萬顯榮 劉同同 易建新 但陽鵬 胡曉凱

①(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 武漢 430072)②(同方電子科技有限公司 九江 332007)

1 引言

外輻射源雷達(dá)(又稱為無源雷達(dá))是一種利用第三方輻射源進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)跟蹤的雙/多基地雷達(dá)系統(tǒng)。該體制雷達(dá)具有綠色環(huán)保、安全隱蔽、成本可控、易于組網(wǎng)、無需頻譜分配等優(yōu)勢(shì)[1,2]?，F(xiàn)階段可利用的第三方照射源主要包括FM廣播、數(shù)字音頻廣播信號(hào)(DAB)、數(shù)字電視廣播(DVB-T,CMMB,DTMB)、全球微波互聯(lián)接入信號(hào)(WiMAX)、WiFi信號(hào)等[3–10]。長期演進(jìn)(Long Term Evolution,LTE)信號(hào)是由第3代合作伙伴計(jì)劃(the 3rd Generation Partnership Project,3GPP)組織制定的一種通用的無線通信信號(hào)，作為一種新型的外輻射源雷達(dá)機(jī)會(huì)照射源，受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。該信號(hào)作為第三方照射源具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：(1)信號(hào)普及率高，易于組網(wǎng)，探測(cè)范圍易擴(kuò)展；(2)最大可支持20 MHz帶寬，具有較高的距離分辨率；(3)超低空覆蓋好，適用于地面與低空移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)。

相對(duì)于廣播或者電視信號(hào)的外輻射源雷達(dá)，LTE外輻射源雷達(dá)發(fā)展相對(duì)滯后。而隨著4G時(shí)代的發(fā)展，LTE信號(hào)的覆蓋范圍逐步擴(kuò)大，為研究該體制雷達(dá)提供了極為便利的條件，現(xiàn)階段國內(nèi)外已進(jìn)行了一些探索性工作。馬來西亞博特拉大學(xué)的Abdullah等人[11,12]利用頻分雙工長期演進(jìn)(Frequency Division Duplexing Long Term Evolution,FDD-LTE)信號(hào)進(jìn)行了地面移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)以及目標(biāo)分類識(shí)別研究。美國萊特州立大學(xué)的Evers等人[13–15]分析了具有擴(kuò)展循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)的LTE信號(hào)的模糊函數(shù)，研究了典型副峰產(chǎn)生的機(jī)理，并介紹了利用FDD-LTE信號(hào)進(jìn)行SAR成像的研究結(jié)果。武漢大學(xué)電波傳播實(shí)驗(yàn)室研究了實(shí)測(cè)FDD-LTE信號(hào)的模糊函數(shù)特性，率先分析了幀間模糊帶的形成機(jī)理，并提出了一種基于子載波系數(shù)歸一化的幀間模糊帶抑制方法[16,17]。中國科學(xué)院電子學(xué)研究所探討了對(duì)于遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)有影響的相關(guān)副峰，并針對(duì)此類副峰給出了相應(yīng)的抑制方法，最終得到圖釘狀的模糊函數(shù)[18]。據(jù)調(diào)研所及，國內(nèi)有關(guān)利用LTE信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的研究尚無報(bào)道。

根據(jù)LTE外輻射源雷達(dá)探測(cè)需求，本文設(shè)計(jì)了一種高集成度、小型化的多通道外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)。相對(duì)于傳統(tǒng)外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)通用性強(qiáng)，系統(tǒng)工作頻率范圍廣且支持不同帶寬，可涵蓋所有頻段的LTE信號(hào)；(2)集成度高，接收機(jī)系統(tǒng)采用高度集成的射頻芯片實(shí)現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度；(3)傳輸速率快，采用萬兆光纖傳輸方案，可滿足不同帶寬信號(hào)的傳輸要求；(4)成本較低，系統(tǒng)的高集成度、通用化優(yōu)勢(shì)也使得系統(tǒng)成本可控。系統(tǒng)的上述優(yōu)勢(shì)有利于實(shí)現(xiàn)LTE外輻射源雷達(dá)的組網(wǎng)探測(cè)，擴(kuò)展雷達(dá)監(jiān)測(cè)范圍。

本文介紹了利用本系統(tǒng)開展國內(nèi)首次基于LTE信號(hào)的地面及低空目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展，包括信號(hào)分析、雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景配置以及初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等。

