DE112018006295T5

DE112018006295T5 - Radarvorrichtung und anomaliebestimmungsprogramm

Info

Publication number: DE112018006295T5
Application number: DE112018006295.3T
Authority: DE
Inventors: Daisuke Suzuki; Shoei Nashimoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2038-01-18
Also published as: JPWO2019142271A1; US11662451B2; CN111602067B; US20200371202A1; CN111602067A; DE112018006295B4; WO2019142271A1; JP6505329B1

Abstract

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Radargerät (30) ein FMCW-Radargerät. Eine Feststellungseinheit (901) des Radars (30) führt wenigstens eines von einem Dämpfungsbestimmungsprogramm (324a), das feststellt, ob in einem Schwebungssignal (S305) eine abnormale Dämpfung vorhanden ist, und einem Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm (325a), das feststellt, ob die Frequenzkennlinie des Schwebungssignals (S305) abnormal ist, aus. Im Radargerät (30) kann Software durch Ausführen des Dämpfungsbestimmungsprogramms (324a) und des Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramms (325a) feststellen, ob das Schwebungssignal (S305) abnormal ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radarvorrichtung, die eine frequenzmodulierte kontinuierliche Welle verwendet.
Technischer Hintergrund
Ein Radargerät ist eine Vorrichtung, welche den relativen Abstand zwischen dem Radargerät und einem Zielobjekt oder die Relativgeschwindigkeit des Zielobjekts durch Bestrahlen des Zielobjekts mit Funkwellen und Messen reflektierter Wellen misst. Ein Frequenzmodulierte-kontinuierliche-Welle(FMCW)-Verfahren ist eines der Radarverfahren, und das FMCW-Verfahren weist ausgezeichnete Abstands- und Geschwindigkeitsmessfähigkeiten auf, während es kostengünstig ist.
Eine Täuschung ist eine bei einem Radargerät auftretende Bedrohung. Eine Täuschung bedeutet einen Angriff, der bewirkt, dass als reflektierte Wellen getarnte Radiowellen von außen in das Radargerät eintreten und dadurch inkorrekte Messungen hervorrufen. Nicht-Patentliteratur 1 offenbart ein Gegenmaßnahmen ergreifendes Verfahren, wobei Chirps eines FMCW-Radargeräts als Gegenmaßnahmen gegen eine Täuschung moduliert werden.
Zitatliste
Nicht-Patentliteratur
Nicht-Patentliteratur 1: Sugawara, Nashimoto u. a., „Randomizing Chirp Signal for Millimeter Wave Radar", SCIS2017 2017 Symposium on Cryptograrhy and Information Security Naha, Japan, Jan. 24 - 27, 2017, The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers.
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Um festzustellen, ob ein Angriff vorhanden ist, verwendet das FMCW-Radargerät mit den in Nicht-Patentliteratur 1 offenbarten Gegenmaßnahmen gegen eine Täuschung als Zeit-Frequenz-Filter und Detektor bezeichnete Hardwarekomponenten, die nicht als Hardwarekomponenten bei einem üblicherweise verwendeten FMCW-Radargerät verwendet werden.
Daher können beim Radargerät aus Nicht-Patentliteratur 1 die Gegenmaßnahmen gegen eine Täuschung nicht implementiert werden, ohne die Hardware des üblicherweise verwendeten FMCW-Radargeräts zu ändern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein FMCM-Radargerät bereitzustellen, worin Gegenmaßnahmen gegen eine Täuschung implementiert werden können, ohne die Hardwarekonfiguration eines existierenden FMCW-Radargeräts zu ändern.
Lösung des Problems
Eine Radarvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf:

eine Zufallszahl-Erzeugungseinheit zur Erzeugung einer Zufallszahlensequenz aus einem oder mehreren Bits,
eine Lokales-Signal-Erzeugungseinheit zur Erzeugung eines lokalen Signals entsprechend einem Bitwert jedes Bits der Zufallszahlensequenz,
eine Sendeeinheit zur Erzeugung eines Sendesignals durch Frequenzmodulation eines Trägers mit dem lokalen Signal und zum Senden des Sendesignals,
einen Mischer zum Erhalten des Sendesignals von der Sendeeinheit, zum Mischen des Sendesignals und eines von einer Empfangsantenne empfangenen Empfangssignals und zur Ausgabe eines Mischerausgangssignals,
eine Schwebungssignal-Erzeugungseinheit zur Erzeugung eines Schwebungssignals anhand des vom Mischer ausgegebenen Mischerausgangssignals und
eine Feststellungseinheit zur Ausführung wenigstens eines von einem Dämpfungsbestimmungsprogramm, das feststellt, ob im Schwebungssignal eine abnormale Dämpfung vorhanden ist, und einem Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm, das feststellt, ob eine Anomalie in einer Frequenzkennlinie des Schwebungssignals vorhanden ist, um festzustellen, ob das Schwebungssignal abnormal ist.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Durch eine Radarvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein FMCM-Radargerät bereitgestellt werden, worin Gegenmaßnahmen gegen eine Täuschung implementiert werden können, ohne die Hardwarekonfiguration eines existierenden FMCW-Radargeräts zu ändern.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein Diagramm einer ersten Ausführungsform, wobei es sich um ein Hardwarekonfigurationsdiagramm eines Radargeräts 10 handelt,
2 ein Diagramm der ersten Ausführungsform, welches eine Konfiguration eines Computers 100 des Radargeräts 10 zeigt,
3 ein Diagramm der ersten Ausführungsform, welches eine Hardwarekonfiguration eines Radargeräts 30 zeigt,
4 ein Diagramm der ersten Ausführungsform, welches eine innere Konfiguration eines Computers 300 des Radargeräts 30 zeigt,
5 ein Diagramm der ersten Ausführungsform, wobei es sich um ein Sequenzdiagramm handelt, das den Betrieb des Radargeräts 30 zeigt,
6 ein Diagramm der ersten Ausführungsform, worin die Frequenzmodulation eines Sendesignals S302 gezeigt ist,
7 ein Diagramm der ersten Ausführungsform, welches Einzelheiten der Ein- und Ausgabe des Computers 300 zeigt,
8 ein Diagramm der ersten Ausführungsform, welches Änderungen der Frequenz eines Empfangssignals S303 abhängig davon, ob ein Angriff vorhanden ist oder nicht, zeigt,
9 ein Diagramm der ersten Ausführungsform, welches die Bestimmung einer Anomalie in einem Schwebungssignal S305 durch eine Dämpfungserkennungseinheit 324 zeigt, und
10 ein Diagramm der ersten Ausführungsform, welches die Bestimmung einer Anomalie im Schwebungssignal S305 durch eine Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
*** Konfiguration des Vergleichsbeispiels ***
Eine erste Ausführungsform betrifft eine Radarvorrichtung 30, die FMCW verwendet. Zur Erklärung der Merkmale der Radarvorrichtung 30 wird zuerst eine Radarvorrichtung 10 als Vergleichsbeispiel der Radarvorrichtung 30 beschrieben.
