CN106371072A - 一种基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法，将频域采样定理应用于空间频谱普查；空间中无限长度的周期信号，进行傅里叶变换后等效为离散的冲激信号对单个脉冲的傅里叶变换的采样；实际中信号持续一段时间，等效为对无限长度周期信号加窗处理，对有限长度信号进行傅里叶变换等效为用采样函数对单个脉冲进行采样；根据给定的频率分辨率确定时域信号的初始持续时间，根据信号的时宽和时域信号的初始时间的关系确定时域信号的持续时间。本发明避免了对数据进行大规模的采样处理，减少了系统的计算负担，大大提高了电子设备的运算速率，节省了运算时间。本发明大幅度减小了运算量，提高了电子设备反应速度，实现对空间频谱的实时普查。

Description

一种基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法

技术领域

本发明属于空间电磁态势感知技术领域，尤其涉及一种基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法。

背景技术

随着科技的发展，具有收发功能的电磁设备逐步增多，导致空间电磁环境异常复杂，如何快速得到空间电磁信号频谱对研究电磁环境以及对电磁设备的监测具有重要意义。首先能够有效地快速地在某一点对空间电磁信号进行识别和查询，能够应用于实时的场景中；利用电磁频谱普查结果指导对电磁设备的识别；第三分析空间电磁信号的频谱，从能能够有效地避免新设备电磁信号和已有电磁信号之间的干扰，实现空间电磁信号的安全隔离。针对该问题的研究中，常规的获取空间电磁信号频谱普查的方法是：在某一个监测点先将所有经过该点的一定观测时长的时域信号叠加，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对信号进行长时间的观测收集，然后进行运算量较大的频谱变换计算，运算速度缓慢，由于采集信号时间过长和采集数据较大导致无法及时的更新空间电磁信号数据，从而无法有效地应用于实时性的场景中。

综上所述，现有的获取空间电磁信号频谱普查的方法存在运算量较大，运算速度缓慢，采集信号时间过长和采集数据较大，无法及时的更新空间电磁信号数据的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法，旨在解决现有的获取空间电磁信号频谱普查的方法存在运算量较大，运算速度缓慢，采集信号时间过长和采集数据较大，无法及时的更新空间电磁信号数据的问题。

本发明是这样实现的，一种基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法，所述基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法将频域采样定理应用于空间频谱普查；空间中无限长度的周期信号，进行傅里叶变换后等效为离散的冲激信号对单个脉冲的傅里叶变换的采样；实际中信号持续一段时间，等效为对无限长度周期信号加窗处理，对有限长度信号进行傅里叶变换等效为用采样函数对单个脉冲进行采样；根据给定的频率分辨率确定时域信号的初始持续时间，根据信号的时宽和时域信号的初始时间的关系确定时域信号的持续时间。

进一步，所述于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法包括以下步骤：

步骤一，获取基带信号并确定参数；

在空间某一点接收机能够接收到空间中放置的M台雷达发射机发射的信号，对接收机接收到的信号进行解调后变换为基带信号s_mr(t)；每个信号脉冲重复周期为PRT_m，信号时宽为τ_m，信号带宽为B_m，信号载波频率为f_cm；其中，M≥1，m表示雷达发射机序号，m＝1,2,...,M；

步骤二，计算接收到各信号采样率f_sm：

f_sm＝ηB_m；

其中采样系数η为采样率和和信号带宽的关系，对于实信号采样系数η取值为2.4＜η＜2.6，对于复信号采样系数η取值为1.2＜η＜1.3；

步骤三，计算总带宽B和总采样率f_s；

步骤四，设置频率分辨率；

设置进行频率普查时的频率分辨率为Δf，计算时域信号的初始持续时间ΔT：

$\mathrm{\Δ}T=\frac{1}{\mathrm{\Δ}f};$

其中，Δf为设置的频率分辨率；

步骤五，计算信号持续时间ΔT_max；

将各个信号的时宽τ_m与信号的初始持续时间ΔT比较大小，取时宽τ_m与初始持续时间ΔT中的最大值来确定时域信号的持续时间ΔT_max：

ΔT_max＝max{τ_m,ΔT}；

步骤六，确定最大采样点数N_max：

根据总采样率f_s以及信号的持续时间ΔT_max确定最大采样点数N_max：

N_max＝f_s×ΔT_max；

步骤七，计算信号频谱S_mr(f)：

根据接收机接收到的各雷达发射机的一个有效的基带信号s_mr(t)，计算接收到的信号频谱S_mr(f)；

步骤八，计算叠加频谱S″(f)：

对接收机接收到的各信号频谱S_mr(f)按照各自的频率采样率f_sfm进行采样得到采样后的频谱S′_mr(f)；根据各个雷达信号的采样率f_sm对采样后的各个信号频谱S′_mr(f)进行归一化处理得到归一化信号频谱进行插零处理得到插零后各个雷达信号频谱对观测点处所有插零后雷达信号频谱进行叠加，得到叠加频谱S″(f)；

