Simulador de objetos para la evaluación de cinemómetros radar Ratasi

El simulador de objetivos Ratasi (Radar Target Simulator) es capaz de simular blancos (vehículos) interpretables por los cinemómetros radar en las bandas de frecuencia de operación de 24 y 34 GHz. Con ello se dispone de un entorno de ensayo en laboratorio controlado que permite la verificación y validación de las mediciones de velocidad y distancia obtenidas de los cinemómetros.

Los sistemas radar se erigen como uno de los principales sensores en el sector de la automoción. Ya no sólo como sistemas de medición de velocidad (radares de tráfico) sino también como sistemas de ayuda y/o asistencia a la conducción (control adaptativo de la velocidad) y conducción autónoma.

Los radares de tráfico como sensores tradicionalmente capaces de medir velocidades instantáneas, y según las nuevas tendencias del mercado, también capaces de medir distancias al blanco y ángulo, están siendo cada vez más utilizados en el entorno de la automoción, la pacificación del tráfico y la seguridad vial.

En el caso concreto de los radares de tráfico, debido a su uso punitivo como elemento de pacificación y de seguridad vial, están sometidos a una regulación más amplia, en tanto en cuanto requieren cumplir con una serie de evaluaciones y verificaciones que garantizan la veracidad y fiabilidad de sus medidas.

El avance tecnológico de los últimos años en el ámbito de los radares de tráfico ha propiciado la evolución de los sistemas basados en onda continua a sistemas con modulaciones que permiten una mayor funcionalidad. En resumidas cuentas, los nuevos radares de tráfico permiten actualmente detectar múltiples blancos en múltiples carriles, lo que se traduce en una mayor complejidad en los procesos de verificación de estos sistemas.

Para responder a este reto, se hace necesario el desarrollo de entornos de simulación controlados capaces de verificar y validar las medidas obtenidas por estos nuevos cinemómetros.

En general un vehículo tiene 2 parámetros medibles por un sensor radar, que son:

• La distancia del radar al blanco detectado
• La velocidad de movimiento del blanco a lo largo de la zona de detección.

Los modelos de radar de tráfico más comunes en el mercado están basados en los siguientes 3 tipos de tecnología:

• Radares CW (Continuous Wave) de onda continua. Tecnología radar tradicional para el control de velocidad. Los radares CW son capaces de medir velocidades de forma directamente proporcional a la desviación doppler que los blancos generan sobre la señal de radiofrecuencia emitida por el radar [1]. Como limitaciones, se destacan la imposibilidad de medir distancias al blanco que a su vez limita su funcionalidad en la detección multicarril de blancos simultáneos. En la figura 1 se muestra el efecto doppler sobre una señal emitida en un vehículo acercándose.

• Radares LFMCW (Linear Frequency Modulated Continous Wave) de frecuencia modulada. Evolución actual de los radares CW tradicionales. En este caso la modulación en frecuencia permite la obtención, no solo de velocidad del blanco, sino también de distancia del radar al blanco, lo que hace posible la detección multicarril de blancos simultáneos. Gracias a esta modulación de la frecuencia se puede obtener una diferencia entre la frecuencia transmitida y recibida instantánea que es proporcional al retardo que se produce en la señal desde que se transmite hasta que se recibe la reflexión que genera el objeto [1] y [2].

• Radares FSK (Frequency Shift Keying). Segunda alternativa de evolución a los radares CW tradicionales. Estos son radares que transmiten alternativamente 2 frecuencias distintas. Esta modulación de señal permite a este tipo de radares, no solo medir velocidad, si no también, medir la distancia de los blancos. La medida de la distancia se realiza mediante la comparación de la fase de la reflexión de ambas portadoras. La distancia del objeto al radar genera un retardo entre la señal transmitida y reflejada que llega al radar y mediante la comparación de las fases de la señal se puede obtener una medida de distancia [1] y [3].

