CN111095015B - 一种用于通过利用每载波多信道施照器源的一无源雷达***检测一目标的方法及*** - Google Patents
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Abstract
一种用于通过利用每载波多信道蜂窝施照器源的一无源雷达***检测一目标的方法及***，所述方法包括：从一参考源接收一参考信号，所述参考信号在所述无源雷达***的一雷达接收器的一参考元件处被接收；在所述雷达接收器的一监视元件处接收一被反射的信号，所述被反射的信号源自所述参考源并被反射离开所述目标，所述被反射的信号包括干扰；解密所述多个信号的多个分量；及从所述多个分量重建所述多个信号，排除所述干扰。
Description
技术领域
本发明涉及无源雷达，更具体地，涉及一种用于无源雷达的***，基于蜂窝的每载波多信道传输源(也称为单频网络-SFN)诸如第三代(UMTS)或***蜂窝传输协议。
背景技术
本领域中已知的无源雷达通常利用施照器源(illuminator sources)，诸如VHF的FM无线电信号、UHF模拟电视信号、数字音频及电视广播。
在现有技术中很少有基于蜂窝信号(cellular signals)的无源雷达***(systems for passive radar)。这种基于GSM(2G)的***适用于每载波单信道传输，无法与每载波多信道环境中的传输一起工作。频率重用(re-use)导致相邻小区传输源(adjacent cell transmission sources)产生干扰的一情况，这使得现有技术***是不适用的。
发明内容
所述立即的发明提供一种创新***，通过使用本文详述的创新性干扰消除技术来解决频率重用干扰的问题。
通过采用以下的一种或多种方法实现干扰消除：(1)参考天线方向性；(2)用于消除直接参考干扰的“清理(CLEAN)”算法；及/或(3)用于抑制干扰传输及调理在视场(FOV)中的参考信号的特定算法。与前两个步骤不同，普通的先有技术***从所述被接收的信号滤除噪声和干扰并使用残差信息，而特定的算法则基于从所述被接收的信号解密所述多个被发送的信号并以一从下到上的方式重建有序的信号。
根据本发明提供一种用于通过利用每载波多信道蜂窝施照器源的一无源雷达***检测一目标的方法，所述方法包括：从一参考源接收一参考信号，所述参考信号在所述无源雷达***的一雷达接收器的一参考元件处被接收；在所述雷达接收器的一监视元件处接收一被反射的信号，所述被反射的信号源自所述参考源并被反射离开所述目标，所述被反射的信号包括干扰；解密所述多个信号的多个分量；及排除所述干扰而从所述多个分量重建所述信号。
根据在下面描述的本发明的优选实施例中的更进一步特征，所述解密及重建的步骤包括：使用一空时自适应处理(STAP)算法对所述参考信号进行滤波，以接收一选择性参考信道；应用一调理算法，以获得一清理参考小区信号副本，其中多个干扰信号及所述多个干扰信号的多个路径被去除，从而产生一被调理的信号；使用所述空时自适应处理算法对所述被反射的信号进行滤波；通过使用所述被调理的信号的一清理算法，从所述被反射的信号去除直接干扰，使所述被调理的信号通过一滤波器，所述滤波器体现在所述参考元件与所述监视元件之间的一传递函数，并从所述被反射的信号减去一结果信号；及通过使所述被反射的信号连续经受一抑制算法的至少一次迭代来重建所述被反射的信号，从而产生一被精化的被反射的信号。
根据在下面描述的优选实施例中的更进一步特征，所述方法还包括：在一被精化的参考信号与所述被调理的信号之间进行一交叉歧义函数(CAF)，从而对于每一个接收停留产生一距离多普勒图像(Range Doppler Image)；使用所述被反射的信号的不同信道中的相同像素的振幅及相位，以方位角及仰角来估计所述目标的一到达角度(AOA)，所述估计的步骤仅在通过一恒定的误报率(CFAR)机制被提取的多个像素上被执行；对所述目标应用一检测前跟踪(TBD)算法；建立多个绘图报告；获取多个位置及速度估计；及显示所述多个绘图(plots)。
根据更进一步特征，所述调理算法包括步骤：将一下行扰码(DLSC)拟合到所述参考信号；将一接收器本地振荡器校正为一干扰小区载波频率；估计介于所述参考源的一发射器的一输入与所述无源雷达***的所述雷达接收器的一输出之间的一介质的一传递函数；重建一源信号，所述源信号是原先从所述参考源被发送的一信号；及通过所述被估计的传递函数对所述被重建的源信号进行变换，从而获得所述参考信号的一估量，其中所述估量是所述被调理的信号。
根据更进一步特征，所述下行扰码通过检测一主同步码(PSC)及一次同步码(SSC)并从所述次同步码的序列推论所述下行扰码被找到。根据更进一步特征，所述下行扰码是由一外部知识库支配的。
根据更进一步特征，所述重建所述源信号的步骤包括：决定多个有源的正交可变扩频因子(OVSF)的信道；估计及重建所述多个信道的多个符号；及添加多个被重建的同步。
根据更进一步特征，所述抑制算法包括步骤：将一下行扰码拟合到所述参考信号；将一接收器本地振荡器校正为一干扰小区载波频率；估计介于所述参考源的一发射器的一输入与所述无源雷达***的所述雷达接收器的一输出之间的一介质的一传递函数；重建一源信号，所述源信号是原先从所述参考源被发送的一信号；通过所述被估计的传递函数对所述被重建的源信号进行变换，从而获得所述干扰信号的一估量；从一输入残余信号减去所述干扰信号的所述估量，以便建立一新的残余信号；及检查所有下行扰码是否已经被使用，使得如果所有下行扰码已经被使用，则所述新的残余信号为所述雷达接收器的所述输出，否则，将所述下行扰码改为一未使用的下行扰码，并以所述新的残余信号再次进行所述抑制算法。
根据更进一步特征，所述重建所述源信号包括：重建一主要同步代码、一次要同步代码及一公共导频信道(CPICH)，通过以下方式：使用一已知算法构建所述主要同步代码、所述次要同步代码及所述公共导频信道中的每一个，使得每码片样本数符合一采样率，通过定位所述主要同步代码、所述次要同步代码及所述公共导频信道中的每一个与所述被接收的信号之间的一最大相关性，将所述主要同步代码、所述次要同步代码及所述公共导频信道中的每一个与所述输入残余信号或新的残余信号同步；以及将所述主要同步代码、所述次要同步代码及所述公共导频信道中的每一个复制为一相同长度的所述残余信号；使所述被重建的主要同步代码、次要同步代码及公共导频信道的多个分量通过所述被估计的传递函数，以便将在所述参考源的一输入处的所述多个被重建的分量转译为所述雷达接收器的一输出；从所述输入残余信号减去在所述雷达接收器的所述输出处被估计的所述多个被重建的信号；解扰所述被接收的信号或所述输入残余信号；解扩所述被接收的信号；从所述被解扩的信号提取一数据信号；重建与一信道化码相关联的一分量信号，以接收一被扩频的被重建的信号；通过在所述解扩步骤中被建构的一下行扰码的码片式乘法来加扰所述被扩频的被重建的信号；对所有有效的信道化码重复所述被扩频的多个分量的重建；及累加所述被重建的信号的多个分量，以便在所述参考源的所述输入处复得(return)所述源信号的一估量。
