吴鹏飞，蔡倩，夏伟杰，杨康

(南京航空航天大学: a. 自动化学院; b. 电子信息工程学院，江苏 南京 210016)



汽车防撞雷达中的一种抗交叉干扰方法

吴鹏飞a，蔡倩a，夏伟杰b，杨康b

(南京航空航天大学: a. 自动化学院; b. 电子信息工程学院，江苏 南京 210016)

摘要：文中提出了一种从固定个数的斜率中随机选取一个作为雷达发射波形调制三角波斜率的方法，从而解决汽车防撞雷达中严重的电磁波交叉干扰问题。分析了选取随机斜率设计波形的原理，利用此种方法进行仿真验证与虚警率计算，结果证明，采用此种方法后，干扰信号只相当于增加了雷达接收机的噪声，而不会对本机雷达信号产生影响从而造成虚警，能够很好的解决电磁波交叉干扰的问题。

关键词：汽车防撞雷达；交叉干扰；随机斜率；调频连续波

0前言

线性调频连续波(FMCW)雷达具有结构简单、受天气状况影响小、测量精度高、良好的低截获性能[1-3]等优点，在短距离精确测量中有着广泛的应用，例如高度测量，液位测量，以及汽车防撞领域[4]。但至今为止，汽车防撞雷达一直未能大范围地应用，影响的原因有很多，其中多雷达之间的交叉干扰是一个很重要的因素。

电磁波的交叉干扰是指本车雷达接收到其他雷达发射的电磁波后，由于两部雷达调频信号相似，本机雷达信号处理系统将其认为是本机目标回波，从而造成虚警影响雷达正常工作[5]。有学者提出采用自适应数字波束形成技术来抑制强干扰和射频干扰对有用信号的影响[6]，但这种使用多阵列的技术意味着成本的急剧上升。从实用性的角度考虑，汽车防撞雷达应具有成本低且信号处理简单等优点[7]。本文设计了一种从250个斜率中随机选取一个作为本机雷达发射波形调频斜率的方法，利用这种随机选取斜率的调频波形既不增加成本又不增加后端信号处理难度。首先介绍了FMCW雷达采用随机斜率发射信号的基本原理，然后利用此种方法进行信号处理仿真。仿真结果证明，此种方法是电磁波交叉干扰问题很好的解决方案。

1调频连续波FMCW选取随机斜率原理分析

在设计雷达发射波形时，从预设的250个斜率中随机选取一个作为本机雷达的发射波形斜率，如图1所示，即从k1~k250中随机选取一个ki作为本机雷达的发射波形斜率，图中Tm为三角波周期。

图1　不同斜率的调频三角波

假设本机雷达采用图1中斜率为k1的点虚线所示三角波为雷达发射波形；而非本机雷达采用图1中斜率为k2的线虚线所示三角波为发射波形。

线性调频连续波雷达的发射信号可以写成如下形式：

ST(t)=Acos[ωct+φ(t)]

(1)

雷达天线接收信号写成:

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

(2)

其中:τ为电磁波从发射到经目标反射回到接收天线的时间，A0为接收信号衰减系数。

为了方便起见，只考虑上扫频段，接收信号和发射信号混频输出为S(t)，则有:

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

(3)

将混频后的信号通过低通滤波器，输出为S1(t)，有:

(4)

本机雷达发射的三角波扫频斜率为k1，则有:

(5)

将式(5)代入式(4)中，有:

(6)

(7)

2仿真实验分析

a) 仿真实验

随机斜率k1和k2：三角波斜率为k=2B/Tm，其中B为发射信号带宽，系统设计带宽范围100MHz≤B≤250MHz，由此可知，三角波斜率范围2×1010≤k≤5×1010，设计中在以上斜率范围内选取250个值作为随机斜率供雷达随机选取，本实验中，将斜率范围均分为250份，则斜率差值Δk=0.012×1010。

