汽車(chē)雷達傳感器和擁擠的無(wú)線(xiàn)電頻譜

隨著(zhù)汽車(chē)雷達的普及，大量占用的射頻頻譜將類(lèi)似于城市環(huán)境中的電子戰場(chǎng)。雷達將面臨無(wú)意或故意干擾攻擊的組合，設計人員必須實(shí)施反干擾技術(shù)，如電子戰（EW）中使用的技術(shù)。

隨著(zhù)汽車(chē)雷達的普及，大量占用的射頻頻譜將類(lèi)似于城市環(huán)境中的電子戰場(chǎng)。雷達將面臨無(wú)意或故意干擾攻擊的組合，設計人員必須實(shí)施反干擾技術(shù)，如電子戰（EW）中使用的技術(shù)。

汽車(chē)雷達通?？赡軙?huì )遇到拒絕或欺騙性干擾攻擊。否認干擾使受害者雷達失明。這種技術(shù)降低了信噪比，因此降低了目標檢測的概率。另一方面，欺騙性干擾使受害者雷達“認為”存在虛假目標。受害者雷達失去了跟蹤真實(shí)目標的能力，因此，受害者的車(chē)輛行為受到嚴重影響。

這些干擾攻擊可能源于汽車(chē)雷達之間的相互干擾，也可能是通過(guò)使用廉價(jià)的硬件將強連續波（CW）信號指向受害者雷達而故意發(fā)生的。

雖然目前的干擾避免技術(shù)對于今天來(lái)說(shuō)可能已經(jīng)足夠了，但隨著(zhù)雷達傳感器的普及，需要單獨使用一種彈性的緩解技術(shù)或與避免方法結合使用。彈性技術(shù)包括時(shí)頻域信號處理或復雜的雷達波形。

雷達波形

雷達波形是決定干擾器存在時(shí)傳感器性能的關(guān)鍵系統參數之一。當今77 GHz頻段的汽車(chē)雷達主要使用FMCW型波形。在FMCW雷達中，CW信號在RF頻段上線(xiàn)性?huà)呙杌蜻鳖l率。圖1顯示了一個(gè)FMCW線(xiàn)性調頻序列（CS）波形示例。

圖1.FMCW CS示例。

頻率差（fb，拍頻）與到目標的距離 R 成正比，可通過(guò)以下關(guān)系確定：

干擾的影響

當FMCW雷達傳感器在頻段的同一部分工作時(shí)，干擾發(fā)生在密集的RF環(huán)境中。參見(jiàn)圖2中一個(gè)典型的迎面而來(lái)的汽車(chē)干擾示例。

圖2.a） FMCW 拒絕干擾和 b） FMCW 欺騙性干擾的示例。

拒絕干擾

落入接收器帶寬的任意FMCW型強干擾信號會(huì )提高受害雷達的本底噪聲。這種拒絕干擾可能會(huì )導致小目標（即小雷達橫截面（RCS））由于信噪比差而消失。

拒絕攻擊也可以通過(guò)簡(jiǎn)單地向受害者FMCW雷達發(fā)射強CW信號來(lái)有目的地進(jìn)行。受害者雷達的影響類(lèi)似于FMCW干擾情況（見(jiàn)圖4）。

欺騙性干擾

如果干擾信號掃描與受害雷達同步但延遲，那么影響將是固定范圍內的欺騙性錯誤目標生成。這種技術(shù)在電子戰干擾器中很常見(jiàn)。迎面而來(lái)的類(lèi)似類(lèi)型的汽車(chē)雷達將充當無(wú)意的干擾器。然而，受害者和干擾雷達之間時(shí)間對齊的可能性將非常小。小于受害雷達最大距離延遲的干擾器延遲偏移可能看起來(lái)像一個(gè)真正的目標。例如，200 m 的最大范圍需要小于 1.3 μs 的掃描對齊。然而，這種欺騙性攻擊可能是故意使用安裝在迎面而來(lái)的汽車(chē)平臺上的復雜電子戰式設備進(jìn)行的。

更一般地說(shuō)，欺騙性干擾是基于通過(guò)延遲和頻率的系統性變化重新傳輸受害者雷達的信號。這可以是非相干的，在這種情況下，干擾器被稱(chēng)為轉發(fā)器，也可以是相干的，當它是中繼器時(shí)。中繼器接收、更改和重新傳輸一個(gè)或多個(gè)干擾信號，而應答器在干擾器檢測到所需的受害信號時(shí)傳輸預定信號。

