雷达侦听原理和FISA技术细节以及多种实现方式

引言：

智能网联汽车产业在全球范围内的快速发展对交通环境感知技术提出了越来越高的要求.毫米波雷达凭借其全天时全天候可靠工作的特点和相对较低的成本,成为智能网联汽车不可或缺的交通环境感知设备.然而,随着车载雷达渗透率的逐步提升,雷达间的互干扰变得不可忽视,来自其他雷达的干扰会降低本雷达检测概率或提升虚警概率,对行驶安全或舒适性造成负面影响.为了解决该问题,本文给出了一种主动干扰协同方法,称为快速干扰侦听和规避技术(Fast Interference Sensing and Avoidance,FISA),并通过仿真验证了该方法相比于现有随机跳频技术能够显著降低互干扰的发生概率.

毫米波雷达凭借其全天时全天候可靠工作的特点和相对较低的成本， 成为 智能网联汽车不可或缺的交通环境感知设备。然而 ， 随着车载雷达渗透率的逐步提升， 雷达间 的互干扰变得不可忽视， 来自其他雷达的干扰会降低本雷达检测概率或提升虚警概率， 对行驶安全或舒适性造成负面影响 。 为了解决该问题， 本文给出了一种主动干扰协同方法， 称为快速干扰侦听和规避技术（ Fast Interference Sensing and Avoidance,FISA ）， 并通过仿真验证了该方法相比于现有随机跳频技术能够显著降低互干扰的发生概率。 随着智能网联汽车及产业在全球范围内的快速发展，交通环境感知技术的渗透率也逐年上升。 交通环境感知技术涵盖毫米波雷达、激光雷达和摄像头等信息感知技术 [1] ，是智能网联汽车的核心技术，其应用充分反映了智能网联汽车的智能化程度，同时与智能网联汽车的安全性息息相关。 毫米波雷达凭借高分辨率和精度、 全天候可靠工作和较低的成本等优点，已成为智能网联汽车不可或缺的交通环境感知设备。 随着自动驾驶不断向高级别演进， L4/L5 级自动驾驶单辆车需要装配 10 个以上毫米波雷达， 在十字路口 、道路环线和高架桥等复杂路况下， 毫米波雷达间的互干扰将对行驶安全和舒适性造成负面影响。目前， 车载毫米波雷达均在非合作模式下运行，也没有行业间的协调方案解决干扰问题。  例如， 在雷达干扰比较大的时候， 采用频率上随机跳频、时间上随机错开是当前比较普遍使用的干扰规避的手段 [2] 。随机使用资源在干扰不算密集的时候是一种比较有效的方法， 但是当干扰源密集的情况下， 随机使用资源较大概率容易造成资源使用冲突和使用不充分。 一种高效地解决雷达间的干扰问题的方法是雷达之间的主动干扰协同 [3] ， 比如通过政府机构或多雷达厂商之间进行频段资源协调，通过频段或信道划分建立通用规范， 使雷达工作在不同的正交时频范围内，主动避免干扰的发生，我们称这种通过协调避免雷达干扰的方案为“协同方案”。 在必要的情况下，还需出台相应的强制性标准或法规进行统一要求与管理。 在此背景下， 雷达快速干扰侦听和 规避技术（ Fast Interference Sensing and Avoidance, FISA ） 应运而生。 FISA 技术在统一划分频域栅格、规定载波起始频率的情况下， 规范了雷达进行干扰侦听和主动规避干扰的技术要求。 该技术降低了互干扰情况发生的概率， 保证了频谱资源使用的公平性， 也使得频谱资源得以高效利用。 本文首先介绍雷达侦听原理；其次详细阐述FISA 技术， 其中包括该技术的概述、起始频点的定义、 技术机理以及关键参数； 然后利用仿真验证了FISA 技术相比于现有随机跳频技术能够显著降低互干扰的发生概率； 最后得出结论， 并对下一步工作进行展望。  