步骤九，重复步骤七和步骤八，完成对所有信号频谱处理完成空间频谱普查。

进一步，所述计算总带宽B和总采样率f_s具体包括：

(1)利用信号带宽B_m和载波频率f_cm，雷达各个信号的最小起始频率f_L和信号的最大终止频率f_H按照以下公式计算：

f_L＝min{f_cm-0.5B_m}，f_H＝max{f_cm+0.5B_m}；

信号的总带宽B按照以下公式计算：

B＝f_H-f_L；

(2)信号的总采样率f_s按照以下公式计算：

f_s＝ηB；

其中η为采样系数，对于实信号采样系数η取值为2.4＜η＜2.6，对于复信号采样系数η取值为1.2＜η＜1.3。

进一步，所述计算信号频谱S_mr(f)具体包括：

1)对基带信号s_mr(t)采样，确定信号时域采样后信号s_Nm(k)，其中采样后信号索引k＝0,1,…N_m-1，数据长度N_m表示按照以下公式进行计算：

N_m＝f_sm×τ_m；

f_sm表示信号的采样率，τ_m表示信号时宽；

2)对补采样后信号做傅里叶变换得到的各信号频谱S_mr(f)。

进一步，所述计算叠加频谱S″(f)具体包括：

第一步，构建雷达频谱坐标系，坐标轴x轴以信号的总采样率f_s对应的最大采样点数N_max表示坐标范围，单位长度的频率等于频谱的分辨率；信号的频谱幅值为y轴坐标；

第二步，根据各个雷达发射信号的中心频率f_cm确定各个雷达发射信号在3)第一步中构建的坐标系中的横坐标位置

第三步，对接收到的各个信号频谱S_mr(f)按照各自的频率采样率f_sfm进行采样得到采样后的频谱S′_mr(f)；频率采样率f_sfm按照以下公式计算：

$f_{sfm}=\frac{1}{{\mathrm{PRT}}_m};$

第四步，利用接收到的各雷达发射机的信号频谱S′_mr(f)和每个信号采样率f_sm按以下公式对频谱进行归一化处理：

${\tilde{S}}_{mr}\left(f\right)=\frac{1}{f_{sm}}{S}_{mr}^{\′}\left(f\right);$

第五步，对各雷达信号频谱进行插零，插零后长度N_maxm＝f_sm×ΔT_max得到插零后各雷达信号频谱将插零后各雷达信号频谱依次放入对应的以横坐标位置X_m为中心的雷达频谱坐标系中，将信号频谱重叠部分进行叠加；得到观测点处雷达发射机的发射信号叠加频谱S″(f)。

本发明基于频域采样，对单个脉冲进行傅里叶变换得到的频谱为连续的频谱结构，对单脉冲的连续频谱按照频率采样率进行采样得到频谱结构后进行插零和有限长度周期性脉冲串得到的频谱结构近似一致，在给定频率分辨率的要求下，利用对单个脉冲的频谱进行频率采样得到的频谱和无限长周期脉冲结构一致和有限长周期脉冲频谱结构近似一致。利用这一原理提供一种应用所述基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法的空间电磁信号频谱普查方法。

根据获得到的空间电磁频谱，进一步判断出工作在特定频率上的电磁设备，从而实现对电磁设备的分类识别。其另一目的在于提供一种应用所述基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法的电磁设备分类和识别方法。

本发明提供的基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法，与现有技术相比，具有以下优势：

1)本发明通过设定的频率分辨率来计算需要采集信号的时间长度，采集的信号仅仅取决于信号一个脉冲周期内的有效时宽部分，获取一个有效的信号脉冲的条件下，仅仅取其信号的带宽进行采样，灵活构建采样系数，利用对单个脉冲频谱进行采样来等效所需要的周期脉冲频谱，不仅能够减少傅里叶变换所需时间，同时单个脉冲频谱采样等效周期脉冲频谱能够随着等效周期脉冲的增加而进一步提高工作效率，达到提高系统工作的实时性的目的，例如周期信号脉冲重复频率PRF为100Hz，1s对应的信号脉冲个数为100个，用单个脉冲来等效仅仅需要一个脉冲数据而不是100个脉冲数据。从而在数据速率上获得100倍的提升。

