雷达间的干扰问题不解决,自动驾驶安全难以保证! 留言

自动驾驶是当前的全球趋势,并将在未来持续加速发展,汽车雷达传感器是该领域的一项关键技术,是朝着提高驾驶舒适性、防撞以及自动驾驶迈出的关键一步,基于雷达支持的驾驶辅助系统已经非常常见。

当今的24 GHz、77 GHz和79 GHz汽车雷达传感器显然需要能够测量和分辨不同的物体,同时在市区或乡村环境中提供较大的探测范围、较高的径向速度和方位角分辨率,另一个非常重要的功能是要具有抗其他汽车雷达传感器干扰的能力。

这个主题一直没有被非常关注,因为市场上雷达传感器的应用率很低,但是,雷达传感器的普遍应用和预期增长仍在不断增加,先进的驾驶员辅助系统(ADAS)市场有望每年增长10%。考虑到每年有7200万辆新车注册,每辆车平均安装三个(或更多)汽车雷达传感器,在不久的将道路上将出现大约2亿个汽车雷达传感器,所以24 GHz、76至81 GHz频谱将被大量占用,汽车雷达传感器将需要应对相互干扰,并提供信号多样性和干扰抑制技术。媒体报道了涉及正在研发中的自动驾驶汽车的偶然事故,在2016年5月,有关在首宗涉及部分自动驾驶汽车的致命事故发生后,自动驾驶汽车及相关技术的安全性问题再次浮现,因此,对于在存在相互干扰的环境下确保传感器的功能变得至关重要。本文介绍了最新理论背景和下一代汽车雷达信号和传感器技术,它解释相互干扰的影响,并提出在具有规范干扰源的随机电磁环境中测试和验证消解技术的测量可能性,这种方法可帮助研究人员和开发人员设计在恶劣电磁环境中可以正常运行的汽车雷达传感器。

射频易商城

干扰场景

射频易商城
当相互靠近时,工作在相同频段的几个汽车雷达传感器可能会相互干扰,可能会导致虚假目标或降低检测概率。现实中不存在的虚假目标,但对雷达传感器来说,就是真实目标,这可能是由于发射信号的复制造成的,这个复制不是来自于原本的雷达发射器,但落入了接收器带宽,并当做真实回波信号来处理,产生这种情况,需要两个或更多雷达间的发射时间、波形和频率匹配,且回波功率必须超过一定的门限。
射频易商城
图1  干扰场景
另外,任何射频信号落入接收器带宽都可能会增加雷达的噪底和降低目标的信噪比(SNR),这将导致小RCS目标由于回波信号信噪比降低而消失,对于这种情况,必须降低FFT处理后扩展到全频段的信号在在接收器带宽内的功率。
 
