基于軟件無(wú)線(xiàn)電的被動(dòng)雷達(dá)

1、一種多頻段多波束的軟件定義的被動(dòng)雷達(dá)PART 系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵字：無(wú)源雙基站雷達(dá)，軟件定義的雷達(dá)，多頻段多波束雷達(dá)，USRP摘要： 這篇論文講述了一種軟件定義的無(wú)源雙基站雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展，這種雷達(dá)系統(tǒng)可以工作在任意載頻、帶寬以及一種可以大致6Ghz并且發(fā)送端以不同的位置機(jī)會(huì)的大頻譜信號(hào)。一種廉價(jià)的開(kāi)源的軟件定義的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)被用來(lái)發(fā)展一種完全同步的多頻道數(shù)字接收系統(tǒng)。許多不同構(gòu)造的相控陣天線(xiàn)被建造用來(lái)覆蓋一個(gè)寬的頻域和數(shù)量。數(shù)字波束形成，可適應(yīng)濾波，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)被用來(lái)在所有9的方向上偵測(cè)和追蹤任務(wù)。測(cè)試結(jié)果在末尾給出來(lái)證明設(shè)計(jì)。1. 簡(jiǎn)介無(wú)源雙基站雷達(dá)使用了幾率發(fā)射系統(tǒng)作為他的信息源并與雷達(dá)

2、接收系統(tǒng)處在不同位置。發(fā)送器可以是任何廣播發(fā)送設(shè)備比如模擬或者數(shù)字音響，電視，GPS系統(tǒng)，等等，或者是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)比如GSM,UMTS,WiMAX,LTE或者空間通信連接等等。甚至可以在雙站模式下使用另一種同類(lèi)型的雷達(dá)發(fā)送器。大量的這種發(fā)送器可以1中被發(fā)現(xiàn)。無(wú)源雙基站雷達(dá)相較于他的同類(lèi)型設(shè)備而言有許多優(yōu)點(diǎn)。很明顯的是這種系統(tǒng)使得反導(dǎo)系統(tǒng)以及電子偵測(cè)設(shè)備與它對(duì)抗變得更難同時(shí)對(duì)于各種天氣條件下都適用。由于這種低的操作頻率以及雙站或者多路統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)使得它可以檢測(cè)隱身目標(biāo)。由于使用了已經(jīng)存在的幾率發(fā)送器，所以這種設(shè)備比較廉價(jià)。在過(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)，許多的處于試驗(yàn)階段或者實(shí)用階段的適用于陸、空、海域的被動(dòng)雷

3、達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)被研發(fā)出來(lái)，這些系統(tǒng)使用FM2,TV3,DTV-B4,GSM5,UMTS6,WiMAX7,WLAN/WiFi8,GPS/GL ONASS9等形式的信號(hào)。然而，這些系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于某種特殊的發(fā)送器，一種特殊信號(hào)的選擇應(yīng)主要的根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)以及雷達(dá)任務(wù)的雙站幾何特點(diǎn)?；谶@個(gè)原因，軟件定義的無(wú)線(xiàn)電是一種理想的選擇。軟件定義的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)是能夠在傳播中通過(guò)重新構(gòu)造它的頻率，帶寬，數(shù)字信號(hào)處理模式等等操作特性來(lái)改變信號(hào)的特性。軟件定義的無(wú)線(xiàn)電由于其靈活性和適應(yīng)性而具有很多操作上的優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)字波束變化的頻率使得多角色的智能天線(xiàn)可以形成多種可用于各種雷達(dá)功能的天線(xiàn)模式。將這兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)意味著可

4、以適應(yīng)各種射頻和任務(wù)環(huán)境的可適應(yīng)性的雷達(dá)。無(wú)源雙基站雷達(dá)和軟件定義的無(wú)線(xiàn)電的結(jié)合使用了巨大的信號(hào)處理信道。然而，數(shù)字信號(hào)處理器和FPGAs的容量使得這樣一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性變得現(xiàn)實(shí)。一種軟件定義的無(wú)線(xiàn)電和無(wú)源雙基站雷達(dá)結(jié)合的有限容量的這樣一個(gè)系統(tǒng)的趨勢(shì)可以在文章8,10,6,4,11查找到。在這篇論文中，我們會(huì)討論一種多頻段和多波束的軟件定義的無(wú)源雙基站雷達(dá)的設(shè)計(jì)和發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種使用叫做USDR的開(kāi)源軟件定義的無(wú)線(xiàn)電的多信道數(shù)字雷達(dá)接收系統(tǒng)。通過(guò)使用了相位改變、數(shù)字波束、多信道同步、無(wú)源雙基站雷達(dá)、軟件定義的無(wú)線(xiàn)電、可適應(yīng)過(guò)濾器、數(shù)字信號(hào)處理以及雷達(dá)信號(hào)處理等技術(shù)，我們