雷达侦听原理

雷达侦听是通过雷达的接收链路实现的， 如图1 所示为汽车毫米波雷达典型接收链路。 雷达侦听过程如下： 首先， 利用雷达接收天线接收空间中的电磁波，得到射频接收信号； 然后， 将射频接收信号经过低噪声放大器（简称低噪放）后与本地振荡器（简称本振）提供的本地振荡信号进行混频处理， 再经过低通滤波器后得到中频信号； 最后， 利用模数转换器对中频信号进行采样得到中频采样信号， 对中频采样信号进行分析得到最后的侦听结果。

FISA  技术

2.1 概述

本节内容主要包含起始频点的定义、 FISA 技术机理和 FISA 门限及侦听物理量这几部分内容。 在展开介绍之前， 首先定义几个术语概念。

1 ） 调频连续波 (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) ， 指频率随时间线性变化的毫米波雷达信号波形。

2 ） 工作时频资源 （ Operating Frequency/Time Resource, OFTR ）， 指用于承载雷达目 标探测所用的雷达波形所占用的时频资源。

3 ）候选 OFTR ， 指雷达可支持的工作时频资源，雷达通过侦听机制决定未来是否使用该 OFTR 。

4 ） 频域栅格（ Frequency Raster, FR ）， 指频域资源划分后， 相邻两个频率起点之间的频率差。

5 ）时域栅格（ Time Raster, TR ）， 指时域资源划分后， 相邻两个时间起点之间的时间差。

6 ）帧（ Frame ）， 指雷达目标探测时， 在时间维度上的周期性工作时段。 其时间长度典型值为 50ms 。

7 ）发射时段（ Transmission Duration, TD ）， 指在一次目标探测中， 雷达发送的连续多个雷达探测信号的时间间隔， 探测信号如线性调频连续波信号或脉

冲信号。其时间长度典型值为 5ms ， 10ms ， 20ms 等。

8 ） 空闲时段（ Idle Duration, ID ）， 指两次连续发射时段之间， 雷达不发射目 标探测信号的时间间隔。其时间长度典型值为 30ms ， 40ms 等。

9 ）干扰底噪提升比（ Interference over Noise, IoN ），毫米波雷达在被干扰之后的干扰功率和噪声功率之和与被干扰之前的噪声功率的比值。 其数学表达式为：

其中 I 为干扰功率值， N 为雷达接收机噪声功率值。FISA 技术简单理解就是首先通过干扰侦听掌握雷达工作时频资源（即 OFTR ）的受干扰情况， 然后基于该情况选择合适的 OFTR 进行工作， 从而使雷达可以适应复杂电磁环境变化的技术。 如图 2 所示， 是多部雷达使用 FISA 前后， 其雷达信号的时频图。 可以看到在使用 FISA 前， 多部雷达的信号有可能会使用非常接近的时频资源， 使得雷达之间的互干扰较严重； 而使用了 FISA 技术之后， 多部雷达在划分好的信道上工作， 并且充分的使用了频谱资源， 很大程度减少了雷达之间的互干扰问题。

2.2 起始频点定义

考虑到频谱资源的稀缺性，如果放任雷达随意选择工作频率，不同雷达所占时频资源易出现不可控的资源重叠，引发干扰并会造成总频谱资源的浪费。因此， 可以引 入一定的时频资源使用规则， 使不同雷达在预定义好的“正交”信道上工作， 从而互干扰更可控且资源使用更紧凑合理。  “正交”信道并非指两个信道时频资源完全不重叠， 而是基于雷达的工作原理， 不同的雷达波形在频域和时域上错开一定的间隔（栅格）， 使得干扰接收信号与发射信号的差频在彼此目 标中频的观察范围之外即可， 如图 3所示。 这种方式可以达到在有限时频资源内支持更多互干扰较小的波形，提升频域资源使用效率。