根据更进一步特征，通过将一复正弦曲线拟合到一公共导频信道(CPICH)的信号或其等效物，并通过所述被拟合的复正弦曲线的一被估计的频率来校正从所述干扰小区被接收到所述信号，实现所述LO校正。
根据另一个实施例，提供一种被配置为利用每载波多信道蜂窝施照器源的无源雷达***，所述***包括：一雷达接收器，包括：一参考天线元件，被配置为从一参考源接收一参考信号，以及一监视天线元件，被配置为接收一被反射的信号，所述被反射的信号源自所述参考源并被反射离开一目标，其中所述被反射的信号包括干扰；及一信号处理器，被配置为分析所述多个被接收的信号并进行与计算，以解密所述被接收的参考信号及被反射的信号的多个分量，以便识别所述干扰，并且从所述多个分量重建所述多个信号，没有所述干扰。
如本文中被使用的，所述术语“无源相干位置(PCL)”及“无源雷达”指的是其中没有专用发射器的一无源雷达***。相反，所述接收器在环境中使用第三方发射器，并且测量直接从所述发射器到达的信号与通过反射从所述物体到达的信号之间的到达时间差。这允许所述物体的双静态范围被决定。除了双静态范围外，无源雷达通常还将测量回波的双静态多普勒频移(bi-static Doppler shift)及其到达方向。这些允许所述物体的位置、方向及速度被计算。在某些情况下，多个发射器及/或接收器可以被采用，以对双静态范围、多普勒及方位进行几次独立测量，从而显着提高最终轨道精度。
附图说明
在本文仅通过举例的方式，参考附图描述各种实施例，其中：
图1是PCL拓扑的一概念叙述。
图2是***100与来自附近的BTS 110A、110B的多个干扰信号106、116一起的一示意图；
图3是PCL***的一普遍架构。
图4是图3的CAF机制104D的一图；
图5是描绘一数据或控制UMTS物理下行链路信道的编码及调制流程的一图；
图6是描述UMTS下行链路传输信号的结构的一图。
图7是示例性调理及抑制算法的一流程图；
图8是用于重建原始发射器信号的一流程图。
具体实施方式
尽管下面详细讨论所述立即的发明的各种实施例的制造及使用，但是应当理解，所述立即的发明提供许多可应用的发明构思，这些构思可以在各种特定情况下被实施。本文讨论的特定实施例仅是制造及使用所述立即的发明的特定方式的示例，并不限制所述立即的发明的范围。
为了促进对所述立即的发明的理解，许多术语被定义如下。在本文被定义的术语具有与所述立即的发明有关领域的普通技术人员通常理解的含义。诸如“一(a)”、“一(an)”及“所述(the)”的术语并非意图在仅指代单数实体，而是包括其通用类别，其特定示例可用于说明。在本文中的术语用于描述所述立即的发明的特定实施例，但是除了如权利要求书中被概述者，它们的使用并不限制所述发明。
诸多雷达***通过分析从在被调查的环境中的诸多物体反射并由所述雷达接收器收集的诸多信号来推断环境。产生多个波并将其发射到环境中的雷达被称为有源雷达(active radars)，而利用来自非合作源的多个波的雷达被称为无源雷达(passiveradars)。
本文描述一种无源雷达(PR)***，其利用UMTS及/或***(LTE)及/或更新世代的蜂窝通信及/或WiFi作为施照环境的波源(wave source which illuminates theenvironment)。总的来说，所述参考信号的源(无论是一基地收发站(BTS)、一WiFi路由器还是任何其他相关联的传输源)，在本文中都被称为“参考源(reference source)”或其变体。
通常，在本领域中已知的使用蜂窝传输的无源雷达涉及GSM或第2代至2.5代蜂窝传输，并且仅对GSM或第2代至2.5代蜂窝传输有效。GSM传输使用的带宽比UMTS带宽更窄。由于使用相对窄的带宽，GSM移动电话能够基于频率在相邻基站之间进行区分。一第一个BTS将在一个频率上传输，而相邻的BTS将在其他频率上传输，因此移动电话将知道它正在与哪个BTS通信。GSM蜂窝传输方法使无源雷达相对容易地识别参考传输。通过了解所述BTS的频率，无源雷达将能够识别出特定传输的来源，从而知道从雷达天线到参考收发器的距离(及其他细节)。识别所述参考信号的所述发射器对于计算所述被跟踪的物体的位置至关重要。
UMTS及更高版本的协议具有更宽的带宽。随着带宽的增加，对于相邻的多个BTS没有足够的频率让每一个拥有不同的频率。结果，UMTS、第3.5代、第4代及后继者重用(re-use)频率，因此相邻的多个BTS可以使用完全相同的频率。结果，一种用于区分BTS的新方法被发展。
每一个蜂窝传输包括一个码(code)，所述码通知所述移动蜂窝装置有关于信号来自哪个BTS。当所述装置从一个BTS移至另一个BTS时，所述传输将包括新BTS的码。结果，无源雷达极难在多个信号之间进行区分。为此，所述无源雷达必须深入研究(解构(deconstruct))每一个信号，并找到表示所述信号源自哪个BTS的所述码或基于码的数据。
本公开包括并描述一种方法，所述方法用于通过解密所述多个信号的所述多个分量并从其分量重建所述多个信号，用于精化直接从所述施照器到达的施照信号及在被施照时从多个目标被反射的多个信号。从而，在这样的***中被认为是一主要挑战的干扰比被改善。
参考附图及随附的描述，根据本发明的一种无源雷达***的原理及操作可以被更好地理解。
现在参考附图，图1是PCL拓扑的一概念描述。一基站下行链路(base stationdown link)110的选定扇区(selected sector)被用于作为所述PCL***经由所述***参考天线阵列130(“参考天线阵列(Reference Antenna Array)”或“参考天线(ReferenceAntenna)”或其变体)截获的“参考信号(Reference Signal)(REF)”114。相同的源信号发射112施照一“目标(Target)”102，并且所述PCL***经由所述***FOV天线阵列140(“监视天线阵列(Surveillance Antenna Array)”或“监视天线(Surveillance Antenna)”或其变体)作为“视场目标信号(FOV)”104接收所述反向散射信号(在本文中也称为一“被反射的信号(reflected signal)”)。
