CN105812076A - 基于统计域联合时频域的辐射计射频干扰检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于统计域联合时频域的辐射计射频干扰检测方法，该方法首先计算辐射计输出信号样本的峰度偏移，并通过检测门限判断辐射计射频干扰的存在。当峰度偏移量小于检测门限时，通过短时傅里叶变换得到辐射计输出信号的谱图，利用Power‑Law检测器对输入谱图数据处理得到输出检测量，将输出检测量与检测门限值进行比较实现辐射计射频干扰的检测。本发明的射频干扰检测方法具有实现简单、无检测盲点、不受观测场景亮温变化影响、可检测低功率射频干扰的优点。

Description

基于统计域联合时频域的辐射计射频干扰检测方法与装置

技术领域

本发明涉及宽带被动接收机系统中的射频干扰信号检测领域，具体而言涉及一种基于统计域联合时频域的辐射计射频干扰检测方法。

背景技术

辐射计是一种测量电磁辐射的辐射通量的装置，是具有超高灵敏度的接收设备，通过天线接收特定频率带宽内的目标热辐射信号来获取目标的辐射特性，并在此基础上实现对目标的探测与识别。辐射计具有良好的保密性，并且功率小，成本低，在星系探测、海洋遥感、气象观测等众多领域有着广泛的应用及良好的发展前景。

由于辐射计系统接收的期望信号来源于目标较为微弱的热辐射信号，且工作带宽较宽，因此极易受到射频干扰的影响，即使是较小的干扰都会使其结果出现较大的误差。在日益增长的商业服务中，微波波段的系统设备应用不断得到发展，导致辐射计系统遭受射频干扰的现象越来越严重，使辐射计系统性能严重受到影响并进而限制其应用范围。

针对辐射计遭受射频干扰风险的日益增大的问题，现有技术中研究出一系列的有关辐射计射频干扰检测方法的技术。例如，“AKurtosis-BasedApproachtoDetectRFIinSMOSImageReconstructionDataProcessor”研究报告中提出了一种基于峰度这一信号统计特性的辐射计射频干扰检测方法，然而，峰度检测算法对于占空比为50％的干扰信号存在检测盲点，无法完整地实现干扰检测。又如，“TimeandFrequencyBlankingforRadio-FrequencyInterferenceMitigationinMicrowaveRadiometry”研究报告中提出了一种基于脉冲检测算法的辐射计射频干扰检测方法，但脉冲检测算法受亮温变化影响较大，观测场景变化导致的亮温变化将会使得脉冲检测算法失效。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于统计域联合时频域的辐射计射频干扰检测方法，实现对低功率辐射计射频干扰信号的检测。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种基于统计域联合时频域的辐射计射频干扰检测方法，包括以下步骤：

步骤1、对于长度为N的一帧辐射计输出采集信号样本，计算信号样本的二阶中心矩m₂及四阶中心矩m₄，其中，m₂＝<(x-<x>)²>，m₄＝<(x-<x>)⁴>，x为信号变量，<·>表示求均值；

步骤2、计算信号的峰度偏移量R，

步骤3、设置峰度偏移门限值z由预先设定的恒虚警值FAR_z通过公式确定，式中erf(·)为高斯误差函数；再判断信号峰度偏移量是否小于门限值z_R：当R＞z_R时，辐射计输出信号中存在射频干扰，该帧信号样本检测结束，否则进入步骤4；

步骤4、设置短时傅里叶变换中的窗函数长度及窗重复长度参数，对帧辐射计输出信号样本进行短时傅里叶变换，得到一系列短时辐射计输出信号的频谱；

步骤5、求取各段短时辐射计输出信号的傅里叶变换幅度的平方，并输入Power-Law检测器中得到检测判断量；

步骤6、分析Power-Law检测统计量并得到其概率分布函数，根据概率分布函数得到虚警率与检测门限值的关系；

步骤7、在确定虚警率的基础上通过虚警率与检测门限值关系曲线得到检测门限值T_th，将Power-Law检测器输出的检测值T_cpl与门限值T_th比较，实现辐射计射频干扰的检测：若T_cpl＞T_th，则存在射频干扰，否则不存在干扰。

