LTE外輻射源雷達系統設計及目標探測實驗研究

萬顯榮 劉同同 易建新 但陽鵬 胡曉凱

①(武漢大學電子信息學院 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(又稱為無源雷達)是一種利用第三方輻射源進行目標探測跟蹤的雙/多基地雷達系統。該體制雷達具有綠色環保、安全隱蔽、成本可控、易于組網、無需頻譜分配等優勢[1,2]。現階段可利用的第三方照射源主要包括FM廣播、數字音頻廣播信號(DAB)、數字電視廣播(DVB-T,CMMB,DTMB)、全球微波互聯接入信號(WiMAX)、WiFi信號等[3–10]。長期演進(Long Term Evolution,LTE)信號是由第3代合作伙伴計劃(the 3rd Generation Partnership Project,3GPP)組織制定的一種通用的無線通信信號，作為一種新型的外輻射源雷達機會照射源，受到了國內外的廣泛關注。該信號作為第三方照射源具有獨特的優勢：(1)信號普及率高，易于組網，探測范圍易擴展；(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目標探測。

相對于廣播或者電視信號的外輻射源雷達，LTE外輻射源雷達發展相對滯后。而隨著4G時代的發展，LTE信號的覆蓋范圍逐步擴大，為研究該體制雷達提供了極為便利的條件，現階段國內外已進行了一些探索性工作。馬來西亞博特拉大學的Abdullah等人[11,12]利用頻分雙工長期演進(Frequency Division Duplexing Long Term Evolution,FDD-LTE)信號進行了地面移動目標探測以及目標分類識別研究。美國萊特州立大學的Evers等人[13–15]分析了具有擴展循環前綴(Cyclic Prefix,CP)的LTE信號的模糊函數，研究了典型副峰產生的機理，并介紹了利用FDD-LTE信號進行SAR成像的研究結果。武漢大學電波傳播實驗室研究了實測FDD-LTE信號的模糊函數特性，率先分析了幀間模糊帶的形成機理，并提出了一種基于子載波系數歸一化的幀間模糊帶抑制方法[16,17]。中國科學院電子學研究所探討了對于遠距離目標探測有影響的相關副峰，并針對此類副峰給出了相應的抑制方法，最終得到圖釘狀的模糊函數[18]。據調研所及，國內有關利用LTE信號進行目標探測實驗的研究尚無報道。

根據LTE外輻射源雷達探測需求，本文設計了一種高集成度、小型化的多通道外輻射源雷達系統。相對于傳統外輻射源雷達系統，本系統具有以下優勢：(1)通用性強，系統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；(2)集成度高，接收機系統采用高度集成的射頻芯片實現，降低了系統的復雜程度；(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的傳輸要求；(4)成本較低，系統的高集成度、通用化優勢也使得系統成本可控。系統的上述優勢有利于實現LTE外輻射源雷達的組網探測，擴展雷達監測范圍。

本文介紹了利用本系統開展國內首次基于LTE信號的地面及低空目標探測實驗研究的進展，包括信號分析、雷達系統設計與實現、實驗場景配置以及初步實驗結果分析等。

2 LTE信號分析

2.1 信號幀結構

LTE信號根據雙工方式可以分為頻分雙工(Frequency Division Duplexing,FDD)和時分雙工(Time Division Duplexing,TDD)兩種模式[19,20]，兩者僅在物理層上略有區別。圖1展示了這兩種工作模式的框架結構，其中圖1(a)為FDD-LTE幀結構，圖1(b)為TDD-LTE幀結構。兩者相同點在于系統以10 ms的無線幀為傳輸單位，每個無線幀由10個1 ms的子幀組成，每一個子幀又包含兩個0.5 ms的時隙。每個時隙根據CP的不同包含不同數目的正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)符號，其中普通型CP包含7個OFDM符號，擴展型CP包含6個OFDM符號。兩者區別在于FDD-LTE模式中系統在分離的兩個對稱頻率信道上進行數據接收和傳送，下行過程中整個無線幀都被應用于下行鏈路傳輸。TDD-LTE模式則是上下行使用相同的頻段在不同時隙進行傳輸，一定數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的頻段相同，導致多個終端的上行信號不可避免地干擾外輻射源雷達，使其難以準確劃分下行信號時間窗，進而影響目標探測，FDD-LTE則可以避免上行信號的干擾。因此，本系統采用FDDLTE信號進行目標探測。

