Sensoren für autonomes Fahren 4D-bildgebende Radarsensoren validieren

Autor / Redakteur: Dr. Ing. Andreas Himmler und Dr. rer. nat. Alexander Trapp * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Für noch genauere Radarsysteme im Automobil wird der Elevationswinkel gemessen. Mit dem 4D-Radar lassen sich Objekte viel präziser erkennen. Doch was bedeutet das für ein Testsystem?

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Vierte Dimension: Radarsensoren, die neben Geschwindigkeit, Entfernung und Richtung (Azimut), noch den Elevationswinkel korrekt erfassen. Für Testsysteme bedeutet das erhöhte Anforderungen.
Vierte Dimension: Radarsensoren, die neben Geschwindigkeit, Entfernung und Richtung (Azimut), noch den Elevationswinkel korrekt erfassen. Für Testsysteme bedeutet das erhöhte Anforderungen.
(Bild: dSpace)

Ultrahochauflösende bildgebende Radarsensoren, die oft als 4D-Radare bezeichnet werden, liefern detaillierte Bilder der Radarumgebung mit einem breiten Sichtfeld sowie Höhen-, Entfernungs- und Geschwindigkeitsinformationen. Der Test solcher Radarsensoren stellt hohe Anforderungen an die Fähigkeiten und die Bandbreite des verwendeten Radarzielsimulators. Den ersten Radarzielsimulator, der diese Anforderungen mit voller 5-GHz-Bandbreite erfüllt, hat dSpace entwickelt. Entstanden ist der Simulator mit leistungsfähiger Hochfrequenztechnik.

Assistiertes und automatisiertes Fahren sind aus technischer Sicht enorm anspruchsvoll an die Umgebungserkennung: Soll ein selbstfahrendes Fahrzeug angemessen auf jede noch so komplexe, unvorhersehbare Verkehrssituation reagieren können, ist ein zuverlässiger 360-Grad-Rundumblick auf sein Umfeld erforderlich. Radarsensoren spielen dabei eine wichtige Rolle, da sie sowohl für die Überwachung des Nahbereichs als auch für mittlere und weite Entfernungen eingesetzt werden können.

Radarzielsimulatoren für Over-the-Air-Testing

Eine besonders umfassende Methode, um die Funktionalität eines Radars und damit verbundene Assistenzsysteme zu testen, ist der Over-the-Air-Ansatz. Bei diesem wird der gesamte Signalpfad des Radars, von der Signalgeneration, über die Sende- und Empfangsantennen und die Signalprozessierung bis zum Algorithmus des Assistenzsystems, getestet und validiert. Möglich ist das durch den Einsatz von elektronischen Radarzielsimulatoren. Sie empfangen das Radarsignal, prägen ihm Ziele On-the-Fly auf und senden das manipulierte Signal zum Radar zurück. Die Prozessierung des Radarsignals verläuft dabei ohne Vorwissen zum Modulationsschema oder Timing der Radarchips, quasi agnostisch, und ist damit robust gegenüber Maßnahmen zur Interferenzminderung, wie zum Beispiel Signalkodierungen. Die Zieleigenschaften Abstand, Geschwindigkeit und Größe lassen sich digital und in Echtzeit steuern.

Radar mit einer zusätzlichen vierten Messdimension

Der Over-the-Air-Ansatz: DARTS empfängt die Radarwellen eines Radarsensors, erzeugt ein frei definierbares Echo und sendet es an den Sensor zurück, der das Echo als Ziel interpretiert.
Der Over-the-Air-Ansatz: DARTS empfängt die Radarwellen eines Radarsensors, erzeugt ein frei definierbares Echo und sendet es an den Sensor zurück, der das Echo als Ziel interpretiert.
(Bild: dSpace)