復雜的基于中繼器的攻擊通常需要數字RF存儲器（DRFM）。DRFM能夠執行協(xié)調的距離延遲和多普勒門(mén)拉開(kāi)攻擊。因此，保持虛假目標范圍和多普勒屬性以欺騙受害者雷達。

干擾緩解技術(shù)

基本方法：回避

基本的雷達干擾緩解技術(shù)主要依賴(lài)于回避方法。目標是減少空間、時(shí)間和頻率重疊的可能性，例如：

空間：使用窄的電子掃描光束可以降低干擾風(fēng)險。遠程汽車(chē)巡航控制（ACC）雷達的典型視場(chǎng)為±8°。盡管如此，強大的干擾器仍然可以通過(guò)天線(xiàn)旁瓣有效。

時(shí)間：隨機化 FMCW 線(xiàn)性調頻斜率參數以避免周期性干擾。

頻譜：隨機化 FMCW 線(xiàn)性調頻開(kāi)始和停止頻率，以減少重疊和干擾的可能性。

隨機化的基本方法可以避免與其他雷達的意外同步，但在密集的RF環(huán)境中可能沒(méi)有那么有用。越來(lái)越多的雷達傳感器將需要更復雜的彈性技術(shù)來(lái)減輕干擾。

戰略方法：檢測和修復

另一種避免方法可用于使用信號處理算法修復接收波形。時(shí)域技術(shù)可以有效對抗拒絕類(lèi)型的干擾攻擊。在迎面而來(lái)的汽車(chē)FMCW干擾場(chǎng)景中，干擾器會(huì )在很短的時(shí)間內掃描所有頻率箱。這種快速時(shí)變信號表現為常規FFT域中本底噪聲升高。時(shí)頻域信號處理技術(shù)將信號傳輸到另一個(gè)域，與FFT域相比，該域更容易濾除干擾（見(jiàn)圖3）。

圖3.雷達回波中頻波形的FFT和STFT域表示。

對于時(shí)變信號，短時(shí)傅里葉變換（STFT）比常規FFT提供更多的信息?；赟TFT的技術(shù)可用于窄帶干擾切除。STFT實(shí)質(zhì)上是通過(guò)信號移動(dòng)一個(gè)窗口，并獲取窗口區域的FFT。信號在頻域中濾波，以去除干擾器分量，然后再轉換回時(shí)域。

圖4顯示了典型的FMCW干擾場(chǎng)景，其中RF線(xiàn)性調頻序列重疊，以及STFT域中產(chǎn)生的IF拍頻信號。

圖4.STFT域，左：FMCW雷達和干擾器，右：IF域。

圖4右側的曲線(xiàn)顯示了IF域，這是雷達（藍色）和干擾（橙色）信號混合的最終結果。水平線(xiàn)表示目標，而V形垂直線(xiàn)表示存在干擾信號。

類(lèi)似或相反方向的干擾FMCW，甚至是類(lèi)似CW的慢啁啾，都會(huì )對IF信號產(chǎn)生類(lèi)似的影響。在所有這些干擾場(chǎng)景中，快速移動(dòng)的V形IF信號會(huì )提高常規FFT域中的本底噪聲，如圖3所示。

基于幅度的掩碼可用于濾除STFT域中的干擾信號。當然，這假設受害者雷達前端和量化具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，可以同時(shí)線(xiàn)性處理更強的干擾器信號和小的預期目標。參見(jiàn)圖 5。

圖5.STFT域中基于幅度的掩碼。

圖5的頂部圖像描繪了一個(gè)強干擾器，而底部顯示了處理后的STFT。在強干擾器存在的情況下，多個(gè)真實(shí)目標是不可見(jiàn)的，如頂部所示。下圖中的V形干擾器被切除，低SNR目標在轉移回時(shí)域時(shí)現在可以識別。

