WiFi信號外輻射源雷達(dá)雙目標(biāo)檢測的研究

周明章，姚廣濤,孫海信，陳清峰，齊　潔，古　葉

(1.廈門大學(xué),廈門 361005；2.解放軍73111部隊，廈門 361000；3.解放軍73653部隊，泉州 362341)

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WiFi信號外輻射源雷達(dá)雙目標(biāo)檢測的研究

周明章1，姚廣濤2、3,孫海信1，陳清峰1，齊潔1，古葉1

(1.廈門大學(xué),廈門 361005；2.解放軍73111部隊，廈門 361000；3.解放軍73653部隊，泉州 362341)

摘要：隨著WiFi、WiMax信號的廣泛覆蓋，基于正交頻分復(fù)用(OFDM)信號的外輻射源雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用得以廣泛發(fā)展。通過論述OFDM技術(shù)的特點以及兩大標(biāo)準(zhǔn)802.11和802.16，論證了WiFi雷達(dá)技術(shù)的可行性，并進(jìn)一步將信號識別技術(shù)運用到外輻射源雷達(dá)目標(biāo)檢測中。同時研究了不同情形下的模糊函數(shù)效果，經(jīng)過對比，最終選取直達(dá)波與混合波的模糊函數(shù)構(gòu)建雙目標(biāo)定位模型進(jìn)行仿真，成功得到了目標(biāo)所在位置，證實了WiFi信號作為雷達(dá)輻射源進(jìn)行多目標(biāo)定位的理論可行性。

關(guān)鍵詞：信號外輻射源雷達(dá)；正交頻分復(fù)用；序列相關(guān)；模糊函數(shù)；遍歷

0引言

無源雷達(dá)是基于外輻射源的雷達(dá)定位系統(tǒng)，其沒有自身的發(fā)射機(jī)，因此有體積小、重量輕、便于安放的特點，在民用領(lǐng)域和城市反恐監(jiān)測中有廣泛的應(yīng)用前景。無源雷達(dá)更加強(qiáng)化了雷達(dá)抗干擾、抗反輻射導(dǎo)彈、抗隱身、抗低空入侵這4個優(yōu)秀的抗性，也是未來軍事雷達(dá)領(lǐng)域的新興產(chǎn)品。隨著第4代通信技術(shù)的發(fā)展，無線局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在民用領(lǐng)域得到廣泛普及，WiFi信號幾乎覆蓋了城市的所有角落，在此基礎(chǔ)上，無源雷達(dá)得以深入研究。本文研究的是基于WiFi信號的雷達(dá)成像系統(tǒng)，通過接收WiFi信號在目標(biāo)上的反射，在接收端比較參考信號和目標(biāo)信號的時延，從而進(jìn)行目標(biāo)定位[1-2]。

WiFi信號采用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，服從802.11與部分802.16標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[3]討論了WiFi信號的結(jié)構(gòu)，并給出一種雷達(dá)常用的模糊函數(shù)定位算法，但沒有比較可靠地應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]進(jìn)一步討論了模糊函數(shù)的構(gòu)建和應(yīng)用中出現(xiàn)的問題。文獻(xiàn)[5]給出了一種統(tǒng)計學(xué)定位算法，但對接收信號不作處理直接送入模糊函數(shù)，相關(guān)后分辨率較低，且對多目標(biāo)束手無策，運算復(fù)雜度較大。本文利用WiFi信號的調(diào)制特點，讓接收序列與參考序列進(jìn)行互相關(guān)運算來確定所接收的信號，接著送入模糊函數(shù)進(jìn)行運算得到兩者的時差和多普勒頻移，通過構(gòu)建具體仿真模型，使用簡單遍歷算法反演出目標(biāo)所在位置。結(jié)果表明，這種方式一方面可以通過增加運算時間換取定位精度，另一方面結(jié)構(gòu)簡單，具有較好的可實現(xiàn)性。

1OFDM與其標(biāo)準(zhǔn)簡介

1.1OFDM技術(shù)

比特率是衡量通信質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，無線信道應(yīng)盡量提高其傳輸速率。實際研究中發(fā)現(xiàn)，數(shù)字信道的比特率增大會引起多徑衰弱現(xiàn)象。多載波調(diào)制技術(shù)就是將高速串行數(shù)據(jù)流分解為若干彼此獨立的低速并行數(shù)據(jù)流，然后分別調(diào)制到不同的載頻上，構(gòu)成多個窄帶數(shù)據(jù)流并行傳輸，從而提高數(shù)據(jù)對抗多徑衰弱的能力。

OFDM技術(shù)是提高信道利用率的一種多載波調(diào)制方法，信道頻譜并不是相互隔離，而是相互交疊，并在采樣點處相互正交，這樣可以極大地提高信道利用率，提高傳輸速度。

