CN108549048B - 一种多频WiFi外辐射源雷达相参处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频WiFi外辐射源雷达相参处理方法。WiFi信号是一种利用OFDM调制的多载波信号，因此可以利用子载波的正交性对多个不同频率的WiFi信号进行频谱合成以提高探测性能。本发明的方法利用多路WiFi信号载波频率不同解调出多路基带信号，对其中一路信号进行频谱搬移以便其频谱刚好与另一路信号频谱拼接而没有重叠，利用频谱拼接后的信号进行目标探测。本发明的方法可以提高外辐射源雷达系统的距离分辨率，同时提高匹配滤波后的输出信噪比，有利于目标探测。

Description

一种多频WiFi外辐射源雷达相参处理方法

技术领域

本发明属于外辐射源雷达目标探测技术领域，尤其涉及一种多频WiFi外辐射源雷达相参处理方法，是一种基于多频WiFi外辐射源雷达信号相参合成的处理方法。

背景技术

外辐射源雷达利用第三方发射的电磁波作为照射源来探测目标，具有绿色环保、抗打击能力强、不占用频谱等优势，基于IEEE无线局域网标准(802.11)的WiFi信号已覆盖城市的大部分地区，因其覆盖范围广，副峰抑制后模糊函数接近理想图钉状等特点，非常有利于进行无源探测。

利用WiFi信号作为外辐射源进行穿墙探测的目标主要是室内活动的人员，对于雷达系统的距离分辨率提出了更高的要求。室内的环境比较复杂，目标回波信号中会引入大量多径杂波，导致目标回波信号极其微弱，因此提高信号强度显得极为重要。现有WiFi外辐射源雷达系统多采用单个照射源信号，其信号带宽一般最大为20MHz，发射功率为50mW，信号功率有限，作用范围、定位精度和检测性能等均受到限制。因为WiFi信号在频段2.4GHz的工作带宽为100MHz，在整个100MHz带宽内通常分布有多个WiFi信号，因此利用多个辐射源信号合成处理后进行探测能有效提高雷达的距离分辨率和信号功率。

多频外辐射源雷达综合利用多个不同频段的信号实现一体化探测，为性能改善提供了途径，是外辐射源雷达的一个重要发展趋势。多频信号综合处理以提高探测性能的方法大多为：利用多个不同频段的信号分别进行匹配滤波以得到多频率RD(Range-Doppler)谱，对多个频率RD谱相加以得到高信噪比的RD谱进行目标检测。多频率RD谱叠加又分为相参积累(去除相位差异项)与非相参积累(直接幅度相加)。多频率RD谱叠加可以提高匹配滤波的输出信噪比，但是对距离分辨率的提升并不明显。WiFi信号是一种利用OFDM调制的多载波信号，可以利用其子载波之间的正交性进行频带合成，对参考信号和监测信号分别进行相位补偿与相参合成，利用合成后的信号进行匹配滤波，不仅可以提高距离分辨率，同时提高了输出信噪比。

发明内容

本发明的目的在于针对空间中不同工作频率的WiFi信号，充分利用WiFi信号OFDM调制特性，提出一种基于频谱搬移的多频WiFi外辐射源雷达相参处理方法。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种多频WiFi外辐射源雷达相参处理方法，包括如下步骤：