1 ist ein Hardwarekonfigurationsdiagramm der Radarvorrichtung 10. Die Radarvorrichtung 10 ist auch eine Radarvorrichtung, die FMCW verwendet. Nachfolgend werden die Radarvorrichtung 10 und die Radarvorrichtung 30 als Radargerät 10 und Radargerät 30 beschrieben.
Wie in 1 dargestellt ist, weist das Radargerät 10 als Hardwarekomponenten einen Computer 100, einen Signalgenerator 101, eine Sendeantenne 102, eine Empfangsantenne 103, einen Mischer 104, ein Tiefpassfilter 105, ein Zeit-Frequenz-Filter 106 und einen Detektor 107 auf. Wie in 1 dargestellt ist, werden von einer Hardwarekomponente zu einer anderen Hardwarekomponente gesendete Signale als lokales Signal S101, Sendesignal S102, Empfangssignal S103, Mischerausgangssignal S104, Schwebungssignal S105, Filterausgangssignal S106, Filtersteuersignal S107 und Erkennungssignal S108 bezeichnet.
In 1 sind das Zeit-Frequenz-Filter 106 und der Detektor 107, die in ein gepunktetes Kästchen 41 eingeschlossen sind, Hardwarekomponenten, die in einem üblicherweise verwendeten FMCW-Radargerät nicht erforderlich sind. Das Zeit-Frequenz-Filter 106 und der Detektor 107 sind Hardwarekomponenten, die typischerweise im FMCW-Radargerät enthalten sind, das in 7 von Nicht-Patentliteratur 1 offenbart ist, worin Täuschungsgegenmaßnahmen gegen Täuschungsangriffe implementiert sind.
2 zeigt eine Konfiguration des Computers 100 des Radargeräts 10. Die Konfiguration des Computers 100 wird mit Bezug auf 2 beschrieben. Der Computer 200 weist als Hardwarekomponenten einen Prozessor 111, einen Speicher 112, eine Analogsignal-Schnittstelle 113 und eine Digitalsignal-Schnittstelle 114 auf. Der Computer 100 weist als Funktionselemente eine Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 121, eine Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 122, eine Zufallszahl-Erzeugungseinheit 123, eine Angriffserkennungseinheit 124 und eine Filtersteuereinheit 125 auf.
Die Analogsignal-Schnittstelle 113 und die Digitalsignal-Schnittstelle 114 werden zur Verbindung des Computers 100 mit externen Hardwarekomponenten verwendet. Die externen Hardwarekomponenten sind der Signalgenerator 101, das Tiefpassfilter 105, das Zeit-Frequenz-Filter 106 und der Detektor 107. Die Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 121, die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 122, die Zufallszahl-Erzeugungseinheit 123, die Angriffserkennungseinheit 1244 und die Filtersteuereinheit 125, welche die Funktionselemente sind, sind durch ein Programm verwirklicht. Dieses Programm ist im Speicher 112 gespeichert und wird durch den Prozessor 111 ausgeführt.
Die Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 121 erzeugt das lokale Signal S101 und gibt es an den Signalgenerator 101 aus. Die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 122 berechnet den relativen Abstand und die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Radargerät 10 und einem Zielobjekt auf der Grundlage des Schwebungssignals S105. Die Zufallszahl-Erzeugungseinheit 123 erzeugt eine Zufallszahlensequenz. Die Angriffserkennungseinheit 124 stellt auf der Grundlage des Erkennungssignals S108 fest, ob ein Angriff vorhanden ist. Die Filtersteuereinheit 125 führt die Einstellung des Zeit-Frequenz-Filters 106 über das Filtersteuersignal S107 aus.
In 2 bilden die Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 121, die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 122, die Zufallszahl-Erzeugungseinheit 123, die Angriffserkennungseinheit 124 und die Filtersteuereinheit 125, welche die Funktionselemente sind, ein Programm, so dass eine Änderung in diesen Funktionen oder eine Hinzufügung zu diesen die Hardwarekonfiguration nicht beeinflusst.