2 LTE信號(hào)分析

2.1 信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

LTE信號(hào)根據(jù)雙工方式可以分為頻分雙工(Frequency Division Duplexing,FDD)和時(shí)分雙工(Time Division Duplexing,TDD)兩種模式[19,20]，兩者僅在物理層上略有區(qū)別。圖1展示了這兩種工作模式的框架結(jié)構(gòu)，其中圖1(a)為FDD-LTE幀結(jié)構(gòu)，圖1(b)為TDD-LTE幀結(jié)構(gòu)。兩者相同點(diǎn)在于系統(tǒng)以10 ms的無線幀為傳輸單位，每個(gè)無線幀由10個(gè)1 ms的子幀組成，每一個(gè)子幀又包含兩個(gè)0.5 ms的時(shí)隙。每個(gè)時(shí)隙根據(jù)CP的不同包含不同數(shù)目的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)符號(hào)，其中普通型CP包含7個(gè)OFDM符號(hào)，擴(kuò)展型CP包含6個(gè)OFDM符號(hào)。兩者區(qū)別在于FDD-LTE模式中系統(tǒng)在分離的兩個(gè)對(duì)稱頻率信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和傳送，下行過程中整個(gè)無線幀都被應(yīng)用于下行鏈路傳輸。TDD-LTE模式則是上下行使用相同的頻段在不同時(shí)隙進(jìn)行傳輸，一定數(shù)量的子幀用于下行鏈路傳輸，而另外一些子幀用作上行鏈路傳輸或者作為特殊子幀使用。相比之下，TDD-LTE含有多種傳輸模式且上下行信號(hào)的頻段相同，導(dǎo)致多個(gè)終端的上行信號(hào)不可避免地干擾外輻射源雷達(dá)，使其難以準(zhǔn)確劃分下行信號(hào)時(shí)間窗，進(jìn)而影響目標(biāo)探測(cè)，F(xiàn)DD-LTE則可以避免上行信號(hào)的干擾。因此，本系統(tǒng)采用FDDLTE信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)。

圖1 LTE信號(hào)幀結(jié)構(gòu)Fig.1 The frame structure of LTE signals

2.2 模糊函數(shù)分析

模糊函數(shù)是研究外輻射源雷達(dá)波形特性的重要工具，它描述了外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)采用的發(fā)射波形所具有的目標(biāo)分辨率、測(cè)量精度、模糊度和雜波抑制能力。計(jì)算表達(dá)式如式(1)所示，其中s(t)為信號(hào)復(fù)包絡(luò)，為距離時(shí)延，fd為多普勒頻移。

圖2 實(shí)測(cè)FDD-LTE信號(hào)模糊函數(shù)Fig.2 The AF of a real-life FDD-LTE signal

圖2給出了實(shí)測(cè)FDD-LTE信號(hào)的模糊函數(shù)。從圖2中可以看出，LTE信號(hào)模糊函數(shù)在零距離元和零多普勒頻率處具有類似圖釘形狀的主峰。從時(shí)域和頻域的梯度可以看出，其下降梯度較大，表明LTE信號(hào)具有良好的距離分辨率和速度分辨率。除主峰之外還存在多種有規(guī)律的模糊副峰，現(xiàn)有文獻(xiàn)詳細(xì)分析了LTE信號(hào)典型副峰的產(chǎn)生原因和位置[11–18]。依據(jù)副峰產(chǎn)生機(jī)理，副峰主要包括CP引起的副峰，控制區(qū)域信號(hào)(Control Channels,CCs)周期性引起的副峰，以及小區(qū)特定參考信號(hào)(Cell-specific Reference Signals,CRS)引起的副峰。

在不同的探測(cè)需求下，并非所有的副峰都會(huì)影響目標(biāo)的探測(cè)。在城市環(huán)境下，一般基站的覆蓋范圍在1 km以內(nèi)，常見目標(biāo)(車輛、無人機(jī)、行人等)對(duì)應(yīng)的多普勒頻率在250 Hz以內(nèi)。圖2中CP引起的副峰相對(duì)于主峰時(shí)延為66.67 μs，對(duì)應(yīng)雙基距離達(dá) 20 km; CCs引起的副峰對(duì)應(yīng)多普勒頻率為1 kHz的整數(shù)倍，超出地面及低空典型運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻率范圍；CRS引起的副峰對(duì)應(yīng)多普勒頻率為2 kHz的整數(shù)倍，時(shí)延為11.11 μs的整數(shù)倍，同樣超出目標(biāo)多普勒頻率和目標(biāo)觀測(cè)范圍。綜上所述，這些副峰對(duì)觀測(cè)范圍內(nèi)的目標(biāo)幾乎無影響，本文中不考慮這些副峰的干擾。

3 LTE外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)工作原理

圖3展示了LTE外輻射源雷達(dá)的工作原理，與其它外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)類似，LTE外輻射源雷達(dá)在接收端同樣分為參考通道與監(jiān)測(cè)通道，分別用來接收直達(dá)波信號(hào)和目標(biāo)的回波信號(hào)，通過相關(guān)處理可以得到目標(biāo)的距離、速度以及方位等信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤。

