規避鄰近雷達的相互干擾


雷達從軍用起源至今,已經廣泛應用于國防、航空航天航海、氣象,以及汽車等各個領域。不可忽視的同頻同制式鄰近雷達間的干擾問題,始終困擾著雷達用戶。通過分時開機來避免“友軍致盲”的尷尬場面,不算是好的解決方案,特別是汽車雷達,行駛中的幾輛車之間,裝載的同類型雷達難以區分目標和干擾,根本無法通過協同開關機規避干擾。而軍用雷達采用分時開機方式的非常著名反面案例就是謝菲爾德號被擊沉。
當前汽車微波雷達采用的非常常用調制方式是FMCW調頻連續波,如下圖,FM frequency 代表信號的頻率變化,每個周期內頻率是三角波(或梯形)。在較短時間內,例如1ms,頻率變化范圍很大,可達2GHz或5GHz。Baseband代表信號基帶的時域波形。FMCW vector是FM信號的I/Q數據矢量圖。雷達接收機對回波信號進行處理,從而確定各目標的距離和速度,處理方法通常有兩種,一種是寬帶接收機,直接解調I/Q數據,與數字匹配濾波器(發射信號I/Q數據的共軛)運算獲得目標探測結果;另一種是窄帶接收機,其混頻器的本振直接采用發射信號,相當于硬件匹配濾波,在中頻分析獲取目標探測結果。
上述這種FMCW雷達的抗干擾能力較差。隨著汽車微波雷達的商用發展,數量增多,在實際道路中的干擾問題逐漸復雜和凸顯,可能出現下圖所示的情況。
在相對行駛和鄰近車輛,同型號同調制的各雷達之間毫無疑問會彼此干擾,結果就是所有相互干擾的雷達都會誤報甚至無法工作。
采用數字編碼調制(DCM)的數字調制雷達(DMR),是一種數字相位調制雷達,是解決干擾問題的較佳方案。這種雷達的接收機可以使用匹配濾波器進行處理,或者與發射信號的各種時延相關,以便可以估計目標的重要參數。
DCM使用CDM-MIMO,其中的不同發射機采用惟一的擴頻碼。在每個接收天線處,使用與每個發射機信號匹配的濾波器。在發射時可以使用彼此正交的擴頻碼來減少自干擾,但這要犧牲較大的自相關旁瓣。在擴頻碼的自相關特性和互相關特性之間存在一種折衷?;ハ嚓P表示來自使用不同擴頻碼的不同天線的干擾量,而自相關表示來自一個擴頻碼的自干擾。
在 DMR/DCM 雷達系統 中,由碼片序列(+1, +1, -1, +1, -1, ...)組成的擴頻碼被映射成一系列相位(例如,0, 0, π, 0,π, ...)用于調制射頻正弦信號的相位。擴頻碼可以是一個周期性序列,也可以是一個偽隨機序列。調制信號的帶寬與相位變化的速率成正比,稱為碼片速率,它是碼片持續時間的倒數。通過將返回信號與發射信號進行比較,接收器可以確定反射物體的距離和速度,這可以通過匹配濾波器及一組相關器來實現。
目前商用的DCM汽車雷達的基礎數字調制方式有FSK、BPSK和GMSK,通過數字編碼,賦予每個雷達、每組收發單元不同的編碼序列,相當于各自身份識別,較大程度避免了干擾問題。當然DCM雷達的目標探測能力、分辨率等性能優于LFM線性調頻雷達,應當是汽車雷達未來的發展方向,而且基于數字編碼調制的雷達,與車聯網的數字調制,有了協同的基礎,未來有協調發展的可能。
軍事國防領域中,有相當多的雷達采用與FMCW類似的線性調頻LFM調制方式,甚至簡單脈沖調制,這在電子戰環境下無法正常工作。這種雷達,可能輕易被敵方干擾機捕獲和干擾,甚至可能被相同頻段的鄰近友軍雷達或通信設備“致盲”。目前采用的解決方案與上述抗干擾汽車雷達類似,通常采用數字編碼調制(DCM)的數字調制雷達(DMR),以及跳頻方式。
在雷達的研發和制造中,常用寬帶矢量信號源和能夠分析寬帶信號的頻譜儀進行雷達接收機和發射機的測試,乃至目標模擬和衰落模擬。目前國外高端的寬帶信號源和頻譜儀有Keysight和R&S兩家,國內許多廠商也生產類似儀器。
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