本发明与现有的技术相比有着显著效果：1)实现简单，对待检测信号的先验条件无要求；2)克服了峰度检测算法的检测盲点问题及脉冲检测算法存在的局限性问题；3)基于时频域的Power-law检测算法，可实现低功率辐射计射频干扰信号的检测。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为根据本发明某些实施例的辐射计射频干扰检测方法的流程图。

图2为本发明一具体实施例中峰度检测算法峰度偏移门限值与虚警概率的关系曲线图。

图3为本发明一具体实施例中某段辐射计输出信号经过短时傅里叶变换的示意谱图。

图4为本发明一具体实施例中Power-Law检测器输出结果示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1所示，根据本发明的实施例，一种基于统计域联合时频域的辐射计射频干扰检测方法，包括以下7个步骤。

步骤1、对于长度为N的一帧辐射计输出采集信号样本，计算信号样本的二阶中心矩m₂及四阶中心矩m₄，其中，m₂＝<(x-<x>)²>，m₄＝<(x-<x>)⁴>，x为信号变量，<·>表示求均值。

步骤2、计算信号的峰度偏移量R，

步骤3、设置峰度偏移门限值z由预先设定的恒虚警值FAR_z通过公式确定，式中erf(·)为高斯误差函数；再判断信号峰度偏移量是否小于门限值z_R：当R＞z_R时，辐射计输出信号中存在射频干扰，该帧信号样本检测结束，否则进入步骤4。

步骤4、设置短时傅里叶变换中的窗函数长度及窗重复长度参数，对帧辐射计输出信号样本进行短时傅里叶变换，得到一系列短时辐射计输出信号的频谱；

步骤5、求取各段短时辐射计输出信号的傅里叶变换幅度的平方，并输入Power-Law检测器中得到检测判断量。

步骤6、分析Power-Law检测统计量并得到其概率分布函数，根据概率分布函数得到虚警率与检测门限值的关系。

步骤7、在确定虚警率的基础上通过虚警率与检测门限值关系曲线得到检测门限值T_th，将Power-Law检测器输出的检测值T_cpl与门限值T_th比较，实现辐射计射频干扰的检测：若T_cpl＞T_th，则存在射频干扰，否则不存在干扰。

本实施实例下面将通过辐射计输出信号及射频干扰信号建模仿真对辐射计射频干扰检测算法做详细说明。当不存在射频干扰时，辐射计输出信号为服从高斯分布的白噪声信号；而存在射频干扰时，为方便分析，本实施实例中射频干扰信号建模为正弦脉冲信号，且假设一帧待检测辐射计输出信号的样本长度为240000，干扰信号样本长度为3000，射频干扰信号功率与辐射计噪声功率比为-15dB。

在计算待检测信号样本的二阶中心矩m₂＝<(x-<x>)²>及四阶中心矩m₄＝<(x-<x>)⁴>基础上，计算其峰度偏移量本实例中，待检测信号样本长度为240000，其峰度偏移门限值z_R与虚警概率P_f之间的关系如图2所示。本实例中，选择峰度偏移门限值z_R＝0.025，对应的虚警概率值为1.2％。计算得到的某帧待检测信号样本的峰度偏移量为0.101，超过峰度偏移门限值z_R可判断该帧信号受射频干扰污染。

又一实例，假设一帧待检测辐射计输出信号的样本长度为240000，射频干扰信号样本长度为120000，对应的占空比为50％，射频干扰信号功率与辐射计噪声功率比为-15dB。计算得到的该帧待检测信号样本的峰度偏移量为0.007，小于峰度偏移门限值z_R＝0.025，由此可见峰度检测算法无法实现占空比为50％的辐射计射频干扰信号的检测。计算待检测信号样本x(n)的离散短时傅里叶变换X_k(m,k)：

