GSM 輻射源雷達直達波信號提取技術(shù)

盧開旺，楊杰，張良俊

(1. 武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)與信息處理教育部重點實驗室，湖北 武漢430070;2. 空軍軍械通用裝備軍事代表局，北京100071)

0 引言

外輻射源雷達是指利用來自機會照射源的非合作信號，如調(diào)頻廣播信號、數(shù)字/模擬電視信號、手機信號、衛(wèi)星通信與導(dǎo)航信號等進行目標(biāo)的探測、定位與跟蹤。與傳統(tǒng)的有源雷達相比，外輻射源雷達因其具有不可探測性、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉以及具有反隱身的潛力等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注［1-3］。

外輻射源雷達利用的是外部機會照射源信號，本身并沒有發(fā)射信號的樣本，因此在外輻射源雷達中，首先需解決如何獲得純凈的基站直達波信號的問題。在以前的研究中，基站的直達波信號大多是通過一根單獨指向基站方向的窄波束天線獲得。這種方法雖然能夠獲得比較純凈的基站直達波信號，但是增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。隨著陣列技術(shù)的發(fā)展，近些年國內(nèi)外很多學(xué)者提出可以利用陣列天線既作為外輻射源雷達的回波天線又作為參考天線［4-5］。在這種天線配置情況下，基站直達波信號可以通過形成一個指向基站方向的波束獲得，因此能夠降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。但是由于陣列天線接收信號當(dāng)中，除包括基站直達波信號外還包括其他干擾信號，特別是對于GSM 輻射源雷達(外輻射源雷達的一種)，這些干擾信號不僅包括主基站的多徑信號，還包括其他同頻干擾基站的直達波和多徑信號(在GSM 系統(tǒng)中，工程上同頻干擾保護比為12 dB，即其他同頻基站的直達波信號可能只比主基站的直達波信號低12 dB). 因此研究在陣列天線配置情況下，如何獲取GSM 輻射源雷達的直達波信號具有重要的意義。

1 直達波方向估計

要獲得主基站(本文中將作為外輻射源雷達機會照射源的基站稱作為主基站)的直達波信號，首先需要獲得其信號的來波方向。考慮以一個M 陣元的線陣既作為回波天線又作為參考天線。天線接收下來的數(shù)據(jù)分別經(jīng)過濾波和數(shù)字下變頻處理，然后各個陣元中的信號可以表示為

式中:N 為總的采樣數(shù);M 為天線陣元數(shù);Nk和NT分別表示干擾總數(shù)(除主基站直達波以外)和目標(biāo)回波總數(shù);b 和ejφi分別表示主基站直達波信號的復(fù)包絡(luò)和相位信息;ak和ejφk，i分別表示第k 個干擾(這些干擾包括主基站的多徑以及其他同頻基站的直達波和多徑信號)的復(fù)包絡(luò)和相位信息;ct和ejφt，i分別表示第t 個目標(biāo)的復(fù)包絡(luò)和相位信息;z(n)表示噪聲。

構(gòu)建接收信號的采樣協(xié)方差矩陣

式中:S(n)=［s1(n)，…，sM(n)］T.

對采樣協(xié)方差矩陣進行特征值分解，可以得到:

式中:λm表示特征分解得到的第m 個特征值;vm表示其對應(yīng)的第m 個特征向量;有λ1＞λ2＞…＞λM.

GSM 基站發(fā)射功率大多在100 W 以內(nèi)，從而導(dǎo)致GSM 輻射源雷達探測威力很短。因此在GSM 輻射源雷達中，雷達接收機一般放置在主基站所覆蓋的小區(qū)范圍之內(nèi)，從而主基站直達波信號是陣列天線接收信號當(dāng)中最強能量的信號，并且主基站直達波信號能量強于其他信號能量(主基站直達波信號比其他同頻基站的信號至少大12 dB，比來自主基站的其他多徑也至少大這個數(shù)量級)。根據(jù)文獻［6］可以得到，主基站直達波信號的能量主要包含于第一個特征值λ1及其特征向量v1構(gòu)成的子空間內(nèi)。因此根據(jù)子空間投影的基本原理，主基站直達波信號的來波方向可以按照如下方法求得:

式中:θr表示測得的主基站直達波信號的來波方向;V=［v2，…，vM］表示其他M -1 特征值對應(yīng)的特征向量組成的空間;a(θ)表示陣列天線的導(dǎo)向矢量。

2 直達波信號獲取

當(dāng)利用第1 節(jié)所述的方法得到主基站直達波信號的來波方向以后，便可以獲得主基站的直達波信號。如果僅利用普通波束形成，形成一個指向主基站方向的普通波束來獲得主基站的直達波信號，則獲得的主基站直達波信號將會受到來自主基站的強多徑以及其他同頻干擾基站的直達波污染，從而導(dǎo)致獲得的主基站的直達波信號不純凈，影響后續(xù)的時域干擾相消和距離-多普勒二維相關(guān)處理。而如果直接利用自適應(yīng)波束形成進行處理，由于主基站的直達波信號是接收信號中占主要能量的信號(即波束形成訓(xùn)練數(shù)據(jù)中主基站直達波信號能量很強)，則有可能導(dǎo)致在主基站直達波信號來波方向處形成一個零陷(比如存在陣列誤差的情況下)［7-8］，從而導(dǎo)致不能獲得主基站的直達波信號。為了能夠在主基站直達波來波方向處形成主瓣，同時在其他比較強的干擾方向上形成零陷，本文利用一種基于阻塞信號的自適應(yīng)波束形成方法［9］。根據(jù)文獻［9］，其基本原理:利用如下式子將陣列天線接收信號中主基站直達波信號消去，

式中:d 表示陣列天線的陣元間距;λ 表示GSM 信號的波長;θr表示由第1 節(jié)測得的主基站直達波信號的來波方向。經(jīng)過(5)式消去陣列天線接收的主基站直達波信號以后，便可以利用自適應(yīng)波束形成算法求得最優(yōu)波束形成權(quán)值因子。需要注意的是，消去主基站的直達波信號需要消耗陣列天線的一個自由度，因此此時進行波束形成的陣元數(shù)為M-1 個。利用線性約束最小方差(LCMV)準(zhǔn)則求解最優(yōu)波束形成權(quán)值因子:

求解(6)式，得到最優(yōu)波束形成權(quán)值因子為

由于此時求解最優(yōu)波束形成權(quán)值因子的訓(xùn)練數(shù)據(jù)X［n］中，不包含主基站的直達波信號，而其他信號仍然包含于其中，因此可以保證在直達波方向形成主瓣的同時在其他比較強的干擾處形成零陷。

當(dāng)求得最優(yōu)波束形成權(quán)值因子w 以后，便可以進行波束形成以獲得主基站的直達波信號:

式中:Se(n)=［s1(n)，…，sM-1(n)］T表示陣列天線接收信號當(dāng)中前M-1 個陣元中的信號。

3 仿真分析

以一個8 元陣的線陣作為接收天線，陣元間距為半波長。假設(shè)天線接收信號當(dāng)中包括主基站直達波信號，其信噪比為36 dB，來波方向為-30°，2 個主基站的強多徑信號，信噪比分別為21 dB 和16 dB，來波方向分別為5°和68°，2 個來自其他同頻干擾基站的直達波信號，信噪比分別為22 dB 和19 dB，來波方向分別為10°和-60°，10 個來自主基站和2 個同頻基站的其他弱多徑信號，信噪比為6 ～-4 dB，來波方向設(shè)定為隨機，一個主基站的目標(biāo)回波信號，信噪比為-34 dB，來波方向為15°. 噪聲設(shè)定為高斯白噪聲。

