CN111602067A - 雷达装置和异常判定程序 - Google Patents

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Abstract

雷达(30)是FMCW方式的雷达。雷达(30)的判定部(901)执行判定差拍信号(S305)是否存在异常衰减的衰减判定程序(324a)、和判定差拍信号(S305)的频率特性是否存在异常的频率特性判定程序(325a)中的至少任意一个程序。在雷达(30)中，通过衰减判定程序(324a)和频率特性判定程序(325a)的执行，能够通过软件来判定差拍信号(S305)是否异常。

Description

雷达装置和异常判定程序
技术领域
本发明涉及使用调频连续波的雷达装置。
背景技术
雷达是向对象物照射电波并计测反射波从而计测雷达与对象物的相对距离或对象物的相对速度的装置。FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave：调频连续波)方式是雷达的一个方式，FMCW方式价格低廉且具有优异的距离和速度的计测能力。
在雷达中，欺骗成为威胁。欺骗是指通过从外部***对雷达伪装成反射波的电波而使计测值错误的攻击。在非专利文献1中，作为欺骗对策，公开有一种对FMCW雷达的线性调频(chirp)进行调制的对策方式。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：菅原、梨本等、“毫米波雷达的线性调频信号的随机化”、SCIS20172017Symposium on Cryptograrhy and Information Security Naha,Japan,Jan.24-27,2017,The Institute of Electronics,Information and Communication Engineers.
发明内容
发明要解决的课题
非专利文献1公开的具有欺骗对策的FMCW雷达为了判定是否有攻击，使用未被用作通常的FMCW雷达的硬件的、时间/频率滤波器和检测器这样的硬件。
因此，在非专利文献1的雷达中，在不变更通常的FMCW雷达的硬件的情况下无法执行欺骗对策。
本发明的目的在于，提供能够在不变更已有的FMCW雷达的硬件结构的情况下执行欺骗对策的FMCM雷达。
用于解决课题的手段
本发明的雷达装置具有：
随机数生成部，其生成1比特以上的随机数序列；
本地信号发生部，其根据所述随机数序列的各比特的比特值产生本地信号；
发送部，其利用所述本地信号对载波进行频率调制而生成发送信号并发送所述发送信号；
混频器，其从所述发送部取得所述发送信号，对所述发送信号和接收天线接收的接收信号进行混合而输出混频器输出信号；
差拍信号生成部，其根据从所述混频器输出的所述混频器输出信号，生成差拍信号；以及
判定部，其通过执行判定所述差拍信号是否存在异常衰减的衰减判定程序、和判定所述差拍信号的频率特性是否存在异常的频率特性判定程序中的至少任意一个程序，判定所述差拍信号是否异常。
发明效果
根据本发明的雷达装置，可提供能够在不变更已有的FMCW雷达的硬件结构的情况下执行欺骗对策的FMCM雷达。
附图说明
图1是实施方式1的图，是雷达10的硬件结构图。
图2是实施方式1的图，是示出雷达10的计算机100的结构的图。
图3是实施方式1的图，是示出雷达30的硬件结构的图。
图4是实施方式1的图，是示出雷达30的计算机300的内部结构的图。
图5是实施方式1的图，是示出雷达30的动作的序列图。
图6是实施方式1的图，是示出发送信号S302的频率调制的图。
图7是实施方式1的图，是示出计算机300的输入输出的情形的图。
图8是实施方式1的图，是示出与有攻击和无攻击对应的接收信号S303的频率变化的图。
图9是实施方式1的图，是示出衰减检测部324对差拍(beat)信号S305的异常判定的图。
图10是实施方式1的图，是示出异常频率检测部325对差拍信号S305的异常判定的图。
具体实施方式
实施方式1
***比较例的结构***
实施方式1涉及使用FMCW的雷达装置30。为了明确雷达装置30的特征，首先，作为雷达装置30的比较例，对雷达装置10进行说明。
