汽車?yán)走_(dá)傳感器和擁擠的無(wú)線電頻譜

隨著汽車?yán)走_(dá)的普及，大量占用的射頻頻譜將類似于城市環(huán)境中的電子戰(zhàn)場(chǎng)。雷達(dá)將面臨無(wú)意或故意干擾攻擊的組合，設(shè)計(jì)人員必須實(shí)施反干擾技術(shù)，如電子戰(zhàn)（EW）中使用的技術(shù)。

隨著汽車?yán)走_(dá)的普及，大量占用的射頻頻譜將類似于城市環(huán)境中的電子戰(zhàn)場(chǎng)。雷達(dá)將面臨無(wú)意或故意干擾攻擊的組合，設(shè)計(jì)人員必須實(shí)施反干擾技術(shù)，如電子戰(zhàn)（EW）中使用的技術(shù)。

汽車?yán)走_(dá)通?？赡軙?huì)遇到拒絕或欺騙性干擾攻擊。否認(rèn)干擾使受害者雷達(dá)失明。這種技術(shù)降低了信噪比，因此降低了目標(biāo)檢測(cè)的概率。另一方面，欺騙性干擾使受害者雷達(dá)“認(rèn)為”存在虛假目標(biāo)。受害者雷達(dá)失去了跟蹤真實(shí)目標(biāo)的能力，因此，受害者的車輛行為受到嚴(yán)重影響。

這些干擾攻擊可能源于汽車?yán)走_(dá)之間的相互干擾，也可能是通過使用廉價(jià)的硬件將強(qiáng)連續(xù)波（CW）信號(hào)指向受害者雷達(dá)而故意發(fā)生的。

雖然目前的干擾避免技術(shù)對(duì)于今天來(lái)說可能已經(jīng)足夠了，但隨著雷達(dá)傳感器的普及，需要單獨(dú)使用一種彈性的緩解技術(shù)或與避免方法結(jié)合使用。彈性技術(shù)包括時(shí)頻域信號(hào)處理或復(fù)雜的雷達(dá)波形。

雷達(dá)波形

雷達(dá)波形是決定干擾器存在時(shí)傳感器性能的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)之一。當(dāng)今77 GHz頻段的汽車?yán)走_(dá)主要使用FMCW型波形。在FMCW雷達(dá)中，CW信號(hào)在RF頻段上線性掃描或啁啾頻率。圖1顯示了一個(gè)FMCW線性調(diào)頻序列（CS）波形示例。

圖1.FMCW CS示例。

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

干擾的影響

當(dāng)FMCW雷達(dá)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。參見圖2中一個(gè)典型的迎面而來(lái)的汽車干擾示例。

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(qiáng)干擾信號(hào)會(huì)提高受害雷達(dá)的本底噪聲。這種拒絕干擾可能會(huì)導(dǎo)致小目標(biāo)（即小雷達(dá)橫截面（RCS））由于信噪比差而消失。

拒絕攻擊也可以通過簡(jiǎn)單地向受害者FMCW雷達(dá)發(fā)射強(qiáng)CW信號(hào)來(lái)有目的地進(jìn)行。受害者雷達(dá)的影響類似于FMCW干擾情況（見圖4）。

欺騙性干擾

如果干擾信號(hào)掃描與受害雷達(dá)同步但延遲，那么影響將是固定范圍內(nèi)的欺騙性錯(cuò)誤目標(biāo)生成。這種技術(shù)在電子戰(zhàn)干擾器中很常見。迎面而來(lái)的類似類型的汽車?yán)走_(dá)將充當(dāng)無(wú)意的干擾器。然而，受害者和干擾雷達(dá)之間時(shí)間對(duì)齊的可能性將非常小。小于受害雷達(dá)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(biāo)。例如，200 m 的最大范圍需要小于 1.3 μs 的掃描對(duì)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)的汽車平臺(tái)上的復(fù)雜電子戰(zhàn)式設(shè)備進(jìn)行的。