仿真时，分别使本机雷达发射波形斜率不变和非本机雷达发射波形斜率不变，观察仿真结果。

本机雷达发射波形斜率不变时，选取k1=5.000×1010，非本机雷达发射波形斜率k2的值选取k1-Δk，k1-2Δk，k1-10Δk分别仿真，所得结果如图2所示。

图2　非本机雷达斜率分别比本机雷达斜率小1倍、2倍和10倍差值的仿真结果

非本机雷达发射波形斜率不变时，选取k2=2.000×1010，本机雷达发射波形斜率k1的值选取k2+Δk，k2+2Δk，k2+10Δk分别仿真，所得结果如图3所示。

图3　本机雷达斜率分别比非本机雷达斜率大1倍、2倍和10倍差值的仿真结果

从图2和图3中可以清晰地看出粗细两种不同的实线代表的频谱。图中粗线为本机雷达发射的电磁波经目标反射后由本机雷达接收端接收，经混频解调和低通滤波输出后的频谱。这根谱线包含了本机雷达测得的目标差频信息，从而可以得到目标距离等。而图中细线则为其他雷达发射的电磁波进入本机雷达的接收端后，经混频解调和低通滤波后输出的干扰信号，其能量分布在某一段频谱上，而不会表现为单一谱线。

不管在斜率大的部分还是斜率小的部分，当斜率差值为最小Δk的时，系统就已经把非本机雷达的信号识别为噪声，并且信杂比为15dB，当斜率差值变大时，信杂比也变大，由此可见，非本机雷达发射的电磁波只相当于噪声存在于频谱中，而不会对本机雷达的信号处理造成影响。

b) 虚警率分析

虚警率是指雷达将噪声误认为真实目标的概率[8]。虚警率是衡量雷达系统性能的重要指标，它取决于雷达的发射波形、滤波电路、信号处理算法等因素。

实际应用中，系统设定N个斜率，每部雷达系统都在这个N斜率中随机选取一个作为发射波形斜率。则某一时刻进入雷达的干扰电磁波和本机雷达发射的电磁波斜率相同的概率为:

(8)

本次设计中，N=250，则可以计算出P0=1.6×10-5，则使用本文方法之后，非本机雷达与本机雷达发射信号斜率相同的概率只有10-5数量级。

在实际应用中，两辆汽车雷达型号相同的概率本来就很低，不同的雷达型号又采用不同的体制和发射波形，所以两辆汽车使用相同斜率作为发射波形斜率的概率更小，其虚警率要远小于根据式(8)得到的结果。

3结语

多雷达之间的交叉干扰问题是制约汽车雷达广泛发展的重要问题之一，为此本文提出每个雷达从250个设定斜率中随机选取一个作为发射波形斜率的方法，用来解决电磁波交叉干扰问题。仿真结果和虚警率分析证明：其他非本机雷达所发射的电磁波进入本机雷达接收端进行混频滤波后，其频谱并不是单一的谱线，而是分布在某一频段内，相当于在本机发射信号中加入了噪声进入本机接收端，不会对本机雷达信号的频谱产生影响，而且此方法波形设计简单，即不增加信号处理复杂程度，也不会导致成本上升，是电磁波交叉干扰的良好解决方案。

参考文献:

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[3] 陈海宁，陈照章,郑锐. 基于DSP的车载防撞雷达系统的设计[J]. 微电子学，2009.4，39(2).

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[5] 李军，龚耀寰. 自适应数字波束形成在FMCW雷达中的应用[J]. 系统工程与电子技术，2005.7，27(7).

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[7] 王娜. 基于FPGA的调制信号发生器设计[J].国外电子测量技术，2008.02，27(2).

[8] 孙伟超，汪定国，吴忠德. 基于AD9910的调频信号发生器设计[J].国外电子测量技术，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

中图分类号：TN958

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)02-0103-03

作者简介：吴鹏飞(1989- )，男，江苏南通人，硕士研究生，研究方向：嵌入式系统、信号处理。

基金项目：南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金资助(kfjj120116)

收稿日期：2014-12-17