如何在擁擠的無線頻譜中“絕地求生”

隨著汽車雷達越來越普及，城市環(huán)境中擁擠不堪的射頻頻譜將變成一個頻譜爭奪的戰(zhàn)場。雷達將面臨無意或有意干擾的組合式攻擊，設(shè)計人員必須像在戰(zhàn)斗中一樣實施反干擾技術(shù)。

汽車雷達通常會遭受拒絕式或欺騙式干擾。拒絕式干擾會致盲受害車輛雷達。這種技術(shù)會降低信噪比，導致目標檢測的概率降低。另一方面，欺騙式干擾會讓受害車輛雷達"認為"存在虛假目標。受害車輛雷達失去追蹤真實目標的能力，故而受害車輛的行為受到嚴重影響。

這些干擾可能源于汽車雷達之間的相互干擾，或者是使用廉價硬件簡單地將強連續(xù)波(CW)信號指向受害車輛雷達而故意發(fā)生的攻擊。

雖然目前的避干擾技術(shù)可能足以應(yīng)對當今的情況，但隨著雷達傳感器的激增，汽車將需要使用彈性類型的緩解技術(shù)，或者此類技術(shù)與避干擾方法結(jié)合使用。彈性技術(shù)包括時頻域信號處理或復(fù)雜雷達波形。

雷達波形

雷達波形是判斷傳感器在有干擾情況下的性能的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)之一。當今77 GHz頻段的汽車雷達主要使用FMCW型波形。在FMCW雷達中，CW信號在射頻段的頻率上線性掃描或啁啾。圖1顯示了一個FMCW chirp序列(CS)波形例子。

圖1. FMCW CS示例

回波信號的頻率差（fb，拍頻）與到目標的距離R成比例，可通過以下關(guān)系確定：

干擾的影響

在密集射頻環(huán)境中，當FMCW雷達傳感器在頻帶的相同部分中工作時，就會發(fā)生干擾。一個典型的迎面而來的汽車干擾示例參見圖2。

圖2. 示例：a) FMCW拒絕式干擾；b) FMCW欺騙式干擾

拒絕式干擾

落入接收機帶寬的任意FMCW型強干擾信號會提高受害雷達的本底噪聲。這種拒絕式干擾可能導致小目標（即雷達散射截面(RCS)較小）因為SNR很差而消失。

拒絕式干擾也可以是故意為之，簡單地將一個強CW信號射向受害車輛FMCW雷達就能做到。對受害雷達的影響類似于FMCW干擾情況（見圖4）。

欺騙式干擾

如果干擾信號掃描是同步的，但與受害雷達一同延遲，那么其影響將是在固定距離產(chǎn)生欺騙性假目標。這種技術(shù)在電子戰(zhàn)干擾機中很常見。類似類型的迎面而來的汽車雷達將成為非故意的干擾機。然而，受害雷達和干擾雷達之間時間對齊的概率將非常小。小于受害雷達最大距離延遲的干擾機延遲偏移看起來可能像真實目標。例如，200 m最大距離要求掃描對齊誤差小于1.3μs。然而，將復(fù)雜的類似電子戰(zhàn)的設(shè)備安裝在迎面而來的汽車平臺上，便可故意開展這種欺騙式攻擊。

更一般地，欺騙式干擾基于對受害雷達信號的重新傳輸，不過其延遲和頻率發(fā)生了系統(tǒng)性改變。這可以是非相干的（這種情況下的干擾機被稱為應(yīng)答器），或是相干的（這種情況下的干擾機被稱為中繼器）。中繼器接收、改變并重新傳輸一個或多個干擾信號，而應(yīng)答器是在干擾機檢測到目標受害雷達信號時傳輸一個預(yù)定信號。

基于中繼器的復(fù)雜攻擊通常需要數(shù)字射頻存儲器(DRFM)。DRFM能夠執(zhí)行協(xié)調(diào)距離延遲和多普勒波門拖引攻擊。因此，它會維持虛假目標距離和多普勒特性以欺騙受害雷達。

