CN116660856B - 一种基于5g时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，针对5G信号采用TDD传输的问题，通过搜索并解码SSB信号实现5G信号帧的时频同步，在移除上行时隙后，进行距离‑多普勒处理，可以避免上行信号对目标探测的影响，有效提高目标分辨率和回波信噪比，分别得到目标的时延和多普勒频移信息，实现对目标的有效探测。本发明提供的一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，利用5G信号作为外辐射源雷达信号进行目标探测，低空覆盖能力好，无电磁污染，可全天候连续监控；相对于常用的FM、4G等辐射源信号，距离分辨率和速度分辨率更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，属于外辐射源雷达目标探测技术领域。
背景技术
目前，低空目标防控手段主要包括无线电侦测、光电探测、声波探测和雷达探测等。其中，外辐射源雷达是一种利用非配合辐射源信号进行目标探测的设备，又称被动雷达，属于雷达设备中的一种。但与常规雷达不同，其本身并不发射信号，而是通过接收目标反射的非合作照射源（广播、电视、通信基站等）回波信号进行探测，能以无线电静默的方式对多种类型和多批次的低空目标进行探测，具有成本低无辐射、组网探测能力强等优势，特别适合于对电磁辐射有限制同时又对探测性能要求较高的城市环境。
随着第五代移动通信（5G）的迅速发展，相对于其他辐射源而言，将5G信号作为非合作照射源进行目标检测具有如下优点：
1）、支持更灵活的子载波间隔，将时隙作为调度单位，能够根据不同需求配置帧结构参数，适配多样化业务需求和资源部署。
2）、通信基站布设密集，采用MIMO天线设计和波束赋形等技术，通信覆盖率更高。
3）、频段更宽，通信带宽更大，最大频谱宽度可达100MHz，使得距离分辨率和速度分辨率更高。
但与其他辐射源不同，5G基站采用时分双工（Time Division Duplexing，TDD）传输模式，共有三种“类型”的时隙：1）、下行链路时隙（DL），即5G基站的发射信号；2）、上行链路时隙（UL），即通信终端的发射信号；以及3）、用于配置DL/UL模式的特殊（SP）时隙。由于上行时隙和下行时隙的发射终端不同，在外辐射源雷达系统距离-多普勒处理的过程中，上行时隙会对目标探测结果产生影响。
因此，基于5G的外辐射源雷达系统信号处理方法不同，需要加以改进，以实现对低空目标的稳定探测。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，包括如下步骤：
步骤S1、获取中心频率为、采样率为的5G基站直达波信号，目标回波信号。
步骤S2、根据5G协议生成3种本地主同步信号，并将3种本地主同步信号调制为对应的时域信号，考虑整数倍的最小子载波间隔的频偏，将时域信号分别与5G基站直达波信号进行互相关运算得到PSS互相关结果，根据PSS互相关结果的最大值确定SSB同步信号块时域信号的时间偏移和小区ID号。
步骤S3、根据时间偏移从5G基站直达波信号中提取4个CP-OFDM符号长度的SSB同步信号块时域信号，并获取SSB同步信号块时域信号的循环前缀部分和重复的数据部分，将循环前缀部分与重复的数据部分进行互相关运算得到频偏互相关结果，根据频偏互相关结果估计5G信号的频率偏移。
步骤S4、解码SSB同步信号块时域信号，提取SSS序列，根据5G协议生成336种本地辅同步信号，分别与SSS序列进行互相关运算得到SSS互相关结果，根据SSS互相关结果的最大值确定小区ID号。
步骤S5、根据小区ID号和小区ID号求取联合小区ID号，解码SSB同步信号块时域信号，根据联合小区ID号提取DMRS序列，根据5G协议生成8种本地解调参考信号，分别与进行互相关运算得到DMRS互相关结果，根据DMRS互相关结果的最大值确定SSB信号索引。
步骤S6、根据SSB传输模式确定索引为的SSB信号开始符号位置，并根据SSB信号开始符号位置与SSB信号的时间偏移联合确定信号帧的时间偏移，并通过和频率偏移调整5G基站直达波信号和目标回波信号，分别得到同步后的5G基站直达波信号和目标回波信号。
步骤S7、根据不同5G基站TDD传输模式将同步后的5G基站直达波信号中的灵活时隙和上行时隙部分置0，得到下行信号。
步骤S8、对下行信号和同步后的目标回波信号计算互模糊函数，根据互模糊函数最大值得到目标的时延和多普勒频移信息。
