基于软件无线电的被动雷达

一种多频段多波束的软件定义的被动雷达PARTⅠ系统设计关键字：无源双基站雷达，软件定义的雷达，多频段多波束雷达，USRP摘要：这篇论文讲述了一种软件定义的无源双基站雷达系统的设计和发展，这种雷达系统可以工作在任意载频、带宽以及一种可以大致6Ghz并且发送端以不同的位置机会的大频谱信号。一种廉价的开源的软件定义的无线电技术被用来发展一种完全同步的多频道数字接收系统。许多不同构造的相控阵天线被建造用来覆盖一个宽的频域和数量。数字波束形成，可适应滤波，数字信号处理技术被用来在所有9的方向上侦测和追踪任务。测试结果在末尾给出来设计。1. 简介无源双基站雷达使用了几率发射系统作为他的信息源并与雷达接收系统处在不同位置。发送器可以是任何广播发送设备比如模拟或者数字音响，电视，GPS系统，等等，或者是无线通信系统比如GSM,UMTS,WiMAX,LTE或者空间通信连接等等。甚至可以在双站模式下使用另一种同类型的雷达发送器。大量的这种发送器可以[1]中被发现。无源双基站雷达相较于他的同类型设备而言有许多优点。很明显的是这种系统使得反导系统以及电子侦测设备与它对抗变得更难同时对于各种天气条件下都适用。由于这种低的操作频率以及双站或者多路统计结构使得它可以检测隐身目标。由于使用了已经存在的几率发送器，所以这种设备比较廉价。在过去的一段时间内，许多的处于试验阶段或者实用阶段的适用于陆、空、海域的被动雷达系统已经被研发出来，这些系统使用FM[2],TV[3],DTV-B[4],GSM[5],UMTS[6],WiMAX[7],WLAN/WiFi[8],GPS/GLONASS[9]等形式的信号。然而，这些系统被设计用于某种特殊的发送器，一种特殊信号的选择应主要的根据信号的特点以及雷达任务的双站几何特点。基于这个原因，软件定义的无线电是一种理想的选择。软件定义的无线电系统是能够在传播中通过重新构造它的频率，带宽，数字信号处理模式等等操作特性来改变信号的特性。软件定义的无线电由于其灵活性和适应性而具有很多操作上的优点。随着数字波束变化的频率使得多角色的智能天线可以形成多种可用于各种雷达功能的天线模式。将这两种技术结合起来意味着可以适应各种射频和任务环境的可适应性的雷达。无源双基站雷达和软件定义的无线电的结合使用了巨大的信号处理信道。然而，数字信号处理器和FPGAs的容量使得这样一个雷达系统的实时性变得现实。一种软件定义的无线电和无源双基站雷达结合的有限容量的这样一个系统的趋势可以在文章[8,10,6,4,11]查找到。在这篇论文中，我们会讨论一种多频段和多波束的软件定义的无源双基站雷达的设计和发展。为了实现这个目的，我们设计了一种使用叫做USDR的开源软件定义的无线电的多信道数字雷达接收系统。通过使用了相位改变、数字波束、多信道同步、无源双基站雷达、软件定义的无线电、可适应过滤器、数字信号处理以及雷达信号处理等技术，我们可以开发一种雷达系统，这种雷达可以调到各种小于GHz有一个特定的小于50MHz的带宽的载频信号。第二部分解释了雷达系统设计过程中的挑战，第三部分展示了演示结果。2．雷达系统设计基于软件无线电的无源双基站雷达系统的基本设计理论是它能基于变化的载频和任务环境，通过一个可以在空间和频域上控制的软件来改变它的功能参数。这意味着这种雷达应该有以下能力。1.360度全方位覆盖并拥有最小的盲区。2.能够形成多功能适应性天线波束。3.能够调整到来自任意方向的任意载频的能力。4.控制截获信号带宽的能力。5.侦测和追踪任务的能力。这些能力可以使得这种被动雷达使用从陆地、空中、海洋上捕捉到的广播或者无线通信信号来在同一时间采用多种模式的方式去侦测和追踪多项任务。对于这样一种来说，基本的构造模块应包括：1. 随着数字波束结构改变的天线2. 多信道异步模式的软件定义的无线电系统3. 数字信号处理器接下来，我们会解释我们是如何实现这样一种被动雷达系统的各种目标的。2.1随着天线转换单元变化的天线阵列无源双基站雷达可以使用大量的存在于地面和空间的覆盖了一个宽的频率的几率发送机，比如：HF,FM,TV,DTV-B,GSM,EDGE,UMTS,WIMAX,LTE,GPS,ACARS,卫星无线电以及电视通信信号以及其他的雷达等等。这些发送器和任务可以位于空间中的任何位置。随着方向元素和可适应的数字波束改变的天线使得我们可以捕获来自所有发送源的信号。为了覆盖较宽的频域，可变的带宽，数量，和多变的位置，大量的直线型的和圆圈型的基于多种频带的天线被设计出来。