Подложка ИС - автомобильная радиолокационная станция и интенсивный радиочастотный спектр: потенциальный городской электронный фронт

С ростом популярности автомобильных радаров переполненный радиочастотный спектр в городской среде превращается в "поле электронного боя". Радары будут подвергаться комбинированным атакам с непреднамеренными или преднамеренными помехами, и разработчики должны реализовать методы защиты от помех, как в радиоэлектронной борьбе (РЭБ). Автомобильные радары обычно подвергаются помехам типа "отказ" или "обман". Запрещающие помехи ослепляют радар автомобиля-жертвы. При этом снижается отношение сигнал/шум, что приводит к уменьшению вероятности обнаружения цели. С другой стороны, обманные помехи заставляют радар транспортного средства-жертвы "поверить" в наличие ложной цели. При этом радар пострадавшего автомобиля теряет способность отслеживать реальные цели, что серьезно сказывается на его поведении. Эти помехи могут возникать в результате взаимных помех между автомобильными радарами или использования дешевого оборудования для простого направления мощных непрерывных волновых (CW) сигналов на радары автомобилей-жертв и преднамеренных атак. Радиочастотные частоты

Несмотря на то, что существующих технологий устранения помех может быть достаточно для решения сегодняшней ситуации, с распространением радарных датчиков автомобилям придется использовать гибкие типы технологий снижения помех или такие технологии в сочетании с методами устранения помех. К гибким технологиям относятся обработка сигналов во временно-частотной области или сложные формы сигналов радаров.

Постановка помех FMCW-радару

Форма волны радара является одним из ключевых параметров системы, по которому можно судить о работе датчика в условиях помех. Современные автомобильные радары, работающие в диапазоне 77 ГГц, в основном используют FMCW-сигналы. В FMCW-радаре сигнал CW линейно развертывается или чирпируется на частоте радиочастотного диапазона. На рис. 1 показана форма сигнала FMCW chirp sequence (CS). Разность частот (fB, beat frequency) эхо-сигнала пропорциональна расстоянию R до цели, которое можно определить по следующей зависимости:

Среди них fsweep - изменение частоты, а Tchirp - время развертки частоты.

В плотной радиочастотной среде помехи возникают, когда радарный датчик FMCW работает в той же части частотного диапазона. Типичный пример помехи от встречного автомобиля показан на рис. 2а.

Отклоняемая помеха (b) и обманная помеха (c) для FMCW-радара в сценарии движения (a)

Отклоняемая помеха

Любой сильный помеховый сигнал типа FMCW, попадающий в полосу пропускания приемника, увеличивает шумовой фон радара-жертвы. Такая отклоняющая помеха может привести к исчезновению мелких целей (т.е. с малым радиолокационным сечением (RCS)) из-за плохого SNR. Отклоняющая помеха может быть создана и преднамеренно, просто подав сильный КВ-сигнал на FMCW-радар потерпевшего транспортного средства.

Обманные помехи

Если развертка сигнала помехи синхронизирована, но запаздывает по отношению к радару-жертве, то ее эффект будет заключаться в создании обманчивых ложных целей на фиксированном расстоянии (рис. 2в). Этот прием очень распространен в помехах радиоэлектронной борьбы. Аналогичные радары встречных автомобилей станут непреднамеренными помехами. Однако вероятность совпадения по времени радара-жертвы и радара-постановщика помех будет очень мала. Смещение задержки помехи, которое меньше максимальной дальности задержки радара-жертвы, может выглядеть как реальная цель. Например, для максимальной дальности 200 м требуется, чтобы ошибка совмещения сканирования была менее 1,3 микросекунды. Однако, установив на платформе встречного автомобиля сложное оборудование, напоминающее средства радиоэлектронной борьбы, можно преднамеренно осуществить такие обманные атаки.

В более общем случае обманное глушение основано на повторной передаче сигнала РЛС-жертвы, но его задержка и частота систематически изменяются. Это может быть некогерентным (в этом случае глушитель называется ретранслятором) или когерентным (в этом случае глушитель называется ретранслятором). Ретранслятор принимает, изменяет и ретранслирует один или несколько сигналов помехи, а ретранслятор передает заранее заданный сигнал, когда помеха обнаруживает радиолокационный сигнал цели-жертвы.

Для проведения сложных атак на основе ретрансляторов обычно требуется цифровая радиочастотная память (DRFM). DRFM может выполнять согласованные атаки с задержкой по дальности и перетягиванием доплеровского затвора. Таким образом, она будет поддерживать ложную дальность до цели и доплеровские характеристики для обмана радара-жертвы.