本文采用如圖4所示的典型外輻射源雷達(dá)信號(hào)處理流程。首先對(duì)原始參考通道信號(hào)進(jìn)行提純，并利用提純之后的參考信號(hào)與監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行雜波抑制，以消除直達(dá)波以及多徑干擾，從而突顯目標(biāo)回波[6,21]。之后參考信號(hào)和監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行二維互相關(guān)處理，即匹配濾波，得到距離-多普勒譜(RD譜)。然后進(jìn)行波束形成，最后通過恒虛警(Constant False Alarm Rate,CFAR)檢測(cè)獲得目標(biāo)的雙基距離和雙基速度信息。

圖3 外輻射源雷達(dá)工作示意圖Fig.3 Working principle for passive radar

圖4 外輻射源雷達(dá)信號(hào)處理流程Fig.4 The signal processing diagram of passive radars

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 需求分析

LTE信號(hào)支持多種波段，且能夠靈活配置不同的帶寬，每個(gè)國家或地區(qū)可以根據(jù)自身的通訊環(huán)境需求以及頻譜使用情況進(jìn)行合理分配。表1展示了LTE信號(hào)的相關(guān)參數(shù)。從表中可以看出，LTE外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)需滿足以下要求：(1)工作頻率范圍廣，滿足700～3800 MHz的頻段變化范圍；(2)支持多種帶寬分配，可根據(jù)具體需求配置不同帶寬；(3)采樣率可配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同帶寬信號(hào)的采樣。

表1 LTE信號(hào)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the LTE signal

3.2.2 接收機(jī)方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段常用的雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)，往往存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、通用性較差、成本不可控等問題。本文選用高集成度的射頻芯片AD9361完成接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該芯片內(nèi)部集成零中頻結(jié)構(gòu)，不僅能大大降低對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)性能的要求以及數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜度，同時(shí)能減少模擬器件的數(shù)量，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化。芯片工作頻率范圍為70～6000 MHz，支持0.2～56.0 MHz的接收帶寬，涵蓋大部分的數(shù)字多媒體廣播業(yè)務(wù)以及無線通信業(yè)務(wù)信號(hào)頻段。僅需要簡單控制就可實(shí)現(xiàn)對(duì)中心頻率、帶寬、濾波器參數(shù)以及增益等參數(shù)的配置，真正意義上做到系統(tǒng)的通用化。同時(shí)針對(duì)零中頻結(jié)構(gòu)本身的缺陷，其內(nèi)部每個(gè)接收通道都具備直流失調(diào)校正和正交校正的功能，可以降低芯片本振泄露以及非正交帶來的弊端。

為滿足系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸需求，本文采用萬兆光纖傳輸方案，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互。萬兆光纖傳輸?shù)闹饕獌?yōu)勢(shì)在于其傳輸速率快，傳輸距離遠(yuǎn)。表2展示了系統(tǒng)的基本技術(shù)參數(shù)。

表2 系統(tǒng)基本技術(shù)參數(shù)Tab.2 Basic technical parameters of the system

3.2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖5展示了本系統(tǒng)的總體框圖，主要由接收天線、多通道LTE外輻射源雷達(dá)接收機(jī)以及信號(hào)處理機(jī)組成。其中接收天線采用多元八木天線，包括參考天線與監(jiān)測(cè)天線陣列。接收機(jī)直接與天線相連，將接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行正交混頻、采樣、抽取濾波下變頻為數(shù)字基帶信號(hào)，然后由FPGA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，最后采用萬兆光纖傳輸方案將數(shù)據(jù)傳輸至信號(hào)處理機(jī)。信號(hào)處理機(jī)一方面控制接收機(jī)實(shí)現(xiàn)增益、帶寬以及中心頻率等參數(shù)的配置，另一方面完成3.1節(jié)所述的信號(hào)處理流程，最終輸出目標(biāo)距離和速度信息。

4 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

本文為驗(yàn)證LTE外輻射源雷達(dá)的目標(biāo)探測(cè)性能，開展了合作目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中選用中國電信FDD-LTE信號(hào)作為第三方照射源，其中心頻率為1867.5 MHz，帶寬為15 MHz。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示。圖6中左側(cè)建筑物頂部的演進(jìn)節(jié)點(diǎn)基站(evolved Node Bases,eNB)作為發(fā)射站，接收站位于建筑物前的道路上，參考天線指向eNB接收參考信號(hào)，監(jiān)測(cè)陣列指向圖中橘紅色扇形所示的監(jiān)測(cè)區(qū)域收集目標(biāo)回波信號(hào)。目標(biāo)移動(dòng)范圍為黃色線所示的地面以及低空區(qū)域。

