如何KrakenSDR制作被動雷達(dá)

用電視天線和軟件定義無線電監(jiān)測空中物體。

提起與無線電有關(guān)的項目，我在紐約的家的確是個糟糕的實驗地點。如果我們可以看到和聽到無線電波，那么電子舞曲（EDM）狂歡派對會像一個剝奪感官的牢籠。大城市的無線電干擾無處不在。不過有一次我發(fā)現(xiàn)，我可以把這里的電磁信號“萬花筒”優(yōu)勢用在被動雷達(dá)站項目上。

被動雷達(dá)與普通雷達(dá)不同，它不會發(fā)出脈沖信號并觀察反射波，而會使用環(huán)境信號。例如，參考天線接收來自蜂窩塔的信號，同時監(jiān)測天線調(diào)諧到相同的頻率，并對參考信號和監(jiān)測信號進(jìn)行對比。如果檢測到來自某個物體的反射，那么根據(jù)反射波到達(dá)監(jiān)測天線的時間可得出距離。根據(jù)多普勒效應(yīng)，頻率的改變可反映物體的速度。

我對被動雷達(dá)感興趣，是因為我想測試一款新的軟件定義無線電（SDR）。從2006年以來，我一直在關(guān)注《科技縱覽》中的業(yè)余SDR開發(fā)情況，當(dāng)時SDR遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了創(chuàng)客的預(yù)算。

最大的飛躍發(fā)生在2012年，當(dāng)時人們發(fā)現(xiàn)，使用RTL2832U調(diào)解器芯片的U盤電視調(diào)諧器可以制作價格低但有效的SDR接收器。隨后行業(yè)內(nèi)掀起了一股SDR浪潮，并大幅刺激了需求，一些制造商開始價格相對較低的高品質(zhì)SDR，其中就包括采用了更好支持器件和設(shè)計的基于RTLx的U盤電視調(diào)諧器，以及全新的接收器，如RSPDx。其中一些新SDR既可發(fā)送信號也可接收信號，例如HackRF One和Lime Mini。

我發(fā)現(xiàn)CrowdSupply提供399美元的KrakenSDR，當(dāng)時我正在利用這些設(shè)備研究SDR。雖然它只能接收信號，但它擁有不止一兩個調(diào)諧器，而是有5個調(diào)諧器。這些調(diào)諧器采用RTL R820T2/R860芯片，而這些硬件結(jié)合起來，能夠自動實現(xiàn)彼此間的想干同步。

這意味著，可以將5個全向天線排成一個圓圈，通過觀察傳輸信號何時到達(dá)每個天線來進(jìn)行無線電測向。通常，業(yè)余愛好者測向時必須四面擺動定向天線，有時這樣做是有困難的，例如在開車時就很難實現(xiàn)。

不過，KrakenSDR吸引了我。作為一種成本極低的無線電技術(shù)，KrakenSDR可以用來制作被動雷達(dá)。于是我下單了，下一步是尋找合適的天線。KrakenSDR的無線電設(shè)備制造商KrakenRF推薦使用定向八木電視天線，

這有兩個原因：首先，雖然KrakenSDR能夠使用多種信號（包括調(diào)頻廣播和蜂窩塔傳輸），但數(shù)字電視信號時最適合的選擇，這種信號非常均勻地分布在廣播頻道的頻段，與多變的窄帶調(diào)頻電臺信號不同（無線電設(shè)備制造商KrakenRF指出，如果一定要用調(diào)頻信號，那么可以選擇重金屬電臺，“因為重金屬更接近白噪聲”）；第二個原因是，定向天線指向遠(yuǎn)離參考源，這意味著它不太可能被參考信號淹沒。

我訂購了兩個小巧輕便的19美元電視天線。便攜性很重要，因為我要攜帶整個裝置往返于我公寓樓的屋頂。我在城市郊區(qū)的特殊位置有很多優(yōu)勢：首先，這附近經(jīng)常有紐約機(jī)場的飛機(jī)著陸和起飛，在空曠的背景下，移動的大型金屬物體是很好的雷達(dá)探測對象；其次，從我家屋頂可以看到帝國大廈，我可以從塔尖發(fā)射的6個以上的電視頻道中任意選擇一個作為參考信號。

我的裝備包括一個耐用的電池組、KrakenSDR、線纜和天線，以及一個樹莓派4（用于處理來自SDR的數(shù)據(jù)）。KrakenSDR為樹莓派提供SD卡映象，為該樹莓派捆綁了一個已配置的操作系統(tǒng)，可與其預(yù)安裝開源軟件一起運行。它還為樹莓派設(shè)置了一個有網(wǎng)頁界面的Wi-Fi接入點。

我非常希望有更多公司采用這種方法，因為安裝開源軟件時，試圖精準(zhǔn)復(fù)制開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境往往是一件令人沮喪的事。即便你最終不在樹莓派上安裝KrakenSDR軟件，擁有一個已知的可用設(shè)置也是有用的參考，更加便于測試硬件。

我將參考天線朝向了帝國大廈，將監(jiān)測天線撤到我所在的建筑物樓梯間上層結(jié)構(gòu)的后面。這是為了防止天線受到參考信號的影響，同時讓自己也能避開風(fēng)。

使用網(wǎng)頁界面內(nèi)置的頻譜分析儀檢查天線饋入信號，我發(fā)現(xiàn)選擇帝國大廈的傳輸塔作為無線電照射源是非常成功的，因為參考信號會使接收器飽和，默認(rèn)增益設(shè)置為27分貝，我將其降為了2.7分貝。

不過，強(qiáng)烈的光意味著會有明亮的反射。我一只手將監(jiān)測天線指向了陰沉的天空，用另一只手拿著手機(jī)。令人高興的是，我立刻在速度與距離的雷達(dá)圖上看到了一個光點，過了一會兒，一架噴氣式飛機(jī)轟鳴而來。（該雷達(dá)圖約每3秒更新一次。）回波很強(qiáng)，能夠大大提高信號截止閾值，使雷達(dá)回波不受噪聲和多架飛機(jī)帶來的干擾。SDR取得了成功！

應(yīng)該承認(rèn)的是，我的被動雷達(dá)裝置沒有太多的日常價值。但它清晰明確地展示出價格低廉的SDR技術(shù)的發(fā)展程度和速度。

作者：Stephen Cass