1. 概述

在汽車和工業(yè)等環(huán)境中，部署TI的AWR和IWR系列雷達(dá)會(huì)隨著時(shí)間和需求的增加而增加，因此一個(gè)雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)被另一個(gè)雷達(dá)接收到的可能性也會(huì)隨之增加。不同的雷達(dá)傳感器之間的干擾可能會(huì)對(duì)雷達(dá)造成災(zāi)難性的后果，例如，導(dǎo)致漏檢、產(chǎn)生盲區(qū)、檢測(cè)范圍縮小以及出現(xiàn)虛假目標(biāo)等，穩(wěn)定可靠的雷達(dá)需要降低或者完全避免多個(gè)雷達(dá)傳感器間的相互干擾。文章主要講述了：

（1）FMCW雷達(dá)中不同類型干擾的產(chǎn)生機(jī)制。

（2） 避免干擾以及抑制干擾的解決方案。

2. FMCW干擾類型

2.1 FMCW雷達(dá)概述

在FMCW雷達(dá)中，射頻前端會(huì)產(chǎn)生并發(fā)射一個(gè)線性調(diào)頻的chirp信號(hào)，如圖1所示。發(fā)射的信號(hào)從其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)反射回來并被接收天線接收，所接收的信號(hào)是發(fā)射信號(hào)的時(shí)間延遲信號(hào)。然后對(duì)接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)進(jìn)行混頻，最后帶通濾波以及ADC采樣。

由于接收信號(hào)是發(fā)射信號(hào)的時(shí)間延遲信號(hào)，所以混頻后得到一個(gè)近似的單頻正弦信號(hào)，且頻率與距離呈正比關(guān)系。通過傅里葉變換可以獲得混頻后的單頻正弦信號(hào)的頻率，并解算出目標(biāo)的距離。因此，雷達(dá)能夠檢測(cè)到的最大距離受到中頻帶寬的限制，如果目標(biāo)的頻率超過中頻帶寬，就會(huì)被濾波器過濾掉。

2.2 雷達(dá)干擾方程

假設(shè)存在兩個(gè)雷達(dá)，我們這里分別稱為干擾雷達(dá)和被干擾雷達(dá)，設(shè)干擾雷達(dá)和被干擾雷達(dá)之間的距離為R，平均射頻信號(hào)的波長為λ，則被干擾雷達(dá)受到干擾的信號(hào)強(qiáng)度可以表示為：

其中，Ptx是干擾雷達(dá)的發(fā)射功率，單位為dBm。TxantGain是干擾雷達(dá)的發(fā)射天線增益，單位為dB。RxantGain是被干擾雷達(dá)的接收天線增益，單位為dB。

針對(duì)目標(biāo)的雷達(dá)方程可以表示為：

比較兩個(gè)方程可以看出，干擾的路徑損耗效應(yīng)（即R效應(yīng)）要比目標(biāo)的路徑損耗效應(yīng)弱，換句話說，即使接收到的信號(hào)很遠(yuǎn)（兩個(gè)雷達(dá)距離R很遠(yuǎn)），依然會(huì)存在干擾。

2.3 干擾類型

2.3.1 交叉干擾

如果被干擾雷達(dá)和干擾雷達(dá)具有不同的調(diào)頻斜率，則兩種chirp會(huì)相互交叉。當(dāng)交叉發(fā)生時(shí)，被干擾雷達(dá)會(huì)受到交叉干擾。干擾雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)與被干擾雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)混頻，當(dāng)只有兩者的頻率差位于被干擾雷達(dá)的中頻帶寬范圍內(nèi)時(shí)，被干擾雷達(dá)才能夠觀測(cè)到干擾雷達(dá)的信號(hào)。

如圖2所示，當(dāng)干擾雷達(dá)的chirp信號(hào)穿過被干擾雷達(dá)發(fā)射的chirp信號(hào)時(shí)，通過混頻得到一個(gè)具有負(fù)頻率、零頻率以及正頻率的混合信號(hào)。

濾波后得到零和正頻率部分，其中正頻率是遞增的，即近似為一個(gè)“chirp信號(hào)”。上述僅僅是一種情況（被干擾雷達(dá)發(fā)射信號(hào)斜率大于干擾雷達(dá)發(fā)射信號(hào)斜率），還有小于的，讀者自行分析。