射频易商城

汽车雷达的干扰抑制问题

射频易商城
汽车雷达传感器的输出功率由电子通讯委员会(ECC)指定,基于ECC(04)03决议授权“频段77至81 GHz至被指定用于汽车短程雷达”,欧洲邮电电信管理局(CEPT)指定了79 GHz频段用于不受干扰和保护的短程雷达(SRR)设备。
而且,最大平均功率密度限定为-3 dBm / MHz e.i.r.p,峰值功率密度限制为55 dBm e.i.r.p,并且SRR设备产生的车外最大平均功率密度不得超过–9 dBm / MHz e.i.r.p。
所有在这些频段中运行的汽车雷达传感器必须满足这些标准:ETSI标准EN 301 091-1和EN 301091-2已经对77GHz雷达的测试条件、辐射功率和杂散等方面进行了规范和标准化,但没有提及任何有关干扰抑制的内容。为79GHz频段制定的ETSI标准EN 302 264-1以及EN 302 264-2的情况也是如此。
例如,在海上,导航雷达必须遵守国际电工委员会IEC62388标准,其指定了最低的运行和性能要求、测试方法,要求测试结果必须符合无线电通讯设备和系统的标准性能要求,一个IEC标准非常重要的的一个方面是干扰抑制规范,但是,对于汽车雷达规范,没有标准定义像导航雷达一样已经使用了数十年的干扰抑制和性能测试方法。
如果干扰信号落入雷达接收器带宽应该检测到并在信号处理中被去除。对于每个制造商来说,应该具有略有不同的波形、时序、带宽、天线方向图和信号处理,这是干扰抑制方面的优势,但也需要雷达对干扰有不同的响应。
现今使用的汽车雷达传感器主要有两种不同的波形类型:盲区检测(BSD)雷达一般使用多频键控(MFSK)雷达信号,主要在24 GHz频带内运行。
工作在77 GHz或79GHz频段的雷达经常使用线性调频连续波(LFMCW)信号或线性调频序列(CS)信号,它是LFMCW信号的一个特殊形式。雷达使用LFMCW方式在固定的时间周期内和特定的带宽(fsweep)内发射线性调频信号,这个时间周期称为相干处理间隔(TCPI),如图2所示。
射频易商城
图2 上线性调频(upchirps)和下线性调频(downchirps)LFMCW雷达信号
雷达将接收到的与瞬时发射频率相同的信号进行下变频并测量拍频fB,它代表与原始发射波形的偏移量,雷达参数、范围(R)和径向速度(vr)都与测得的拍频相关,为了准确地测量目标vr和R,必须进行两个拍频测量(见图2,拍频分别表示为fB1,fB2),在多目标情况下,通过两个连续的线性调频测量不同的拍频的方式无法准确测量范围和径向速度参数,但可以通过附加的不同斜率线性调频来解决这个问题。
要实现一定的径向速度分辨率,TCPI通常位于20 ms的范围内且处理的线性调频脉冲数间隔大于两个, fsweep确定了距离分辨率,一般为100 MHz以上,并且在不久的将来将超过1 GHz,未来可能达到4 GHz甚至5 GHz。
线性调频序列波形由几个很短的LFMCW线性调频序列组成,在TCPI期间内,每个序列的持续发射时间为TChirp(见图3),由于单个线性调频序列非常短,因此拍频主要受信号传播时间和多普勒频移影响,fD可忽略不计。
 
射频易商城
图3 线性调频序列
瞬时载波频率经过下变频和对单个线性调频进行傅里叶变换后再进行信号处理,由于高载波频率和高调频拍频的速率主要由探测范围决定,目标距离可在假设径向速度vr = 0m/s时进行计算,径向速度不是在单次调频过程中测量,而是在持续时间为TCPI的连续调频序列后测量,第二个傅立叶变换接着进行变换,产生多普勒频移,获得多普勒频移后,对目标距离进行校正。
虽然单个TChirp通常在10 µs至100 µs的范围内,信号的数量LN应足够高以使整个处理间隔TCPI = LN× TChirp可以积累到几十个毫秒,以实现所需的径向速度分辨率。
信号带宽高,接收器带宽相对较小时,之所以可以实现这一点,是因为只需测量雷达设计的最大拍频,给两个示例,表1显示了两种雷达波形在40m范围内测量径向速度为50m/s的目标时测得的拍频。
表1 汽车雷达波形比较
射频易商城
这些计算是根据LFMCW方程,表明测得的拍频在LFMCW雷达设计的100 kHz范围内,但是CS雷达的拍频(几个MHz)要高得多。这导致接收器带宽更高,与使用LFMCW时使用的技术相比可能需要不同的技术。
与LFMCW相比,CS的优势在于无模糊,在单个相干处理间隔内就足以测量和解决观察范围内的所有目标,在LFMCW中,则至少需要三个不同的线性调频信号;在另一方面,在CS波形中,由于多FFT变换导致处理复杂性提高,而且接收器带宽需要根据预期的拍频进行变化,这也是为什么需要干扰消除和缓解技术的原因。
图4描述了存在干扰信号(红色线性调频)时下变频和傅立叶变换的处理过程,干扰线性调频信号与雷达的回波信号一起被下变频,绿色为某一范围内的恒定拍频,这在存在干扰的环境中测量单个目标时会发生,随着干扰信号的引入,除了回波信号,一个与时间有关的拍频(红色曲线)产生,因此,在傅立叶频率域中,频谱没有显示一个拍频率,而是有几个拍频率。
射频易商城
图4 干扰信号的影响
在理想情况中,回波信号的信噪比(绿色条)最大,存在干扰信号时,噪底上升而信噪比下降,具体取决于图中标识为fLP的接收机带宽,除了降低了检测性,回波信号导致的较低信噪比会导致距离精度降低和多普勒测量精度降低。
接收机的噪底和目标的信噪比取决于硬件、软件和目标的雷达截面积(RCS),工作在77GHz频段的汽车雷达典型噪底水平约为– 90 dBm,一种趋势是将线性调频序列波形与其他方法结合例如频移键控,以减少计算量,但是,目前汽车雷达传感器相关规范中尚无关于干扰源和干扰抑制的通用要求。
 
