CN108415012A

CN108415012A - 一种单通道跳频信号分选方法与装置

Info

Publication number: CN108415012A
Application number: CN201810118215.1A
Authority: CN
Inventors: 胡德秀; 赵拥军; 黄洁; 刘智鑫; 赵勇胜; 刘成城; 刘桢
Original assignee: Information Engineering University of PLA Strategic Support Force
Current assignee: Information Engineering University of PLA Strategic Support Force
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2018-08-17

Abstract

本发明涉及一种单通道跳频信号分选方法与装置，通过单通道接收两个以上跳频用户发射的脉冲信号，测量脉冲信号到达接收机的时间序列，将组成的一个时间序列中的各元素与脉冲信号的周期进行求余数运算，得到残留时间序列，然后利用聚类方法对其分类，实现脉冲信号的分选问题。

Description

一种单通道跳频信号分选方法与装置

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种单通道跳频信号分选方法与装置。

背景技术

空中目标辐射源信号多种多样，不但包含连续信号，还包括大量猝发跳频信号。跳频信号由于较高的安全性，不易被截获的优势，近年来被越来越多的应用到军事和商业通信领域。同时，对辐射跳频信号的目标定位也成为了难点，其中部分体现在对跳频信号的分选问题上，跳频信号通常都是脉冲猝发形式，每一跳都具有不同的载波频率，因此对分选难度较大。

目前对于上述问题，一直是制约电子侦察系统的难点问题，传统分选方法远不能满足定位需求。作者王柏山在2011年6月发表在《舰船电子对抗》期刊第34卷第3期的《雷达侦查设备对脉内调频信号分选识别方法探讨》，采用对脉冲信号进行多次频率测量的方法，把测量频率进行存储、调制识别，从而完成脉内调制信号的正确分选。

虽然，脉冲分选在雷达中较为常见，其分选大都基于角度、重复周期或者脉内调制特征，但是对于单通道条件下的猝发跳频分选来说，既没有测向设备，且不同目标的猝发脉冲具有相同的重复周期和调制特征，现有技术的分选方法失效，无法根据现有技术的分选方法解决单通道条件下的分选问题。因此，为了保证跳频信号的分选准确率，需要解决跳频信号中多用户分离、时间猝发的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种单通道跳频信号分选方法与装置，用于解决现有技术无法解决单通道条件下的脉冲信号分选问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种单通道跳频信号分选方法，包括以下方法方案：

方法方案一，包括如下步骤：

1)通过单通道接收两个以上跳频用户发射的脉冲信号，测量所述脉冲信号到达接收机的时间序列，组成一个时间序列，且各脉冲信号的周期相同；

2)将所述一个时间序列中各元素与所述脉冲信号的周期进行求余数运算，求余数运算的结果作为所述时间序列的残留时间序列；

3)利用聚类方法对残留时间序列进行分类，实现脉冲信号的分选。

方法方案二，在方法方案一的基础上，步骤2)还包括以下步骤：所述残留时间序列包含有噪声和野值序列，利用形态学的腐蚀算法对所述残留时间序列进行去噪和去野值处理，得到经过去噪和去野值处理后的残留时间序列。

方法方案三，在方法方案一的基础上，所述组成一组时间序列的子步骤如下：

分别计算每个跳频用户发射的脉冲信号到达接收机的时间序列，组成序列长度为各时间序列长度之和的时间序列，作为所述一个时间序列。

方法方案四、五，分别在方法方案一、三的基础上，所述脉冲信号到达接收机的时间序列中的时间为检测的脉冲信号上升沿时间。

方法方案六、七，分别在方法方案四、五的基础上，所述脉冲信号到达接收机的时间序列的表达式如下：

t_i＝t_pi+R_i/c

其中，t_i表示第i个跳频用户发射的脉冲信号到达接收机的时间序列，t_pi表示第i个跳频用户发射的脉冲信号的时间序列，t_pi＝[0,T₀,2T₀,...,(N_i-1)T₀]^T，T_o表示所有跳频用户发射脉冲信号的周期，N_i表示第i个跳频用户发射脉冲信号的个数；R_i表示第i个跳频用户的发射机与接收机之间的距离，c表示光速。

方法方案八，在方法方案一的基础上，所述聚类算法为KN最近邻算法。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种单通道跳频信号分选装置，包括以下装置方案：

装置方案一，包括处理器，用于执行实现以下步骤的指令：

装置方案二，在装置方案一的基础上，步骤2)还包括以下步骤：所述残留时间序列包含有噪声和野值序列，利用形态学的腐蚀算法对所述残留时间序列进行去噪和去野值处理，得到经过去噪和去野值处理后的残留时间序列。