2)本发明通过构建频谱坐标系，在每个观测点处，对各个信号的频谱进行归一化处理后，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，避免了由于采样不同导致的频谱在幅度上存在较大的失真保证频谱普查的准确性。

3)提出一种快速空间电磁频谱普查方法，来达到降低运算量的目的，以快速傅里叶变换中的基2FFT运算为例，基2FFT运算复杂度为当用单个脉冲数据来等效对应的周期序列时，本发明和常规方法的快速傅里叶变换计算的复杂度之比为其中N₁为本方法所需计算的傅里叶变换的长度，N₂为常规方法需要计算的序列长度，由于N₁＜＜N₂，因此本发明大幅度减小了运算量，提高了电子设备反应速度，实现对空间频谱的实时普查。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法流程图。

图2是本发明实施例提供的实施例1的实现流程图。

图3是本发明实施例提供的和常规方法频谱普查的时间耗费对比图。

图4是本发明实施例提供的和常规方法频谱普查的矩形脉冲信号频谱对比图。

图5是本发明实施例提供的和常规方法频频普查的线性调频信号频谱对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例将频域采样定理应用于空间频谱普查；空间中无限长度的周期信号，进行傅里叶变换后为离散的冲激信号对单个脉冲的傅里叶变换的采样。实际中信号持续一段时间，等效为对无限长度周期信号加窗处理，对有限长度信号进行傅里叶变换等效为用采样函数对单个脉冲进行采样；根据给定的频率分辨率确定时域信号的初始持续时间，根据信号的时宽和时域信号的初始时间的关系确定时域信号的持续时间，在满足一定频率分辨率条件下，因此可以用对单个脉冲进行频率采样来达到对有限长度的空间信号频谱进行近似，完成空间频谱普查。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法包括以下步骤：

S101：设置接收到雷达发射机发射信号的数量及参数；

S102：计算接收到雷达发射机信号采样频率；

S103：计算空间信号总带宽和总采样率；

S104：设置频率分辨率计算初始信号持续时间；

S105：计算信号持续时间；

S106：确定最大采样点数；

S107：获取单个脉冲，计算单个脉冲频谱；

S108：对频谱按照频率采样率进行采样，利用采样后的频谱计算叠加频谱；

S109：重复步骤S107、步骤S108完成空间电磁频谱普查。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例提供的基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法的实现步骤如下：

步骤1：获取基带信号并确定参数。

在空间某一点接收机能够接收到空间中放置的M台雷达发射机发射的信号，对接收机接收到的信号进行解调后变换为基带信号s_mr(t)。每个信号脉冲重复周期为PRT_m，信号时宽为τ_m，信号带宽为B_m，信号载波频率为f_cm；其中，M≥1，m表示雷达发射机序号，m＝1,2,...,M。