图1是雷达装置10的硬件结构图。雷达装置10也是使用FMCW的雷达装置。以下，将雷达装置10和雷达装置30记作雷达10和雷达30。
如图1所示，雷达10作为硬件具有计算机100、信号发生器101、发送天线102、接收天线103、混频器104、低通滤波器105、时间/频率滤波器106和检测器107。如图1所示，将从一个硬件输出到另一个硬件的信号称作本地信号S101、发送信号S102、接收信号S103、混频器输出信号S104、差拍信号S105、滤波器输出信号S106、滤波器控制信号S107和检测信号S108。
图1中被虚线框41包围的、时间/频率滤波器106和检测器107是通常的FMCW雷达不需要的硬件。时间/频率滤波器106和检测器107是非专利文献1的图7中公开的、应用了针对欺骗攻击的欺骗对策的FMCW雷达特有的硬件。
图2示出雷达10的计算机100的结构。使用图2来说明计算机100的结构。计算机200作为硬件具有处理器111、存储器112、模拟信号接口113和数字信号接口114。此外，计算机100作为功能要素具有本地信号发生部121、距离/速度计算部122、随机数生成部123、攻击检测部124和滤波器控制部125。
模拟信号接口113和数字信号接口114用于将计算机100与外部硬件连接。外部硬件是指信号发生器101、低通滤波器105、时间/频率滤波器106和检测器107。作为功能要素的本地信号发生部121、距离/速度计算部122、随机数生成部123、攻击检测部1244和滤波器控制部125通过程序来实现。该程序被被存储在存储器112中，该程序由处理器111执行。
本地信号发生部121生成本地信号S101，并将本地信号S101输出到信号发生器101。距离/速度计算部122根据差拍信号S105，计算雷达10与对象物之间的相对距离和相对速度。随机数生成部123生成随机数序列。攻击检测部124根据检测信号S108，判定是否有攻击。滤波器控制部125经由滤波器控制信号S107进行时间/频率滤波器106的设定。
图2中，作为功能要素的本地信号发生部121、距离/速度计算部122、随机数生成部123、攻击检测部124和滤波器控制部125是程序，因此，这些功能的变更或追加不会对硬件结构造成影响。
＊＊＊雷达30的结构说明＊＊＊
图3示出实施方式1的雷达30的硬件结构。图4是示出雷达30的计算机300的内部结构的图。雷达30使用FMCW。雷达30作为硬件具有计算机300、作为发送部902的信号发生器301、发送天线302、接收天线303、混频器304和低通滤波器305。即，雷达30通过软件来实施欺骗对策，因此，雷达30的硬件结构与没有欺骗对策的通常的FMCW雷达的硬件结构相同。
接着，参照图4对计算机300的内部结构进行说明。计算机300作为硬件具有处理器311、存储器312、模拟信号接口313和数字信号接口314。此外，计算机300作为功能要素具有本地信号发生部321、距离/速度计算部322、随机数生成部323、衰减检测部324和异常频率检测部325。衰减检测部324和异常频率检测部325构成判定部901。衰减检测部324具有衰减判定程序324a。异常频率检测部325具有频率特性判定程序。
本地信号发生部321、距离/速度计算部322、随机数生成部323、衰减检测部324和异常频率检测部325通过程序来实现。程序被存储在存储器312中，由处理器311执行。另外，处理器也被称作处理线路。即，本地信号发生部321、距离/速度计算部322、随机数生成部323、衰减检测部324和异常频率检测部325的功能通过处理线路实现。
(1)本地信号发生部321产生本地信号S301，经由数字信号接口314将本地信号S301输出到信号发生器301。
(2)作为计算部904的距离/速度计算部322根据经由模拟信号接口313取得的差拍信号S305，计算雷达30与对象物42之间的相对距离和对象物的相对速度。
(3)随机数生成部323生成随机数序列。
(4)衰减检测部324检测差拍信号S305的衰减。
(5)异常频率检测部325检测差拍信号S305的频率特性异常。
