CN102645589A - 脉冲检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲检测方法及系统，涉及信号检测技术领域。该方法包括步骤：S1.对接收信号包络进行平滑滤波处理；S2.计算经步骤S1处理后的接收信号的包络中间电平值；S3.根据所述接收信号的包络中间电平值以及接收机噪声的包络中间电平值设定检测门限；S4.根据所述检测门限检测脉冲信号。本发明的方法及系统利用接收机噪声和接收信号包络中间电平值的测量及比较，设定检测门限，并根据连续波干扰的强弱进行自适应系数调整，从而自适应调整检测门限，可以在复杂电磁环境下有效地提高脉冲的检测概率，并同时降低其虚警概率，能够显著提升脉冲检测的环境适应性和可靠性。

Description

脉冲检测方法及系统

技术领域

本发明涉及信号检测技术领域，尤其涉及一种脉冲检测方法及系统。

背景技术

脉冲信号在通信、导航以及雷达等方面有着广泛应用，通过脉冲检测和参数测量，正确估计信号的起始时刻和持续时间，是对该类信号实现分析和处理的必要前提。随着无线技术的发展，空间电磁环境日益复杂，对脉冲信号的检测带来了巨大困难和挑战。在脉冲信号的检测带宽内常常会混有连续波干扰信号，传统的处理方法主要包括固定门限检测方法、陷波器方法以及参数估计干扰抵消方法。固定门限的脉冲检测方法只针对噪声存在的情况，连续波干扰的存在会导致检测性能下降甚至无法检测；陷波器方法只适用于处理窄带干扰情况，对于宽带干扰以及频率未知或者变化的干扰则无法处理，灵活性较差；参数估计干扰抵消方法是指通过估计连续波干扰信号的幅度、频率和相位信息以抵消干扰信号，此方法的估计代价高，受到估计精度和硬件条件的限制，实现难度大，且参数估计的误差会引起信号的失真。随着脉冲信号的特殊应用，对脉冲的检测提出了更高要求，特别是在信号无法累积处理的情况下，如何在连续波干扰下简单、方便且快速地检测脉冲信号成为检测领域一个迫切需要解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种可以在连续波干扰下简单、方便且快速地对脉冲信号进行检测的方法及系统。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种脉冲检测方法，该方法包括步骤：

S1.对接收信号包络进行平滑滤波处理；

S2.计算经步骤S1处理后的接收信号的包络中间电平值；

S3.根据所述接收信号的包络中间电平值以及接收机噪声的包络中间电平值设定检测门限；

S4.根据所述检测门限检测脉冲信号。

优选地，在步骤S2中，采用二分法计算接收信号的包络中间电平值。

优选地，步骤S2进一步包括步骤：

S2.1根据接收机的动态范围设定初始低门限以及高门限；

S2.2取所述低门限以及高门限的平均值为中间门限；

S2.3计算接收信号包络中超过所述中间门限的点数与总点数的比值；

S2.4若所述比值等于0.5，则判定所述中间门限为所述接收信号的包络中间电平值；若所述比值大于0.5，则将所述中间门限赋值给所述低门限并返回步骤S2.2；若所述比值小于0.5，则将所述中间门限赋值给所述高门限并返回步骤S2.2。

优选地，在步骤S3中，若所述接收信号的包络中间电平值r₁大于K倍的所述接收机噪声的包络中间电平值r_n，则设定所述检测门限为Mr₁，否则，设定所述检测门限为Nr₁，其中，K为第一设定比例系数，M为第二设定比例系数，N为第三设定比例系数；且：设检测门限与接收信号包络中间值r₁之间的比值为比例系数c，在不同的干扰噪声比条件下，根据系统所需虚警概率指标要求，通过数值方法计算得到多个所述比例系数c，所述第一设定比例系数K为所述比例系数c平均值处对应的r₁与r_n的比值；比例系数c平均值将所有的比例系数c分为两部分，所述第二设定比例系数M为前一部分的平均值，所述第三设定比例系数N为后一部分的平均值。

优选地，该方法还包括步骤：

S0.计算所述接收机噪声的包络中间电平值。

优选地，采用二分法计算所述接收机噪声的包络中间电平值。

优选地，步骤S0进一步包括步骤：

S0.1根据接收机的动态范围设定初始低门限以及高门限；

S0.2取所述低门限以及高门限的平均值为中间门限；

S0.3计算所述接收机噪声包络中超过所述中间门限的点数与总点数的比值；

S0.4若所述比值等于0.5，则判定所述中间门限为所述噪声的的包络中间电平值；若所述比值大于0.5，则将所述中间门限赋值给所述低门限并返回步骤S0.2；若所述比值小于0.5，则将所述中间门限赋值给所述高门限并返回步骤S0.2。