En base a estas tecnologías presentes actualmente en el mercado de radares de tráfico se establecen los retos que ha de responder el simulador para facilitar la verificación y calibración de estos sistemas en un entorno de laboratorio controlado. El reto tecnológico de simulador y el reto de gestión de las simulaciones:

En el lado de la simulación se desprenden como principales las siguientes 2 funcionalidades:

• Generar la desviación doppler: Para ello se debe generar una diferencia de frecuencia entre la señal que salió del radar y la que se devuelve al propio radar. Además, esta diferencia debe ser altamente estable, configurable y medible.
• Generar el efecto de distancia: Para ello se debe generar un retardo temporal entre la señal que transmite el radar y la que luego recibe desde el simulador.

En el lado de la gestión de las simulaciones se desprende también la necesidad de desarrollar un programa informático que permita al operador realizar escenarios de simulación ad-hoc para cada sistema radar donde se pueda ejercer el control metrológico del sensor.

En respuesta a los retos que plantea la generación de blancos radar en el entorno controlado de un laboratorio, el Centro Español de Metrología de Tres Cantos ha decidido el desarrollo del simulador Ratasi (Radar Target Simulator) que da solución a cada una de las problemáticas antes explicadas.

Considerando las bandas de trabajo (frecuencias) de los radares comúnmente instalados en el ámbito nacional, el simulador Ratasi permite la simulación en las siguientes 2 bandas de trabajo:

• Banda K: 24.125 GHz +/- 125 MHz
• Banda KA: 34,45 GHz +/- 150MHz

Para explicar de la manera más completa posible el funcionamiento del simulador, a continuación, se detallan su funcionamiento teórico y su diseño operativo.

2.1 Funcionamiento teórico del simulador

El sistema se compone de diferentes etapas que en su conjunto permiten la simulación de las tecnologías radar antes comentadas (CW, LFMCW y FSK) en las bandas de trabajo K y Ka.

Las etapas principales son:

• El Front-End RF, donde se hace todo el procesado de las señales de radio frecuencia y que es exclusivo para cada banda de frecuencias.
• La etapa de frecuencia intermedia, que es la etapa que permite la adaptación de las señales entre los circuitos de simulación y la etapa de radio frecuencia.
• La etapa de desviación Doppler, controla toda la simulación e incorpora la información doppler simulada a la salida del sistema.
• La etapa de simulación de distancia, que, de forma configurable, retarda la señal lo suficiente como para simular una distancia fija de entre 4 posibles, correspondiente a la distancia radial de cuatro carriles.

A continuación, se presenta un esquema teórico donde se presentan cada una de las fases antes comentadas:

Cada etapa del simulador genera un retardo medible y configurable. La suma de todos los retardos desprende un retardo total en la señal que es el que conforma la distancia de simulación.

En la actualidad Ratasi cuenta con un máximo de 4 retardos diferentes que emulan el tránsito de vehículo en un máximo de 4 carriles.

2.2 Diseño funcional de simulador

El diseño teórico de Ratasi está implementado en una mecánica de 3 módulos de 485 x 450 x 135 mm cada uno de ellos con posibilidad de instalación en una estructura tipo rack.

A continuación, se detalla cada uno de los módulos que integran Ratasi:

• Front-End Banda K (24.125 GHz +/- 125MHz). La función de este módulo es captar la señal emitida por el radar, convertirla a frecuencia intermedia y enviarla a la Unidad de Control y Retardos. Por último, recibe la señal de frecuencia intermedia procesada en la Unidad de Control y Retardos para subirla en frecuencia y transmitirla al radar como si fuera la reflexión de un blanco.

A continuación, se presenta la vista frontal de la Unidad Front-End de Banda K.

• Front-End Banda KA (34,45 GHz +/- 150MHz). Desempeña idéntica función que el Front-End Banda K sólo que adaptado a las frecuencias de Banda KA. Capta la señal emitida por el radar, trasladándola a frecuencia intermedia y enviándola a la Unidad de Control y Retardos. Por último, recibe la señal de frecuencia intermedia procesada en la Unidad de Control y Retardos para después subirla en frecuencia y transmitirla al radar como si fuera la reflexión de un blanco.

A continuación, se presenta la vista frontal de la Unidad Front-End de Banda Ka.