圖1 LTE信號幀結構Fig.1 The frame structure of LTE signals

2.2 模糊函數分析

模糊函數是研究外輻射源雷達波形特性的重要工具，它描述了外輻射源雷達系統采用的發射波形所具有的目標分辨率、測量精度、模糊度和雜波抑制能力。計算表達式如式(1)所示，其中s(t)為信號復包絡，為距離時延，fd為多普勒頻移。

圖2 實測FDD-LTE信號模糊函數Fig.2 The AF of a real-life FDD-LTE signal

圖2給出了實測FDD-LTE信號的模糊函數。從圖2中可以看出，LTE信號模糊函數在零距離元和零多普勒頻率處具有類似圖釘形狀的主峰。從時域和頻域的梯度可以看出，其下降梯度較大，表明LTE信號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律的模糊副峰，現有文獻詳細分析了LTE信號典型副峰的產生原因和位置[11–18]。依據副峰產生機理，副峰主要包括CP引起的副峰，控制區域信號(Control Channels,CCs)周期性引起的副峰，以及小區特定參考信號(Cell-specific Reference Signals,CRS)引起的副峰。

在不同的探測需求下，并非所有的副峰都會影響目標的探測。在城市環境下，一般基站的覆蓋范圍在1 km以內，常見目標(車輛、無人機、行人等)對應的多普勒頻率在250 Hz以內。圖2中CP引起的副峰相對于主峰時延為66.67 μs，對應雙基距離達 20 km; CCs引起的副峰對應多普勒頻率為1 kHz的整數倍，超出地面及低空典型運動目標的多普勒頻率范圍；CRS引起的副峰對應多普勒頻率為2 kHz的整數倍，時延為11.11 μs的整數倍，同樣超出目標多普勒頻率和目標觀測范圍。綜上所述，這些副峰對觀測范圍內的目標幾乎無影響，本文中不考慮這些副峰的干擾。

3 LTE外輻射源雷達系統

3.1 系統工作原理

圖3展示了LTE外輻射源雷達的工作原理，與其它外輻射源雷達系統類似，LTE外輻射源雷達在接收端同樣分為參考通道與監測通道，分別用來接收直達波信號和目標的回波信號，通過相關處理可以得到目標的距離、速度以及方位等信息，從而實現對目標的檢測和跟蹤。

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

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

圖4 外輻射源雷達信號處理流程Fig.4 The signal processing diagram of passive radars

3.2 系統設計與實現

3.2.1 需求分析

LTE信號支持多種波段，且能夠靈活配置不同的帶寬，每個國家或地區可以根據自身的通訊環境需求以及頻譜使用情況進行合理分配。表1展示了LTE信號的相關參數。從表中可以看出，LTE外輻射源雷達系統需滿足以下要求：(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，可根據具體需求配置不同帶寬；(3)采樣率可配置，實現對不同帶寬信號的采樣。

表1 LTE信號基本參數Tab.1 Basic parameters of the LTE signal

3.2.2 接收機方案設計

現階段常用的雷達接收機系統，往往存在結構復雜、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完成接收機系統設計。該芯片內部集成零中頻結構，不僅能大大降低對模數轉換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)性能的要求以及數字信號處理的復雜度，同時能減少模擬器件的數量，有利于實現系統小型化。芯片工作頻率范圍為70～6000 MHz，支持0.2～56.0 MHz的接收帶寬，涵蓋大部分的數字多媒體廣播業務以及無線通信業務信號頻段。僅需要簡單控制就可實現對中心頻率、帶寬、濾波器參數以及增益等參數的配置，真正意義上做到系統的通用化。同時針對零中頻結構本身的缺陷，其內部每個接收通道都具備直流失調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。

為滿足系統高速數據的實時傳輸需求，本文采用萬兆光纖傳輸方案，實現接收機系統與上位機之間的數據交互。萬兆光纖傳輸的主要優勢在于其傳輸速率快，傳輸距離遠。表2展示了系統的基本技術參數。