在頻域上，對(duì)ADC采樣信號(hào)做傅里葉變換后，交叉干擾通常會(huì)使噪聲電平增加，降低強(qiáng)目標(biāo)的信號(hào)比，淹沒弱目標(biāo)，從而影響雷達(dá)的檢測(cè)性能，產(chǎn)生瞬時(shí)盲點(diǎn)。其中，干擾持續(xù)時(shí)間由被干擾雷達(dá)的中頻帶寬和被干擾雷達(dá)發(fā)射信號(hào)斜率以及干擾雷達(dá)發(fā)射信號(hào)斜率決定，可以表示為：

通常干擾的持續(xù)時(shí)間都很短，例如，中頻帶寬等于12MHz，發(fā)射信號(hào)斜率為40MHz/us，干擾持續(xù)時(shí)間約為0.3us，則ADC采樣點(diǎn)最后4個(gè)點(diǎn)將受到干擾的影響（即ADC采樣的最后4個(gè)點(diǎn)代表的距離受到影響）。

2.3.2 交叉干擾性能分析

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，相對(duì)于熱噪聲的干擾噪聲電平可以表示為：

假設(shè)，干擾雷達(dá)的輸出功率為10dBm，那么被干擾雷達(dá)的接收功率可以表示為：

假設(shè)天線總增益等于14dB，噪聲系數(shù)等于14dB，在此條件下，計(jì)算不同條件下的噪聲電平增量如表1所示。

當(dāng)兩個(gè)雷達(dá)面對(duì)面，相距比較近時(shí)（1m）兩個(gè)雷達(dá)之間的調(diào)頻斜率差會(huì)變小。如前所述，當(dāng)調(diào)頻斜率差變小時(shí)，受影響的ADC采樣點(diǎn)數(shù)增加，但交叉干擾事件本身發(fā)生的概率會(huì)降低，因此每幀數(shù)據(jù)中只有較少的chirp會(huì)受到交叉干擾影響，因此如表1所示干擾的概率僅有1%。

2.3.3 并行干擾

當(dāng)干擾雷達(dá)和被干擾雷達(dá)發(fā)射信號(hào)具有相同的調(diào)頻斜率時(shí)，只有當(dāng)干擾雷達(dá)和被干擾雷達(dá)之間的起始時(shí)間非常接近，且干擾雷達(dá)chirp信號(hào)位于被干擾雷達(dá)chirp的中頻帶寬內(nèi)時(shí)才會(huì)發(fā)生干擾現(xiàn)象，如圖3所示。

當(dāng)與發(fā)射信號(hào)混頻時(shí)，并行干擾在ADC數(shù)據(jù)中成為一個(gè)恒定頻率的信號(hào)，在對(duì)ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換后，在頻域中它就變成了一個(gè)虛假目標(biāo)。也就是說，它相當(dāng)于一個(gè)隨機(jī)距離和隨機(jī)速度的虛假目標(biāo)。這種干擾被稱為并行干擾，干擾區(qū)域幾乎位于整個(gè)chirp中。

然而，并行干擾發(fā)射的概率非常小。如圖4所示，只有當(dāng)兩個(gè)雷達(dá)幾乎同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，干擾雷達(dá)的信號(hào)出現(xiàn)在被干擾雷達(dá)的中頻帶寬中，才會(huì)發(fā)生并行干擾。否則，干擾雷達(dá)的信號(hào)會(huì)被被干擾雷達(dá)的濾波器濾掉。

并行干擾的發(fā)生概率Pintf可以表示為：

Nr為場(chǎng)景中的雷達(dá)數(shù)量，tc為chirp重復(fù)周期，td為并行干擾的最大延遲時(shí)間。例如，在超近程雷達(dá)中，假設(shè)最大距離為20米，td為0.13us。在這種情況下，只有當(dāng)兩臺(tái)雷達(dá)相距在0.13us內(nèi)啟動(dòng)時(shí)才會(huì)發(fā)生干擾。假設(shè)chirp持續(xù)時(shí)間tc為100us，且該區(qū)域內(nèi)有10臺(tái)雷達(dá)工作，當(dāng)占空比為100%時(shí)，干擾概率僅為1.3%。如果每臺(tái)雷達(dá)的占空比僅為10%，則干擾的概率將進(jìn)一步顯著降低。

