面對分布式多域電磁態(tài)勢感知的射頻傳感器設(shè)計(jì)

雷瑤瑤, 白迪,2*, 楊春勇, 周威任, 崔勇強(qiáng),2

(1.中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 武漢 430074; 2.中南民族大學(xué)智能無線通信湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430074)

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展,電子戰(zhàn)逐漸成為各國之間主要軍事交戰(zhàn)形式。電子戰(zhàn)是對戰(zhàn)雙方利用電磁波進(jìn)行偵察、干擾甚至對抗以爭奪對戰(zhàn)優(yōu)勢的一種軍事對抗活動[1-3]。若想在多方位、大縱深、高強(qiáng)度的電子對抗中贏得戰(zhàn)場主導(dǎo)權(quán),就必須具備對戰(zhàn)場態(tài)勢信息的快速獲取、深度理解和精細(xì)化管理能力,故研究電磁態(tài)勢感知對于掌握對戰(zhàn)主動權(quán)具有重要意義[4]。射頻傳感器作為電磁態(tài)勢感知的一種重要手段,通過對射頻信號進(jìn)行探測和分析,為電磁態(tài)勢感知提供必要信息和重要數(shù)據(jù),其相關(guān)研究尤為重要[5]。

目前電磁態(tài)勢的相關(guān)研究中,眾多研究者基于深度學(xué)習(xí)方法對其進(jìn)行了深入研究[6-7],提出了態(tài)勢生成體系的流程架構(gòu)[8]、構(gòu)建了電磁態(tài)勢感知體系框架[9]等。文獻(xiàn)[10]基于Node.js技術(shù)設(shè)計(jì)了戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知的系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]在分析聯(lián)合態(tài)勢感知信息融合模型發(fā)展啟示的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了電磁態(tài)勢感知與利用頂層過程模型和技術(shù)模型體系。電磁環(huán)境復(fù)雜問題也吸引了眾多專家進(jìn)行深入研究,文獻(xiàn)[12]通過對空間電磁環(huán)境中的地形和電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一建模、解析及可視化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對電磁環(huán)境的可視化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[13]基于分布式的頻譜檢測系統(tǒng),設(shè)計(jì)了電磁態(tài)勢感知軟件模塊,實(shí)現(xiàn)場強(qiáng)分布態(tài)勢的二維可視化。

近年來,多功能射頻綜合傳感器也得到了越來越多的關(guān)注,文獻(xiàn)[14]就傳統(tǒng)單射頻通信存在同頻干擾、數(shù)據(jù)丟失和接受速度慢等問題,設(shè)計(jì)了基于多射頻多信道的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備,有效提高設(shè)備的信道利用率、數(shù)據(jù)處理速率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[15-16]基于Rydberg原子對超寬帶射頻傳感器先后進(jìn)行了相應(yīng)的研究,并對其應(yīng)用前景和未來發(fā)展方向進(jìn)行了深刻討論。文獻(xiàn)[17]基于射頻干擾在原始時(shí)域數(shù)據(jù)上的短時(shí)性特征,提出了基于壓縮感知的時(shí)域抗射頻干擾方法,利用少量的無干擾采樣數(shù)據(jù)即可對干擾數(shù)據(jù)段的海洋回波進(jìn)行估計(jì),以完成射頻干擾抑制。

上述學(xué)者從電磁態(tài)勢估計(jì)分析和射頻傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了相應(yīng)的研究和仿真,取得了較好的研究成果,但是目前對于射頻傳感器的研究還處于探索階段,大部分傳感器僅從時(shí)域或頻域等單域?qū)ι漕l信號進(jìn)行檢測,存在獲取信息不全面、集成度差等問題,為了更全面、準(zhǔn)確地了解信號的特征和特性,現(xiàn)設(shè)計(jì)一款面對分布式的多域電磁態(tài)勢感知射頻傳感器,基于Zynq多進(jìn)程(Zynq multi-processor, ZynqMP)處理器和ADRV9009射頻收發(fā)芯片完成了傳感器的實(shí)物制作,并提出基于分布式架構(gòu),從時(shí)間域、頻率域、空間域、能量域挖掘射頻信號的各域關(guān)鍵特征指標(biāo)信息,主要包含信號幅度、幅度譜波形、信號帶寬、中心頻率、來波方向角等,實(shí)施多域協(xié)同探測,為分析和評估戰(zhàn)場電磁態(tài)勢提供參考。相較于傳統(tǒng)的單域射頻傳感器,該多域射頻傳感器獲取信息更加完整且整合度更好,具有較強(qiáng)的工程使用價(jià)值。

