Couverture ElectroniqueS n°127

La conduite autonome nécessite des radars fiables, mais les parties de la carrosserie agissant comme des radômes peuvent avoir des effets négatifs sur les signaux. Pour caractériser l'ensemble des propriétés des radars automobiles et valider ces derniers, il existe des méthodes de mesure précises, rapides et pratiques, comme l'explique le fabricant allemand Rohde & Schwarz. Laconstruction automobile est le moteur de l'innovation en Allemagne –selon le rapport Innovationen in der deutschen wirtschaft (Innovations dans l'économie allemande) de l'Institut Fraunhofer et du Centre européen pour la recherche économique (ZEW), 52,4 milliards d'euros ont été investis pour la seule année 2016 –, avec une tendance à la hausse. Et, en vedette, la conduite autonome. Les nouveaux développements dans ce domaine impliquent une évolution permanente des processus, non seulement pour les constructeurs automobiles, mais aussi pour l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement automobile, qui doit s'adapter aux nouveaux défis. La conduite autonome exige en effet de grandes quantités d'informations environnementales, qui seraient normalement captées par l'œil humain et traitées par le cerveau. L'équivalent technique se compose de capteurs qui sont des composants-clés pour la conduite autonome. Les radars dédiés à l'automobile ont déjà été produits par millions, ils font maintenant partie intégrante de l'équipement en série des véhicules haut de gamme, et ils sont utilisés par les systèmes d'assistance afin d'empêcher les accidents et d'augmenter le confort de conduite. Les capteurs radar utilisent principalement des signaux à ondes entretenues modulées en fréquence ( Frequency-Modu-lated Continuous Waves ou FMCW). En utilisant le délai de propagation et le décalage de fréquence Doppler, les capteurs peuvent mesurer et déterminer la distance et la vitesse radiale de plusieurs objets cibles ( voir figure 1 ). En fonction des caractéristiques du réseau d'antennes, il est même possible de mesurer l'azimut et l'angle d'élévation. Pendant le traitement du signal, une liste de cibles est générée par l'électronique des capteurs. Celle-ci contient les données de position et de vitesse mesurées pour les objets, ainsi qu'une classification par genre (piéton, voiture, etc.). Cette liste est envoyée à l'unité de contrôle du véhicule (ECU), là où les décisions relatives aux manœuvres du véhicule sont prises en temps réel. La précision et la fiabilité de ces données sont donc d'une importance capitale pour la sécurité du véhicule, des passagers et des autres usagers de la route. Figure 1.-Erreur de localisation due à une erreur de mesure de l'azimut Les objets cibles sont mal localisés en raison d'erreurs de mesure de l'azimut. Ici, le décalage est de 1,75m, avec une erreur de mesure angulaire de 1° et une distance de 100m. Le système de contrôle autonome du véhicule pourrait réagir avec une manœuvre fatale. ANDREAS REIL ET DR. STEFFEN HEUEL (ROHDE & SCHWARZ) Diplômé de la Technical University de Munich en ingénierie électrique et électronique, Andreas Reil (à gauche) est responsable des produits en imagerie par micro-ondes chez Rohde & Schwarz. Le Dr. Steffen Heuel, lui, est responsable de la technologie au sein de la division Test & Mesure de Rohde & Schwarz. Le radôme pose un défi particulier Pour des raisons esthétiques, les systèmes radar ne sont pas installés directement sur le véhicule, mais cachés derrière les logos de marque sur la calandre du radiateur et dans les pare-chocs en plastique, à l'avant et à l'arrière. Les logis et les pare-chocs servent donc de radômes (radar dômes). En tant que tels, les radômes doivent être évalués comme des composants HF, dont la conception affecte les performances de détection et la précision du radar qu'ils cachent. Le matériau du radôme provoque une atténuation de la transmission HF, ce qui atténue l'amplitude du signal, et ce dernier doit traverser deux fois le matériau considéré sur son trajet: la première fois vers la cible et la seconde au retour. Selon les lois de propagation des ondes, le niveau de puissance du signal émis est inversement proportionnel au carré de la distance dans tous les sens –c'est-à-dire qu'il est réduit d'un facteur de 1/r 4 dans les deux sens de son trajet. Par exemple, si un radar de fréquence de 77GHz, de puissance de sortie de 3 W et de gain d'antenne de 25 dBi doit détecter une cible ayant une section transversale radar de 10m² et un signal détectable minimum de - 90 dBm, il en résulterait une portée radar maximale de 109,4 mètres, sans radôme. Si le radar a une atténuation bidirectionnelle de 3 dB, la portée du même radar est réduite de 16%, soit 92,1m seulement. En plus de l'atténuation due au matériau, sa