汽車雷達感測器和擁擠不堪的無線電頻譜:城市電子戰場?

作者:ADI 資深射頻系統工程師 Sefa Tanis

隨著汽車雷達越來越普及,城市環境中擁擠不堪的射頻頻譜將變成一個電子戰場。雷達將面臨無意或有意干擾的組合式攻擊,使得設計人員必須像在電子戰(EW)中一樣實施反干擾技術。

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。這種技術會降低訊號雜訊比,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。

這些干擾可能源於汽車雷達之間的相互干擾,或者是使用廉價的硬體簡單地將強連續波(CW)訊號指向受害車輛雷達而故意發生的攻擊。

雖然目前的避干擾技術可能足以因應目前的情況,但隨著雷達感測器的激增,汽車將會需要使用彈性類型的緩解技術、或者此類技術與避干擾方法的結合使用。相關彈性技術包括時頻域訊號處理或複雜雷達波形。

雷達波形

雷達波形是判斷感測器在有干擾情況下的性能的關鍵系統參數之一。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訊號在射頻段的頻率上線性掃描。圖1顯示了一個FMCW chirp序列(CS)波形例子。

Figure 1
圖1.FMCW CS示例

回波訊號的頻率差(fb,拍頻)與到目標的距離R成比例,可透過以下關係確定:

Equation 1

干擾的影響

在密集射頻環境中,當FMCW雷達感測器在頻帶的相同部分中工作時,就會發生干擾。一個典型的迎面而來的汽車干擾示例參見圖2。

Figure 2
圖2.示例:a) FMCW拒絕式干擾;b) FMCW欺騙式干擾

拒絕式干擾

落入接收機頻寬的任意FMCW型強干擾訊號會提高受害雷達的本底雜訊。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訊號射向受害車輛FMCW雷達就能做到。對受害雷達的影響類似於FMCW干擾情況(見圖4)。

欺騙式干擾

如果干擾訊號掃描是同步的,但與受害雷達一同延遲,那麼其影響將是在固定距離產生欺騙性假目標。這種技術在電子戰干擾機中很常見。類似類型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。小於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,200m最大距離要求掃描對齊誤差小於1.3μs。然而,將複雜的類似電子戰的設備安裝在迎面而來的汽車平台上,便可故意開展這種欺騙式攻擊。

更一般地的是欺騙式干擾基於對受害雷達訊號的重新傳輸,不過其延遲和頻率發生了系統性改變。這可以是非相關的(這種情況下的干擾機被稱為應答器),或是相關的(這種情況下的干擾機被稱為中繼器)。中繼器接收、改變並重新傳輸一個或多個干擾訊號,而應答器是在干擾機檢測到目標受害雷達訊號時傳輸一個預定訊號。

基於中繼器的複雜攻擊通常需要數位射頻記憶體(DRFM)。DRFM能夠執行協調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

基本方法:避免

基本的雷達干擾緩解技術主要依賴於避干擾方法。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。遠端汽車巡航控制(ACC)雷達的典型視野為±8°。儘管如此,強干擾訊號仍可透過天線旁瓣造成有效干擾。
  • 時間:隨機生成FMCW啁啾斜率參數以避免週期性干擾。
  • 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,但在密集射頻環境中可能不那麼有用。越來越多的雷達感測器需要更複雜的彈性技術來緩解干擾。

戰略方法:檢測並修復

另一種避干擾方法是利用訊號處理演算法修復接收到的波形。時頻域技術可以有效應對拒絕式干擾攻擊。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。這種快速時變訊號在常規FFT域中表現為升高的本底雜訊。時頻域訊號處理技術將該訊號轉移到另一個域,與FFT域相比,在該域中更容易濾除干擾(見圖3)。

Figure 3
圖3.雷達回波IF波形的FFT和STFT域表示

對於時變訊號,短時傅立葉轉換(STFT)比常規FFT能提供更多資訊。基於STFT的技術可用於消除窄帶干擾。STFT基本上是讓一個視窗移動通過訊號,獲取視窗區間的FFT。在頻域中對訊號進行濾波以去除干擾分量,然後將其轉換回時域。

圖4顯示了重疊射頻啁啾序列的典型FMCW干擾情況,以及由此產生的STFT域中的IF拍頻訊號。

Figure 4
圖4.STFT域,左:FMCW雷達和干擾機,右:IF域

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

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

可以使用基於幅度的遮罩來濾除STFT域中的干擾訊號。當然,前提是受害雷達前端和量化部分具有足夠的動態範圍來同時線性地處理較強的干擾訊號和較小的預期目標訊號。參見圖5。

Figure 5
圖5.STFT域中基於幅度的遮罩

圖5上方圖像顯示了一個強干擾訊號,而下方圖像顯示了處理後的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形干擾訊號被消除;當轉移回時域時,低SNR目標現在已可辨識。

