CN104407212B - 一种实时高精度相参脉冲信号测频方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种实时高精度相参脉冲信号测频方法，属于探测、侦察等技术领域。本发明首先对单个脉冲信号利用离散频谱相位差校正法进行单脉冲测频，若测频精度达到一定范围内，再充分利用多个相参脉冲信息进行逐级精校正提高测频精度；若其频率未达到设定的范围内，则对多个单脉冲分别进行单脉冲测频，并将测频结果累积求平均使其频率达到预设的范围内，再利用多个相参脉冲信息进行逐级精校正。该方法与已有的方法相比，兼有测频精度高、抗噪声能力强、计算量适中、具备多载频信号测频能力等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种实时高精度相参脉冲信号测频方法，属于探测、侦察等技术领域。
背景技术
在探测、侦察、定位、电子对抗等领域，利用瞬时测频技术实时高精度测量所接收辐射源脉冲信号的频率，对完成辐射源的探测、跟踪、分选识别、定位等具有重要作用。频率测量方法主要有模拟测频与数字测频两大类。其中，数字测频具有处理灵活，测频稳定性好、精度高等优点，是未来的发展趋势。
目前, 数字测频算法有多种，如直接计数法（也称为过零检测法）、傅立叶变换法、频率推算法、相位推算法等。这些测频算法各有一些缺点，难以兼顾抗噪声、低计算量、多载频信号测频等。例如，直接计数法虽然实现简单、运算量小，但抗噪声性能差，不适用于多载频信号的频率测量；相位推算法与频率推算法需要较多的硬件资源，也不能同时测量多载频信号频率。傅立叶变换法具有较强的抗噪声能力，且具备多载频信号测频能力，是数字测频广泛应用的一种算法，但傅立叶变换法测频精度只有1/2个离散频谱的频率分辨率，测频精度受限，当采样点数量很大时，需要耗费大量计算资源。
发明内容
为克服上述技术的不足，本发明提供一种实时高精度相参脉冲信号测频方法,该方法具有多载频信号测频能力，且测频精度高、计算量适中、抗噪声能力强。
本发明的理论分析为：
以单频解析信号为例，设待测信号为：x(t) = exp(j * (2πf 0 t +θ))，对信号加长度为T的窗w T1(t)，得到第一段信号序列x w1(t) = x(t) • w T1(t)。窗w T1(t)由对称窗w 1(t)（如对称矩形窗）在时间上向右平移T/2得到。信号x(t)对应的频谱X(f) = e jθ δ(f - f 0)，设w 1(t) 对应的频谱为W 1 (f)，w T1(t) 对应的频谱则为：
(1)
加窗后信号x w1(t)对应的频谱为：
(2)
上式中”*”表示卷积，对于在W 1(f - f 0)主瓣内的频点，W 1 (f - f 0)为正实数。设f 1为x(t)离散频谱主瓣内的峰值频率，则X w1(f 1)的相位为：
(3)
其中，Δf = f 1 – f 0为待校正的频率误差。
将信号x(t)向左平移a 1 T得到x s(t) = x(t + a 1 T)。若a 1<0，表示将x(t)向右平移得到x s(t)。再对x s(t)加窗w T2(t)，得到第二段信号序列x w2(t) = x(t) • w T2(t)。窗w T2(t)由对称窗w 2(t)在时间上向右平移b 1 T得到，窗w T2(t)的长度为a 2 T。要求窗w T2(t) 的起点在原点右侧（含原点），即限定b 1 ≥ a 2 T/2，对应窗函数有效值范围为[b 1 T –a 2 T/2, b 1 T +a 2 T/2]。在（0，b 1 T –a 2 T/2）段内，x w2(t)的值为0。同理可得第二段加窗信号x w2(t)的频谱在频率f 2的相位为：
(4)
将式(3)减式(4)，利用Δf = f 1 – f 0，可得两段信号序列的相位差：
(5)
整理可得：
(6)
设对第一段信号序列的采样频率为f s，采样点数N = Tf s。令c = 2a 1 + 2b 1 – 1，p= 2a 1 f 1 T –2b 1(f 2 – f 1)T，ΔΦ = 2mπ+ Δφ，其中Δφ的取值范围为[-π, π)。则式(6)可化为：