測量主基站直達波信號的來波方向，其結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可以看出，在-30°方向出現(xiàn)一個很高的尖峰，這說明估計的主基站的直達波信號來波方向為-30°，與實際情況相符合。當(dāng)獲得主基站的直達波信號來波方向以后，便可以按照第2 節(jié)所述的方法進行基于阻塞信號方法的自適應(yīng)波束形成，其結(jié)果如圖2 所示。從圖2 的波束方向圖可以看出，在主基站直達波信號來波方向-30°處形成了主瓣，而在其他較強干擾的方向(如5°、10°、68°等處)形成了很深的零陷。這說明經(jīng)過自適應(yīng)波束形成以后可以對主基站的直達波信號形成主瓣增益，同時抑制其他干擾信號，從而可以獲得比較純凈的主基站直達波信號。

為了比較獲得的主基站直達波信號與純凈的主基站直達波信號之間的差別，將獲得的信號與純凈的主基站直達波信號按照如下式子做互相關(guān):

圖1 基于仿真數(shù)據(jù)的主基站直達波信號測向結(jié)果Fig.1 Result of direction finding of host base station’s direct signal based on simulation data

圖2 基于仿真數(shù)據(jù)的參考通道波束方向圖Fig.2 Beam pattern in reference channel based on simulation data

圖3 不同數(shù)據(jù)相關(guān)結(jié)果比較Fig.3 Comparison of correlation results between different signals

式中:sp(n)表示純凈的主基站直達波信號。將互相關(guān)的結(jié)果與純凈的主基站直達波信號自相關(guān)的結(jié)果作比較，其結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以看出，二者幾乎沒有差別，這說明獲得的主基站直達波信號是比較純凈的。

4 實測數(shù)據(jù)分析

利用一套8 陣元的均勻線陣作為接收天線，接收動目標(biāo)回波信號，同時接收主基站和同頻基站的干擾信號。各陣元接收的信號分別經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻、濾波、抽取等操作以后變換成數(shù)字基帶信號，然后利用Matlab 軟件進行處理。數(shù)據(jù)采集的地點為西安咸陽國際機場附近，采集的目標(biāo)為起飛的民航飛機。

首先按照第2 節(jié)所述的方法對直達波進行測向，測向結(jié)果如圖4 所示。從圖中可看出，有一個明顯的尖峰在29°方向，說明測得的直達波信號來波方向為29°. 然后對天線接收信號進行參考通道波束形成，獲得的波束方向圖分別如圖5(a)和圖5(b)所示，其中圖5(a)是本文所提的基于阻塞信號方法的自適應(yīng)波束形成結(jié)果圖，可以看出其在主基站直達波來波方向處(29°)形成了主瓣，而在其他一些方向形成了零陷。由于在實際數(shù)據(jù)處理過程中，并不能事先知道其他多徑和同頻干擾的來波方向，因此不能判定圖5(a)中形成零陷的方向是否為其他強干擾方向。圖5(b)是直接利用(6)式所示的LCMV自適應(yīng)波束形成所獲得的結(jié)果圖，從中可以看出由于波束形成訓(xùn)練數(shù)據(jù)中含有很強的主基站直達波信號，其在主基站直達波來波方向處形成了零陷，說明如果直接進行自適應(yīng)波束形成將會對主基站直達波進行抑制，從而不能獲得純凈的主基站直達波信號。

圖4 基于實測數(shù)據(jù)的主基站直達波信號測向結(jié)果Fig.4 Result of direction finding of host base station’s direct signal based on real data

圖5 基于實測數(shù)據(jù)的參考通道波束方向圖Fig.5 Beam pattern in reference channel based on real data

圖6 實測數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.6 Processing diagram based on real data

圖7 天線原始接收信號距離-多普勒圖Fig.7 Range-Doppler diagram of original signal received by antenna

圖8 經(jīng)過圖6 所示流程處理以后的距離-多普勒圖Fig.8 Range-Doppler diagram after processing by Fig.6

