CN104793197B - 基于ifft频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制方法 - Google Patents

基于ifft频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于IFFT频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制方法，包含以下步骤：(1)采用IFFT频谱相除法对接收信号中的直达波信号进行时间延迟和幅度估计；(2)根据时间延迟和幅度估计结果，生成直达波参考信号；(3)利用直达波参考信号对接收信号进行梯度自适应格型滤波处理，完成直达波的抑制。本发明利用非合作无源探测信号的频率特性，通过IFFT频谱相除法和梯度自适应格型滤波算法，对接收信号进行直达波的抑制。本发明不需要单独设计一组接收通道来接收直达波参考信号，降低了系统的复杂程度，仿真表明，本发明能够有效地实现直达波的抑制。

Description

基于IFFT频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制 方法
技术领域
本发明属于非合作无源探测领域，涉及非合作无源探测中的信号处理方法，特别涉及一种基于IFFT频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制方法。
背景技术
在非合作无源探测中，常采用的电磁信号有AM/FM广播信号、普通/数字电视信号、卫星信号、CDMA信号、GPS信号、GSM信号等。由于无源探测信号一般为连续波，直达波很强，接收信号中目标回波信号功率远小于直达波信号，因此需要对直达波进行直达波抑制才能对目标回波信号进行相干运算、多普勒分析等处理。非合作无源探测系统一般采用相干接收技术进行信号的接收，该技术在接收系统中设置两个接收天线，分别用于接收目标的散射回波信号和直达波参考信号。但是接收到的直达波参考信号一般有噪声等干扰，产生失真，作为参考信号进行直达波抑制时可能达不到理想的抑制效果。通过本发明的抑制方法，不需要对其进行接收，生成的直达波信号不会受到噪声、天波信号、多径杂波等干扰成分的影响，可有效实现接收信号的直达波抑制。
发明内容
非合作无源探测采用两个接收天线分别接收目标的散射回波信号和直达波参考信号时，接收到的直达波参考信号一般会受到多径杂波、天波、噪声等干扰，造成直达波信号失真，用于参考信号对目标进行测距、测速或定位时会产生较大的误差。本发明针对非合作无源探测中存在的上述问题，给出了一种基于IFFT频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制方法，其为一种新的直达波抑制方法，可以实现直达波信号的有效抑制。
本发明解决其技术问题所采用以下技术方案：基于IFFT频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制方法，包括以下具体步骤：
步骤(1)、频谱相除并进行傅里叶逆变换，估计直达波的时间延迟和幅度；由于非合作无源探测系统的接收信号中，直达波强度很高，在已知信号形式的前提下，采用IFFT频谱相除法对其进行时间延迟和幅度估计。为了除去噪声的影响，在频域采用加窗函数的方法，将接收信号的傅里叶变换除以归一化后发射信号的傅里叶变换可近似得到：
其中X(f)表示接收信号的傅里叶变换；X0(f)表示归一化后发射信号的傅里叶变换；Ad、As、Atk分别表示直达波信号、其他干扰信号、目标回波信号的幅度；td、tds、tdtk分别表示直达波信号、其他干扰信号、目标回波信号到达接收机的时间延迟；M表示目标个数；L(f)表示采用的矩形窗。然后对DIV(f)进行傅里叶逆变换，就可得到：
其中DIV(f)的逆傅里叶变换为一组冲激函数，分别代表接收信号中不同成分到达接收机的时延脉冲。对逆傅里叶变换的结果进行峰值检测，进而对接收信号中的直达波信号的时间延迟td以及幅度Ad进行估计。
步骤(2)、生成参考信号；根据直达波信号的时间延迟和幅度估计结果，生成估计的直达波信号xd(t)；
步骤(3)、自适应滤波处理；采用估计的直达波信号作为参考信号d(t)，对接收信号进行梯度自适应格型滤波处理，将滤波结果y(t)与参考信号d(t)相减，得到直达波抑制结果e(t)。
其中，所述步骤(2)中通过估计直达波信号的时间延迟和幅度生成参考信号，而不是采用单独的接收天线接收参考信号，具有更小的误差。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明不需要采用单独的接收天线接收直达波参考信号，并能实现直达波的有效抑制，提高了系统的工作性能。
(2)本发明所采用的IFFT频谱相除方法进行时间延迟估计时具有较高的分辨率，不同于AR、MUSIC等功率谱估计方法，可以同时对直达波信号的时间延迟和幅度进行估计，便于生成参考信号。
(3)本发明所采用的梯度自适应格型滤波算法与归一化最小均方(LMS)滤波算法相比，收敛更快，具有更好的干扰杂波抑制效果。
附图说明
图1为本发明基于IFFT频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制方法的流程图；
图2为验证本发明所提出方法的有效性所采用的实测信号波形，该信号为罗兰C导航系统的接收信号；
图3为实测信号经过频谱相除及逆变换后所获得的信号波形；
图4为根据直达波的时间延迟和幅度估计结果所生成的参考信号波形；