更一般地說，欺騙性干擾是基于通過延遲和頻率的系統(tǒng)性變化重新傳輸受害者雷達(dá)的信號(hào)。這可以是非相干的，在這種情況下，干擾器被稱為轉(zhuǎn)發(fā)器，也可以是相干的，當(dāng)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(hào)，而應(yīng)答器在干擾器檢測(cè)到所需的受害信號(hào)時(shí)傳輸預(yù)定信號(hào)。

復(fù)雜的基于中繼器的攻擊通常需要數(shù)字RF存儲(chǔ)器（DRFM）。DRFM能夠執(zhí)行協(xié)調(diào)的距離延遲和多普勒門拉開攻擊。因此，保持虛假目標(biāo)范圍和多普勒屬性以欺騙受害者雷達(dá)。

干擾緩解技術(shù)

基本方法：回避

基本的雷達(dá)干擾緩解技術(shù)主要依賴于回避方法。目標(biāo)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(xiǎn)。遠(yuǎn)程汽車巡航控制（ACC）雷達(dá)的典型視場(chǎng)為±8°。盡管如此，強(qiáng)大的干擾器仍然可以通過天線旁瓣有效。

時(shí)間：隨機(jī)化 FMCW 線性調(diào)頻斜率參數(shù)以避免周期性干擾。

頻譜：隨機(jī)化 FMCW 線性調(diào)頻開始和停止頻率，以減少重疊和干擾的可能性。

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

戰(zhàn)略方法：檢測(cè)和修復(fù)

另一種避免方法可用于使用信號(hào)處理算法修復(fù)接收波形。時(shí)域技術(shù)可以有效對(duì)抗拒絕類型的干擾攻擊。在迎面而來(lái)的汽車FMCW干擾場(chǎng)景中，干擾器會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)掃描所有頻率箱。這種快速時(shí)變信號(hào)表現(xiàn)為常規(guī)FFT域中本底噪聲升高。時(shí)頻域信號(hào)處理技術(shù)將信號(hào)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)域，與FFT域相比，該域更容易濾除干擾（見圖3）。

圖3.雷達(dá)回波中頻波形的FFT和STFT域表示。

對(duì)于時(shí)變信號(hào)，短時(shí)傅里葉變換（STFT）比常規(guī)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)上是通過信號(hào)移動(dòng)一個(gè)窗口，并獲取窗口區(qū)域的FFT。信號(hào)在頻域中濾波，以去除干擾器分量，然后再轉(zhuǎn)換回時(shí)域。

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

圖4.STFT域，左：FMCW雷達(dá)和干擾器，右：IF域。

圖4右側(cè)的曲線顯示了IF域，這是雷達(dá)（藍(lán)色）和干擾（橙色）信號(hào)混合的最終結(jié)果。水平線表示目標(biāo)，而V形垂直線表示存在干擾信號(hào)。

類似或相反方向的干擾FMCW，甚至是類似CW的慢啁啾，都會(huì)對(duì)IF信號(hào)產(chǎn)生類似的影響。在所有這些干擾場(chǎng)景中，快速移動(dòng)的V形IF信號(hào)會(huì)提高常規(guī)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(hào)。當(dāng)然，這假設(shè)受害者雷達(dá)前端和量化具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，可以同時(shí)線性處理更強(qiáng)的干擾器信號(hào)和小的預(yù)期目標(biāo)。參見圖 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(qiáng)干擾器，而底部顯示了處理后的STFT。在強(qiáng)干擾器存在的情況下，多個(gè)真實(shí)目標(biāo)是不可見的，如頂部所示。下圖中的V形干擾器被切除，低SNR目標(biāo)在轉(zhuǎn)移回時(shí)域時(shí)現(xiàn)在可以識(shí)別。

基于STFT的干擾緩解技術(shù)可用于針對(duì)強(qiáng)干擾器的拒絕干擾場(chǎng)景。對(duì)于欺騙性干擾攻擊，僅靠STFT無(wú)法驗(yàn)證返回信號(hào)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(duì)策是使用低攔截概率（LPI）雷達(dá)波形。LPI雷達(dá)的目標(biāo)是通過將輻射能量分散到寬頻譜上來(lái)逃避檢測(cè)，通常通過準(zhǔn)隨機(jī)掃描，調(diào)制或跳頻序列。FMCW是一種LPI波形。如果在線性調(diào)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?yán)走_(dá)信號(hào)的機(jī)會(huì)。