前述配置遵循将所述参考及所述多个监视装置(每一个可能是单个天线或一天线阵列)分离的优选(及通用)做法。然而，根据较低优选的实施例，单个天线(或阵列)被用于接收参考及监视信号两者，通常以降低性能为代价。所述术语“雷达接收器(radarreceiver)”被统称为参考及监视天线、天线阵列或多个天线阵列。所述雷达接收器的所述监视构件(天线、阵列等)被称为所述雷达接收器的监视元件，雷达接收器的参考构件称为雷达接收器的参考元件。
所述“目标(Target)”可以是在所述FOV中感兴趣的任何物体，这些物体的主要反向散射在双基地范围(bistatic range)、双基地多普勒(bistatic Doppler)、到达角度及振幅测量(每次停留时间观察有多个样本)的时间内具有可指定的行为特征。
被配置用于信号处理的一信号处理器(未示出)或计算机处理器被用于分析所述多个被接收的信号并进行逻辑及数学计算，以便解密所述被接收的(参考、被反射)信号的多个分量，识别所述干扰(多个干扰信号)、其多径及杂波)，并重建来自所述多个分量的信号，没有所述干扰。所述处理单元(所述术语处理单元是指包括在信号处理领域中已知的一个或多个微处理器及相关硬件的任何类型的处理单元)被适配并配置为进行本揭露中详述的所有功能及过程。
所述图形以图解说明所述立即的发明的一无源雷达***的一发射器(蜂窝源)、一目标及多个天线阵列的一布置。所述立即的发明的所述PR***100由参考天线阵列130、监视天线阵列140及图3的构成部分组成。
图3描绘PCL***的一普遍架构。来自所述多个天线阵列元件的所述FOV信号馈入多个接收器信道，所述接收器信道通过时间及空间STAP(空时自适应处理(Space TimeAdaptive Processing))算法被滤波，以接收一选择性参考信道(selective referencechannel)，也就是说，成为多个感兴趣目标(targets of interest)在方位角(azimuth)和仰角(elevation)中的频率和到达角度(Angle Of Arrival)(AOA)选择的104A。将一类似的STAP过程应用于形成一选择性信道114A的所述REF阵列的所述REF天线。此信号经历“调理(Conditioning)”算法以获得114B，这是一清理的参考单元信号副本(clean referencecell signal replica)，其中如果所述调理操作是完美的，则干扰信号及多径不存在，或者如果所述调理操作不是最佳的，则干扰信号及多径在某种程度上存在。创新地，所述***不会从所述被接收的信号移除所述干扰，而是重建没有所述干扰的信号。
所述114B信号被用于通过在本领域众所周知的“清理(Clean)”算法移除来自所述多个FOV信号的多个信道中的直接干扰，同时使所述114B信号通过代表在所述参考与监视天线之间的传递函数的一滤波器，从所述104A信号减去所述结果信号。所得结果信号104B经历“抑制(Suppression)”算法的多个连续迭代，以重建所述多个监视信号，而没有所述干扰多个小区的多个信号。所得信号是一被精化的(或被纯化的或纯净的)信号。
所得的多个FOV信道104C本质上仅包含来自多个目标及杂波的多个散射信号。一交叉歧义函数(Cross Ambiguity Function)(CAF)被进行在多个104C信道与所述清理的参考信号114B之间，从而对于每一个接收停留(reception dwell)产生距离多普勒图像(Range Doppler image)104D。使用标准技术(诸如振幅比较、干扰测量、MUSIC算法、转向波束形成器等)，在不同FOV信道中的相同像素的所述振幅及相位被使用以方位角及仰角估计多个目标的AOA。仅通过恒定的误报率(CFAR)机制104E对被提取的像素执行所述估计。CFAR结合杂波图遮罩(clutter map masking)、背景散射(background scattering)及噪声阈值(noise thresholding)，并专注于多个点目标。为了进一步减少由不相关联的反向散射及多个预期目标的多径造成的诸多虚假警报，一检测前跟踪(TDB)算法被应用于诸多暂定目标。所述TDB确认连续驻留信息与有效目标104F的预期行为的一致性。得到的目标数据，包括3D地理位置及3D速度矢量的诸多估计值，将建立诸多绘图(Plot)报告104G。位置及速度的估计值可从AOA及诸多双基地距离测量获得，或者通过使用3个或更多REF小区的源在双基地范围及多普勒速度测量上应用多边(multilateration)算法获得。绘图在本地被显示，并被交流到中央融合站(central fusion station)。
图4以图解说明图3的CAF机构104D。调理及抑制算法使用共同的功能，将被共同描述。在以下附图中，使用UMTS 3G的示例图解这些算法。
无源雷达的性能在很大程度上取决于所述参考信号的所述纯度(purity)。所述参考信号的纯度是指从所述传输源(譬如一蜂窝基站，BTS)被传输的所述参考信号的内容与被称为干扰的其他信号的内容相比。以一种类似的方式，为了检测一目标，必须将从所述目标102被反射的所述被反射的信号104与由所述监视天线140接收的其他信号进行区别。
然而，由于当前蜂窝通信中(譬如在UMTS BTS布署中)的‘频率重用(frequencyreuse)’的实践，多个相邻小区(neighboring cells)通常操作在相同频带上。这样，诸多参考信号114及诸多目标/监视信号104经常都被来自其他基站或来自其他源的信号污染。在时域或频域中分离诸多信号是非常困难的。所述立即的创新的***特别适合于能够使用来自所述BTS的传输来跟踪诸多物体，所述BTS使用UMTS或第三代传输及更高版本。
图2以图解说明***100与来自附近的BTS 110A、110B的多个干扰信号106、116在一起的一示意图。所述图例是被所述PCL天线接收的其他小区传输110A、110B的一示例，作为与所述参考信号在相同载波频率上以及(通过PCL频率选择性被有效地去除的)其他载波上的多个干扰信号106、116。所述多个干扰信号可能具有不同的方位角(110A)，从而可以通过天线方向性被部分消除，或者具有类似的方位角(110B)，并且无法通过其他现有技术***被解决。
