CN117055001A - 一种面向于rtl-sdr的轻量化无源雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种面向于RTL‑SDR的轻量化无源雷达系统，涉及雷达信号处理技术领域。该系统包括用于配置RTL‑SDR接收机的双通道RTL‑SDR接收机设置模块、用于对两个RTL‑SDR接收机进行时频同步的双通道RTL‑SDR时频同步处理模块、用于滤除监测信号杂波的监测信号非平稳杂波抑制模块和用于对目标回波信号与参考信号进行相参处理的目标回波信号相参处理模块。本发明的时频同步减小目标定位误差，确保系统性能和可靠性；利用高效杂波抑制方法有效滤除监测信号的杂波，优化系统探测性能；通过快速目标相参积累法利用快慢时间法实现互模糊函数，大幅度缩短距离多普勒相参积累计算时间，提高目标检测的响应速度和准确性。
Description
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统。
背景技术
无源雷达指本身不需要主动发射信号，而是通过捕获环境中已存在的信号来获取目标的距离、方位等信息的雷达探测系统。无源雷达根据其获取电磁波信号的方式不同而区分为两大类，第一类是通过捕获目标主动向外辐射的电磁波信号，第二类是借助合作或非合作的第三方照射源信号，通过对双通道信号进行相干处理来实现目标探测。
RTL-SDR(Realtek Software Defined Radio，软件定义无线电)是使用Realtek芯片的软件定义无线电设备，其具有较高的灵敏度和频率范围，并且可以根据需要进行自我配置和调整。因其成本低、易于获取和调试方便，因此被广泛应用于无线通信、频谱分析和软件无线电开发和雷达探测等领域。
由于无源雷达没有特定的发射源，所以该无源雷达通过在接收端设置参考和监测双通道来接收两路信号，因此需要配置两个RTL-SDR通道进行信号接收。目前的技术难点在于：
(1)两个RTL-SDR接收通道独立工作(用作通信功能)，时间和频率上不同步且容易受到温度的影响，这会导致目标定位误差增大，信号处理不准确，也会引起目标参数估计精度下降，从而影响系统的性能和可靠性。
(2)监测通道采用宽波束接收信号，除目标信号外还会接收到在时间和频率上具有随机性和不规则性的非平稳多径杂波，因此需要对非平稳多径杂波信号进行抑制；但现有且常用的杂波抑制算法存在运算量大、沿梯度方向搜索缓慢等缺点，会进一步恶化系统的探测性能。
(3)无源雷达经过杂波抑制操作后，需要对目标信号进行信息提取，通常采用参考信号和监测信号的互相关处理操作实现目标参数提取，但这种方法需要计算参考信号和监测信号的互模糊函数，运算量大且不利于快速获取目标信息，从而降低了目标检测的响应速度和准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，通过设计时频同步的双通道RTL-SDR雷达接收机，使得目标定位误差减小，信号处理更加准确，从而确保雷达系统的性能和可靠性；利用高性能非平稳杂波抑制方法，有效的抑制和滤除了无源雷达监测信号中的直达波和非平稳多径杂波信号，进一步优化系统探测性能；通过基于信号分段的快速目标相参积累方法，利用快慢时间法实现互模糊函数，进而大幅度缩短距离多普勒相参积累计算时间，提高目标检测的响应速度以及准确性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
本申请实施例提供了一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，包括依次有线连接的双通道RTL-SDR接收机设置模块、双通道RTL-SDR时频同步处理模块、监测信号非平稳杂波抑制模块和目标回波信号相参处理模块；
所述双通道RTL-SDR接收机设置模块，用于配置RTL-SDR接收机的两端分别与PC端和雷达天线连接，并通过所述RTL-SDR接收机中的信号接收通道接收与所述雷达天线对应的信号；
其中，所述RTL-SDR接收机包括第一RTL-SDR接收机和第二RTL-SDR接收机；所述信号包括参考信号sr(n)和监测信号se(n)；所述雷达天线包括参考天线和监测天线；所述信号接收通道包括参考通道和监测通道；
所述双通道RTL-SDR时频同步处理模块，用于对所述第一RTL-SDR接收机和所述第二RTL-SDR接收机在时间和频率上进行同步，获得时序和所述频率一致的所述参考信号sr(n)和所述监测信号se(n)；
所述监测信号非平稳杂波抑制模块，用于对所述监测信号se(n)进行杂波滤除，获取滤除杂波后的目标回波信号sBLF(n)；
所述目标回波信号相参处理模块，用于将所述目标回波信号sBLF(n)与所述参考信号sr(n)进行相参处理，获取目标检测结果。
优选的，所述第一RTL-SDR接收机的一端通过USB接口连接所述PC端，另一端通过mcx天线接口连接所述参考天线，并通过所述参考通道获取所述参考信号sr(n)；
所述第二RTL-SDR接收机的一端通过所述USB接口连接所述PC端，另一端通过所述mcx天线接口连接所述监测天线，并通过所述监测通道获取所述监测信号se(n)。
优选的，在所述双通道RTL-SDR接收机设置模块中对所述参考信号sr(n)和所述监测信号se(n)进行信号处理并变换到数字基带；其中，所述信号处理包括模数转换、混频和滤波抽取；
变换后的所述参考信号sr(n)表示为：sr(n)＝aru(n)+zr(n)，n＝1,K,N；
其中，ar表示直达波信号的复幅度，u(n)表示直达波基带信号的第n点采样数据；zr(n)表示所述参考天线中的噪声，N表示接收信号的长度；所述接收信号包括所述参考信号sr(n)和所述监测信号se(n)；