优选地，在步骤S1的平滑滤波处理中，平滑窗口长度为16。

本发明还提供了一种脉冲信号检测系统，该系统包括：滤波模块，用于对接收信号进行平滑滤波处理；计算模块，用于计算经所述滤波模块处理后的接收信号的包络中间电平值；门限设定模块，用于根据所述接收信号的包络中间电平值以及接收机噪声的包络中间电平值设定检测门限值；检测模块，用于根据所述检测门限值检测脉冲信号。

优选地，所述计算模块还用于计算所述接收机噪声的包络中间电平值。

(三)有益效果

本发明的方法及系统利用接收机噪声和接收信号包络中间电平值的测量及比较，设定检测门限，并根据连续波干扰的强弱进行自适应系数调整，从而自适应调整检测门限，可以在复杂电磁环境下有效地提高脉冲的检测概率，并同时降低其虚警概率，能够显著提升脉冲检测的环境适应性和可靠性。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的脉冲检测方法的流程图；

图2为本发明的方法中采用二分法计算接收机噪声的包络中间电平值的示意图；

图3为依照本发明的方法，在不同的信干比SIR条件下，分别利用自适应检测门限经过1000次测试得到的检测概率和虚警概率示意图。

具体实施方式

本发明提出的脉冲检测方法及系统，结合附图及实施例详细说明如下。

本发明的方法首先对脉冲包络进行平滑滤波，以减小随机噪声的影响；然后，通过检测门限的自适应调整以减小连续波干扰对脉冲检测性能的影响。如图1所示，依照本发明一种实施方式的脉冲检测方法包括步骤：

S1.对接收信号的包络x(n)进行L点平滑滤波处理，以减小随机噪声的影响。平滑滤波的表达式如下：

$y\left(n\right)=\frac{1}{L}\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}x(n-k)---\left(1\right)$

平滑后输出信号为y(n)，平滑滤波处理相当于一个低通滤波过程，适当选取平滑窗口长度L可以较好地抑制带外噪声。

S2.计算平滑后输出信号y(n)的包络中间电平值r₁；

S3.根据r₁以及接收机噪声的包络中间电平值r_n设定检测门限TH；

S4.根据检测门限TH检测脉冲信号。

其中，在步骤S2中，可采用二分法计算接收信号的包络中间电平值r₁，但不限于此。此时，步骤S2进一步包括步骤：

S2.1根据接收机的动态范围设定初始低门限以及高门限；

S2.2取低门限以及高门限的平均值为中间门限；

S2.3计算接收信号包络中超过该中间门限的点数与总点数的比值；

S2.4若该比值等于0.5，则判定该中间门限为接收信号的包络中间电平值r₁；若该比值大于0.5，则将该中间门限赋值给该低门限并返回步骤S2.2；若该比值小于0.5，则将该中间门限赋值给该高门限并返回步骤S2.2。

需要说明的是，在对接收信号进行脉冲检测前还需进行以下步骤：

S0.计算接收机噪声的包络中间电平值r_n。

同样可采用二分法计算接收机噪声的包络中间电平值r_n，此时，步骤S0进一步包括步骤：

S0.1根据接收机的动态范围设定初始低门限以及高门限；

S0.2取低门限以及高门限的平均值为中间门限；

S0.3计算接收机噪声包络中超过中间门限的点数与总点数的比值；

S0.4若该比值等于0.5，则判定该中间门限为接收机噪声的包络中间电平值r_n；若该比值大于0.5，则将该中间门限赋值给低门限并返回步骤S0.2；若比值小于0.5，则将该中间门限赋值给高门限并返回步骤S0.2。

由于噪声包络r的分布为瑞利分布，概率分布函数为

$P(r\≤x)={\∫}_{-\∞}^x{p}_r\left(r\right)\mathrm{dr}=1-e^{-\frac{x^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}}---\left(2\right)$

其中p_r(r)为瑞利分布概率密度函数，满足p_r(r≤r_n)＝0.5的r_n值称为噪声包络中间电平值，由式(2)可以求得

r_n＝1177σ_n    (3)

即包络中间值与噪声标准差σ_n存在固定数学关系，可以表征噪声的相关特性，其相对于噪声功率而言，计算简单、方便且容易实现。本步骤中，对于不同频点，接收机的噪声电平值并不相同，即采用此方法可以自适应计算得到各频点下的噪声包络中间值。

