基于LTE外辐射源的被动雷达探测方法及系统与流程

本发明涉及被动雷达
技术领域：
，具体讲,涉及基于lte(longtermevolution，长期演进)外辐射源的被动雷达系统。
背景技术：
传统的主动雷达通过自身发射并接收电磁波以实现对目标的跟踪和定位，由于其发射电磁波，容易暴露自身位置而被摧毁。而在现代战争中，雷达是获取军事信息的重要设备，被动雷达系统应运而生。被动雷达的原始模型是发、收分置的双(多)基地雷达。从1904年德国工程师christianhulsmeyer发明了世界上第一台双基地体制雷达设备到第二次世界大战中德国人研制的kleinheidelerg双基地接收系统利用英国的chainhome发射机成功检测到了敌机，再到单基地雷达被大规模使用，而双基地雷达的发展进入停滞阶段，到最终的基于外辐射源的被动雷达系统开始复兴，科技的发展、军事的需求和理论研究的深入掀起了被动雷达系统的研究狂潮。被动雷达自身不发射电磁波，而是利用环境中的可用信号或者目标自身的辐射进行对目标的定位与分析。这种采用外部辐射源的工作方式使得被动雷达系统具有较好的隐蔽性和抗干扰能力。且被动雷达系统对目标的分辨率又与所采用的外辐射源的带宽有较大的关系，带宽越大则分辨率越高，也就更有利于对目标的精确定位。1985年，griffiths和long首次公开发表了利用模拟电视信号作为被动雷达照射源的系统，但是该系统的模糊非常强，无法检测或跟踪到飞机。法国的carrara和touriter利用高清电视系统和fft相关检测器检测目标回波，获得了200m的距离分辨率和3m/s的速度分辨率。1997年，美国华盛顿大学遥感研究小组采用88mhz的fm广播信号作为多基地被动探测系统的照射源，成功探测到了240km处的飞机，速度分辨率达到了1.5m/s。mcintosh和tsui分别于1999年和2000年发明了利用gps和glonass卫星信号作为照射源的被动雷达探测系统。进入21世纪，d.k.p.tan等人研究了利用gsm信号作为照射源的被动雷达系统，对其特性和信号处理方法进行了分析，在多种环境下利用实验验证了gsm信号作为外辐射源的可行性。意大利罗马大学的f.colone的研究团队致力于利用wifi信号进行地面运动目标的检测，实现了160米远的20km/h运动的目标检测。q.wang等人在文献[1]中对wimax(worldwideinteroperabilityformicrowaveaccess，全球微波互联接入)信号作为被动雷达系统的外辐射源的进行了性能分析、硬件设计及实验验证。随着通信技术的不断发展，第四代移动通信系统——lte采用ofdm(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，正交频分复用)、mimo(multipleinputmultipleoutput，多输入多输出)等关键技术，具有带宽大，传输速率高的优点。将其作为被动雷达照射源可以使得目标的距离分辨率得到提高。[1]q.wang,c.houandy.lu,"anexperimentalstudyofwimax-basedpassiveradar,"inieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques,vol.58,no.12,pp.3502-3510,dec.2010。技术实现要素：为克服现有技术的不足，本发明旨在将lte引进被动雷达系统，作为其外辐射源，通过并对该系统进行性能分析和实验检测，以探索lte作为照射源的可行性和合理性。为此，本发明采用的技术方案是，基于lte外辐射源的被动雷达探测方法，利用发射机通过发射天线发射lte信号，形成外辐射源；利用参考信道喇叭天线和目标回波信道喇叭天线分别对应接收外辐射源lte信号的直达波和其经过运动目标反射的反射回波信号，在对接收到的信号进行互相关检测算法处理之后得到运动目标的速度和运动轨迹相关参数。在发射lte信号时，还包括如下步骤：通过接口获得从mac层传来的pdsch数据，接着对其进行循环冗余校验，然后对其进行信道编码，具体的策略是对于广播信道bch(broadcastchannel)和下行控制信息dci(downlinkcontrolinformation)数据直接采用卷积码，而对下行共享信道dl-sch(downlinksharechannel)、寻呼信道pch(pagingchannel,)和多播信道mch(multicastchannel)数据先进行数据分块，并在划分的所有数据块之后添加24bit的crc校验后再进行turbo编码。码率匹配模块中以turbo码块为单位对数据进行频域交织，根据混合自动重传请求harq(hybridautomaticrepeatrequest)的冗余版本对数据进行打孔和重复，随后将dl-sch、pch和mch这些属于用户数据的数据包级联到一起。