*** Beschreibung der Konfiguration des Radargeräts 30 ***
3 zeigt eine Hardwarekonfiguration des Radargeräts 30 gemäß der ersten Ausführungsform.
4 ist ein Diagramm, das eine innere Konfiguration des Computers 300 des Radargeräts 30 zeigt. Das Radargerät 30 verwendet FMCW. Das Radargerät 30 weist als Hardwarekomponenten den Computer 300, einen Signalgenerator 301, der eine Sendeeinheit 902 ist, eine Sendeantenne 302, eine Empfangsantenne 303, einen Mischer 304 und ein Tiefpassfilter 305 auf. Das heißt, dass das Radargerät 30 Gegenmaßnahmen gegen eine Täuschung durch Software implementiert, so dass die Hardwarekonfiguration des Radargeräts 30 der Hardwarekonfiguration des üblicherweise verwendeten FMCW-Radargeräts ohne Gegenmaßnahmen gegen eine Täuschung gleicht.
Eine innere Konfiguration des Computers 300 wird nun mit Bezug auf 4 beschrieben. Der Computer 300 weist als Hardwarekomponenten einen Prozessor 311, einen Speicher 312, eine Analogsignal-Schnittstelle 313 und eine Digitalsignal-Schnittstelle 314 auf. Der Computer 300 weist als Funktionselemente eine Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 321, eine Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322, eine Zufallszahl-Erzeugungseinheit 323, eine Dämpfungserkennungseinheit 324 und eine Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 auf. Die Dämpfungserkennungseinheit 324 und die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 bilden eine Feststellungseinheit 901. Die Dämpfungserkennungseinheit 324 weist ein Dämpfungsbestimmungsprogramm 324a auf. Die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 weist ein Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm auf.
Die Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 321, die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322, die Zufallszahl-Erzeugungseinheit 323, die Dämpfungserkennungseinheit 324 und die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 sind durch ein Programm verwirklicht. Das Programm ist im Speicher 312 gespeichert und wird durch den Prozessor 311 ausgeführt. Es sei bemerkt, dass der Prozessor auch als Verarbeitungsschaltungsanordnung bezeichnet wird. Das heißt, dass die Funktionen der Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 321, der Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322, der Zufallszahl-Erzeugungseinheit 323, der Dämpfungserkennungseinheit 324 und der Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 durch die Verarbeitungsschaltungsanordnung verwirklicht werden.

(1) Die Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 321 erzeugt ein lokales Signal S301 und gibt das lokale Signal S301 über die Digitalsignal-Schnittstelle 314 an den Signalgenerator 301 aus.
(2) Die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322, die eine Berechnungseinheit 904 ist, berechnet den relativen Abstand zwischen dem Radargerät 30 und einem Zielobjekt 42 und die Relativgeschwindigkeit des Zielobjekts auf der Grundlage des durch die Analogsignal-Schnittstelle 313 erhaltenen Schwebungssignals S305.
(3) Die Zufallszahl-Erzeugungseinheit 323 erzeugt eine Zufallszahlensequenz.
(4) Die Dämpfungserkennungseinheit 324 erkennt eine Dämpfung im Schwebungssignal S305.
(5) Die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 erkennt eine Anomalie in der Frequenzkennlinie des Schwebungssignals S305.
(6) Die Funktionen der Dämpfungserkennungseinheit 324 und der Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 sind gegenüber der in „Nicht-Patentliteratur 1“ offenbarten Technologie neu hinzugefügte Funktionen. Das heißt, dass die Feststellungseinheit 901, die aus der Dämpfungserkennungseinheit 324 und der Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 zusammengesetzt ist, eine gegenüber „Nicht-Patentliteratur 1“ neu hinzugefügte Funktion ist.

Der Prozessor 311 ist eine Vorrichtung zur Ausführung eines Anomaliebestimmungsprogramms. Das Anomaliebestimmungsprogramm ist das Programm zur Verwirklichung der Funktionen der Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 321, der Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322, der Zufallszahl-Erzeugungseinheit 323, der Dämpfungserkennungseinheit 324 und der Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325. Das Anomaliebestimmungsprogramm ist im Speicher 112 gespeichert. Das Anomaliebestimmungsprogramm veranlasst den Computer 300 dazu, jeden Prozess, jede Prozedur oder jeden Schritt auszuführen, wobei die „Einheit“ jeder der Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 321, der Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322, der Zufallszahl-Erzeugungseinheit 323, der Dämpfungserkennungseinheit 324 und der Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 als der „Prozess“, die „Prozedur“ oder der „Schritt“ interpretiert wird. Ein Anomaliebestimmungsverfahren ist ein Verfahren, das durch die Ausführung des Anomaliebestimmungsprogramms durch den Computer 300 ausgeführt wird. Das Anomaliebestimmungsprogramm kann in einem computerlesbaren Aufzeichnungsmedium gespeichert und bereitgestellt werden oder als Programmprodukt bereitgestellt werden.
*** Beschreibung des Betriebs des Radargeräts 30 ***
5 zeigt eine Sequenz, welche den Betrieb des Radargeräts 30 angibt. Der Betrieb des Radargeräts 30 wird mit Bezug auf 5 beschrieben.
