CN111638529A - 一种基于真随机数发生器的车载雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达探测领域，公开了一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，包括真随机数发生器、发射器、接收器和处理器；真随机数发生器包括分布式反馈激光器，分布式反馈激光器发射的激光经啁啾光栅反射后产生混沌激光；电压源的输出端经电感后，与分布式反馈激光器的端电压连接在一起，然后依次经隔直电容、功率放大器比较器后输出二进制序列；发射器用于根据真随机数发生器产生的二进制序列对信号发生器产生的信号进行相对调相后发射出去；接收器用于接收反射信号并比较反射信号与发射信号并发送至处理器计算出环境物体与雷达系统之间的距离以及其相对速度。本发明基于高速真随机数发生器进行雷达信号发射和解调，大大提高了安全性。

Description

一种基于真随机数发生器的车载雷达系统
技术领域
本发明属于雷达探测领域，具体涉及一种基于真随机数发生器的车载雷达系统。
背景技术
随着汽车技术的发展，车载雷达越来越广泛地应用于汽车辅助驾驶或自动驾驶中。在这类技术中，通常使用车载雷达对汽车周边的环境进行探测、识别，雷达通过向目标物（例如道路上的行人或其他车辆等）发射雷达信号，并接收目标物反射的回波，由此获得目标物至电磁波发射点（汽车）之间的距离、距离变化率（车速）、方位以及高度等信息，从而根据这些信息给驾驶员提示或直接进行相应的驾驶操作。然而，规律、有序的雷达信号容易被攻击者（如黑客等）复制、识别，甚至伪造，这样攻击者就可以利用伪造的虚假雷达信号对车载雷达进行诱骗，使车载雷达计算出错误的目标距离、车速以及方位信息，从而导致汽车辅助驾驶系统或自动驾驶系统做出错误的决策和车辆控制行为引发严重安全事故。
现有技术中，利用随机时间序列调制激光雷达发射激光脉冲序列的时间，但其只能避免外来光信号的干扰而无法抵抗攻击者的攻击，因此需要提供一种更加安全的车载雷达系统，以避免外来攻击，提高雷达安全性。
发明内容
本发明为了解决现有车载雷达系统容易遭受攻击，进而造成安全事故的问题，本发明提供了一种安全的、可抵抗攻击者攻击的基于真随机数发生器的车载雷达系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，包括真随机数发生器、发射器、接收器和处理器；所述真随机数发生器包括分布式反馈激光器、啁啾光栅、电压源、电感、隔直电容、功率放大器和比较器，分布式反馈激光器发射的激光注入啁啾光栅后，反射光原路返回，使分布式反馈激光器产生混沌激光；所述电压源的输出端经电感后，与所述分布式反馈激光器的端电压连接在一起，然后经隔直电容后，与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与所述比较器的同相端连接，所述比较器的反向端连接阈值电压，所述比较器的输出端与所述发射器的输入端连接，所述比较器用于将功率放大器的输出信号与阈值电压进行比较，进而输出二进制序列；所述发射器包括信号发生器、相对调相器和功率放大器，所述相对调相器用于根据所述真随机数发生器产生的二进制序列对所述信号发生器产生的信号进行相对调相；调相后的信号经所述功率放大器放大后发射出去；所述接收器用于接收反射信号并比较反射信号与发射信号，所述处理器用于根据所述接收器的比较结果，计算出环境物体与雷达系统之间的距离以及其相对速度。
所述信号发生器用于产生77GHz的毫米波信号。
所述的一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，还包括天线，所述发射器和接收器通过所述天线发射和接收信号。
所述接收器包括低噪放大器、鉴相器和混频器，所述低噪放大器用于对反射信号进行放大后发送给所述鉴相器和混频器，所述鉴相器用于比较反射信号与发射信号的波形，确定相位延迟时间；所述混频器用于对反射信号和发射信号进行混频，得到反射信号的频移。
所处理器计算得到环境物体与雷达系统之间的距离以及其相对速度的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 629029DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，L表示环境物体与雷达系统之间的距离，t表示发射信号与接收信号之间的相位延迟时间，c表示电磁波在空气中的传播速度，f’为接收信号的频率，f为发射信号的频率，v为环境物体相对雷达系统的速度。
所述相对调相器对所述信号发生器产生的信号进行相对调相的方法为：当波形信号的当前周期对应的二进制序列的所在位为1时，使当前周期波形与前一周期波形的相位差为180°，当波形信号的当前周期对应的二进制序列的所在位为0时，使当前周期波形与前一周期波形的相位差为0°。
