基于軟件無線電的被動雷達系統(tǒng)

1、一種多頻段多波束的軟件定義的被動雷達PART 系統(tǒng)設計關鍵字：無源雙基站雷達，軟件定義的雷達，多頻段多波束雷達，USRP摘要： 這篇論文講述了一種軟件定義的無源雙基站雷達系統(tǒng)的設計和發(fā)展，這種雷達系統(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會的大頻譜信號。一種廉價的開源的軟件定義的無線電技術被用來發(fā)展一種完全同步的多頻道數(shù)字接收系統(tǒng)。許多不同構造的相控陣天線被建造用來覆蓋一個寬的頻域和數(shù)量。數(shù)字波束形成，可適應濾波，數(shù)字信號處理技術被用來在所有的方向上偵測和追蹤任務。測試結果在末尾給出來證明設計。1. 簡介無源雙基站雷達使用了幾率發(fā)射系統(tǒng)作為他的信息源并與雷達接

2、收系統(tǒng)處在不同位置。發(fā)送器可以是任何廣播發(fā)送設備比如模擬或者數(shù)字音響，電視，GPS系統(tǒng)，等等，或者是無線通信系統(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型的雷達發(fā)送器。大量的這種發(fā)送器可以1中被發(fā)現(xiàn)。無源雙基站雷達相較于他的同類型設備而言有許多優(yōu)點。很明顯的是這種系統(tǒng)使得反導系統(tǒng)以及電子偵測設備與它對抗變得更難同時對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)計結構使得它可以檢測隱身目標。由于使用了已經存在的幾率發(fā)送器，所以這種設備比較廉價。在過去的一段時間內，許多的處于試驗階段或者實用階段的適用于陸、空、海域的被動雷達

3、系統(tǒng)已經被研發(fā)出來，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。然而，這些系統(tǒng)被設計用于某種特殊的發(fā)送器，一種特殊信號的選擇應主要的根據(jù)信號的特點以及雷達任務的雙站幾何特點?；谶@個原因，軟件定義的無線電是一種理想的選擇。軟件定義的無線電系統(tǒng)是能夠在傳播中通過重新構造它的頻率，帶寬，數(shù)字信號處理模式等等操作特性來改變信號的特性。軟件定義的無線電由于其靈活性和適應性而具有很多操作上的優(yōu)點。隨著數(shù)字波束變化的頻率使得多角色的智能天線可以形成多種可用于各種雷達功能的天線模式。將這兩種技術結合起來意味著可以

4、適應各種射頻和任務環(huán)境的可適應性的雷達。無源雙基站雷達和軟件定義的無線電的結合使用了巨大的信號處理信道。然而，數(shù)字信號處理器和FPGAs的容量使得這樣一個雷達系統(tǒng)的實時性變得現(xiàn)實。一種軟件定義的無線電和無源雙基站雷達結合的有限容量的這樣一個系統(tǒng)的趨勢可以在文章8,10,6,4,11查找到。在這篇論文中，我們會討論一種多頻段和多波束的軟件定義的無源雙基站雷達的設計和發(fā)展。為了實現(xiàn)這個目的，我們設計了一種使用叫做USDR的開源軟件定義的無線電的多信道數(shù)字雷達接收系統(tǒng)。通過使用了相位改變、數(shù)字波束、多信道同步、無源雙基站雷達、軟件定義的無線電、可適應過濾器、數(shù)字信號處理以及雷達信號處理等技術，我們可

5、以開發(fā)一種雷達系統(tǒng)，這種雷達可以調到各種小于GHz有一個特定的小于50MHz的帶寬的載頻信號。第二部分解釋了雷達系統(tǒng)設計過程中的挑戰(zhàn)，第三部分展示了演示結果。2雷達系統(tǒng)設計 基于軟件無線電的無源雙基站雷達系統(tǒng)的基本設計理論是它能基于變化的載頻和任務環(huán)境，通過一個可以在空間和頻域上控制的軟件來改變它的功能參數(shù)。這意味著這種雷達應該有以下能力。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性天線波束。3.能夠調整到來自任意方向的任意載頻的能力。4.控制截獲信號帶寬的能力。5.偵測和追蹤任務的能力。這些能力可以使得這種被動雷達使用從陸地、空中、海洋上捕捉到的廣播或者無線通信信號來在同

6、一時間采用多種模式的方式去偵測和追蹤多項任務。對于這樣一種來說，基本的構造模塊應包括：1. 隨著數(shù)字波束結構改變的天線2. 多信道異步模式的軟件定義的無線電系統(tǒng)3. 數(shù)字信號處理器接下來，我們會解釋我們是如何實現(xiàn)這樣一種被動雷達系統(tǒng)的各種目標的。2.1 隨著天線轉換單元變化的天線陣列無源雙基站雷達可以使用大量的存在于地面和空間的覆蓋了一個寬的頻率的幾率發(fā)送機，比如： HF,FM,TV,DTV-B,GSM,EDGE,UMTS,WIMAX,LTE,GPS,ACARS,衛(wèi)星無線電以及電視通信信號以及其他的雷達等等。這些發(fā)送器和任務可以位于空間中的任何位置。隨著方向元素和可適應的數(shù)字波束改變的天線使得