réflectivité et son homogénéité jouent également un rôle indéniable dans les performances du radar. Les réflexions, par exemple sur des particules métalliques dans la peinture, et l'inadéquation HF du matériau de base génèrent des signaux parasites dans le radôme lui-même, donc à proximité immédiate du capteur. Ces signaux parasites sont reçus et intégrés dans la chaîne de réception, ce qui réduit la sensibilité de détection du radar. De nombreux constructeurs automobiles tentent de limiter cet effet en installant les radômes sous un certain angle, afin que le signal radar émis soit dévié, et non réfléchi, directement dans la trajectoire de réception. Avec le testeur Quality Automotive Radome (QAR) de Rohde & Schwarz, l'objet à tester est monté sur le bord avant du support. Le dispositif bleu assemblé contient l'émetteur millimétrique pour les mesures de transmission. Une opportunité pour les fournisseurs Cette approche pose toutefois des problèmes de conception et n'élimine pas les réflexions parasites, qui causent la perte d'énergie HF. Un autre problème résulte de l'inhomogénéité du matériau en raison des inclusions, des fluctuations de densité ou des différentes épaisseurs de matériau dans les logos de marque tridimensionnels, ce qui perturbe le front d'onde à l'aller et au retour. Celui-ci subit en effet une distorsion qui entraîne une perte de précision des mesures angulaires. L'étalonnage des capteurs radar peut minimiser cet effet dans certaines limites, mais ne peut pas le supprimer complètement, puisque le radar étalonné peut être monté derrière des radômes de différents fabricants. La validation des radômes et de leurs caractéristiques est donc essentielle pour assurer la fiabilité des radars et, donc, une mise en œuvre sûre des systèmes d'assistance et des concepts de conduite autonome. Une correction après que les matériaux ont été installés est extrêmement longue et coûteuse et s'avère donc inacceptable pour les constructeurs automobiles. Comme les véhicules deviennent de plus en plus autonomes, il est nécessaire d'avoir des radômes de haute qualité, dont les propriétés d'atténuation soient non seulement minimes, mais également constantes et connues dans le détail. Étant donné que les constructeurs automobiles, en raison des contraintes de temps, souhaitent que les essais soient aussi courts que possible, les équipements qui pourront fournir des radômes déjà testés avec ces propriétés et avec les informations correspondantes auront un avantage certain sur leurs concurrents. Pour cela, des tests de produits fiables et détaillés par lesfournisseurssontimpéra-tifs. Les fabricants de radômes testent généralement leurs produits de manière sélective avec un radar de référence ( voir figure 2 ). Des mesures différentielles sont effectuées dans une installation fixe composée de réflecteurs radar à différentes distances et sous différents angles, avec et sans radôme. Si les valeurs déterminées restent dans certaines tolérances, l'essai est considéré comme réussi. Vu la responsabilité croissante des capteurs et des actionneurs, ainsi que la complexité des radômes eux-mêmes, de tels tests sélectifs ne sont plus suffisants. Des tests significatifs pour une utilisation concrète Une méthode d'essai plus précise consiste à utiliser un seul réflecteur, le radar avec son radôme se trouvant alors sur un plateau tournant. La mesure est répétée sous différentes positions angulaires et les résultats de mesure sont comparés avec le paramètre angulaire lisible sur le plateau tournant. Plus la position du plateau tournant est précise et plus les mesures sont nombreuses, plus le résultat est concluant. Mais ce procédé prend beaucoup de temps, c'est pourquoi il n'est pas adapté aux tests de production. L'allemand Rohde & Schwarz a développé le testeur Quality Automotive Radome (QAR) pour réaliser une procédure de test qui fournit des données fiables et qui peut être mise en œuvre facilement et rapidement ( voir photographie ci-dessus ). Au lieu d'un radar de référence unique, un grand panneau composé de plusieurs centaines d'antennes d'émission et de récep-tion est utilisé; celles-ci fonctionnent dans la même gamme de fréquences que les radars dédiés à l'automobile. Les antennes du QAR visualisent donc ce qu'un radar automobile verrait. Avec sa large ouverture, il est possible d'obtenir une résolution nettement plus élevée dans le domaine millimétrique pour la distance, l'azimut et l'élévation. < On voit ici l'image d'ondes millimétrique à haute résolution de la réflectivité (à gauche) avec la plage d'analyse sélectionnée (carré bleu) et la mesure de transmission/ atténuation aller (à droite) sur le radôme R&S. En raison du décalage entre 76 et 77GHz, un tel radôme ne conviendrait pas. Dans le radôme de