步骤1，对多个不同频段的WiFi信号分别进行混频分离，采样，杂波抑制等处理，得到多路基带WiFi信号；

步骤2，对多路基带WiFi信号的相位差异项分别进行估计并补偿，得到多路相干的基带信号；

步骤3，对相位补偿后的多路基带信号进行频谱搬移，使多路窄带信号合成为一路宽带信号，利用合成后的宽带信号进行匹配滤波，从而实现目标检测。

进一步地，步骤1中的多路基带参考信号表示为：

其中m为子载波序号，Δf为子载波频率间隔，f_ci为载波频率，τ_d为信号由路由器发射天线传输到参考天线的时间延迟，

为发射初相，

为参考信号混频处理引入的附加相位项。

进一步地，步骤1中的多路基带目标回波信号表示为：

i＝1，2…，N

其中τ为双程距离延时；f_di为目标的多普勒频移；

为目标对第i个信号引入的附加相位，

为目标回波信号混频处理引入的附加相位项。

进一步地，步骤2中的基带参考信号的相位差异项为：

对信号发射初相估计的具体方法是：利用前导序列之间的相关关系来实现载波频偏估计，即：

其中，r_n为接收到的基带信号，D为前导序列中两个连续重复符号的相同样值的延时，L为重复符号的长度，R为两个连续重复符号的延时相关和，T_s为符号间隔，f_Δ即为载波频率误差估计值。采用短训练序列进行粗同步，然后采用该粗频偏估计值对长训练序列进行修正，再利用修正后的长训练序列进行精频偏估计与纠正，从而实现频率同步。

利用两个长训练符号估计发射端混频器的相位误差，即：

R_RLTS＝(R_1LTS+R_2LTS)/2

其中，R_1LTS与R_2LTS为接收到的第一个和第二个长训练符号；L_LTS为标准长训练符号，R_RLTS为两个长训练符号的平均；

为频域的信道冲激响应函数。对

的相位求平均值，即可估计出发射端混频器之间的相位偏差。

进一步地，步骤2中的基带目标回波信号的相位差异项为：

它既是各信号频差Δf_i的函数，又是目标距离延迟τ的函数，应根据不同的通道按不同的检测单元进行补偿。

进一步地，步骤3对多路基带信号进行频谱搬移，使多路窄带信号合成为一路宽带信号的具体过程如下：

1)两路基带信号分别表示为：

其中，P、Q分别为两路信号OFDM符号数.τ₁为信号帧起点不同导致的时间延迟；

2)对s₂(t)进行帧对齐，经过帧对齐后的第二路基带信号表示为：

对s'₂(t)进行频谱搬移，即对s'₂(t)进行混频，使混频后的频谱刚好与s₁(t)的频谱进行拼接而没有重叠，混频后的信号s₂”(t)表示为：

f_c为混频频率，为了进行频谱合成f_c应为64Δf；

3)对s₁(t)和s₂”(t)进行叠加，叠加后的信号s'(t)表示为：

其中c_s,0、c_s,1…c_s,63等于a_p,0、a_p,1…a_p,63，c_s,64、c_s,65…c_s,127等于b_q,0、b_q,1…b_q,63。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明利用空间中不同工作频率的WiFi信号，利用OFDM系统子载波之间的正交性进行频带合成，充分利用WiFi信号的频率资源；

2)利用N个WiFi信号相参合成，其距离多普勒谱的峰值可以得到N倍的改善，在发射功率相同的情况下，输出信噪比可近似改善10logNdB；

4)相比于多频率RD谱相参叠加的方法，本发明利用多个窄带信号合成带宽，对于距离分辨率的提升更加明显。

附图说明

图1是IEEE802.11g协议OFDM模式物理层帧结构；

图2是多频WiFi信号处理流程图；

图3(a)-(b)是80MHz采样率条件下一路WiFi信号频谱图和两路信号混频叠加后的频谱；

图4(a)-(b)是单信号模糊函数距离谱和两路信号合成后模糊函数距离谱；图4(c)-(d)分别是其3dB距离谱；

图5(a)-(b)是单信号的距离多普勒谱和距离谱；

图6(a)-(b)是两路信号相参合成后的距离多普勒谱和距离谱；

图7(a)-(b)是三路信号相参合成后的距离多普勒谱和距离谱；

图8是常规RD谱相参叠加处理方法与本文所提供相参处理方法的距离谱对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1为IEEE802.11g协议OFDM模式物理层帧结构，由图1可知，信号结构主要由前导符号、信号、数据3部分组成，本发明主要利用其数据部分进行探测.数据部分的基带复信号表达式为：

其中，r为数据部分OFDM符号序号，R为OFDM符号数；k为子载波序号，N_ST＝64为一个OFDM符号子载波个数；d_r,k为第r个符号第k个子载波的复调制信息；Tp为一个OFDM符号有效部分时间长度，子载波频率间隔即为Δf＝1/Tp；T_d为前导符号和信号部分时间长度，T_g为一个OFDM符号循环前缀时间长度，T_s即为一个完整OFDM符号持续时间。