7、我們可以捕獲來自所有發(fā)送源的信號。為了覆蓋較寬的頻域，可變的帶寬，數(shù)量，和多變的位置，大量的直線型的和圓圈型的基于多種頻帶的天線被設計出來。這些天線通過一種軟件控制的天線轉換單元連接到一個多信道的雷達接收系統(tǒng)。這允許我們可以針對一種特殊的空間環(huán)境來選擇合適的天線。圖1.多基帶無源雙基站雷達的功能模塊圖2.覆蓋一個寬的頻譜范圍的多基帶相控陣天線 圖3.多信道基于軟件無線電的雙站被動雷達系統(tǒng)2.2 多信道的軟件定義的雷達接收系統(tǒng)為了設計一種多信道的數(shù)字雷達接收系統(tǒng)，軟件定義的無線電技術被使用了。USRP是一種開源的軟件無線電系統(tǒng)，有著單一的能力高達6GHz載頻，50MHz帶寬的信道發(fā)送和接收器。它

8、包括一個雙信道的14位100MSa/s的交流變直流信道和一個雙信道的16位400MSa/s的直流變交流信道。這個設備裝備了一個將數(shù)據(jù)流連接到一個特殊的網絡地址的以太網連接。8個USRPs被用來形成一個8信道的雷達接收系統(tǒng)。一個實際的系統(tǒng)在圖3中展示了。 2.3 多信道同步系統(tǒng) 每一個軟件定義的無線電都可以使用來自于一種GPS原理為源的以太形式來同步相位。一個10MHz頻率的信號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被用來作為同步每個交流轉直流信道的時鐘信號。這樣可以同步本地振蕩器和所有信道的時鐘信號。接下來，我們需要同步DDC中的數(shù)字控制振蕩器和每個裝備中的裝備時間，通過

9、設置一個同時觸發(fā)軟件觸發(fā)命令。這樣將使得信道相位彼此鎖定。現(xiàn)在依然在每個信道中存在一個隨機但精細的相位脫離設定的錯誤。這個錯誤可以通過向每個信道的載頻口輸入一個特殊的數(shù)字域的相位校正信號來糾正。接下來但不是最后的，通過以太網傳送的數(shù)據(jù)依然應該保持同步。一旦主機不能跟上傳送數(shù)據(jù)的步伐，將會產生丟包現(xiàn)象以及系統(tǒng)丟失數(shù)據(jù)層面的同步信號。2.4 信號記錄一個自定義的控制軟件被用來獲取和記錄多信道實時數(shù)據(jù)同步。多信道寬帶信號可以達到一個驚人的數(shù)據(jù)率。實時的信號記錄和處理是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。所有的八路信道復用到一個主機，這個主機使用1Gbps到10Gbps的網絡開關以及記錄到一個raid硬盤，用于后續(xù)

10、的雷達信號處理。另一個選擇是依靠每一格信道的信號通過網絡設備存儲到一個獨立的存儲裝置，這樣可以用一個較好的結果記錄像50MHz這樣的寬帶結果。2.5 系統(tǒng)校準雖然系統(tǒng)是相位同步和一致的，仍然需要校準與天線陣列作為一個整體以及射頻電纜的下列錯誤。1. 陣列元素之間的相互耦合。2. 天線陣列和安裝管腳之間對象的耦合。3. 陣列元素在空間位置上的錯誤。4. 不同的電傳輸電纜長度上的不同。5. 天線、電纜和接收器之間的阻抗失配。6. 天線切換單元的相位錯誤。這些錯誤的校準使用一套完整的系統(tǒng)校準方法。一個特殊的測試信號在已知角度的圓形的或者是直線型的天線上傳播。每個信道上的錯誤是針對理想情況來檢測的，然

11、后使用多變量的最佳的目標函數(shù)來校準。2.6 數(shù)字波束形成數(shù)字波束形成的目標是形成多路空間數(shù)字化的波束。一個參考信道波束形成用來作為主要的傳送源。一些監(jiān)督波束被形成用來防止一個空的空間來抑制直接信號干擾以及抑制旁瓣電平來減少干擾和噪聲。2.7 數(shù)字信號處理圖5中的框圖大概論述了無源雙基站雷達中雷達信號處理的主要步驟。后續(xù)的包括雷達信號處理在內的細節(jié)問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.雷達信號處理框圖3 測量結果一項用GSM信號進行的實驗被操作用來檢測雷達的新能。一個圓形的天線陣列被選擇，使用了在GSM信號基帶范圍內的操作頻率。一個有200KHz帶寬的GSMEDGE發(fā)送器被放置

12、在無源雷達的東面。一兩被作為合作方的小汽車以40千米每小時的速度由北向南靠近然后從雙基站的中間地帶開始遠離雷達。結果顯示，當目標靠近的時候，多普勒跟蹤的目標從正面走向負面，然后從雷達中消失。就像圖6顯示的那樣。更多的同樣的雷達系統(tǒng)的實驗結果可以在本論文的第二部分找到。4. 結論多頻段多波束的軟件定義的被動雷達系統(tǒng)是使用開源的軟件定義的無線電技術，多頻段天線陣列，數(shù)字波束形成以及與自適應和匹配濾波相關的信號處理技術等技術發(fā)展而來的。各種各樣的與多信道同步和系統(tǒng)校準相關的設計問題也被呈現(xiàn)出來。雷達的功能參數(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)送器來偵測多項任務。試驗結果驗

13、證了無源被動雷達的表現(xiàn)。參考文獻：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 Nav

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