FMCW: la tecnologia radar per l’automotive

Il radar è un dispositivo per il rilevamento, la localizzazione e il tracciamento di oggetti di vario genere. Funziona trasmettendo energia elettromagnetica verso oggetti, comunemente indicati come target (bersagli), e osservando gli echi restituiti da essi. Ciò che vedremo in questo articolo è che il metodo apparentemente più logico per misurare la distanza di un oggetto, cioè per mezzo della stima del ritardo temporale dell'onda riflessa, mal si adatta alle applicazioni automotive. Andremo quindi a descrivere la tecnica radar più comunemente usata nel settore automobilistico, ovvero la FMCW.

Introduzione

Il radar è un dispositivo di rilevamento “attivo” in quanto dispone di una propria fonte di illuminazione (un trasmettitore) per localizzare i bersagli. Funziona tipicamente nella regione dello spettro elettromagnetico delle microonde, a frequenze che si estendono da circa 300 MHz a 100 GHz.

Al di là delle innumerevoli varianti, il funzionamento generale del radar si può descrivere come esecuzione dei seguenti passi:

Irradiazione di un fascio stretto di energia elettromagnetica nello spazio da un'antenna.
Il fascio dell'antenna scansiona una regione in cui sono previsti bersagli.
Quando un bersaglio viene illuminato dal raggio, intercetta parte dell'energia irradiata e ne riflette una parte verso il sistema radar.
Poiché la maggior parte dei sistemi radar non trasmette e riceve contemporaneamente, viene spesso utilizzata un'unica antenna in condivisione sia per la trasmissione che per la ricezione.
Un ricevitore collegato all'elemento di uscita dell'antenna estrae i segnali riflessi desiderati e (idealmente) respinge quelli che non sono di interesse.

Ad esempio, un segnale di interesse potrebbe essere l'eco di un aereo, mentre i segnali che non interessano potrebbero essere gli echi provenienti dal suolo o dalla pioggia, che possono mascherare e interferire con il rilevamento dell'eco desiderato. Il radar misura la posizione del bersaglio in termini di portata (distanza) e direzione angolare. La portata viene determinata misurando il tempo totale impiegato dal segnale radar per compiere il viaggio di andata e ritorno verso il bersaglio. La direzione angolare di un bersaglio si valuta dalla direzione in cui punta l'antenna nel momento in cui viene ricevuto il segnale dell'eco.

Radar Automotive

Nel settore automotive i radar vengono utilizzati soprattutto per assistere il conducente alla guida, aiutandolo nel parcheggiare l'auto o per impedire di tamponare i veicoli che precedono quando frenano bruscamente. I radar emettono segnali EM a 77 GHz (i sistemi più vecchi utilizzavano 24 GHz, ma sono stati gradualmente eliminati).

Esistono diversi tipi di radar e ci sono molti modi per caratterizzare un radar. Una prima distinzione fondamentale si può fare tra:

Radar impulsivo, che irradia una serie ripetitiva di impulsi quasi-rettangolari. Forma canonica.
Radar CW, che irradia un’onda sinusoidale continua.

La tipologia impiegata nei veicoli è della seconda specie ed è chiamata onda continua a modulazione di frequenza, FMCW. Invece di inviare un semplice impulso che viene riflesso dal target, FMCW invia un'onda continua modulata in frequenza.

L'attuale generazione di veicoli dotati di radar dispone in genere di un radar anteriore per il controllo adattivo della velocità con una portata di circa 150 m. Spesso è presente un secondo radar anteriore con un campo visivo (FOV) più ampio per l'assistenza alla frenata di emergenza. Nella parte posteriore sono presenti due radar con una portata fino a 80 m per il rilevamento dei veicoli dietro l'auto.

Il tipico modulo radar per il settore automotive contiene cinque elementi funzionali principali:

l'antenna
la sezione RF
un'interfaccia digitale ad alta velocità
un elaboratore di segnale
una sezione di alimentazione

I sistemi per l'automotive utilizzano due tipi di antenne: a polarizzazione verticale (V) o orizzontale (O).