(7)
当a 1，b 1，f 1，f 2等参数确定后，式(7)中的参数c，p，Δφ即为固定值，但其中的m未知，Δf的计算值存在模糊。校正频率Δf存在的模糊性在现有离散频谱相位差校正法文献的分析中未见详细讨论，实际上这一点将直接影响频率校正的正确性。如果Δf的取值范围限定在(-1/|cT|, 1/|cT|)内，则可用式(8)来计算Δf的值而不会产生模糊。
(8)
其中，σ的值是通过将ΔΦ + pπ的值以2π为周期进行平移，将其值变换到[-π, π)之内得到。
由上面理论分析可知，1/|c|的值决定了Δf的无模糊取值范围，|c|越大，Δf的无模糊取值范围越小，相应地要求校正之前的频率精度越高；|c|越小，对校正前的频率精度要求越低。另外，|c|的值也反映了校正方法的抗噪声性能。在噪声条件下，相位差Δφ的计算值存在误差，|c|越大，相位差Δφ误差对校正结果Δf造成的误差就越小，测评精度也就越高。参数a 2越大，表示第二段信号的有效长度a 2 T越长，经快速傅立叶变换（FFT）算法得到的信号处理增益也越大，同等情况下抗噪声性能也越强。
本发明的技术方案是：一种实时高精度相参脉冲信号测频方法，包括以下步骤：
步骤一： 对输入的一个脉冲信号利用离散频谱相位差校正法进行单脉冲测频，保证校正频率值不存在模糊，这一步所得到的测频精度取决于输入信号的信噪比SNR、脉冲宽度PW、脉冲采样点数N（或采样频率f s）等因素,约为；
步骤二：取一个脉冲作为第一段信号，取相邻的下一个脉冲作为第二段信号，联合这两个脉冲利用离散频谱相位差校正法对步骤一测得的频率进行校正，精校正后的测频精度可达到以内；
步骤三：至少一次联合相隔至少一个周期的两个脉冲利用离散频谱相位差校正法进行精校正，最终可达到的测频精度为，其中n为间隔最远的两个脉冲信号间隔的周期数。
进一步的，在步骤一中，对输入的脉冲信号先进行正交处理，得到其正交分量，再利用离散频谱相位差校正法进行单脉冲测频。采用解析信号形式可降低采样频率，减少频谱混叠，有助于提升测频精度。
进一步的，步骤一还包括，若测频精度大于f p/2，但在(f p/2, mf p/2)之间，则对M =m 2个脉冲分别进行离散频谱相位差校正法测频，并将测频结果累积求平均，使测频精度达到f p/2以内，其中f p为脉冲重复频率。
本发明的有益效果：本发明具有多载频信号测频能力，并通过至少一次利用相隔一定周期的相参脉冲信号进行离散频谱相位差校正法测频，达到提高测频精度的目的，避免了通过提高采样频率换取测频精度，减少了计算量，同时又提高了抗噪声能力。
附图说明
图1 为两段单载频信号时域波形；
图2 为本发明测频方案框图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步的说明。
参见图1、图2所示，一种实时高精度相参脉冲信号测频方法，包括以下几个步骤：
(1)将输入的信号cos (2πf 0 t +φ) 进行正交处理，得到其正交分量，输出相应的解析信号exp(j * (2πf 0 t +φ))。
(2)对接收到的一个单脉冲信号利用离散频谱相位差校正法进行单脉冲测频。如取第一段信号为脉冲信号的(0，2*PW/3)部分 ，第二段信号为脉冲信号(PW/3，PW)部分，取参数T = 2*PW/3，a 1 = 1/2, b 1 = 1/2, a 2 = 1。代入c = 2a 1 + 2b 1 – 1，得c= 1，无模糊校正频率范围(-1/T, 1/T)，大于校正前用FFT测频方法得到的频率误差范围[-1/(2T), 1/(2T)]，可实现无模糊频率校正。校正后的测频精度可达到以内。以SNR =2（即3dB)，N = 2048, PW=1us为例，则上述单脉冲测频的精度约为0.025MHz。