作为优选方案，所述时间偏移和小区ID号的计算公式如下：
；
式中，
；
其中，表示3种本地主同步信号的序号，表示取共轭，表示时延，表示整数倍的最小子载波间隔，表示取最大值，表示取最大值时对应的，表示取最大值时对应的，表示e的指数函数，表示取最大值时对应的整数倍，表示虚数单位，表示圆周率，表示时间。
作为优选方案，所述5G信号的频率偏移计算公式如下：
；
式中，；
其中，表示取共轭，表示求和，表示时延，为角度运算符，为信号子载波间隔。
作为优选方案，所述SSB同步信号块时域信号计算公式如下：
；
所述循环前缀部分和重复的数据部分计算公式如下：
；
；
其中，为采样率，为OFDM符号循环前缀CP短长度，为OFDM符号长度，为CP-OFDM符号短长度，为CP-OFDM符号序数，对应。
作为优选方案，所述小区ID号计算公式如下：
；
式中，；
其中，表示离散序列的自变量，表示离散序列的滑动点数，表示SSS序列的长度，表示取共轭，表示336种本地辅同步信号的序号，表示取最大值，表示取最大值时对应的。
作为优选方案，所述SSB信号索引计算公式如下：
；
式中，；
其中，表示离散序列的自变量，表示离散序列的滑动点数，表示DMRS序列的长度，表示取共轭，表8种本地解调参考信号的序号，表示取最大值，表示取最大值时对应的。
作为优选方案，所述同步后的5G基站直达波信号和目标回波信号，计算公式如下：
；
；
式中，当SSB传输模式为Case C时，计算公式如下：
；
其中，为CP-OFDM符号长长度，为CP-OFDM符号短长度，为采样率。
作为优选方案，所述下行信号计算公式如下：
当TDD传输模式为2.5ms单周期时，下行信号计算公式如下：
；
式中：
；
；
其中，为CP-OFDM符号长长度，为CP-OFDM符号短长度，为采样率，为周期数。
当TDD传输模式为2.5ms双周期时，下行信号计算公式如下：
；
式中：
；
当TDD传输模式为5ms单周期时，下行信号计算公式如下：
；
式中：
；
。
作为优选方案，，；
其中，为正交频分复用OFDM符号长度，为正交频分复用OFDM循环前缀短长度，为正交频分复用OFDM循环前缀长长度。
作为优选方案，所述目标的时延和多普勒频移计算公式如下：
；
式中：；
其中，表示取共轭，表示时延，表示多普勒频率，表示取最大值，表示取最大值时对应的，表示取最大值时对应的。
有益效果：本发明提供的一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，利用5G信号作为外辐射源雷达信号进行目标探测，低空覆盖能力好，无电磁污染，可全天候连续监控；相对于常用的FM、4G等辐射源信号，距离分辨率和速度分辨率更好。针对5G信号采用TDD传输的问题，通过搜索并解码SSB信号实现5G信号帧的时频同步，在移除上行时隙后，进行距离-多普勒处理，可以避免上行信号对目标探测的影响，有效提高目标分辨率和回波信噪比，分别得到目标的时延和多普勒频移信息，实现对目标的有效探测。
附图说明
图1是本发明使用的外辐射源雷达系统结构示意图。
图2是本发明使用的5G信号SSB传输模式（Case C）示意图，对应于中国移动5G信号（2.515~2.615GHz）。
图3是本发明使用的5G信号TDD传输模式（5ms单周期）示意图，对应于中国移动5G信号（2.515~2.615GHz）。
图4是本发明使用的一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法的流程图。
图5是本发明实施例中参考通道信号时频图。
图6是本发明实施例中同步后的参考通道信号时频图。
图7是本发明实施例中上行时隙移除后的参考通道信号时频图。
图8是本发明实施例中距离-多普勒处理结果图。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明的技术方案针对的对象是5G下行信号外辐射源雷达，其一般结构如图1所示。其中，外辐射源雷达包括：指向5G基站方向的参考通道天线用于获取5G基站直达波信号，指向探测空域的监测通道天线用于获取目标回波信号，和完成后续信号处理的信号处理单元。
