CN105954586A - 基于变采样率的空间电磁信号频谱获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变采样率的空间电磁信号频谱获取方法，主要解决现有技术运算速度缓慢，造成电子设备无法正常工作的问题。其实现步骤是：1)设置雷达发射机、通信发射机的数量及参数；2)计算雷达发射机和通信发射机的发射信号采样频率及采样点数；3)计算观测点处雷达发射机和通信发射机的发射信号幅值；4)根据发射信号幅值计算观测点处雷达发射机和通信发射机的发射信号频谱；5)根据发射信号频谱计算观测点处雷达发射机和通信发射机的发射信号叠加频谱；6)对整个观测区域重复步骤3至步骤5，获取空间电磁信号频谱。本发明大幅度减小了运算量，提高了电子设备反应速度，可用于避免各种电磁设备相互干扰。

Description

基于变采样率的空间电磁信号频谱获取方法

技术领域

本发明属于空间电磁态势感知技术领域，特别涉及一种空间电磁信号频谱获取方法。可用于分析电磁环境，避免各种电磁设备相互干扰。

背景技术

随着信息化的发展，现实环境中的电磁设备越来越多，造成电磁环境异常复杂，如何得到空间电磁信号频谱对研究电磁环境具有重要价值：一是有助于避免各电磁设备间的相互干扰；二是可以引导飞行器在欲动设备中避免电磁干扰，以使自身安全起飞和降落。

针对该问题的研究中，传统获取空间电磁信号频谱的方法是：在观测点处先将所有经过该点的时域信号叠加，再对叠加信号进行频谱变换获得空间电磁信号频谱。该方法需要在每个观测点处均进行一次运算量较大的频谱变换计算，在有大量观测点的情况下，运算速度十分缓慢，将造成电子设备无法正常工作或飞行器无法及时躲避干扰等情况。

近年来，针对空间电磁信号频谱的获取提出的新思路是：在观测点处先将所有经过该点的时域信号进行频谱变换，再对所有变换后的信号进行叠加获得空间电磁信号频谱。西安电子科技大学在其申请的专利“获取空间电磁强度数据的方法”(专利申请号201410103112.x)中公开了一种获取空间电磁信号频谱方法，该方法需要对每个发射信号进行一次全采样，很大程度上增加了系统的负担，同时由于信号中心频率的不同，在对变换后的信号进行叠加时，增加了运算量，将造成空间电磁信号频谱获取出现误差，进而导致电子设备无法正常工作。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于变采样率的空间电磁信号频谱获取方法，以在降低运算量的情况下，大大减轻系统的负担，提高电子设备反应速度，避免各种电磁设备的相互干扰。

为实现上述目的，本发明技术方案包括如下：

(1)在空间放置M台雷达发射机和N台通信发射机，设每台雷达发射机的功率P_rm和天线增益G_rm均大于零，每台雷达发射机的发射信号为s_rm(t)；设每台通信发射机的功率P_cn和天线增益G_cn均大于零，每台通信发射机的发射信号为s_cn(t)，其中，M≥1，N≥1，m表示雷达发射机序号，m＝1,2,...,M，n表示通信发射机序号，n＝1,2,...,N；

(2)根据各雷达发射机的发射信号带宽B_rm和各通信发射机的发射信号带宽B_cn，分别计算各雷达发射机的发射信号采样频率f_rm、采样点数K_rm和各通信发射机的发射信号采样频率f_cn、采样频率K_cn；

(3)设置一个观测点，根据各雷达发射机的雷达发射机的功率P_rm、天线增益G_rm和各通信发射机的功率P_cn、天线增益G_cn，分别计算该观测点处各雷达发射机的发射信号幅值A_rm和各通信发射机的发射信号幅值A_cn；

(4)根据各雷达发射机的发射信号采样频率f_rm和各雷达发射机的发射信号幅值A_rm、各通信发射机的发射信号采样频率f_cn和各通信发射机的发射信号幅值A_cn，分别计算观测点处各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)和各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)；

(5)根据观测点处各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)和各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)，分别计算观测点处雷达发射机的发射信号叠加频谱S_r(f)和通信发射机的发射信号叠加频谱S_c(f)：

(5a)计算观测点处各雷达发射机的发射信号叠加频谱S_r(f)：

(5a1)以雷达发射机的发射信号采样频率范围作为x轴坐标，观测点处雷达发射机的发射信号频谱幅值范围作为y轴坐标，构建雷达频谱坐标系，其横坐标轴单位长度为：

(5a2)找到各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)中心频率点的值在雷达频谱坐标系的横坐标轴上所对应的点y_rm；