另外，在步骤S3中，若该接收信号的包络中间电平值r₁大于K倍的接收机噪声的包络中间电平值r_n，则设定检测门限为Mr₁，否则，设定检测门限为Nr₁，其中，K为第一设定比例系数，M为第二设定比例系数，N为第三设定比例系数。在步骤S2中计算接收信号的包络中间值时，由于在较短的时间内接收机噪声一般认为是不变的，连续波的干扰在整个时间范围内存在，而脉冲信号持续时间较短，即r₁主要受干扰和噪声的影响。通过比较r_n与r₁可以确定连续波干扰的强弱。连续波干扰加噪声的包络r服从广义瑞利分布(又称莱斯分布)，其概率密度函数为

$p_r\left(r\right)=\frac{r}{{\mathrm{\σ}}^2}\exp (-\frac{r^2+a^2}{{2\mathrm{\σ}}^2})I_0\left(\frac{\mathrm{ar}}{{\mathrm{\σ}}^2}\right)---\left(4\right)$

其中a为连续波干扰的幅度，I(·)为第一类零阶修正贝塞尔函数。可以证明，其均值和方差都与噪声方差成比例关系。

因此，在各干扰噪声比INR条件下，当给定检测系统所需虚警概率指标要求时，通过数值方法可以求出所需检测门限TH与接收信号包络中间值r₁之间的比例系数c。由于干扰强度是未知量，因而需要折衷考虑选择比例系数以适应各种干扰强度的情况。为均衡考虑和实现方便，只区别干扰强弱两种情况，即根据r₁与噪声的r_n比值K的大小判断，K需折中考虑选取，通常，取比例系数c平均值处对应的r₁与r_n的比值为第一设定比例系数K。比例系数c平均值将所有比例系数分为两部分，分别取前一部分的平均值为第二设定比例系数M，后一部分的平均值为第三设定比例系数N。从而，根据系统所需虚警概率指标要求的不同，对应不同的干扰噪声比条件，自适应调整各比例系数，进而自适应调整检测门限TH的值。

本发明还提供了一种应用上述方法的脉冲信号检测系统，该系统包括：滤波模块，用于对接收信号进行平滑滤波处理；计算模块，用于计算经滤波模块处理后的接收信号的包络中间电平值以及接收机噪声的包络中间电平值；门限设定模块，用于根据接收信号的包络中间电平值以及接收机噪声的包络中间电平值设定检测门限值；检测模块，用于根据检测门限值检测脉冲信号。

下面通过具体实施例来说明本发明的方法的正确性：

在本实施例中，设定对接收信号的采样率为56MHz，采样时间为500μs，设定接收信号中的脉冲宽度为5μs，脉冲信号采样后的幅度编码值为1000，信噪比SNR设定为7dB，则噪声标准差σ_n为316。脉冲信号与连续波干扰之间的信干比SIR的变化区间为3dB～20dB，SIR越大说明连续波干扰越小，每调整一次SIR，便对接收信号进行设定次数的测试，得到试用本发明的系统和方法进行检测的检测概率及虚警概率。在不同的SIR条件下，均进行1000次测试。

第一，采用二分法计算接收机噪声的包络中间电平值r_n。如图2所示，根据接收机的动态范围，设定二分法初始的低门限th low和高门限th high的取值，取两门限的平均值作为th middle。利用th middle检测接收信号，计算超过中间门限th middle的点数与总数据点数的比值D，若比值D大于0.5，则将th_middle赋给th_low；若比值D小于0.5，则将th_middle赋给th_high；若比值D等于0.5，则计算结束，此时的th_middle，即为所需的接收机噪声的包络中间电平值r_n。

本实施例中，初始的低门限th_low和高门限th_high的取值分别为0和2000，计算得到对应频点下的接收机噪声包络中间值为r_n＝372，其值与理论公式(3)计算结果相符合。

第二，对接收信号的包络x(n)按照公式(1)进行L＝16点平滑滤波，输出为y(n)。

第三，采用二分法计算接收信号的包络中间电平值r₁。

本步骤中，二分法步骤类似于计算接收机噪声的包络中间电平值r_n时的过程，由于接收信号中不仅包含接收机噪声，往往有一定密度的脉冲信号或连续波干扰存在，因而计算得到的信号包络中间值记为r₁。

本实施例中，信噪比SNR＝7dB，信干比SIR在3dB～20dB范围内变化，以0.5dB的调整步长进行SIR的设定，在各SIR条件下，可分别计算得到34个不同的r₁如下：

r₁＝[780747716684656636608591567548531514503481466455450438431425419414403400395392388386384381380375372370]。