步骤2：计算接收到各信号采样率f_sm：

f_sm＝ηB_m；

其中采样系数η为采样率和和信号带宽的关系，对于实信号采样系数η取值为2.4＜η＜2.6，对于复信号采样系数η取值为1.2＜η＜1.3；

步骤3：计算总带宽B和总采样率f_s。

(3a)利用信号带宽B_m和载波频率f_cm，雷达各个信号的最小起始频率f_L和信号的最大终止频率f_H按照以下公式计算：

f_L＝min{f_cm-0.5B_m}，f_H＝max{f_cm+0.5B_m}；

信号的总带宽B按照以下公式计算：

B＝f_H-f_L；

(3b)信号的总采样率f_s按照以下公式计算：

f_s＝ηB；

其中η为采样系数，对于实信号采样系数η取值为2.4＜η＜2.6，对于复信号采样系数η取值为1.2＜η＜1.3；

步骤4：设置频率分辨率。

设置进行频率普查时的频率分辨率为Δf，计算时域信号的初始持续时间ΔT：

$\mathrm{\Δ}T=\frac{1}{\mathrm{\Δ}f};$

其中，Δf为设置的频率分辨率。

步骤5：计算信号持续时间ΔT_max。

将各个信号的时宽τ_m与信号的初始持续时间ΔT比较大小，取时宽τ_m与初始持续时间ΔT中的最大值来确定时域信号的持续时间ΔT_max：

ΔT_max＝max{τ_m,ΔT}。

步骤6：确定最大采样点数N_max：

根据总采样率f_s以及信号的持续时间ΔT_max确定最大采样点数N_max：

N_max＝f_s×ΔT_max

步骤7：计算信号频谱S_mr(f)：

根据接收机接收到的各雷达发射机的一个有效的基带信号s_mr(t)，计算接收到的信号频谱S_mr(f)；

(7a)对基带信号s_mr(t)采样，确定信号时域采样后信号s_Nm(k)，其中采样后信号索引k＝0,1,…N_m-1，数据长度N_m表示按照以下公式进行计算：

N_m＝f_sm×τ_m；

f_sm表示信号的采样率，τ_m表示信号时宽；

(7b)对补采样后信号s_Nm(k)做傅里叶变换得到的各信号频谱S_mr(f)。

步骤8：计算叠加频谱S″(f)：

对接收机接收到的各信号频谱S_mr(f)按照各自的频率采样率f_sfm进行采样得到采样后的频谱S′_mr(f)；根据各个雷达信号的采样率f_sm对采样后的各个信号频谱S′_mr(f)进行归一化处理得到归一化信号频谱进行插零处理得到插零后各个雷达信号频谱对观测点处所有插零后雷达信号频谱进行叠加，得到叠加频谱S″(f)；

(8a)构建雷达频谱坐标系，坐标轴x轴以信号的总采样率f_s对应的最大采样点数N_max表示坐标范围，单位长度的频率等于频谱的分辨率；信号的频谱幅值为y轴坐标；

(8b)根据各个雷达发射信号的中心频率f_cm确定各个雷达发射信号在(8a)构建的坐标系中的横坐标位置

(8c)对接收到的各个信号频谱S_mr(f)按照各自的频率采样率f_sfm进行采样得到采样后的频谱S′_mr(f)；频率采样率f_sfm按照以下公式计算：

$f_{sfm}=\frac{1}{{\mathrm{PRT}}_m};$

(8d)利用接收到的各雷达发射机的信号频谱S′_mr(f)和每个信号采样率f_sm按以下公式对频谱进行归一化处理：

${\tilde{S}}_{mr}\left(f\right)=\frac{1}{f_{sm}}{S}_{mr}^{\′}\left(f\right);$

(8e)对各雷达信号频谱进行插零，插零后长度N_maxm＝f_sm×ΔT_max得到插零后各雷达信号频谱将插零后各雷达信号频谱依次放入对应的以横坐标位置X_m为中心的雷达频谱坐标系中，将信号频谱重叠部分进行叠加；得到观测点处雷达发射机的发射信号叠加频谱S″(f)。

步骤9：重复步骤7、步骤8，完成对所有信号频谱处理完成空间频谱普查。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

1、仿真条件：

仿真设定信号为矩形脉冲，脉冲宽度τ为0.1s，脉冲重复周期PRT为0.5s，信号带宽为10Hz，采样率为25Hz。

仿真设定线性调频信号，脉冲宽度τ为0.1s，脉冲重复周期PRT为0.5s，信号的带宽为100Hz，采样率为250Hz。

2、仿真内容：

根据仿真设定的条件，比较在不同的频率分辨率Δf以及信号持续时间ΔT下，频谱的精细度，以及计算时间的改善。

3、仿真分析：

从仿真时间的角度分析，单脉冲处理能够有效的节省时间，对比图可以得出时间消耗差异在信号的获取段，本发明方法只需要采集一个脉冲的有效部分，能够有效的节省时间，提高系统的实时性。

对比图3-图5中带星号标记的线和带圆圈标记的线，经过采样的频谱和常规方法处理的频谱在结构上一致，能够用于描述信号的真实频谱，通过计算信号点位置，采样间隔满足频率分辨率的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法，其特征在于，所述基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法将频域采样定理应用于空间频谱普查；空间中无限长度的周期信号，进行傅里叶变换后等效为离散的冲激信号对单个脉冲的傅里叶变换的采样；实际中一段时间信号，等效为对无限长度周期信号加窗处理，对实际中一段时间信号进行傅里叶变换等效为用采样函数对单个脉冲进行采样；根据给定的频率分辨率确定时域信号的初始持续时间，根据信号的时宽和时域信号的初始时间的关系确定时域信号的持续时间。

2.如权利要求1所述的基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法，其特征在于，所述于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法包括以下步骤：

步骤一，获取基带信号并确定参数；

在空间某一点接收机能够接收到空间中放置的M台雷达发射机发射的信号，对接收机接收到的信号进行解调后变换为基带信号s_mr(t)；每个信号脉冲重复周期为PRT_m，信号时宽为τ_m，信号带宽为B_m，信号载波频率为f_cm；其中，M≥1，m表示雷达发射机序号，m＝1,2,...,M；

