基于STFT的汽車雷達抗干擾處理方法

黃志忠

(桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

高級駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driving Assistance System,ADAS)通過障礙物檢測、交通標志識別、車輛和駕駛員狀態(tài)監(jiān)控、通信等技術(shù)手段來避免交通事故的發(fā)生，從而提高駕駛的安全性和自動駕駛的可靠性。毫米波雷達具有全天時全天候工作能力，在檢測障礙物和環(huán)境感知方面具有諸多優(yōu)勢，是ADAS系統(tǒng)中重要的傳感器。

毫米波汽車雷達的應(yīng)用場景主要有2個方面[1]：

(1)盲點檢測

毫米波雷達位于車輛周圍(前面、后面、側(cè)面或車輛4個角)，檢測駕駛員視覺幾乎看不到的位置，主要用于車輛起步和停靠或泊車輔助。該場景下雷達探測距離一般小于10 m，主要由24 GHz短程雷達完成。

(2)自適應(yīng)巡航控制

毫米波雷達位于車輛前部和側(cè)面，探測前方遠處的車輛或其他障礙物，適用于一般駕駛和自動駕駛的告警。該模式下對雷達的檢測信噪比和作用距離(最大200 m或更遠)要求較高，主要由24 GHz或77 GHz中遠程雷達實現(xiàn)[2]。

汽車雷達在復(fù)雜的交通環(huán)境中工作，面臨著許多有意或無意的干擾，其中以附近工作的同類型汽車雷達的干擾為主，導(dǎo)致目標檢測時出現(xiàn)嚴重的虛警或漏警問題。本文首先介紹了幾種國內(nèi)外研究較多的抗干擾技術(shù)，然后從實用的角度介紹了基于短時傅里葉變換(Short-Time Fourier Transform,STFT)的抗干擾處理方法，通過仿真表明其有效性。

1 汽車雷達抗干擾方法

由于頻譜資源和系統(tǒng)體積的限制，汽車雷達一般工作在24 GHz或77 GHz頻段。工作于密集射頻信號環(huán)境中的汽車雷達隨時會受到干擾，例如后面汽車的前視雷達、迎面而來的汽車雷達、轉(zhuǎn)彎匯車的側(cè)視雷達等。當前學(xué)者們從理論上研究的抗干擾技術(shù)，主要包括空域規(guī)避和發(fā)射復(fù)雜雷達波形2種方法。

(1) 空域規(guī)避：通過使用窄波束和電子掃描波束的方式，減少發(fā)射信號空間重疊的可能性。如遠距汽車巡航控制雷達的發(fā)射波束寬度設(shè)置為10°左右，在方位上采用波束形成方式掃描覆蓋區(qū)域。還有相關(guān)研究通過自適應(yīng)波束形狀，在特定方向形成接收凹口以抑制干擾。采用窄波束或自適應(yīng)波束形成無疑會使毫米波雷達設(shè)計成本急劇增加，而且強干擾依然能夠從天線旁瓣進入接收機。如果在凹口方向或波束盲區(qū)存在重要目標，還會造成目標信息的丟失。所以，空域規(guī)避處理方法在汽車雷達的實際使用中非常有限。

(2) 發(fā)射復(fù)雜雷達波形：在時域或頻域上對雷達發(fā)射信號波形進行設(shè)計，使其具有獨特性，避免相干信號的干擾。如在時間上隨機改變調(diào)頻連續(xù)波chirp的斜率，在頻域上改變調(diào)頻連續(xù)波的開始頻率和截止頻率。或者對發(fā)射信號進行相位編碼，采用正交編碼、偽隨機編碼、噪聲編碼等方式以獲得良好的抗干擾性能[3]。編碼長度越長其抗干擾效果越好，但是信號產(chǎn)生電路會更復(fù)雜，信號處理硬件和算法設(shè)計難度大幅增加，導(dǎo)致系統(tǒng)成本上升。其次，相位編碼信號會受多普勒頻移的影響，對目標檢測不利。復(fù)雜波形在頻域上相當于擴展帶寬，使雷達前端設(shè)計帶寬增加，干擾信號更容易進入系統(tǒng)。

2 基于STFT的處理方法

從低成本和可靠性的角度考慮，還是采用一般的線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)信號，頻域上是一個chirp信號。如果雷達在一個探測周期內(nèi)發(fā)射一段連續(xù)線性掃頻信號，那么目標反射的回波與發(fā)射信號混頻后就會得到一個差頻信號，頻率差Δf與目標距離R成正比，它們的關(guān)系為：

(1)

式中,c為光速；T為掃頻時間；B為掃頻帶寬。

常規(guī)的線性調(diào)頻體制雷達發(fā)射信號及信號處理相對比較簡單，如圖1所示，只要對混頻去斜后的基帶信號采樣做快速傅里葉變換(FFT)，然后通過檢測頻率點即可換算出目標的距離。

圖1 LFMCW雷達工作原理Fig.1 Working principle of LFMCW radar

在復(fù)雜的交通環(huán)境中，同頻段同體制的汽車雷達之間極易造成相互干擾，會導(dǎo)致虛假目標的產(chǎn)生，如果干擾信號幅度太大(直達波)，甚至?xí)?dǎo)致無法檢測目標。

根據(jù)式(1)可知，如果存在一個真實的目標，其反射回波經(jīng)過去斜以后是一個單頻信號，其頻譜在時間分布上呈一條直線，并且其頻率值對應(yīng)一個相應(yīng)的距離,即時延。再者，不同雷達之間工作是不同步的，其時間幾乎不可能對準。基于以上2點，可以采用STFT處理方法，將真實目標和干擾信號分離。