所述的一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，还包括存储器、显示器、以太网模块和CAN总线。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，其基于高速真随机数发生器进行雷达信号发射和解调，大大提高了车载雷达系统的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于真随机数发生器的车载雷达系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中基于宽带混沌激光的高速真随机数发生器的结构示意图；
图3为本发明实施例中发射器和接收器的结构示意图；
图4为本发明实施例信号相对调相原理示意图；
图5为本发明实施例中雷达探测系统测距原理示意图；
图6为本发明实施例中雷达探测系统与汽车信息交互的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，包括真随机数发生器、发射器、接收器、处理器和显示器。
具体地，如图2所示，本实施例中，所述真随机数发生器包括分布式反馈激光器2、啁啾光栅1、电压源3、电感4、隔直电容5、功率放大器6和比较器7，分布式反馈激光器2发射的激光注入啁啾光栅2后，反射光原路返回，使分布式反馈激光器2产生混沌激光；所述电压源3的输出端经电感4后，与所述分布式反馈激光器2的端电压连接在一起，然后经隔直电容5后，与功率放大器6的输入端连接，功率放大器6的输出端与所述比较器7的同相端连接，所述比较器7的反向端连接阈值电压，所述比较器7的输出端与所述发射器的输入端连接，所述比较器7用于将功率放大器6的输出信号与阈值电压进行比较，当功率放大器6的输出信号大于阈值电压时输出1，小于阈值电压时输出为零。
本实施例中，利用分布式反馈激光器1发射激光注入距离为L的啁啾光栅2，经啁啾光栅2反射得到延迟时间τ，反射光原路返回分布式反馈激光器1，对其造成扰动，循环往复，产生混沌激光。分布式反馈激光器1在受到光学自反馈时，混沌激光器的端电压可以作为一个良好的熵源。因此，本实施例中，电压源3的输出信号经电感4后与混沌激光器的端电压连接，产生的电流经隔直电容5与功率放大器6相连，将电压信号放大，然后在比较器7中与阈值电压进行比较，高于阈值电压则输出为1，低于阈值电压则输出为0，从而实现真随机数的输出。
具体地，如图3示，本实施例中，所述发射器包括信号发生器、相对调相器和功率放大器，所述信号发生器用于产生77GHz的毫米波信号。所述相对调相器用于根据所述真随机数发生器产生的二进制序列对所述信号发生器产生的信号进行相对调相；调相后的信号经所述功率放大器放大后通过发射天线发射出去。发射的77GHz的毫米波信号，环境中物体反射电磁波信号，接收器通过接收天线接收波形信号。
具体地，如图4所示，为本实施例中信号相对调相原理示意图；本实施例中，相对调相器对所述信号发生器产生的信号进行相对调相的方法为：当波形信号的当前周期对应的二进制序列的所在位为1时，使当前周期波形与前一周期波形的相位差为180°，当波形信号的当前周期对应的二进制序列的所在位为0时，使当前周期波形与前一周期波形的相位差为0°。
具体地，如图3所示，接收器用于接收反射信号并比较反射信号与发射信号。本实施例中，所述接收器包括低噪放大器、鉴相器和混频器，所述低噪放大器用于对反射信号进行信号放大与噪声抑制后发送给所述鉴相器和混频器，所述鉴相器用于比较反射信号与发射信号的波形，确定相位延迟时间；所述混频器用于对反射信号和发射信号进行混频，得到反射信号的频移。
具体地，所述处理器用于根据所述接收器的比较结果，计算出环境物体与雷达系统之间的距离以及其相对速度。
具体地，如图5所示，通过鉴相器比较发射信号与接收信号，可以得到波形在发射器与接收器间出现的相位及延迟时间t，由于电磁波在空气中传播的速度已知（接近光速c），所以可以确定出环境中存在的物体与雷达探测系统之间的距离 ，其计算公式为：
Figure 152414DEST_PATH_IMAGE001
；（1）
本实施例中，测量发射信号与接收信号之间的频率偏移可以确定物体的速度，向接近雷达探测系统移动的物体反射的信号将具有比发射信号更高的频率，向远离雷达探测系统移动的物体将具有较低的频率。如果雷达探测系统也在运动，那么雷达探测系统与物体之间的相对速度将决定频移。因此，测量频移能确定物体在环境中的相对速度。根据光的多普勒效应公式，有：
Figure 582259DEST_PATH_IMAGE002
；（2）
其中，f ’为接收信号的频率；f 为发射信号的频率，c为光速。因此，由于发射信号的频率已知，通过混频器得到接收信号与发射信号的频移后，也可以得到接受信号的频率f ’，则利用（2）式可以计算得出环境物体相对于车载雷达系统的速度的v。然后根据