démonstration, le logo Rohde & Schwarz ne dépasse que de 0,5 mm au-dessus de la surface de base du radôme. Et pourtant cette petite augmentation d'épaisseur entraîne un décalage à la fréquence de 77 GHz. Avec cette résolution élevée, la réflectivité peut être visualisée comme une radiographie, permettant même aux non-initiés d'évaluer immédiatement la qualité. Dans une seconde étape d'analyse, les paramètres de qualité peuvent être calculés à partir de l'image obtenue, ce qui signifie qu'un simple test de type Pass/Fail peut même remplacer les tests de production précédents. L'utilisation de plusieurs antennes d'émission et de réception permet de tester l'ensemble du radôme en détail en quelques secondes ( One-Shot ) et de se passer ainsi de longues séries d'essais. Le QAR permet de mesurer à la fois la réflectivité spatialement résolue et la transmission de l'objet testé. La mesure de réflectivité correspond à l'énergie réfléchie par le matériau du radôme, c'est-à-dire la perte qui affecte négativement les performances. Certaines zones peuvent présenter une réflectivité supérieure pour diverses raisons, par exemple à cause de la présence de défauts dans les matériaux, d'une introduction d'air, d'interactions indésirables entre différentes couches de matériaux, ou encore d'une proportion excessive de certains composants de matériaux. Avec le traitement cohérent de tous les signaux réfléchis par l'objet à tester en fonction de l'amplitude et de la phase, la méthode de mesure fournit un résultat de mesure résolu dans l'espace, ce qui per-met une évaluation immédiate, qualitative et fiable du test de type Pass/Fail, mais également des investigations quantitatives. L'image radar à haute résolution ( voir photographie ci-dessus ) illustre un capteur radar recouvert par ce radôme de démonstration ( voir photographie ci-dessous ). La mesure de la réflectivité à résolution spatiale est codée en graduations de luminosité. Plus une zone est claire, plus elle renvoie d'ondes radar. Le métal apparaît en blanc – les vis aux quatre coins. Les contours clairement visibles du logo indiquent une réflectivité élevée et une apparence générale très inhomogène. Les fournisseurs peuvent mener leurs propres tests La mesure de transmission détermine la fréquence et l'atténuation relatives au matériau du radôme, ce qui peut être utilisé pour déterminer son adéquation de principe. Derrière l'objet à tester, il y a un module émetteur étalonné qui scanne une gamme de fréquence sélectionnée par balayage. Les antennes de réception reçoivent les signaux et permettent ainsi une évaluation exacte de la réponse en fréquences de transmission du radôme. La réponse en fréquences fournit des informations détaillées sur la correspondance HF de l'objet à tester, dans la bande de fréquences prévue pour le fonctionnement du radar. Ces informations sont indépendantes de la forme d'onde spécifique du signal concrètement utilisé par l'unité radar et s'applique donc à tous les types de radars potentiellement installés derrière le radôme. La conduite autonome nécessite des radars fiables, qui détectent par exemple des objets dans l'environnement sans erreur. Elle dépend à la fois de la qualité du radar et de l'emplacement de l'installation. Les parties de la carrosserie agissant comme des radômes peuvent avoir un tel effet négatif sur les signaux que les objets ne sont pas détectés, ou alors localisés au mauvais endroit. Puisque ces éléments ne remplissent plus seulement leur fonction d'origine, mais doivent également avoir des caractéristiques HF définies, des méthodes de mesure aussi précises que pratiques sont recherchées afin de vérifier leurs propriétés. Figure 2.-Méthode de mesure traditionnelle Il s'agit ici d'un montage d'essais typique avec un dispositif radar de référence. On voit la position du réflecteur à angle demandé sans radôme (en bleu) ou avec un radôme problématique (en gris). Le QAR de Rohde & Schwarz propose une méthode unique et innovante qui fournit des résultats de mesure plus détaillés, en beaucoup moins de temps, à la fois pour les mesures de réflectivité HF à résolution spatiale et pour les mesures de transmission. Pour les constructeurs automobiles, plus de tests signifie plus de frais et moins de productivité, alors que, pour les fournisseurs, cela s'assimile à de nouvelles opportunités. Avec leurs propres tests, les fournisseurs peuvent vérifier eux-mêmes les pièces nécessaires, et ainsi non seulement augmenter leurs propres standards de qualité, mais aussi proposer à leurs clients un service supplémentaire ciblé grâce aux données de mesure, ce qui devrait augmenter leur fidélisation. n

Les exigences de sécurité imposent des radars automobiles bien testés

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