来自其他蜂窝基站的干扰会影响所述参考天线、所述监视天线或两者。BTS 110A对所述监视信号104提供一干扰信号106。BTS 110B对所述参考信号114提供一干扰信号116。所述简化的图提供诸多干扰信号的一基本表示。显然，一个以上的BTS及一个以上的信号会干扰监视信号及/或参考信号。
每一个基站收发器覆盖一给定的区域，以及该区域中的任何物体，无论所述物体是朝向所述BTS移动、远离它移动，或者平行或垂直于BTS移动，所述物体都可以用一相同的方式被跟踪。也就是说，所述即时***跟踪进入所述监视天线的所述视场的诸多物体。
所述立即的创新的***能够通过被动接收一参考信号来跟踪一物体，甚至从单个基于地面的传输源及从所述目标物体被反射离开的信号。所述信号可以是一蜂窝传输信号，例如一第三代(3G)蜂窝传输及后面世代蜂窝传输。
所述立即的发明涉及3G及其后继世代，诸如4G(LTE)、蜂窝传输、WiFi及WiMAX传输。
干扰消除可以通过采用以下的一种或多种方法：(1)参考天线方向性：所述天线的所述方向性是一天线辐射图案‘方向性(directional)’的一量度。一天线可以用以下这样的方式被设计及制造：相对于从其他方向被接收的诸多信号，从一特定的、通常是狭窄的方向被接收的诸多信号被显着地放大。这样，将一定向天线(directive antenna)指向所述参考信号的所述源(例如：一参考BTS)，可以减轻来自与所述参考传输源的方向不同的诸多方向的干扰。但是，来自同一方向的干扰，例如：位于连接所述雷达及所述参考BTS的一线上或附近的一BTS，不能以这种方式被解决。此外，定向天线不能解决对所述被反射的信号的所述干扰，因为所述目标的方向在此检测阶段是未知的。
(2)用于消除直接参考干扰的“清理(CLEAN)”算法；及
(3)用于抑制在视场(FOV)中的干扰传输的多个特定算法。与前两个步骤以及从所述多个被接收的信号滤除噪声及干扰并使用所述残差信息的普通现有技术***不同的是，如后面将详细介绍的所述多个特定算法是基于估计所述参考信号及被反射的信号中的每一个，通过将所述信号解密为它的多个分量，然后对各个符号的每一个分量求平均。一旦组成所述被接收的信号的每一个信号被估计，所述被发送的信号被重建。此重建表示在所述BTS输入处的所述信号，并且在所述发送器的输入与所述雷达接收器的输出之间应用所述介质的所述传递函数，从而对所述被发送的信号进行一无扰估计(interference-freeestimation)。
在处理蜂窝式PR时需要解决三个问题。
首先，所述***需要识别所述传输的所述源，已知为所述参考信号。知道所述传输是源自何处，可以使所述***计算所述物***在何处。
其次，所述***必须筛选出大量的杂波。朝向天空的雷达相对没有杂波。天空通常有鸟类及飞机，后者是要跟踪的物体，而前者则相对容易识别。当所述雷达朝下时，情况是完全不同的。蜂窝传输会反射所有东西：建筑物、地面、人、有恨多移动的树叶的树木等等。所有这些被反射的信号都被认为是“杂波(clutter)”，它们会模糊或隐藏被跟踪的物体所反射的信号。去除所有杂波以聚焦在所述被跟踪的物体上是有必要的。
第三，多径(multipath)可能会降低所述雷达的性能，因为所述参考信号及/或所述被反射的信号会同时从多个方向到达所述雷达的天线，通常在每一个方向之间都有未知的延迟。这是因为所述信号从所述BTS或所述目标以一较宽的波束形状被传播，即是，朝环境的一较宽扇区传播。除了从所述BTS到所述天线或从所述目标到所述天线的所述直接路径外，一些发射的能量可能会撞击诸如地形特征、树木及建筑物等的物体，并且通过比直接的、通常来自一不同的方向的路径更长的一路径间接到达所述天线。
一被发送的信号由数十到数百个信号组成。所述多个信号中的一些是多个控制信号，并且一些是多个数据信号。所有信号在通过所述发射器被传输前先经过加总。图5以图解说明描述一数据或控制UMTS物理下行链路信道的所述编码及调制流的一图；(详细定义在3GPP技术规范及过程中)。所述数据采用多个符号的信号(I/Q矢量)的形式，表示串行位流(serial bit stream)的QPSK或QAM16或QAM64调制。所述比特流(bit stream)是信息比特流的一前向纠错(FEC)码的转换。将所述符号乘以SF(扩频因子(Spreading Factor))的一实际二进制代码序列(real binary code sequence)次数的所述符号速率(symbolrate)，以与所述码片速率(chip rate)同步。所述SF可以采用多个值4、8、16、64、128、256、512。对于每一个值SF，都有SF个可能的代码。所述代码被称为信道化码，所述信道化码是正交可变扩频因子(OVSF)。它已被分配给一物理信道。所述信号在每一个传输帧(10毫秒)上进一步乘以一个加扰的复数代码。所述下行扰码(Down Link Scrambling Code)(DLSC)对于一基站小区是唯一的。所述信号由所述调制器进行脉冲整形。
所述UMTS信号被组织在一长度为10ms的多个帧中。每一个帧包含15个时槽(slots)，每一个时槽包含2560个码片(chips)。所述被传输的数据包含数十种到数百种彼此叠加的信号。如在图6中可以看到的，专用物理数据信道(Dedicated Physical DataCHannels)(DPDCH)一个被堆叠在另一个的顶部。多个信号中的一些是用于维持所述蜂窝通信的所述物理层的多个控制信号(譬如增益控制、同步及纠错辅助信号)，而一些是例如承载所述多个语音信号的所述多个数据信号。
所述多个信号中的一些是使用几种记录良好的方法(诸如信道化及加扰)被编码的。图6描绘由扩频(或信道化)及加扰组成的一示例性编码过程。其他信号，通常是被用于同步的多个控制信号，根本没有被编码。所述多个信号然后经历功率平衡，以优化每一个信号到其目的地的传输，然后进行同步汇总。所述结果被调制并且通过所述蜂窝基站的发射器被发送。在图6中的图描述UMTS的下行链路传输信号的构造(在3GPP技术规范及过程中被详细定义)。多个数据及多个控制信道被多路复用以获得通用的DLSC乘法。多个同步信号被添加：主同步码(Primary Synchronization Code)(PSC)及次同步码(SecondarySynchronization Code)(SSC)。它们在所述接收器处的解码使得能够检测DLSC值并对所述小区传输帧同步。在SF 256CH 0中广播的一导频信号(pilot signal)使得能够在所述接收器侧进行相位同步及信道估计。