变换后的所述参考信号se(n)表示为：
其中，ac表示第c个多径杂波的复幅度；τc表示第c个多径杂波的时延；τ0＝0表示第一个杂波为直达波；ae表示第k个目标回波的复幅度；τk表示第k个目标回波的时延；fd表示第k个目标回波的多普勒频率；表示第c个杂波干扰；/>表示第k个目标回波的相位；ze(n)表示所述监测天线中的噪声；Fs表示采样率；j表示虚数单位。
优选的，所述对所述第一RTL-SDR接收机和所述第二RTL-SDR接收机在时间和频率上进行同步，包括以下步骤：
S11，利用互相关方法校准所述参考通道和所述监测通道之间的时滞差异；
S12，对所述第一RTL-SDR接收机的温度补偿晶体振荡器进行拆除；
S13，将所述第二RTL-SDR接收机的温度补偿晶体振荡器引脚与所述第一RTL-SDR接收机的温度补偿晶体振荡器引脚通过导线焊接固连；
S14，将所述第一RTL-SDR接收机和所述第二RTL-SDR接收机的电容引脚通过导线相接。
优选的，在所述步骤S11中，对接收到的所述参考信号sr(n)和所述监测信号se(n)进行互相关分析，在不同的时间偏移下计算相关系数，并获取最大相关系数对应的时间偏移量，获取所述参考通道和所述监测通道之间的时间差并进行校准；
其中，采用互相关函数进行互相关分析，所述互相关函数的表达式如下：
同步后的所述监测信号表示为：s′e(n)＝se(n±τ)；
其中，sr表示参考信号，τ表示进行互相关后得到的所述参考通道与所述监测通道之间的时间差。
优选的，在所述监测信号非平稳杂波抑制模块中，采用BLF算法并通过滤波器对所述监测信号se(n)进行杂波滤除；
其中，将每一级所述滤波器定义为两个变量，并定义反射系数km(n)；所述两个变量包括前向预测误差fm(n)和后向预测误差bm(n)；
所述反射系数km(n)和所述两个变量的关系式表示为：
其中，m为滤波器阶数，n为预测时刻。
优选的，所述BLF算法采用格型结构，包括初始化部分、预测部分和滤波部分；
所述初始化部分，用于将主基站的所述参考信号sr(n)作为输入赋值给第一阶滤波器的初始值f0(n)和b0(n)，误差信号e0(n)为时频同步后的监测信号s′e(n)；
所述预测部分，用于求取所述前向预测误差fm(n)和所述后向预测误差bm(n)；
所述滤波部分，用于采用误差函数em(n)和所述后向预测误差bm(n)对所述监测信号se(n)进行杂波滤除，获取滤除杂波后的所述目标回波信号sBLF(n)。
优选的，在所述预测部分，采用最小均方误差准则，对代价函数进行最小化预测；令求得最优的所述反射系数km(n)的更新公式，所述更新公式表示为：
利用所述反射系数km(n)和所述两个变量的关系式计算每一阶预测器的输出；所述每一阶预测器的输出为所述前向预测误差fm(n)和所述后向预测误差bm(n)；
在所述滤波部分，将计算出的各阶所述后向预测误差bm(n)作为所述滤波器的输入，并以此抑制所述监测信号se(n)中的直达波和多径信号分量，具体抑制过程如下所示：
在每一个时刻，每一阶滤波器用所述误差函数em(n)和所述后向预测误差信号bm(n)对时域相消系数的矢量hm(n)进行更新；
经过m阶滤波器的滤波相消后，所述监测天线在n时刻的剩余信号表示为：
其中，所述时域相消系数的更新公式表示为：
所述更新公式中，em(n)表示为进行滤波的每一阶的误差函数。
优选的，在所述目标回波信号相参处理模块中，将连续互模糊函数定义为：
设采样率为Fs，则有T0Fs＝N，t＝nTs，τ＝lTs，
其中，T0表示相干积累时间；Ts表示采样时间；N表示采样点数；n表示将积分变量t等分为n段，每段长度为Ts；K表示整数倍数，取0，1，2，3…；
则经过数字采样后获得离散化互模糊函数模型，将其表示为：
其中，0≤l＜L表示时延，-K≤k≤K表示多普勒频率。
优选的，通过进行相参处理获取所述目标检测结果，具体包括如下步骤：
S21，将所述监测信号和所述参考信号进行分段，将相干积累时间分为M段，定义每段长度为L；定义l为每段的段内快时间，m为每段的段间慢时间；所述参考信号经过快慢时间划分后表示为sBLF(l,m)；所述监测信号经过快慢时间划分后表示为sr(l,m)；
则所述互模糊函数表示为：
S22，在快时间维中进行滤波匹配，获取段内能量积累，其公式表示为：
g(l,n)＝IFFT{FFT[sBLF(l,m)]·FFT[sr*(l,m)]}；
其中，FFT表示快速傅里叶变换；IFFT表示逆快速傅里叶变换；
S23，在慢时间维中进行傅里叶变换，经过长时间相干积累得到离散化的快速互模糊函数，其公式表示为：
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过设计时频同步的双通道RTL-SDR雷达接收机，使得目标定位误差减小，信号处理更加准确，从而确保雷达系统的性能和可靠性；利用高性能非平稳杂波抑制方法，有效的抑制和滤除了无源雷达监测信号中的直达波和非平稳多径杂波信号，进一步优化系统探测性能；通过基于信号分段的快速目标相参积累方法，利用快慢时间法实现互模糊函数，进而大幅度缩短距离多普勒相参积累计算时间，提高目标检测的响应速度以及准确性。
(2)本发明设计的接收机中使用了RTL-SDR，其具有成本低廉、可接收信源多、便于调试、体积小等优点，极大提高无源雷达目标探测系统的灵活性与便捷性。
(3)本发明在杂波抑制中使用了采用BLF(Block Lattice Filtering，块格滤波)算法，该算法对于非平稳杂波抑制具有如下优势：1)该算法采用格型滤波结构，每一时刻输入数据所对应的滤波器权值都需要上一时刻滤波器的权值进行迭代计算，所以该算法可以更好的应对时变杂波；2)该算法具有局部相关联的模块化结构，由多个独立的级构成，所以该算法的时域相消系数对数值扰动不敏感；3)该算法的自适应性可以避免收敛速度过快的问题。