这些天线通过一种软件控制的天线转换单元连接到一个多信道的雷达接收系统。这允许我们可以针对一种特殊的空间环境来选择合适的天线。图1.多基带无源双基站雷达的功能模块图2.覆盖一个宽的频谱范围的多基带相控阵天线图3.多信道基于软件无线电的双站被动雷达系统2.2多信道的软件定义的雷达接收系统为了设计一种多信道的数字雷达接收系统，软件定义的无线电技术被使用了。USRP是一种开源的软件无线电系统，有着单一的能力高达6GHz载频，50MHz带宽的信道发送和接收器。它包括一个双信道的14位100MSa/s的交流变直流信道和一个双信道的16位400MSa/s的直流变交流信道。这个设备装备了一个将数据流连接到一个特殊的网络地址的以太网连接。8个USRPs被用来形成一个8信道的雷达接收系统。一个实际的系统在图3中展示了。2.3多信道同步系统每一个软件定义的无线电都可以使用来自于一种GPS原理为源的以太形式来同步相位。一个10MHz频率的信号被提供用于相位换锁定载频前面的本地振荡器。每秒一次震荡的信号被用来作为同步每个交流转直流信道的时钟信号。这样可以同步本地振荡器和所有信道的时钟信号。接下来，我们需要同步DDC中的数字控制振荡器和每个装备中的装备时间，通过设置一个同时触发软件触发命令。这样将使得信道相位彼此锁定。现在依然在每个信道中存在一个随机但精细的相位脱离设定的错误。这个错误可以通过向每个信道的载频口输入一个特殊的数字域的相位校正信号来纠正。接下来但不是最后的，通过以太网传送的数据依然应该保持同步。一旦主机不能跟上传送数据的步伐，将会产生丢包现象以及系统丢失数据层面的同步信号。2.4信号一个自定义的控制软件被用来获取和记录多信道实时数据同步。多信道宽带信号可以达到一个惊人的数据率。实时的信号记录和处理是一项具有挑战性的任务。所有的八路信道复用到一个主机，这个主机使用1Gbps到10Gbps的网络开关以及记录到一个raid硬盘，用于后续的雷达信号处理。另一个选择是依靠每一格信道的信号通过网络设备存储到一个独立的存储装置，这样可以用一个较好的结果记录像50MHz这样的宽带结果。2.5系统校准虽然系统是相位同步和一致的，仍然需要校准与天线阵列作为一个整体以及射频电缆的下列错误。1. 阵列元素之间的相互耦合。2. 天线阵列和安装管脚之间对象的耦合。3. 阵列元素在空间位置上的错误。4. 不同的电传输电缆长度上的不同。5. 天线、电缆和接收器之间的阻抗失配。6. 天线切换单元的相位错误。这些错误的校准使用一套完整的系统校准方法。一个特殊的测试信号在已知角度的圆形的或者是直线型的天线上传播。每个信道上的错误是针对理想情况来检测的，然后使用多变量的最佳的目标函数来校准。2.6数字波束形成数字波束形成的目标是形成多路空间数字化的波束。一个参考信道波束形成用来作为主要的传送源。一些监督波束被形成用来防止一个空的空间来抑制直接信号干扰以及抑制旁瓣电平来减少干扰和噪声。2.7数字信号处理图5中的框图大概论述了无源双基站雷达中雷达信号处理的主要步骤。后续的包括雷达信号处理在内的细节问在本论文的第二部分里讲述了。图4.数字波束形成图5.雷达信号处理框图3测量结果一项用GSM信号进行的实验被操作用来检测雷达的新能。一个圆形的天线阵列被选择，使用了在GSM信号基带范围内的操作频率。一个有200KHz带宽的GSMEDGE发送器被放置在无源雷达的东面。一两被作为合作方的小汽车以40千米每小时的速度由北向南靠近然后从双基站的中间地带开始远离雷达。结果显示，当目标靠近的时候，多普勒跟踪的目标从正面走向负面，然后从雷达中消失。就像图6显示的那样。更多的同样的雷达系统的实验结果可以在本论文的第二部分找到。4. 结论多频段多波束的软件定义的被动雷达系统是使用开源的软件定义的无线电技术，多频段天线阵列，数字波束形成以及与自适应和匹配滤波相关的信号处理技术等技术发展而来的。各种各样的与多信道同步和系统校准相关的设计问题也被呈现出来。雷达的功能参数是由软件控制的使得它有能力使用放置在任何空间域和频率域的几率发送器来侦测多项任务。试验结果验证了无源被动雷达的表现。参考文献：[1]H.GriffithsandC.Baker,“Measurementandanal-ysisofambiguityfunctionsofpassiveradartrans-missions,”inRadarConference,2005IEEEInterna-tional.IEEE,2005,pp.321–325.