所述立即的***的一个目的是建构一被精化的参考信号(refined referencesignal)及一被精化的监视信号(refined surveillance signal)，以便提高信号干扰比(signal to interference ratio)，并有助于检测原先被埋藏在噪声水平以下的多个目标。
至少出于所述立即性公开的目的，被用于所述被精化的信号的术语如下：‘被调理的信号(conditioned signal)’意指一被精化的参考信号，并且‘被抑制的信号(suppressed signal)’意指一被精化的监视信号。
图7以图解说明根据所述立即的发明的一种示例性方法的流程图。为了减轻通过蜂窝通信频率的频率复用(在UMTS及更高版本中)被强加的较差的信号干扰比，所述被调理的信号被用作所述参考，并且所述被抑制的信号被用作来自所述监视天线的信号。
所述被精化的(被调理的及被抑制的)信号的分析使用任何已知方法(譬如交叉歧义函数)被进行。所述精化过程基于原先组成所述被发送的信号的多个信号中的每一个的估计或知识。在一个实施例中，这是通过对各个符号进行平均被完成的。一符号是通过所述通信信号被传达的最小信息单位，并且由具有相同值的连续码片组成。一符号中的码片数量是所述扩频因子SF。每一个符号在多个码片上具有一个恒定的(复合)值(constant(complex)value)。这样，估计一符号的值的过程可以被简化为估计在复合加性噪声(complex additive noise)中的一DC电平的问题。
一旦组成所述被接收的信号的多个信号中的每一个被估计，所述被发送的信号就根据在图7中被描述的方案被重建。这种重建表示在所述蜂窝传输源的输入处的所述信号。在所述发射器的输入与所述雷达接收器的输出之间应用所述介质的所述传递函数，可以对所述被发送的信号进行一无扰估计(interference-free estimation)。
图7是描绘所述立即的发明的创新重建过程的一流程图。所述重建过程的各个阶段在以下各节被介绍。注意的是，某些框的顺序可以被改变，以解决诸多实现方面(例如存储器架构)、诸多操作的精度等。在本发明的一个优选实施例中，通过一个接一个地对多个干扰信号中的每一个进行调理(即是，重建所述被精化的信号)，并且从所述原始信号中减去所述多个被调理的信号，来导出所述被抑制的信号。在诸多实施例中，所述抑制过程被重复几次，以抑制多个干扰信号。在诸多优选实施例中，所述信道的所述被估计的传递函数(estimated transfer function)被应用于所述多个重建分量中的每一个。替代地，所述信道的所述被估计的传递函数被应用于所有重建分量的累加总和(accumulated sum)。
图7描绘调理及抑制算法的一详细描述。在700处的所述输入是在预处理(pre-processing)后的一输入信号(也被称为“输入残余信号(input residual signal))，即是用于调理的信号114A或用于抑制的信号104B。所述多个相应的输出是用于调理的信号114B或用于抑制的信号104C。所述调理过程是对所述被预期的REF单元DLSC进行一遍701至707。从最强的干扰源开始到最弱的干扰源，所述抑制过程对于每一个可检测的DLSC采取多个循环(loops)701至709。
框702–DLSC拟合。所述***在此阶段的诸多目标是验证所述被接收的信号的扰码(scrambling code)并找到在所述被接收的信号中的多个帧开始的所述多个样本索引(sample indices)。所述DLSC(下行扰码)可以通过首先检测所述PSC及所述SSC并从所述SSC序列中推断所述DLSC被找到，或者所述DLSC可以从一外部知识库被决定。
所述干扰小区的所述DLSC被决定。所述DLSC拟合框基于将所述DLSC拟合到所述信号，例如通过相关性方式(每一个SSC序列有8种DLSC值的可能性，而相关性最高的一种可能性是所述真实的DLSC)。所述原型的DLSC使用本领域已知的算法被创建。紧接着，每一个帧的开端(beginning)从通过所述SSC被创建的序列的开端被导出，并且通过在所述被接收的信号上移动的所述原型的DLSC被微调(fine-tuned)，以及在所述被接收的信号与所述原型的DLSC之间的所述相关函数的所述最大值被注册(registered)。这些最大值是在所述被接收的信号内的帧的多个开端的多个索引。
在本领域中已知的是，所述DLSC拟合框的性能在很大程度上取决于信号噪声比(SNR)及所述本地振荡器(LO)的精度(accuracy)。所述SNR取决于所述蜂窝基站(cellularbase-station)与所述接收器之间的介质(medium)，包括多径(multipath)及诸多干扰(interferences)。所述LO的精度取决于所述雷达接收器的所述LO与所述基站发射器的所述LO之间的对准(alignment)。所述雷达时钟发生器(radar clock generator)的稳定性及性能也是所述LO精度的重要因素。
框703–LO校正(correction)。所述接收器本地振荡器(LO)的频率被校正以获得被设定到所述干扰小区载波频率上的细微频率。所述***在此阶段的目标是微调所述雷达接收器的本地振荡器与所述基站接收器的LO之间的所述对准。由于所述发送器与所述接收器是被分开的，并且与不同的时钟发生器一起工作，所以在两个LO之间的一未对准(misalignment)是不可避免的。
在一个示例性实施例中，通过将一复正弦曲线(complex sinusoid)拟合到所述公共导频信道(Common Pilot Channel)(CPICH)信号(或等效信号)，并通过所述被拟合的复正弦曲线的所述被估计的频率来校正所述被接收的信号，所述LO校正被实现。换句话说，所述被提议的用于LO校正的程序如下：
a.对所述信号进行解扰(descramble)(请参阅在所述续集中的阶段804)。
b.通过均化(averaging)多个后续样本来抽取(decimate)所述信号。所述用于均化的样本数通过扩频因子X从所述雷达计算机的所述采样率被导出的每码片样本数(spreading factor X number of samples per chip which is derived from thesampling rate of the radar computer)来表示。例如：所述CPICH的扩频因子为256，并且假设采样率指示每码片2个样本，则所述均化跨512(＝段长度)个样本的多个段。所述多个被均化的样本中的第一样本的所述多个段应与所述帧的所述第一样本同步，意即，一帧的所述第一样本应是要被均化的所述多个段中的一个的所述第一样本。