基于STFT的干擾緩解技術(shù)可用于針對強干擾器的拒絕干擾場(chǎng)景。對于欺騙性干擾攻擊，僅靠STFT無(wú)法驗證返回信號是真還是假。

加密射頻

減少中繼器攻擊欺騙性干擾影響的基本對策是使用低攔截概率（LPI）雷達波形。LPI雷達的目標是通過(guò)將輻射能量分散到寬頻譜上來(lái)逃避檢測，通常通過(guò)準隨機掃描，調制或跳頻序列。FMCW是一種LPI波形。如果在線(xiàn)性調頻中引入相位編碼或加密，則可以進(jìn)一步降低DRFM攔截汽車(chē)雷達信號的機會(huì )。

每個(gè)雷達傳感器獨有的加密射頻特征可以驗證返回信號。圖6顯示了一個(gè)用例，其中兩個(gè)相同的雷達（其中一個(gè)安裝在不同的汽車(chē)上）在它們之間具有頻率偏移和延遲，在受害者雷達中產(chǎn)生一個(gè)虛假目標。干擾雷達與受害雷達進(jìn)行時(shí)間對齊（相同的啁啾斜率和短偏移）。

圖6.由于具有頻率偏移和延遲的相同雷達而導致的干擾。

相位編碼FMCW雷達可以在這種用例中提供高干擾魯棒性。使用正交碼還可以通過(guò)啟用多個(gè)同步發(fā)射波形使MIMO雷達操作成為可能。

編碼要求：

代碼長(cháng)度：目標是通過(guò)短序列實(shí)現最小范圍的旁瓣電平。PRN 序列長(cháng)度為 1024 導致峰值旁瓣電平 （PSLL） 約為 30 dB （10log1024）?？梢?xún)?yōu)化發(fā)送代碼和接收濾波器權重，以犧牲SNR為代價(jià)來(lái)改善PSLL。

良好的互相關(guān)特性：集合成員的互相關(guān)系數應為零，以實(shí)現傳感器之間的良好分離

多普勒電阻：相位編碼雷達性能可能會(huì )受到多普勒頻移的影響。二進(jìn)制代碼是多普勒不容忍的。多相代碼的退化速度低于二進(jìn)制代碼。

可用數量的不同代碼：大家庭規模最好為每個(gè)雷達傳感器分配一個(gè)唯一的代碼。

圖7顯示了沒(méi)有相位編碼的雷達回波。干擾信號將自己顯示為錯誤目標。當發(fā)射機FMCW波形用PRN序列進(jìn)行相位編碼時(shí)，干擾信號可能會(huì )被抑制，如圖8所示。

圖7.雷達返回，無(wú)需相位編碼虛假和真實(shí)目標。

圖8.帶和不帶相位編碼的雷達返回。

這種方法會(huì )影響動(dòng)態(tài)范圍。但是，雷達信號處理器可以使用相位編碼的FMCW進(jìn)行幾次線(xiàn)性調頻來(lái)標記錯誤目標，然后切換回正常工作狀態(tài)。

結論和未來(lái)趨勢

擁擠的汽車(chē)雷達傳感器環(huán)境中的干擾可以通過(guò)先進(jìn)的信號處理算法和復雜的波形生成技術(shù)來(lái)緩解?；赟TFT的信號處理技術(shù)可用于抵御拒絕類(lèi)型的攻擊。相位編碼FMCW通過(guò)處理增益和攔截避免，為非相干和相干欺騙性攻擊提供了額外的抵抗層。有關(guān)緩解技術(shù)的摘要，請參閱表 1。

之前詳細的汽車(chē)雷達干擾緩解原則也適用于其他雷達傳感器環(huán)境，例如機器人、道路收費、GPS 和無(wú)人機著(zhù)陸或防撞系統。

目前，汽車(chē)雷達傳感器以非協(xié)作模式運行，彼此之間沒(méi)有通信。雖然合作操作模式需要全行業(yè)的協(xié)調，但雷達傳感器之間的仲裁可以幫助解決干擾問(wèn)題。

包括傳感器合作在內的未來(lái)雷達概念將是通信節點(diǎn)和雷達傳感器的融合。具有復雜波形的未來(lái)雷達也提供了在雷達信號中包含信息的可能性。相同的硬件可以同時(shí)用于雷達和通信（RadCom）。

RadCom：一個(gè)用于同時(shí)進(jìn)行雷達和通信的單一系統：

無(wú)干擾的多用戶(hù)功能

使用 OFDM 或類(lèi)似通信代碼對雷達信號進(jìn)行編碼提供了在雷達信號中包含信息的可能性

由于基于OFDM的雷達發(fā)射信號而同時(shí)

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