OFDM將信號分割成不同的分組，分別調(diào)制到不同的子載波上，其中一部分作為數(shù)據(jù)子載波；另外，為避免相鄰信道干擾，還有一部分作為導(dǎo)頻副載波用來檢測信道質(zhì)量，確定應(yīng)當(dāng)采用怎樣的調(diào)制。采用快速傅里葉變換(FFT)方式實現(xiàn)基帶OFDM信號調(diào)制和解調(diào)，為了避免信道間干擾和符號間干擾(ISI)，必須在相鄰符號之間加一段保護(hù)間隔。最初提出用空白作為符號間隔，但這樣會降低子載波正交的精確度。采用循環(huán)前綴，在擴(kuò)散信道下，只要循環(huán)前綴長度大于信道時延，那么發(fā)送數(shù)據(jù)與信道沖擊響應(yīng)的線性卷積被轉(zhuǎn)化為循環(huán)卷積，由數(shù)字信號處理的原理可知，時域循環(huán)卷積對應(yīng)到頻域是直接相乘(圓周卷積性質(zhì))，從而保證了子載波的正交性。

1.2802.11標(biāo)準(zhǔn)與802.16標(biāo)準(zhǔn)簡介

1997年，IEEE發(fā)布了2.4 GHz無線局域網(wǎng)傳輸協(xié)議，同時制定了802.11標(biāo)準(zhǔn)。物理層定義了紅外光束、跳頻擴(kuò)頻技術(shù)(FHSS)和直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)。該標(biāo)準(zhǔn)為近距離無線通信提供了1～2 Mbps的速度。顯然，最早的802.11無法滿足高速率網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊?。后?jīng)過修改，出現(xiàn)了802.11a和802.11b。

802.11a定義了一個5 GHz的無線局域網(wǎng)傳輸協(xié)議，增加了高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容，傳輸速率達(dá)到54 Mbps；802.11b采用補(bǔ)碼鍵控，仍然在2.4 GHz頻段傳輸，并將速率提升至11 Mbps。當(dāng)前主流的802.11g標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合了802.11a和802.11b的優(yōu)點，可在2.4 GHz頻段上獲得更高的傳輸速率。

802.16標(biāo)準(zhǔn)是于2002年4月提出的，它為寬帶無線接入定義了一個無線城域網(wǎng)的空中接口范圍，無線城域網(wǎng)信號是以WiMax為代表的無線信號，實際上是WiFi信號的增強(qiáng)版，克服了WiFi信號傳輸范圍小的缺點，可以覆蓋到城際范圍。WiMax信號和WiFi信號一樣可以作為雷達(dá)的外輻射源，鑒于當(dāng)前無線城域網(wǎng)的研究正在發(fā)展階段，其覆蓋面沒有WiFi信號廣，因此本文針對WiFi信號進(jìn)行研究。

2序列相關(guān)性分析

由于空間中還存在著與WiFi相同頻段的其他信號，因此在接收端必須先識別出需要的反射回波。令X(t)為接收到的信號，y(t)為參考信號，則時間平均互相關(guān)如下：

(1)

總體相關(guān)的均值可以通過如下公式得到：

(2)

通過互相關(guān)序列檢驗，可以確定信號服從哪種標(biāo)準(zhǔn)，此時的y(t)為802.11或者802.16標(biāo)準(zhǔn)的前導(dǎo)信號。利用MATLAB仿真式(1)，得到仿真結(jié)果如圖1所示，其中(a)是WiMax信號與WiFi前導(dǎo)碼相關(guān)結(jié)果，(b)是WiFi信號與前導(dǎo)碼相關(guān)結(jié)果。從中可以看出，WiFi前導(dǎo)序列和WiFi信號互相關(guān)非常強(qiáng)，原因是WiFi信號中含有這組互相關(guān)序列；在不含這組序列的WiMax信號與WiFi前導(dǎo)序列相關(guān)的情況下，呈現(xiàn)的相關(guān)度可以認(rèn)為是0。因此可以用這種方式來檢測出雷達(dá)所要接收的信號。

實際上外輻射源雷達(dá)選擇WiFi信號作為輻射源，其位置和波形是相對穩(wěn)定的，在這種情況下，可以利用相關(guān)性檢測WiFi信號，在確知目標(biāo)信號前導(dǎo)序列的情況下從各路多徑信號中濾出所要的信號。對得到的目標(biāo)信號，利用自適應(yīng)濾波器過濾出所要的直達(dá)波，與反射波做模糊函數(shù)運算即可得到經(jīng)過目標(biāo)反射的時延和多普勒頻移，從而反演出目標(biāo)位置。

