汽車防撞雷達中的一種抗交叉干擾方法

吳鵬飛，蔡倩，夏偉杰，楊康

(南京航空航天大學: a. 自動化學院; b. 電子信息工程學院，江蘇 南京 210016)

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汽車防撞雷達中的一種抗交叉干擾方法

吳鵬飛a，蔡倩a，夏偉杰b，楊康b

(南京航空航天大學: a. 自動化學院; b. 電子信息工程學院，江蘇 南京 210016)

摘要：文中提出了一種從固定個數(shù)的斜率中隨機選取一個作為雷達發(fā)射波形調制三角波斜率的方法，從而解決汽車防撞雷達中嚴重的電磁波交叉干擾問題。分析了選取隨機斜率設計波形的原理，利用此種方法進行仿真驗證與虛警率計算，結果證明，采用此種方法后，干擾信號只相當于增加了雷達接收機的噪聲，而不會對本機雷達信號產生影響從而造成虛警，能夠很好的解決電磁波交叉干擾的問題。

關鍵詞：汽車防撞雷達；交叉干擾；隨機斜率；調頻連續(xù)波

0前言

線性調頻連續(xù)波(FMCW)雷達具有結構簡單、受天氣狀況影響小、測量精度高、良好的低截獲性能[1-3]等優(yōu)點，在短距離精確測量中有著廣泛的應用，例如高度測量，液位測量，以及汽車防撞領域[4]。但至今為止，汽車防撞雷達一直未能大范圍地應用，影響的原因有很多，其中多雷達之間的交叉干擾是一個很重要的因素。

電磁波的交叉干擾是指本車雷達接收到其他雷達發(fā)射的電磁波后，由于兩部雷達調頻信號相似，本機雷達信號處理系統(tǒng)將其認為是本機目標回波，從而造成虛警影響雷達正常工作[5]。有學者提出采用自適應數(shù)字波束形成技術來抑制強干擾和射頻干擾對有用信號的影響[6]，但這種使用多陣列的技術意味著成本的急劇上升。從實用性的角度考慮，汽車防撞雷達應具有成本低且信號處理簡單等優(yōu)點[7]。本文設計了一種從250個斜率中隨機選取一個作為本機雷達發(fā)射波形調頻斜率的方法，利用這種隨機選取斜率的調頻波形既不增加成本又不增加后端信號處理難度。首先介紹了FMCW雷達采用隨機斜率發(fā)射信號的基本原理，然后利用此種方法進行信號處理仿真。仿真結果證明，此種方法是電磁波交叉干擾問題很好的解決方案。

1調頻連續(xù)波FMCW選取隨機斜率原理分析

在設計雷達發(fā)射波形時，從預設的250個斜率中隨機選取一個作為本機雷達的發(fā)射波形斜率，如圖1所示，即從k1~k250中隨機選取一個ki作為本機雷達的發(fā)射波形斜率，圖中Tm為三角波周期。

圖1　不同斜率的調頻三角波

假設本機雷達采用圖1中斜率為k1的點虛線所示三角波為雷達發(fā)射波形；而非本機雷達采用圖1中斜率為k2的線虛線所示三角波為發(fā)射波形。

線性調頻連續(xù)波雷達的發(fā)射信號可以寫成如下形式：

ST(t)=Acos[ωct+φ(t)]

(1)

雷達天線接收信號寫成:

SR(t)=A0ST(t-τ)=A0Acos[ωc(t-τ)+φ(t-τ)]

(2)

其中:τ為電磁波從發(fā)射到經目標反射回到接收天線的時間，A0為接收信號衰減系數(shù)。

為了方便起見，只考慮上掃頻段，接收信號和發(fā)射信號混頻輸出為S(t)，則有:

[2ωct+φ(t)-ωcτ+φ(t-τ)]+cos[φ(t)-φ(t-τ)-ωcτ]}

(3)

將混頻后的信號通過低通濾波器，輸出為S1(t)，有:

(4)

本機雷達發(fā)射的三角波掃頻斜率為k1，則有:

(5)

將式(5)代入式(4)中，有:

(6)

(7)

2仿真實驗分析

a) 仿真實驗

隨機斜率k1和k2：三角波斜率為k=2B/Tm，其中B為發(fā)射信號帶寬，系統(tǒng)設計帶寬范圍100MHz≤B≤250MHz，由此可知，三角波斜率范圍2×1010≤k≤5×1010，設計中在以上斜率范圍內選取250個值作為隨機斜率供雷達隨機選取，本實驗中，將斜率范圍均分為250份，則斜率差值Δk=0.012×1010。