步骤二，计算接收到各信号采样率f_sm：

f_sm＝ηB_m；

其中采样系数η为采样率和和信号带宽的关系，对于实信号采样系数η取值为2.4＜η＜2.6，对于复信号采样系数η取值为1.2＜η＜1.3；

步骤三，计算总带宽B和总采样率f_s；

步骤四，设置频率分辨率；

设置进行频率普查时的频率分辨率为Δf，计算时域信号的初始持续时间ΔT：

$\mathrm{\Δ}T=\frac{1}{\mathrm{\Δ}f};$

其中，Δf为设置的频率分辨率；

步骤五，计算信号持续时间ΔT_max；

将各个信号的时宽τ_m与信号的初始持续时间ΔT比较大小，取时宽τ_m与初始持续时间ΔT中的最大值来确定时域信号的持续时间ΔT_max：

ΔT_max＝max{τ_m,ΔT}；

步骤六，确定最大采样点数N_max：

根据总采样率f_s以及信号的持续时间ΔT_max确定最大采样点数N_max：

N_max＝f_s×ΔT_max；

步骤七，计算信号频谱S_mr(f)：

根据接收机接收到的各雷达发射机的一个有效的基带信号s_mr(t)，计算接收到的信号频谱S_mr(f)；

步骤八，计算叠加频谱S″(f)：

对接收机接收到的各信号频谱S_mr(f)按照各自的频率采样率f_sfm进行采样得到采样后的频谱S′_mr(f)；根据各个雷达信号的采样率f_sm对采样后的各个信号频谱S′_mr(f)进行归一化处理得到归一化信号频谱进行插零处理得到插零后各个雷达信号频谱对观测点处所有插零后雷达信号频谱进行叠加，得到叠加频谱S″(f)；

步骤九，重复步骤七和步骤八，完成对所有信号频谱处理完成空间频谱普查。

3.如权利要求2所述的基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法，其特征在于，所述计算总带宽B和总采样率f_s具体包括：

(1)利用信号带宽B_m和载波频率f_cm，雷达各个信号的最小起始频率f_L和信号的最大终止频率f_H按照以下公式计算：

f_L＝min{f_cm-0.5B_m}，f_H＝max{f_cm+0.5B_m}；

信号的总带宽B按照以下公式计算：

B＝f_H-f_L；

(2)信号的总采样率f_s按照以下公式计算：

f_s＝ηB；

其中η为采样系数，对于实信号采样系数η取值为2.4＜η＜2.6，对于复信号采样系数η取值为1.2＜η＜1.3。

4.如权利要求2所述的基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法，其特征在于，所述计算信号频谱S_mr(f)具体包括：

1)对基带信号s_mr(t)采样，确定信号时域采样后信号其中采样后信号索引k＝0,1,…N_m-1，数据长度N_m表示按照以下公式进行计算：

N_m＝f_sm×τ_m；

f_sm表示信号的采样率，τ_m表示信号时宽；

2)对补采样后信号做傅里叶变换得到的各信号频谱S_mr(f)。

5.如权利要求2所述的基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法，其特征在于，所述计算叠加频谱S″(f)具体包括：

第一步，构建雷达频谱坐标系，坐标轴x轴以信号的总采样率f_s对应的最大采样点数N_max表示坐标范围，单位长度的频率等于频谱的分辨率；信号的频谱幅值为y轴坐标；

第二步，根据各个雷达发射信号的中心频率f_cm确定各个雷达发射信号在5中第一步构建的坐标系中的横坐标位置

第三步，对接收到的各个信号频谱S_mr(f)按照各自的频率采样率f_sfm进行采样得到采样后的频谱S′_mr(f)；频率采样率f_sfm按照以下公式计算：

$f_{sfm}=\frac{1}{{\mathrm{PRT}}_m};$

第四步，利用接收到的各雷达发射机的信号频谱S′_mr(f)和每个信号采样率f_sm按以下公式对频谱进行归一化处理：

${\tilde{S}}_{mr}\left(f\right)=\frac{1}{f_{sm}}{S}_{mr}^{\′}\left(f\right);$

第五步，对各雷达信号频谱进行插零，插零后长度N_maxm＝f_sm×ΔT_max得到插零后各雷达信号频谱将插零后各雷达信号频谱依次放入对应的以横坐标位置X_m为中心的雷达频谱坐标系中，将信号频谱重叠部分进行叠加；得到观测点处雷达发射机的发射信号叠加频谱S″(f)。

6.一种应用权利要求1-5任意一项所述基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法的空间电磁信号频谱普查方法。

7.一种应用权利要求1-5任意一项所述基于单个脉冲频域采样的空间信号频谱普查方法的电磁设备识别方法。