在本实施例中，外辐射源雷达接收到的参考信号和目标回波信号为中国移动5G信号（2.515GHz~2.615GHz），信号子载波间隔为，最小子载波间隔，信号帧长为10ms，信号子帧时长为1ms，信号时隙时长为0.5ms，每个时隙中包含14个CP-OFDM（Cyclic Prefix OrthogonalFrequency Division Multiplexing，循环前缀正交频分复用）符号。根据5G技术协议，中国移动5G信号的SSB（Synchronization Signal/Physical Broadcast Channel block，同步信号/广播信道块）传输模式（Case C）示意图如图2所示，在20ms周期内传输8个SSB信号，对应索引为0~7，每个SSB开始符号位置为2，8，16，22，30，36，44，50（第一个符号位置记为0），并分别占据4个CP-OFDM符号长度；此外，中国移动5G信号TDD传输模式（5ms单周期）示意图如图3所示，在5ms周期内共有10个0.5ms时隙，其中前7个时隙为下行时隙，第8个时隙为灵活时隙，最后2个时隙为上行时隙，在灵活时隙中前6个CP-OFDM符号为下行符号，中间4个为灵活符号，最后4个为上行符号。
本发明一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法实施过程和信号处理流程如图4所示，具体描述为以下过程：
步骤S1、外辐射源雷达接收机通过参考通道获取中心频率为、采样率为的5G基站直达波信号，并通过监测通道获取目标回波信号，表示为：
;
其中，表示5G基站的发射信号，表示外辐射源雷达接收机参考通道的噪声，表示目标回波的幅度，表示目标的时延，表示目标的多普勒频率，表示外辐射源雷达接收机监测通道的噪声，表示虚数单位，表示圆周率，表示时间。其中，为所要求得的时延，为所要求得的多普勒频率。
在本实施例中，中心频率为、采样率为。图5是本发明实施例中参考通道信号时频图。
步骤S2、参数获取：从参考通道的5G基站直达波信号中读取后续处理所需参数值，包括：OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）正交频分复用符号长度、CP（Cyclic Prefix）循环前缀短长度和循环前缀长长度、CP-OFDM（Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing）循环前缀正交频分复用符号短长度，和循环前缀正交频分复用符号长长度，。
在本实施例中，OFDM符号长度、循环前缀CP短长度和循环前缀CP长长度、CP-OFDM符号短长度和CP-OFDM符号长长度。
步骤S3、PSS（Primary Synchronization Signal）主同步信号检测：根据5G协议生成3种本地主同步信号，并将调制为对应的时域信号，考虑整数倍的最小子载波间隔的频偏，将时域信号分别与S1中的参考通道的5G基站直达波信号进行滑动互相关运算得到PSS互相关结果，根据的最大值确定SSB（Synchronization Signal/Physical Broadcast Channelblock）同步信号块时域信号的时间偏移和小区ID号，计算公式表示为：
；
其中，表示离散序列的自变量，表示3种本地主同步信号的序号，表示取共轭，表示时延，表示整数倍的最小子载波间隔，表示取最大值，表示取最大值时对应的，表示取最大值时对应的，表示e的指数函数，表示取最大值时对应的整数倍。
步骤S4、频率偏移估计：根据S3得到的时间偏移从S1的参考通道的5G基站直达波信号中提取4个CP-OFDM符号长度的SSB同步信号块时域信号，计算公式表示为：
；
的循环前缀部分和重复的数据部分表示为：
；
；
其中，为采样率，为OFDM符号循环前缀CP短长度，为OFDM符号长度，为CP-OFDM符号短长度，为CP-OFDM符号序数，对应。
将的循环前缀部分和重复的数据部分进行互相关运算得到频偏互相关结果，根据估计5G信号的频率偏移，计算公式表示为：
；
；
其中，表示取共轭，表示求和，表示时延，为角度运算符，为信号子载波间隔。
步骤S5、SSS（Secondary Synchronization Signal）辅同步信号检测：解码S4中的SSB同步信号块时域信号，提取SSS序列，根据5G协议生成336种本地辅同步信号，分别与SSS序列进行互相关运算得到SSS互相关结果，根据的最大值确定小区ID号，计算公式表示为：
；
其中，表示离散序列的自变量，表示离散序列的滑动点数，表示SSS序列的长度，表示取共轭，表示336种本地辅同步信号的序号，表示取最大值，表示取最大值时对应的。