c.使所述信号通过低通滤波器以移除高频噪声，例如：阶数为100的半波带(half-band)FIR滤波器。
d.使用任何近似方法将复正弦曲线拟合到所述结果，例如对所述复正弦曲线的振幅、频率及相位参数使用费尔德-米德单工(Nelder-Mead simplex)(直接搜索)方法。
e.将所述被估计的复正弦曲线插值(interpolate)到在步骤‘a’中被创建的所述被解扰的信号的长度。
f.将在步骤‘a’中被创建的所述被解扰的信号除以在步骤‘e’中被创建的所述内插复正弦曲线。
框704–所述信道传递函数(TF)被估计。此阶段的目标是用于估计所述蜂窝基站发射器(或其他传输源)的所述输入与所述雷达接收器的所述输出之间的介质(通常被称为‘信道’)的所述传递函数，以便重建所述被发送的信号(用于重建在所述雷达接收器的所述输出处的所述被发送的信号的所述多个分量)。
所述信道的所述多个分量被描绘为包括例如一基站发射器、一物理介质(包括多径)及一雷达接收器。所述信道可以通过由所述基站发射器、包括多径的所述物理介质及所述雷达接收器组成的一脉冲响应被建模。
如本领域技术人员已知的，所述信道估计可以用许多方式被进行。例如：一种方法是使用已知的DLSC作为一导频信号(pilot signal)用于估计所述信道。所述多个控制信号中的一个是仅为所述DSLC的所述CPICH，用于同步及相位匹配。通过比较所述原型的DLSC及由所述雷达接收的信号，所述CPICH信号的理想知识被发射，有助于传递函数估计(TFE)。例如：这可以通过维纳滤波器(Wiener filter)或任何其他TFE方法被完成。
框705–重建原始发射器信号(在此也被称为‘源信号(source signal)’)。所述多个活动的OVSF信道被决定，它们的多个符号被估计，并在所述下行链路发射天线处的源传输信号中被重建为它们的形式。所述多个被重建的同步被添加。一完整的被重建的信号被获得作为在所述下行链路处的所述源传输信号(或源信号)。关于图8的更多细节被讨论如下。
框706–通过(pass through)信道TF。所述被重建的信号通过TF被变换，以从所述小区的关注获得在调理操作的情况下的所述参考信号的清晰估计及在抑制操作的情况下的所述干扰信号的清晰估计。此阶段的目标是将在所述基站发射器(或其他发射源)的所述输入处的所述重建分量转换为所述雷达接收器的所述输出。所述目的通过使所述被加扰的、被重建的分量通过在框704处被估计的所述信道的所述传递函数被实现。
框707：所述被生成的信号成为用于CAF的所述参考信号。
框708：从所述输入残余信号中减去所述被生成的信号，以建立用于下个DLSC干扰小区的新的残余信号(框709)。
框710：检查是否所有的DLSC都已被扫描或使用。为此，用于检测PSC、SSC的一尝试被进行。如果被找到，则进行另一个DLSC循环。转到框712。否则，所述残余信号是所述104C输出。
框712：将DLSC代码更改为未使用的/未扫描的DLSC，并且前往框701。
图8以图解说明用于重建所述原始的发送(TX)信号(705)的一示例性流程图。
框801–PSC/SSC/CPICH重建。此阶段的目标是重建三个主要分量：PSC、SSC及CPICH。使用以下步骤对所述多个代码中的每一个进行类似的重建：
第一个步骤，使用在文献中的适当算法构建所述代码。每码片样本数应与所述采样率相符；
第二个步骤，通过定位所述代码与所述被接收的信号之间的最大相关性，使所述代码与所述被接收的信号(输入/残余信号)同步；及
第三个步骤，将所述代码复制成与所述被接收的信号相同的长度。
框802–通过信道TF。此阶段的目标是将在所述基站发射器(或其他发射源)的所述输入处的所述被重建的分量转换为所述雷达接收器的所述输出。所述目的通过使所述多个被重建的分量通过在704处被估计的所述信道的所述传递函数被实现。
框803–减法(subtraction)。此阶段的目标是从所述残余的被接收的信号中减去在所述雷达接收器的所述输出处被估计的所述被重建的分量。
框804–解扰(descrambling)。此阶段的目标是对所述被接收的信号或所述残余的被接收的信号进行解扰。所述解扰过程如下：
a.使用本领域已知的适当算法建构所述DLSC。每码片样本数应与所述采样率相符；
b.通过查找(locating)所述代码与所述被接收的信号之间的最大相关性，使所述DLSC与所述被接收的信号同步；
c.将所述代码复制为与所述被接收的信号的长度相同；及
d.将所述被接收的信号与步骤‘c’的结果进行要素式相乘(element-wisemultiply)，以实现所述被解扰的被接收的信号。
框805–去信道化(de-channelization)(也被称为‘解扩(despreading)’)。此阶段的目标是通过将所述被接收的信号与所述信道化码(channelization code)进行码片式相乘(chip-wise multiplying)，以促进在下一阶段进行解密所述数据信号。有许多可用的信道化码，并非所有代码始终被使用。因此，对于每一个有效的信道化码，迭代地重复所述多个信号分量的所述重建的阶段。一旦所述信道化码被选择，以下步骤被采取：
a.使用本领域已知的适当算法建构所述信道化码。每码片样本数应与采样率相符/一致；
b.使用作为所述解扰阶段的一副产物被导出的所述帧的开端，将所述信道化码与所述被接收的信号同步；
c.将所述代码扩频成与所述被接收的信号相同的长度；及
d.将所述被接收的信号与所述步骤‘c’的结果进行要素式相乘(element-wisemultiply)，以得到所述去信道化的被接收的信号。
框806–数据信号提取。此阶段的目标是重建与所述信道化相关联的所述数据信号。在去信道化(或解扩)后，所述被解扩的信号由多个等值间隔(也被称为‘多个符号(symbols)’)组成，每一个是码片持续时间长度(chip duration length)乘以所述信道化码的所述索引(也被称为'扩频因子(spreading factor)')或被简称为‘SF’)。例如：如果所述***采样率为每码片2个样本，则由2X128个长间隔/符号的样本建构SF为128的一被解扩的信号(despreaded signal)。而且，作为一种副产品(byproduct)，这是所述扩频/解扩方法的主要优点之一，所述信号功率通常比其他信号分量、干扰及噪声功率高几分贝。
