CN102508210A - 一种雷电脉冲信号检测及抗干扰装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷电脉冲信号检测及抗干扰装置，包括接收天线与接收前端、ADC单元、DDC单元、信号短时能量统计单元、接收机状态切换控制单元、信号短时能量均值统计单元、恒虚警门限系数寄存器单元、乘法器、检测门限寄存器单元、比较器和检测结果输出单元。本发明通过统计接收机输出的本底噪声的短时能量及其平均值来形成检测门限，然后将其与接收机输出的雷电信号短时能量值进行比较，实现对雷电脉冲信号的自适应检测。在形成检测门限的过程中，通过计算归一化峰度值，来判断并消除外界非高斯干扰对检测门限的影响。在形成检测门限的过程中，还引入遗忘因子算法来计算接收机本底噪声的短时能量值，以消除外界非平稳干扰信号对检测门限的影响。

Description

一种雷电脉冲信号检测及抗干扰装置

技术领域

本发明涉及信号处理中的恒虚警检测技术，具体涉及雷电脉冲信号恒虚警检测及抗非高斯、非平稳信号干扰技术，具体为一种高斯噪声环境下的雷电脉冲信号恒虚警检测及抗干扰装置，该装置或其包含的方法可应用于针对雷电脉冲辐射源的无源定位系统中。

背景技术

恒虚警检测(CFAR)是当前数字信号处理技术的热门研究对象。恒虚警检测技术是雷达系统根据实际工作需要自动调整检测门限，以自适应噪声或周围环境的变化。系统检测门限随接收机输出噪声或干扰信号强度的变化而改变，可以防止因噪声或环境杂波变化而导致错误的检测结果，所以通常CFAR检测也叫自适应门限检测。恒虚警检测技术是雷达目标检测中最常用的方法之一，该技术同样也可应用于无源定位系统中，实现对非合作辐射源或非合作目标的检测。

目前发表的相关专利文献基本上都是基于经典的CFAR检测原理进行设计的。例如，在中国公开发表的专利文献CN1437343A(一种在多径搜索中使用自适应门限的方法)是在多径搜索中采用基于筛选平均的恒虚警率方法来计算门限，实现自适应检测；专利文献CN101271160A(选小单元平均恒虚警率实时检测SAR运动目标方法、装置)公开了一种检测合成孔径雷达运动目标(SAR)的方法及装置；专利文献CN101872014A(基于改进的COSGO-CFAR的目标信号检测方法)公开了一种在连续波体制雷达中的平均顺序统计选大-恒虚警检测方法。上述方法都实现了基本的恒虚警检测功能，但是，若直接将这些恒虚警检测方法应用于对雷电脉冲辐射源进行无源定位的系统中，则因雷电脉冲的持续时间短则几微秒，长则数毫秒，且脉冲形状毫无规律可言，将导致检测性能急剧下降，甚至不能使用。

在不考虑接收机系统外部干扰时，接收机内部噪声属于高斯白噪声。经包络检波后，接收机噪声电压x服从瑞利分布，其概率密度函数P(x)如式(1)所示：

$P\left(x\right)=\frac{x}{{\mathrm{\σ}}^2}\exp (-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}),x>0---\left(1\right)$

其中，σ为瑞利系数，它与噪声电压x的均值μ有关。式(2)给出了σ和μ的关系：

$\mathrm{\μ}={\∫}_0^{+\∞}x\frac{x}{{\mathrm{\σ}}^2}{e}^{-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}\mathrm{dx}=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\mathrm{\σ}---\left(2\right)$

于是有：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\mathrm{\μ}---\left(3\right)$

以上三式表明，高斯白噪声电压的概率密度P(x)与其幅度的均值有关，因而对噪声电压进行归一化处理，可消除噪声均值对其概率密度的影响。

令

式(1)变为：

P(y)＝y exp(-y²/2)，y≥0                                (4)

由式(4)可知，P(y)与噪声均值无关。

对于幅度归一化后的噪声，在系统检测门限值一定的情况下，其虚警概率并不随噪声均值的变动而改变，因而可以实现恒虚警检测。此时系统的检测门限值

(噪声均值)也是归一化后的数值，将其还原为幅度，则有

即当检测门限值μ₀定为噪声均值的σ倍时，可以消除高斯噪声对系统的虚警检测概率的影响。

若将上述恒虚警方法直接用于对雷电脉冲的检测，则要求对接收机输出信号进行包络检波，但因雷电脉冲持续时间和峰值幅度变化范围宽，且脉冲波形无固定特征，将导致检测灵敏度的不确定并进而影响检测概率和虚警率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种雷电信号恒虚警检测及抗干扰装置，该装置具有应用范围广、抗非高斯杂波或非平稳信号干扰的特点。