(4)本发明在目标监测信号相参处理模块中利用快慢时间法实现互模糊函数，该方法通过对回波、监测信号进行分段，得到快慢时间二维信号，从而实现目标参数提取；因此该算法可以大幅度缩短距离多普勒相参积累计算时间，提高目标检测的响应速度以及准确性。
附图说明
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本申请的技术方案。
图1为本申请实施例提供的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统的配置示意图；
图3为本申请实施例提供的第一RTL-SDR接收机和第二RTL-SDR接收机在时间和频率上进行同步的步骤流程图；
图4为本申请实施例提供的两个RTL-SDR接收机时间频率同步操作实物图；
图5为本申请实施例提供的进行相参处理获取目标检测结果的步骤流程图；
图6为本申请实施例提供的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达监测方法的步骤流程图；
图7为本申请实施例提供的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达监测方法的另一种步骤流程图；
图8为本申请实施例提供的实际观测到的监测信号和参考信号的时域和频域示意图；
图9为本申请实施例提供的实际观测到的监测信号和参考信号相参处理的结果示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的方法和系统的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、特征及其功效做详细说明。
在本申请中，首先对本实施例所采用的技术、现有方案存在的问题以及本申请实施例的主要构思做如下具体说明：
关于无源雷达，其指本身不需要主动发射信号，而是通过捕获环境中已存在的信号来获取目标的距离、方位等信息的雷达探测系统。无源雷达一般可分为两大类，根据其获取电磁波信号的方式不同而区分。
第一类是通过捕获目标主动向外辐射的电磁波信号，例如通信、导航等信号，从中实现对目标部分参数的精确估计；这种探测方式被认为是真正的无源探测，具有很强的隐蔽性。然而，由于它依赖于目标自身辐射的信号，容易受到目标电磁静默措施的影响。此外，由于无法获得目标回波的参考样本，无法实现目标距离测量，这是单站探测的固有限制。
第二类是借助合作或非合作的第三方照射源信号，通过对双通道信号进行相干处理来实现目标探测。这些第三方照射源的信号包括调频广播(FM)信号、模拟电视信号、手机通讯信号(如GSM、CDMA)、数字广播/电视(如DAB、DVB-T)信号、卫星导航信号以及敌方/已方有源雷达信号等；利用这些照射源进行目标探测的无源雷达通常被称为外辐射源雷达；相比传统的有源雷达，外辐射源雷达具有许多无可比拟的优势。
关于RTL-SDR(Realtek Software Defined Radio，软件定义无线电)是指使用Realtek芯片的软件定义无线电设备。它是一种低成本、被广泛应用的软件无线通信解决方案。本实施例中RTL-SDR基于Realtek RTL2832U芯片，该芯片最初是被设计用作DVB-T(数字视频广播地面)接收器。然而，由于其特殊的硬件架构和优秀的射频接收性能，与无源雷达接收机的性能要求不谋而合，搭配使用适当的软件，可以将RTL2832U芯片转变为广泛应用于面向软件定义无线电的雷达接收器。通过RTL-SDR设备，用户可以将计算机连接到天线，并利用相应的软件来接收、解码和处理各种无线信号，如航空通信、业余无线电、无线电广播、气象卫星图像、FM广播等等。RTL-SDR设备具有较高的灵敏度和频率范围(通常在25MHz-1.7GHz)，并且可以根据需要进行配置和调整。因其低成本、易于获取和调试方便，被应用于无线通信、频谱分析和软件无线电开发和雷达探测等领域。
由于无源雷达没有特定的发射源，因此该体制雷达通过在接收端设置参考通道和监测通道这双通道来接收两路信号，其中参考通道指向发射源，用于接收直达波信号；监测通道指向观测空域，用于接收目标反射回波。因此本实施例配置了两个RTL-SDR接收机通道进行信号接收。
但现有方案存在以下几点问题/难题：
(1)两个RTL-SDR接收通道独立工作(用作通信功能)，时间和频率上不同步且容易受到温度的影响，这会导致目标定位误差增大，信号处理不准确，影响系统的性能和可靠性。
(2)由于监测通道采用宽波束接收信号，因此除目标信号外，直达波还会经过许多静止的物体如高楼、山体、树木等反射后由监测天线接收，这类信号根据其反射路径不同被称为多径杂波。此外这类杂波在传播途中会因为天气影响，如风、降雨、雷电等影响产生扰动，表征为在时间和频率上具有随机性和不规则性的非平稳多径杂波。目标信号强度往往远低于这类杂波信号，很容易被这类信号淹没，因此需要对非平稳多径杂波信号进行抑制。现常用的杂波抑制算法有：最小均方误差(Least Mean Square，LMS)算法、递归最小二乘(Recursive Least Square，RLS)算法，但现有的算法存在运算量大，沿梯度方向搜索缓慢等缺点。
(3)无源雷达经过杂波抑制操作后，需要对目标信号进行信息提取。无源雷达目标检测领域中，通常采用参考信号和监测信号的互相关处理操作实现目标参数提取，但这种方法需要计算参考和监测信号的互模糊函数，运算量大，不利于快速获取目标信息。