5、可以開(kāi)發(fā)一種雷達(dá)系統(tǒng)，這種雷達(dá)可以調(diào)到各種小于GHz有一個(gè)特定的小于50MHz的帶寬的載頻信號(hào)。第二部分解釋了雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的挑戰(zhàn)，第三部分展示了演示結(jié)果。2雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于軟件無(wú)線(xiàn)電的無(wú)源雙基站雷達(dá)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)理論是它能基于變化的載頻和任務(wù)環(huán)境，通過(guò)一個(gè)可以在空間和頻域上控制的軟件來(lái)改變它的功能參數(shù)。這意味著這種雷達(dá)應(yīng)該有以下能力。1.360度全方位覆蓋并擁有最小的盲區(qū)。2.能夠形成多功能適應(yīng)性天線(xiàn)波束。3.能夠調(diào)整到來(lái)自任意方向的任意載頻的能力。4.控制截獲信號(hào)帶寬的能力。5.偵測(cè)和追蹤任務(wù)的能力。這些能力可以使得這種被動(dòng)雷達(dá)使用從陸地、空中、海洋上捕捉到的廣播或者無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)來(lái)在

6、同一時(shí)間采用多種模式的方式去偵測(cè)和追蹤多項(xiàng)任務(wù)。對(duì)于這樣一種來(lái)說(shuō)，基本的構(gòu)造模塊應(yīng)包括：1. 隨著數(shù)字波束結(jié)構(gòu)改變的天線(xiàn)2. 多信道異步模式的軟件定義的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)3. 數(shù)字信號(hào)處理器接下來(lái)，我們會(huì)解釋我們是如何實(shí)現(xiàn)這樣一種被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)的各種目標(biāo)的。2.1 隨著天線(xiàn)轉(zhuǎn)換單元變化的天線(xiàn)陣列無(wú)源雙基站雷達(dá)可以使用大量的存在于地面和空間的覆蓋了一個(gè)寬的頻率的幾率發(fā)送機(jī)，比如： HF,FM,TV,DTV-B,GSM,EDGE,UMTS,WIMAX,LTE,GPS,ACARS,衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電以及電視通信信號(hào)以及其他的雷達(dá)等等。這些發(fā)送器和任務(wù)可以位于空間中的任何位置。隨著方向元素和可適應(yīng)的數(shù)字波束改變的天線(xiàn)使

7、得我們可以捕獲來(lái)自所有發(fā)送源的信號(hào)。為了覆蓋較寬的頻域，可變的帶寬，數(shù)量，和多變的位置，大量的直線(xiàn)型的和圓圈型的基于多種頻帶的天線(xiàn)被設(shè)計(jì)出來(lái)。這些天線(xiàn)通過(guò)一種軟件控制的天線(xiàn)轉(zhuǎn)換單元連接到一個(gè)多信道的雷達(dá)接收系統(tǒng)。這允許我們可以針對(duì)一種特殊的空間環(huán)境來(lái)選擇合適的天線(xiàn)。圖1.多基帶無(wú)源雙基站雷達(dá)的功能模塊圖2.覆蓋一個(gè)寬的頻譜范圍的多基帶相控陣天線(xiàn) 圖3.多信道基于軟件無(wú)線(xiàn)電的雙站被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)2.2 多信道的軟件定義的雷達(dá)接收系統(tǒng)為了設(shè)計(jì)一種多信道的數(shù)字雷達(dá)接收系統(tǒng)，軟件定義的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)被使用了。USRP是一種開(kāi)源的軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)，有著單一的能力高達(dá)6GHz載頻，50MHz帶寬的信道發(fā)送和接收器。

8、它包括一個(gè)雙信道的14位100MSa/s的交流變直流信道和一個(gè)雙信道的16位400MSa/s的直流變交流信道。這個(gè)設(shè)備裝備了一個(gè)將數(shù)據(jù)流連接到一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò)地址的以太網(wǎng)連接。8個(gè)USRPs被用來(lái)形成一個(gè)8信道的雷達(dá)接收系統(tǒng)。一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)在圖3中展示了。 2.3 多信道同步系統(tǒng) 每一個(gè)軟件定義的無(wú)線(xiàn)電都可以使用來(lái)自于一種GPS原理為源的以太形式來(lái)同步相位。一個(gè)10MHz頻率的信號(hào)被提供用于相位換鎖定載頻前面的本地振蕩器。每秒一次震蕩的信號(hào)被用來(lái)作為同步每個(gè)交流轉(zhuǎn)直流信道的時(shí)鐘信號(hào)。這樣可以同步本地振蕩器和所有信道的時(shí)鐘信號(hào)。接下來(lái)，我們需要同步DDC中的數(shù)字控制振蕩器和每個(gè)裝備中的裝備時(shí)間，通