In Schritt ST11 erzeugt die Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 321 ein lokales Signal S301 unter Verwendung einer durch die Zufallszahl-Erzeugungseinheit 323 erzeugten Zufallszahlensequenz. Die durch die Zufallszahl-Erzeugungseinheit 323 erzeugte Zufallszahlensequenz kann eine 1-Bit-Zufallszahlensequenz sein. Die Zufallszahlensequenz und das lokale Signal S301 sind zu beschreiben, wenn die Erzeugung eines Sendesignals S302 beschrieben wird.
In Schritt ST12 erzeugt der Signalgenerator 301 das Sendesignal S302 durch Frequenzmodulation eines Trägers mit dem lokalen Signal S301.
6 zeigt die Erzeugung des Sendesignals S302. Der obere Abschnitt von 6 gibt das lokale Signal S301 an, und die horizontale Achse gibt die Zeit an, und die vertikale Achse gibt die Spannung an. Der untere Abschnitt gibt das Sendesignal S302 an, und die horizontale Achse gibt die Zeit an, und die vertikale Achse gibt die Frequenz an. Die Zeit der horizontalen Achse des Sendesignals S302 gleicht der Zeit der horizontalen Achse des lokalen Signals S301. Die Zufallszahl-Erzeugungseinheit 323 erzeugt beispielsweise eine Zufallszahlensequenz „0, 1, 0, 0, 1...“.
Die Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 321 erzeugt ein lokales Signal entsprechend dem Bitwert jedes Bits der Zufallszahlensequenz „0, 1, 0, 0, 1...“. In 6 erzeugt die Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 321 ein lokales Signal, dessen Spannung mit der Zeit linear von VI auf V2 ansteigt, wenn der Bitwert 0 ist, und erzeugt ein lokales Signal, dessen Spannung mit der Zeit linear von V2 auf VI abnimmt, wenn der Bitwert 1 ist. Der Signalgenerator 301 erzeugt das Sendesignal S302 durch Frequenzmodulation des Trägers mit dem lokalen Signal S301. Wie in 6 dargestellt ist, erzeugt der Signalgenerator 301 das Sendesignal S302, dessen Frequenz höher ist, weil die Spannung des lokalen Signals S301 höher ist.
Das Sendesignal S302 wird auf die Sendeantenne 302 und den Mischer 304 verteilt. Das Sendesignal S302 wird von der Sendeantenne 302 in den Raum abgestrahlt. Wie in 3 dargestellt ist, erfasst die Empfangsantenne 303 ein reflektiertes Signal S302a, welches das vom Zielobjekt 42 reflektierte Sendesignal S302 ist. Das von der Empfangsantenne 303 erfasste reflektierte Signal S302a ist ein Empfangssignal S303.
In Schritt ST13 wird das Empfangssignal S303 durch den Mischer 304 mit dem Sendesignal S302 gemischt. Der Mischer 304 erhält das Sendesignal S302 vom Signalgenerator 301, mischt das Sendesignal S302 mit dem von der Empfangsantenne 303 empfangenen Empfangssignal S303 und gibt ein Mischerausgangssignal S304 aus.
In Schritt ST14 erzeugt das Tiefpassfilter 305, wobei es sich um eine Schwebungssignal-Erzeugungseinheit 903 handelt, ein Schwebungssignal anhand des vom Mischer 304 ausgegebenen Mischerausgangssignals S304.
Wenn das Mischerausgangssignal S304 durch das Tiefpassfilter 305 läuft, wird das Schwebungssignal S305 erhalten, das sich durch Extrahieren nur niederfrequenter Komponenten aus dem Mischerausgangssignal S304 hergibt.
Das Mischerausgangssignal S304 ist eine durch die nachstehend angegebene Gleichung 1 ausgedrückte synthetisierte Sinuswelle. ${cosf}_{s} t \cdot {cosf}_{r} t = [cos {(f_{s} - f_{r}) t} + cos {(f_{s} + f_{r}) t}] / 2$
Es sei bemerkt, dass fst das Sendesignal S302 bezeichnet und dass frt das Empfangssignal S303 bezeichnet. Wenn das durch Gleichung 1 ausgedrückte Mischerausgangssignal S304 das Tiefpassfilter 305 durchläuft, werden niederfrequente Komponenten extrahiert. Dies führt zum Schwebungssignal S305.
Das Schwebungssignal S305 wird durch die nachstehend angegebene Gleichung 2 ausgedrückt. ${cosf}_{s} t \cdot {cosf}_{r} t = cos {(f_{s} - f_{r}) t} / 2$
Das heißt, dass das Schwebungssignal S305 die Frequenzdifferenz zwischen dem Sendesignal S302 und dem Empfangssignal S303 repräsentiert.
Die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322 analysiert das Schwebungssignal S305, um den relativen Abstand oder die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Radargerät 30 und dem Zielobjekt 42 zu berechnen. Wie später beschrieben wird, wird ein von der Dämpfungserkennungseinheit 324 oder der Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 als abnormal bestimmter Rahmen von den Rahmen des Schwebungssignals S305 aus der Berechnung des relativen Abstands und der Relativgeschwindigkeit ausgeschlossen und nicht für die Berechnung verwendet. Es sei bemerkt, dass Rahmen Datenbestandteile entlang der Zeitachse sind, die in festen Zeitintervallen aus einem Graphen ausgeschnitten werden, dessen horizontale Achse die Zeit bezeichnet.
Die Feststellungseinheit 25 führt wenigstens eines vom Dämpfungsbestimmungsprogramm 324a, das feststellt, ob im Schwebungssignal S305 eine abnormale Dämpfung vorhanden ist, und vom Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm 325a, das feststellt, ob eine Anomalie in der Frequenzkennlinie des Schwebungssignals vorhanden ist, aus, um festzustellen, ob das Schwebungssignal S305 abnormal ist.