[2]P.Howland,D.Maksimiuk,andG.Reitsma,“Fmradiobasedbistaticradar,”inRadar,SonarandNavigation,IEEProceedings,vol.152,no.3.IET,2005,pp.107–115.[3]H.GriffithsandN.Long,“Television-basedbistaticradar,”Communic-ations,RadarandSignalProcessing,IEEProceedingsF,vol.133,no.7,pp.649–657,1986.[4]A.Capria,M.Conti,D.Petri,M.Martorella,F.Berizzi,E.DalleMese,R.Soleti,andV.Carulli,“Shipdetectionwithdvbtsoftwaredefinedpa-Ssiveradar,”inIEEEGoldRemoteSensingConference,2010.[5]H.Sun,D.Tan,andY.Lu,“Aircrafttargetmeasurementsusingagsm-basedpassiveradar,”inRadarConference,2008.RADAR’08.IEEE.IEEE,2008,pp.1–6.[6]F.Berizzi,M.Martorella,D.Petri,M.Conti,andA.Capria,“Usrptech-Nologyformultibandpassivepassiveradar,”inRadarConference,2010IEEE.IEEE,2010,pp.225–229.[7]K.Chetty,K.Woodbridge,H.Guo,andG.Smith,“Passivebistaticwi-Maxradarformarinesurveil-lance,”inRadarConference,2010IEEE.IEEE,2010,pp.188–193.[8]K.Woodbridge,K.Chetty,L.Young,N.Harley,andG.Woodward,“D-evelopmentanddemonstrationofsoftware-radio-basedwirelesspa-ssiveradar,”ElectronicsLetters,vol.48,no.2,pp.120–121,2012.[9]J.McIntosh,“Passivethreedimensionaltrackofnon-cooperativetargetsthroughopportunisticuseofglobalpositioningsystem(gps)andglonasssignals,”May152001,uSPatent6,232,922.[10]K.Szumski,M.Malanowski,J.Kulpa,W.Porczyk,andK.Kulpa,“Rea-Ltimesoftwareimplementationofpassiveradar,”inRadarconferen-Ce2009.EuRAD2009.European.IEEE,2009,pp.33–36.[11]B.Szlachetko,A.Lewandowski,andJ.Zarzycki,“Applicationofthesoftwaredefinedradioinapassiveradar,”inMilitaryCommunicati-onsandInformationSystemsConference,September,29-302009.[12]M.MalanowskiandK.Kulpa,“Digitalbeamformingforpassivecohe-Rentlocationradar,”inRadarConference,2008.RADAR’08.IEEE.IEEE,2008,pp.1–6.[13]M.Alam,K.Jamil,Z.Alhekail,andS.Alhumaidi,“Amulti-channelmulti-beamsoftware-definedpassiveradarpartii:Signalprocessing，”insubmittedtoInternationalconferenceonradarsystems.IET,2012.