本发明提供的一种雷电脉冲信号检测及抗干扰装置，其特征在于，该装置包括接收天线与接收前端、ADC单元、DDC单元、信号短时能量统计单元、接收机状态切换控制单元、信号短时能量均值统计单元、恒虚警门限系数寄存器单元、乘法器、检测门限寄存器单元、比较器和检测结果输出单元；

接收天线与接收前端用于接收待检测的雷电信号或者阵列校准信号，并将检测到的信号输出到模拟/数字信号转换器单元；

ADC单元对接收的模拟信号进行采样量化，得到数字信号送入数字下变频单元；

DDC单元对接收的数字信号进行数字下变频处理，得到窄带数字信号，并输出至信号短时能量统计单元；信号短时能量统计单元计算接收机DDC单元输出数字信号采样值在一个时间段内的短时能量值；

信号短时能量统计单元在接收机状态切换控制单元所确定的接收雷电信号工作状态期间，计算出接收机当前时间段对应的信号短时能量值，并分别提供给比较器和信号短时能量均值统计单元；

接收机状态切换控制单元根据系统设定的时间周期控制由接收天线与接收前端、ADC单元、DDC单元组成的接收机在估计检测门限工作状态和接收雷电信号工作状态之间进行切换在估计检测门限工作状态，信号短时能量统计单元的输出值对应于接收机本底噪声的短时能量值；而在接收雷电信号工作状态，信号短时能量统计单元的输出值对应于接收机所接收的雷电脉冲信号的短时能量值；

信号短时能量均值统计单元根据遗传因子算法计算信号短时能量的均值，并提供给乘法器；

恒虚警门限系数寄存器单元用于输出恒虚警门限系数至乘法器；

乘法器将信号短时能量均值统计单元输出的短时能量均值与恒虚警门限系数寄存器单元输出的系数相乘得到当前的检测门限值，并输出存储于检测门限寄存器单元中；

比较器用于将信号短时能量值与检测门限寄存器单元输出的检测门限值进行比较，并将大于检测门限的信号短时能量值输出到检测结果输出单元中。

作为上述技术方案的改进，上述装置还可以包括信号归一化峰度统计单元和判决器；

信号归一化峰度统计单元计算ADC单元输出数字信号的归一化峰度值，并提供给判决器；

判决器根据信号归一化峰度统计单元得到的接收机本底噪声的归一化峰度值来判断接收机在估计信号检测门限时是否受到外界非高斯杂波的干扰，并将未受到非高斯杂波干扰时，信号短时能量统计单元输出的短时能量值送入到信号短时能量均值统计单元。

本发明基于接收机输出信号的短时能量统计值来设计针对雷电脉冲信号的恒虚警检测装置，并在估计检测门限的过程中，根据接收机输出信号的归一化峰度值或采用遗忘算法来判断并消除外界非高斯杂波对检测门限估计值的影响。本发明包含的装置及其方法具有以下特点：

(1)通过计算接收机本底噪声的短时能量值，自适应地估计并修正恒虚警检测门限值。

(2)通过引入遗忘因子算法计算接收机本底噪声的短时能量值，来消除外界非平稳干扰信号对接收机检测门限估计值的影响，改善接收机的抗干扰性能并简化接收机电路。

(3)通过计算接收机本底噪声的归一化峰度值，判断并消除外界非高斯杂波对检测门限估计值的影响，改善接收机的抗干扰性能。

本发明与其它方法或装置相比，可直接应用于对特性未知的非合作辐射源或非合作目标的自适应检测中，例如对于雷电脉冲这类脉冲形状、脉冲幅度和脉冲持续时间均无规律的非合作信号检测的无源定位系统中，具有应用范围广、抗非高斯杂波或非平稳信号干扰的特点。