當(dāng)被干擾雷達(dá)和干擾雷達(dá)有獨(dú)立的本振（LO）時(shí)，即使用戶在chirp配置參數(shù)中給定設(shè)置相同的調(diào)頻斜率，也很難得到精確的調(diào)頻斜率。在這種情況下，虛假目標(biāo)看起來不再像是一個(gè)干凈的目標(biāo)，而是在距離-多普勒譜中會(huì)產(chǎn)生很多嘈雜信號(hào)，由此可以用于識(shí)別是否發(fā)生了并行干擾的情況。

2.3.4 交叉干擾與并行干擾比較

交叉干擾經(jīng)常發(fā)生，但是僅僅影響chirp信號(hào)中的一小部分采樣點(diǎn)，并行干擾很少發(fā)生，但是卻影響整個(gè)chirp信號(hào)。因此，隨著chirp調(diào)頻斜率差的減小，脈沖持續(xù)時(shí)間變長，交叉概率會(huì)減小。

3. 抗干擾方案

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化：不同的雷達(dá)設(shè)置不同的頻段和時(shí)隙

第一種方法是標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化指的是頻率規(guī)劃和chirp設(shè)計(jì)，以及時(shí)隙管理?；诜直媛室蟮念l率規(guī)劃，使不同的雷達(dá)在不同的射頻頻段共存，例如，AWR系列設(shè)備的射頻帶寬為4GHz，可以分為2GHz被兩個(gè)雷達(dá)同時(shí)使用。

另一方面，相鄰幀之間通常存在一段空閑時(shí)間，沒有任何chirp信號(hào)，如果雷達(dá)系統(tǒng)的占空比為10%，可能有10個(gè)不同的雷達(dá)可以及時(shí)分離。

如圖5所示是射頻頻率和時(shí)隙分離的雷達(dá)信號(hào)沒有受到任何干擾的情況。

頻率分離很容易實(shí)現(xiàn)，但時(shí)隙管理必須有一個(gè)通用的全局定時(shí)器，以便于所有雷達(dá)進(jìn)行同步，在這種情況下雷達(dá)需要進(jìn)行幀數(shù)據(jù)同步。雷達(dá)可以使用一個(gè)單獨(dú)的波段用于遠(yuǎn)程雷達(dá)或者近程雷達(dá)，這樣就不會(huì)相互干擾，TI建議對(duì)前置雷達(dá)使用不同的波段，對(duì)后置雷達(dá)使用另一波段。

3.2 并行干擾啟動(dòng)時(shí)間不同

如果一個(gè)雷達(dá)制造商生產(chǎn)的所有雷達(dá)可以被同步到同一個(gè)時(shí)鐘，每個(gè)雷達(dá)都配置了相同種類的chirp和幀參數(shù)，那么就會(huì)產(chǎn)生并行干擾。但是，如果每個(gè)雷達(dá)的幀距偏移到全球時(shí)間大于1us左右，就不會(huì)產(chǎn)生并行干擾，那么在有限的空間和相同的帶寬中就可以共存大量的雷達(dá)。例如，chirp時(shí)間為100us，最大感興趣的距離為150米，也就是說，如果發(fā)射信號(hào)在空氣中傳輸1us，那么大約100個(gè)這樣的雷達(dá)可以在相同的帶寬下共存，另外同步還可以讓幀一個(gè)接一個(gè)地堆疊，這樣就不會(huì)干擾其他雷達(dá)。

在TI的雷達(dá)中，通過主從模式實(shí)現(xiàn)附近雷達(dá)之間的同步是一種簡單的方法，在這個(gè)方案中，一個(gè)雷達(dá)設(shè)備被設(shè)置為主機(jī)，并在發(fā)送幀數(shù)據(jù)時(shí)向從機(jī)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。從機(jī)可以根據(jù)這個(gè)觸發(fā)信號(hào)的延遲精確找到延遲觸發(fā)后自己的數(shù)據(jù)幀。