圖5 系統(tǒng)總體框圖Fig.5 The block diagram of the system

圖6 目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.6 The experimental scenario for the target detection

實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)地面移動(dòng)目標(biāo)以及低空移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。其中地面目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)選用搭載了GPS設(shè)備的電動(dòng)車作為合作目標(biāo)，該電動(dòng)車材質(zhì)為高碳鋼，輪圈尺寸為35.56 cm，最高速率為10 m/s。低空目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)采用常見的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)大疆精靈4作為合作目標(biāo)。該無人機(jī)旋翼數(shù)為4，每個(gè)旋翼葉片數(shù)為2，葉片長度為13.97 cm，軸距為35 cm，飛行速度可達(dá)20 m/s。實(shí)驗(yàn)中將電動(dòng)車上GPS設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)以及無人機(jī)飛行記錄中的GPS數(shù)據(jù)作為合作目標(biāo)的真實(shí)信息，與系統(tǒng)檢測(cè)得到的信息進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證系統(tǒng)的探測(cè)性能。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 LTE外輻射源雷達(dá)地面移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)結(jié)果Fig.7 Experimental results of the ground moving target with the LTE-based passive radar

圖7展示了地面移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。圖7(a)為一場(chǎng)數(shù)據(jù)的距離多普勒譜，可觀測(cè)到目標(biāo)位于第15距離元，多普勒頻率為70 Hz，信噪比為23 dB。為進(jìn)一步確認(rèn)其為實(shí)驗(yàn)所用之合作目標(biāo)，本文將CFAR檢測(cè)后的潛在目標(biāo)信息與合作目標(biāo)的GPS信息在同一RD譜上進(jìn)行比較，如圖7(b)所示。圖中除合作目標(biāo)之外，還有一些非合作目標(biāo)(車輛、行人等)，但是通過與合作目標(biāo)GPS信息對(duì)比可以看出檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際目標(biāo)信息基本吻合，表明系統(tǒng)成功探測(cè)到地面移動(dòng)目標(biāo)。圖7(c)與圖7(d)展示了目標(biāo)雙基距離和雙基速度隨時(shí)間變化的情況。圖中結(jié)果更直觀地表明系統(tǒng)檢測(cè)得到的信息與合作目標(biāo)信息匹配度較好，能夠真實(shí)地反應(yīng)目標(biāo)的移動(dòng)規(guī)律。

圖8展示了無人機(jī)目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，圖8(a)同樣為目標(biāo)位于第15距離元處的距離多普勒譜，無人機(jī)目標(biāo)多普勒頻率為122 Hz，信噪比為17 dB，其信噪比明顯低于相同距離元處的地面移動(dòng)目標(biāo)。圖8(b)為系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)與無人機(jī)飛行記錄的比對(duì)結(jié)果，雖然其信噪比普遍低于地面目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，但是檢測(cè)的結(jié)果依然與無人機(jī)真實(shí)數(shù)據(jù)吻合，表明系統(tǒng)適用于無人機(jī)這類“低小慢”目標(biāo)的探測(cè)。圖8(c)和圖8(d)展示的結(jié)果與圖7對(duì)比可以看出，相比于地面目標(biāo)，無人機(jī)檢測(cè)效果略差，主要原因可能是無人機(jī)散射截面積(Radar Cross Section,RCS)明顯小于電動(dòng)車，目標(biāo)回波強(qiáng)度較弱。另外由于無人機(jī)機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)，導(dǎo)致目標(biāo)在轉(zhuǎn)彎時(shí)雙基速度變化更快，檢測(cè)更加不連續(xù)。

系統(tǒng)檢測(cè)得到的信息與合作目標(biāo)真實(shí)信息比對(duì)的結(jié)果，證實(shí)了利用LTE信號(hào)實(shí)現(xiàn)地面及低空目標(biāo)探測(cè)的可行性。

5 結(jié)束語

本文首先介紹了LTE信號(hào)的物理層特性，在此基礎(chǔ)上選用FDD-LTE信號(hào)作為第三方照射源進(jìn)行研究。然后設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高集成度、小型化的通用外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)，并利用此系統(tǒng)開展了國內(nèi)首次基于LTE信號(hào)的地面及低空目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，為該探測(cè)技術(shù)的發(fā)展奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。后續(xù)將圍繞更多不同目標(biāo)開展實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行目標(biāo)分類與識(shí)別研究，并進(jìn)行組網(wǎng)探測(cè)研究，進(jìn)一步挖掘該體制外輻射源雷達(dá)在目標(biāo)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的潛力。

圖8 LTE外輻射源雷達(dá)無人機(jī)探測(cè)結(jié)果Fig.8 Experimental results of the drone with the LTE-based passive radar