1 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

分布式態(tài)勢感知射頻傳感器總體設(shè)計(jì)方案圖如圖1所示,系統(tǒng)主要由天線陣列、射頻模擬板和數(shù)字信號處理板三部分構(gòu)成。天線陣列由2個(gè)相同的超寬帶全向天線構(gòu)成,覆蓋頻率為300～6 000 MHz,增益約為0 dBi。天線陣一方面完成無線電信號的接收,同時(shí)為空域的目標(biāo)方位測量提供基礎(chǔ)硬件保證。模擬射頻前端板卡包含兩通道的射頻前端處理模塊RF_1和RF_2,主要完成射頻前端信號的調(diào)理、濾波、放大;為了使傳感器系統(tǒng)更加緊湊并且大大降低了硬件成本,系統(tǒng)采用ADRV9009多功能射頻收發(fā)芯片完成諸如正交上下變頻、濾波、自動增益控制(automatic gain control, AGC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能,將模擬板卡的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,便于數(shù)字處理板卡完成后續(xù)的多域信號處理。

信號處理板卡主控芯片采用基于嵌入多核高級精簡指令集計(jì)算機(jī)(advanced RISC machine, ARM)核心的ZynqMP現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA),該芯片可編程邏輯(programmable logic, PL)部分負(fù)責(zé)高速并行數(shù)據(jù)驅(qū)動處理,信號的多域特征提取、目標(biāo)檢測、跟蹤都在ARM中完成。為了將分布式傳感器的數(shù)據(jù)匯總到云端服務(wù)器,數(shù)字處理板設(shè)有4G無線通信接口和非易失性存儲器快速(non-volatile memory express, NVME)數(shù)據(jù)緩沖硬盤接口,同時(shí)全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)模塊負(fù)責(zé)提供授時(shí)和地理標(biāo)簽功能,便于分布式傳感器數(shù)據(jù)的協(xié)同處理。

由上述設(shè)計(jì)方案,研制如圖2所示的無人車載分布式射頻傳感器系統(tǒng),傳感器系統(tǒng)由設(shè)備倉和動力控制倉構(gòu)成,二者通過電滑環(huán)控制,可實(shí)現(xiàn)設(shè)備倉水平360°連續(xù)轉(zhuǎn)動,水平精度1°,可用于提高天線陣列處理效能。設(shè)備倉核心由數(shù)字處理板和模擬射頻板卡構(gòu)成,天線陣的2支接收天線裝配在設(shè)備倉左右翅膀上,傳感器可實(shí)現(xiàn)75～6 000 MHz超寬帶射頻信號接收。頭頂裝配一枚超高清攝像頭,可通過視覺記錄傳感器所處地理環(huán)境信息,設(shè)備內(nèi)嵌慣性測量單元(inertial measurement unit, IMU)模塊,可感知設(shè)備姿態(tài)信息。傳感器底座可選配增強(qiáng)電池包,用于外場長續(xù)航測試實(shí)驗(yàn)。傳感器可通過控制設(shè)備倉及其翅膀的轉(zhuǎn)動,完成多域信號的采集及處理,同時(shí)通過4G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同其他傳感器共同完成廣域態(tài)勢感知。接下來從軟件方面詳述傳感器多域特征提取算法設(shè)計(jì)。

圖2 無人車載分布式射頻傳感器系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of unmanned vehicle distributed RF sensor system

2 軟件算法總體方案設(shè)計(jì)

2.1 算法程序設(shè)計(jì)

傳感器的核心算法實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。通過上述傳感器完成對原始信號信息的獲取,然后將所獲取的原始信號在時(shí)域、頻域、空域和能域四個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)的信號處理及計(jì)算,提取態(tài)勢感知關(guān)鍵特征指標(biāo),主要包含信號幅度、幅度譜波形、信號帶寬、中心頻率、來波方向角等,最后輸出并顯示其結(jié)果。

圖3 算法實(shí)現(xiàn)程序流程圖Fig.3 Algorithm implementation program flowchart

2.2 時(shí)域關(guān)鍵特征提取模塊設(shè)計(jì)

對信號時(shí)域分析中最常用的參數(shù)是信號幅度,信號幅度是指傳感器接收到的信號的電磁波強(qiáng)度,對于檢測其來波信號非常重要。接收到的信號包含了目標(biāo)物體反射回來的電磁波信息,其中幅度反映了目標(biāo)物體與傳感器之間的距離、目標(biāo)的大小以及表面材質(zhì)等因素。通過對信號的幅度進(jìn)行分析,可以確定目標(biāo)的存在、距離、大小、速度和方向等信息。