(3)若脉冲信号的占空比，其中PRI为脉冲重复间隔，对于上述假设参数即信号占空比PW/PRI > 0.05，则单脉冲测频精度小于f p/2。如果0.02<PW/PRI < 0.05，单脉冲测频精度不能达到f p/2，但在(f p/2, 3f p/2)之间，这时可以利用分别对9个脉冲信号的单脉冲测频结果进行积累平均提高测频精度，使测频精度达到f p/2以内。
(4)当测频精度小于f p/2时，取一个脉冲信号作为第一段信号，取相邻的第二个脉冲信号作为第二段信号，取参数T = PW，a 1 = PRI /T = 1/( T f p), b 1 = 1/2, a 2 = 1。代入c的表达式计算得c= 2/( T f p)，无模糊校正频率范围为[-f p/2, f p/2]，大于校正前误差范围，可实现无模糊校正。精校正后的测频精度可达到,带入上述假设参数为0.0075 f p。
若上一步的测频精度小于f p/(2n)，比如对于上述假设参数n=10即满足此条件，将第一个脉冲信号作为第一段信号，第n+1个脉冲信号作为第二段信号。取参数T = PW，a 1 =n*PRI /T = n/( T f p), b 1 = 1/2, a 2 = 1，代入c的表达式计算得c= 2n/( T f p)。无模糊校正频率范围为[-f p /(2n), f p /(2n)]，大于校正前误差范围，可实现无模糊校正，校正后的的测频精度可达到以内。
Claims (3)
1.一种实时高精度相参脉冲信号测频方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一： 对输入的一个脉冲信号利用离散频谱相位差校正法进行单脉冲测频；
步骤二：取一个脉冲作为第一段信号，取相邻的下一个脉冲作为第二段信号，联合这两个脉冲利用离散频谱相位差校正法对步骤一测得的频率进行校正；
步骤三：至少一次联合相隔至少一个周期的两个脉冲利用离散频谱相位差校正法进行精校正；
校正频率Δf的取值范围限定在(-1/|cT|, 1/|cT|)内，其中，T为每段信号长度，c =2a 1 + 2b 1 –1， a 1为第二段信号向左平移的长度相对于T的倍数，b 1为加在第二段信号的窗相对于原点对称窗向右平移的长度相对于T的倍数；若上一步的测频精度小于f p/(2n)，其中，f p为脉冲重复频率，即脉冲重复间隔PRI的倒数，n为正整数，将第一个脉冲信号作为第一段信号，第n+1个脉冲信号作为第二段信号；令参数T为每段信号长度，a 1 = n*PRI/T =n/(Tf p), b 1 = 1/2, a 2 = 1，代入表达式c = 2a 1 + 2b 1 – 1计算得c = 2n/(Tf p)；无模糊校正频率范围为[-f p/(2n), f p/(2n)]，大于校正前误差范围，能够实现无模糊校正。
2.根据权利要求1所述的实时高精度相参脉冲信号测频方法，其特征在于所述步骤一中，对输入的脉冲信号先进行正交处理，得到其正交分量，再利用离散频谱相位差校正法进行单脉冲测频；
单脉冲离散频谱相位差校正法的频率校正公式为：Δf = σ/(cπT)，其中，T为每段信号长度，c = 2a 1 + 2b 1 – 1， a 1为第二段信号向左平移的长度相对于T的倍数，b 1为加在第二段信号的窗相对于原点对称窗向右平移的长度相对于T的倍数；σ的值是通过将ΔΦ + pπ的值以2π为周期进行平移，将其值变换到[-π, π)之内得到，ΔΦ为在第一段信号频谱在频率f 1 处相位与第二段信号频谱在频率f 2处相位的相位差，p = 2a 1 f 1 T –2b 1(f 2 – f 1)T。
3. 根据权利要求1所述的实时高精度相参脉冲信号测频方法，其特征在于所述步骤一还包括，若测频精度大于f p/2，但在(f p/2, mf p/2)之间，其中，f p为脉冲重复频率，m为大于1的整数，则对M = m 2个脉冲分别进行离散频谱相位差校正法测频，并将测频结果累积求平均，使测频精度达到f p/2以内。
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