(6)衰减检测部324和异常频率检测部325的功能是针对“非专利文献1”中公开的技术新追加的功能。即，由衰减检测部324和异常频率检测部325构成的判定部901是针对“非专利文献1”新追加的功能。
处理器311是执行异常判定程序的装置。异常判定程序是实现本地信号发生部321、距离/速度计算部322、随机数生成部323、衰减检测部324和异常频率检测部325的功能的程序。异常判定程序被存储在存储器112中。异常判定程序是使计算机300执行将本地信号发生部321、距离/速度计算部322、随机数生成部323、衰减检测部324、异常频率检测部325的各部中的“部”改写成“处理”、“进程”或“步骤”而成的各处理、各进程或各步骤的程序。此外，异常判定方法是通过计算机300执行异常判定程序而进行的方法。异常判定程序可以存储在计算机能读取的记录介质中提供，也可以作为程序产品提供。
＊＊＊雷达30的动作说明＊＊＊
图5是示出雷达30的动作的序列图。参照图5对雷达30的动作进行说明。
在步骤ST11中，本地信号发生部321使用由随机数生成部323生成的随机数序列，生成本地信号S301。随机数生成部323生成的随机数序列还包含1比特的随机数的情况。在发送信号S302的生成中叙述随机数序列和本地信号S301。
在步骤ST12中，信号发生器301利用本地信号S301对载波进行频率调制而生成发送信号S302。
图6示出发送信号S302的生成。图6的上侧表示本地信号S301，横轴表示时间，纵轴表示电压。下侧表示发送信号S302，横轴表示时间，纵轴表示频率。发送信号S302的横轴的时间与本地信号S301的横轴的时间相同。随机数生成部323例如生成随机数序列“0，1，0，0，1…”。
本地信号发生部321根据随机数序列“0，1，0，0，1…”的各比特的比特值，生成本地信号。在图6中，本地信号发生部321在比特值零的情况下产生电压随着时间而从V1线性地增大至V2的本地信号。此外，在比特值1的情况下产生电压随着时间而从V2线性地减小至V1的本地信号。信号发生器301利用本地信号S301对载波进行频率调制而生成发送信号S302。如图6所示，信号发生器301生成本地信号S301的电压越高则频率越高的发送信号S302。
发送信号S302被分配到发送天线302和混频器304。从发送天线302将发送信号S302放射到空间。如图3所示，接收天线303检测发送信号S302被对象物42反射而得到的反射信号S302a。由接收天线303检测到的反射信号S302a是接收信号S303。
步骤ST13中，接收信号S303被混频器304与发送信号S302混频。混频器304从信号发生器301取得发送信号S302，对发送信号S302和接收天线303接收的接收信号S303进行混合而输出混频器输出信号S304。
步骤ST14中，作为差拍信号生成部903的低通滤波器305根据从混频器304输出的混频器输出信号S304，生成差拍信号S305。
混频器输出信号S304通过低通滤波器305，由此，得到从混频器输出信号S304中仅提取出低频成分的差拍信号S305。
混频器输出信号S304是通过以下的式1表现的合成的正弦波。
cosfst·cosfrt＝[cos{(fs-fr)t}+cos{(fs+fr)t}]/2 (式1)
fst表示发送信号S302，frt表示接收信号S303。由式1表现的混频器输出信号S304通过低通滤波器305，由此提取出低频成分。其是差拍信号S305。
差拍信号S305通过以下的式2表示。
cosfst·cosfrt＝cos{(fs-fr)t}/2 (式2)
即，差拍信号S305表示发送信号S302与接收信号S303的频率差。
距离/速度计算部322通过对差拍信号S305进行分析，计算雷达30与对象物42之间的相对距离或相对速度。如后所述，从相对距离和相对速度的计算中排除差拍信号S305的帧中的被衰减检测部324或异常频率检测部325判定为异常的帧而不用于计算。另外，帧是从以横轴为时间的曲线图中以一定时间剪切出的时间轴数据。
判定部25通过执行判定差拍信号S305是否存在异常衰减的衰减判定程序324a、和判定差拍信号的频率特性是否存在异常的频率特性判定程序325a中的至少任意一个程序，判定差拍信号S305是否异常。
