如何用KrakenSDR制作被動(dòng)雷達(dá)呢？

用電視天線和軟件定義無(wú)線電監(jiān)測(cè)空中物體。

提起與無(wú)線電有關(guān)的項(xiàng)目，我在紐約的家的確是個(gè)糟糕的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)。如果我們可以看到和聽(tīng)到無(wú)線電波，那么電子舞曲（EDM）狂歡派對(duì)會(huì)像一個(gè)剝奪感官的牢籠。大城市的無(wú)線電干擾無(wú)處不在。不過(guò)有一次我發(fā)現(xiàn)，我可以把這里的電磁信號(hào)“萬(wàn)花筒”優(yōu)勢(shì)用在被動(dòng)雷達(dá)站項(xiàng)目上。

被動(dòng)雷達(dá)與普通雷達(dá)不同，它不會(huì)發(fā)出脈沖信號(hào)并觀察反射波，而會(huì)使用環(huán)境信號(hào)。例如，參考天線接收來(lái)自蜂窩塔的信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)天線調(diào)諧到相同的頻率，并對(duì)參考信號(hào)和監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。如果檢測(cè)到來(lái)自某個(gè)物體的反射，那么根據(jù)反射波到達(dá)監(jiān)測(cè)天線的時(shí)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(duì)被動(dòng)雷達(dá)感興趣，是因?yàn)槲蚁霚y(cè)試一款新的軟件定義無(wú)線電（SDR）。從2006年以來(lái)，我一直在關(guān)注《科技縱覽》中的業(yè)余SDR開(kāi)發(fā)情況，當(dāng)時(shí)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(shí)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(jià)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(kāi)始價(jià)格相對(duì)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(jì)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(hào)也可接收信號(hào)，例如HackRF One和Lime Mini。

我發(fā)現(xiàn)CrowdSupply提供399美元的KrakenSDR，當(dāng)時(shí)我正在利用這些設(shè)備研究SDR。雖然它只能接收信號(hào)，但它擁有不止一兩個(gè)調(diào)諧器，而是有5個(gè)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(lái)，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)彼此間的想干同步。

這意味著，可以將5個(gè)全向天線排成一個(gè)圓圈，通過(guò)觀察傳輸信號(hào)何時(shí)到達(dá)每個(gè)天線來(lái)進(jìn)行無(wú)線電測(cè)向。通常，業(yè)余愛(ài)好者測(cè)向時(shí)必須四面擺動(dòng)定向天線，有時(shí)這樣做是有困難的，例如在開(kāi)車時(shí)就很難實(shí)現(xiàn)。

不過(guò)，KrakenSDR吸引了我。作為一種成本極低的無(wú)線電技術(shù)，KrakenSDR可以用來(lái)制作被動(dòng)雷達(dá)。于是我下單了，下一步是尋找合適的天線。KrakenSDR的無(wú)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(gè)原因：首先，雖然KrakenSDR能夠使用多種信號(hào)（包括調(diào)頻廣播和蜂窩塔傳輸），但數(shù)字電視信號(hào)時(shí)最適合的選擇，這種信號(hào)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(tái)信號(hào)不同（無(wú)線電設(shè)備制造商KrakenRF指出，如果一定要用調(diào)頻信號(hào)，那么可以選擇重金屬電臺(tái)，“因?yàn)橹亟饘俑咏自肼暋保?；第二個(gè)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(hào)淹沒(méi)。

我訂購(gòu)了兩個(gè)小巧輕便的19美元電視天線。便攜性很重要，因?yàn)槲乙獢y帶整個(gè)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(shì)：首先，這附近經(jīng)常有紐約機(jī)場(chǎng)的飛機(jī)著陸和起飛，在空曠的背景下，移動(dòng)的大型金屬物體是很好的雷達(dá)探測(cè)對(duì)象；其次，從我家屋頂可以看到帝國(guó)大廈，我可以從塔尖發(fā)射的6個(gè)以上的電視頻道中任意選擇一個(gè)作為參考信號(hào)。

我的裝備包括一個(gè)耐用的電池組、KrakenSDR、線纜和天線，以及一個(gè)樹莓派4（用于處理來(lái)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(gè)已配置的操作系統(tǒng)，可與其預(yù)安裝開(kāi)源軟件一起運(yùn)行。它還為樹莓派設(shè)置了一個(gè)有網(wǎng)頁(yè)界面的Wi-Fi接入點(diǎn)。我非常希望有更多公司采用這種方法，因?yàn)榘惭b開(kāi)源軟件時(shí)，試圖精準(zhǔn)復(fù)制開(kāi)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(gè)已知的可用設(shè)置也是有用的參考，更加便于測(cè)試硬件。

我將參考天線朝向了帝國(guó)大廈，將監(jiān)測(cè)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(hào)的影響，同時(shí)讓自己也能避開(kāi)風(fēng)。使用網(wǎng)頁(yè)界面內(nèi)置的頻譜分析儀檢查天線饋入信號(hào)，我發(fā)現(xiàn)選擇帝國(guó)大廈的傳輸塔作為無(wú)線電照射源是非常成功的，因?yàn)閰⒖夹盘?hào)會(huì)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(guò)，強(qiáng)烈的光意味著會(huì)有明亮的反射。我一只手將監(jiān)測(cè)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(gè)光點(diǎn)，過(guò)了一會(huì)兒，一架噴氣式飛機(jī)轟鳴而來(lái)。（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(hào)截止閾值，使雷達(dá)回波不受噪聲和多架飛機(jī)帶來(lái)的干擾。SDR取得了成功！

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

審核編輯：劉清