• Unidad de Control y Retardos. Se trata del módulo principal del simulador. En dicho módulo se integran las etapas de generación doppler, la etapa de frecuencia intermedia y el transceptor de fibra encargado de retardar la señal generando la componente principal de distancia a la que aparece el blanco.

A continuación, se presenta la vista frontal de la Unidad de Control y Retardos.

Como se puede apreciar en la imagen, la Unidad de Control y Retardos dispone de varios puestos de test y verificación, de los cuales el más importante es el que proporciona la desviación doppler generada. Este punto es esencial ya que facilita el aseguramiento y validación de las medidas. De esta manera el laboratorio podrá medir las desviaciones doppler con su equipamiento de referencia y realizar las calibraciones pertinentes.

Como consecuencia del desarrollo anteriormente descrito, se dispone de un equipamiento de medida capaz de recibir la señal que transmite un radar en las bandas especificadas, procesarla, retardarla, y retransmitirla de vuelta de tal manera que sea interpretada como un blanco por el radar sometido a evaluación. Al ser 2 las variables emuladas por Ratasi: la velocidad y la distancia, analizamos a continuación los errores inherentes a estas 2 variables.

- Error en velocidad

En cuanto a la variable velocidad, según las mediciones realizadas con el analizador de espectros, se ha demostrado que las velocidades simuladas por Ratasi tienen un error no superior a ±0,02 km/h sobre la velocidad introducida por el operador a simular. Dicho error es similar en ambas bandas de trabajo.

Condiciones de medida

Medidas realizadas con el analizador de espectros PXA N9030A con una frecuencia máxima de medida 26 GHz:

- Error en distancia

El error en la medida de distancia que pueda generarse dentro de RATASI es despreciable, ya que los pequeños retardos generados por cada etapa son conocidos y medibles por la instrumentación de calibración (analizador de redes). El otro foco de errores posible puede darse en la distancia existente entre radar y simulador, si bien dicho error puede ser reducido al máximo con la instalación de mesas o soportes de apuntamiento adecuadas.

De todas formas, es necesario destacar que los errores que se puedan obtener en la simulación de laboratorio, son despreciables frente a la resolución en distancia de los radares actuales y a los anchos de carril.

Como queda comprobado, Ratasi aporta un sistema de simulación controlado para la evaluación y verificación de la nueva generación de radares (CW, LFMCW y FSK), permitiendo la medición de la velocidad instantánea y distancia al blanco en laboratorio. Con ello se cumple un primer objetivo, si bien cabe destacar que es necesario seguir evolucionando Ratasi para afrontar los nuevos retos tecnológicos (nuevas tendencias en el mundo de los radares) así como establecer un ambiente de simulación más parecido a un escenario real (con tráfico de paso, ruido de ambiente, etc.).

Y también cabe destacar la posibilidad de converger Ratasi a otras aplicaciones del mundo de la automoción, como pueden ser las verificaciones y/o calibraciones de los sistemas radar enfocados a la asistencia a la navegación y conducción autónoma.

Referencias

[1] M. A. Richards, J. A. Scheer y W. A. Holm, Principles of Modern Radar - Basic principles.

[2] T. Musch, ‘A High Precision 24-GHz FMCW Radar Based’, IEEE Transactions on Instrumentation And Measurement, vol. 52, nº 2, 2003.

[3] Z. Matousek, J. Ochodnicky, M. Babjak y J. Kurty, ‘Algorithm for M-FSK Intrapulse Radar Signal’, de International Radar Conference, 2014.

Agradecimientos

Mención especial al equipo de Cinemómetros del Centro Español de Metrología de Tres Cantos con los cuales hemos colaborado íntegramente en el diseño y desarrollo de este simulador y que sin ellos esto no hubiera sido posible: Agustín Falcón López y a todo su equipo de trabajo.

Y también, aprovechamos para agradecer el esfuerzo realizado por el equipo de Indra para el desarrollo de Ratasi: Diego Madueño Pulido y Alberto Sosa Sosa, y a todo el equipo de trabajo: Christian, Jesús, Juan, Tino, Javi, Eli, Julio, Dani y David.