第四，比较r₁和r_n，若r₁＞Kr_n，则检测门限设定为TH Mr₁；若r₁≤Kr_n，则检测门限设定为TH＝Nr₁。

本实施例中比例系数分别设置为K＝1.5、M＝1.5和N＝1.8。即r₁＞558时，连续波干扰较强，则设定检测门限TH＝1.5r₁；否则认为连续波干扰较弱，噪声为主要影响，设定检测门限TH＝1.8r₁。在各信干比SIR条件下，分别计算得到的检测门限TH为：

TH＝[12091156110010601016986942916879986955925905880865838819810788775765754745725720711705698694691685675670666]。

第五，使用设定的检测门限TH进行脉冲信号的检测

干扰强度较小时，检测主要受噪声影响，其包络服从瑞利分布，因而其虚警概率由门限值TH与r_n之间的比值关系决定，此时的虚警概率远小于1％。连续波干扰较强时，检测受到干扰和噪声影响，此时对上述设定比例系数作相应改变，且虚警概率最大不超过5％。

本实施例中，在不同的信干比SIR条件下，分别利用自适应检测门限TH经过1000次测试得到的检测概率和虚警概率如图3所示，其中，虚线表示虚警概率，实线表示检测概率。可以看出，在SIR大于4dB时，使用本发明的方法及系统能够获得较高检测概率同时保证较低的虚警概率；在SIR不大于4dB时，干扰强度越大，使用本发明的方法及系统进行检测的检测性能有限。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种脉冲检测方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1.对接收信号包络进行平滑滤波处理；

S2.计算经步骤S1处理后的接收信号的包络中间电平值；

S3.根据所述接收信号的包络中间电平值以及接收机噪声的包络中间电平值设定检测门限；

S4.根据所述检测门限检测脉冲信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，采用二分法计算接收信号的包络中间电平值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2进一步包括步骤：

S2.1根据接收机的动态范围设定初始低门限以及高门限；

S2.2取所述低门限以及高门限的平均值为中间门限；

S2.3计算接收信号包络中超过所述中间门限的点数与总点数的比值；

S2.4若所述比值等于0.5，则判定所述中间门限为所述接收信号的包络中间电平值；若所述比值大于0.5，则将所述中间门限赋值给所述低门限并返回步骤S2.2；若所述比值小于0.5，则将所述中间门限赋值给所述高门限并返回步骤S2.2。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，若所述接收信号的包络中间电平值r₁大于K倍的所述接收机噪声的包络中间电平值r_n，则设定所述检测门限为Mr₁，否则，设定所述检测门限为Nr₁，其中，K为第一设定比例系数，M为第二设定比例系数，N为第三设定比例系数；且：

设检测门限与接收信号包络中间值r₁之间的比值为比例系数c，在不同的干扰噪声比条件下，根据系统所需虚警概率指标要求，通过数值方法计算得到多个所述比例系数c，所述第一设定比例系数K为所述比例系数c平均值处对应的r₁与r_n的比值；比例系数c平均值将所有的比例系数c分为两部分，所述第二设定比例系数M为前一部分的平均值，所述第三设定比例系数N为后一部分的平均值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

S0.计算所述接收机噪声的包络中间电平值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，采用二分法计算所述接收机噪声的包络中间电平值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S0进一步包括步骤：

S0.1根据接收机的动态范围设定初始低门限以及高门限；

S0.2取所述低门限以及高门限的平均值为中间门限；

S0.3计算所述接收机噪声包络中超过所述中间门限的点数与总点数的比值；

S0.4若所述比值等于0.5，则判定所述中间门限为所述噪声的包络中间电平值；若所述比值大于0.5，则将所述中间门限赋值给所述低门限并返回步骤S0.2；若所述比值小于0.5，则将所述中间门限赋值给所述高门限并返回步骤S0.2。

8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，在步骤S1的平滑滤波处理中，平滑窗口长度为16。

9.一种脉冲信号检测系统，其特征在于，该系统包括：

滤波模块，用于对接收信号包络进行平滑滤波处理；

计算模块，用于计算经所述滤波模块处理后的接收信号的包络中间电平值；

门限设定模块，用于根据所述接收信号的包络中间电平值以及接收机噪声的包络中间电平值设定检测门限值；

检测模块，用于根据所述检测门限值检测脉冲信号。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述计算模块还用于计算所述接收机噪声的包络中间电平值。

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