软件无线电在认知被动雷达系统及实现方法与流程

本发明属被动雷达领域，具体讲,涉及软件无线电在认知被动雷达系统中的应用方法。

背景技术：

被动雷达系统与传统雷达的不同之处在于其自身不发射电磁波，而是利用外部辐射源对目标进行探测和追踪，因为这个特性，使得被动雷达具有较好的隐蔽性和抗干扰、抗低空突防、抗反辐射导弹、抗隐身的“四抗”能力，而且无需进行频谱分配，也不会产生电磁污染。由于雷达自身只需要具备接收能力，系统具有便携等特点。随着无线通信的发展，研究人员正致力于宽带无线通信照射源在被动雷达中的应用探索。基于此，未来被动雷达照射源将呈现出复杂异构的特点，单一体制的被动雷达系统将受到很大的制约。因此，提出一种多制式多标准兼容的被动雷达架构，有效解决雷达照射源复杂异构的问题成为研究热点^[1]。

simonhykin首次提出将认知无线电的概念引入雷达系统中，这种认知雷达应该具备连续感知环境、快速调整系统参数以及快速数字信息处理的能力。如果将认知的概念引入被动雷达，而且接收机能够在比较宽的频段内工作，则被动雷达系统可以通过智能学习的过程，根据系统对环境的感知，自动识别照射源库并选择最佳的照射源进行分析，从而实现对照射源的多制式多标准兼容，有效解决未来被动雷达系统照射源复杂异构的问题。lyrtech公司开发的软件无线电平台，可以实现基于dsp以及fpga的算法开发，实现对信号的收集及采样。软件定义的无线电(softwaredefinedradio,sdr)是一种无线电广播通信技术，它是基于软件定义的无线通信协议而不是通过硬连线实现，也就是说，它的频带、空中接口协议和功能可以通过软件下载和更新来升级，不用完全更换硬件。sdr能够重新编程或者重新配置，从而通过动态加载新的波形和协议可使用不同的波形和协议操作^[2]。

michaelinggs等人将认知雷达的概念引入被动雷达系统中。在被动雷达中，利用频谱感知来寻找功率谱密度较大的频率资源，将其用作被动雷达的照射源。软件无线电平台可以根据接收信号的参数修改自身参数，以实现对不同信号的探测和追踪。因此，希望能提出一种基于软件无线电架构的多标准多制式兼容的宽带认知被动雷达系统架构，能根据环境反馈和先验知识选择最佳的照射源，并调整自身参数，提高系统性能^[3]。

[1]njwillis,bistaticradar,usa:artechhouse,1991.15-57

[2]程伟，左继章，许悦雷，毕笃彦.基于软件无线电结构的通信信号处理平台的研制.微电子学与计算机,2003，20(8).

[3]汪清.(2010).基于wimax的被动雷达理论及系统研究(doctoraldissertation,天津大学)。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在将软件无线电技术引进被动雷达系统，为多标准多制式兼容的认知被动雷达系统的构建提供了新的解决途径。本发明采用的技术方案是，软件无线电在认知被动雷达系统，结构包括：

信号发生器及射频天线，用于发射电磁波，模拟外辐射源信号；

lyrtech软件无线电平台的vhs-adc多通道模数转换板卡，用于对外辐射源信号进行高速采集；

drc接口板，用于将采集到的信号利用传输至fpga，drc是一个lyrtech的扩展模块，drc模块能够与载板之间进行高速的数字信号传输；

fpga作为基带处理板，用来开发并测试信号处理算法；

fpga处理过的数据通过cpci总线与开发环境matlab/simulink/lsp/vc++进行人机交互；

fpga包括：

fpga的高速ad采集模块，对某一外辐射源信号进行采样；

频谱分析模块，对采集信号进行频谱分析，得到其相关频域信息；

带通滤波模块，根据频谱分析的结果设置带通滤波器的频率和幅度限制参数，将得到的采样信号进行带通滤波；

解调、解码及相关处理模块，用于基于时序控制，对得到后的信号进行解调、解码及相关处理，最后进行频谱回放。

本发明的特点及有益效果是：

本发明拟探索软件无线电在认知被动雷达系统中的应用，研究了基于软件无线电技术的信号的采样技术。首先利用lyrtech公司开发的软件无线电平台进行信号的收集与采样。随后完成了基于匹配滤波的目标距离向量检测，仿真结果验证了目标观测算法的有效性。将软件无线电概念引入到被动雷达系统中，为多制式多标准兼容的认知被动雷达系统的实现提供了可能性。

附图说明：

图1软件无线电平台实物图。

图2系统内部连接配置情况。

图3本发明系统处理框架示意图。

图4本发明流程图。

图5软件无线电采集到的信号频谱图。

具体实施方式

本发明属被动雷达领域，基于软件无线电思想的认知被动雷达系统架构，其具有环境感知能力、大带宽的采样能力、高性能的数字信号处理能力和动态调整接收机参数能力，为多制式多标准兼容的认知被动雷达系统的实现提供了可能性。

本发明将软件无线电技术引进被动雷达系统，为多标准多制式兼容的认知被动雷达系统的构建提供了新的解决途径。软件无线电平台的频带、空中接口协议和功能可以通过软件下载和更新来升级，不用完全更换硬件。这样就可以实现同一台被动雷达系统可以基于不同参数的照射源进行工作，这也就是真正意义上的多标准多制式兼容的认知被动雷达系统。目前，已经有集成度比较高的软件无线电平台出现，比如lyrtech公司开发的软件无线电平台，可以用来进行试验，系统处理框架如图3所示，详细技术方案如下；