$X_k(m,k)=\underset{n=0}{\overset{M-1}{\&Sigma;}}x\left(n\right)g^{*}(n-mL)W_M^{nk},k=0,1,....,M-1---\left(1\right)$

式中g(n)为窗函数，M窗函数的长度，L的大小决定了窗函数沿时间轴移动的间距，L越小，得到的信号时频曲线越密集。本实施实例中，选择汉明窗作为短时傅里叶变换的窗函数以减少旁瓣影响，进而提高辐射计射频干扰的检测性能，窗长度M＝1024，相邻窗之间的间距N＝512。图3所示为某单段信号傅里叶变换后得到的频谱图。

对各段信号的傅里叶变换幅度进行求平方操作得到其谱图，并输入Power-Law检测器中，其中Power-Law检测量定义为：

$T_{cpl}\left(X\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}\frac{Y_k^v}{{\left(\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{Y}_k\right)}^v}=\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{z}_k^v---\left(2\right)$

式中，Y_k为辐射计输出信号短时傅里叶变换幅度的平方，M为信号短时傅里叶变换长度，ν为非负实数，由于辐射计输出信号为高斯白噪声，因此Y_k服从独立同分布，且为遵循伽马分布的随机变量，可以推导得到的均值和方差的表达式如下：

$E\left(z_k^v\right)=\frac{\mathrm{\&Gamma;}(v+1)\mathrm{\&Gamma;}(M-v)}{\mathrm{\&Gamma;}\left(M\right)}---\left(3\right)$

$Var\left(z_k^v\right)=\frac{\mathrm{\&Gamma;}(2v+1)\mathrm{\&Gamma;}(M-2v)}{\mathrm{\&Gamma;}\left(M\right)}-E{\left(z_k^v\right)}^2---\left(4\right)$

图4为Power-Law检测器输出结果示意图。

结合统计学相关理论，检测量T_cpl服从正态分布N(μ_cpl,σ² _cpl)，其中均值方差根据该概率分布可由虚警概率确定Power-Law检测量的检测门限值。本实例中，虚警概率值为1.2％时确定的Power-Law检测门限值为0.045。将Power-Law检测器输出的检测量与检测门限值进行判断可以发现，从第235段开始检测器输出结果大于门限值，表明这些信号段中都存在射频干扰，与实际情况吻合。

在一些实施例中，本公开还提出一种基于统计域联合时频域的辐射计射频干扰检测装置，包括：

用于对于长度为N的一帧辐射计输出采集信号样本，计算信号样本的二阶中心矩m₂及四阶中心矩m₄的模块，其中，m₂＝<(x-<x>)²>，m₄＝<(x-<x>)⁴>，x为信号变量，<·>表示求均值；

用于计算信号的峰度偏移量R的模块，其中

用于设置峰度偏移门限值并判断信号峰度偏移量是否小于门限值z_R的模块，其中z由预先设定的恒虚警值FAR_z通过公式确定，式中erf(·)为高斯误差函数，并且当R＞z_R时，辐射计输出信号中被判定存在射频干扰，该帧信号样本检测结束；

用于设置短时傅里叶变换中的窗函数长度及窗重复长度参数，对帧辐射计输出信号样本进行短时傅里叶变换，得到一系列短时辐射计输出信号的频谱的模块；

用于求取各段短时辐射计输出信号的傅里叶变换幅度的平方，并输入Power-Law检测器中得到检测判断量的模块；

用于分析Power-Law检测统计量并得到其概率分布函数，根据概率分布函数得到虚警率与检测门限值的关系的模块；

用于在确定虚警率的基础上通过虚警率与检测门限值关系曲线得到检测门限值T_th，将Power-Law检测器输出的检测值T_cpl与门限值T_th比较，实现辐射计射频干扰的检测的模块。