(5a3)将各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)放置在雷达频谱坐标系中，使其中心频率点与在雷达频谱坐标系的横坐标轴上所对应的点y_rm重合；

(5a4)在雷达信号频谱直角坐标系中，将各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)重叠部分进行相加，得到观测点处雷达发射机的发射信号叠加频谱S_r(f)；

(5b)计算观测点处通信发射机的发射信号叠加频谱S_c(f)：

(5b1)以通信发射机的发射信号采样频率范围作为x轴坐标，观测点处通信发射机的发射信号频谱幅值范围作为y轴坐标，构建通信频谱坐标系，其横坐标轴单位长度为

(5b2)找到各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)中心频率点的值在通信频谱坐标系的横坐标轴上所对应的点z_cn；

(5b3)将各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)放置在通信频谱坐标系中，使其中心频率点与在通信频谱坐标系的横坐标轴上所对应的点z_cn重合；

(5b4)在通信频谱坐标系中，将各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)重叠部分进行相加，得到观测点处的通信发射机的发射信号叠加频谱S_c(f)；

(6)对整个观测区域的其他观测点重复步骤(3)至步骤(5)，即可获得观测区域的空间电磁信号频谱。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)本发明设置各发射信号时间长度一致，仅仅取其各自带宽内的信号进行采样，灵活构建采样系数，避免了对每个发射信号进行一次全采样，因而很大程度上减轻了系统的负担。

2)本发明通过构建频谱坐标系，在每个观测点处，只需将各发射信号频谱搬移至频谱坐标系内并将重叠部分叠加，即可获得空间电磁信号频谱，避免了在每个观测点处均进行一次运算量较大的频域变换，大大提高了电子设备的运算速率，节省了运算时间，使电子装备更具灵活性。

附图说明

图1是本发明的实现流程图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明的技术方案和效果作进一步的详细说明。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1：设置雷达发射机和通信发射机的数量及相关参数。

在空间放置M台雷达发射机和N台通信发射机；

设每台雷达发射机的功率P_rm和天线增益G_rm均大于零，每台雷达发射机的发射信号为s_rm(t)；

设每台通信发射机的功率P_cn和天线增益G_cn均大于零，每台通信发射机的发射信号为s_cn(t)，

其中，M≥1，N≥1，m表示雷达发射机序号，m＝1,2,...,M，n表示通信发射机序号，n＝1,2,...,N。

步骤2：分别计算各雷达发射机的发射信号采样频率f_rm、采样点数K_rm和各通信发射机的发射信号采样频率f_cn、采样频率K_cn。

(2a)计算各雷达发射机的发射信号采样频率f_rm、采样点数K_rm：

(2a1)根据各雷达发射机的发射信号带宽B_rm，计算各雷达发射机的发射信号采样频率f_rm：

f_rm＝ξB_rm

其中，ξ表示采样系数，ξ的取值范围是1.2<ξ<1.3；

(2a2)根据各雷达发射机的发射信号时间长度T_rm和各雷达发射机的发射信号采样频率f_rm，计算雷达发射信号采样点数K_rm：

K_rm＝T_rmf_rm；

(2b)计算各通信发射机的发射信号采样频率f_cn、采样频率K_cn：

(2b1)根据各通信发射机发射信号的带宽B_cn，计算各通信发射机发射信号的采样频率f_cn：

f_cn＝ξB_cn；

(2b2)根据各通信发射信号时间长度T_cn和各通信发射信号的采样频率f_cn，计算通信发射信号采样点数K_cn：

K_cn＝T_cnf_cn。

步骤3：计算观测点处各雷达发射机的发射信号幅值A_rm和各通信发射机的发射信号幅值A_cn。

(3a)根据雷达发射机的功率P_rm和天线增益G_rm，计算观测点处各雷达发射机的发射信号幅值A_rm：

$A_{rm}=\sqrt{\frac{P_{rm}{G}_{rm}}{4{\mathrm{\&pi;R}}_{rm}^2}},$

其中，R_rm表示雷达发射机观测点的距离；

(3b)根据通信发射机的功率P_cn和天线增益G_cn，计算观测点处各通信发射机的发射信号幅值A_cn：

$A_{cn}=\sqrt{\frac{P_{cn}{G}_{cn}}{4{{\mathrm{\&pi;R}}_{cn}}^2}},$

其中，R_cn表示通信发射机到观测点的距离。

步骤4：分别计算观测点处各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)和各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)。

(4a)计算观测点处各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)：

(4a1)对各雷达发射机的发射信号s_rm(t)以采样频率f_rm进行采样，并对采样信号进行傅里叶变换，得到雷达发射机的发射信号采样频谱

(4a2)根据雷达发射机的发射信号采样频谱计算观测点处各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)：