图5为实测信号经本发明所提出的直达波抑制算法处理后的信号波形。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
非合作无源探测的接收信号中，直达波信号的强度一般比目标回波信号强数十dB，所以强直达波的抑制一直是非合作无源探测的技术难点，其主要依赖于直达波信号的频率特性以及获取参考信号的难易程度。假设已知发射信号的信号形式，本发明利用IFFT频谱相除法对直达波信号的时间延迟和幅度进行估计，并采用梯度自适应格型滤波算法对接收信号进行滤波处理，从而完成直达波的抑制。本发明基于IFFT频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制方法，其流程图如图1所示，具体包含如下3步骤：
1、频谱相除并进行傅里叶逆变换，估计直达波的时间延迟和幅度；
首先，对接收信号x(t)进行FFT变换得到其傅里叶变换X(f)，并将X(f)与归一化后发射信号的傅里叶变换X0(f)进行相除，得到DIV(f)；然后对频谱相除的结果进行加矩形窗处理，得到DIV(f)·L(f)，其中窗函数L(f)的参数与信号的频率特性有关，本发明所采用的实验信号为罗兰C系统的接收信号，则根据信号的频率特性，窗函数选取的频带宽度为50KHz，中心频率为100KHz；最后，对频域加窗后的信号进行IFFT处理，得到与信号时间延迟、信号幅度相关的一组脉冲函数，采用峰值检测方法就可以得到直达波时间延迟和幅度的估计结果。
2、生成参考信号；
根据估计的直达波信号时间延迟τd和幅度Ad，生成估计的直达波信号xd(t)＝Adx0(t-τd)，其中x0(t)表示归一化后的发射信号。
3、自适应滤波处理；
采用估计的直达波信号xd(t)作为参考信号d(t)，对接收信号进行梯度自适应格型滤波处理，将滤波结果y(t)与参考信号d(t)相减，得到直达波抑制结果e(t)。
为验证本发明所提出的方法的有效性，对罗兰C导航系统的接收回波信号进行了直达波抑制处理。图2为处理前的接收信号波形，可以看出，接收信号中存在较强的直达波，目标的回波信号都淹没在直达波信号中。采用IFFT频谱法对直达波的时间延迟和幅度进行估计，归一化后的频谱相除结果如图3所示，可以轻松获取直达波的时间延迟和幅度，并生成参考信号如图4所示，最后采用梯度自适应格型滤波算法对信号进行自适应滤波处理，处理结果如图5所示，其中直达波信号与目标回波信号功率的比值由原来的22.6dB下降为4.1dB。
从最终的处理结果可以看出，对于罗兰C导航系统的接收信号，本发明所提出的方法能够有效地实现直达波抑制，使得原本淹没在直达波信号内的几个目标回波信号显现出来，易于检测、测速、测距等处理，具有较好的工作性能。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.基于IFFT频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤(1)、频谱相除并进行傅里叶逆变换，估计直达波的时间延迟和幅度；在已知信号形式的前提下，采用IFFT频谱相除法对其进行时间延迟和幅度估计；为了除去噪声的影响，在频域采用加窗函数的方法，将接收信号的傅里叶变换除以归一化后发射信号的傅里叶变换可近似得到：
D I V ( f ) · L ( f ) = X ( f ) X 0 ( f ) · L ( f ) ≈ A d e - jt d f + A s e - jt d s f + Σ k = 1 M A t k e - jt d t k f - - - ( 1 )
其中X(f)表示接收信号的傅里叶变换；X0(f)表示归一化后发射信号的傅里叶变换；Ad、As、Atk分别表示直达波信号、其他干扰信号、目标回波信号的幅度；td、tds、tdtk分别表示直达波信号、其他干扰信号、目标回波信号到达接收机的时间延迟；M表示目标个数；L(f)表示采用的矩形窗；然后对DIV(f)进行傅里叶逆变换，就可得到：
F - 1 [ D I V ( f ) ] = A d δ ( t - t d ) + A s δ ( t - t d s ) + Σ k = 1 M A t k δ ( t - t d t k ) - - - ( 2 )
其中DIV(f)的逆傅里叶变换为一组冲激函数，分别代表接收信号中不同成分到达接收机的时延脉冲；对逆傅里叶变换的结果进行峰值检测，进而对接收信号中的直达波信号的时间延迟td以及幅度Ad进行估计；
步骤(2)、生成参考信号；根据直达波信号的时间延迟和幅度估计结果，生成直达波信号xd(t)；
步骤(3)、自适应滤波处理；采用估计的直达波信号作为参考信号d(t)，对接收信号进行梯度自适应格型滤波处理，将滤波结果y(t)与参考信号d(t)相减，得到直达波抑制结果e(t)；
该基于IFFT频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制方法不需要采用单独的接收天线接收直达波参考信号，并能实现直达波的有效抑制，提高了系统的工作性能；
该基于IFFT频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制方法所采用的IFFT频谱相除方法进行时间延迟估计时具有较高的分辨率，不同于AR、MUSIC等功率谱估计方法，可以同时对直达波信号的时间延迟和幅度进行估计，便于生成参考信号；
该基于IFFT频谱相除法和梯度自适应格型滤波的直达波抑制方法所采用的梯度自适应格型滤波算法与归一化最小均方(LMS)滤波算法相比，收敛更快，具有更好的干扰杂波抑制效果。
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