步骤ST15中，衰减检测部324针对差拍信号S305的各帧，判定信号是否由于通过低通滤波器305而大幅衰减。在判定为大幅衰减的情况下，衰减检测部324将该帧判定为异常。
具体而言，判定部901的衰减检测部324执行衰减判定程序324a。衰减判定程序324a计算表示差拍信号S305的信号强度的信号强度值，通过计算出的信号强度值与信号强度阈值的比较，判定差拍信号S305是否存在异常衰减。信号强度值和信号强度的阈值是在图9中说明的∫T1 T2f2(t)dt和阈值σth。∫T1 T2f2(t)dt是从帧的起点时刻T1至终点时刻T2的、信号f(t)的平方的定积分。起点时刻T1和终点时刻T2是后述的图9的帧FR1～FR5各自的起点时刻和终点时刻。
在距离/速度计算部322中，对各帧进行FFT(Fast Fourier Transform：高速傅立叶变换)的处理。
步骤ST16中，判定部901的异常频率检测部325执行频率特性判定程序325a。频率特性判定程序325a使用对差拍信号S305进行高速傅立叶变换而得到的结果，判定差拍信号S305的频率特性是否有异常。具体而言，异常频率检测部325通过执行频率特性判定程序325a，使用针对各帧的FFT处理的输出，按照每帧来判定信号强度为峰值的频率是否从作为差拍频率而期待的频域偏离。在判定为信号强度为峰值的频率从期待的频域偏离的情况下，异常频率检测部325将该帧判定为异常。
从衰减检测部324或异常频率检测部325将被衰减检测部324或异常频率检测部325判定为异常的帧通知给距离/速度计算部322。距离/速度计算部322从后级的信号处理中排除被通知异常的帧。
这样，衰减检测部324和异常频率检测部325按照差拍信号S305的每帧，判定差拍信号S305是否异常。距离/速度计算部322根据差拍信号S305，计算包含到对象物42的距离和对象物42的速度中的至少任意一方的计测信息。该情况下，距离/速度计算部322从计测信息的计算使用中排除被衰减检测部324和异常频率检测部325中的至少任意一方判定为异常的帧。
参照图7～图10说明由衰减检测部324和异常频率检测部325进行的异常检测。即，说明衰减检测部324和异常频率检测部325对攻击的检测。
图7示出计算机300的输入输出的情形。
图8示出与有攻击和无攻击对应的接收信号S303的频率变化。上侧的图表示无攻击的情况，下侧的图表示有攻击的情况。在上侧和下侧的图中，横轴表示时间，纵轴表示频率。在上侧的图中，信号f1表示发送信号S302，信号f2表示接收信号S303。在下侧的图中，信号f1表示发送信号S302，信号g表示接收信号S303。
图9示出衰减检测部324对差拍信号S305的异常判定。差拍信号S305包含攻击者的信号g。图9的差拍信号S305被模拟信号接口313转换成数字信号。图10的差拍信号S305也同样如此。
图10示出异常频率检测部325对差拍信号S305的异常判定。
图9、图10所示的差拍信号S305与图6所示的发送信号S302对应。此外，调制方式不限于图6的调制方式。
在攻击者无法正确预测图6的调制方式的情况下，攻击者的发送波即来自攻击者的接收信号S303如图8的下侧信号g那样，与作为信号f1的发送信号S302之间的频率差增大。由于该特性，在混频器输出信号S304中观测到高频的信号区间。图7示出包含攻击者的信号g的混频器输出信号S304。
在图7的混频器输出信号S304中，示出在图6的发送信号S302的线性调频帧FR1～FR5中的第3个线性调频帧FR3产生了攻击的状态。即，图6的线性调频帧FR1～FR5与图7的混频器输出信号S304的帧FR1～FR5对应。图6的线性调频帧FR1～FR5与图9和图10所示的差拍信号S305的帧FR1～帧FR5对应。如图7的差拍信号S305所示，混频器输出信号S304通过低通滤波器305，产生了攻击的区间的高频信号衰减。