Mit dem von dSpace entwickelten Automotive-Radar-Test-System (DARTS) ist bereits eine breite Palette von Radarzielsimulatoren für eine Vielzahl verschiedener Radarsensoren und Anwendungsszenarien am Markt etabliert. Mit den Systemen lassen sich alle Radarklassen mit einer hohen Präzision validieren: Fernradare/Long-Range-Radar (LRR), Mittelstreckenradare/Mid-Range-Radar (MRR) und Nahbereichsradare/Short-Range-Radar (SRR). Die Radarzielsimula­toren können einzeln, integriert in me­chatronische Radarprüfstände, als Teil von anderen Hardware-in-the-Loop- oder Vehicle-in-the-Loop-Testumgebungen oder auch in Produktionstests verwendet werden. In den Radarprüfständen wird die Simulation verschiedener Ankunftswinkel der Ziele ermöglicht.

Die Steuerung der Zielparameter in Echtzeit erlaubt die Simulation ganzer Verkehrsszenarien mit Fußgängern, Fahrradfahrern und anderen Verkehrsteilnehmern. Bislang sind Radarsensoren nur bedingt in der Lage, ihre Umgebung als dreidimensionalen Raum zu erfassen. Im Normalfall bilden sie Geschwindigkeit, Entfernung und Richtung (Azimut) eines Gegenstandes ab. Über die Höhe (Elevation) sind allenfalls grobe Abschätzungen möglich. Um ein vollständigeres Abbild erfasster Objekte zu gewährleisten, wird derzeit die Entwicklung von Radaren vorangetrieben, die auch den Elevationswinkel exakt erfassen. Zusätzlich wird auch die Auflösung in allen Dimensionen massiv erhöht. Somit wird das Radar zu einer bildgebenden Technik in 3D – mit der Geschwindigkeit als zusätzlicher vierter Messdimension.

Solche Sensoren werden als 4D-Radar bezeichnet. Sie bieten die Voraussetzung für eine präzise Echtzeit-Objekterkennung, die bei allen Wetter- und Lichtverhältnissen funktioniert. Die Sensoren sind für höhere Autonomiegrade beim automatisierten Fahren zwingend erforderlich. Um die zusätzlichen Informationen mit dem Hochfrequenzsignal zu transportieren, arbeiten ultrahochauflösende Radare mit einer besonders hohen Modulationsbandbreite. Sie kann bei den modernen Radarsystemen für Automobil-Anwendungen, die bei Frequenzen zwischen 76 und 81 GHz arbeiten, bis zu 4 GHz betragen. Dadurch sind Entfernungsauflösungen im Zentimeterbereich bis zu 3,75 cm möglich. Bisherige Radarsysteme arbeiten meist nur mit bis zu 1 GHz Bandbreite und sind dadurch deutlich limitiert in ihrem Auflösungsvermögen.

Ansprüche an das Testsystem für die Radar-Sensoren

Um die neue Sensorklasse umfassend zu testen und abzusichern, steigen die Anforderungen an die Testsysteme signifikant an. Das gilt insbesondere für Radarzielsimulatoren, die unter Laborbedingungen in Echtzeit Radarziele in weiten Entfernungsbereichen, großen Geschwindigkeiten und unterschiedlichen Größen darstellen. Selbst das simultane Testen mehrerer Radarsensoren verschiedener Klassen wie SRR, MRR und LRR sowie von Hybridsensoren, die dynamisch zwischen den Klassen wechseln, stellt eine neue Herausforderung für Over-the-Air-Radarzielsimulatoren in Bezug auf die abzudeckenden Frequenzbänder dar.

Im Extremfall ist hier das komplette zur Verfügung stehende Radarband über 5 GHz abzudecken. Parallel zu den genannten Anforderungen an die Hochfrequenztechnik wird von moderner Radartesttechnik außerdem erwartet, dass sie in Entwicklungs- und Produktionstests gleichermaßen eingesetzt werden kann. Der nahtlose Einsatz gleicher Testtechnologie, unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen beider Einsatzgebiete, dient einer kontinuierlichen Validierung der Sensoren.