综合上述，针对上述现有方案存在的问题，本申请实施例提供了一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，用于解决上述由于RTL-SDR双通道时频不同步引起目标参数估计精度下降，以及现有方法无法有效抑制滤除无源雷达监测信号中的直达波和非平稳多径杂波信号，会进一步恶化系统探测性能等问题。
进而针对上述问题，本申请实施例的构思如下：
RTL-SDR具有低成本、信号易于获取、稳定性好、灵敏度高和频带范围宽等优势，符合无源雷达接收机的性能指标，将其作为无源雷达接收机，可实现一种轻量化的无源雷达目标探测系统。具体地，针对RTL-SDR无源雷达系统存在的时频同步、非平稳杂波抑制、目标检测问题提出相应解决方法，提高该雷达的目标检测能力，进而构建一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统。
实施例1
请参阅图1，本申请实施例提供一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，包括依次有线连接的双通道RTL-SDR接收机设置模块、双通道RTL-SDR时频同步处理模块、监测信号非平稳杂波抑制模块和目标回波信号相参处理模块；
所述双通道RTL-SDR接收机设置模块，用于配置RTL-SDR接收机的两端分别与PC端和雷达天线连接，并通过所述RTL-SDR接收机中的信号接收通道接收与所述雷达天线对应的信号；
其中，所述RTL-SDR接收机包括第一RTL-SDR接收机和第二RTL-SDR接收机；所述信号包括参考信号sr(n)和监测信号se(n)；所述雷达天线包括参考天线和监测天线；所述信号接收通道包括参考通道和监测通道；
所述双通道RTL-SDR时频同步处理模块，用于对所述第一RTL-SDR接收机和所述第二RTL-SDR接收机在时间和频率上进行同步，获得时序和所述频率一致的所述参考信号sr(n)和所述监测信号se(n)；
所述监测信号非平稳杂波抑制模块，用于对所述监测信号se(n)进行杂波滤除，获取滤除杂波后的目标回波信号sBLF(n)；
所述目标回波信号相参处理模块，用于将所述目标回波信号sBLF(n)与所述参考信号sr(n)进行相参处理，获取目标检测结果。
在本申请提供的一种实施例中，第一RTL-SDR接收机的一端通过USB接口连接所述PC端，另一端通过mcx天线接口连接所述参考天线，并通过所述参考通道获取所述参考信号sr(n)；
所述第二RTL-SDR接收机的一端通过所述USB接口连接所述PC端，另一端通过所述mcx天线接口连接所述监测天线，并通过所述监测通道获取所述监测信号se(n)。
具体地，本申请针对RTL-SDR无源雷达系统存在的时频同步、非平稳杂波抑制、目标检测等问题提出相应解决方法，提高该雷达的目标检测能力，进而构建一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统。
本申请实施例中，该无源雷达系统包括两个RTL-SDR接收机，分别将其命名为第一RTL-SDR接收机和第二RTL-SDR接收机；还包括两个雷达天线，分别将其命名为参考天线和监测天线；其中，所述参考天线指向辐射源，所述监测天线指向观测空域；上述两个RTL-SDR接收机中均包括有信号接收通道，将第一RTL-SDR接收机中的信号接收通道定义为参考通道，将第二RTL-SDR接收机中的信号接收通道定义为监测通道。
如图2所示，在双通道RTL-SDR接收机设置模块中，上述第一RTL-SDR接收机的一端通过USB接口连接PC端，另一端通过mcx天线接口连接参考天线；上述第二RTL-SDR接收机的一端通过USB接口连接PC端，另一端通过mcx天线接口连接监测天线。当信号接收后通过GNURadio驱动上述第一RTL-SDR接收机和第二RTL-SDR接收机，使二者能够正常接收参考通道和监测通道接收到的参考信号sr(n)和监测信号se(n)。需要说明的是，GNURadio是一个自由开源的软件开发工具包，用于软件定义无线电(即RTL-SDR)；并且上述信号接收指的是使用参考天线和监测天线接收到的参考信号与监测信号。
在双通道RTL-SDR时频同步处理模块中，在本申请的一个实施例中，RTL-SDR接收机为相干双通道，因此需要对上述两个接收机在时间和频率上进行同步，以此获得时序和频率完全一致的参考信号sr(n)和监测信号se(n)。
在监测信号非平稳杂波抑制模块中，本申请实施例利用BLF(Block LatticeFiltering，块格滤波)算法对监测通道接收到的监测信号se(n)进行杂波滤除，得到滤除杂波后的目标回波信号sBLF(n)。
在目标回波信号相参处理模块中，本实施例将经过杂波抑制后的目标回波信号sBLF(n)与参考信号sr(n)进行相参处理，得到目标检测结果。
本申请通过设计时频同步的双通道RTL-SDR雷达接收机，使得目标定位误差减小，信号处理更加准确，从而确保雷达系统的性能和可靠性；利用高性能非平稳杂波抑制方法，有效的抑制和滤除了无源雷达监测信号中的直达波和非平稳多径杂波信号，进一步优化系统探测性能；通过基于信号分段的快速目标相参积累方法，利用快慢时间法实现互模糊函数，进而大幅度缩短距离多普勒相参积累计算时间，提高目标检测的响应速度以及准确性。
下面将对上述四个模块进行详细说明。
关于双通道RTL-SDR接收机设置模块，进一步地，在该模块中对参考信号sr(n)和监测信号se(n)进行信号处理并变换到数字基带；其中，信号处理包括模数转换、混频和滤波抽取；
变换后的参考信号sr(n)表示为：sr(n)＝aru(n)+zr(n)，n＝1,K,N；