另外，在图6所示的基于线性调频的上升、下降的调制方式的情况下，如果进行严重偏向一方的调制，则后级的信号处理精度受到影响。因此，随机数生成部323在生成多个比特的随机数序列的情况下，对0和1的出现频度进行调整。即，随机数生成部323通过调制方式，带制约地生成随机数序列。例如，随机数生成部323进行生成汉明权重相等的随机数序列的编码处理。即，如果设生成矩阵为G、随机数序列为r，则利用通过rG得到的向量来进行线性调频调制。
参照图9，说明衰减检测部324使用衰减判定程序324a进行的异常判定。差拍信号S305被模拟信号接口313采样而转换成数字信号。处理器311以n帧为单位对数字转换而成的差拍信号S305进行处理。n是整数。图9中，n＝5。衰减检测部324将被转换成数字信号的差拍信号S305分割成帧，针对各帧判定是否存在异常衰减。作为判定方法的例子，衰减检测部324计算与均方根相对应的量并进行阈值判定。在图9中，衰减检测部324按照每帧对帧内的信号f(t)计算∫T1 T2f2(t)dt。衰减检测部324对预先在程序中定义的阈值σth和计算出的∫T1 T2f2(t)dt进行比较。
衰减检测部324在∫T1 T2f2(t)dt＜σth的情况下，判定为该帧存在异常衰减，将存在异常衰减的帧判定为异常。从后级的平均化处理中排除判定为异常的帧。
参照图10，说明异常频率检测部325使用频率特性判定程序325a进行的频率特性的异常判定。差拍信号S305被模拟信号接口313采样而转换成数字信号。异常频率检测部325以n帧为单位对被转换成数字信号的差拍信号S305进行处理。
图10与图9同样，n＝5。距离/速度计算部322将被转换成数字信号的差拍信号S305分割成帧，针对各帧进行FFT。在不实施欺骗对策的通常的雷达的情况下也进行FFT。在由距离/速度计算部322进行的信号处理中，按照被称作高速线性调频的每个帧进行FFT。
在距离/速度计算部322不以帧为单位进行FFT的情况下，异常频率检测部325进行FFT即可。如图10所示，异常频率检测部325针对各个帧的FFT的结果，计算信号强度的峰值频率fpeak。
在频率fpeak为高于预先确定的阈值fth的频率的情况下，异常频率检测部325判定为差拍信号S305的频率特性有异常，并将该帧判定为异常。从后级的信号处理中排除判定为异常的帧。在图10中，帧FR3为异常。
阈值fth能够根据雷达30的硬件特性、测距极限和可计测的速度极限来决定。例如，设中心频率为24GHz、线性调频的扫描速度为160[GHz/s]、测距极限为60m。该情况下，基于相对距离的频移fr的最大值为以下的fr。
fr＝2×60[m]×160[GHz/s]/(3×108)[m/s]＝64[kHz]
如果设可计测的速度极限为300Km/h，则多普勒频移fv如下计算。
fv＝300[km/h]/(3×108)[m/s]×24[GHz]＝6.67[KHz]
因此，根据阈值fth＝64+6.67，能够将阈值fth决定为70KHz。
＊＊＊实施方式1的效果＊＊＊
在雷达30中，如利用图6说明的那样，本地信号发生部321根据随机数序列产生本地信号S301，信号发生器301根据本地信号S301产生发送信号S302。然后，在不使用以往所需的时间/频率滤波器和检测器这样的硬件的情况下，通过由软件实现的衰减检测部324和异常频率检测部325进行使用阈值的判定。通过距离/速度计算部322，从一系列帧中排除判定为异常的差拍信号S305的帧即被攻击的线性调频的区间信息。因此，能够进行排除了攻击影响的测距。因此，根据雷达30，能够在不变更通常的FMCW装置的硬件结构的情况下，通过基于程序的功能追加，防止FMCW的欺骗攻击。
标号说明
S101、S301：本地信号；S102、S302：发送信号；S103、S303：接收信号；S104、S304：混频器输出信号；S105、S305：差拍信号；S106：滤波器输出信号；S107：滤波器控制信号；10、30：雷达；41：框；42：对象物；100：计算机；101：信号发生器；102：发送天线；103：接收天线；104：混频器；105：低通滤波器；106：时间/频率滤波器；107：检测器；111：处理器；112：存储器；113：模拟信号接口；114：数字信号接口；121：本地信号发生部；122：距离/速度计算部；123：随机数生成部；124：攻击检测部；125：滤波器控制部；300：计算机；301：信号发生器；302：发送天线；303：接收天线；304：混频器；305：低通滤波器；311：处理器；312：存储器；313：模拟信号接口；314：数字信号接口；321：本地信号发生部；322：距离/速度计算部；323：随机数生成部；324：衰减检测部；324a：衰减判定程序；325：异常频率检测部；325a：频率特性判定程序；901：判定部；902：发送部；903：差拍信号生成部；904：计算部。