回波信號中每個(gè)像素包含的信息都由振幅值和相位值兩部分組成,這兩個(gè)分量可以用一個(gè)復(fù)數(shù)來表示為

(1)

式(1)中:i為虛數(shù)單位,i2=-1;a和b分別表示一個(gè)復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部;e為自然常數(shù);Φ為信號幅度,表示回波強(qiáng)度信息。

2.3 頻域關(guān)鍵特征提取模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 信號帶寬

在檢測分析信號的應(yīng)用中,計(jì)算信號帶寬可以反映信號的頻率響應(yīng)特性,即信號在哪個(gè)頻率范圍內(nèi)有較強(qiáng)的能量,為信號的處理和分析提供重要的參考和依據(jù),同時(shí)由信號帶寬可以使避免信號過寬而影響檢測的精度和靈敏度。

快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)可以將一個(gè)信號由時(shí)域變換到頻域。部分信號在時(shí)域上難以獲取什么特征,如果將其變換到頻域便很容易獲取其特征。假設(shè)長度為N的原始信號x(n)經(jīng)過FFT后幅度為

(2)

式(2)中:Re為每個(gè)頻率點(diǎn)上FFT結(jié)果的實(shí)部,代表頻域信號中的余弦部分;Im為每個(gè)頻率點(diǎn)上FFT結(jié)果的虛部,代表頻域信號中的正弦部分。

若該信號峰值為A,那么經(jīng)過FFT后除了第一個(gè)點(diǎn)外每個(gè)點(diǎn)的模值是A的N/2倍,第一個(gè)點(diǎn)是直流分量,它的模值就是直流分量的N倍。也就是說,要得出真實(shí)幅值,需要把除了第1個(gè)點(diǎn)(i=0)以及最后一個(gè)點(diǎn)(i=N/2)除以N以外,其余點(diǎn)需要求得的模除以N/2。即

(3)

式 (3)中:i為FFT結(jié)果中不同頻率分量的索引,對應(yīng)于頻域中的離散頻率點(diǎn)。

這是因?yàn)楦道锶~級數(shù)對應(yīng)時(shí)域幅值,其中已經(jīng)包含了1/N項(xiàng),而傅里葉變換中沒有該系數(shù),所以進(jìn)行完FFT變換后需除以N/2才能與時(shí)域?qū)?yīng)上。

2.3.2 中心頻率

中心頻率是信號最重要的參數(shù)之一,它對確定信號的帶寬、幫助識別目標(biāo)、改善信噪比以及提高測距精度等起著至關(guān)重要的作用。

中心頻率通常定義為信號處理后兩個(gè)-3 dB點(diǎn)之間的中點(diǎn),通常用兩個(gè)-3 dB點(diǎn)的算術(shù)平均來表示。假設(shè)所得的兩個(gè)-3 dB點(diǎn)的位置分別為xi和xj,則該信號的中心頻率計(jì)算公式為

fc=(xi+xj)/2

(4)

式(4)中:xi為信號處理后功率下降到最大值一半的左側(cè)頻率點(diǎn);xj為信號處理后功率下降到最大值一半的右側(cè)頻率點(diǎn)。

2.4 空域關(guān)鍵信號方位估計(jì)

信號方位估計(jì)就是獲得輻射源到達(dá)方向并進(jìn)行位置測量,對信號分選和識別、引導(dǎo)干擾方向、引導(dǎo)武器系統(tǒng)攻擊、提供威脅告警并指示威脅方向、提供輻射源方向輔助戰(zhàn)場指揮和決策等有極大作用。

干涉儀測向主要利用信號傳播時(shí)延引起的相位差來解算來波信號的入射方向,其算法原理簡單、測向精度高且抗干擾能力強(qiáng),在寬帶信號測向領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。一維單基線干涉儀測向是干涉儀測向的基礎(chǔ),其對應(yīng)模型如圖4所示。

圖4 一維單基線干涉儀測向模型Fig.4 One dimensional single baseline interferometer direction finding model

圖4中,陣元K0和陣元K1的連線為基線,d為基線長度,視軸與基線垂直,來波方向與視軸夾角為θ,該夾角即為來波方向角。

假設(shè)圖4中天線K0接收到的來波信號為

x0(t)=s(t)+n0(t)

(5)