附图说明

图1是雷电脉冲自适应检测及抗干扰装置的一种具体实现方式的结构示意图。

图2是雷电脉冲自适应检测及抗干扰装置的另一种具体实现方式的结构示意图。

具体实施方式

本发明所提出的装置首先计算接收机输出信号的短时能量，然后设计基于短时能量的恒虚警检测方法，通过引入遗忘因子算法计算接收机本底噪声的短时能量值或计算接收机本底噪声的归一化峰度值判断在确定检测门限的过程中是否受到非高斯信号的干扰，最终达到对雷电脉冲信号的高概率、恒虚警、抗干扰的检测。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明的内容，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图1所示，本发明提供的雷电脉冲信号检测及抗干扰装置是基于遗忘因子算法实现的，该装置包括接收天线与接收前端10、ADC单元20、DDC单元30、信号短时能量统计单元60、接收机状态切换控制单元70、信号短时能量均值统计单元80、恒虚警门限系数寄存器单元90、乘法器100、检测门限寄存器单元110、比较器120和检测结果输出单元130。

接收天线与接收前端10用于接收待检测的雷电信号或者阵列校准信号，并将检测到的信号输出到模拟/数字信号转换器(Analog to DigitalConverter)单元20。

ADC单元20对接收的模拟信号进行采样量化，得到数字信号送入数字下变频(Digital Down Conversion，DDC)单元30。

DDC单元30对接收的数字信号进行数字下变频处理，得到速率较低的窄带数字信号x(k)，并输出至信号短时能量统计单元60。数字信号x(k)由同相分量I(k)和正交分量Q(k)组成：x(k)＝I(k)-jQ(k)，其中，k表示DDC输出数字信号的采样点序号，

信号短时能量统计单元60计算DDC单元30输出数字信号x(k)在一个时间段T_m＝NT_c内的短时能量值y_m，其中

为系统的采样频率f_c的倒数，m＝1，2，3…为统计信号短时能量值的时间段序号，N为第m个时间段内计算短时能量所取的采样点数量，其值根据系统所应检测的最短雷电脉冲的长度来确定，例如N可取200～1000之间的任意整数。

信号短时能量统计单元60可以根据下式计算接收机DDC单元30输出的信号采样值x(k)在第m个时间段的短时能量值y_m：

其中，x_m(n)表示接收机DDC输出信号在第m个时间段内的第n个采样值。

接收机状态切换控制单元70根据系统设定的时间周期控制由接收天线与接收前端10、ADC单元20、DDC单元30组成的接收机在估计检测门限工作状态和接收雷电信号工作状态之间进行切换，两种工作状态所占据时间的比例可在1∶1000～1∶5000之间进行设定。在估计检测门限工作状态，信号短时能量统计单元60的输出值对应于接收机本底噪声的短时能量值；而在接收雷电信号工作状态，信号短时能量统计单元60的输出值对应于接收机所接收的雷电脉冲信号的短时能量值。

信号短时能量均值统计单元80在接收机状态切换控制单元70所确定的估计检测门限状态期间，接收信号短时能量统计单元60输出的短时能量值y_m，采用遗忘因子算法计算出当前时间段接收机的本底噪声短时能量均值

并提供给乘法器100。

恒虚警门限系数寄存器单元90用于输出系数K至乘法器100，系数K表示恒虚警门限系数，其取值可在1至100之间选取。

乘法器100将信号短时能量均值统计单元80输出的短时能量均值

与恒虚警门限系数寄存器单元90输出的系数K相乘得到当前的检测门限值

并输出存储于检测门限寄存器单元110中。

信号短时能量统计单元60在接收机状态切换控制单元70所确定的接收雷电信号工作状态期间，计算出接收机当前第m个时间段对应的信号短时能量值y_m，然后在比较器120中将该短时能量值与检测门限寄存器单元110输出的检测门限

进行比较，如果y_m≥μ₀，则断定该短时能量值y_m所对应的第m个时间段内的接收机输出信号为雷电信号并将其输出到检测结果输出单元130中，然后继续计算第m+1个时间段内的短时能量值y_m+1再与检测门限

进行比较；如果y_m＜μ₀，则判断为该短时能量值y_m所对应的第m个时间段内的接收机输出信号不是雷电信号，然后继续计算第m+1个时间段内的短时能量值y_m+1并与检测门限进行比较。