Claims (10)

1.一种雷达装置，该雷达装置具有：
随机数生成部，其生成1比特以上的随机数序列；
本地信号发生部，其根据所述随机数序列的各比特的比特值产生本地信号；
发送部，其利用所述本地信号对载波进行频率调制而生成发送信号并发送所述发送信号；
混频器，其从所述发送部取得所述发送信号，对所述发送信号和接收天线接收的接收信号进行混合而输出混频器输出信号；
差拍信号生成部，其根据从所述混频器输出的所述混频器输出信号生成差拍信号；以及
判定部，其通过执行判定所述差拍信号是否存在异常衰减的衰减判定程序、和判定所述差拍信号的频率特性是否有异常的频率特性判定程序中的至少任意一个程序，判定所述差拍信号是否异常。
2.根据权利要求1所述的雷达装置，其中，
所述判定部执行所述衰减判定程序，
所述衰减判定程序计算表示所述差拍信号的信号强度的信号强度值，通过计算出的所述信号强度值与信号强度阈值的比较，判定所述差拍信号是否存在异常衰减。
3.根据权利要求1所述的雷达装置，其中，
所述判定部执行所述频率特性判定程序，
所述频率特性判定程序使用对所述差拍信号进行高速傅立叶变换而得到的结果，判定所述差拍信号的频率特性是否有异常。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的雷达装置，其中，
所述判定部按照所述差拍信号的每帧，判定所述差拍信号是否异常，
所述雷达装置还具有计算部，该计算部根据所述差拍信号，计算包含到计测对象的距离和所述计测对象的速度中的至少任意一方的计测信息，
所述计算部从所述计测信息的计算使用中排除由所述判定部判定为异常的所述帧。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的雷达装置，其中，
在生成多个比特的随机数序列的情况下，所述随机数生成部对0和1的出现频度进行调整。
6.一种异常判定程序，该异常判定程序使计算机执行以下处理：
随机数生成处理，生成1比特以上的随机数序列；
本地信号产生处理，根据所述随机数序列的各比特的比特值产生本地信号；以及
判定处理，执行判定差拍信号是否存在异常衰减的衰减判定程序、和判定所述差拍信号的频率特性是否有异常的频率特性判定程序中的至少任意一个程序，所述差拍信号是混合信号通过低通滤波器而得到的，所述混合信号是利用所述本地信号对载波进行频率调制而成的发送信号和由接收天线接收到的接收信号混合而得到的。
7.根据权利要求6所述的异常判定程序，其中，
所述判定处理执行所述衰减判定程序，
所述衰减判定程序计算表示所述差拍信号的信号强度的信号强度值，通过计算出的所述信号强度值与信号强度阈值的比较，判定所述差拍信号是否存在异常衰减。
8.根据权利要求6所述的异常判定程序，其中，
所述判定处理执行所述频率特性判定程序，
所述频率特性判定程序使用对所述差拍信号进行高速傅立叶变换而得到的结果，判定所述差拍信号的频率特性是否有异常。
9.根据权利要求6～8中的任意一项所述的异常判定程序，其中，
所述判定处理按照所述差拍信号的每帧，判定所述差拍信号是否异常，
所述异常判定程序还具有计算处理，在该计算处理中根据所述差拍信号，计算包含到计测对象的距离和所述计测对象的速度中的至少任意一方的计测信息，
在所述计算处理中，从所述计测信息的计算使用中排除通过所述判定处理判定为异常的所述帧。
10.根据权利要求6～9中的任意一项所述的异常判定程序，其中，
在所述随机数生成处理中，在生成多个比特的随机数序列的情况下，对0和1的出现频度进行调整。
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