其中，ar表示直达波信号的复幅度，u(n)表示直达波基带信号的第n点采样数据；zr(n)表示参考天线中的噪声，N表示接收信号的长度；而在本实施例中，所述接收信号包括所述参考信号sr(n)和所述监测信号se(n)；
变换后的参考信号se(n)表示为：
其中，ac表示第c个多径杂波的复幅度；τc表示第c个多径杂波的时延；τ0＝0表示第一个杂波为直达波，即从监测天线旁瓣进入的直达波信号；ae表示第k个目标回波的复幅度；τk表示第k个目标回波的时延；fd表示第k个目标回波的多普勒频率；表示第c个杂波干扰；/>表示第k个目标回波的相位；ze(n)表示监测天线中的噪声；Fs表示采样率；j表示虚数单位，j＝sqrt(-1)。
具体地，信号接收后通过Gnu Radio驱动上述RTL-SDR接收机，使得第一RTL-SDR接收机能够正常接收参考通道接收到的参考信号sr(n)，以及使得第二RTL-SDR接收机能够正常接收监测通道接收到的监测信号se(n)。接收到的信号经模数转换、混频、滤波抽取等操作后变换到数字基带分别可表示为：
参考信号：sr(n)＝aru(n)+zr(n)，n＝1,K,N 公式(1)；
监测信号：
需要说明的是，因为数字信号可以通过计算机进行分析和处理，例如频谱分析、谱估计、自相关性等，这些分析可以帮助理解信号的特性和行为，因此本申请将接收到的参考信号和监测信号经过模数转换、混频、滤波抽取等操作后变换到数字基带，从而可以借助数字基带更好的分析和理解参考信号和监测信号的特性。
而关于上述信号处理的操作，还包括采样、量化、基带滤波和信号编码等。其中，采样表示：模拟信号将以固定的时间间隔进行采样，将连续的模拟信号转换为离散的样本点、量化表示：将连续的模拟信号幅度映射到最接近的离散数字级别、基带滤波表示：用滤波来去除不需要的频率分量或噪声。
关于双通道RTL-SDR时频同步处理模块，RTL-SDR为独立的两个通道(参考通道和监测通道)，分别通过USB进行数据采集，两个通道独立工作将导致两路信号(参考信号和监测信号)存在时间和频率不匹配的问题，会使系统的目标参数检测性能下降，因此需要分别对RTL-SDR进行时间同步和频率同步，以获得时序和频率完全一致的信号。
如图3～图4所示，在本申请提供的一种实施例中，对第一RTL-SDR接收机和第二RTL-SDR接收机在时间和频率上进行同步，包括以下步骤：
S11，利用互相关方法校准参考通道和监测通道之间的时滞差异；
S12，对第一RTL-SDR接收机的温度补偿晶体振荡器进行拆除；
S13，将第二RTL-SDR接收机的温度补偿晶体振荡器引脚与第一RTL-SDR接收机的温度补偿晶体振荡器引脚通过导线焊接固连；
S14，将第一RTL-SDR接收机和第二RTL-SDR接收机的电容引脚通过导线相接。
通过上述步骤的连接方式实现晶振共享，即可实现时钟频率同步。
需要说明的是，图2和图4中的RTL-SDR①即表示本实施例中的第一RTL-SDR接收机，RTL-SDR②即表示本实施例中的第二RTL-SDR接收机。上述温度补偿晶体振荡器又称为TCXO(temperature compensated crystal oscillator)。
进一步地，在步骤S11中，对接收到的参考信号sr(n)和监测信号se(n)进行互相关分析，在不同的时间偏移下计算相关系数，并获取最大相关系数对应的时间偏移量，从而估计获取参考通道和监测通道之间的时间差并进行校准，进而实现时间同步；
其中，采用互相关函数进行互相关分析，互相关函数的表达式如下：
同步后的监测信号表示为：s′e(n)＝se(n±τ)；
其中，sr同样表示参考信号sr(n)，τ表示进行互相关后得到的参考通道与监测通道之间的时间差。
关于监测信号非平稳杂波抑制模块，针对直达波和非平稳多径杂波对于目标回波的影响，本申请实施例采用BLF算法并通过滤波器对监测信号se(n)进行杂波滤除。
需要说明的是，BLF(Block Lattice Filtering，块格滤波)算法是一种对平稳和非平稳杂波均有较好抑制能力的自适应算法，它可以对主基站进行杂波抑制，还可以消除瞬态间隔。本实施例中BLF算法采用格型结构，取输入信号(输入信号为参考信号sr(n))和滤波器输出信号值的均方值为代价函数，通过最速下降算法求该代价函数的最优解，因此也被称为随机梯度自适应算法。
因为BLF算法即为块格型滤波算法，其中的块格滤波器就是格型滤波器，所以BLF算法是通过格型滤波器实现的。根据常规的格型滤波器的算法，因为BLF算法是通过迭代的方式得到时域相消系数的，每迭代一次相当于一级，因此本实施例将每一级滤波器的定义成两个变量，并定义反射系数km(n)；两个变量包括前向预测误差fm(n)和后向预测误差bm(n)；
反射系数km(n)和两个变量的关系式表示为：
其中，m为滤波器阶数，n为预测时刻。
其中，中的“*”代表该变量的共轭，一个复数可表示为实数+虚数的组合，取共轭表示此组合实部不变，虚部取相反数。本申请中其他公式中的“*”与其表示的意思相同，不再赘述。
进一步地，所述BLF算法主要包括初始化部分、预测部分和滤波部分；
所述初始化部分，用于将主基站的所述参考信号sr(n)作为输入赋值给第一阶滤波器的初始值f0(n)和b0(n)，误差信号e0(n)为时频同步后的监测信号s′e(n)；
所述预测部分，用于求取所述前向预测误差fm(n)和所述后向预测误差bm(n)；
所述滤波部分，用于采用误差函数em(n)和所述后向预测误差bm(n)对所述监测信号se(n)进行杂波滤除，获取滤除杂波后的所述目标回波信号sBLF(n)。