仿真時，分別使本機雷達發(fā)射波形斜率不變和非本機雷達發(fā)射波形斜率不變，觀察仿真結果。

本機雷達發(fā)射波形斜率不變時，選取k1=5.000×1010，非本機雷達發(fā)射波形斜率k2的值選取k1-Δk，k1-2Δk，k1-10Δk分別仿真，所得結果如圖2所示。

圖2　非本機雷達斜率分別比本機雷達斜率小1倍、2倍和10倍差值的仿真結果

非本機雷達發(fā)射波形斜率不變時，選取k2=2.000×1010，本機雷達發(fā)射波形斜率k1的值選取k2+Δk，k2+2Δk，k2+10Δk分別仿真，所得結果如圖3所示。

圖3　本機雷達斜率分別比非本機雷達斜率大1倍、2倍和10倍差值的仿真結果

從圖2和圖3中可以清晰地看出粗細兩種不同的實線代表的頻譜。圖中粗線為本機雷達發(fā)射的電磁波經目標反射后由本機雷達接收端接收，經混頻解調和低通濾波輸出后的頻譜。這根譜線包含了本機雷達測得的目標差頻信息，從而可以得到目標距離等。而圖中細線則為其他雷達發(fā)射的電磁波進入本機雷達的接收端后，經混頻解調和低通濾波后輸出的干擾信號，其能量分布在某一段頻譜上，而不會表現(xiàn)為單一譜線。

不管在斜率大的部分還是斜率小的部分，當斜率差值為最小Δk的時，系統(tǒng)就已經把非本機雷達的信號識別為噪聲，并且信雜比為15dB，當斜率差值變大時，信雜比也變大，由此可見，非本機雷達發(fā)射的電磁波只相當于噪聲存在于頻譜中，而不會對本機雷達的信號處理造成影響。

b) 虛警率分析

虛警率是指雷達將噪聲誤認為真實目標的概率[8]。虛警率是衡量雷達系統(tǒng)性能的重要指標，它取決于雷達的發(fā)射波形、濾波電路、信號處理算法等因素。

實際應用中，系統(tǒng)設定N個斜率，每部雷達系統(tǒng)都在這個N斜率中隨機選取一個作為發(fā)射波形斜率。則某一時刻進入雷達的干擾電磁波和本機雷達發(fā)射的電磁波斜率相同的概率為:

(8)

本次設計中，N=250，則可以計算出P0=1.6×10-5，則使用本文方法之后，非本機雷達與本機雷達發(fā)射信號斜率相同的概率只有10-5數(shù)量級。

在實際應用中，兩輛汽車雷達型號相同的概率本來就很低，不同的雷達型號又采用不同的體制和發(fā)射波形，所以兩輛汽車使用相同斜率作為發(fā)射波形斜率的概率更小，其虛警率要遠小于根據(jù)式(8)得到的結果。

3結語

多雷達之間的交叉干擾問題是制約汽車雷達廣泛發(fā)展的重要問題之一，為此本文提出每個雷達從250個設定斜率中隨機選取一個作為發(fā)射波形斜率的方法，用來解決電磁波交叉干擾問題。仿真結果和虛警率分析證明：其他非本機雷達所發(fā)射的電磁波進入本機雷達接收端進行混頻濾波后，其頻譜并不是單一的譜線，而是分布在某一頻段內，相當于在本機發(fā)射信號中加入了噪聲進入本機接收端，不會對本機雷達信號的頻譜產生影響，而且此方法波形設計簡單，即不增加信號處理復雜程度，也不會導致成本上升，是電磁波交叉干擾的良好解決方案。

參考文獻:

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[7] 王娜. 基于FPGA的調制信號發(fā)生器設計[J].國外電子測量技術，2008.02，27(2).

[8] 孫偉超，汪定國，吳忠德. 基于AD9910的調頻信號發(fā)生器設計[J].國外電子測量技術，2011.10，30(10).

Method of Countermeasures of Crossed Jamming in Automotive Anti-collision Radar

WU Peng-feia, CAI Qiana, XIA Wei-jieb, YANG Kangb

(a. College of Automation, b. College of Electronics and Information Engineering,

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:To solve the serious crossed jamming problem between the multiple radars, this paper proposes the method which is used to randomly selectone from a fixed number of slopes as radar transmitted waveform triangle wave modulation slope, analyzes the random slope design principle of the waveform, then uses this method to simulate and calculate false alarm rate. The results show that after using this method, jamming signal is only the equal of the noise signal of the radar receiver, and it can not affect the local radar signal and can not cause false alarm. So this method is suifable for perfectly solving the crossed jamming.

Keywords:automotive anti-collision radar; crossed jamming; triangle wave with random slope; FMCW

中圖分類號：TN958

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0103-03

作者簡介：吳鵬飛(1989- )，男，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、信號處理。

基金項目：南京航空航天大學研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金資助(kfjj120116)

收稿日期：2014-12-17