步骤S6、DMRS（Demodulation Reference Signal）解调参考信号估计：求取联合小区ID号，，解码S4中的SSB时域信号，根据联合小区ID号提取DMRS序列，根据5G协议生成8种本地解调参考信号，分别与进行互相关运算得到DMRS互相关结果，根据的最大值确定SSB信号索引，计算公式表示为：
；
其中，表示离散序列的自变量，表示离散序列的滑动点数，表示DMRS序列的长度，表示取共轭，表8种本地解调参考信号的序号，表示取最大值，表示取最大值时对应的。
步骤S7、信号时频同步：根据SSB传输模式确定S6中索引为的SSB信号开始符号位置，与S3中SSB信号的时间偏移联合确定信号帧的时间偏移，并通过和S4得到的频率偏移调整S1中5G基站直达波信号和目标回波信号，分别得到同步后的5G基站直达波信号和目标回波信号，计算公式表示为：
；
；
式中，当SSB传输模式为Case C时，信号帧的时间偏移，表示为：
；
其中，为SSB信号的时间偏移，为SSB信号索引，为CP-OFDM符号长长度，为CP-OFDM符号短长度，为采样率。
在本实施例中，SSB传输模式为Case C，SSB信号索引。图6所示为基于本实施例的信号处理结果，具体为同步后的参考通道信号时频图。
步骤S8、上行时隙移除：根据不同运营商5G基站使用的2.5ms单周期、2.5ms双周期和5ms单周期三种TDD传输模式将S7得到的中的灵活时隙和上行时隙部分置0，得到下行信号。
当TDD传输模式为2.5ms单周期时，将S7得到的中灵活时隙和上行时隙置0，得到下行信号，计算公式表示为：
；
；
；
其中，为CP-OFDM符号长长度，为CP-OFDM符号短长度，为一个周期的信号长度，为第一个周期的下行时隙长度，为同步后的5G基站直达波信号，为采样率，为周期数。
当TDD传输模式为2.5ms双周期时，将S7得到的中灵活时隙和上行时隙置0，得到下行信号，计算公式表示为：
；
；
其中，为CP-OFDM符号长长度，为CP-OFDM符号短长度，为一个周期的信号长度，为第一个周期的下行时隙长度，为第二个周期的下行时隙长度，为同步后的5G基站直达波信号，为采样率，为周期数。
当TDD传输模式为5ms单周期时，将S7得到的中灵活时隙和上行时隙置0，得到下行信号，计算公式表示为：
；
；
；
其中，为CP-OFDM符号长长度，为CP-OFDM符号短长度，为一个周期的信号长度，为第一个周期的下行时隙长度，为同步后的5G基站直达波信号，为采样率，为周期数。
在本实施例中，中国移动5G基站使用的TDD传输模式为5ms单周期。图7所示为基于本实施例的信号处理结果，具体为上行时隙移除后的参考通道信号时频图。
步骤S9、距离-多普勒处理：对S8得到的下行信号和S7得到的同步后的目标回波信号计算互模糊函数，根据互模糊函数最大值得到目标的时延和多普勒频移信息，实现目标探测，计算公式表示为：
；
；
其中，表示取共轭，表示时延，表示多普勒频率，表示取最大值，表示取最大值时对应的，表示取最大值时对应的。
图8所示为基于本实施例的信号处理结果，具体为距离-多普勒处理得到的互模糊函数图。可见结合上述步骤，上行信号导致的虚假目标副峰消失，探测目标峰值被保留。通过图8所示的互模糊函数最大值即可得到目标的时延和多普勒频移信息，验证了本发明方法的可行性和有效性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1、获取中心频率为、采样率为的5G基站直达波信号，目标回波信号；
步骤S2、根据5G协议生成3种本地主同步信号，并将3种本地主同步信号调制为对应的时域信号，考虑整数倍的最小子载波间隔的频偏，将时域信号分别与5G基站直达波信号进行互相关运算得到PSS互相关结果，根据PSS互相关结果的最大值确定SSB同步信号块时域信号的时间偏移和小区ID号；
步骤S3、根据时间偏移从5G基站直达波信号中提取4个CP-OFDM符号长度的SSB同步信号块时域信号，并获取SSB同步信号块时域信号的循环前缀部分和重复的数据部分，将循环前缀部分与重复的数据部分进行互相关运算得到频偏互相关结果，根据频偏互相关结果估计5G信号的频率偏移；
步骤S4、解码SSB同步信号块时域信号，提取SSS序列，根据5G协议生成336种本地辅同步信号，分别与SSS序列进行互相关运算得到SSS互相关结果，根据SSS互相关结果的最大值确定小区ID号；