每個(gè)雷達(dá)傳感器獨(dú)有的加密射頻特征可以驗(yàn)證返回信號(hào)。圖6顯示了一個(gè)用例，其中兩個(gè)相同的雷達(dá)（其中一個(gè)安裝在不同的汽車上）在它們之間具有頻率偏移和延遲，在受害者雷達(dá)中產(chǎn)生一個(gè)虛假目標(biāo)。干擾雷達(dá)與受害雷達(dá)進(jìn)行時(shí)間對(duì)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(dá)而導(dǎo)致的干擾。

相位編碼FMCW雷達(dá)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啟用多個(gè)同步發(fā)射波形使MIMO雷達(dá)操作成為可能。

編碼要求：

代碼長(zhǎng)度：目標(biāo)是通過短序列實(shí)現(xiàn)最小范圍的旁瓣電平。PRN 序列長(zhǎng)度為 1024 導(dǎo)致峰值旁瓣電平 （PSLL） 約為 30 dB （10log1024）?？梢詢?yōu)化發(fā)送代碼和接收濾波器權(quán)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(shù)應(yīng)為零，以實(shí)現(xiàn)傳感器之間的良好分離

多普勒電阻：相位編碼雷達(dá)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(shù)量的不同代碼：大家庭規(guī)模最好為每個(gè)雷達(dá)傳感器分配一個(gè)唯一的代碼。

圖7顯示了沒有相位編碼的雷達(dá)回波。干擾信號(hào)將自己顯示為錯(cuò)誤目標(biāo)。當(dāng)發(fā)射機(jī)FMCW波形用PRN序列進(jìn)行相位編碼時(shí)，干擾信號(hào)可能會(huì)被抑制，如圖8所示。

圖7.雷達(dá)返回，無(wú)需相位編碼虛假和真實(shí)目標(biāo)。

圖8.帶和不帶相位編碼的雷達(dá)返回。

這種方法會(huì)影響動(dòng)態(tài)范圍。但是，雷達(dá)信號(hào)處理器可以使用相位編碼的FMCW進(jìn)行幾次線性調(diào)頻來(lái)標(biāo)記錯(cuò)誤目標(biāo)，然后切換回正常工作狀態(tài)。

結(jié)論和未來(lái)趨勢(shì)

擁擠的汽車?yán)走_(dá)傳感器環(huán)境中的干擾可以通過先進(jìn)的信號(hào)處理算法和復(fù)雜的波形生成技術(shù)來(lái)緩解。基于STFT的信號(hào)處理技術(shù)可用于抵御拒絕類型的攻擊。相位編碼FMCW通過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(qǐng)參閱表 1。

之前詳細(xì)的汽車?yán)走_(dá)干擾緩解原則也適用于其他雷達(dá)傳感器環(huán)境，例如機(jī)器人、道路收費(fèi)、GPS 和無(wú)人機(jī)著陸或防撞系統(tǒng)。

目前，汽車?yán)走_(dá)傳感器以非協(xié)作模式運(yùn)行，彼此之間沒有通信。雖然合作操作模式需要全行業(yè)的協(xié)調(diào)，但雷達(dá)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(lái)雷達(dá)概念將是通信節(jié)點(diǎn)和雷達(dá)傳感器的融合。具有復(fù)雜波形的未來(lái)雷達(dá)也提供了在雷達(dá)信號(hào)中包含信息的可能性。相同的硬件可以同時(shí)用于雷達(dá)和通信（RadCom）。

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

無(wú)干擾的多用戶功能

使用 OFDM 或類似通信代碼對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行編碼提供了在雷達(dá)信號(hào)中包含信息的可能性

由于基于OFDM的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)而同時(shí)

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