由于不同雷达的工作带宽是多样化的， 我们可以以上述频域栅格方式来约束雷达信号的起始频点。 考虑到目 前 77GHz 雷达的中频带宽普遍在 5~15MHz 之间， 我们选用 10MHz 作为频域栅格的步长。 例如， 雷达信号起始频点在 76-77GHz 的载波起点集合 Ω 中选择， 其中载波起点集合 Ω 定义为：Ω={76+0.01×N} （ 2 ）其中 N=0,1,2, … ,99 ， 即集合一共有 100 个元素， 每个元素的单位是 GHz 。 按照如上起始频点工作的雷达工作频率范围是互相重叠的， 如果雷达的中频带宽小于 10MHz ， 雷达最小移动一个 FR ， 就有可能完全避开干扰， 如果雷达的中频带宽大于 10MHz ， 雷达移动多个 FR ， 就有可能完全避开干扰， 这样可以最大化的利用宝贵的频谱资源。

2.3 FISA 技术机理

FISA 技术机理是指， 雷达通过侦听候选 OFTR上的干扰信号， 确定其可用性的过程。 例如， 当雷达设备检测到候选 OFTR 上存在足够强度的干扰时，判定当前候选 OFTR 不可用； 当雷达设备检测到候选 OFTR 上不存在足够强度的干扰时， 判定当前候选 OFTR 可用， 则雷达接下来可在相应 OFTR 上发送雷达信号，该检测过程称为 OFTR 可用性检测。 若雷达经过干扰侦听判定候选 OFTR 不可用， 可以采用一系列规避措施， 例如通过更换频率、更换时间、更换波形参数等规避干扰， 在其他候选 OFTR 上发送雷达信号。FISA 按执行步骤分为干扰侦听和干扰规避。

2.3.1 干扰侦听

考虑到功能安全要求， 雷达需要向总线输出告警信号， 并且在必要的时候退出服务， 避免在干扰严重的情况下仍然向车身输出不正确的结果， 造成不必要的事故。 雷达设备在正常工作期间应至少对当前工作的OFTR 执行干扰侦听， 并通过雷达输出接口 上报干扰程度， 可以将干扰程度划分为“无干扰”、“有干扰”。雷达设备侦听参数为被测 OFTR 上的雷达接收机处理后的接收机中频处的 IoN 的值， 如公式 (1) 所示， 其中 N 为常温无干扰时， 接收机处理后的噪声底。  接收机干扰处理后的 IoN 计算是雷达接收机处理算法的一部分， 为雷达厂商实现， 与雷达芯片无关， 因此不涉及雷达芯片的修改， 输出 具有可行性和必要性。 侦听可以在 ID 执行， 也可以在 TD 执行。 侦听周期为一帧 （典型值为 50ms ）， IoN 的值为侦听周期内的统计结果，

a ） 当 IoN＜ 门 限 T0 时， 雷达通过输出接口上报“无干扰”信息；

b ）当门限 IoN≥ 门限 T0 时， 雷达通过输出接口上报“有干扰”信息， 并采取 

2.3.2 节的干扰规避措施中的至少一种。

除了上述这种简单的有无干扰程度划分方式，也可以有其它更丰富的划分方式。 例如，可以将干扰程度划分为三种状态， 分别为“无干扰”、“干扰程度一”和“干扰程度二”。 此时，

a ） 当 IoN＜ 门 限 T1 时， 雷达通过输出接口上报“无干扰”信息；

b ） 当 门 限 T1≤IoN＜ 门 限 T2 时， 雷达通过输出接口 上报“干扰程度一”信息， 并采取 2.3.2 节的干扰规避措施中的至少一种；

c ）当 IoN≥ 门 限 T2 时， 雷达通过输出接口上报“干扰程度二”信息， 并采取 

2.3.2 节的干扰规避措施中的至少一种。本文给出的门限取值见 2.4 节。

2.3.2 干扰规避

雷达设备在侦听到干扰后采用的干扰规避措施包括以下至少一种：

a ）上报“有干扰”或者“干扰程度一或二”继续使用原波形在当前工作的 OFTR 内发送雷达信号；

b ）更换频率在其他 OFTR 内 发送雷达信号， 更换后的雷达信号的起始频点参照公式 (2);