$S_{rm}\left(f\right)=\frac{A_{rm}}{f_{rm}}{\hat{S}}_{rm}\left(f\right)e^{-j2{\mathrm{\&pi;f\&tau;}}_{rm}},$

其中，τ_rm＝R_rm/c表示观测点与雷达发射机的时间延迟，R_rm表示雷达发射机到观测点的距离，c表示光速；

(4b)计算观测点处各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)：

(4b1)对各通信发射机的发射信号s_cn(t)以采样频率f_cn进行采样，并对采样信号进行傅里叶变换，得到通信发射机的发射信号采样频谱

(4b2)根据通信发射机的发射信号采样频谱计算各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)：

$S_{cn}\left(f\right)=\frac{A_{cn}}{f_{cn}}{\hat{S}}_{cn}\left(f\right)e^{-j2{\mathrm{\&pi;f\&tau;}}_{cn}},$

其中，τ_cn＝R_cn/c表示观测点与通信发射机的时间延迟，R_cn表示通信发射机到观测点的距离，c表示光速。

步骤5：分别计算观测点处雷达发射机的发射信号叠加频谱S_r(f)和通信发射机的发射信号叠加频谱S_c(f)。

(5a)计算观测点处各雷达发射机的发射信号叠加频谱S_r(f)：

(5a1)以雷达发射机的发射信号采样频率范围作为x轴坐标，观测点处雷达发射机的发射信号频谱幅值范围作为y轴坐标，构建雷达频谱坐标系，该频谱坐标系的横坐标轴单位长度为：

(5a2)找到各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)中心频率点的值在雷达频谱坐标系横坐标轴上所对应的点y_rm；

(5a3)将各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)放置在雷达频谱坐标系中，使其中心频率点与在雷达频谱坐标系的横坐标轴上所对应的点y_rm重合；

(5a4)在雷达信号频谱直角坐标系中，将各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)重叠部分进行相加，得到观测点处雷达发射机的发射信号叠加频谱S_r(f)；

(5b)计算观测点处通信发射机的发射信号叠加频谱S_c(f)：

(5b1)以通信发射机的发射信号采样频率范围作为x轴坐标，观测点处通信发射机的发射信号频谱幅值范围作为y轴坐标，构建通信频谱坐标系，该频谱坐标系的横坐标轴单位长度为

(5b2)找到各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)中心频率点的值在通信频谱坐标系的横坐标轴上所对应的点z_cn；

(5b3)将各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)放置在通信频谱坐标系中，使其中心频率点与在通信频谱坐标系的横坐标轴上所对应的点z_cn重合；

(5b4)在通信频谱坐标系中，将各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)重叠部分进行相加，得到观测点处的通信发射机的发射信号叠加频谱S_c(f)。

步骤6：对整个观测区域的其他观测点重复步骤(3)至步骤(5)，即可获得观测区域的空间电磁信号频谱。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于变采样率的空间电磁信号频谱获取方法，包括：

(1)在空间放置M台雷达发射机和N台通信发射机，设每台雷达发射机的功率P_rm和天线增益G_rm均大于零，每台雷达发射机的发射信号为s_rm(t)；设每台通信发射机的功率P_cn和天线增益G_cn均大于零，每台通信发射机的发射信号为s_cn(t)，其中，M≥1，N≥1，m表示雷达发射机序号，m＝1,2,...,M，n表示通信发射机序号，n＝1,2,...,N；

(2)根据各雷达发射机的发射信号带宽B_rm和各通信发射机的发射信号带宽B_cn，分别计算各雷达发射机的发射信号采样频率f_rm、采样点数K_rm和各通信发射机的发射信号采样频率f_cn、采样频率K_cn；

(3)设置一个观测点，根据各雷达发射机的雷达发射机的功率P_rm、天线增益G_rm和各通信发射机的功率P_cn、天线增益G_cn，分别计算该观测点处各雷达发射机的发射信号幅值A_rm和各通信发射机的发射信号幅值A_cn；

(4)根据各雷达发射机的发射信号采样频率f_rm和各雷达发射机的发射信号幅值A_rm、各通信发射机的发射信号采样频率f_cn和各通信发射机的发射信号幅值A_cn，分别计算观测点处各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)和各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)；

(5)根据观测点处各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)和各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)，分别计算观测点处雷达发射机的发射信号叠加频谱S_r(f)和通信发射机的发射信号叠加频谱S_c(f)：

(5a)计算观测点处各雷达发射机的发射信号叠加频谱S_r(f)：

(5a1)以雷达发射机的发射信号采样频率范围作为x轴坐标，观测点处雷达发射机的发射信号频谱幅值范围作为y轴坐标，构建雷达频谱坐标系，其横坐标轴单位长度为：

(5a2)找到各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)中心频率点的值在雷达频谱坐标系的横坐标轴上所对应的点y_rm；