In Schritt ST15 stellt die Dämpfungserkennungseinheit 324 für jeden Rahmen des Schwebungssignals S305 fest, ob das Signal infolge des Durchlaufs durch das Tiefpassfilter 305 erheblich gedämpft wurde. Nachdem eine erhebliche Dämpfung festgestellt wurde, stellt die Dämpfungserkennungseinheit 324 fest, dass der Rahmen abnormal ist.
Insbesondere führt die Dämpfungserkennungseinheit 324 der Feststellungseinheit 901 das Dämpfungsbestimmungsprogramm 324a aus. Das Dämpfungsbestimmungsprogramm 324a berechnet einen Signalstärkewert, der die Signalstärke des Schwebungssignals S305 angibt, und vergleicht den berechneten Signalstärkewert mit einer Signalstärkeschwelle, um festzustellen, ob im Schwebungssignal S305 eine abnormale Dämpfung auftritt. Der Signalstärkewert und die Signalstärkeschwelle sind ∫_T1 ^T2f²(t)dt und eine Schwelle σ_th, die mit Bezug auf 9 zu beschreiben sind. ∫_T1 ^T2f²(t)dt ist das definite Integral des Quadrats eines Signals f(t) von einer Anfangszeit T1 bis zu einer Endzeit T2 des Rahmens. Die Anfangszeit T1 und die Endzeit T2 sind die Anfangszeit und die Endzeit von jedem der Rahmen FR1 bis FR5 in 9, wie später zu beschreiben ist.
Die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322 führt einen Schnelle-Fouriertransformation(FFT)-Prozess an jedem Rahmen aus.
In Schritt ST16 führt die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 der Feststellungseinheit 901 das Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm 325a aus. Das Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm 325a stellt unter Verwendung eines Ergebnisses der Ausführung der schnellen Fouriertransformation am Schwebungssignal S305 fest, ob in der Frequenzkennlinie des Schwebungssignals S305 eine Anomalie vorhanden ist. Insbesondere führt die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 das Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm 325a aus, um unter Verwendung der Ausgabe des FFT-Prozesses an jedem Rahmen für jeden Rahmen festzustellen, ob die Frequenz, bei der die Signalstärke den Spitzenwert erreicht, von einem für die Schwebungsfrequenz erwarteten Frequenzbereich abweicht. Nachdem festgestellt wurde, dass die Frequenz, bei der die Signalstärke den Spitzenwert erreicht, vom erwarteten Frequenzbereich abweicht, stellt die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 fest, dass der Rahmen abnormal ist.
Der Rahmen, der von der Dämpfungserkennungseinheit 324 oder der Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 als abnormal bestimmt wurde, wird der Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322 von der Dämpfungserkennungseinheit 324 oder der Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 mitgeteilt. Die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322 schließt den als abnormal mitgeteilten Rahmen aus der nachfolgenden Signalverarbeitung aus.
Wie vorstehend beschrieben, stellen die Dämpfungserkennungseinheit 324 und die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 für jeden Rahmen der Schwebungssignals S305 fest, ob das Schwebungssignal S305 abnormal ist oder nicht. Die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322 berechnet Messinformationen einschließlich des Abstands vom Zielobjekt 42 und/oder der Geschwindigkeit des Zielobjekts 42 auf der Grundlage der Schwebungssignals S305. Zu dieser Zeit schließt die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322 einen Rahmen, der von wenigstens einer von der Dämpfungserkennungseinheit 324 und der Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 als abnormal bestimmt wurde, aus der Verwendung bei der Berechnung der Messinformationen aus.
Die Erkennung einer Anomalie durch die Dämpfungserkennungseinheit 324 und die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 wird mit Bezug auf die 7 bis 10 beschrieben. Das heißt, dass die Erkennung eines Angriffs durch die Dämpfungserkennungseinheit 324 und die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 beschrieben wird.
7 zeigt Einzelheiten der Ein- und Ausgabe des Computers 300.
8 zeigt Änderungen der Frequenz des Empfangssignals S303 abhängig davon, ob ein Angriff vorhanden ist oder nicht. Das obere Diagramm gibt einen Fall an, in dem kein Angriff vorhanden ist, und das untere Diagramm gibt einen Fall an, in dem ein Angriff vorhanden ist. Sowohl im oberen als auch im unteren Diagramm gibt die horizontale Achse die Zeit an und gibt die vertikale Achse die Frequenz an. Im oberen Diagramm gibt ein Signal f1 das Sendesignal S302 an und gibt ein Signal f2 das Empfangssignal S303 an. Im unteren Diagramm gibt ein Signal f1 das Sendesignal S302 an und gibt ein Signal g das Empfangssignal S303 an.
9 zeigt die Bestimmung einer Anomalie im Schwebungssignal S305 durch die Dämpfungserkennungseinheit 324. Das Schwebungssignal S305 weist das Signal g eines Angreifers auf. Das Schwebungssignal S305 in 9 wurde durch die Analogsignal-Schnittstelle 313 in ein Digitalsignal gewandelt. Das Gleiche gilt auch für das Schwebungssignal S305 in 10.
10 zeigt die Bestimmung einer Anomalie im Schwebungssignal S305 durch die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325.
Die in den 9 und 10 dargestellten Schwebungssignale S305 entsprechen dem in 6 dargestellten Sendesignal S302. Es sei bemerkt, dass das Modulationsverfahren nicht auf das Modulationsverfahren aus 6 beschränkt ist.