图2为多频WiFi信号处理流程图，具体实施步骤为：

步骤1，对多个不同频段的WiFi信号分别进行混频分离，采样，杂波抑制等处理，得到多路基带WiFi信号；

多路基带参考表示为：

i＝1，2…，N

多路基带目标回波信号表示为：

i＝1，2…，N

步骤2，对多路基带WiFi信号的相位差异项分别进行估计并补偿，得到多路相干的基带信号；

基带参考信号的相位差异项为：

对信号发射初相估计的具体方法是：利用前导序列之间的相关关系来实现载波频偏估计，即：

其中，r_n为接收到的基带信号，D为前导序列中两个连续重复符号的相同样值的延时，L为重复符号的长度，R为两个连续重复符号的延时相关和，T_s为符号间隔，f_Δ即为载波频率误差估计值。采用短训练序列进行粗同步，然后采用该粗频偏估计值对长训练序列进行修正，再利用修正后的长训练序列进行精频偏估计与纠正，从而实现频率同步。

利用两个长训练符号估计发射端混频器的相位误差，即：

R_RLTS＝(R_1LTS+R_2LTS)/2

其中，R_1LTS与R_2LTS为接收到的第一个和第二个长训练符号；L_LTS为标准长训练符号，R_RLTS为两个长训练符号的平均；

为频域的信道冲激响应函数。对

的相位求平均值，即可估计出发射端混频器之间的相位偏差。

基带目标回波信号的相位差异项为：

它既是各信号频差Δf_i的函数，又是目标距离延迟τ的函数，应根据不同的通道按不同的检测单元进行补偿。

步骤3，对相位补偿后的多路基带信号进行频谱搬移，使多路窄带信号合成为一路宽带信号，利用合成后的宽带信号进行匹配滤波，从而实现目标检测。

对多路基带信号进行频谱搬移，使多路窄带信号合成为一路宽带信号的具体过程如下：

1)两路基带信号分别表示为：

其中，P、Q分别为两路信号OFDM符号数.τ₁为信号帧起点不同导致的时间延迟，其频谱图如图3(a)所示；

2)对s₂(t)进行帧对齐，经过帧对齐后的第二路基带信号表示为：

3)对s'₂(t)进行频谱搬移，即对s'₂(t)进行混频，使混频后的频谱刚好与s₁(t)的频谱进行拼接而没有重叠，混频后的信号s₂”(t)表示为：

f_c为混频频率，为了进行频谱合成f_c应为64Δf；

4)对s₁(t)和s₂”(t)进行叠加，叠加后的信号s'(t)表示为：

其中c_s,0、c_s,1…c_s,63等于a_p,0、a_p,1…a_p,63，c_s,64、c_s,65…c_s,127等于b_q,0、b_q,1…b_q,63，叠加后信号的频谱图如图3(b)所示。

图4分别给出了单信号模糊函数距离谱和两路信号合成后模糊函数距离谱及其3dB距离谱，每路信号选取84个OFDM符号数据，对应一个数据包的持续时间为336μs，信号采样率设置为80MHz。可见，两路信号合成后相比于单路信号的距离分辨率提高了一倍。

图5、图6和图7分别给出了单个信号，两路信号以及三路信号相参合成后的距离多普勒谱。三个路由器设置信道中心频率分别为2412MHz，2437MHz，2462MHz，设三个路由器发射功率相同；接收机采用160MHz采样率进行采样；目标与发射站的距离R_T为60m，与接收站的距离R_R为70m，速度v_r为1m/s；发射站与接收站的距离R_d为40m。输出信噪比采用归一化处理，通过比较距离多普勒谱的噪声基底即可对输出信噪比进行比较。单个信号，两路信号以及三路信号相参合成后距离元在300到600的噪声基底的平均值分别为-41.19dB，-43.41dB和-45.53dB。可以看出，两路信号和三路信号相参合成后输出信噪比分别提高了2.22dB和4.34dB，接近理论值10log2＝3dB和10log3＝4.7dB，与理论值存在差距主要由于目标非点源效应以及滤波过程中对能量的损失。