圖1　2種信號與WiFi前導(dǎo)序列相關(guān)波形

前導(dǎo)序列只能用來識別信號類型。由于WiFi信號前導(dǎo)序列的自相關(guān)譜中不僅有主瓣峰值，還有較為復(fù)雜的副瓣存在，因此在2個WiFi信號有時間差的情況下無法做到準(zhǔn)確判定相關(guān)峰值在何處。這是由WiFi信號前導(dǎo)序列的組成決定的。WiFi信號的前導(dǎo)序列是由4段偽隨機(jī)序列構(gòu)成，每段在做整體相關(guān)時又與自身分別相關(guān)，因而產(chǎn)生了許多副瓣。WiFi信號前導(dǎo)序列的這種特性決定了其在被接受的時候要進(jìn)行規(guī)避。

對于一段WiFi信號，前導(dǎo)序列的位置往往是固定的，因而經(jīng)過截取，我們很容易將其去除。

3模糊函數(shù)分析

信號的模糊函數(shù)定義為：

(3)

式中：s(t)、Y(t)分別為進(jìn)行模糊函數(shù)運算的2個信號；τ和fd分別為相對于s(t)的時延和多普勒頻移。

一般情況下，在使用公式(3)時，Y(t)是s(t)經(jīng)過反射送入接收機(jī)的多徑信號。

由此可見，通過模糊函數(shù)可以確定2個相關(guān)信號(直達(dá)波和反射波)的時延，從而推算出反射點的位置；當(dāng)然，如果多普勒頻移不為0，那么還可以針對目標(biāo)的速度進(jìn)行演算，達(dá)到實時監(jiān)控目標(biāo)速度的效果。

從形式上可以看出，模糊函數(shù)可以看作2個信號的互相關(guān)，這在其構(gòu)建上起到了相當(dāng)大的作用。對于外輻射源雷達(dá)所接收的信號，直達(dá)波和多徑反射波是混合在一起接收的，因此在接收時要將信號分成2路，一路作為含有多徑反射的信號不做處理，另外一路通過自適應(yīng)濾波器濾除多徑，只保留直達(dá)波信號。另一種是將回波信號直接做模糊函數(shù)運算，表示如下：

(4)

對公式(3)和(4)進(jìn)行仿真，利用MATLAB構(gòu)建1組WiFi信號，人為添加1組時延，令多普勒頻移為fd=1。

為進(jìn)一步去除副瓣干擾，這里采用了將循環(huán)前綴置零的方法，文獻(xiàn)[6]提到，WiFi信號的循環(huán)前綴是為了消除頻譜間干擾，將信號數(shù)據(jù)部分的尾部復(fù)制到首部構(gòu)成的。因此在做互相關(guān)時，就會在循環(huán)前綴長度的數(shù)字頻率上出現(xiàn)副瓣。在式(4)的情況下，這種副瓣會明顯超過模糊函數(shù)運算得出的“時延-多普勒”尖峰，從而引起誤判。將循環(huán)前綴置零可以有效解決這一問題。在實際操作過程中，也可以采取抽取與插值的方法破壞循環(huán)前綴的結(jié)構(gòu)，但是這樣也只能降低副瓣的高度；檢測并消除循環(huán)前綴是最有效的去除副瓣干擾的方式。

對式(3)進(jìn)行仿真(以下模糊函數(shù)仿真均使用數(shù)字時延)，其中橫坐標(biāo)(-30,30)為多普勒頻移，縱坐標(biāo)(0,11 000)為時延范圍。圖2為當(dāng)時延為1 000、多普勒頻移為1 Hz時的仿真結(jié)果。

圖2　直達(dá)波與混合波的模糊函數(shù)

可見，直達(dá)波和混合波的模糊函數(shù)具有相當(dāng)強(qiáng)的相關(guān)性，可以很容易地分辨出目標(biāo)所在位置的反射時延。

對式(4)仿真如下，選取同樣的參數(shù)，τ=1 000，fd=1 Hz，得到結(jié)果如圖3。

圖3　2個混合波的模糊函數(shù)

由圖2和圖3可見，用2種方式去做模糊函數(shù)，結(jié)果大相徑庭?；旌喜ㄒ驗楹卸鄰叫盘?，其模糊函數(shù)的目標(biāo)峰值與主瓣峰值之比已經(jīng)下降到直達(dá)波模糊函數(shù)的約1/5處。在實際情況下，多徑信號的增加使得前者得出的目標(biāo)特征峰值更加難以被檢測出來。因此采取直達(dá)波方式進(jìn)行仿真，而實際情況下，提取直達(dá)波是可以用自適應(yīng)濾波器實現(xiàn)的，這就有了一定的可行性。

本文采用直達(dá)波與混合波模糊函數(shù)做雙目標(biāo)定位仿真，發(fā)現(xiàn)除上述區(qū)別外，若只用混合波做模糊函數(shù)，由于2路多徑信號互相關(guān)存在，因此出現(xiàn)了第3個峰，該峰對定位特征的提取造成了極大的干擾；而用直達(dá)波與混合波做模糊函數(shù)，則可以得出非常好的相關(guān)峰值，兩峰互不影響，便于提取。

