梁文斌, 謝躍雷,2*

(1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院, 桂林 541004; 2.衛(wèi)星導(dǎo)航定位與位置服務(wù)國家地方聯(lián)合工程研究中心, 桂林 541004)

無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和迅速普及的無人機熱潮給不法分子濫用無人機帶來了可乘之機,層出不窮的無人機“黑飛”事件嚴(yán)重危害了國防安全、擾亂了社會秩序、侵害了廣大公民利益[1-3],造成國家人力、物力和財力的重大損失。因此,如何有效地反制無人機“黑飛”,成為一個迫切需要解決的問題,無人機的檢測技術(shù)則是解決這一問題的關(guān)鍵。然而,由于無人機飛行高度低、體積小、飛行速度慢,且多在城市區(qū)域飛行,傳統(tǒng)雷達檢測這類“低小慢”目標(biāo)時,面臨雷達回波信號微弱、電磁輻射污染等問題。外輻射源雷達以其結(jié)構(gòu)簡單、無電磁輻射污染、低空目標(biāo)檢測效率高等優(yōu)點,成為無人機等“低小慢”目標(biāo)檢測領(lǐng)域的研究熱點之一。

目前,針對“低小慢”無人機目標(biāo)的外輻射源雷達主要有單頻網(wǎng)(single frequency networks, SFN)和多頻網(wǎng)(multiple frequency networks, MFN)兩種模式。SFN是利用一個或多個同一頻率的外輻射源對無人機進行檢測,該模式下易受無人機飛行姿態(tài)、地面反射、高層建筑物阻擋等因素的影響,而使得目標(biāo)檢測的穩(wěn)定性和連續(xù)性存在不足。MFN是利用多個不同頻率的外輻射源對無人機進行檢測,通過對多頻段目標(biāo)回波信號進行計算處理更能獲取精準(zhǔn)的目標(biāo)狀態(tài),可彌補單頻網(wǎng)檢測的不足性,是近年來研究的熱點[4]。在距離覆蓋、分辨率性能、應(yīng)用環(huán)境等方面,多種不同頻率的外輻射源都有其獨特的優(yōu)勢。如今,大量工作在不同頻段下的外輻射源發(fā)射機已經(jīng)涌現(xiàn)出來,這將為多個外輻射源集成到無源雷達系統(tǒng)中提供更方便的客觀條件,促進外輻射源雷達向多頻系統(tǒng)發(fā)展,這能極大提高被動雷達體制的檢測能力。

文獻[5]通過實驗驗證了基于衛(wèi)星電視信號的外輻射源雷達進行無人機探測的可能性,并成功提取了無人機的微多普勒信號。文獻[6]針對高 雷達散射截面積(radar cross section,RCS)不利于微弱回波信號的提取,通過基于數(shù)字視頻廣播(digital video broadcasting,DVB-T)的AULOS無源雷達,結(jié)合長時間相干積累和CLEAN多階段算法有效實現(xiàn)了對小型無人機的監(jiān)管。文獻[7]利用450 MHz頻段的長期演進(long term evolution, LTE)移動通信信號,通過被動相干定位技術(shù)融合異構(gòu)傳感器提出無源相干定位 (passive coherent location, PCL)檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了對潛在無人機的檢測,并逐漸向其他歐洲國家推出該系統(tǒng)。文獻[8-9]基于數(shù)字電視外輻射源信號的多頻段特性,從無人機旋翼散射特性出發(fā),利用多頻聯(lián)合處理解決了因無人機RCS起伏導(dǎo)致檢測性能低的問題。與此同時,其研究團隊從新體制被動雷達性能出發(fā),在SFN的基礎(chǔ)上研究了基于多照射源的被動雷達檢測系統(tǒng),利用多波段外輻射源展開了對“低小慢”目標(biāo)探測的研究,并對外輻射源雷達目標(biāo)檢測的關(guān)鍵技術(shù)進行了展開論述。針對無人機“黑飛”“濫飛”問題,文獻[10]提出了基于LTE外輻射源信號的無人機定位方法,并利用多個LTE信號進行多頻組網(wǎng),對無人機在不同場景下進行聯(lián)合檢測,通過實驗證明了多頻聯(lián)合探測能極大地提高無人機的定位精度。芬蘭的Patria公司利用FM調(diào)頻廣播和數(shù)字電視信號設(shè)計了MUSCL系統(tǒng),該系統(tǒng)具有探測隱身和低空飛行目標(biāo)的能力[11]。文獻[12]利用同一顆衛(wèi)星的多頻特性,將全球定位系統(tǒng) (global positioning system, GPS) L1和L5信號作為第三方輻射源,成功探測到了目標(biāo)。然而這些方法一方面由于單頻外輻射源使得探測精度和穩(wěn)定性表現(xiàn)不足,另一方面由于算法復(fù)雜度高不易于工程實現(xiàn)。文獻[13]在不進行信號重構(gòu)和雜波抑制的基礎(chǔ)上,利用地面數(shù)字電視多媒體廣播(digital terrestrial multimedia broadcast, DTMB)外輻射源雷達信號的循環(huán)平穩(wěn)特性成功提取了無人機的微動特征,實現(xiàn)了無人機的檢測,這種利用循環(huán)平穩(wěn)特性的檢測方法計算量小,且易于工程的實現(xiàn)。