表2 系統基本技術參數Tab.2 Basic technical parameters of the system

3.2.3 系統總體設計

圖5展示了本系統的總體框圖，主要由接收天線、多通道LTE外輻射源雷達接收機以及信號處理機組成。其中接收天線采用多元八木天線，包括參考天線與監測天線陣列。接收機直接與天線相連，將接收到的射頻信號進行正交混頻、采樣、抽取濾波下變頻為數字基帶信號，然后由FPGA對數據進行打包，最后采用萬兆光纖傳輸方案將數據傳輸至信號處理機。信號處理機一方面控制接收機實現增益、帶寬以及中心頻率等參數的配置，另一方面完成3.1節所述的信號處理流程，最終輸出目標距離和速度信息。

4 外場實驗

4.1 實驗場景

本文為驗證LTE外輻射源雷達的目標探測性能，開展了合作目標探測實驗。實驗中選用中國電信FDD-LTE信號作為第三方照射源，其中心頻率為1867.5 MHz，帶寬為15 MHz。實驗場景如圖6所示。圖6中左側建筑物頂部的演進節點基站(evolved Node Bases,eNB)作為發射站，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，監測陣列指向圖中橘紅色扇形所示的監測區域收集目標回波信號。目標移動范圍為黃色線所示的地面以及低空區域。

圖5 系統總體框圖Fig.5 The block diagram of the system

圖6 目標探測實驗場景Fig.6 The experimental scenario for the target detection

實驗主要針對地面移動目標以及低空移動目標進行探測。其中地面目標探測實驗選用搭載了GPS設備的電動車作為合作目標，該電動車材質為高碳鋼，輪圈尺寸為35.56 cm，最高速率為10 m/s。低空目標探測實驗采用常見的消費級無人機大疆精靈4作為合作目標。該無人機旋翼數為4，每個旋翼葉片數為2，葉片長度為13.97 cm，軸距為35 cm，飛行速度可達20 m/s。實驗中將電動車上GPS設備記錄的數據以及無人機飛行記錄中的GPS數據作為合作目標的真實信息，與系統檢測得到的信息進行對比，驗證系統的探測性能。

4.2 實驗結果

圖7 LTE外輻射源雷達地面移動目標探測結果Fig.7 Experimental results of the ground moving target with the LTE-based passive radar

圖7展示了地面移動目標探測實驗的結果。圖7(a)為一場數據的距離多普勒譜，可觀測到目標位于第15距離元，多普勒頻率為70 Hz，信噪比為23 dB。為進一步確認其為實驗所用之合作目標，本文將CFAR檢測后的潛在目標信息與合作目標的GPS信息在同一RD譜上進行比較，如圖7(b)所示。圖中除合作目標之外，還有一些非合作目標(車輛、行人等)，但是通過與合作目標GPS信息對比可以看出檢測結果與實際目標信息基本吻合，表明系統成功探測到地面移動目標。圖7(c)與圖7(d)展示了目標雙基距離和雙基速度隨時間變化的情況。圖中結果更直觀地表明系統檢測得到的信息與合作目標信息匹配度較好，能夠真實地反應目標的移動規律。

圖8展示了無人機目標探測實驗的結果，圖8(a)同樣為目標位于第15距離元處的距離多普勒譜，無人機目標多普勒頻率為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目標。圖8(b)為系統檢測數據與無人機飛行記錄的比對結果，雖然其信噪比普遍低于地面目標檢測結果，但是檢測的結果依然與無人機真實數據吻合，表明系統適用于無人機這類“低小慢”目標的探測。圖8(c)和圖8(d)展示的結果與圖7對比可以看出，相比于地面目標，無人機檢測效果略差，主要原因可能是無人機散射截面積(Radar Cross Section,RCS)明顯小于電動車，目標回波強度較弱。另外由于無人機機動性更強，導致目標在轉彎時雙基速度變化更快，檢測更加不連續。

系統檢測得到的信息與合作目標真實信息比對的結果，證實了利用LTE信號實現地面及低空目標探測的可行性。

5 結束語

本文首先介紹了LTE信號的物理層特性，在此基礎上選用FDD-LTE信號作為第三方照射源進行研究。然后設計并實現了一種高集成度、小型化的通用外輻射源雷達系統，并利用此系統開展了國內首次基于LTE信號的地面及低空目標探測實驗，為該探測技術的發展奠定了實驗基礎。后續將圍繞更多不同目標開展實驗，進行目標分類與識別研究，并進行組網探測研究，進一步挖掘該體制外輻射源雷達在目標監測領域的潛力。

圖8 LTE外輻射源雷達無人機探測結果Fig.8 Experimental results of the drone with the LTE-based passive radar