Figure DEST_PATH_IMAGE003
可以计算出环境物体的绝对速度
Figure 636933DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 912057DEST_PATH_IMAGE006
为车辆（即车载雷达系统）的速度。
此外，处理器计算得到的雷达信息发送至所述显示器进行显示，并可以在必要时直接进行相应的驾驶操作。
如图6所示，本实施例提供的一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，还包括发射天线、接收天线、存储器、以太网模块和CAN总线。其中，所述发射器和接收器通过发射天线和接收天线分别发射和接收信号。此外，车载雷达系统通过以太网模块和CAN总线与汽车网络连接，实现信息交互。
综上所述，本发明提供了一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，其基于高速真随机数发生器进行雷达信号发射和解调，大大提高了车载雷达系统的安全性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，其特征在于，包括真随机数发生器、发射器、接收器和处理器；
所述真随机数发生器包括分布式反馈激光器（2）、啁啾光栅（1）、电压源（3）、电感（4）、隔直电容（5）、功率放大器（6）和比较器（7），分布式反馈激光器（2）发射的激光注入啁啾光栅（2）后，反射光原路返回，使分布式反馈激光器（2）产生混沌激光；
所述电压源（3）的输出端经电感（4）后，与所述分布式反馈激光器（2）的端电压连接在一起，然后经隔直电容（5）后，与功率放大器（6）的输入端连接，功率放大器（6）的输出端与所述比较器（7）的同相端连接，所述比较器（7）的反向端连接阈值电压，所述比较器（7）的输出端与所述发射器的输入端连接，所述比较器（7）用于将功率放大器（6）的输出信号与阈值电压进行比较，进而输出二进制序列；
所述发射器包括信号发生器、相对调相器和功率放大器，所述相对调相器用于根据所述真随机数发生器产生的二进制序列对所述信号发生器产生的信号进行相对调相；调相后的信号经所述功率放大器放大后发射出去；
所述接收器用于接收反射信号并比较反射信号与发射信号，所述处理器用于根据所述接收器的比较结果，计算出环境物体与雷达系统之间的距离以及其相对速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，其特征在于，所述信号发生器用于产生77GHz的毫米波信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，其特征在于，还包括天线，所述发射器和接收器通过所述天线发射和接收信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，其特征在于，所述接收器包括低噪放大器、鉴相器和混频器，所述低噪放大器用于对反射信号进行放大后发送给所述鉴相器和混频器，所述鉴相器用于比较反射信号与发射信号的波形，确定相位延迟时间；所述混频器用于对反射信号和发射信号进行混频，得到反射信号的频移。
5.根据权利要求1所述的一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，其特征在于，所处理器计算得到环境物体与雷达系统之间的距离以及其相对速度的公式为：
Figure 770195DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 524525DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，L表示环境物体与雷达系统之间的距离，t表示发射信号与接收信号之间的相位延迟时间，c表示电磁波在空气中的传播速度，f’为接收信号的频率，f为发射信号的频率，v为环境物体相对雷达系统的速度。
6.根据权利要求1所述的一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，其特征在于，所述相对调相器对所述信号发生器产生的信号进行相对调相的方法为：当波形信号的当前周期对应的二进制序列的所在位为1时，使当前周期波形与前一周期波形的相位差为180°，当波形信号的当前周期对应的二进制序列的所在位为0时，使当前周期波形与前一周期波形的相位差为0°。
7.根据权利要求1所述的一种基于真随机数发生器的车载雷达系统，其特征在于，还包括存储器、显示器、以太网模块和CAN总线。
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