在外輻射源雷達循環(huán)平穩(wěn)特性的基礎(chǔ)上,構(gòu)建基于時分多頻的無源雷達系統(tǒng),圍繞FM廣播、DTMB、LTE信號開展基于多頻段外輻射源雷達的無人機檢測實驗研究,包括回波信號循環(huán)平穩(wěn)分析、雷達檢測原理設(shè)計、實驗場景配置和實驗檢測結(jié)果分析等。首先建立多頻段無人機檢測模型,然后針對回波信號的循環(huán)平穩(wěn)特性,利用方向梯度直方圖(histogram of oriented gradients, HOG)和支持向量機(support vector machine, SVM)對實測多頻段外輻射源循環(huán)譜等高圖進行特征提取和檢測算法識別,以實現(xiàn)對多頻段回波信號數(shù)據(jù)的檢測實驗研究。最后實測結(jié)果分析了多頻段外輻射源雷達和單頻段外輻射源雷達在檢測性能上的差異,實驗結(jié)果表明,與單頻檢測相比,多頻段檢測可實現(xiàn)對無人機的快速、準(zhǔn)確檢測。

1 外輻射源信號及循環(huán)平穩(wěn)特性

1.1 外輻射源信號

常用的外輻射源信號主要有FM調(diào)頻廣播信號、DTMB信號及LTE信號。調(diào)頻(FM),全稱為“頻率調(diào)制”,其基本原理是通過改變調(diào)制信號的幅度來調(diào)制高頻載波的頻率。在FM中,幅度保持不變,而載波頻率發(fā)生變化;并且其位于甚高頻(VHF)頻段,發(fā)射功率大,覆蓋范圍廣。由于FM的頻譜集中在載波頻率附近,因此具有較高的信號質(zhì)量和抗干擾能力,是一種被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)檢測的外輻射源雷達信號。然而,一方面隨著時間變化的節(jié)目內(nèi)容會直接導(dǎo)致FM廣播信號波形也隨著時間發(fā)生變化,另一方面FM廣播信號帶寬較小,有效帶寬為200 kHz,存在較低的距離分辨率。因此利用FM調(diào)頻廣播進行目標(biāo)檢測時,目標(biāo)檢測的精度較低,且檢測穩(wěn)定性也較差[14]。目前,將FM調(diào)頻廣播作為外輻射源雷達可以利用FM自身多頻多臺的特性,或?qū)⑵渌廨椛湓葱盘栠M行整合實現(xiàn)多頻組網(wǎng),從而提高距離分辨率和雷達檢測性能。DTMB定位于C波段,發(fā)射功率穩(wěn)定、低空覆蓋范圍廣,是中國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的廣播電視標(biāo)準(zhǔn)。DTMB使用TDS-OFDM調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)時域的同步和頻域的同步,使得信道帶寬利用率和傳輸效率更高。在數(shù)據(jù)處理過程中,DTMB數(shù)據(jù)流經(jīng)隨機化處理、前向糾錯、星座映射與交織處理、數(shù)據(jù)離散化處理后,數(shù)據(jù)被插入PN序列,增加了信號的隨機性和抗干擾性能,然后由天線使用上變頻技術(shù)傳輸。數(shù)據(jù)流經(jīng)隨機化處理后使得信號的檢測性能不會隨信號的內(nèi)容發(fā)生改變[15],并且該信號可以提供高檢測精度和低距離分辨率,具有較廣的檢測范圍。但其模糊函數(shù)圖形存在周期性的副峰,會使得目標(biāo)檢測出現(xiàn)虛警和漏警現(xiàn)象。目前,這一信號已經(jīng)覆蓋了絕大部分地區(qū),為DTMB信號在目標(biāo)檢測領(lǐng)域的探索和利用提供了優(yōu)越的條件。