Erster Radarzielsimulator mit einer Bandbreite von 5 GHz

Der DARTS 9040-G mit den weltweit kleinsten externen Konverter­modulen.
Der DARTS 9040-G mit den weltweit kleinsten externen Konverter­modulen.
(Bild: dSpace)

Der weltweit erste Radarzielsimulator ist in einer Kooperation entstanden: Die drei Entwicklungspartner dSpace, ITS und Miro·Sys haben einen Radarzielsimulator konzipiert, der mit einer Bandbreite von 5 GHz arbeitet. Dieser hat die Bezeichnung „DARTS 9040-G“ und ist für alle Kfz-Radare der nächsten Generation, insbesondere Bildgebungs- und 4D-Radare, ausgelegt und optimiert. Er deckt das komplette 77-GHz- und 79-GHz-Radarband vollständig und ohne Synthesizer-Abstimmung der Mittenfrequenz ab. Damit ist jede Klasse von automotiven Radaren in jeglichem Modus gleichermaßen durch den Radarzielsimulator testbar. Zusammen mit der weltweit feinsten Distanzauflösung eines Radarzielsimulators mit 2,5 cm, deutlich unter dem theoretischen Auflösungslimit im automotiven 79-GHz-Radarband, ist das System eine zukunftssichere Lösung beim Testen und Validieren automotiver Radarsensoren.

Störungsfreie Dynamik und niedriges Grundrauschen

Frequenzbereiche für automotive Radaranwendungen im Vergleich mit dem Frequenzband, das durch DARTS 9040-G instantan, also gleichzeitig und ohne Änderung der Mittenfrequenz, bedient werden kann.
Frequenzbereiche für automotive Radaranwendungen im Vergleich mit dem Frequenzband, das durch DARTS 9040-G instantan, also gleichzeitig und ohne Änderung der Mittenfrequenz, bedient werden kann.
(Bild: dSpace)

Durch die neuartige, abstimmungsfreie Systemarchitektur in Verbindung mit einer auf Signaleigenschaften optimierten Schaltungstechnik verfügt der Simulator über einen hohen störungsfreien Dynamikbereich bei besonders niedrigem Grundrauschen. Gleichzeitig ist sie auf geringe Latenz ausgelegt und die Simulation von Zielen in kurzen Distanzen ist möglich. Der DARTS 9040-G ist für alle 77- und 79-GHz-Radare geeignet. Aufgrund des einfach zu handhabenden Over-the-Air-Ansatzes und kompakten externen Konvertermodulen ist das System universell in allen Entwicklungsphasen einsetzbar, vom Chip-Design über die Sensorentwicklung bis zu End-of-Line-Tests.

Radarprüfstand zur Validierung von Radarsensoren mit Hilfe von zwei durch DARTS simulierten Zielen. Simulation der Entfernung, Geschwindigkeit und Größe des Ziels durch DARTS, Simulation der Richtung des Ziels in Azimut und Elevation mechanisch.
Radarprüfstand zur Validierung von Radarsensoren mit Hilfe von zwei durch DARTS simulierten Zielen. Simulation der Entfernung, Geschwindigkeit und Größe des Ziels durch DARTS, Simulation der Richtung des Ziels in Azimut und Elevation mechanisch.
(Bild: dSpace)

Das modulare Grunddesign des Systems aus Basisgerät und Konvertermodulen ist die Basis einer zukunftsorientierten Weiterentwicklung. So könnten künftig durch den einfachen Austausch der externen Konvertermodule andere Radarfrequenzbänder abgedeckt werden. Beispielsweise umfasst das 60-GHz-Radarband die Frequenzen 57 bis 64 GHz. Das Radarband gewinnt durch die Anwendung bei Innenraumsensoren zur Fahrer- oder Anwesenheitsüberwachung zunehmend an Bedeutung. Im Zuge der verstärkten Automatisierung werden die Funktionen sicherheitsrelevant und teilweise verpflichtend.

* Dr. Ing. Andreas Himmler ist Senior Product Manager für automobile Radarlösungen bei dSpace. Dr. rer. nat. Alexander Trapp ist Product Engineer für Radarzielsimulatoren bei dSpace.

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