式(5)中:s(t)為理想情況下的接收信號;n0(t)為K0接收信號中的高斯白噪聲。

因?yàn)閬聿ㄐ盘枬M足遠(yuǎn)場條件,可被視為按照直線傳播的平面波,所以來波信到達(dá)K0與K1的時(shí)間不同,K1接收到的來波信號可表示為

x1(t)=s(t-τ)+n1(t)

(6)

式(6)中:τ為來波信號到達(dá)K0與K1的時(shí)刻之差。來波信號以光速c傳播,其到達(dá)K0的傳播距離比達(dá)到K1的多L,所以τ可表示為

τ=L/c=dsinθ/c

(7)

假設(shè)來波信號頻率為f,其對應(yīng)的角速度為ω=2πf,將時(shí)差轉(zhuǎn)換成相位λ=c/f,可得到K0與K1接收信號間的相位差為

(8)

式(8)即為最基本的干涉儀測向原理公式。由式(8)可以看出,相位差與基線一對應(yīng),相位差大小由基線長度d、來波方向θ和來波頻率f決定。當(dāng)基線長度、來波頻率以及相位差已知時(shí),便可推算出此時(shí)的來波方向角為

(9)

2.5 能域關(guān)鍵特征提取模塊設(shè)計(jì)

信號能量指信號在單位時(shí)間里所傳輸?shù)哪芰?對于獲取檢測目標(biāo)的距離、距離和方向等參數(shù)具有重要的作用。

由帕斯瓦爾定理可知,信號的總能量既可以按照每單位時(shí)間內(nèi)的能量在整個(gè)時(shí)間內(nèi)的積分計(jì)算出來,也可以按照每單位頻率內(nèi)的能量在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的積分而得到,時(shí)域的能量和頻域的能量相等,即對于一個(gè)信號f(t)有

(10)

對于兩個(gè)不同信號fi(t)、fj(t)有

(11)

式中:F(ω)為信號f(t)的傅里葉變換,表示頻域中的信號;F*(ω)為F(ω)的共軛復(fù)數(shù)。

3 實(shí)測驗(yàn)證與分析

3.1 實(shí)測驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)選取如圖5和圖6所示的實(shí)驗(yàn)場景對傳感器功能進(jìn)行測試和驗(yàn)證。為模擬實(shí)際使用中傳感器所處的環(huán)境,信號發(fā)送設(shè)備部署的位置距離射頻傳感器72 m遠(yuǎn)處,二者天線高度都為1.5 m。將已知信號通過信號發(fā)送設(shè)備進(jìn)行發(fā)送,傳感器對發(fā)送信號進(jìn)行采集和處理,進(jìn)行相關(guān)算法計(jì)算并顯示結(jié)果。

圖5 射頻信號發(fā)生器場景示意圖Fig.5 Schematic diagram of RF signal generator scene

圖6 射頻傳感器場景示意圖Fig.6 Schematic diagram of RF sensor scene

實(shí)驗(yàn)選用兩組不同信號作為發(fā)射信號,對所設(shè)計(jì)的分布式多域態(tài)勢分布射頻傳感器進(jìn)行功能和性能的驗(yàn)證。首先在時(shí)域上對接收信號幅度計(jì)算并進(jìn)行幅度譜波形顯示;然后驗(yàn)證了傳感器的頻域計(jì)算功能,包括信號帶寬和中心頻率的計(jì)算,并顯示其頻域幅度譜波形;其次在空域上實(shí)現(xiàn)對信號的方位估計(jì),以天線水平高度為測向基線,計(jì)算信號來波方向角;最后對信號的能量進(jìn)行計(jì)算。

3.2 實(shí)驗(yàn)1

實(shí)驗(yàn)1基于圖3的算法實(shí)現(xiàn)流程,選用如圖7所示的同相正交(in-phase-quadrature, IQ)信號進(jìn)行信號探測和數(shù)據(jù)計(jì)算,該信號的中心頻率為3 GHz、帶寬為500 kHz。

圖7 測試信號的時(shí)域幅度譜波形Fig.7 Time domain amplitude spectrum waveform of the test signal

圖8所示為傳感器所呈現(xiàn)的信號時(shí)域幅度譜波形圖。在第100～2 800個(gè)采樣點(diǎn)間,信號峰值為861 V。將圖7和圖8進(jìn)行對比分析可知:所設(shè)計(jì)的傳感器系統(tǒng)對該IQ信號進(jìn)行獲取和處理后,發(fā)送信號與接收信號在時(shí)域震蕩次數(shù)分別為52次和51次,存在1.92%的誤差。