(5a3)将各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)放置在雷达频谱坐标系中，使其中心频率点与在雷达频谱坐标系的横坐标轴上所对应的点y_rm重合；

(5a4)在雷达信号频谱直角坐标系中，将各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)重叠部分进行相加，得到观测点处雷达发射机的发射信号叠加频谱S_r(f)；

(5b)计算观测点处通信发射机的发射信号叠加频谱S_c(f)：

(5b1)以通信发射机的发射信号采样频率范围作为x轴坐标，观测点处通信发射机的发射信号频谱幅值范围作为y轴坐标，构建通信频谱坐标系，其横坐标轴单位长度为

(5b2)找到各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)中心频率点的值在通信频谱坐标系的横坐标轴上所对应的点z_cn；

(5b3)将各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)放置在通信频谱坐标系中，使其中心频率点与在通信频谱坐标系的横坐标轴上所对应的点z_cn重合；

(5b4)在通信频谱坐标系中，将各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)重叠部分进行相加，得到观测点处的通信发射机的发射信号叠加频谱S_c(f)；

(6)对整个观测区域的其他观测点重复步骤(3)至步骤(5)，即可获得观测区域的空间电磁信号频谱。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中分别计算各雷达发射机的发射信号采样频率f_rm、采样点数K_rm和各通信发射机的发射信号采样频率f_cn、采样频率K_cn，按如下步骤进行：

(2a)计算各雷达发射机的发射信号采样频率f_rm、采样点数K_rm：

(2a1)根据各雷达发射机的发射信号带宽B_rm，计算各雷达发射机的发射信号采样频率f_rm：

f_rm＝ξB_rm

其中，ξ表示采样系数，对复信号采样时ξ的取值范围是1.2<ξ<1.3，对实信号采样时ξ的取值范围是2.4<ξ<2.6；

(2a2)根据各雷达发射机的发射信号时间长度T_rm和各雷达发射机的发射信号采样频率f_rm，计算雷达发射信号采样点数K_rm：

K_rm＝T_rmf_rm；

(2b)计算各通信发射机的发射信号采样频率f_cn、采样频率K_cn：

(2b1)根据各通信发射机发射信号的带宽B_cn，计算各通信发射机发射信号的采样频率f_cn：

f_cn＝ξB_cn；

(2b2)根据各通信发射信号时间长度T_cn和各通信发射信号的采样频率f_cn，计算通信发射信号采样点数K_cn：

K_cn＝T_cnf_cn。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中分别计算观测点处各雷达发射机的雷达信号幅值A_rm和各通信发射机的通信信号幅值A_cn，按如下公式计算：

$A_{rm}=\sqrt{\frac{P_{rm}{G}_{rm}}{4{\mathrm{\&pi;R}}_{rm}^2}},$

$A_{cn}=\sqrt{\frac{P_{cn}{G}_{cn}}{4{{\mathrm{\&pi;R}}_{cn}}^2}},$

其中，R_rm和R_cn分别表示雷达发射机和通信发射机到观测点的距离。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)中分别计算观测点处各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)和各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)，按如下步骤进行：

(4a)计算观测点处各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)：

(4a1)对各雷达发射机的发射信号s_rm(t)以采样频率f_rm进行采样，并对采样信号进行傅里叶变换，得到雷达发射机的发射信号采样频谱

(4a2)根据雷达发射机的发射信号采样频谱计算观测点处各雷达发射机的发射信号频谱S_rm(f)：

$S_{rm}\left(f\right)=\frac{A_{rm}}{f_{rm}}{\hat{S}}_{rm}\left(f\right)e^{-j2{\mathrm{\&pi;f\&tau;}}_{rm}},$

其中，τ_rm＝R_rm/c表示观测点与雷达发射机的时间延迟，R_rm表示雷达发射机到观测点的距离，c表示光速；

(4b)计算观测点处各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)：

(4b1)对各通信发射机的发射信号s_cn(t)以采样频率f_cn进行采样，并对采样信号进行傅里叶变换，得到通信发射机的发射信号采样频谱

(4b2)根据通信发射机的发射信号采样频谱计算各通信发射机的发射信号频谱S_cn(f)：

$S_{cn}\left(f\right)=\frac{A_{cn}}{f_{cn}}{\hat{S}}_{cn}\left(f\right)e^{-j2{\mathrm{\&pi;f\&tau;}}_{cn}},$

其中，τ_cn＝R_cn/c表示观测点与通信发射机的时间延迟，R_cn表示通信发射机到观测点的距离，c表示光速。