[论文解读] A wave effect enabling universal frequency scaling, monostatic passive radar, incoherent aperture synthesis, and general immunity to jamming and interference

V. Guruprasad|ArXiv.org|Dec 14, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 34被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新颖的波效应，通过利用光谱相位扫描引起的距离相关频移，实现了通用频率缩放和无源雷达。该方法允许单基地无源雷达、非相干孔径合成，并通过基于物理距离而非调制的信号分离实现固有抗干扰能力，关键结果已在音频和宇宙学数据中得到验证。

ABSTRACT

A fundamental Doppler-like but asymmetric wave effect that shifts received signals in frequency in proportion to their respective source distances, was recently described as means for a whole new generation of communication technology using angle and distance, potentially replacing TDM, FDM or CDMA, for multiplexing. It is equivalent to wave packet compression by scaling of time at the receiver, converting path-dependent phase into distance-dependent shifts, and can multiply the capacity of physical channels. The effect was hitherto unsuspected in physics, appears to be responsible for both the cosmological acceleration and the Pioneer 10/11 anomaly, and is exhibited in audio data. This paper discusses how it may be exploited for instant, passive ranging of signal sources, for verification, rescue and navigation; incoherent aperture synthesis for smaller, yet more accurate radars; universal immunity to jamming or interference; and precision frequency scaling of radiant energy in general.

研究动机与目标

• 建立一种基于非零光谱带宽的波方程解的新物理机制，用于无源测距和信号分离。
• 通过用基于物理的距离相关频移的源分离替代基于调制的复用，克服传统雷达和通信系统中的局限性。
• 在无需相干信号处理或外部发射器的情况下，实现单基地无源雷达和非相干孔径合成。
• 通过利用源距离作为独立于调制或功率的分离标准，提供固有的抗干扰和抗干扰能力。

提出的方法

• 该方法依赖于以速率 $ d ilde{k}/dt $ 扫描接收信号的光谱相位，产生与源距离 $ r $ 成正比的频移 $ \beta r/c $，其中 $ \beta $ 是接收机频率选择变化的归一化速率。
• 利用波的光谱相位的相位梯度 $ \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} $，诱导出频移 $ \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} $，该频移作为与距离相关的频移 $ \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} = \frac{r}{\tilde{k}c} \frac{d\tilde{k}}{dt} $，等价于 $ \frac{\beta r}{c} $。
• 核心方程 $ z(r) = \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} = \frac{r}{\tilde{k}c} \frac{d\tilde{k}}{dt} = \frac{\beta r}{c} $ 定义了作为距离和扫描速率函数的归一化频移。
• 通过将时变延迟变换 $ \tilde{G} $ 应用于接收波形，实现信号分离，从而在无需相位相干性的情况下实现非相干孔径合成。
• 该技术使用子带滤波，即使在全带宽失效时也能实现源可分性，依赖于条件 $ \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} \neq 0 $，确保每个源距离产生不同的频移。
• 通过利用多个频率扫描的相位偏移实现基于三角测量的测距，无需往返时间（RTT）测量即可估计源距离。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种基本的波效应，可在无需相干信号处理或外部发射器的情况下，使接收信号产生与距离相关的频移？
• RQ2 该效应是否可用于基于物理源距离而非调制或功率来分离多个信号，从而实现通用频率缩放？
• RQ3 该机制是否能提供固有的抗干扰和抗干扰能力，即使在信号处于相消干涉状态或共享相同频率和调制时也成立？
• RQ4 能否利用该效应实现非相干孔径合成，从而在无需相位相干性的情况下实现高精度雷达成像？
• RQ5 该效应是否能解释此前无法解释的现象，如先驱者异常和宇宙学加速度？

主要发现

• 本文证明了具有非零光谱带宽的真实信号在其频率间的相位梯度中天然携带源距离信息，从而可通过光谱相位扫描实现无源测距。
• 频移 $ \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} = \frac{\beta r}{c} $ 与源距离 $ r $ 成正比，其中 $ \beta $ 表示归一化扫描速率，从而实现通用频率缩放。
• 通过利用接收机自身的频率扫描提取距离和方向，实现了单基地无源雷达，消除了对独立发射器的需求。
• 信号分离基于距离而非调制，即使信号共享相同频率、调制或扩频码，也能实现信号隔离。
• 条件 $ (1 + \beta r_i)\frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} \text{ at } \theta\theta\theta \text{ and } \theta\theta\theta \text{ at } \theta\theta\theta \text{ for } \theta\theta\theta $ 确保了可分性，当 $ \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} $ 非零且满足带宽约束时成立。
• 非相干孔径合成是可行的，可在无需相干信号处理的情况下实现亚波长分辨率和噪声抑制，使其适用于手持或低功耗雷达系统。