图8是常规RD谱相参叠加处理方法与本文所提供相参处理方法的距离谱对比，从图中可以看出，本文所提供相参处理方法的距离分辨率提升更加明显。

Claims (3)

1.一种多频WiFi外辐射源雷达相参处理方法，其特征在于：利用空间中不同工作频率的WiFi信号，在频域进行带宽合成，使合成信号变成大带宽信号，从而提高距离分辨率；接收的多个不同频段信号存在相位差异项，分别对多路信号进行相位补偿与相参合成，利用合成后的信号进行匹配滤波，可以显著提高探测性能；

包括以下步骤：

步骤1，对多个不同频段的WiFi信号分别进行混频分离，采样，杂波抑制处理，得到多路基带WiFi信号；

步骤2，对多路基带WiFi信号的相位差异项分别进行估计并补偿，得到多路相干的基带信号；

步骤3，对相位补偿后的多路基带信号进行频谱搬移，使多路窄带信号合成为一路宽带信号，利用合成后的宽带信号进行匹配滤波，从而实现目标检测；

步骤1中的多路基带参考信号表示为：

i＝1，2…，N；

其中，m为子载波序号，△f为子载波频率间隔，f_ci为载波频率，τ_d为信号由路由器发射天线传输到参考天线的时间延迟，

为发射初相，

为参考信号混频处理引入的附加相位项；

步骤1中的多路基带目标回波信号表示为：

i＝1，2…，N；

其中τ为双程距离延时；f_di为目标的多普勒频移；

为目标对第i个信号引入的附加相位，

为目标回波信号混频处理引入的附加相位项；

所述步骤3对多路基带信号进行频谱搬移，使多路窄带信号合成为一路宽带信号的具体过程如下：

1)两路基带信号分别表示为：

其中，P、Q分别为两路信号OFDM符号数，t₁为信号帧起点不同导致的时间延迟；

2)对s₂(t)进行帧对齐，经过帧对齐后的第二路基带信号表示为：

对s'₂(t)进行频谱搬移，即对s'₂(t)进行混频，使混频后的频谱刚好与s₁(t)的频谱进行拼接而没有重叠，混频后的信号s₂”(t)表示为：

f_c为混频频率，为了进行频谱合成f_c应为64△f；

对s₁(t)和s₂”(t)进行叠加，叠加后的信号s'(t)表示为：

其中c_s,0、c_s,1…c_s,63等于a_p,0、a_p,1…a_p,63，c_s,64、c_s,65…c_s,127等于b_q,0、b_q,1…b_q,63。

2.根据权利要求1所述的一种多频WiFi外辐射源雷达相参处理方法，其特征在于，步骤2中的基带参考信号的相位差异项为：

对信号发射初相估计的具体方法是：

利用前导序列之间的相关关系来实现载波频偏估计，即：

其中，r_n为接收到的基带信号，D为前导序列中两个连续重复符号的相同样值的延时，L为重复符号的长度，R为两个连续重复符号的延时相关和，T_s为符号间隔，f_△即为载波频率误差估计值；采用短训练序列进行粗同步得到粗频偏估计值f_△，然后采用该粗频偏估计值对长训练序列进行修正，再利用修正后的长训练序列进行精频偏估计与纠正，从而实现频率同步；

利用两个长训练符号估计发射端混频器的相位误差，即：

R_RLTS＝(R_1LTS+R_2LTS)/2

其中，R_1LTS与R_2LTS为接收到的第一个和第二个长训练符号；L_LTS为标准长训练符号，R_RLTS为两个长训练符号的平均；

为频域的信道冲激响应函数；对

的相位求平均值，即可估计出发射端混频器之间的相位偏差。

3.根据权利要求2所述的一种多频WiFi外辐射源雷达相参处理方法，其特征在于，步骤2中的基带目标回波信号的相位差异项为：

它既是各信号频差△f_i的函数，又是目标距离延迟t的函数，应根据不同的通道按不同的检测单元进行补偿。

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