干擾緩解技術(shù)

基本方法：避免

基本的雷達干擾緩解技術(shù)主要依賴于避干擾方法。其目標是降低空間、時間和頻率重疊的可能性，例如：

空間：使用較窄的電子掃描波束可以降低干擾風險。遠程汽車巡航控制(ACC) 雷達的典型視野為±8°。盡管如此，強干擾信號仍可通過天線旁瓣造成有效干擾。

時間：隨機生成FMCW 啁啾斜率參數(shù)以避免周期性干擾。

頻譜：隨機生成FMCW 啁啾起始和停止頻率，以降低重疊和干擾的概率。

隨機化的基本方法會避免與其他雷達意外同步，但在密集射頻環(huán)境中可能不那么有用。越來越多的雷達傳感器需要更復(fù)雜的彈性技術(shù)來緩解干擾。

戰(zhàn)略方法：檢測并修復(fù)

另一種避干擾方法是利用信號處理算法修復(fù)接收到的波形。時頻域技術(shù)可以有效應(yīng)對拒絕式干擾攻擊。在迎面而來的汽車FMCW干擾情況下，干擾機掃描所有頻率槽的時間非常之短。這種快速時變信號在常規(guī)FFT域中表現(xiàn)為升高的本底噪聲。時頻域信號處理技術(shù)將該信號轉(zhuǎn)移到另一個域，與FFT域相比，在該域中更容易濾除干擾（見圖3）。

圖3. 雷達回波IF波形的FFT和STFT域表示

對于時變信號，短時傅立葉變換(STFT)比常規(guī)FFT能提供更多信息?；赟TFT的技術(shù)可用于消除窄帶干擾。STFT基本上是讓一個窗口移動通過信號，獲取窗口區(qū)間的FFT。在頻域中對信號進行濾波以去除干擾分量，然后將其轉(zhuǎn)換回時域。

圖4顯示了重疊射頻啁啾序列的典型FMCW干擾情況，以及由此產(chǎn)生的STFT域中的IF拍頻信號。

圖4. STFT域，左：FMCW雷達和干擾機，右：IF域

圖4右側(cè)顯示了IF域，其為雷達（藍色）和干擾（橙色）信號混頻的最終結(jié)果。水平線表示目標，而V形垂直線表示存在干擾信號。

類似或相反方向的干擾FMCW，甚至類似CW的慢速啁啾，對IF信號有類似的影響。在所有這些干擾情況中，快速移動的V形IF信號會提高常規(guī)FFT域中的本底噪聲，如圖3所示。

可以使用基于幅度的屏蔽來濾除STFT域中的干擾信號。當然，前提是受害雷達前端和量化部分具有足夠的動態(tài)范圍來同時線性地處理較強的干擾信號和較小的預(yù)期目標信號。參見圖5。

圖5. STFT域中基于幅度的屏蔽

圖5上方圖像顯示了一個強干擾信號，而下方圖像顯示了處理后的STFT。在有強干擾的情況下，如上方圖像所示，多個真實目標不可見。在下方圖像中，V形干擾信號被消除；當轉(zhuǎn)移回時域時，低SNR目標現(xiàn)在已可辨識。

在拒絕式干擾情況中，可以利用基于STFT的干擾緩解技術(shù)來應(yīng)對強干擾。針對欺騙式干擾攻擊，單憑STFT無法驗證返回信號是真還是假。

加密射頻

降低中繼器欺騙式干擾攻擊影響的基本對策是使用低概率攔截(LPI)雷達波形。LPI雷達的目的是將輻射能量擴散到很寬的頻譜上以規(guī)避檢測，通常采用準隨機掃描、調(diào)制或跳頻序列。FMCW是一種LPI波形。如果將相位編碼或加密引入頻率啁啾，則可以進一步降低DRFM攔截汽車雷達信號的幾率。