3.3 感知和避免

在沒有任何同步的情況下，雷達(dá)仍然可以執(zhí)行“感知和避免”，在這種方案中，在雷達(dá)開始工作之前會(huì)感知到頻譜，這是通過保持接收通道開啟，而發(fā)射通道關(guān)閉的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。

如果其他的雷達(dá)沒有發(fā)射信號(hào)，則被干擾雷達(dá)的頻譜是沒有任何單頻信號(hào)，ADC數(shù)據(jù)只存在熱噪聲。另外，如果有來自另一個(gè)雷達(dá)設(shè)備的發(fā)射信號(hào)，存在對(duì)應(yīng)于交叉干擾發(fā)生點(diǎn)ADC數(shù)據(jù)的峰值。

xWR雷達(dá)可以產(chǎn)生250MHz/us級(jí)別的快速調(diào)頻chirp信號(hào)，允許快速掃描。ADC數(shù)據(jù)交叉調(diào)頻可以最大保持清楚地顯示了干擾源。在圖 7 中，干擾源是在 f1 和 f2 之間的一個(gè)chirp信號(hào)。因此，ADC 輸出顯示 f1 和 f2 之間的功率。如果掃描周期長到足以覆蓋多個(gè)幀，需要使用的離散頻帶數(shù)來估計(jì)干擾雷達(dá)的數(shù)量。用戶還可以估計(jì)啁啾占用的幀周期帶寬。最重要的是，用戶可以找到可以進(jìn)行無干擾傳輸?shù)拿赓M(fèi)頻譜或時(shí)隙。當(dāng)識(shí)別出干擾后 ，雷達(dá)可以在干擾不活躍的區(qū)域發(fā)射信號(hào)。

3.4 天線極化

如果干擾雷達(dá)使用水平極化天線發(fā)射信號(hào)，則被干擾雷達(dá)使用垂直極化天線作為接收天線，這樣會(huì)使得干擾雷達(dá)的信號(hào)在被干擾雷達(dá)的天線上衰減大約10dB，不過這種方案需要天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。

4. 干擾定位與緩解

在許多情況下不可避免交叉干擾，若不進(jìn)行任何處理則會(huì)增加噪聲電平，使得弱目標(biāo)淹沒于噪聲之中。本節(jié)通過定位和緩解來降低干擾。

4.1 干擾定位

有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)干擾定位。

首先在ADC原始數(shù)據(jù)中找到異常信號(hào)，強(qiáng)交叉干擾的數(shù)據(jù)會(huì)存在明顯的狀態(tài)。例如，在獲取的ADC采樣點(diǎn)的時(shí)域信號(hào)中，在干擾的交叉點(diǎn)的地方，第一個(gè)采樣點(diǎn)的幅度有很大的躍遷，因此可以設(shè)置一個(gè)合適的閾值，幅度超過這個(gè)閾值則標(biāo)記為干擾影響。圖8顯示了一個(gè)ADC采樣信號(hào)的時(shí)域波形，其中干擾清晰可見。若用一個(gè)簡單的差分濾波器抑制其他頻率的信號(hào)，則干擾信號(hào)更加明顯。

由于XWR器件具有復(fù)雜的基帶，可以區(qū)分正頻率和負(fù)頻率，但是發(fā)射信號(hào)的延遲信號(hào)（目標(biāo)回波信號(hào)）頻率永遠(yuǎn)不可能是負(fù)的。因此，如果雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻斜率為正，則所有有效對(duì)象（目標(biāo)回波信號(hào)）的頻率都為正（即它們位于信號(hào)頻帶內(nèi)）。任何在負(fù)頻率（圖像頻段）的信號(hào)都可能受到干擾，信號(hào)波段（藍(lán)色）要強(qiáng)于圖像波段（紅色），當(dāng)出現(xiàn)交叉干擾時(shí)，圖像波段的幅度會(huì)突然上升，通過這種方法來定位弱干擾，如圖9所示。

4.2 干擾緩解

找到干擾的位置后，我們想要降低干擾，緩解的意思是修復(fù)干擾區(qū)域的過程。最簡單的緩解方法是將干擾區(qū)域置零，然而這樣做的副作用是產(chǎn)生大的旁瓣，可能會(huì)淹沒弱小目標(biāo)。