步骤S5、根据小区ID号和小区ID号求取联合小区ID号，解码SSB同步信号块时域信号，根据联合小区ID号提取DMRS序列，根据5G协议生成8种本地解调参考信号，分别与进行互相关运算得到DMRS互相关结果，根据DMRS互相关结果的最大值确定SSB信号索引；
步骤S6、根据SSB传输模式确定索引为的SSB信号开始符号位置，并根据SSB信号开始符号位置与SSB信号的时间偏移联合确定信号帧的时间偏移，并通过和频率偏移调整5G基站直达波信号和目标回波信号，分别得到同步后的5G基站直达波信号和目标回波信号；
步骤S7、根据不同5G基站TDD传输模式将同步后的5G基站直达波信号中的灵活时隙和上行时隙部分置0，得到下行信号；
步骤S8、对下行信号和同步后的目标回波信号计算互模糊函数，根据互模糊函数最大值得到目标的时延和多普勒频移信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：所述时间偏移和小区ID号的计算公式如下：
；
式中，；
其中，表示3种本地主同步信号的序号，表示取共轭，表示时延，表示整数倍的最小子载波间隔，表示取最大值，表示取最大值时对应的，表示取最大值时对应的，表示e的指数函数，表示取最大值时对应的整数倍，表示虚数单位，表示圆周率，表示时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：所述5G信号的频率偏移计算公式如下：
；
式中，；
其中，表示取共轭，表示求和，表示时延，为角度运算符，为信号子载波间隔。
4.根据权利要求1所述的一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：所述SSB同步信号块时域信号计算公式如下：
；
所述循环前缀部分和重复的数据部分计算公式如下：
；
；
其中，为采样率，为OFDM符号循环前缀CP短长度，为OFDM符号长度，为CP-OFDM符号短长度，为CP-OFDM符号序数，对应。
5.根据权利要求1所述的一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：所述小区ID号计算公式如下：
；
式中，；
其中，表示离散序列的自变量，表示离散序列的滑动点数，表示SSS序列的长度，表示取共轭，表示336种本地辅同步信号的序号，表示取最大值，表示取最大值时对应的。
6.根据权利要求1所述的一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：所述SSB信号索引计算公式如下：
；
式中，；
其中，表示离散序列的自变量，表示离散序列的滑动点数，表示DMRS序列的长度，表示取共轭，表8种本地解调参考信号的序号，表示取最大值，表示取最大值时对应的。
7.根据权利要求1所述的一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：所述同步后的5G基站直达波信号和目标回波信号，计算公式如下：
；
；
式中，当SSB传输模式为Case C时，计算公式如下：
；
其中，为CP-OFDM符号长长度，为CP-OFDM符号短长度，为采样率。
8.根据权利要求1所述的一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：所述下行信号计算公式如下：
当TDD传输模式为2.5ms单周期时，下行信号计算公式如下：
；
式中：
；
；
其中，为CP-OFDM符号长长度，为CP-OFDM符号短长度，为采样率，为周期数；
当TDD传输模式为2.5ms双周期时，下行信号计算公式如下：
；
式中：
；
当TDD传输模式为5ms单周期时，下行信号计算公式如下：
；
式中：
；
。
9.根据权利要求4、7、8任一项所述的一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：
；
；
其中，为正交频分复用OFDM符号长度，为正交频分复用OFDM循环前缀短长度，为正交频分复用OFDM循环前缀长长度。
10.根据权利要求1所述的一种基于5G时隙同步的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：所述目标的时延和多普勒频移计算公式如下：
；
式中：；
其中，表示取共轭，表示时延，表示多普勒频率，表示取最大值，表示取最大值时对应的，表示取最大值时对应的。
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