Технология подавления помех

Базовые технологии подавления радиолокационных помех в основном базируются на методах исключения помех. Цель состоит в том, чтобы уменьшить вероятность пространственного, временного и частотного перекрытия, например:

* Пространство: Использование более узкого электронного сканирующего луча может снизить риск возникновения помех. Типичное поле зрения радара круиз-контроля (ACC) автомобиля дальнего действия составляет ±8 градусов. Тем не менее, сильные мешающие сигналы все равно могут создавать эффективные помехи за счет боковых лепестков антенны.

* Время: Параметры наклона чирпа FMCW генерируются случайным образом, что позволяет избежать периодических помех.

* Спектр: Случайным образом генерируются частоты начала и окончания FMCW-чирпа для снижения вероятности перекрытия и интерференции.

Базовый метод рандомизации позволяет избежать случайной синхронизации с другими радарами, но может оказаться не столь полезным в плотных радиочастотных средах. Все большее количество радиолокационных датчиков требует более сложной и гибкой технологии для снижения помех.

Обнаружение и устранение

Еще один способ избежать помех - использовать алгоритмы обработки сигнала для восстановления формы принимаемой волны. Технология работы во временной и частотной областях позволяет эффективно бороться с помехами типа "отказ". В сцене со встречным автомобилем (рис. 2) помеха сканирует все частотные бины в течение очень короткого времени. Этот быстро меняющийся во времени сигнал выглядит как повышенный уровень шума в обычной области БПФ. Технология обработки сигналов во временно-частотной области переводит сигнал в другую область. По сравнению с доменом БПФ в этом домене легче отфильтровать помехи.

Для изменяющихся во времени сигналов короткопериодное преобразование Фурье (STFT) может дать больше информации, чем обычное БПФ. Технология, основанная на STFT, может быть использована для устранения узкополосных помех (см. рис. 3). По сути, STFT перемещает окно по сигналу и получает БПФ интервала окна. Сигнал фильтруется в частотной области для удаления помеховых составляющих, а затем преобразуется обратно во временную область. На рис. 4 показана типичная ситуация FMCW-помех с перекрывающимися последовательностями радиочастотных чирпов и результирующий сигнал биений ПЧ в области STFT. Справа показана область ПЧ, которая является конечным результатом смешения сигналов радара (синий) и помехи (оранжевый). Горизонтальная линия указывает на цель, а V-образная вертикальная линия - на наличие сигналов помех. Помехи FMCW в том же или противоположном направлении, или даже медленная чирпизация, похожая на CW, оказывают аналогичное воздействие на сигнал ПЧ. При всех этих помехах быстро меняющийся V-образный сигнал ПЧ будет увеличивать уровень шума в обычной области БПФ.

Для фильтрации мешающих сигналов в области STFT можно использовать амплитудное маскирование. Разумеется, при этом необходимо, чтобы фронтальная часть и часть квантования радара-жертвы имели достаточный динамический диапазон для одновременной линейной обработки более сильного сигнала помехи и меньшего ожидаемого сигнала цели. На рис. 5а показан сигнал сильной помехи, а на рис. 5б - обработанный STFT. В случае сильной помехи, как показано на рис. 5а, несколько реальных целей не видны. На рис. 5б V-образный сигнал помехи устранен; при обратном переводе во временную область теперь можно идентифицировать цель с низким SNR.

В ситуации с помехами отклоняющего типа для борьбы с сильными помехами может быть использована технология подавления помех на основе STFT. В случае обманных атак на помехи только STFT не позволяет проверить, является ли возвращенный сигнал истинным или ложным.

Шифрованная радиочастота

Основной контрмерой, позволяющей снизить воздействие атак с обманным замиранием ретранслятора, является использование волновых форм радаров с низкой вероятностью перехвата (LPI). Цель LPI-радара - распределить излучаемую энергию по широкому частотному спектру, чтобы избежать обнаружения, обычно используя квазислучайное сканирование, модуляцию или последовательность скачков частоты. FMCW представляет собой форму волны LPI. Если в частотный чирп ввести фазовое кодирование или шифрование, то это может еще больше снизить вероятность перехвата сигналов автомобильных радаров с помощью DRFM. По уникальным зашифрованным радиочастотным характеристикам каждого радарного датчика можно проверить подлинность возвращаемого сигнала.

Два одинаковых радара (установленных на разных автомобилях) имеют частотные смещения и задержки между собой, что создает ложную цель на радаре-жертве. Радар-постановщик помех и радар-жертва согласованы по времени (одинаковый наклон чирпа и меньшее смещение). В этом случае FMCW-радар с фазовым кодированием может обеспечить высокую помехозащищенность. Использование ортогональных кодов также делает возможной работу радара в режиме MIMO, обеспечивая одновременную передачу нескольких сигналов. Радиочастотные частоты