用电视天线和软件定义无线电监测空中物体。
提起与无线电有关的项目,我在纽约的家的确是个糟糕的实验地点。如果我们可以看到和听到无线电波,那么电子舞曲(edm)狂欢派对会像一个剥夺感官的牢笼。大城市的无线电干扰无处不在。不过有一次我发现,我可以把这里的电磁信号“万花筒”优势用在被动雷达站项目上。
被动雷达与普通雷达不同,它不会发出脉冲信号并观察反射波,而会使用环境信号。例如,参考天线接收来自蜂窝塔的信号,同时监测天线调谐到相同的频率,并对参考信号和监测信号进行对比。如果检测到来自某个物体的反射,那么根据反射波到达监测天线的时间可得出距离。根据多普勒效应,频率的改变可反映物体的速度。
我对被动雷达感兴趣,是因为我想测试一款新的软件定义无线电(sdr)。从2006年以来,我一直在关注《科技纵览》中的业余sdr开发情况,当时sdr远远超出了创客的预算。最大的飞跃发生在2012年,当时人们发现,使用rtl2832u调解器芯片的u盘电视调谐器可以制作价格低但有效的sdr接收器。随后行业内掀起了一股sdr浪潮,并大幅刺激了需求,一些制造商开始价格相对较低的高品质sdr,其中就包括采用了更好支持器件和设计的基于rtlx的u盘电视调谐器,以及全新的接收器,如rspdx。其中一些新sdr既可发送信号也可接收信号,例如hackrf one和lime mini。
我发现crowdsupply提供399美元的krakensdr,当时我正在利用这些设备研究sdr。虽然它只能接收信号,但它拥有不止一两个调谐器,而是有5个调谐器。这些调谐器采用rtl r820t2/r860芯片,而这些硬件结合起来,能够自动实现彼此间的想干同步。
这意味着,可以将5个全向天线排成一个圆圈,通过观察传输信号何时到达每个天线来进行无线电测向。通常,业余爱好者测向时必须四面摆动定向天线,有时这样做是有困难的,例如在开车时就很难实现。
不过,krakensdr吸引了我。作为一种成本极低的无线电技术,krakensdr可以用来制作被动雷达。于是我下单了,下一步是寻找合适的天线。krakensdr的无线电设备制造商krakenrf推荐使用定向八木电视天线,这有两个原因:首先,虽然krakensdr能够使用多种信号(包括调频广播和蜂窝塔传输),但数字电视信号时最适合的选择,这种信号非常均匀地分布在广播频道的频段,与多变的窄带调频电台信号不同(无线电设备制造商krakenrf指出,如果一定要用调频信号,那么可以选择重金属电台,“因为重金属更接近白噪声”);第二个原因是,定向天线指向远离参考源,这意味着它不太可能被参考信号淹没。
我订购了两个小巧轻便的19美元电视天线。便携性很重要,因为我要携带整个装置往返于我公寓楼的屋顶。我在城市郊区的特殊位置有很多优势:首先,这附近经常有纽约机场的飞机着陆和起飞,在空旷的背景下,移动的大型金属物体是很好的雷达探测对象;其次,从我家屋顶可以看到帝国大厦,我可以从塔尖发射的6个以上的电视频道中任意选择一个作为参考信号。
我的装备包括一个耐用的电池组、krakensdr、线缆和天线,以及一个树莓派4(用于处理来自sdr的数据)。krakensdr为树莓派提供sd卡映象,为该树莓派捆绑了一个已配置的操作系统,可与其预安装开源软件一起运行。它还为树莓派设置了一个有网页界面的wi-fi接入点。我非常希望有更多公司采用这种方法,因为安装开源软件时,试图精准复制开发系统环境往往是一件令人沮丧的事。即便你最终不在树莓派上安装krakensdr软件,拥有一个已知的可用设置也是有用的参考,更加便于测试硬件。
我将参考天线朝向了帝国大厦,将监测天线撤到我所在的建筑物楼梯间上层结构的后面。这是为了防止天线受到参考信号的影响,同时让自己也能避开风。使用网页界面内置的频谱分析仪检查天线馈入信号,我发现选择帝国大厦的传输塔作为无线电照射源是非常成功的,因为参考信号会使接收器饱和,默认增益设置为27分贝,我将其降为了2.7分贝。
不过,强烈的光意味着会有明亮的反射。我一只手将监测天线指向了阴沉的天空,用另一只手拿着手机。令人高兴的是,我立刻在速度与距离的雷达图上看到了一个光点,过了一会儿,一架喷气式飞机轰鸣而来。(该雷达图约每3秒更新一次。)回波很强,能够大大提高信号截止阈值,使雷达回波不受噪声和多架飞机带来的干扰。sdr取得了成功!
应该承认的是,我的被动雷达装置没有太多的日常价值。但它清晰明确地展示出价格低廉的sdr技术的发展程度和速度。
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