更優(yōu)的方案是通過加窗來緩解，使用一個(gè)平滑窗來將受干擾影響的樣本歸零，這樣的旁瓣更低，且對(duì)弱目標(biāo)的檢測(cè)能力更強(qiáng)。

最好的方法是在空白區(qū)域進(jìn)行線性插值，使用干擾前的最后一個(gè)ADC采樣點(diǎn)和干擾周期后的第一個(gè)ADC采樣點(diǎn)。因?yàn)樽顝?qiáng)的反射面可能離雷達(dá)很近，因此頻率更低，這種方法比較有效。如圖10所示。

干擾緩解是一個(gè)比較熱的研究領(lǐng)域，可能有比這里闡述的三種緩解方案更復(fù)雜，然而，隨著緩解方案的復(fù)雜，必須考慮芯片處理的速度。

5.抖動(dòng)與隨機(jī)化

當(dāng)并行干擾發(fā)生時(shí)，整個(gè)調(diào)頻周期的信號(hào)都被干擾，并且難以修正，因此定位和抑制不是有效的方案。

因此，并行干擾可以通過一種稱為調(diào)頻抖動(dòng)或者調(diào)頻隨機(jī)化的過程來減弱，在這個(gè)過程中調(diào)頻信號(hào)的某些參數(shù)被隨機(jī)化，例如相位隨機(jī)。由于干擾雷達(dá)不知道被干擾雷達(dá)的隨機(jī)化方法，并行干擾會(huì)在多普勒處理過程中擴(kuò)散。調(diào)頻信號(hào)的起始相位可以使用逐漸調(diào)頻移相器API或二進(jìn)制移相器進(jìn)行隨機(jī)化。此外還有很多參數(shù)可以隨機(jī)化，如調(diào)頻斜率、調(diào)頻起始頻率、調(diào)頻空閑時(shí)間等等。

圖11顯示了由并行干擾引起的虛假目標(biāo)如何通過隨機(jī)二進(jìn)制相位調(diào)制（相位抖動(dòng)）在多普勒中擴(kuò)散，并通過調(diào)頻空閑時(shí)間抖動(dòng)進(jìn)一步擴(kuò)散。如果不使用隨機(jī)化方法，并行干擾就會(huì)以虛假目標(biāo)的方式出現(xiàn)，如果采用隨機(jī)化方法，則干擾的峰值就會(huì)因抖動(dòng)而被破壞。

隨機(jī)化的工作原理是通過不同調(diào)頻信號(hào)破壞干擾雷達(dá)調(diào)頻信號(hào)的一致性，從而減少他們?cè)诙S處理中的影響。這種減少大約是一幀調(diào)頻數(shù)的10log10倍，當(dāng)干擾雷達(dá)的相干性被破壞時(shí)，CFAR算法就可以用來去除干擾的影響。

在多普勒處理過程中，抖動(dòng)方案引入了更多的復(fù)雜情況，因?yàn)楸仨殤?yīng)用一些校正方法，例如，調(diào)頻信號(hào)相位抖動(dòng)可以通過在多普勒處理之前對(duì)調(diào)頻信號(hào)增加一個(gè)相反的移相器來糾正。某些抖動(dòng)方法，如空閑時(shí)間抖動(dòng)，可以在多普勒引入較高的噪聲電平，因此需要謹(jǐn)慎使用。

6.結(jié)論

雷達(dá)相互干擾是多個(gè)雷達(dá)部署的絆腳石，如果沒有考慮這一點(diǎn)，將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)檢測(cè)失敗、虛假目標(biāo)以及雷達(dá)探測(cè)范圍降低等情況，使用不同的方法如隨機(jī)化、抖動(dòng)、頻率規(guī)劃、定位干擾以及緩解，都有可能抑制干擾，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

7.參考文獻(xiàn)

1. Sriram Murali, Karthik Subburaj, Brian Ginsburg and Karthik Ramasubramanian, Interference Detection in FMCW Radar Using A Complex baseband Oversampled Receiver, https://ieeexplore.ieee.org/document/8378800。

   
   

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