射频易商城

干扰消除的测试与测量

射频易商城
为了验证干扰抑制方法的性能并测试雷达传感器的抗干扰能力,测试在实验室里进行,需要可产生任意射频信号,包括能设置发射机位置、天线运动和天线方向图等参数。
 
图5显示了脉冲序列生成软件产生的典型雷达干扰信号,例如LFMCW、频移键控(FSK)和线性调频序列(CS)。应该提到的是,软件不限于这些信号或序列,还需要能为实验室提供更复杂射频环境。
 
射频易商城
图5 典型连续波雷达信号
 
尽管可以在基带中生成这些信号,但是把这些信号调制到E波段也是一个挑战。由于大多数汽车雷达仅使用调频信号,一种方法是使用更先进的矢量信号发生器和倍频器,这种配置的优点是不需要复杂的测试设置,由于倍频器也可以缩放信号带宽,因此更容易实现大的信号带宽,但需要在设计基带信号波形时可以对缩放因子进行设计考虑。
 
图6显示了汽车雷达传感器的典型测试设置,将矢量信号发生器与倍频器结合使用,使用脉冲序列生成软件生成任意射频信号环境,通过本地网络或USB存储器传输到矢量信号发生器,矢量信号发生器在12.6至13.5 GHz处产生的射频信号,被一个六倍因子的倍频器进行倍频,将E波段喇叭天线连接到倍频器的输出,E波段信号则可以通过自由空间辐射进入被测设备(DUT)。
 
射频易商城
图6 使用矢量信号源和倍频器的干扰测试配置
 
在这种配置下,矢量信号发生器上设置的带宽也被缩放六倍,要生成带宽5 GHz的雷达信号,就需要833.3 MHz的基带带宽(833.3MHz×6 = 5 GHz),在图6所示的配置下,基带信号带宽可达到2 GHz,则RF信号带宽可高达12 GHz(2 GHz×6 = 12 GHz)。
 
如图7所示的干扰信号频谱,可以同时观察到频谱和LFMCW信号的上线性调频(upchirps)和下线性调频(downchirps),所有线性调频信号参数均已通过配备了瞬态分析软件的信号分析仪分析清楚,调频长度为1 ms,信号频率线性度在几kHz范围内,与汽车雷达传感器信号相当。
 
射频易商城
图7 雷达干扰信号
 
研究人员已经在汽车雷达中使用OFDM通信信号来设计干扰抑制算法,然而,在现实中,在价格敏感传感器中来处理这类极宽带OFDM信号有些复杂,这使得在不久的将来应用OFDM信号变得很复杂,这也是在毫米波区域来验证干扰抑制算法、波形和整个处理过程变得重要的一个原因。
 