La tipologia V è quella tradizionale. La polarizzazione verticale ha il vantaggio di soffrire di minori effetti da clutter ma di un FOV azimutale (angolo di deviazione orizzontale) limitato perché il radiatore patch V a elemento singolo ha un diagramma di radiazione stretto. Allo stesso modo, la polarizzazione orizzontale comporta un FOV azimutale più ampio ma più increspature nella risultante configurazione dei bersagli.

In un tipico modulo automobilistico, un oscillatore locale (LO) genera un segnale ad onda continua modulato linearmente in frequenza, il chirp, che viene amplificato da un amplificatore di potenza e trasmesso dall'antenna. L'antenna ricevente intercetta il segnale riflesso che viene poi amplificato e miscelato con il segnale LO. Questa miscelazione produce la somma e la differenza tra frequenza LO e quella dell'eco. La somma viene filtrata (scartata) mentre la differenza (la frequenza di battimento o frequenza intermedia, IF) viene digitalizzata. L'output digitalizzato dell'ADC prosegue verso un processore di segnale che analizza i segnali risultanti per individuare i target. Il processore di segnale incorpora tipicamente da due a sei core e include hardware dedicato per FFT.

I radar automobilistici odierni utilizzano tipicamente una forma d'onda chirp con frequenza crescente da 77 a 77,8 GHz. La differenza di frequenza istantanea tra il segnale trasmesso e quello eco è direttamente proporzionale al ritardo, e il ritardo è direttamente proporzionale alla portata.

Radar impulsivo vs CW

A differenza dei sistemi radar a impulsi, comunemente utilizzati ad esempio nel settore della difesa, i sistemi radar automobilistici adottano la tecnologia FMCW. Le motivazioni risiedono nel fatto che rispetto ai radar a impulsi, i radar FMCW sono più piccoli, consumano meno energia e sono molto più economici da produrre. Lo svantaggio è che la misura della portata non può avvalersi delle stesse tecniche usate nel radar a impulsi.

Nei sistemi radar a impulsi la portata R viene stimata come prodotto tra il tempo T necessario al segnale per andare e fare ritorno dal target per la velocità dell'onda c diviso 2:

R = (T c )/2

dove c è la velocità della luce.

Ora, se un'onda sinusoidale viene trasmessa dal radar, essa può essere descritta come:

x(t) = A sin(2π f t)

Allora l'onda riflessa dal target e ricevuta dal radar può essere espressa come:

y(t) = A_r sin( 2π f (t -T) ) = A_r sin( 2π f t - 2π f T ) = A_r sin( 2π f t + φ)

Nell'espressione viene evidenziato che il ritardo T è contenuto nella fase φ = - 2π f T.

Andando a sostituire nell'espressione della fase T con 2R/c e risolvendo in funzione della portata R otterremo che:

R = (φ λ) / 4π

dove λ (= c/f) è la lunghezza d'onda relativa alla frequenza operativa del radar (abbiamo trascurato il segno meno).

Ora, perché questa tecnica di stima non è adatta nel caso di radar CW? La risposta risiede nel fatto che l'onda sinusoidale è periodica con periodo 2π. Pertanto, la fase φ è non ambigua solo nell'intervallo da −π a +π. Nella pratica, alle radiofrequenze, la portata massima risulta essere solo pochi cm.

Con un radar ad onda continua (CW), quindi, non si può misurare la portata di un bersaglio a meno che la fase non appartenga solo all'intervallo da −π a +π. Senza indicazioni di tempo o frequenza, non c’è modo di distinguere tra, ad esempio, il centesimo e il centoventesimo ciclo.

Una soluzione viene dalla modulazione di frequenza. Una modulazione di frequenza funge da marcatore rispetto alla portata che può essere determinata. La larghezza di banda del segnale modulato non è più un singolo impulso. Questa espansione della banda dà origine ad un segnale ristretto nel dominio del tempo che è vantaggioso per il radar. Gli echi di un segnale ristretto nel dominio del tempo possono essere distinti dal ricevitore più facilmente.

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