因此，所述数据提取阶段由以下步骤组成：
a.对于每一个符号，通过估计在一复合加性噪声(complex additive noise)中的DC的任何方法来估计所述符号的所述值。例如：在对所述噪声/干扰的统计的诸多温和条件(mild conditions)下，对符号持续时间进行简单平均可以获得足够的性能。
b.对步骤‘a’的结果进行杂波(cluster)，并将所述杂波与所述多个预期星座图(expected constellations)中的一个进行匹配，然后提取所述信号的振幅。如果所述杂波星座图与所述预期星座图相距太远，则此信道化码被归类为未使用，并且此阶段被中止；及
c.使用所述被估计的振幅，通过对于步骤'a'中的每一个所述估计符号值获取所述识别星座图的最接近值，来重建所述数据符号。
框807–信道化(channelization)。此阶段的目标是重建与所述信道化码相关联的分量信号。这将通过以相同的信道化码重复框805的阶段被完成。
框808–加扰(scrambling)。通过在框804的阶段中被建构的DLSC的码片式乘法(chip-wise multiplication)来加扰在前一级中被接收的所述被扩频的被重建的信号。
框809–更改信道化码(change channelization code)。对于所有所述有效的信道化码，与所述多个被扩频的分量803-810的重建有关的阶段被重复。但是，通常仅多个最高位的信道化码(the highest channelization codes)被使用，或者提供足够的信号干扰比。在这种情况下，应考虑在多个信道化码的列表上应用此过程。
框810–累加器(accumulator)。此阶段的目标是累加所述多个被重建的信号分量，使得在所述过程结束时，所述累加器包含对所述基站发射器的所述输入处的所述被发送的信号的一估量(estimate)。
尽管本发明已经描述关于一有限数量的实施例，但是应当理解的是，本发明的许多变型、修改及其他应用可以被做出。因此，如所附权利要求书所述的要求保护的发明不限于本文所述的诸多实施例。
词汇表(GLOSSARY)
除非另有说明，否则以下列出的术语及描述旨在阐明及补充本领域术语的通用用法及含义。
参考源(reference source)–此术语包括所有类型的参考信号发射器。
参考信号(reference signal)–来自一参考源(reference source)(譬如基站、WiFi路由器等)的信号。
被反射的信号(reflected signal)–原先从一参考源(譬如基站)被发射并撞击一目标的信号。
诸多信号(参考信号、被反射的信号)的诸多分量(components)–由所述源(譬如基站)加总以创建所述参考信号的诸多信号，所述参考信号可能是所述基站的诸多控制信号、承载数据的诸多信号、用于同步的诸多信号等。这些分量的一完整描述取决于所述通信协议，并且可以在与每种通信类型(LTE、UMTS、Wifi等)相关联的文献中找到这些分量的列表。
目标(target)–用户感兴趣的任何物体，诸如无人机、飞机、人、车辆及地形特征。
监视天线(surveillance antenna)–被设计以捕获来自诸多目标的所述被反射的信号的所述诸多天线。本***涉及仅具备或使用诸多接收信道的一雷达。而非传输。因此，所述术语监视天线意指“所述监视天线及它的接收信道(the surveillance antenna andits receive channel)”。一接收信道的所述框图为：天线->模拟前端->模数转换器(ADC)。“输出(output)”意指所述接收信道(其包括所述ADC)的输出。也就是说，通过人为地重建所述信号(理论上出现在所述基站的所述发射信道的所述输入)，并使所述信号通过所述被估计的传递函数，从而在无干扰信号的情况模仿采样(所述ADC操作)来自所述基站的所述信号。
干扰信号(interfering signal)–从一不同的源到所述参考源的信号被用于所述双静态雷达(bi-static radar)的操作，从而具有不同的扰码。
干扰(interference)–一种通过所述干扰信号与一被期望的信号叠加(superposition)，使得所述被期望的信号被其他信号污染(contaminating)的操作。
解扰(扩频)(descrambling(spreading))–逆转所述加扰(扩频)的操作，在所述操作中，所述信号被要素式地乘以(element-wisely multiplied by)一个1/-1加扰(扩频)码(scrambling(spreading)code)。解扰(解扩)将所述加扰(扩频)信号与相同的加扰(扩频)码要素式地(element-wisely)相乘，来提取所述原始信号。
调理(conditioning)–增强一信号以准备用于分析信号。
被调理的信号(conditioned signal)–所述被增强的源信号，其不受所述干扰信号的污染。
被抑制的信号(suppressed signal)–所述被增强的被反射的信号不受所述诸多干扰信号的污染。
被精化的信号(refined signal)–可互换地意指已调理及已抑制的信号，只要它们都不受干扰。有些时候，所述术语“被精化的被反射的信号(refined reflectedsignal)”及“被精化的参考信号(refined reference signal)”被用于区分两个信号。在其他时候，所述术语通过在其中出现的上下文被理解。
重建(reconstructing)：这是由一计算机的处理器建构的一数学构造。
输入残余信号(input residual signal)：是产生自所述残余信号的先前实例中迭代地减去所述参考信号的一估量(通过重建并通过所述介质的所述被估计的传递函数的方式)的信号。
Claims (10)
1.一种用于通过利用每载波多信道蜂窝施照器源的一无源雷达***检测一目标的方法，其特征在于：所述方法包括步骤：
从一参考源接收一参考信号，所述参考信号在所述无源雷达***的一雷达接收器的一参考元件处被接收；
在所述雷达接收器的一监视元件处接收一被反射的信号，所述被反射的信号源自所述参考源并被反射离开所述目标，所述被反射的信号包括干扰；
解密所述多个信号的多个分量；及
从所述多个分量重建所述多个信号，排除所述干扰；