LTE信號是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project)組織制定的一種通用移動通信系統(tǒng)技術(shù),LTE模式根據(jù)雙工方式不同分為頻分雙工LTE系統(tǒng)(FDD-LTE)和時分雙工LTE系統(tǒng)(TDD-LTE)兩種制式[16],其中,TDD是收發(fā)信號均使用同一頻率,但所占用的時隙不同;FDD則是收發(fā)分別使用不同頻率,并且在同一時刻進行。在雷達檢測中,由于TDD LTE模式的上下行鏈路信號占用相同頻段,會導(dǎo)致多個終端信號不可避免地對外輻射源雷達造成干擾,從而對雷達檢測性能造成影響,故通常選用FDD LTE模式的下行鏈路信號作為外輻射源信號。此外,LTE采用多載波OFDM調(diào)制技術(shù),支持更加靈活的頻譜分配,信號普及率高且易于組網(wǎng),最大支持20 MHz帶寬,具有較高的距離分辨率,適用于檢測低空動目標(biāo)。但由于單頻LTE發(fā)射功率低,不適用于遠距離檢測,通常以組網(wǎng)方式的多頻段檢測擴大探測范圍,提高檢測性能。根據(jù)上述內(nèi)容,對本次試驗采用的外輻射源信號的相關(guān)特點進行了概括,如表1所示。

表1 外輻射源信號Table 1 External radiation source signal

1.2 旋翼微動特性

外輻射源雷達TXN(N=1,2,3,…)與目標(biāo)無人機旋翼之間的位置關(guān)系如圖1所示。圖1中,外輻射源雷達位于坐標(biāo)系原點處,其中O點是無人機旋翼的幾何中心。這里假設(shè)無人機相對于外輻射源雷達的方位角和俯仰角為βN。

Ω為旋翼葉片的轉(zhuǎn)動頻率;θt為t時刻旋翼散射點的旋轉(zhuǎn)角度圖1 外輻射源雷達與無人機旋翼位置關(guān)系Fig.1 Position of the UAV rotor with reference to an external radiation source radar

設(shè)t時刻圍繞無人機旋翼中心O點的旋翼散射點為Pt。圖1中,RPN為外輻射源雷達TXN到旋翼散射點Pt的距離,且假設(shè)該散射點旋轉(zhuǎn)頻率為fr。外輻射源雷達TXN到無人機旋翼中心距離為RON,其中RON、RPN、Pt為對時間t的函數(shù)。設(shè)θ0為零時刻的Pt初始旋轉(zhuǎn)角。根據(jù)外輻射源雷達中微多普勒信號的數(shù)學(xué)推導(dǎo),設(shè)旋翼長度為l,可得到無人機相對外輻射源雷達的徑向運動規(guī)律為

RPN(t)=RON+Vt+lcosβsin(2πfrt+θ0)

=RON+Vt+lcosβsinθ0cos2πfrt+

lcosβcosθ0sin2πfrt

(1)

式(1)中:V為無人機的徑向速度;β為外輻射源雷達點到旋翼旋轉(zhuǎn)中心的俯仰角,通常外輻射源雷達距離無人機和接收天線較遠,使得(1/RON)2→0。

因此,雷達接收到散射點Pt的旋翼回波信號可簡化為

SRN(t)=exp-j[2πfst+φPN(t)]

=exp-j{2πfst+4π[RON+Vt+

lcosβsin(2πfrt+θ0)]}λ-1

(2)

式(2)中:無人機旋翼相位函數(shù)φPN(t)=4πRPN(t)/λ;λ為波長;fs為發(fā)射信號頻率。

對式(2)進行下變頻處理,則旋翼散射點Pt的回波信號可得

(3)

假定無人機的旋翼葉片長度為L,則對葉片長度L進行積分,可得到單個旋翼的微多普勒回波信號SLN(t)為

(4)

式(4)中:sinc為辛格函數(shù)。

根據(jù)式(4),假設(shè)無人機具有M個旋翼葉片,且每個旋翼為旋轉(zhuǎn)角相差π的雙葉片,總的無人機旋翼回波信號是由單個旋翼回波信號疊加得來,故總的無人機旋翼回波信號SUAV(t)為