4雙目標(biāo)定位仿真

上一節(jié)提出了提取目標(biāo)特征變量的模糊函數(shù)。進(jìn)一步地，當(dāng)?shù)弥粋€目標(biāo)的反射時延和多普勒頻移時，就可以根據(jù)實際情況反演出目標(biāo)的位置。本文構(gòu)建了一個小型室內(nèi)模型，即邊長6 m的正方形區(qū)域，利用3個分布式雷達(dá)對同一目標(biāo)進(jìn)行定位，取正方形區(qū)域的中心為原點(0,0)，3個雷達(dá)的坐標(biāo)分別為A(-3.5,2)、B(3.5,2)、C(3.5,-2)，而信號源設(shè)置在區(qū)域一側(cè)，坐標(biāo)為(0,3.5)。

圖4　雙目標(biāo)定位仿真模型

對于區(qū)域內(nèi)任意目標(biāo)，根據(jù)直達(dá)波和反射波以及時延，有下述關(guān)系(以雷達(dá)A為例)：

(5)

式中:b、c為待求變量，為時延;a可以由既定的位置演算得出。

對于每一個雷達(dá)，b為公共長度，而另一個變量正是目標(biāo)到相應(yīng)雷達(dá)的距離，由此可以得出如下方程組：

(6)

利用遍歷方式，可以求得滿足上述關(guān)系的解，根據(jù)所需要的精度，同時可以控制運算速度。仿真中給目標(biāo)所在區(qū)域設(shè)置了0.5 m擴(kuò)展空間，因而可以探測到目標(biāo)處于區(qū)域邊緣時的位置。因此以x=(-3.5,3.5)，y=(-3.5,3.5)進(jìn)行遍歷求解，所得2個目標(biāo)的位置如圖5所示。

圖5　雙目標(biāo)定位結(jié)果

圖5中2個目標(biāo)分別在圖中顏色最深處，左邊目標(biāo)坐標(biāo)為(-1.54,1.78)，右邊目標(biāo)的坐標(biāo)為(2,2)。由仿真可見，本文所論證的方法實現(xiàn)了基于WiFi信號的雙目標(biāo)定位。

5結(jié)束語

文章首先介紹了無源雷達(dá)的概況，通過OFDM信號與其標(biāo)準(zhǔn)的回顧，探索出一個利用OFDM信號中前導(dǎo)序列相關(guān)來識別接收信號的方法。在確定接收信號之后，需要通過時延對目標(biāo)進(jìn)行定位，采用了

雷達(dá)領(lǐng)域廣泛采用的模糊函數(shù)進(jìn)行算法實現(xiàn)，并進(jìn)一步論證模糊函數(shù)參數(shù)的選取。仿真結(jié)果表明，直達(dá)波與混合波的模糊函數(shù)所得峰值較為明顯，更易于識別和提取。文章的最后通過構(gòu)建一個定位區(qū)域，并模擬雙目標(biāo)在區(qū)域中的狀態(tài)，使用遍歷的定位算法，成功確定了2個目標(biāo)的位置。實驗表明，利用直達(dá)波與混合波模糊函數(shù)對信號進(jìn)行檢測具有可行性，通過定位算法可以較準(zhǔn)確地測出多個目標(biāo)位置，進(jìn)一步證實了外輻射源雷達(dá)在當(dāng)今數(shù)字通信時代發(fā)展的可行性。

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Research into Double-target Detection Using WiFi Passive Radar

ZHOU Ming-zhang1,YAO Guang-tao2,3,SUN Hai-xin1,CHEN Qing-feng1,QI Jie1,GU Ye1

(1.Xiamen University,Xiamen 361005,China;2.Unit 73111 of PLA,Xiamen 361000,China;3.Unit 73653 of PLA,Quanzhou 362341,China)

Abstract:Along with the wide coverage of WiFi signal and WiMax signal,passive radar technology based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has been widely developed.This article demonstrates the feasibility of WiFi passive radar technology through discussing the characteristics of OFDM technology and two standards:802.11 and 802.16,and further applies signal identification technology into target detection of passive radar,at the same time studies the effect of ambiguity function in different situations.Through comparison,the ambiguity function of direct wave and mixed wave is selected to construct a double-target location model and the simulation is performed,then the target location is succeessly gained,which confirms the theoretic feasibility of multi-target location using WiFi signal as radar emitter.

Key words:passive radar;orthogonal frequency division multiplexing;serial correlation cross-correlation;ambiguity function;ergodic method

收稿日期:2015-12-23

基金項目：國家自然科學(xué)基金,項目編號:61471309；福建省自然科學(xué)基金,項目編號:2013J01258

中圖分類號：TN971

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0001-04

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.001