c ）更换时间在其他 OFTR 内发送雷达信号；

d ） 更换波形参数在当 前工作的 OFTR 或其他OFTR 内发送雷达信号；

e ）暂停服务。

2.4 FISA 门限

本节从汽车相关标准定义的 雷达探测需求出发，讨论了雷达应用的必要场景， 以得出 FISA 门限。 少量雷达的互干扰会造成距离 - 多普勒平面上某些特定位置的底噪大幅抬升， 造成某些具有特定特征的目标（一定距离， 一定速度）无法检测， 也就是说， 少量雷达互干扰是有色的。 假定在现实情况下，由于汽车的移动等原因， 雷达不会总被一种特定的干扰波形所干扰， 并且雷达通过现有的被动式干扰消除技术可以 解决这种少量的特定位置的有色干扰。  但是在雷达密度非常大的情况下，雷达的干扰体现为距离 - 多普勒平面大面积的底噪抬升， 这种情况下， 被动式干扰消除技术就会受限， 需要通过主动式协调，即干扰侦听来规避干扰。 如 2.3.1 节所述， 雷达设备干扰侦听的物理量是接收机处理后的接收机中频处的 IoN 的值。 由雷达方程， 假设只有干扰 I 和探测距离 R 是变量， 其它量固定， 得到 IoN 与探测距离变化之间的关系， 有，

其中 SNR 为雷达方程中雷达目 标检测信噪比， S 为有用信号功率值， R 为雷达探测距离，对应雷达最大探测距离， 即为没有干扰时的探测距离，为雷达最大探测距离的最低需求， 即为考虑最大可容忍干扰时的探测距离。 依据参考文献 [4] 的研究， 以及当前的高级驾驶辅助系统 ADAS （ Advanced Driving Assistance System ） 标准 [5-7] ， 基于目前业界典型雷达应用场景和雷达配置， 得到无干扰情况下的雷达最大探测距离， 并结合标准中规定的探测最大距离的最低需求和公式（ 4 ）， 推导出为了满足该最低需求允许的雷达 IoN 的最大容忍值， 表 1 示出了典型场景下的结果。

依据上表的分析， 雷达设备在接收机处理后的干扰侦听的 IoN 应不大于上表最后一列计算出来的IoN 值， 否则， 雷达无法满足探测的最低要求， 需要退出服务。 综合考虑上述各个典型场景下， 存在干扰时保证最大探测距离最低要求的 IoN 值， 选择 8.9dB作为接收机处理后的干扰侦听门限， 对应 2.3.1 节中的门限 T0 。 需要说明的是， 干扰程度如何划分往往是雷达设备厂商与主机厂之间沟通协商确定的， 例如， 对于 2.3.1 节中三种状态的干扰程度描述方式，同样可以参照上述基于雷达探测需求来分析干扰侦听门限的方法。

仿真测试

 

3.1 场景假设

干扰仿真的场景为双向两车道场景， 如图 4 所示， 箭头为行车方向 ， 场景中一共存在三辆车， 车 1和车 2 纵向距离 10 米， 车 1 和车 3 纵向距离 50 米，车道宽度 3.5 米。其中 1 号车和 3 号车在车头位置各安装了 一个前向 雷达， 2 号车在车尾位置安装了一个后向雷达。 假设三部雷达都工作在 76-77GHz ， 总带宽为1GHz 的频段上， 假设整个频段按照 2.2 节所述的方式进行划分（ 50MHz FR ）， 雷达采用的 FISA 侦听周期为 50ms ， FISA 侦听物理量为接收机干扰处理后的IoN ， FISA 侦听门限为 9dB ， 接收机干扰处理能力为30dB ， OFTR 选择策略为随机选择， 即随机从除了干扰超过侦听门限的 OFTR 以外的其它候选 OFTR 中选择工作时频资源。