在拒絕式干擾情況中,可以利用基於STFT的干擾緩解技術來應對強干擾。針對欺騙式干擾攻擊,單憑STFT無法驗證返回訊號是真還是假。

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避檢測,通常採用准隨機掃描、調製或跳頻序列。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攔截汽車雷達訊號的機率。

每個雷達感測器獨有的加密射頻特徵可以驗證返回訊號的真偽。圖6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)。

Figure 6
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強固性。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射。

編碼要求:

  • 碼長:目標是利用短序列實現最小距離旁瓣位準。1024的PRN序列長度導致峰值旁瓣電平(PSLL)約為30 dB (10log1024)。可以優化發射碼和接收濾波器權重,以SNR為代價來改善PSLL。
  • 良好的交互相關特性:為實現感測器之間的良好隔離,一個集合的成員的交互相關係數應為零。
  • 抗多普勒效應能力:相位編碼雷達性能可能受多普勒頻移的影響。二進位碼對多普勒效應的耐受能力差。多相碼的性能衰減速度比二進位碼要慢。
  • 可用的不同碼數量:規模大的比較好,可以為每個雷達感測器分配唯一編碼。

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

Figure 7
圖7.未對真偽目標進行相位編碼的雷達回波

Figure 8
圖8.有和無相位編碼的雷達回波

這種方法會影響動態範圍。然而,雷達訊號處理器可以對幾個啁啾訊號使用相位編碼FMCW以標記假目標,然後切換回正常操作。

結論及未來趨勢

使用先進訊號處理演算法和複雜波形生成技術,可以緩解擁擠汽車雷達感測器環境中的干擾。基於STFT的訊號處理技術可用來因應拒絕類型的攻擊。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禦層。表1是對緩解技術的總結。

表1.基於FMCW的汽車雷達緩解技術
干擾類型 拒絕式 欺騙式
干擾硬體 另一個雷達感測器或簡單的CW產生器 DRFM (相干) 應答器(非相干)
Impact on the victim radar SNR 不佳 假目標 假目標
彈性緩解技術 STFT 相位編碼FMCW 相位編碼FMCW
緩解原則 修復雷達返回波形 規避檢測 編碼序列的處理增益
減緩效果(預期)

上述針對汽車雷達的干擾緩解原則也適用於其他雷達感測器環境,例如機器人、道路收費、GPS、無人機著陸或防撞系統。

目前,汽車雷達感測器在非合作模式下運行,彼此之間不通訊。雖然合作運作模式需要整個產業協調,但雷達感測器之間的仲裁可協助解決干擾問題。

包括感測器合作在內的未來雷達概念將是通訊節點和雷達感測器的融合。使用複雜波形的未來雷達也可以將資訊包含在雷達訊號中。同一硬體可以同時用於雷達和通訊(RadCom)。

RadCom:雷達和通訊功能同時執行的單一系統:

  • 多用戶能力,無干擾
  • 利用OFDM或類似通訊碼對雷達訊號進行編碼,為在雷達訊號中包含資訊提供了可能性
  • 基於OFDM的雷達發射訊號使得二者可以同時進行

ADI的5G毫米波收發器訊號解決方案具有超過GHz的頻寬和波束引導能力,可能成為RadCom系統概念的潛在候選者。

ADI在開發最先進雷達感測器和5G毫米波解決方案方面處於獨特的地位,為未來的RadCom系統鋪上坦途。

關於ADI Drive360 28 nm CMOS雷達技術:

ADI的Drive360™ 28nm CMOS雷達平台支援多種高階訊號處理整合,甚至是自訂IP整合,使設計人員能夠區分其系統,而且搭載高整合電源管理輔助晶片。該平台可使一級供應商產品和原廠產品具備優良的性能,以打造可靠的解決方案。

5G Millimeter Wave

Analog Devices brings a strong contribution to the 5G microwave effort with our unique bits to microwave capability. Our broad technology portfolio and continued RF technology advances combined with our rich history in radio systems engineering put ADI in a leading position to pioneer new solutions for our customers at microwave and millimeter wave frequencies for the emerging 5G systems.


Author

Sefa Tanis

Sefa Tanis

Sefa Tanis is a senior RF systems engineer at Analog Devices specializing in digital predistortion algorithm development for small cell transceivers, researching signal processing techniques for automotive radars, and evaluating system in a package RF modules for wireless infrastructures. Prior to joining ADI in 2012, he held a lead RF engineer role for an F-16 aircraft electronic warfare program, AN/ALQ-178 V(5)+, jointly developed by ASELSAN of Turkey and BAE Systems in North America. He has 15+ years of expertise in system-level design, and algorithm development, test, and integration of microwave products in telecommunications and the defense/aerospace industries. He received his B.S.E.E. from Cukurova University in Turkey in 2000.