauben in den vier Ecken). Die deutlich sichtbaren Konturen des Logos weisen auf hohe lokale Reflexivität und ein sehr inhomogenes Gesamtbild hin. Die höhere Dicke von 0,5 mm im Bereich des Logos würde ausreichen, um die Radar-Performance im Straßenverkehr erheblich zu beeinträchtigen.

Im Beispiel wird in der Radom-Mitte, wo der Sensor in der Regel angebracht ist, eine mittlere Reflexivität von -11,0 dB mit einer Standardabweichung von -18,2 dB berechnet. Dieser Wert ist für viele Einsatzszenarien zu hoch, um einen zuverlässigen Radarbetrieb gewährleisten zu können. In der Praxis hängt die erwartete Reflexivität von der Empfindlichkeit der Radareinheit und dem abzudeckenden maximalen Erfassungsbereich ab. Im zweiten Messdurchgang werden Frequenzanpassung und Dämpfung des Radom-Materials gemessen. Hinter dem Prüfling befindet sich dazu ein Sendemodul (Bild 4). Der Sender überstreicht per Sweep einen ausgewählten Frequenzbereich. So ist eine exakte Beurteilung des Radom-Übertragungsfrequenzgangs möglich. Der Frequenzgang liefert detaillierte Informationen über die HF-Anpassung des Prüflings in genau dem für den Radarbetrieb vorgesehenen Frequenzband. Diese Informationen sind unabhängig von der konkreten Signalwellenform, die von der Radareinheit verwendet wird und gelten somit für alle potenziell hinter dem Radom verbauten Radartypen.

Der rechte Teil von Bild 6 zeigt diese Messung für das Muster-Radom. Aufgrund der hohen Welligkeit zwischen 76 und 79 GHz wäre ein solches Radom für Radare in diesem Frequenzbereich nicht geeignet. Die Transmissionsmessung an einem echten 3D-Radom aus der Automobilindustrie ergab den ähnlich zerklüfteten Kurvenverlauf in Bild 7. Dieses Radom würde verschiedene Performance-Probleme verursachen: Die Frequenzanpassung liegt ungünstig bei etwa 71 statt bei 76 GHz. Das wird oft durch die größere lokale Dicke bestimmter Radom-Schichten verursacht. Die sprunghaften Dämpfungsschwankungen im 79-GHz-Band implizieren eine signifikante Erhöhung des Stehwellenverhältnisses. Dies weist auf Reflexionen an den Grenzen des Radoms und starke Interferenzerscheinungen hin. Die Einwegdämpfung ist insgesamt relativ hoch, was zu einer spürbaren Verkleinerung des Erfassungsbereichs führen würde.

Fehlerfreie Radarerfassung der Umgebung

Autonomes Fahren setzt die vertrauenswürdige, das heißt fehlerfreie Radarerfassung der Umgebung voraus. Ob sie gelingt, hängt nicht nur von der Güte der verwendeten Radare ab, sondern ebenso von deren Einbausituation. Die Karosserieteile, hinter denen die Radare verbaut werden (Radome) – oft das Markenemblem und die Stoßfänger – können die Signale so nachteilig beeinflussen, dass Objekte gar nicht oder an der falschen Stelle gesehen werden. Da diese Teile heute nicht mehr nur ihre ursprüngliche Funktion wahrnehmen, sondern außerdem auch definierte HF-Eigenschaften haben müssen, sind ebenso genaue wie praxisgerechte Messmethoden für deren Nachweis gefragt. Mit dem Tester R&S QAR lässt sich die Qualität von Automotive-Radomen viel schneller und besser beurteilen als mit Referenzradaren. Der R&S QAR misst sowohl die HF-Transmissivität des Messobjekts, die die prinzipielle Eignung eines Radom-Designs offenbart, als auch die Reflektivität, die – in der Art eines Röntgenbilds aufbereitet – eine zuverlässige Pass-/Fail-Beurteilung auch durch messtechnische Laien insbesondere in End-of-Line-Prüfungen erlaubt.

* Dr. Steffen Heuel, Tobias Köppel, Andreas Reil und Dr. Sherif Ahmed von Rohde & Schwarz in München.

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