Falls der Angreifer das Modulationsverfahren aus 6 nicht korrekt vorhersagen kann, unterscheidet sich die Sendewelle des Angreifers, d. h. das Empfangssignal S303 vom Angreifer, in der Frequenz stark vom Sendesignal S302, wobei es sich um das Signal f1 handelt, wie im Fall des Signals g im unteren Diagramm aus 8. Infolge dieser Eigenschaft wird im Mischerausgangssignal S304 ein hochfrequenter Signalabschnitt beobachtet. 7 zeigt das Mischerausgangssignal S304, welches das Signal g des Angreifers aufweist.
Das Mischerausgangssignal S304 in 7 gibt einen Zustand an, in dem ein Angriff im dritten Chirp-Rahmen FR3 von den Chirp-Rahmen FR1 bis FR5 des Sendesignals S302 in 6 aufgetreten ist. Das heißt, dass die Chirp-Rahmen FR1 bis FR5 in 6 den Rahmen FR1 bis FR5 des Mischerausgangssignals S304 in 7 entsprechen. Die Chirp-Rahmen FR1 bis FR5 in 6 entsprechen den Rahmen FR1 bis FR5 der in den 9 und 10 dargestellten Schwebungssignale S305. Wie im Schwebungssignal S305 in 7 angegeben ist, wird, wenn das Mischerausgangssignal S304 das Tiefpassfilter 305 durchläuft, das hochfrequente Signal im Abschnitt, in dem der Angriff aufgetreten ist, gedämpft.
Es sei bemerkt, dass im Fall des in 6 dargestellten Modulationsverfahrens, das Aufwärts-Chirps und Abwärts-Chirps verwendet, die Genauigkeit der nachfolgenden Signalverarbeitung beeinträchtigt wird, falls eine Modulation ausgeführt wird, die sehr stark entweder zu Aufwärts-Chirps oder Abwärts-Chirps verschoben ist. Daher stellt die Zufallszahl-Erzeugungseinheit 323 die Frequenzen des Auftretens von 0 und 1 ein, wenn eine Mehr-Bit-Zufallszahlensequenz erzeugt wird. Das heißt, dass die Zufallszahl-Erzeugungseinheit 323 abhängig vom Modulationsverfahren eine beschränkte Zufallszahlensequenz erzeugen kann. Beispielsweise führt die Zufallszahl-Erzeugungseinheit 323 einen Codierprozess aus, um eine Zufallszahlensequenz zu erzeugen, welche das gleiche Hamming-Gewicht aufweist. Das heißt, dass eine Chirp-Modulation mit einem durch rG erhaltenen Vektor ausgeführt wird, wobei G eine Generatormatrix ist und r eine Zufallszahlensequenz ist.
Die von der Dämpfungserkennungseinheit 324 unter Verwendung des Dämpfungsbestimmungsprogramms 324a ausgeführte Bestimmung einer Anomalie wird mit Bezug auf 9 beschrieben. Das Schwebungssignal S305 wird durch die Analogsignal-Schnittstelle 313 abgetastet und in ein Digitalsignal gewandelt. Der Prozessor 311 verarbeitet das digital gewandelte Schwebungssignal S305 in Einheiten von n Rahmen, wobei n eine natürliche Zahl ist. In 9 ist n 5. Die Dämpfungserkennungseinheit 324 unterteilt das in ein Digitalsignal gewandelte Schwebungssignal S305 in Rahmen und stellt fest, ob in jedem Rahmen eine abnormale Dämpfung vorhanden ist. Bei einem Beispiel des Bestimmungsverfahrens berechnet die Dämpfungserkennungseinheit 324 einen Betrag, der dem quadratischen Mittelwert entspricht, und führt eine Bestimmung auf der Grundlage einer Schwelle aus. In 9 berechnet die Dämpfungserkennungseinheit 324 ∫_T1 ^T2f²(t)dt für jeden Rahmen in Bezug auf das Signal f(t) im Rahmen. Die Dämpfungserkennungseinheit 324 vergleicht das berechnete ∫_T1 ^T2f²(t)dt mit der im Programm vordefinierten Schwelle σ_th.
Im Fall ∫_T1 ^T2f²(t)dt < σ_th stellt die Dämpfungserkennungseinheit 324 fest, dass eine abnormale Dämpfung im Rahmen vorhanden ist, und bestimmt den Rahmen, in dem die abnormale Dämpfung vorhanden ist, als abnormal. Der als abnormal bestimmte Rahmen wird aus der nachfolgenden Mittelungsverarbeitung ausgeschlossen.
Die von der Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 unter Verwendung des Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramms 325a ausgeführte Bestimmung einer Anomalie in der Frequenzkennlinie wird mit Bezug auf 10 beschrieben. Das Schwebungssignal S305 wird durch die Analogsignal-Schnittstelle 313 abgetastet und in ein Digitalsignal gewandelt. Die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 verarbeitet das digital gewandelte Schwebungssignal S305 in Einheiten von n Rahmen.
In 10 ist n wie in 9 5. Die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322 unterteilt das digital gewandelte Schwebungssignal S305 in Rahmen und führt eine FFT an jedem Rahmen aus. Die FFT wird auch im üblicherweise verwendeten Radargerät ausgeführt, worin keine Gegenmaßnahmen gegen eine Täuschung implementiert sind. Bei der Signalverarbeitung durch die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322 wird eine FFT an jedem Rahmen ausgeführt, was als schneller Chirp bezeichnet wird.