(5)

式(5)中:θk為第k個旋翼葉片中旋翼散射點的旋轉(zhuǎn)角度。

1.3 循環(huán)平穩(wěn)特性

循環(huán)平穩(wěn)信號被定義成統(tǒng)計量隨時間呈現(xiàn)單個或多個周期性變化的信號,并根據(jù)所呈現(xiàn)的周期性統(tǒng)計數(shù)字特征不同,循環(huán)平穩(wěn)信號主要分為一階、二階和高階循環(huán)平穩(wěn)3種類型[17]。其中二階循環(huán)平穩(wěn)特性即循環(huán)譜,其實現(xiàn)算法主要包括頻率平滑算法、時域平滑算法和FAM算法。由于頻率平滑算法在采樣時間過長或過短都會導(dǎo)致運算誤差和計算量較大,并且時域平滑一方面因一次只是用一個窗函數(shù)對信號進行截取,不具并行運算;另一方面對信號數(shù)據(jù)只進行順序疊加,導(dǎo)致運算處理時間過長[18]。故考慮在時域平滑的基礎(chǔ)上進行FFT來對循環(huán)譜的實現(xiàn)算法進行簡化,FAM算法估算循環(huán)譜的表達式為

(6)

(7)

式(7)中:g(n)為加窗函數(shù)。

根據(jù)循環(huán)譜理論,設(shè)g(t)為信號平滑窗,Δt為信號采集時間,由FFT變換積累算法FAM估計可得到無人機回波信號的循環(huán)譜為

(8)

(9)

式(9)中:α(n)為無人機回波信號的平滑窗函數(shù);Ts為信號采樣的周期;T為N點離散傅里葉變換的時間。根據(jù)循環(huán)譜中循環(huán)頻率α截面的能量分布的定義[19],隨著α的變換,循環(huán)譜的能量分布構(gòu)成了α截面上的能量譜,可表示為

(10)

式(10)中,αn為第n點的循環(huán)頻率;fk為譜頻率。

從式(10)可以看出,不同輻射源信號的循環(huán)譜等高圖在同一平面下所表示的能量分布是不一樣的,這是由于無人機旋翼在高速旋轉(zhuǎn)時,會在回波信號上產(chǎn)生頻率調(diào)制,并在無人機主體產(chǎn)生的多普勒頻移上產(chǎn)生邊頻[20-21],故可利用旋翼的微動調(diào)制特性對旋翼無人機進行檢測。各實測照射源信號的基帶信號頻譜圖和回波信號的循環(huán)譜等高圖如圖2所示。

f為譜頻率;α為循環(huán)頻率圖2 實測照射源信號的基帶頻譜圖和回波信號等高圖Fig.2 Baseband spectrogram and contour map of the observed irradiation source signal

2 多頻段外輻射源無人機檢測原理

外輻射源由位置固定的三個不同頻率的發(fā)射機組成,接收端接收的回波信號包括經(jīng)無人機旋翼微動調(diào)制的多頻段回波散射信號xn(t)、直達波信號yn(t)和經(jīng)多種障礙物反射的多徑信號zn(t),多頻段外輻射源雷達的工作原理如圖3所示。

圖3 外輻射源雷達信號傳播模型Fig.3 Radar signal propagation model with external radiation source

文獻[22-23]證明,直達波信號、多徑信號、目標(biāo)回波信號具有二階循環(huán)平穩(wěn)特性,而高斯白噪聲不具有二階循環(huán)平穩(wěn)特性,其中直達波和多徑信號具有相同的循環(huán)平穩(wěn)特性。故前端射頻系統(tǒng)接收的回波信號循環(huán)譜可表示為

(11)

通過對輸入圖像的HOG特征提取,外輻射源雷達信號的處理流程按照圖4所示進行分析。具體方法及步驟如下。

圖4 外輻射源雷達信號處理流程Fig.4 External radiation source radar signal processing process

Step 1對系統(tǒng)分時實測接收的外輻射源回波信號數(shù)據(jù)進行濾波,得到帶內(nèi)信號。

Step 2對實測數(shù)據(jù)按分時接收操作分段建立FM、DTMB、FDD LTE外輻射源循環(huán)譜等高圖數(shù)據(jù)單元庫和各頻段訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。