其中所述解密及重建的步骤包括：
使用多个空时自适应处理算法对所述参考信号进行滤波，以接收一选择性参考信道；
应用一调理算法，以获得一清理参考小区信号副本，其中多个干扰信号及所述多个干扰信号的多径被去除，从而产生一被调理的信号；
使用所述多个空时自适应处理算法对所述被反射的信号进行滤波；以使用所述被调理的信号的一清理算法从所述被反射的信号去除直接干扰，使所述被调理的信号通过一滤波器，所述滤波器代表在所述参考元件与所述监视元件之间的一传递函数，并从所述被反射的信号减去一结果信号；及
通过使所述被反射的信号连续经历一抑制算法的至少一次迭代来重建所述被反射的信号，产生一被精化的被反射的信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括步骤：
在一被精化的参考信号与所述被调理的信号之间进行一交叉歧义函数，从而对于每一个接收停留产生一距离多普勒图像；
使用所述被反射的信号的不同信道中的相同像素的振幅及相位，以方位角及仰角来估计所述目标的一到达角度，所述估计的步骤仅在通过一恒定的误报率机制被提取的多个像素上被执行；
将一检测前跟踪算法应用到所述目标；
建立多个绘图报告；
获得多个位置及速度的估计；及
显示所述多个绘图。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述调理算法包括步骤：
将一下行扰码拟合到所述参考信号；
将一接收器本地振荡器校正为一干扰小区载波频率；
估计介于所述参考源的一发射器的一输入与所述无源雷达***的所述雷达接收器的一输出之间的一介质的一传递函数；
重建一源信号，所述源信号是源自所述参考源被发送的一信号；及
通过所述被估计的传递函数转化所述被重建的源信号，从而获得所述参考信号的一估量，其中所述估量是所述被调理的信号。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：通过检测一主同步码及一次同步码并从所述次同步码的序列推断所述下行扰码，使所述下行扰码被找到。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述下行扰码是由一外部知识库支配的。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于：重建所述源信号的步骤包括：决定多个有源的正交可变扩频因子的信道；
估计及重建所述多个信道的多个符号；及
添加多个被重建的同步。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述抑制算法包括以下步骤：
将一下行扰码拟合到所述参考信号；
将一接收器本地振荡器校正为一干扰小区载波频率；
估计介于所述参考源的一发射器的一输入与所述无源雷达***的所述雷达接收器的一输出之间的一介质的一传递函数；
重建一源信号，所述源信号是源自所述参考源被发送的一信号；
通过所述被估计的传递函数转化对所述被重建的源信号，从而获得所述干扰信号的一估量；
从一输入残余信号减去所述干扰信号的所述估量，以便建立一新的残余信号；及
检查所有下行扰码是否已经被使用，使得如果所有所述下行扰码已经被使用，则所述新的残余信号为所述雷达接收器的所述输出，否则，将所述下行扰码改为一未使用的下行扰码，并以所述新的残余信号再次进行所述抑制算法。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述重建所述源信号的步骤包括：重建一主同步码、一次同步码及一公共导频信道，通过以下方式：
使用一已知算法构建所述主同步码、所述次同步码及所述公共导频信道中的每一个，使得每码片样本数符合一采样率，
通过查找所述主同步码、所述次同步码及所述公共导频信道中的每一个与所述被接收的信号之间的一最大相关性，将所述主同步码、所述次同步码及所述公共导频信道中的每一个与所述输入残余信号或新的残余信号同步；以及
将所述主同步码、所述次同步码及所述公共导频信道中的每一个复制为一相同长度的所述残余信号；
使所述被重建的所述主同步码、所述次同步码及所述公共导频信道的多个分量通过所述被估计的传递函数，以便将在所述参考源的一输入处的所述多个被重建的分量转译为所述雷达接收器的一输出；
从所述输入残余信号减去在所述雷达接收器的所述输出处被估计的所述多个被重建的信号；
解扰所述被接收的信号或所述输入残余信号；
解扩所述被接收的信号；
从所述被解扩的信号提取一数据信号；
重建与一信道化码相关联的一分量信号，以接收一被扩频的被重建的信号；
通过在所述解扩步骤中被建构的一下行扰码的码片式乘法来加扰所述被扩频的被重建的信号；
对所有有效的信道化码重复所述被扩频的多个分量的重建；及
累加所述被重建的信号的多个分量，以便在所述参考源的所述输入处复得所述源信号的一估量。
9.如权利要求4及8任一项所述的方法，其特征在于：通过将一复正弦曲线拟合到一公共导频信道的信号或其等效物，并通过所述被拟合的复正弦曲线的一被估计的频率来校正从所述干扰小区被接收到所述信号，使所述本地振荡器的校正被实现。
10.一种被配置为利用每载波多信道蜂窝施照器源的无源雷达***，其特征在于：所述***包括：
一雷达接收器，包括：
一参考天线元件，被配置为从一参考源接收一参考信号，以及
一监视天线元件，被配置为接收一被反射的信号，所述被反射的信号源自所述参考源并被反射离开一目标，其中所述被反射的信号包括干扰；及
一信号处理器，被配置为分析所述多个被接收的信号并进行与计算，以解密所述被接收的参考信号及被反射的信号的多个分量，以便识别所述干扰，并且从所述多个分量重建所述多个信号，没有所述干扰；其中所述解密及重建包括：
使用多个空时自适应处理算法对所述参考信号进行滤波，以接收一选择性参考信道；
应用一调理算法，以获得一清理参考小区信号副本，其中多个干扰信号及所述多个干扰信号的多径被去除，从而产生一被调理的信号；
使用所述多个空时自适应处理算法对所述被反射的信号进行滤波；以使用所述被调理的信号的一清理算法从所述被反射的信号去除直接干扰，使所述被调理的信号通过一滤波器，所述滤波器代表在所述参考天线元件与所述监视天线元件之间的一传递函数，并从所述被反射的信号减去一结果信号；及
通过使所述被反射的信号连续经历一抑制算法的至少一次迭代来重建所述被反射的信号，产生一被精化的被反射的信号。
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