獲得主基站直達波以后，便可以對天線接收的數(shù)據(jù)進行時域干擾相消，回波通道波束形成以及距離-多普勒處理等操作，以檢測目標(biāo)回波信號，整個信號處理流程如圖6 所示。圖7 是利用天線原始接收信號與主基站直達波信號(此處為利用本文所提方法所獲得主基站直達波信號)作距離-多普勒二維相關(guān)所得到的結(jié)果圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，天線原始接收信號中，主基站的直達波等干擾很強，目標(biāo)回波被它們的副瓣所掩蓋，因此檢測不到目標(biāo)回波信號。圖8 是經(jīng)過圖6 所示的流程處理以后所獲得結(jié)果圖，其中圖8(a)的參考信號是利用本文所提的基于阻塞信號方法的自適應(yīng)波束形成獲得。從圖8(a)可以看出主基站的直達波等干擾被有效抑制，可以發(fā)現(xiàn)一個明顯的由目標(biāo)回波引起的峰值。箭頭所指向的非零多普勒的峰值即為目標(biāo)回波引起的峰值，因為在實際數(shù)據(jù)采集過程中，飛機離接收機很近，因此其位于零距離的位置。這說明利用本文方法獲得的參考信號是比較純凈的主基站直達波信號，可以實現(xiàn)有效消除主基站的直達波和多徑等干擾，同時經(jīng)過距離-多普勒處理以后將目標(biāo)回波能量積累起來;圖8(b)的參考信號是直接利用LCMV 準(zhǔn)則的自適應(yīng)波束形成獲得(其他處理方法同圖8(a))，從中可以看出由于參考信號并不是純凈的主基站直達波信號，所以圖8(b)的距離-多普勒圖比較雜亂，不能檢測到目標(biāo)回波。

5 結(jié)論

本文提出了一種GSM 輻射源雷達直達波信號提取技術(shù)，首先利用子空間方法測量出主基站直達波信號的來波方向，然后利用一種基于阻塞信號的自適應(yīng)波束形成獲得主基站直達波信號。仿真和實測數(shù)據(jù)分析表明，本文方法可以獲得較為純凈的主基站直達波信號。

References)

［1］Howland P E. Special issue on passive radar systems［J］. IEE proceedings on Radar，Sonar and Navigation， IET，2005，152(3):105 -106.

［2］王俊，保錚，張守宏. 無源探測與跟蹤雷達系統(tǒng)技術(shù)及其發(fā)展［J］. 雷達科學(xué)與技術(shù)，2004，2(3):129 -135.WANG Jun，BAO Zheng，ZHANG Shou-hong. Passive detection/tracking radar system technologies and its development［J］. Radar Science and Technology，2004 ，2 (3):129 -135. (in Chinese)

［3］任曉航，魏平. 基于GSM 的被動雷達系統(tǒng)信號處理技術(shù)研究［J］. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2011，6(5):499 -502.REN Xiao-hang，WEI Ping. Direct signal cancellation of GSM based passive radar system［J］. Journal of China Academy of Electronics and Information Technology，2011，6(5):499 -502. (in Chinese)

［4］Fabrizio G，Colone F，Lombardo P，et al. Adaptive beamforming for high frequency over-the-horizon passive radar［J］. IET Radar，Sonar and Navigation，2009，3(4):384 -405.

［5］Malanowski M，Kulpa K S. Digital beamforming for passive coherent location radar［C］∥2008 IEEE Radar Conference. Rome，Italy:IEEE，2008:26 -30.

［6］Gill L P，Grenier D，Chouinard J Y. Use of XMTMradio satellite signal as a source of opportunity for passive coherent location［J］.IET Proceeding on Radar Sonar and Navigation，2011，5(5):536-544.

［7］Li J，Petre S，Wang Z S. On robust capon beamforming and diagonal loading［J］. IEEE Transactions on Signal Processing，2003，51(7):1702 -1714.

［8］Li J，Petre S. Robust adaptive beamforming［M］. US:Wiley Press，2006.

［9］Widrow B，Duvall K，Gooch R P，et al. Signal cancellation phenomena in adaptive arrays:causes and cures［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1982，30(5):469 -478.