城市中的“电子战场”：汽车雷达如何解决电磁频谱的“拥堵”？

随着汽车雷达越来越广泛的应用，大量的射频频谱将城市变成了一个“电子战场”。汽车雷达将面临无意或有意的干扰，因此，雷达设计人员必须采用抗干扰技术，类似于电子战(EW)中使用的技术。

汽车雷达所面临的干扰包括杂波干扰和欺骗干扰。杂波干扰会导致雷达“失明”，这种干扰会降低雷达的信噪比，从而降低目标目标检测的概率。而欺骗干扰会使雷达“认为”存在假目标，使雷达失去了对真实目标的跟踪能力，从而对车辆产生严重影响。

这些干扰可能来自于汽车雷达之间的相互干扰，或是使用廉价硬件制作干扰器，向雷达发射高功率的连续波(CW)信号。

虽然目前的抗干扰技术足以应付当前的情况，随着汽车雷达的广泛应用，需要使用一种新型抗干扰技术或与当前的抗干扰技术结合使用。新型技术包括时频域信号处理或采用复杂雷达波形。

雷达波形

雷达波形是在干扰环境下，决定雷达性能的关键系统参数之一。现阶段使用的77GHz频段的汽车雷达主要使用连续波调频(FMCW)波形。在FMCW雷达中，在一个射频频段内，使用一段连续波信号进行线性扫频，频域上是一个chirp信号。FMCW(CS)信号波形如图1所示。

图1 FMCW CS信号示例

频率差(fb)与目标距离R成正比，可由以下公式确定：

干扰的影响

当FMCW雷达工作在同一频段时，密集的射频信号环境就会产生干扰。图2中为一种典型的干扰情况，其中迎面有一辆汽车会产生干扰。

图2 a)杂波干扰 b)欺骗干扰

杂波干扰

一个FMCW强干扰信号被接收机所接收，会提高目标雷达的噪声下限。这种杂波干扰可能会导致小目标(即小RCS目标)因信噪比过低而消失。

杂波干扰也可以通过向目标FMCW雷达发送强CW信号来实施攻击，雷达被干扰后的情况与FMCW干扰类似，如图4所示。

欺骗干扰

如果干扰信号的扫频与目标雷达同步但存在时间延迟，则在一定范围内会产生欺骗性假目标。这种技术在电子战干扰机中很常见。迎面而来的同类型汽车雷达会产生无意干扰。

然而，雷达与干扰之间的时间对准概率很小。一个干扰信号的时间延迟小于雷达的最大距离延迟才可以“看起来”像一个真实目标。例如，200 m最大距离范围需要小于1.3μs的扫描对准。然而，迎面而来的汽车平台上可能安装复杂的电子战设备，来实施这种欺骗干扰攻击。

一般来说，欺骗干扰是基于在时间延迟和频率上改变目标雷达的信号。这可以是非相干的，也可以是相干的。非相干干扰称为转发式干扰，在检测到所需的信号时发送预定的干扰信号。而相干干扰称为中继式干扰，可以接收、改变并重发一个或多个干扰信号。

一个复杂的中继式干扰机的攻击通常需要一个数字射频存储器(DRFM)。DRFM能够进行将距离延迟和多普勒偏移进行同步实施攻击。因此，可以根据假目标的距离和多普勒特性来对目标雷达实施欺骗干扰。

干扰抑制技术

规避

基本的雷达干扰抑制技术大多依赖于规避方法。目的是减少空间、时间和频率重叠的可能性，例如：

空间：使用窄波束和电子扫描波束可以降低干扰风险。远距汽车巡航控制(ACC)雷达的典型视场为±8°。尽管如此，强干扰仍然可以有效地通过天线旁瓣接收。

时间：chirp调频连续波的斜率随机变化，以避免周期性干扰。

频率：将chirp调频连续波的开始频率和截止频率随机变化，以减少重叠和干扰的可能性。

参数随机化的方法可以避免与其他雷达的意外同步，但在密集的射频环境中可能效果有限。越来越多的雷达传感器需要更复杂的技术来抑制干扰。

信号探测与修复

另一种抗干扰方法，使用信号处理算法修复接收到的信号波形。时频域技术可以有效地对抗杂波干扰攻击。在对向而来的汽车FMCW干扰中，干扰机在很短的时间内扫过所有频率点。这种快速时变信号在常规FFT域表现为一个抬高的噪声下限。时频域信号处理技术可以将信号传输到另一个域，与FFT域相比，该域更容易滤除干扰(如图3所示)。

图3 雷达回波的FFT和STFT域图像

对于时变信号，短时傅立叶变换(STFT)比常规FFT能够提供更多的信息。基于STFT的技术可用于窄带干扰抑制。STFT实质上是通过移动窗口，对窗口区域内的信号做FFT。信号在频域中滤波，去除干扰成分后再变换回时域。