然后在调制之前对信息进行加扰，使得各个小区扰码不同，在采用qam、qpsk、16-qam或64qam调制之后对数据进行层映射和预编码处理，层映射就是将每一个码字中的调制符号映射到一个或者多个层上；预编码是把层映射后的矩阵映射到对应的天线端口上；随后，对预编码的符号进行列交织以及循环移位操作，并依据资源分配结构一一映射；最后对处理后的数据添加循环前缀并进行ifft处理，完成从信息的比特级处理到符号级处理的全过程，并将得到的ofdm符号从发射端发送给用户。在接收端，具体步骤如下：步骤1:将采样得到的参考信道数据与目标回波数据均取record_sec秒进行处理，确定相干时间为cite，则数据被分割为record_sec/cite份；步骤2：分别处理每个cite内的数据，采用自适应滤波算法消掉目标回波的直达波成分得到tgt_sig，然后将tgt_sig与直达波数据进行互相关处理；步骤3：将步骤2中处理后的数据作图便得到时间—多普勒频移。多普勒频移的计算公式为：此处，fd为多普勒频移，v为运动目标的速度，载波频率f为2.38ghz，运动目标与发射波的夹角α＝0°，c为光速。基于lte外辐射源的被动雷达系统，结构如下：发射机、发射天线，用于产生及发射lte外辐射源信号；参考信道喇叭天线和目标回波信道喇叭天线，分别对应接收外辐射源lte信号的直达波和其经过运动目标反射的反射回波信号；信号处理模块，采用自适应滤波算法消掉目标回波的直达波成分得到tgt_sig，然后将tgt_sig与直达波数据进行互相关处理，将处理后的数据作图便得到时间—多普勒频移。在一个实例中，具体由ni矢量分析仪、电脑、两个定向喇叭接收天线以及一个全向发射天线组成，发射机和接收机均是ni矢量分析仪子模块。本发明的特点及有益效果是：本发明拟探索lte在被动雷达系统中的应用，研究了lte作为被动雷达系统的外辐射源的可行性和合理性。搭建了简化的lte被动雷达系统，并利用labview控制其相关的硬件设备(如发射机和接收机)，进行了lte下行链路的仿真验证及实际的室内运动目标检测。检测结果表明，lte可以作为被动雷达系统的照射源。说明了该探索是可行及合理的，lte可作为未来实用化的被动雷达天线系统的一种照射源。附图说明：图1简化的lte被动雷达系统。图2测试场景布置情况。图3发射端的基带处理流程。图4发射机实物图(a)发射机前面板。(b)发射机的vi接口界面。图5接收机的信号处理流程。图6接收机实物图。(a)接收机前面板；(b)接收机的vi接口界面。图7互相关检测算法。图8时间-多普勒频移。具体实施方式现在通用的被动雷达系统是基于mimo的被动雷达系统，它通过多个接收天线接收由多个外辐射源的发射信号的直达波信号及其经障碍物反射之后的反射波信号，再经过对接收到的信号进行相关处理，以实现对障碍物的相关参数的估计。值得指出的是被动雷达系统对障碍物的探测性能的关键是对接收到的数据的处理过程，一个好的算法可以更准确地得到障碍物的相关参数。结合图2，本发明中简化的lte被动雷达系统的具体解释是：ni矢量分析仪内的发射机模块通过发射天线发射lte信号，形成外辐射源(本发明在测试时只采用了一个发射天线，因而是单个外辐射源，而实际环境中的各个基站发射的lte信号就可看作多个外辐射源)；参考信道的喇叭天线和目标回波信道的喇叭天线都是接收天线。接收天线通过接收到的外辐射源(lte信号)的直达波和其经过运动目标反射的反射波，在对接收到的信号进行处理(互相关检测算法)之后得到了运动目标的速度和运动轨迹等相关参数，即实现了被动雷达系统的基本功能。简化的lte被动雷达系统如图1所示。其由ni矢量分析仪(型号：nipxie-1075，发射机和接收机均是其子模块)，两个定向喇叭接收天线，以及一个全向发射天线组成。简化的lte被动雷达系统的测试场景布置见图2。发射机和接收机的硬件控制在labview中实现：发射机的基带处理流程、前面板、控制发射机参数的labview的vi接口界面及发射机的相关参数的具体设置情况分别如图3、图4(a)、(b)、表1所示。表1发射机的相关参数的具体设置情况。表1参数参数值载波频率2.38ghz双工模式dl(fdd)系统带宽10mhz天线数1循环前缀模式正常iq率15.36ms/s图3的具体说明：以pdsch(physicaldownlinksharedchannel，物理下行共享信道)为例，对lte-fdd下行链路物理信道的基带处理流程进行介绍——系统通过接口获得从mac层传来的pdsch数据，接着对其进行循环冗余校验(crc，cyclicredundancycheck)。然后对其进行信道编码，具体的策略是对于bch(broadcastchannel，广播信道)和dci(downlinkcontrolinformation，下行控制信息)数据直接采用卷积码，而对dl-sch(downlinksharechannel，下行共享信道)、pch(pagingchannel，寻呼信道,)和mch(multicastchannel，多播信道)数据先进行数据分块，并在划分的所有数据块之后添加24bit的crc校验后再进行turbo编码。