信号短时能量均值统计单元80根据遗传因子算法采用下式计算信号短时能量的均值

$\widehat{\mathrm{\μ}}=\frac{1}{M}\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^{M-m}\·y_m=\frac{1}{M}({\mathrm{\λ}}^M{y}_0+{\mathrm{\λ}}^{M-1}{y}_1+...+\mathrm{\λ}{y}_{M-1}+y_M)---\left(6\right)$

其中，M表示计算短时能量的均值所使用到的信号短时能量值的个数，λ为遗忘因子，其取值为0＜λ＜1。

采用(6)式来计算信号短时能量的均值，削弱了过去的数据对当前的均值计算结果的影响，同时强化了当前数据的作用。由此看出，(6)式可以削弱外界非平稳干扰对检测门限的影响，从而在检测门限形成过程中实现抗干扰的功能。

如图2所示，本发明装置的另一种实现方式是在上述结构中增设信号归一化峰度统计单元40和判决器50。

由接收天线与接收前端10输出的模拟信号经ADC(Analog to DigitalConverter)单元20进行采样量化后，得到数字信号z(l)送入DDC(Direct DigitalControl)单元30进行数字下变频处理，得到速率较低的窄带数字信号x(k)，该信号由同相分量I(k)和正交分量Q(k)组成：x(k)＝I(k)-jQ(k)，其中，l表示ADC输出数字信号的采样点序号，k表示DDC输出数字信号的采样点序号，

信号归一化峰度统计单元40及信号短时能量统计单元60分别计算ADC单元20输出数字信号z(l)的归一化峰度值NKurt(z)和DDC单元30输出数字信号x(k)的时间段T_m＝NT_c(T_m的定义与前述相同)内的短时能量值y_m，其中下标m表示时间段T_m的序号；接收机状态切换控制单元70使得由接收天线与接收前端10、ADC单元20、DDC单元30组成的接收机在估计检测门限工作状态和接收雷电信号工作状态之间进行周期性的切换，两种工作状态所占据时间的比例可在1∶1000～1∶5000之间进行设定。在估计检测门限状态，信号归一化峰度统计单元40和信号短时能量统计单元60的输出值均对应于接收机本底噪声的归一化峰度值和短时能量值；而在接收雷电信号状态，信号归一化峰度统计单元40和信号短时能量统计单元60的输出值均对应于接收机所接收的雷电脉冲信号的归一化峰度值和短时能量值；

装置在接收机状态切换控制单元70确定的估计信号检测门限工作状态期间形成恒虚警检测门限并完成抗外界非高斯杂波干扰的功能。判决器50根据信号归一化峰度统计单元40得到的接收机本底噪声的归一化峰度值NKurt(z)来判断接收机在估计信号检测门限时是否受到外界非高斯杂波的干扰：a)如果|NKurt(z)-3.0|≥ε(其中，ε为一个小于1的正数，例如0.1)，则断定接收机在进行信号检测门限估计时受到非高斯杂波的干扰，此时信号短时能量统计单元60输出的短时能量值y_m抛弃不用，重新计算接收机输出信号的归一化峰度值和短时能量值直至出现以下b)种情形；b)如果|NKurt(z)-3.0|＜ε(ε的取值与a)种情形相同)，则判断为接收机此时未受到非高斯杂波的干扰，此时信号短时能量统计单元60输出的短时能量值y_m送入到信号短时能量均值统计单元80去计算接收机输出的本底噪声短时能量平均值

然后与恒虚警门限系数寄存器单元90输出的系数K在乘法器100中相乘得到当前的检测门限值

并输出存储于检测门限寄存器单元110中。其中，系数K的值可在1至100之间选取。

装置在接收机状态切换控制单元70确定的接收雷电信号状态期间实现对雷电信号的自适应检测功能。信号短时能量统计单元60计算接收机在第m个时间段内对应的信号短时能量值y_m，然后在比较器120中将该短时能量值与检测门限寄存器单元110输出的检测门限

进行比较，如果y_m≥μ₀，则断定该短时能量值y_m所对应的第m个时间段内接收机输出信号为雷电信号并将其输出到检测结果输出单元130中，然后继续计算第m+1个间段的短时能量值y_m+1并与检测门限

进行比较；如果y_m＜μ₀，则断定该短时能量值y_m所对应的第m个时间段内接收机输出信号不是雷电信号，然后继续计算第m+1个时间段的短时能量值y_m+1并与检测门限