Step 3對接收前端接收的各頻段回波信號測試數(shù)據(jù)疊加高斯白噪聲。

Step 4通過等高圖灰度值化建立多頻外輻射源循環(huán)譜等高圖灰度圖數(shù)據(jù)庫。

Step 5將Step 3中已加高斯白噪聲的數(shù)據(jù)特征集和Step 2中訓(xùn)練數(shù)據(jù)特征集中已加高斯白噪聲部分特征數(shù)據(jù)組作為測試特征集。

Step 6對輸入的循環(huán)譜等高圖訓(xùn)練集樣本進行HOG特征提取,采用SVM[24]多分類器對無人機三類回波信號的循環(huán)譜等高圖進行檢測識別,得到無人機單頻外輻射源雷達及多頻外輻射源雷達的檢測識別結(jié)果。

3 外場實驗

3.1 實驗場景

選用AD9361射頻芯片和FPGA+ARM異構(gòu)架構(gòu)的Zedboard作為前端接收機,其中FPGA是Xilinx公司的XCZ7020CLG484,ARM芯片是一塊雙核Cortex-A9 ARM核,射頻芯片AD9361是ADI公司所推出的一種具有零中頻架構(gòu)的射頻捷變收發(fā)器。

實驗場景如圖5所示,此次試驗接收點設(shè)在桂林電子科技大學(xué)圖書館五樓,廣播發(fā)射站位于桂林市堯山電視塔,LTE外輻射照射源位于接收站前側(cè)建筑物頂部的演進節(jié)點基站(evolved node bases, eNB)。其中選用中國電信FDD LTE信號,中心頻率為1 867.5 MHz,帶寬為15 MHz;選用DTMB信號,中心頻率為618 MHz,帶寬為8 MHz;選用桂林新聞綜合廣播,中心頻率為97.7 MHz,帶寬為200 kHz。本次實驗采用的合作無人機目標(biāo)為大疆精靈4 pro,該無人機參數(shù)如表2所示。

圖5 無人機多頻探測實驗場景Fig.5 UAV multi-frequency detection experimental scene

表2 大疆精靈4 pro參數(shù)Table 2 Dajiang Sprite 4 pro parameter

3.2 實驗分析及結(jié)果

在系統(tǒng)接收的各頻段射頻信號中疊加高斯白噪聲,并作多頻段循環(huán)譜算法進行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)2節(jié)信號處理流程,對各頻段回波信號生成2 000 張回波信號循環(huán)譜等高圖,得到如圖6、圖7所示的單頻外輻射源雷達及多頻外輻射源雷達檢測率,可以看出,多頻外輻射源雷達優(yōu)于單頻外輻射源雷達檢測率,且多頻總體高于單頻檢測。

圖6 單頻外輻射源雷達檢測率圖Fig.6 Single-frequency external radiation source radar detection rate graph

圖7 多頻外輻射源雷達檢測率圖Fig.7 Multi-frequency external radiation source radar detection rate graph

圖8為無人機單頻外輻射源雷達及各頻段在不同信噪比下的檢測識別率,可以看出,在信噪比大于0 dB時,其多頻段檢測率大于60%,而在單頻段,信噪比大于10 dB時,其檢測率大于 70%。隨著高斯白噪聲的增加,檢測率逐漸下降,但在信噪比大于5 dB時多頻檢測穩(wěn)定性強于單頻檢測?？傮w來說,多頻檢測性能優(yōu)于單頻,而多頻檢測具有頻率互補的優(yōu)勢,能更好地彌補照射源頻率因素對目標(biāo)檢測的缺陷。

圖8 不同信噪比下外輻射源雷達識別率圖Fig.8 Radar recognition rate of external radiation source with different signal-to-noise ratio

4 結(jié)論

在FM、DTMB、LTE 3種輻射源的理論特征上,分析了無人機旋翼調(diào)制的微動特征和各回波信號的循環(huán)平穩(wěn)特性。單頻照射源與多頻照射源檢測性能差異的研究從目標(biāo)旋翼散射特性入手,采用多頻檢測方法對單頻檢測結(jié)果進行優(yōu)化。實測結(jié)果顯示,與單頻檢測相比,使用多頻檢測進行融合的檢測性能和穩(wěn)定性更佳。未來將對多個無人機目標(biāo)進行檢測和識別,進一步深入研究多頻段外輻射源雷達體制在無人機檢測的能力。