所述用于在确定虚警率的基础上通过虚警率与检测门限值关系曲线得到检测门限值T_th，将Power-Law检测器输出的检测值T_cpl与门限值T_th比较，实现辐射计射频干扰的检测的模块被设置成按照下述方式进行干扰判定：若T_cpl＞T_th，则存在射频干扰，否则不存在干扰。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (4)

1.一种基于统计域联合时频域的辐射计射频干扰检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对于长度为N的一帧辐射计输出采集信号样本，计算信号样本的二阶中心矩m₂及四阶中心矩m₄，其中，m₂＝<(x-<x>)²>，m₄＝<(x-<x>)⁴>，x为信号变量，<·>表示求均值；

步骤2、计算信号的峰度偏移量R，

步骤3、设置峰度偏移门限值z由预先设定的恒虚警值FARz通过公式确定，式中erf(·)为高斯误差函数；再判断信号峰度偏移量是否小于门限值z_R：当R＞z_R时，辐射计输出信号中存在射频干扰，该帧信号样本检测结束，否则进入步骤4；

步骤4、设置短时傅里叶变换中的窗函数长度及窗重复长度参数，对帧辐射计输出信号样本进行短时傅里叶变换，得到一系列短时辐射计输出信号的频谱；

步骤5、求取各段短时辐射计输出信号的傅里叶变换幅度的平方，并输入Power-Law检测器中得到检测判断量；

步骤6、分析Power-Law检测统计量并得到其概率分布函数，根据概率分布函数得到虚警率与检测门限值的关系；

步骤7、在确定虚警率的基础上通过虚警率与检测门限值关系曲线得到检测门限值T_th，将Power-Law检测器输出的检测值T_cpl与门限值T_th比较，实现辐射计射频干扰的检测。

2.根据权利要求1所述的基于统计域联合时频域的辐射计射频干扰检测方法，其特征在于，前述步骤7中，若T_cpl＞T_th，则存在射频干扰，否则不存在干扰。

3.一种基于统计域联合时频域的辐射计射频干扰检测装置，其特征在于，包括：

用于对于长度为N的一帧辐射计输出采集信号样本，计算信号样本的二阶中心矩m₂及四阶中心矩m₄的模块，其中，m₂＝<(x-<x>)²>，m₄＝<(x-<x>)⁴>，x为信号变量，<·>表示求均值；

用于计算信号的峰度偏移量R的模块，其中

用于设置峰度偏移门限值并判断信号峰度偏移量是否小于门限值z_R的模块，其中z由预先设定的恒虚警值FAR_z通过公式确定，式中erf(·)为高斯误差函数，并且当R＞z_R时，辐射计输出信号中被判定存在射频干扰，该帧信号样本检测结束；

用于设置短时傅里叶变换中的窗函数长度及窗重复长度参数，对帧辐射计输出信号样本进行短时傅里叶变换，得到一系列短时辐射计输出信号的频谱的模块；

用于求取各段短时辐射计输出信号的傅里叶变换幅度的平方，并输入Power-Law检测器中得到检测判断量的模块；

用于分析Power-Law检测统计量并得到其概率分布函数，根据概率分布函数得到虚警率与检测门限值的关系的模块；

用于在确定虚警率的基础上通过虚警率与检测门限值关系曲线得到检测门限值T_th，将Power-Law检测器输出的检测值T_cpl与门限值T_th比较，实现辐射计射频干扰的检测的模块。

4.根据权利要求3所述的基于统计域联合时频域的辐射计射频干扰检测装置，其特征在于，所述用于在确定虚警率的基础上通过虚警率与检测门限值关系曲线得到检测门限值T_th，将Power-Law检测器输出的检测值T_cpl与门限值T_th比较，实现辐射计射频干扰的检测的模块被设置成按照下述方式进行干扰判定：若T_cpl＞T_th，则存在射频干扰，否则不存在干扰。