进一步地，在所述预测部分，采用最小均方误差准则，对代价函数进行最小化预测；令求得最优的所述反射系数km(n)的更新公式，所述更新公式表示为：
从而通过公式(4)和公式(5)计算出每一阶预测器的输出，即前向预测误差fm(n)和后向预测误差bm(n)。
利用所述反射系数km(n)和所述两个变量的关系式计算每一阶预测器的输出；所述每一阶预测器的输出为所述前向预测误差fm(n)和所述后向预测误差bm(n)；
在所述滤波部分，将计算出的各阶所述后向预测误差bm(n)作为所述滤波器的输入，并以此抑制所述监测信号se(n)中的直达波和多径信号分量，具体抑制过程如下所示：
在每一个时刻，所计算出来的各阶后向预测误差信号bm(n)之间是相互正交的，并以此作为横向滤波器的输入。在每一个时刻每一阶滤波器用所述误差函数em(n)和所述后向预测误差信号bm(n)对时域相消系数的矢量hm(n)进行更新；
经过m阶滤波器的滤波相消后，所述监测天线在n时刻的剩余信号表示为：
其中，所述时域相消系数的更新公式表示为：
所述更新公式中，em(n)表示为进行滤波的每一阶的误差函数。
关于目标回波信号相参处理模块，在本申请提供的一种实施例中，该模块将杂波抑制后的监测信号sBLF(n)与参考信号sr(n)进行快速相参处理，得到目标检测结果。将连续互模糊函数定义为：
设采样率为Fs，则有T0Fs＝N，t＝nTs，τ＝lTs，
其中，T0表示相干积累时间，Ts表示采样时间，N表示采样点数，n表示将积分变量t等分为n段，每段长度为Ts，K表示整数倍数，取0，1，2，3…。
则经过数字采样后获得离散化互模糊函数模型，将其表示为：
其中，0≤l＜L表示时延，-K≤k≤K表示多普勒频率。
如图5所示，进一步地，通过进行相参处理获取所述目标检测结果，具体包括如下步骤：
S21，将监测信号和参考信号进行分段，将相干积累时间分为M段，定义每段长度为L；定义l为每段的段内快时间，m为每段的段间慢时间；参考信号经过快慢时间划分后表示为sBLF(l,m)；监测信号经过快慢时间划分后表示为sr(l,m)；
则所述离散化互模糊函数表示为：
S22，在快时间维中进行滤波匹配，获取段内能量积累，其公式表示为：
g(l,n)＝IFFT{FFT[sBLF(l,m)]·FFT[sr*(l,m)]} 公式(12)；
其中，FFT表示快速傅里叶变换；IFFT表示逆快速傅里叶变换；
S23，在慢时间维中进行傅里叶变换，经过长时间相干积累得到最终的离散化的快速互模糊函数，其公式表示为：
需要说明的是，上述互模糊函数最开始是模糊函数的连续形式，经过数字采用离散化后将其转化为离散形式；离散化后，公式(13)里中括号里面的部分可看作成一个函数，起到化简的作用。
综上所述，本申请还具有以下有益效果：
(1)本申请设计的接收机中使用了RTL-SDR，其具有成本低廉、可接收信源多、便于调试、体积小等优点，极大提高无源雷达目标探测系统的灵活性与便捷性。
(2)本申请在杂波抑制中使用了采用BLF(Block Lattice Filtering，块格滤波)算法，该算法对于非平稳杂波抑制具有如下优势：1)该算法采用格型滤波结构，每一时刻输入数据所对应的滤波器权值都需要上一时刻滤波器的权值进行迭代计算，所以该算法可以更好的应对时变杂波；2)该算法具有局部相关联的模块化结构，由多个独立的级构成，所以该算法的时域相消系数对数值扰动不敏感；3)该算法的自适应性可以避免收敛速度过快的问题。
(3)本申请在目标监测信号相参处理模块中利用快慢时间法实现互模糊函数，该方法通过对回波、监测信号进行分段，得到快慢时间二维信号，从而实现目标参数提取；因此该算法可以大幅度缩短距离多普勒相参积累计算时间，提高目标检测的响应速度以及准确性。
实施例2
如图6所示，本申请实施例提供一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达监测方法，其应用于上述一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，并同样具有上述雷达系统的有益效果，其具体包括如下步骤：
S1，设置RTL-SDR接收机参考通道和监测通道双通道，接收参考信号sr(n)和监测信号se(n)；
S2，参考信号sr(n)和监测信号se(n)进行互相关处理，得到校准时间τ，对监测信号进行补偿得到时频同步后的监测信号s′e(n)；
S3，使用BLF算法进行非平稳杂波抑制；
S4，初始化：以参考信号sr(n)为输入赋值给第一阶滤波器的初始值f0(n)和b0(n)；
S5，预测：采用最小均方误差准则，求前向预测误差fm(n)和后向预测误差bm(n)与最优反射系数km(n)；
S6，滤波：以各阶后向预测误差bm(n)为输入，抑制外辐射源基站的直达波及多径信号分量，得到非平稳杂波抑制后的检测信号sBLF(n)；
S7，对上述非平稳杂波抑制后的监测信号sBLF(n)和参考信号sr(n)进行相参处理，得到目标检测距离速度信息。
如图7所示，本申请实施例提供另一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达监测方法，在RTL-SDR接收机的配置阶段，为上述无源雷达系统配置两个RTL-SDR接收机，其中一个与参考天线连接，具有参考通道并用于接收参考信号sr(n)；另一个与监测天线连接，具有监测通道并用于接收监测信号se(n)；在数据采集(A/D转换)阶段，对接收到的上述参考信号sr(n)和监测信号se(n)进行信号滤波处理，并将处理后的信号发送至后续信号处理阶段；在信号处理阶段，对滤波处理过的参考信号sr(n)和监测信号se(n)进行时间同步和频率同步，生成时序和频率一致的参考信号sr(n)和监测信号se(n)，紧接着再对其进行非平稳杂波抑制和相参处理，最后将生成的参数(目标检测结果)进行输出。