圖8 接收信號的時(shí)域幅度譜波形圖Fig.8 Time domain amplitude spectrum waveform of received signal

表1為實(shí)驗(yàn)1的信號參數(shù)測量的結(jié)果。如表1所示。所測得3 dB帶寬為486.7 kHz,與發(fā)送信號帶寬差13.3 kHz,誤差為2.66%;測得中心頻率為3.012 GHz,與發(fā)送信號設(shè)定的中心頻率差0.012 GHz,誤差為0.4%;根據(jù)信號能量路徑損耗公式,計(jì)算得能量的理論值為97.6,測得能量為103.01 mW,故存在5.6%的誤差;根據(jù)干涉儀側(cè)向原理公式,計(jì)算得來波方向角的理論值為20.34°,測得來波角方向?yàn)?9.79°,故存在2.7%的誤差。

表1 實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)Table 1 Experiment 1 experimental result parameters

3.3 實(shí)驗(yàn)2

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的射頻傳感器對不同信號的測量性能,基于上述對信號的測量計(jì)算方法,實(shí)驗(yàn)2選用如圖9所示的雷達(dá)信號進(jìn)行測試,該信號的中心頻率為2 GHz、信號帶寬為100 kHz。

圖9 測試信號的時(shí)域幅度譜波形Fig.9 Time domain amplitude spectrum waveform of the test signal

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10和表2所示。圖10所示為所獲取信號的時(shí)域幅度譜波形圖。在第2 000～3 600個(gè)采樣點(diǎn)間,信號峰值為1 040 V。將圖9和圖10進(jìn)行對比分析可知:所設(shè)計(jì)的傳感器系統(tǒng)對該IQ信號進(jìn)行獲取和處理后,發(fā)送信號與接收信號在時(shí)域震蕩次數(shù)分別為57次和56次,存在1.07%的誤差。

表2 實(shí)驗(yàn)2實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)Table 2 Experiment 1 experimental result parameters

圖10 接收信號的時(shí)域幅度譜波形圖Fig.10 Time domain amplitude spectrum waveform of received signal

表2為實(shí)驗(yàn)2的信號參數(shù)測量結(jié)果。如表2所示:所測得3 dB帶寬為103.2 kHz,與發(fā)送信號帶寬差3.2 kHz,誤差為3.2%;測得中心頻率為2.008 GHz,與發(fā)送信號設(shè)定的中心頻率差0.008 GHz,誤差為0.4%;計(jì)算得能量的理論值為101 mW,測得能量為100.56 mW,故存在4.3%的誤差;根據(jù)干涉儀側(cè)向原理公式,計(jì)算得來波方向叫的理論值為19.98°,測得來波角方向?yàn)?9.56°,故存在2.1%的誤差。

3.4 結(jié)果分析

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在改變發(fā)射信號后,將實(shí)測結(jié)果與發(fā)射信號的設(shè)置參數(shù)對比可知:傳感器所獲得的時(shí)域波形與原信號一致;在頻域中對信號帶寬的計(jì)算存在2.7%～3.2%的誤差,對中心頻率的參數(shù)測量誤差穩(wěn)定在0.4%;在能域中對能量的計(jì)算存在4.3%～5.6%的誤差;在空域中對來波角方向的測量存在2.1%～2.7%的誤差。傳感器在各域進(jìn)行測量產(chǎn)生誤差的原因可能是信號噪聲功率過高且多輻射源疊加,使得所獲取信號特征難以提取,可采用濾波器或去噪算法來減少噪聲干擾,同時(shí)可以對傳感器天線的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,使其具有更好的方向性和抗干擾能力。

4 結(jié)論

本文基于時(shí)域、頻域、空域、能域四個(gè)方面著手,設(shè)計(jì)了一款多域電磁態(tài)勢感知的射頻傳感器,并對傳感器在時(shí)、頻、空、能四域?qū)﹃P(guān)鍵特征指標(biāo)的提取進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證,得出如下結(jié)論。

(1)本文設(shè)計(jì)的傳感器在時(shí)域中所獲得波形的震蕩次數(shù)的誤差小于1.92%。

(2)在頻域中對信號帶寬的計(jì)算存在2.66%～3.2%的誤差,對中心頻率的參數(shù)測量誤差穩(wěn)定在0.4%。

(3)在能域中對能量的計(jì)算存在4.3%～5.6%的誤差。

(4)在空域中對來波角方向的測量存在2.1%～2.7%的誤差。