不仅要考虑费效比、宽带OFDM信号实时处理的挑战性,在毫米波领域产生幅度调制干扰信号也需要更复杂的配置,一种方法是如图8所示,它显示了由两个射频通道矢量信号发生器来产生本振信号和中频信号,本振信号通过六倍频后将中频信号变频到76至81GHz,带有内置宽带基带的矢量信号发生器允许生成E波段带宽达2GHz的任意调制RF信号,使用带有校准后的内置宽带基带硬件的矢量信号发生器比使用倍频器方式具有无需校准,也不需要I / Q频率调制响应补偿等优势。
 
射频易商城
图8 使用混频器的干扰测试配置
 
射频易商城

测量结果

射频易商城
为了验证其他雷达信号的影响,使用了最优异的77 GHz传感器,这种传感器的优点是可使用IF和FFT原始数据,这样就可以立即验证干扰信号对FFT频谱的影响,如前所述,噪底的增加取决于多少干扰信号功率被下变频并落入接收器带宽内,在这些测量中,传感器配置为以200 MHz的信号带宽发送LFMCW信号,如图9所示,其中瞬态分析选项显示了发射的线性调频信号持续时间、信号带宽、线性度(频偏)和射频频谱中的杂散发射。
 
射频易商城
图9 雷达传感器瞬态信号分析
 
使用脉冲序列生成软件生成仿真波形并对带有附加干扰波形的雷达进行测试。实时性持久模式下的频谱可用于验证两个信号。图10显示了两个射频信号,包括了雷达传感器发射的线性调频信号和由矢量信号源生成的干扰信号,雷达传感器先发射upchirp和downchirp信号,然后再发射未经调制的CW信号,干扰信号仅发送upchirps和downchirps信号,在持久模式频谱中可以看到,干扰线性调频信号的功率电平约为5 dB,小于发射的雷达信号频谱。
 
射频易商城
图10 实时频谱显示了有用信号(左侧的单线性调频)和持续的线性调频干扰信号
 
图11描绘了频谱测量的示例,其中在没有干扰的情况下绘制了整个范围内的信号幅度,在不受干扰的情况下进行自由空间测量时,该雷达传感器在功率范围内能测量到-115 dBm频谱和一些近距离的雷达回波信号。
 
射频易商城
图11 雷达传感器频谱
 
当存在干扰信号时,本底噪声增加到大约-102至-90 dBm,具体取决于干扰信号本身,此时,雷达传感器没有应用任何干扰消除手段,此外,可以在测量结果中看到,本底噪声的增加很大程度上取决于干扰信号电平和干扰波形本身,SNR降低了10至25 dB,这可能会导致目标在跟踪过程中很容易丢失或雷达截面积(RCS)较低(如行人)的目标未能被发现。
 
射频易商城

结论

射频易商城
汽车雷达引领了汽车向驾驶舒适、安全甚至自动驾驶的发展趋势,道路上汽车雷达传感器的数量正在迅速增加并在未来几年继续增长,因此,在24 GHz、77GHz和79 GHz频段内分配的频谱需要在不同类型的传感器和信号之间共享。
 
作为关键的安全要素,雷达传感器需要应对相互间的干扰,在高密集电磁环境中提供信号分集和干扰消除技术以对雷达回波信号进行测量、检测、分辨和分类,导航雷达已经具备规范和标准化的干扰和干扰消除的测试方法,但汽车雷达还没有。
 
为了满足这些需求,本文从理论上解释了干扰的背景理论和干扰对典型和新一代汽车雷达的影响,在任意射频环境中的对干扰缓解技术进行测试和测量已经具备可行性,干扰对最先进的商用77 GHz雷达传感器的影响已经明确,这些测试设置可以帮助研究人员和开发人员确保雷达在特定甚至恶劣的射频环境的功能性。

原文始发于微信公众号(雷达通信电子战):射频易商城

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

在线客服