9、過(guò)設(shè)置一個(gè)同時(shí)觸發(fā)軟件觸發(fā)命令。這樣將使得信道相位彼此鎖定?，F(xiàn)在依然在每個(gè)信道中存在一個(gè)隨機(jī)但精細(xì)的相位脫離設(shè)定的錯(cuò)誤。這個(gè)錯(cuò)誤可以通過(guò)向每個(gè)信道的載頻口輸入一個(gè)特殊的數(shù)字域的相位校正信號(hào)來(lái)糾正。接下來(lái)但不是最后的，通過(guò)以太網(wǎng)傳送的數(shù)據(jù)依然應(yīng)該保持同步。一旦主機(jī)不能跟上傳送數(shù)據(jù)的步伐，將會(huì)產(chǎn)生丟包現(xiàn)象以及系統(tǒng)丟失數(shù)據(jù)層面的同步信號(hào)。2.4 信號(hào)記錄一個(gè)自定義的控制軟件被用來(lái)獲取和記錄多信道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步。多信道寬帶信號(hào)可以達(dá)到一個(gè)驚人的數(shù)據(jù)率。實(shí)時(shí)的信號(hào)記錄和處理是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。所有的八路信道復(fù)用到一個(gè)主機(jī)，這個(gè)主機(jī)使用1Gbps到10Gbps的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)以及記錄到一個(gè)raid硬盤(pán)，用于后

10、續(xù)的雷達(dá)信號(hào)處理。另一個(gè)選擇是依靠每一格信道的信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備存儲(chǔ)到一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)裝置，這樣可以用一個(gè)較好的結(jié)果記錄像50MHz這樣的寬帶結(jié)果。2.5 系統(tǒng)校準(zhǔn)雖然系統(tǒng)是相位同步和一致的，仍然需要校準(zhǔn)與天線(xiàn)陣列作為一個(gè)整體以及射頻電纜的下列錯(cuò)誤。1. 陣列元素之間的相互耦合。2. 天線(xiàn)陣列和安裝管腳之間對(duì)象的耦合。3. 陣列元素在空間位置上的錯(cuò)誤。4. 不同的電傳輸電纜長(zhǎng)度上的不同。5. 天線(xiàn)、電纜和接收器之間的阻抗失配。6. 天線(xiàn)切換單元的相位錯(cuò)誤。這些錯(cuò)誤的校準(zhǔn)使用一套完整的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法。一個(gè)特殊的測(cè)試信號(hào)在已知角度的圓形的或者是直線(xiàn)型的天線(xiàn)上傳播。每個(gè)信道上的錯(cuò)誤是針對(duì)理想情況來(lái)檢測(cè)的，

11、然后使用多變量的最佳的目標(biāo)函數(shù)來(lái)校準(zhǔn)。2.6 數(shù)字波束形成數(shù)字波束形成的目標(biāo)是形成多路空間數(shù)字化的波束。一個(gè)參考信道波束形成用來(lái)作為主要的傳送源。一些監(jiān)督波束被形成用來(lái)防止一個(gè)空的空間來(lái)抑制直接信號(hào)干擾以及抑制旁瓣電平來(lái)減少干擾和噪聲。2.7 數(shù)字信號(hào)處理圖5中的框圖大概論述了無(wú)源雙基站雷達(dá)中雷達(dá)信號(hào)處理的主要步驟。后續(xù)的包括雷達(dá)信號(hào)處理在內(nèi)的細(xì)節(jié)問(wèn)題在本論文的第二部分里講述了。圖4.數(shù)字波束形成圖5.雷達(dá)信號(hào)處理框圖3 測(cè)量結(jié)果一項(xiàng)用GSM信號(hào)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)被操作用來(lái)檢測(cè)雷達(dá)的新能。一個(gè)圓形的天線(xiàn)陣列被選擇，使用了在GSM信號(hào)基帶范圍內(nèi)的操作頻率。一個(gè)有200KHz帶寬的GSMEDGE發(fā)送器被放

12、置在無(wú)源雷達(dá)的東面。一兩被作為合作方的小汽車(chē)以40千米每小時(shí)的速度由北向南靠近然后從雙基站的中間地帶開(kāi)始遠(yuǎn)離雷達(dá)。結(jié)果顯示，當(dāng)目標(biāo)靠近的時(shí)候，多普勒跟蹤的目標(biāo)從正面走向負(fù)面，然后從雷達(dá)中消失。就像圖6顯示的那樣。更多的同樣的雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以在本論文的第二部分找到。4. 結(jié)論多頻段多波束的軟件定義的被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)是使用開(kāi)源的軟件定義的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，多頻段天線(xiàn)陣列，數(shù)字波束形成以及與自適應(yīng)和匹配濾波相關(guān)的信號(hào)處理技術(shù)等技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。各種各樣的與多信道同步和系統(tǒng)校準(zhǔn)相關(guān)的設(shè)計(jì)問(wèn)題也被呈現(xiàn)出來(lái)。雷達(dá)的功能參數(shù)是由軟件控制的使得它有能力使用放置在任何空間域和頻率域的幾率發(fā)送器來(lái)偵測(cè)多項(xiàng)任務(wù)。試驗(yàn)結(jié)果

13、驗(yàn)證了無(wú)源被動(dòng)雷達(dá)的表現(xiàn)。參考文獻(xiàn)：1 H. Griffiths and C. Baker, “Measurement and anal-ysis of ambiguity functions of passive radar trans-missions,” inRadar Conference, 2005 IEEE Interna-tional . IEEE, 2005, pp. 321325.2 P. Howland, D. Maksimiuk, and G. Reitsma, “Fm radio based bistatic radar,” in Radar, Sonar and Na

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