进行比较。

信号短时能量统计单元60根据下式计算接收机DDC单元30输出信号的采样值x(k)在第m个时间段的短时能量值y_m：

其中，m的定义与前述相同，x_m(n)表示接收机DDC输出信号在第m个时间段内的第n个采样值，N为计算短时能量所取的采样点个数，其值根据系统所应检测的最短雷电脉冲的长度来确定，例如N取200～1000之间的任意整数。

信号短时能量均值统计单元80根据下式计算信号短时能量的均值

$\widehat{\mathrm{\μ}}=\frac{1}{M}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_m---\left(8\right)$

上式实为(6)式中λ取1的极限情况。其中，M表示计算短时能量的均值所使用到的信号短时能量值的个数。

信号归一化峰度统计单元40根据下式计算接收机ADC单元20输出信号z(l)的归一化峰度值NKurt(z)：

$\mathrm{NKurt}\left(z\right)=\frac{E\left[z^4\left(l\right)\right]}{E^2\left[z^2\left(l\right)\right]}=L\·\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{z}^4\left(l\right)}{{\left[\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{z}^2\left(l\right)\right]}^2}---\left(9\right)$

式中，l表示ADC输出的数字信号的采样点序号，E[·]表示求采样信号的平均值，L表示求平均值时所取的信号采样长度。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种雷电脉冲信号检测及抗干扰装置，其特征在于，该装置包括接收天线与接收前端(10)、ADC单元(20)、DDC单元(30)、信号短时能量统计单元(60)、接收机状态切换控制单元(70)、信号短时能量均值统计单元(80)、恒虚警门限系数寄存器单元(90)、乘法器(100)、检测门限寄存器单元(110)、比较器(120)和检测结果输出单元(130)；

接收天线与接收前端(10)用于接收待检测的雷电信号或者阵列校准信号，并将检测到的信号输出到模拟/数字信号转换器单元(20)；

ADC单元(20)对接收的模拟信号进行采样量化，得到数字信号送入数字下变频单元(30)；

DDC单元(30)对接收的数字信号进行数字下变频处理，得到窄带数字信号，并输出至信号短时能量统计单元(60)；信号短时能量统计单元(60)计算接收机DDC单元(30)输出数字信号采样值在一个时间段内的短时能量值；

信号短时能量统计单元(60)在接收机状态切换控制单元(70)所确定的接收雷电信号工作状态期间，计算出接收机当前时间段对应的信号短时能量值，并分别提供给比较器(120)和信号短时能量均值统计单元(80)；

接收机状态切换控制单元(70)根据系统设定的时间周期控制由接收天线与接收前端(10)、ADC单元(20)、DDC单元(30)组成的接收机在估计检测门限工作状态和接收雷电信号工作状态之间进行切换在估计检测门限工作状态，信号短时能量统计单元(60)的输出值对应于接收机本底噪声的短时能量值；而在接收雷电信号工作状态，信号短时能量统计单元(60)的输出值对应于接收机所接收的雷电脉冲信号的短时能量值；

信号短时能量均值统计单元(80)根据遗传因子算法计算信号短时能量的均值，并提供给乘法器(100)；

恒虚警门限系数寄存器单元(90)用于输出恒虚警门限系数至乘法器(100)；

乘法器(100)将信号短时能量均值统计单元(80)输出的短时能量均值与恒虚警门限系数寄存器单元(90)输出的系数相乘得到当前的检测门限值，并输出存储于检测门限寄存器单元(110)中；

比较器(120)用于将信号短时能量值与检测门限寄存器单元(110)输出的检测门限值进行比较，并将大于检测门限的信号短时能量值输出到检测结果输出单元(130)中。

2.根据权利要求1所述的雷电脉冲信号检测及抗干扰装置，其特征在于，该装置还包括信号归一化峰度统计单元(40)和判决器(50)；

信号归一化峰度统计单元(40)计算ADC单元(20)输出数字信号的归一化峰度值，并提供给判决器(50)；

判决器(50)根据信号归一化峰度统计单元(40)得到的接收机本底噪声的归一化峰度值来判断接收机在估计信号检测门限时是否受到外界非高斯杂波的干扰，并将未受到非高斯杂波干扰时，信号短时能量统计单元(60)输出的短时能量值送入到信号短时能量均值统计单元(80)。

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