上述仿真假设总结见表 2 。另外， 三部雷达的波形参数配置如表 3 所示。仿真评价指标为无干扰帧比例， 即如图 4 所示场景中所有雷达中频的 IoN 都小于干扰侦听门限的帧数与仿真中所有帧数的比值。 另外， 仿真以多快照的形式进行， 每一个快照包含多个（例如， 20 帧） 雷达帧周期。 所以无干扰帧比例的统计是将所有快照所包含的总帧数一起考虑的。

为了模拟干扰较密集场景，假设不同雷达同步发射探测信号，并且雷达只能跳频，不能改变发射定时。

3.2 仿真结果及分析

异波形（各雷达采用表 3 配置）情况下， 如果不对频段进行信道划分， 雷达可以在 76-77GHz 内随意选择起始频点。 采用 FISA 技术与不采用 FISA 技术时，无干扰帧比例仿真结果如图 5 所示。 整个仿真场景的无干扰帧比例在 采 用 FISA 技术前后 ， 由0.4% 提升到 5.1% 。 可见 FISA 技术在这种密集干扰场景下对整个场景的干扰缓解有较大益处。

在上述配置情况下， 进一步对频段进行信道划分， 即雷达在 76-77GHz 内从划分好的信道处选择其工作的起始频点。 如图 6 所示， 整个仿真场景的无干扰帧比例在采用 FISA 技术前后， 由 1% 提升到22.5% 。相比于无信道划分时的 5.1% ， FISA 技术在有信道划分的情况下， 能够进一步改善整个系统的干扰情况。

另外， 对比图 5 和图 6 可以发现， 信道划分对无FISA 系统也能有性能改善。对于同厂商同型号雷达，即其波形参数相同。由于同斜率雷达之间的起始频率只要略有间隔即可实现无干扰工作， 所以该情况可以看作是非密集干扰场景。 仿真结果如图 7 所示， 采用了 FISA 技术并划分信道时， 场景内车辆几乎都可以工作在无干扰环境下， 其无干扰帧比例达到 99.4% ， 而不采用 FISA技术并没有划分信道时， 无干扰帧比例为 81.8% ， 即在这种非密集干扰场景， 也有将近 18% 的帧存在较严重干扰， 其原因就是雷达发射起始频点随意， 并且没有采用 FISA 技术。

由上述仿真结果可以看出， 对频段进行信道划分并且采用 FISA 技术对保证雷达处在良好环境下工作， 从而提高其检测概率， 降低虚警概率， 最终保障自动驾驶车辆的安全行驶意义重大。

结束语

 毫米波雷达的互干扰问题是无人驾驶技术发展中亟待解决的问题。本文详细介绍了雷达侦听原理和 FISA 技术细节以及多种实现方式。通过多雷达厂商之间的协作， 建立一定的通用规范， 执行 FISA 机制， 可以主动避免干扰的发生， 保证对频谱资源的公平使用。 FISA 机制一方面要求雷达设备在发送前主动侦听频率资源占用情况， 并调整发射频率范围至互干扰相对较小的资源上。另一方面，定义统一的频域栅格， 合理规划频率资源的使用， 在降低多雷达资源冲突的同时提升频域资源利用率。这种协作式抗干扰手段便于管理， 同时可以和已有的被动式干扰手段相结合， 提升雷达性能， 保障辅助驾驶和自动驾驶的安全性和舒适性。 在下一阶段的研究工作中， 将结合产品实测结果进一步验证 FISA 技术的可行性和可靠性。另 外，为了能够发挥出 FISA 技术的优势， 需要全行业的共同努力， 出台相应的标准或法规进行统一要求与管理。 作者：宋思达， 马莎， 吴茜

编辑：黄飞