实施例3
本申请实施例提供一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统的仿真实验，用于对本申请上述有益效果进行进一步验证，其内容如下：
本申请实验中RTL-SDR接收机的频段范围为22MHz-2.2GHz，采样位数为8bit，带宽为3.2MHz，传输接口为USB2.0，利用目标探测系统Gnu Radio数据采集流程捕获到如图8所示的信号。
关于本申请实施例实验的结果分析如下：
如图9所示，该图为本申请实验中面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统捕获到的，飞行目标信号经过上述双通道RTL-SDR时频同步处理模块、监测信号非平稳杂波抑制模块以及目标回波信号相参处理模块处理后的结果。从图中可以看出直达波、非平稳多径杂波抑制效果良好，目标没有被强杂波干扰所淹没，可以明显地观察到目标信息；距离多普勒相参处理结果良好，提高了无源雷达系统的信噪比，可以清晰地获取到目标的距离－速度信息，改善了无源雷达目标探测系统的目标检测性能。
关于图9，图中坐标为距离单元、多普勒(Hz)，以及SNR(dB)，其中距离单元表示检测到的目标所处位置，多普勒(Hz)表示检测到的目标速度，因为速度可通过目标的多普勒频率算出：v＝λfd/2，v表示目标速度，fd为图中多普勒，λ为波长。SNR(dB)表示信号输出信号的功率与同时输出的噪声功率的比，常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的噪声越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高，否则相反。从图中观察可得，距离单元20处(15km)检测到了目标，其约以150m/s速度靠近雷达，信噪比约为20dB，说明杂波抑制效果良好。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中，上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件，或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，其特征在于：包括依次有线连接的双通道RTL-SDR接收机设置模块、双通道RTL-SDR时频同步处理模块、监测信号非平稳杂波抑制模块和目标回波信号相参处理模块；
所述双通道RTL-SDR接收机设置模块，用于配置RTL-SDR接收机的两端分别与PC端和雷达天线连接，并通过所述RTL-SDR接收机中的信号接收通道接收与所述雷达天线对应的信号；
其中，所述RTL-SDR接收机包括第一RTL-SDR接收机和第二RTL-SDR接收机；所述信号包括参考信号sr(n)和监测信号se(n)；所述雷达天线包括参考天线和监测天线；所述信号接收通道包括参考通道和监测通道；
所述双通道RTL-SDR时频同步处理模块，用于对所述第一RTL-SDR接收机和所述第二RTL-SDR接收机在时间和频率上进行同步，获得时序和所述频率一致的所述参考信号sr(n)和所述监测信号se(n)；
所述监测信号非平稳杂波抑制模块，用于对所述监测信号se(n)进行杂波滤除，获取滤除杂波后的目标回波信号sBLF(n)；
所述目标回波信号相参处理模块，用于将所述目标回波信号sBLF(n)与所述参考信号sr(n)进行相参处理，获取目标检测结果。
2.根据权利要求1所述的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，其特征在于：
所述第一RTL-SDR接收机的一端通过USB接口连接所述PC端，另一端通过mcx天线接口连接所述参考天线，并通过所述参考通道获取所述参考信号sr(n)；
所述第二RTL-SDR接收机的一端通过所述USB接口连接所述PC端，另一端通过所述mcx天线接口连接所述监测天线，并通过所述监测通道获取所述监测信号se(n)。
3.根据权利要求2所述的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，其特征在于：在所述双通道RTL-SDR接收机设置模块中对所述参考信号sr(n)和所述监测信号se(n)进行信号处理并变换到数字基带；其中，所述信号处理包括模数转换、混频和滤波抽取；
变换后的所述参考信号sr(n)表示为：sr(n)＝aru(n)+zr(n)，n＝1,K,N；
其中，ar表示直达波信号的复幅度；u(n)表示直达波基带信号的第n点采样数据；zr(n)表示所述参考天线中的噪声，N表示接收信号的长度；所述接收信号包括所述参考信号sr(n)和所述监测信号se(n)；
变换后的所述参考信号se(n)表示为：
n＝1,K,N；
其中，ac表示第c个多径杂波的复幅度；τc表示第c个多径杂波的时延；τ0＝0表示第一个杂波为直达波；ae表示第k个目标回波的复幅度；τk表示第k个目标回波的时延；fd表示第k个目标回波的多普勒频率；表示第c个杂波干扰；/>表示第k个目标回波的相位；ze(n)表示所述监测天线中的噪声；Fs表示采样率；j表示虚数单位。
4.根据权利要求1所述的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，其特征在于：所述对所述第一RTL-SDR接收机和所述第二RTL-SDR接收机在时间和频率上进行同步，包括以下步骤：
S11，利用互相关方法校准所述参考通道和所述监测通道之间的时滞差异；