Wenn die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322 keine FFT auf einer Pro-Rahmen-Basis ausführt, kann die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 eine FFT ausführen. Wie in 10 dargestellt ist, berechnet die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 eine Frequenz f_Spitze eines Spitzensignalstärkewerts in Bezug auf das Ergebnis der FFT an jedem Rahmen.
Falls die Frequenz f_Spitze höher als die vorgegebene Schwelle f_th ist, stellt die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325 fest, dass eine Anomalie in der Frequenzkennlinie des Schwebungssignals S305 vorhanden ist, und stellt fest, dass der Rahmen abnormal ist. Der als abnormal bestimmte Rahmen wird aus der nachfolgenden Signalverarbeitung ausgeschlossen. In 10 ist der Rahmen FR3 abnormal.
Die Schwelle f_th kann anhand der Hardwareeigenschaften, der Entfernungsmessgrenze und der messbaren Geschwindigkeitsgrenze des Radargeräts 30 bestimmt werden. Beispielsweise betragen unter der Annahme, dass die Mittenfrequenz 24 GHz ist, die Chirp-Sweep-Geschwindigkeit 160 [GHz/s] und die Entfernungsmessgrenze 60 m. In diesem Fall ist der Maximalwert der Frequenzverschiebung fr auf der Grundlage des relativen Abstands fr, wie nachstehend angegeben. $fr = 2 \times 60 [m] \times 160 [GHz/s] / (3 \times 10^{8}) [m/s] = 64 [kHz]$
Wenn die messbare Geschwindigkeitsgrenze 300 km/h ist, wird die Doppler-Verschiebung fv wie nachstehend angegeben berechnet. $fv = 300 [km/h] (3 \times 10^{8}) [m/s] \times 24 [GHz] = 6,67 [kHz]$
Daher kann die Schwelle f_th auf der Grundlage der Beziehung f_th = 64 + 6,67 als 70 kHz bestimmt werden.
*** Wirkungen der ersten Ausführungsform ***
Im Radargerät 30 erzeugt die Lokales-Signal-Erzeugungseinheit 321 das lokale Signal S301 auf der Grundlage einer Zufallszahlensequenz und erzeugt der Signalgenerator 301 das Sendesignal S302 anhand des lokalen Signals S301, wie mit Bezug auf 6 beschrieben. Dann wird eine Bestimmung unter Verwendung einer Schwelle durch die Dämpfungserkennungseinheit 324 und die Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit 325, welche durch Software verwirklicht sind, ausgeführt, ohne Hardwarekomponenten eines Zeit-Frequenz-Filters und eines Detektors, die herkömmlich erforderlich waren, zu verwenden. Ein als abnormal bestimmter Rahmen im Schwebungssignal S305, d. h. Abschnittsinformationen eines angegriffenen Chirps, werden durch die Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit 322 aus einer Reihe von Rahmen ausgeschlossen. Dadurch kann eine Entfernungsmessung ausgeführt werden, ohne durch einen Angriff beeinträchtigt zu werden. Daher kann durch das Radargerät 30 ein FMCW-Täuschungsangriff durch Hinzufügen von Funktionen durch ein Programm verhindert werden, ohne die Hardwarekonfiguration einer üblicherweise verwendeten FMCW-Vorrichtung zu ändern.
Bezugszeichenliste

S101, S301: lokales Signal;
S102, S302: Sendesignal;
S103, S303: Empfangssignal;
S104, S304: Mischerausgangssignal;
S105, S305: Schwebungssignal;
S106: Filterausgangssignal;
S107: Filtersteuersignal;
10, 30: Radar;
41: Kästchen;
42: Zielobjekt;
100: Computer;
101: Signalgenerator;
102: Sendeantenne;
103: Empfangsantenne;
104: Mischer;
105: Tiefpassfilter;
106: Zeit-Frequenz-Filter;
107: Detektor;
111: Prozessor;
112: Speicher;
113: Analogsignal-Schnittstelle;
114: Digitalsignal-Schnittstelle;
121: Lokales-Signal-Erzeugungseinheit;
122: Abstands- undGeschwindigkeitsberechnungseinheit;
123: Zufallszahl-Erzeugungseinheit;
124: Angriffserkennungseinheit;
125: Filtersteuereinheit;
300: Computer;
301: Signalgenerator;
302: Sendeantenne;
303: Empfangsantenne;
304: Mischer;
305: Tiefpassfilter;
311: Prozessor;
312: Speicher;
313: Analogsignal-Schnittstelle;
314: Digitalsignal-Schnittstelle;
321: Lokales-Signal-Erzeugungseinheit;
322: Abstands- und Geschwindigkeitsberechnungseinheit;
323: Zufallszahl-Erzeugungseinheit;
324: Dämpfungserkennungseinheit;
324a: Dämpfungsbestimmungsprogramm;
325: Abnorme-Frequenz-Erkennungseinheit;
325a: Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm;
901: Feststellungseinheit;
902: Sendeeinheit;
903: Schwebungssignal-Erzeugungseinheit;
904: Berechnungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Sugawara, Nashimoto u. a., „Randomizing Chirp Signal for Millimeter Wave Radar“, SCIS2017 2017 Symposium on Cryptograrhy and Information Security Naha, Japan, Jan. 24 - 27, 2017, The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers [0004]

Claims

Radarvorrichtung, welche Folgendes umfasst: eine Zufallszahl-Erzeugungseinheit zum Erzeugen einer Zufallszahlensequenz aus einem oder mehreren Bits, eine Lokales-Signal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines lokalen Signals entsprechend einem Bitwert jedes Bits der Zufallszahlensequenz, eine Sendeeinheit zum Erzeugen eines Sendesignals durch Frequenzmodulieren eines Trägers mit dem lokalen Signal und zum Senden des Sendesignals, einen Mischer zum Erhalten des Sendesignals von der Sendeeinheit, zum Mischen des Sendesignals und eines von einer Empfangsantenne empfangenen Empfangssignals und zur Ausgabe eines Mischerausgangssignals, eine Schwebungssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines Schwebungssignals aus dem vom Mischer ausgegebenen Mischerausgangssignal und eine Feststellungseinheit zum Ausführen wenigstens eines von einem Dämpfungsbestimmungsprogramm, das feststellt, ob im Schwebungssignal eine abnormale Dämpfung vorhanden ist, und einem Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm, das feststellt, ob eine Anomalie in einer Frequenzkennlinie des Schwebungssignals vorhanden ist, um festzustellen, ob das Schwebungssignal abnormal ist.
Radarvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Feststellungseinheit das Dämpfungsbestimmungsprogramm ausführt und wobei das Dämpfungsbestimmungsprogramm einen Signalstärkewert berechnet, der die Signalstärke des Schwebungssignals angibt, und den berechneten Signalstärkewert mit einer Signalstärkeschwelle vergleicht, um festzustellen, ob im Schwebungssignal eine abnormale Dämpfung vorhanden ist.
Radarvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Feststellungseinheit das Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm ausführt und wobei das Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm unter Verwendung eines Ergebnisses des Ausführens einer schnellen Fouriertransformation am Schwebungssignal feststellt, ob in der Frequenzkennlinie des Schwebungssignals eine Anomalie vorhanden ist.
Radarvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Feststellungseinheit für jeden Rahmen des Schwebungssignals feststellt, ob das Schwebungssignal abnormal ist, wobei die Radarvorrichtung ferner Folgendes umfasst: eine Berechnungseinheit zum Berechnen von Messinformationen einschließlich des Abstands von einem Messziel und/oder der Geschwindigkeit des Messziels auf der Grundlage des Schwebungssignals, wobei die Berechnungseinheit den von der Feststellungseinheit als abnormal bestimmten Rahmen vom Verwenden bei der Berechnung der Messinformationen ausschließt.
Radarvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zufallszahl-Erzeugungseinheit Frequenzen des Auftretens von 0 und 1 einstellt, wenn eine Mehr-Bit-Zufallszahlensequenz erzeugt wird.
Anomaliebestimmungsprogramm, um einen Computer zu veranlassen, Folgendes auszuführen: einen Zufallszahl-Erzeugungsprozess zum Erzeugen einer Zufallszahlensequenz aus einem oder mehreren Bits, einen Lokales-Signal-Erzeugungsprozess zum Erzeugen eines lokalen Signals entsprechend einem Bitwert jedes Bits der Zufallszahlensequenz und einen Bestimmungsprozess zum Ausführen wenigstens eines von einem Dämpfungsbestimmungsprogramm, das feststellt, ob eine abnormale Dämpfung in einem Schwebungssignal vorhanden ist, und einem Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm, das feststellt, ob eine Anomalie in einer Frequenzkennlinie des Schwebungssignals vorhanden ist, wobei das Schwebungssignal erhalten wird, wenn ein gemischtes Signal durch ein Tiefpassfilter läuft, wobei das gemischte Signal eine Mischung aus einem Sendesignal, das sich durch Frequenzmodulieren eines Trägers mit dem lokalen Signal ergibt, und einem von einer Empfangsantenne empfangenen Empfangssignal ist.
Anomaliebestimmungsprogramm nach Anspruch 6, wobei der Bestimmungsprozess das Dämpfungsbestimmungsprogramm ausführt und wobei das Dämpfungsbestimmungsprogramm einen Signalstärkewert berechnet, der die Signalstärke des Schwebungssignals angibt, und den berechneten Signalstärkewert mit einer Signalstärkeschwelle vergleicht, um festzustellen, ob im Schwebungssignal eine abnormale Dämpfung vorhanden ist.
Anomaliebestimmungsprogramm nach Anspruch 6, wobei der Bestimmungsprozess das Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm ausführt und wobei das Frequenzkennlinien-Bestimmungsprogramm unter Verwendung eines Ergebnisses des Ausführens einer schnellen Fouriertransformation am Schwebungssignal feststellt, ob in der Frequenzkennlinie des Schwebungssignals eine Anomalie vorhanden ist.
Anomaliebestimmungsprogramm nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Bestimmungsprozess für jeden Rahmen des Schwebungssignals feststellt, ob das Schwebungssignal abnormal ist, wobei das Anomaliebestimmungsprogramm ferner Folgendes umfasst: einen Berechnungsprozess zum Berechnen von Messinformationen einschließlich zumindest des Abstands von einem Messziel und/oder der Geschwindigkeit des Messziels auf der Grundlage des Schwebungssignals, wobei der Berechnungsprozess den vom Bestimmungsprozess als abnormal bestimmten Rahmen vom Verwenden bei der Berechnung der Messinformationen ausschließt.
Anomaliebestimmungsprogramm nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Zufallszahl-Erzeugungsprozess Frequenzen des Auftretens von 0 und 1 einstellt, wenn eine Mehr-Bit-Zufallszahlensequenz erzeugt wird.