STFT也稱滑窗式或分時傅里葉變換，是一種簡單有效的時頻分析方法。其基本原理是將信號在時間軸上分段截取，截取長度由所選窗函數(shù)決定，然后對窗內(nèi)信號進行傅里葉變換得到頻譜[4-5]。滑動時間窗，不斷重復(fù)以上操作，直到信號結(jié)束。最后將所有變換結(jié)構(gòu)按照先后順序排列，可得到信號的時變頻譜。其計算方法為：

(2)

式中，x(n)為信號；w(n-k)為窗函數(shù)；L為窗函數(shù)長度。

基于STFT的處理步驟如圖2所示，對混頻去斜以后的基帶信號進程AD采樣，然后做STFT。分析其頻譜在時間上是否呈直線連續(xù)分布，如果不是，則為干擾信號，通過幅值門限將其濾除。重復(fù)以上分析，直到剩余頻譜呈直線分布或沒有可檢測到的頻譜分量。如果存在呈直線分布的頻譜，標記頻譜出現(xiàn)時間，再將信號反變換恢復(fù)到時域。將時域信號做FFT，恒虛警檢測目標，然后將目標距離與頻譜出現(xiàn)時間做對比，如果一致則為真實目標，否則為虛假目標。

圖2 信號處理流程Fig.2 Signal processing flow

基于STFT域的處理方法，要求雷達前端和量化位數(shù)有足夠的動態(tài)范圍，能夠同時對強干擾信號和小目標進行線性處理。通過分析可得，如果存在同向同斜率的線性調(diào)頻干擾信號，則會出現(xiàn)虛假目標。如果存在反向或不同斜率的線性調(diào)頻干擾信號，則會把噪底抬高甚至?xí)蜎]真實目標。上述方法對這些干擾均可做到很好的抑制。

3 仿真驗證

存在同向同斜率干擾信號的仿真結(jié)果如圖3所示。

(a) 信號時頻特性

(b) 直接FFT的檢測結(jié)果

(c) STFT的時頻分布圖3 同向同斜率干擾信號仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of same direction and same slopeinterference signals

對于同向同斜率干擾信號，直接對混頻去斜后的基帶信號進行FFT，可以發(fā)現(xiàn)有2個目標的存在。但是對信號進行STFT后發(fā)現(xiàn)，150 m處目標對應(yīng)的頻率分量出現(xiàn)時間在同步脈沖延遲4 μs處而非1 μs，所以可以判斷該目標為虛假目標。

圖4～圖7分別為存在同向不同斜率干擾信號和存在反向調(diào)制干擾信號的仿真結(jié)果。

(a) 信號時頻特性

(b) 直接FFT的檢測結(jié)果

(c) STFT的時頻分布圖4 同向不同斜率干擾信號仿真結(jié)果Fig.4 Imulation results of jamming signals modulated by different slopes in the same direction

(a) 幅度濾波后的STFT的時頻分布

(b) 幅度濾波后的檢測結(jié)果圖5 本文方法處理同向不同斜率干擾信號的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of jamming signals modulated by different slopes in the same direction processed by the proposed method

(a) 信號時頻特性

(b) 直接FFT的檢測結(jié)果

(c) STFT的時頻分布圖6 反向調(diào)制干擾信號的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of jamming signal modulated in opposite direction

(a) 幅度濾波后的STFT的時頻分布

(b) 幅度濾波后的檢測結(jié)果圖7 本文方法處理反向調(diào)制干擾信號的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of jamming signals modulated in opposite direction processed by the proposed method

對于同向不同斜率的干擾信號和反向調(diào)制的干擾信號，假設(shè)干擾來自其他雷達的直達波，幅度大于目標回波20 dB。如果直接對混頻去斜后的基帶信號進行FFT，可以發(fā)現(xiàn)無法檢測到任何目標,如圖4(b)和6圖(b)所示。對信號做STFT后發(fā)現(xiàn)存在一個幅度較大的倒“V”型頻譜圖4(c)和圖6(c)所示，可以斷定存在與發(fā)射信號有頻率交叉干擾信號。對該頻譜做幅度門限濾除后檢測到被淹沒的目標如圖5(a)和圖7(a)所示。對信號做反變換恢復(fù)時域，然后再做FFT即可檢測到真實目標，如圖5(b)和圖7(b)所示。

4 結(jié)束語

汽車雷達工作的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，隨時隨地都可能存在干擾，但依然能夠找到很多解決方法。空間自適應(yīng)波束形成、復(fù)雜發(fā)射波形設(shè)計等方法都會使硬件系統(tǒng)更復(fù)雜，處理更困難。線性調(diào)頻連續(xù)波具有電路設(shè)計簡單、成本低廉，信號處理簡單可靠的優(yōu)勢，依然是當前毫米波汽車雷達主流的工作波形。本文的研究結(jié)果表明，即使是完全相同型號的汽車雷達，其工作時不可能完全同步。首先，必須對接收信號進行時頻特性同時分析處理，相當于對接收信號預(yù)先做出判斷干擾是否存在，然后再進行處理。與常規(guī)的直接處理相比具有抗干擾能力，而且不增加硬件設(shè)計成本。通過理論分析和仿真結(jié)果表明，基于STFT的時頻域聯(lián)合處理方法可以在一定程度上解決汽車雷達的干擾問題。