CN107769815A - 线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法 - Google Patents

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赵惠昌
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Abstract

本发明涉及一种线性调频近程探测系统的噪声调幅干扰抑制方法，采用分数阶傅里叶变换，即对差频信号进行分数阶傅里叶变换，在分数域通过一窄带带阻滤波器，再通过分数阶傅里叶反变换恢复出时域信号。本发明利用噪声调幅干扰和差频信号时频特征的不同，成功地将噪声调幅干扰和差频频信号在分数域分离出来，从而有效地解决了噪声调幅干扰下的线性调频近程探测系统误差变大、无法正常实现测距功能的技术难题，使得系统在压制性噪声调幅干扰下依然可以有效地工作。

Description

线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法
技术领域
本发明涉及近程探测技术，特别是一种线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法。
背景技术
目前，线性调频近程探测系统由于其体积小、结构简单、精度高、成本低廉等优点，在各个领域得到了广泛应用。但是，针对线性调频近程探测系统的噪声调幅干扰抑制研究并不多，传统的抗造噪声调幅方法一般是从硬件或调节参数上对抗噪声调幅干扰，如限幅、滤波或者增大扫频周期和带宽。限幅会对有用信号造成一定地削弱，滤波后通带内仍会有干扰进入，而调节参数会增大数据处理量，牺牲了一定的系统性能。
路翠华等人在《调频引信中噪声调幅干扰的自适应抑制》一文中将单频率自适应滤波器应用到线性调频近程探测系统中，对噪声调幅干扰进行抑制。但是这种方法首先需要对信号进行频率估计，在低信干比下往往很难精确估计信号频率，这将大大降低噪声调幅干扰的抑制效果。
发明内容
为了有效地解决噪声调幅干扰下线性调频近程探测系统测距性能下降的问题，本发明提供一种线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法，包括如下步骤：
数据预处理：将差频信号通过低通滤波器，然后通过希尔伯特变换将其转化为复信号；
分数域滤波：对复信号进行分数阶傅里叶变换，以分数域峰值为中心在分数域通过带阻滤波器；
恢复时域信号：通过分数阶傅里叶反变换恢复出抑制干扰后的差频信号。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果为：本发明充分利用叠加在差频信号上干扰的线性调频时频特征进行干扰抑制，干扰效果好，无需进行频率估计，在信干比为-10dB时仍可以有效的工作，而且可以根据峰值的位置确定干扰的位置。
附图说明
图1为本发明线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法流程图。
图2为本发明实施例中差频信号分数域波形图。
图3为本发明实施例中调幅干扰抑制前后时域波形图。
图4为本发明实施例中调幅干扰抑制前后差频频谱图。
图5为本发明实施例中干扰抑制前后测距误差示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法，包括如下步骤：
数据预处理：将差频信号通过低通滤波器，然后通过希尔伯特变换将其转化为复信号；
分数域滤波：对复信号进行分数阶傅里叶变换，以分数域峰值为中心在分数域通过带阻滤波器；
恢复时域信号：通过分数阶傅里叶反变换恢复出抑制干扰后的差频信号。
进一步的，低通滤波器的截止频率为最远目标距离对应的差频频率，对于三角波线性调频体制，上扫频段差频频率fp和下扫频段差频频率fq与目标距离R分别存在以下对应关系：
其中ΔF为频偏，Tm为扫频周期，R为目标距离，c为电磁波的传播速度，为目标的多普勒频率，v为目标运动速度，λ为载波波长。
进一步的，设实值信号s(t)，其希尔伯特变换为
即为实值信号s(t)对应的复信号。
进一步的，分数阶傅里叶变换的阶数u为线性调频近程探测系统的调频率，对于三角波线性调频体制，上扫频段调频率为下扫频段调频率为
进一步的，分数域带阻滤波器的宽度大于分数域峰值宽度。
进一步的，分数阶傅里叶反变换的变换阶数与正变换的阶数相反，即反变换的变换阶数恢复出抑制干扰后的差频信号。
在噪声调幅干扰下叠加在差频信号上的是具有线性调频特征的干扰信号，而分数阶傅里叶变换可以有效的消除线性调频信号，从而抑制干扰。
线性调频近程探测系统通过发射线性调频的连续波信号，根据回波信号与发射信号的差频频率测定目标距离。对于三角波线性调频体制，通过上下扫频频率对消即可消除多普勒的影响，准确地测定目标距离。
对于三角波线性调频近程探测系统，调制信号中心频率为f0，发射信号为
u(t)＝cos[2πf0t+φ(t)]
其中调频相位φ(t)为：
β为初始相位。
噪声调幅干扰信号为
调制噪声un(t)为零均值，方差为σn 2，在区间[-Uj,∞]分布的广义平稳随机过程；随机变量在[0,2π]均匀分布，且与un(t)独立；Uj为常数，fj为干扰信号中心频率；
干扰信号与本振信号下混频信号为
叠加在差频信号上的是一个调幅三角波调频的干扰信号。
对于阶数为p的分数阶傅里叶变换，定义则函数x(t)的分数阶傅里叶变换定义为
式中的变换核Kp(t,u)表示为
通过特定阶数的分数阶傅里叶变换，能将线性调频信号进行能量聚集，在分数域呈现峰值，而原先的差频信号在进行分数阶傅里叶变换后为一宽带信号，以峰值为中心进行窄带滤波，即可有效地抑制噪声调幅干扰。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行更进一步详细描述。
实施例
本实施例采用以下系统参数：三角波线性调频体制，扫频周期Tm＝8us，频偏ΔF＝50MHz，目标运动距离为30m～10m,运动速度为300m/s，差频采样率fs＝100MHz。干扰信号频率对准信号中心频率。
最大距离30m对应的差频为5MHz，滤波器通带截止频率设为5.5MHz，阻带截止频率设为6.5MHz，阻带衰减60dB。
在图2中，画出了其中某个扫频周期上扫频段的分数阶傅里叶变换图。其中幅度较小较为平坦的区域为差频信号的分数阶傅里叶变换，而峰值对应干扰信号。分数阶傅里叶变换阶数对于上扫频为下扫频段为根据图中峰值的宽度，将窄带带阻滤波器宽度设为24个分数域点数。此外，峰值处于分数域正中间，表明了干扰信号中心频率对准了信号中心频率。
图3为干扰抑制前后的时域波形图，横坐标为采样点数，纵坐标为幅值；图中表明使用分数阶傅里叶变换抑制干扰后，中间幅度较大的部分即为通过滤波器的调幅干扰，干扰抑制后幅度大幅衰减，表明干扰得到了有效抑制。
图4为干扰抑制前后信号频谱图，干扰抑制前除了差频信号对应的峰值，还有一宽带信号，即为干扰信号的频谱；干扰抑制后差频信号的峰值基本不变，而宽带信号幅度被衰减，即干扰被抑制。
图5为干扰抑制前后误差对比图，干扰抑制前测距误差最大达到了11.2m，平均误差为0.67m，测距功能基本失效；而干扰抑制后误差大幅减小，最大误差减小为3.14m，平均误差为0.36m，仍可以实现有效的测距功能。