图4所示为一个典型的FMCW干扰场景，途中显示了重叠射频chirp信号和在STFT域产生的IF拍频信号。

图4 STFT域图像

在图4中，右侧的图为雷达(蓝色)和干扰(橙色)信号在IF域混合的最终结果。水平线表示目标，而V形垂直线表示干扰信号的存在。

同行驶方向或相对行驶方向的FMCW干扰，准连续波的慢chirp信号，对IF信号的影响是相似的。在所有这些干扰场景中，快速移动的V形IF信号在常规FFT域中提高了噪声下限，如图3所示。

基于幅度的门限可以滤除STFT域的干扰信号。当然，这需要假设雷达前端和量化位数有足够的动态范围，来同时对强干扰信号和小目标进行线性处理，如图5所示。

图5 STFT域幅度门限

图5的顶部为一个强干扰，而底部显示为一个经过处理的STFT。可以看出，在图像顶部，多个真实目标在强干扰下不可见。而在低部，图中的V形干扰机被滤除，当转换回时域时，低信噪比目标就可以被识别。

基于STFT的干扰抑制技术可用于强干扰下的杂波干扰场景。对于欺骗干扰攻击，单靠STFT无法验证返回信号是真还是假。

加密射频

低截获概率(LPI)雷达波形是降低中继式欺骗干扰攻击的基本对策。LPI雷达通过准随机扫频、调制或跳频序列的方式，将能量扩展到一个很宽的频谱上，从而避免被探。FMCW就是一种LPI波形。如果在chirp频率中引入相位编码或加密措施，则有可能进一步降低DRFM截获汽车雷达信号的几率。

每部雷达都有一个加密的射频信号，可以返回信号进行验证。图6显示了一个示例，其中两个相同的雷达(其中一个安装在另一辆汽车上)之间具有频率偏移和延迟，因为两部雷达在时间上是对齐的(相同的chirp斜率和偏移)，因此，在目标雷达中就会生成一个假目标。

图6 同型号雷达干扰

在这种情况下，相位编码FMCW雷达可以提供高稳定的抗干扰能力。使用MIMO雷达技术，还可以利用正交编码同时发射多个波形。

编码要求：

码长：用短序列实现最小距离旁瓣电平。长度为1024的PRN序列的峰值旁瓣电平(PSLL)约为30dB(10log1024)。如果低信噪较低，可以对发射码和接收滤波器的权值进行优化以提高PSLL。

良好的互相关特性：为确保雷达之间相互隔离，不同雷达编码之间的互相关系数应为零。

抗多普勒：相位编码雷达的性能可能会受到多普勒频移的影响。二进制编码无法抗多普勒频移，多相位编码比二进制码性能要好。

编码的可用数量：可用编码数量最好较大，这样就可以为每个雷达传感器分配一个唯一的编码。

图7 没有经过相位编码的真实目标和假目标

图7显示为没有经过相位编码的雷达回波。干扰信号显示为假目标。当发射机FMCW波形用PRN序列进行相位编码时，可以抑制干扰信号，如图8所示。

图8 使用相位编码和未使用相位编码

使用这种方法会影响动态范围。然而，雷达信号处理器可以使用相位编码的FMCW进行对一些chirp信号标记为假目标，然后再切换回正常工作方式。

结论和前景

采用先进的信号处理算法和复杂的波形生成技术，可以有效地抑制复杂环境下汽车雷达的干扰。基于STFT的信号处理技术可用于抵抗杂波干扰。相位编码FMCW通过处理增益和规避干扰，为非相干和相干欺骗攻击提供了新的抗干扰方法。抗干扰技术的总结见表1。

表1 基于FMCW的汽车雷达抗干扰

之前详细介绍的汽车雷达抗干扰原理也适用于其他雷达环境，例如机器人、道路收费、GPS和无人机着陆或防撞系统。

目前，汽车雷达传感器工作在非合作模式下，互相之间不通信。合作模式需要全行业的协调，但雷达之间相互协调的确可以帮助解决干扰问题。

未来的传感器协作雷达，是通过通信节点和雷达传感器进行融合。未来的复杂波形雷达也有可能在雷达信号中包含信息，同时实现雷达功能和通信功能(RadCom)。

雷达通信：同时实现雷达和通信的系统

. 多用户能力，且具有抗干扰功能。

. 利用OFDM或类似的通信码对雷达信号进行编码，在雷达信号中包含信息。

. 基于OFDM的雷达发射信号同步。

ADI的5G毫米波收发机信号解决方案，具有大于G赫兹的带宽和波束控制能力，可能是RadCom系统的潜在候选方案。

本文为用户翻译内容，来源ADI，原文作者：Sefa Tanis，名称：Automotive Radar Sensors and Congested Radio Spectrum: An Urban Electronic Battlefeld? 需要原文的请给“雷达通信电子战”微信公众号发送“191119”查看，仅供学习参考。

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