第一步：借助nipxle-5611信号发生器并通过射频天线发射电磁波，用于模拟外辐射源信号。

第二步：利用lyrtech软件无线电平台的vhs-adc多通道模数转换板卡对外辐射源信号进行高速采集，最高速率可达105msps。若想扩展ad采集通道，可利用平台的adc-module多通道转换子板，将采集通道扩展至16通道。

第三步：将采集到的信号利用drc接口板传输至fpga的signalmasterquad模块。drc是一个lyrtechlyrio+的扩展模块，用于有lyrio+载板的扩展。drc模块可以与载板之间进行高速的数字信号传输。

第四步：以signalmasterquad模块(板上集成fpga)作为基带处理板，用来开发并测试信号处理算法。

第五步：将处理数据通过cpci总线与开发环境(matlab/simulink/lsp/vc++)进行人机交互。

针对被动雷达系统采用的外辐射源信号，首先通过软件无线电平台对空间电磁环境进行感知，感知可用于目标检测的有用信号，之后进行频谱分析获取有用信息，进一步分析其模糊函数、克拉美罗界等，其处理过程如图3所示。本发明基于lyrtech软件无线电平台主要实现了对外辐射源的频谱分析，随后完成了基于匹配滤波的目标距离向量检测。

lsp系统开发平台，主要用于算法的仿真、快速验证和实现。系统中采用signalmasterquad作为基带处理板，多片dsp和fpga作为主处理器。归纳起来，对于lsp的开发流程，主要是如何针对这些处理器，进行基于模型的开发。可以分为针对dsp开发和针对fpga的开发。本文主要采用针对fpga的开发，具体开发流程如图4，详细描述如下：

第一步：打开fpga的高速ad采集模块，对某一外辐射源信号进行采样。

第二步：对该采集信号进行频谱分析，得到其相关频域信息，频谱图如5所示。

第三步：根据频谱分析的结果设置带通滤波器的频率和幅度限制参数，将得到的采样信号进行带通滤波。

第四步：基于时序控制，对得到后的信号进行解调、解码及相关处理，最后进行频谱回放。

针对fpga的开发使用细节，本发明也给出了基于lyrtech软件无线电平台的具体使用步骤，如下。

1.打开模型

首先是要使用simulink配置模型并生成fpga代码。第一步是要在simulink中打开一个模型。模型主要包括配置部分和模型处理两个部分。配置部分必须包含systemgenerator和fpgaboardconfiguration两个部分。因为这两个部分配置了fpga编译信息。fpga模型的处理部分是指用户利用模块设计的各种算法，是根据用户需要来进行配置的，这部分的构成包括xilinx模块(蓝色)、lyrtech的i/o模块(灰色)、simulink的模块(白色)。其中，xilinx处理的数据通常是定点数据，simulink模块处理的通常是双精度浮点型数据，需要有gateway和gatewayout模型对这两部分不同类型的数据进行转化。

2.配置模型

对于fpga来说，不需要对simulink进行特殊的配置，在编译目标之前，只需要确认signalmasterquadvirtex-4的mbdkfpga是否已经添加到systemgenerator里面了。当已经成功添加硬件板卡，则可以在systemgenerator编译列表里看到signalmasterquadvirtex-4。而systemgenerator和fpgaboardconfiguration两个部分是需要配置的。具体配置为：

对于systemgenerator模块配置如下：

a)在compilation(指定系统目标)里，选择lyrtech,选择smquad-v4

b)在part里，选择signalmasterquadvirtex-4平台上的fpga类型

c)在targetdirectory里，指定生成的代码、文件夹所放的路径

d)在synthesis(指定综合工具)里选择xst

e)在hardwaredescriptionlanguage里选择verilog

f)在fpgaclockperiods(ns)和simulinkperiod里面填入有效值

g)对于fpgaboardconfiguration模块的配置如下：

h)在clocktype里，选择freeruninghardwareclock

i)在clocksource里选择fpga设计采用的硬件时钟

j)在signalmasterfpgaid中选择fpga1或者fpga2

k)进行完这些配置步骤后，就可以继续对模型进行编译等工作。

3.编译模型

点击generator，开始生成代码并编译bitstream。生成的代码保存为.bit格式。

到此为止，对于已经打开的fpga模型的配置和编译工作已经完成。接下来可以进行信息的采集工作。

4.存储回放

将打开的fpga模型进行配置并编译之后，可以利用信号采集通道进行信号的采集。步骤如下：打开vhscontrolutility，在generalcontrlo,vhs-adc/dacselection里选择vhs-adc。在bitstreamfileforfpgal里，指定需要加载的文件aac_cw.bit。点击programfpga，等待，直到出现fpgaprograming….success.在generalcontrol,clocksource列表里，选择fixed，直到dcms里面出现locked。运行数据采集，选择run。在datarecord里，选择存储数据的通道。本实验分别选择了1、2通道，3、4通道，1通道，2通道进行试验，帧大小设置为8k，在sdramtriggersource列表里，选择manual；在saverecordeddatatorawbinaryfile里，指定文件名和路径；之后，回到matlab中点击打开天线。之后点击getnextavailableframe，启动数据记录。启动后，sdram里记录的数据上传到主机端并保存为一个二进制文件，格式为.bin。到此为止，对于信号的采集过程已经完成。之后，使用matlab利用编写的m文件进行采集到信号的频谱分析，得到信号的频谱特性。