装置方案三，在装置方案一的基础上，所述组成一组时间序列的子步骤如下：

装置方案四、五，分别在装置方案一、三的基础上，所述脉冲信号到达接收机的时间序列中的时间为检测的脉冲信号上升沿时间。

装置方案六、七，分别在装置方案四、五的基础上，所述脉冲信号到达接收机的时间序列的表达式如下：

t_i＝t_pi+R_i/c

装置方案八，在装置方案一的基础上，所述聚类算法为KN最近邻算法。

本发明的有益效果是：

本发明通过单通道接收两个以上跳频用户发射的脉冲信号，测量脉冲信号到达接收机的时间序列，将组成的一个时间序列中的各元素与脉冲信号的周期进行求余数运算，得到残留时间序列，然后利用聚类方法对其分类，实现脉冲信号的分选问题。

附图说明

图1是本发明的一种单通道跳频信号分选方法流程图；

图2是本发明多调频用户与单接收机间的脉冲信号收发示意图；

图3是本发明接收到两个调频用户发射的脉冲信号示意图；

图4(a)是接收到两个调频用户发射的脉冲信号的时间序列示意图；

图4(b)是将时间序列进行折叠的示意图；

图5是本发明腐蚀算子的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的单通道跳频信号分选方法，包括以下步骤：

通过单通道接收两个以上跳频用户发射的脉冲信号，测量脉冲信号到达接收机的时间序列，组成一个时间序列，且各脉冲信号的周期相同。分别计算每个调频用户发射的脉冲信号到达接收机的时间序列，将计算得到的各时间序列进行排序，组成序列长度为各时间序列长度之和的时间序列，作为上述一个时间序列，且上述脉冲信号到达接收机的时间序列中的时间为检测的脉冲信号上升沿时间。

将上述一个时间序列中各元素与脉冲信号的周期进行求余数运算，求余数运算的结果作为所述时间序列的残留时间序列，该残留时间序列包含有噪声和野值序列；利用形态学的腐蚀算法对所述残留时间序列进行去噪和去野值处理，得到经过去噪和去野值处理后的残留时间序列，最后，利用聚类方法对残留时间序列进行分类，从而实现脉冲信号的分选。

具体的，如图1所示，考虑M个跳频通信用户组网同时发射脉冲信号，单个接收机对这些信号进行截获接收，如图2所示。所有的发射机组成一个时间同步的网络，它们在同一时间发射脉冲信号。对于第i个用户，i＝1,2,...,M，设定第i个跳频用户发射脉冲信号的个数为N_i，则第i个跳频用户发射脉冲信号时间序列为：

t_pi＝[0,T₀,2T₀,...,(N_i-1)T₀]^T

其中，t_pi表示第i个跳频用户发射的脉冲信号的时间序列，T₀表示每个脉冲信号的发射周期，对于网内的多个目标，它们具有相同的发射周期。由于所采用的接收机是频率宽开的，所有的脉冲信号都能够被截获，且脉冲信号的到达时间TOA(定义为脉冲的上升沿时间)也能够被测量。对于第i个用户，其发射的脉冲信号到达接收机的时间序列t为：

t_i＝t_pi+R_i/c

其中，t_i表示第i个跳频用户发射的脉冲信号到达接收机的时间序列，c表示光速，R_i表示第i个跳频用户的发射机与接收机之间的距离。对于所有的跳频用户发射脉冲信号到达接收机的时间序列组成的一个时间序列为：

其中，sort(·)表示排序操作，t的序列长度为N＝N₁+N₂+,...,+N_M。对于M＝2的情况，图3给出了接收脉冲的到达时间和频率的二维分布，不同目标用户的脉冲已经用黑色和白色进行了标识。

对于第i个调频用户的脉冲信号，i＝1,2,...,M，其脉冲信号的重复周期T₀先验已知，其脉冲序列的整体时延为：τ_i＝R_i/c，若将时间以T₀为长度进行折叠，则第i个调频用户的脉冲信号将会集中在也即：

其中，mod(x,y)表示求余数运算，即x除以y取余数，进一步地，所有的时间序列进行折叠后可表示为：

t⁰＝mod(t,T₀)

利用序列t⁰，可以将时间序列进行分类，进而将脉冲序列进行分类。上述变换也即是时间折叠变换模型，即将时间序列中各元素与所述脉冲信号的周期进行求余数运算得到的残余时间序列。对于M＝2的情况，图4(a)和图4(b)给出了时间折叠变换的原理示意图，在图4(a)图中，两个用户的所有脉冲序列逐次被接收机截获。将时间以T₀为长度进行分片，划分为0～T₀、T₀～2T₀等多个片段。在图4(b)图，所有的时间片段进行折叠，可以看出，不同的脉冲集中在不同的直线上，两个用户的脉冲序列可以明显的分开。