Claims (6)

1.一种线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
数据预处理：将差频信号通过低通滤波器，然后通过希尔伯特变换将其转化为复信号；
分数域滤波：对复信号进行分数阶傅里叶变换，以分数域峰值为中心在分数域通过带阻滤波器；
恢复时域信号：通过分数阶傅里叶反变换恢复出抑制干扰后的差频信号。
2.根据权利要求1所述的线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法，其特征在于，低通滤波器的截止频率为最远目标距离对应的差频频率，对于三角波线性调频体制，上扫频段差频频率fp和下扫频段差频频率fq与目标距离R分别存在以下对应关系：
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>F</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>cT</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>F</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>cT</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mi>R</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow>
其中ΔF为频偏，Tm为扫频周期，R为目标距离，c为电磁波的传播速度，为目标的多普勒频率，v为目标运动速度，λ为载波波长。
3.根据权利要求1所述的线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法，其特征在于，设实值信号s(t)，其希尔伯特变换为
<mrow> <mover> <mi>s</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Integral;</mo> <mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </munderover> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mi>d</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </mrow>
即为实值信号s(t)对应的复信号。
4.根据权利要求1所述的线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法，其特征在于，分数阶傅里叶变换的阶数u为线性调频近程探测系统的调频率，对于三角波线性调频体制，上扫频段调频率为下扫频段调频率为
5.根据权利要求1所述的线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法，其特征在于，分数域带阻滤波器的宽度大于分数域峰值宽度。
6.根据权利要求1所述的线性调频近程探测系统噪声调幅干扰抑制方法，其特征在于，分数阶傅里叶反变换的变换阶数与正变换的阶数相反，即反变换的变换阶数恢复出抑制干扰后的差频信号。
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