每個雷達傳感器獨有的加密射頻特征可以驗證返回信號的真?zhèn)巍D6顯示了一個使用案例，其中兩個相同雷達（安裝在不同汽車上）之間有頻率偏移和延遲，在受害雷達中產(chǎn)生一個假目標。干擾雷達與受害雷達在時間上是對齊的（相同的啁啾斜率且偏移較短）。

圖6. 存在頻率偏移和延遲的相同雷達引起的干擾

在這種情況下，相位編碼FMCW雷達可以提供很高的抗干擾魯棒性。使用正交碼還能讓MIMO雷達操作變得可行，從而支持多個波形同時發(fā)射。

編碼要求：

碼長：目標是利用短序列實現(xiàn)最小距離旁瓣電平。1024 的PRN序列長度導致峰值旁瓣電平(PSLL) 約為30 dB (10log1024)?？梢詢?yōu)化發(fā)射碼和接收濾波器權(quán)重，以SNR 為代價來改善PSLL。

良好的交互相關(guān)特性：為實現(xiàn)傳感器之間的良好隔離，一個集合的成員的交互相關(guān)系數(shù)應(yīng)為零。

抗多普勒效應(yīng)能力：相位編碼雷達性能可能受多普勒頻移的影響。二進制碼對多普勒效應(yīng)的耐受能力差。多相碼的性能衰減速度比二進制碼要慢。

可用的不同碼數(shù)量：規(guī)模大的比較好，可以為每個雷達傳感器分配唯一編碼。

圖7顯示了無相位編碼的雷達回波。干擾信號顯示為一個假目標。當利用PRN序列對發(fā)射機FMCW波形進行相位編碼時，可以抑制干擾信號，如圖8所示。

圖7. 未對真?zhèn)文繕诉M行相位編碼的雷達回波

圖8. 有和無相位編碼的雷達回波

這種方法會影響動態(tài)范圍。然而，雷達信號處理器可以對幾個啁啾信號使用相位編碼FMCW以標記假目標，然后切換回正常操作。

結(jié)論及未來趨勢

使用先進信號處理算法和復(fù)雜波形生成技術(shù)，可以緩解擁擠汽車雷達傳感器環(huán)境中的干擾?；赟TFT的信號處理技術(shù)可用來應(yīng)對拒絕類型的攻擊。相位編碼FMCW借助處理增益和避免攔截措施，對非相干和相干欺騙式攻擊均提供額外的抵御層。表1是對緩解技術(shù)的總結(jié)。

表1. 基于FMCW的汽車雷達緩解技術(shù)

上述針對汽車雷達的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、無人機著陸或防撞系統(tǒng)。

目前，汽車雷達傳感器在非合作模式下運行，彼此之間不通信。雖然合作運作模式需要全行業(yè)協(xié)調(diào)，但雷達傳感器之間的仲裁可以幫助解決干擾問題。

包括傳感器合作在內(nèi)的未來雷達概念將是通信節(jié)點和雷達傳感器的融合。使用復(fù)雜波形的未來雷達也可以將信息包含在雷達信號中。同一硬件可以同時用于雷達和通信(RadCom)。

RadCom：雷達和通信功能同時執(zhí)行的單一系統(tǒng)

多用戶能力，無干擾

利用OFDM 或類似通信碼對雷達信號進行編碼，為在雷達信號中包含信息提供了可能性

基于OFDM 的雷達發(fā)射信號使得二者可以同時進行

ADI 公司的5G毫米波收發(fā)器信號解決方案具有超過GHz的帶寬和波束引導能力，可能成為RadCom系統(tǒng)概念的潛在候選者。

ADI公司在開發(fā)最先進雷達傳感器和5G毫米波解決方案方面處于獨特的地位，為未來的RadCom系統(tǒng)鋪平了道路。