对得到的残留时间序列加测量噪声：

t^r＝t⁰+n

其中，n表示误差和野值序列，t^r表示为加测量噪声后的残留时间序列。然后，利用形态学中的腐蚀算法处理对野值和误差进行处理。对于上述方程中时间序列的去噪与野值剔除，可以定义集合A为t^r中的所有元素。定义集合B₀为：

B₀＝{t_i|-t_d≤t_i≤t_d,1≤i≤2L+1}

其中，B₀表示长度为2L+1，宽度为2t_d的一个矩形区域。进一步地，定义集合B为：

B＝∪B₀,card(B₀)≥M₀

其中，card(B₀)表示集合B₀中的元素个数。集合B表示所有矩形区域B₀中元素个数大于M₀的集合，也即是元素相对稠密的点集。因此，当集合A被集合B腐蚀以后，A中所有较为稠密处的样本将被保留下来，较为稀疏的样本将被剔除。由此即可完成去野值和去噪的目的。在图5给出了一个腐蚀运算的示例。当利用集合B对集合A进行腐蚀运算时，当集合A中的某个点满足横向相邻的2个点都为黑时，该点得以保留，否则该点在新的集合中被剔除。

在进行对所有脉冲腐蚀处理之后，设定剩余的脉冲序列编号为j＝01,02,...,0N_r。待分选的残留时间序列的集合为利用KN最近邻算法，D可以被分选为K个子集D₁,D₂,...,D_K，使得均方误差MSE达到最小，也即：

其中，E表示均方误差(MSE)，其中，L_k表示D_k中元素的个数，μ_k表示D_k的聚类中心。标签集ki是集合{01,02,...,0N_r}的子集，同样，通过标签集ki可以检索到接收脉冲信号的标签集{1,...,N}。由此，利用标签，剔除野值以后每个脉冲信号所属的类别能够被标识。最优的分类应当能够使得分类的均方误差最小，也即使得E达到最小，实现最优分类。

上述残留时间序列经过形态学处理之后，分布更加集中，大量的野值被剔除，一致性较好的样本被保留下来；而且分选结果与原始的样本归类吻合较好，分选正确率在10dB条件下，达到90％。

本发明对于测量得到的到达时间序列t和先验已知的跳频周期T₀，通过给定的时间折叠变换模型，得到残留的时间序列。对得到的残留时间序列加测量噪声后，利用形态学方法对其进行去噪和去除野值处理；在进行时间折叠变换和形态学去噪之后，需要对脉冲时间序列进行最后的分类，利用KN最近邻聚类算法对腐蚀之后的时间序列进行分类，从而完成对脉冲的分选。

本发明还提出了一种单通道跳频信号分选装置，包括处理器，用于执行实现以下步骤的指令：

通过单通道接收两个以上跳频用户发射的脉冲信号，测量所述脉冲信号到达接收机的时间序列，组成一组时间序列；将所述时间序列中各元素与所述脉冲信号的周期进行求余数运算，求余数运算的结果作为所述时间序列的残留时间序列；利用聚类方法对残留时间序列进行分类。

上述实施例中所指的单通道跳频信号分选装置，实际上是基于本发明方法流程的一种计算机解决方案，即一种软件构架，可以应用到接收机中，上述装置即为与方法流程相对应的处理进程。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故不再详细进行描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种单通道跳频信号分选方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的单通道跳频信号分选方法，其特征在于，步骤2)还包括以下步骤：所述残留时间序列包含有噪声和野值序列，利用形态学的腐蚀算法对所述残留时间序列进行去噪和去野值处理，得到经过去噪和去野值处理后的残留时间序列。

3.根据权利要求1所述的单通道跳频信号分选方法，其特征在于，所述组成一个时间序列的子步骤如下：

4.根据权利要求1或3所述的单通道跳频信号分选方法，其特征在于，所述脉冲信号到达接收机的时间序列中的时间为检测的脉冲信号上升沿时间。

5.根据权利要求4所述的单通道跳频信号分选方法，其特征在于，所述脉冲信号到达接收机的时间序列的表达式如下：

t_i＝t_pi+R_i/c

6.根据权利要求1所述的单通道跳频信号分选方法，其特征在于，所述聚类算法为KN最近邻算法。

7.一种单通道跳频信号分选装置，其特征在于，包括处理器，用于执行实现以下步骤的指令：

8.根据权利要求7所述的单通道跳频信号分选装置，其特征在于，步骤2)还包括以下步骤：所述残留时间序列包含有噪声和野值序列，利用形态学的腐蚀算法对所述残留时间序列进行去噪和去野值处理，得到经过去噪和去野值处理后的残留时间序列。

9.根据权利要求7所述的单通道跳频信号分选装置，其特征在于，所述组成一组时间序列的子步骤如下：

10.根据权利要求7或9所述的单通道跳频信号分选装置，其特征在于，所述脉冲信号到达接收机的时间序列中的时间为检测的脉冲信号上升沿时间。