码率匹配模块中以turbo码块为单位对数据进行频域交织，根据harq(hybridautomaticrepeatrequest，混合自动重传请求)的冗余版本对数据进行打孔和重复，随后将dl-sch、pch和mch这些属于用户数据的数据包级联到一起。然后在调制之前对信息进行加扰，使得各个小区扰码不同，以此来随机化不同小区的干扰，实现降低小区间干扰的目的。在采用qam、qpsk、16-qam或64qam调制之后对数据进行层映射和预编码处理，层映射就是将每一个码字中的调制符号映射到一个或者多个层上；预编码是把层映射后的矩阵映射到对应的天线端口上。随后，对预编码的符号进行列交织以及循环移位操作，并依据资源分配结构一一映射。最后对处理后的数据添加循环前缀并进行ifft处理，完成从信息的比特级处理到符号级处理的全过程，并将得到的ofdm符号从发射端发送给用户。接收机的硬件控制也在labview中实现：接收机的信号处理流程、前面板、控制接收机的labview的vi接口界面及接收机的相关参数的具体设置情况分别如图5、图6(a)、(b)、表2所示。表2接收机的相关参数的具体设置情况表2参数参数值ch1的中心频率1000mhzch2的中心频率1000mhzch1的采样率20mhz/sch2的采样率20mhz/s记录模式10秒利用iqexplorer软件将接收机接收到的数据转存为.mat格式，然后在计算机中的matlab软件上对该数据进行处理，具体的处理流程(或互相关检测算法)见图7，互相关检测算法的具体描述为：互相关检测算法：步骤1:将采样得到的参考信道数据(sig_ch1)与目标回波数据(sig_ch2)均取record_sec秒进行处理，确定相干时间为cite，则数据被分割为record_sec/cite份；步骤2：分别处理每个cite内的数据(单个相干时间内的参考信道数据记为dp_sig，目标回波数据记为ep_sig)，采用自适应滤波算法消掉目标回波的直达波成分得到tgt_sig，然后将tgt_sig与直达波数据进行互相关处理。步骤3：将步骤2中处理后的数据作图便得到时间—多普勒频移(见图8)。1.硬件连接及测试场景布置对照图1，将电脑、ni矢量仪、两个定向喇叭接收天线及全向发射天线连接好。对照图2，参考信号的喇叭接收天线与全向发射天线的夹角是60°，目标信号的喇叭接收天线对着运动目标。2.发射机和接收机的vi接口界面设置打开labview中对发射机的控制界面ltegenerationsoftfrontpanel，对照图4(b)，对发射机的参数进行如下设置：carrierfrequency为2.38ghz，rfsgresourcename选择pxi1slot13，duplexmode选择dl(fdd)，systembandwidth设置为10mhz，详细情况见表1。打开labview中对接收机的控制界面rfsyncrecordersfp，对照图6(b)，对接收机的参数进行如下设置：ch1的centerfrequency为1000mhz，bandwidth为20mhz；ch2的centerfrequency为1000mhz，bandwidth为20mhz；记录测量时间选择recordmode，并设置为10s，详细情况见表2。3.实际测试测试装备准备就绪后，由labview控制的发射机开始经发射天线发射lte信号，一人抱着角反射器(为增大rcs(radarcrosssection，雷达散射截面))在一条长为10米的走廊来回跑动，角反射器始终朝着发射机的方向，测试时间为10s。在此期间，图2中的参考信道的喇叭天线负责接收发射天线的直达波，而目标回波信道的喇叭天线负责接收发射天线经由运动目标(人和角反射器)反射后的回波。值得指出的是参考信道的目的正是为了消除目标回波信道中的直达波成分，从而使得观测者能根据运动目标的多普勒频移情况来对运动目标的运动轨迹、速度快慢及速度变化情况进行识别和分析。4.数据处理利用iqexplorer软件将接收机接收到的数据转存为.mat格式，然后在matlab上用互相关检测算法对数据进行处理即可得到时间-多普勒频移图像(见图8)。5.测试结果说明观察图8，从图中可以清楚地看到运动目标完整的运动轨迹，其中多普勒频移的变化可以表示为0>-50->0->50->0->-50->0，对应于人抱着角反射器跑动时加速-减速-掉头-加速-减速-掉头-加速-减速的全过程。速度最快时多普勒频移接近50hz，对应于6.3m/s的瞬时速度，是运动目标在实验时达到的最大瞬时速度，与实际情况基本吻合注1。同时还能看到手臂摆动产生的多普勒效应。本实验产生了lte信号，并将其作为实验中搭建的简化的被动雷达系统的外辐射源，且成功地对运动目标的轨迹、速度等指标进行了设别，因此证明了lte可以作为被动雷达系统的照射源。注1：多普勒频移的计算公式为：此处，fd为多普勒频移，v为运动目标的速度，载波频率f为2.38ghz，运动目标与发射波的夹角α＝0°，c为光速。当前第1页12