S12，对所述第一RTL-SDR接收机的温度补偿晶体振荡器进行拆除；
S13，将所述第二RTL-SDR接收机的温度补偿晶体振荡器引脚与所述第一RTL-SDR接收机的温度补偿晶体振荡器引脚通过导线焊接固连；
S14，将所述第一RTL-SDR接收机和所述第二RTL-SDR接收机的电容引脚通过导线相接。
5.根据权利要求4所述的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，其特征在于：在所述步骤S11中，对接收到的所述参考信号sr(n)和所述监测信号se(n)进行互相关分析，在不同的时间偏移下计算相关系数，并获取最大相关系数对应的时间偏移量，获取所述参考通道和所述监测通道之间的时间差并进行校准；
其中，采用互相关函数进行互相关分析，所述互相关函数的表达式如下：同步后的所述监测信号表示为：s′e(n)＝se(n±τ)；
其中，Sr表示参考信号，τ表示进行互相关后得到的所述参考通道与所述监测通道之间的时间差。
6.根据权利要求1所述的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，其特征在于：在所述监测信号非平稳杂波抑制模块中，采用BLF算法并通过滤波器对所述监测信号se(n)进行杂波滤除；
其中，将每一级所述滤波器定义为两个变量，并定义反射系数km(n)；所述两个变量包括前向预测误差fm(n)和后向预测误差bm(n)；
所述反射系数km(n)和所述两个变量的关系式表示为：
其中，m为滤波器阶数，n为预测时刻。
7.根据权利要求6所述的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，其特征在于：所述BLF算法采用格型结构，包括初始化部分、预测部分和滤波部分；
所述初始化部分，用于将主基站的所述参考信号sr(n)作为输入赋值给第一阶滤波器的初始值f0(n)和b0(n)，误差信号e0(n)为时频同步后的监测信号se′(n)；
所述预测部分，用于求取所述前向预测误差fm(n)和所述后向预测误差bm(n)；
所述滤波部分，用于采用误差函数em(n)和所述后向预测误差bm(n)对所述监测信号se(n)进行杂波滤除，获取滤除杂波后的所述目标回波信号sBLF(n)。
8.根据权利要求7所述的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，其特征在于：在所述预测部分，采用最小均方误差准则，对代价函数进行最小化预测；令求得最优的所述反射系数km(n)的更新公式，所述更新公式表示为：
利用所述反射系数km(n)和所述两个变量的关系式计算每一阶预测器的输出；所述每一阶预测器的输出为所述前向预测误差fm(n)和所述后向预测误差bm(n)；
在所述滤波部分，将计算出的各阶所述后向预测误差bm(n)作为所述滤波器的输入，并以此抑制所述监测信号se(n)中的直达波和多径信号分量，具体抑制过程如下所示：
在每一个时刻，每一阶滤波器用所述误差函数em(n)和所述后向预测误差信号bm(n)对时域相消系数的矢量hm(n)进行更新；
经过m阶滤波器的滤波相消后，所述监测天线在n时刻的剩余信号表示为：
其中，所述时域相消系数的更新公式表示为：
所述更新公式中，em(n)表示为进行滤波的每一阶的误差函数。
9.根据权利要求1所述的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，其特征在于：在所述目标回波信号相参处理模块中，将连续互模糊函数定义为：
设采样率为Fs，则有T0Fs＝N，t＝nTs，τ＝lTs，
其中，T0表示相干积累时间；Ts表示采样时间；N表示采样点数；n表示将积分变量t等分为n段，每段长度为Ts；K表示整数倍数，取0，1，2，3…；
则经过数字采样后获得离散化互模糊函数模型，将其表示为：
其中，0≤l＜L表示时延，-K≤k≤K表示多普勒频率。
10.根据权利要求9所述的一种面向于RTL-SDR的轻量化无源雷达系统，其特征在于：通过进行相参处理获取所述目标检测结果，具体包括如下步骤：
S21，将所述监测信号和所述参考信号进行分段，将相干积累时间分为M段，定义每段长度为L；定义l为每段的段内快时间，m为每段的段间慢时间；所述参考信号经过快慢时间划分后表示为sBLF(l,m)；所述监测信号经过快慢时间划分后表示为sr(l,m)；
则所述离散化互模糊函数表示为：
S22，在快时间维中进行滤波匹配，获取段内能量积累，其公式表示为：
g(l,n)＝IFFT{FFT[sBLF(l,m)]·FFT[sr*(l,m)]}；
其中，FFT表示快速傅里叶变换；IFFT表示逆快速傅里叶变换；
S23，在慢时间维中进行傅里叶变换，经过长时间相干积累得到离散化的快速互模糊函数，其公式表示为：
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| CN202310936854.XA Pending CN117055001A (zh) | 2023-07-28 | 2023-07-28 | 一种面向于rtl-sdr的轻量化无源雷达系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117055001A (zh) |
-
2023
- 2023-07-28 CN CN202310936854.XA patent/CN117055001A/zh active Pending
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