CN108732558A - 一种基于拷贝信号分段的匹配滤波计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拷贝信号分段的匹配滤波计算方法，其将长拷贝信号划分为若干小段；将接收信号分解为若干处理小段；进行接收信号处理小段与拷贝信号小段的匹配滤波处理并拼接；对拼接结果进行修正，获得不失真的接收信号与拷贝信号的匹配滤波结果。本发明是在对接收信号进行分段处理的基础上，对长拷贝信号进行分段处理和合理拼接，从而有效减少匹配滤波处理过程中所需的数据存储空间。

Description

一种基于拷贝信号分段的匹配滤波计算方法

技术领域

本发明涉及一种匹配滤波计算方法，具体涉及一种基于拷贝信号分段的匹配滤波计 算方法。

背景技术

信号检测是声纳、雷达等探测设备的一项重要工作。经典检测理论指出，在白色高斯噪声背景中检测已知信号的最佳接收机是匹配滤波器，它也是声纳等很多检测系统中常用的、最基本的接收机。匹配滤波器的响应函数是被匹配信号u(t)的延迟共轭镜像波形，则u(t)也称为匹配滤波器的拷贝信号或参考信号。对于一般输入信号v(t)，匹配滤 波器的输出是y(t)＝R_vu(t₀-t)，其中，R_vu为信号v(t)对u(t)的互相关值。t＝t₀时， y(t₀)＝R_vu(0)，因此匹配滤波器相当于一个能计算互相关函数的互相关器。

在实际应用中，拷贝信号u(t)的长度一般与探测系统中发射信号的脉冲宽度相等。 为满足对长时间的外部接收数据v(t)的准实时匹配滤波处理要求，一般将v(t)划分为小 段、逐一进行匹配滤波处理，再将分段处理结果进行拼接。匹配滤波是最佳滤波的一种，当输入信号具有某一特殊波形时，其输出信噪比达到最大。另一方面，为了适用于声纳 的不同探测要求，探测系统的发射信号形式逐渐增多，发射信号的脉冲宽度也在增长， 因此匹配滤波处理中拷贝信号的长度也相应增长。在长拷贝信号条件下，若直接采用仅 对接收信号进行分段的匹配滤波方法进行处理，将对处理器中的存储空间提出非常高的 要求，甚至无法实现。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于拷贝信号分段的匹配滤 波计算方法，该方法可有效减少长拷贝信号条件下匹配滤波处理过程中所需的存储空间。

技术方案：本发明所述的基于拷贝信号分段的匹配滤波计算方法，该方法包括以下 步骤：

(1)将数据长度为L_x的第一拷贝信号划分为小段，每段长度为l，总段数记为N_c， 在所述拷贝信号末尾补l×N_c-L_x个零，得到第二拷贝信号并表示每个所述第二拷贝信号 小段；

(2)将数据长度为L_y的第一接收信号分解为小段，用所述第一接收信号的数据长度L_y除以所述第一拷贝信号的每段长度l并向上取整得N_s，在所述第一接收信号前端补 l个零，末尾补l×(N_s+1)-L_y个零，得到第二接收信号并表示每个所述第二接收信号小 段；

(3)对同一个所述第二拷贝信号小段，将所述第二接收信号小段与第二拷贝信号小段进行匹配滤波处理并取前l个数值，得到每个小段的处理信号并将其对应的矩阵依 次排列，得到对应于每一个所述第二拷贝信号小段的第一处理信号；

(4)对每个所述第二拷贝信号小段重复步骤(3)，对每个输出的所述第一处理信号进行修正，得到第二处理信号；

(5)将每个所述第二处理信号的矩阵相加得到第三处理信号，并分别去除所述第三处理信号前端和末尾的l个数据，即得到所述第一拷贝信号和第一接收信号的匹配滤 波处理结果。

优选的，步骤(1)中，所述总段数的计算方法为用所述第一拷贝信号的数据长度L_x除以每段长度l并向上取整。

优选的，步骤(1)中，所述第二拷贝信号为分解的所述第 二拷贝信号小段表示为X_i＝[x_(i-1)×l+1,x_(i-1)×l+2,…,x_i×l]，i＝1,…,N_c。

优选的，步骤(2)中，所述第二接收信号表示为其总段数 为N_s+1，每个第二接收信号小段表示为Y_j＝[y_(j-1)×l+1,y_(j-1)×l+2,…,y_(j+1)×l]，其中， j＝1,…,N_s+1，每段长度为2×l。

优选的，步骤(3)中，所述每个小段的处理信号表示为z_j＝[z_j1,z_j2,…,z_jl]，其中，j＝1,…,N_s+1；所述第二拷贝信号小段的第一处理信号为并表示 为

优选的，步骤(4)中，所述对第一处理信号进行修正的方法是截取所述第一处理信号中的部分矩阵并在其后补i×l个零，得

有益效果：本发明是在对接收信号进行分段处理的基础上，对长拷贝信号进行分段 处理和合理拼接，从而有效减少匹配滤波处理过程中所需的数据存储空间。

附图说明

图1为本发明所述的方法流程图；

图2为本发明所述的将接收信号分解为若干处理小段的示意图；

图3为常规匹配滤波方法与本发明所述的匹配滤波方法完整结果对比图；

图4为常规匹配滤波方法与本发明所述的匹配滤波方法在时间段1.95s至2.2s的局 部结果对比图。

具体实施方式

实施例1

本发明的基于拷贝信号分段的匹配滤波计算方法，主要解决长拷贝信号条件下匹配 滤波处理过程中所需存储空间过大的问题，如图1所示，首先将数据长度为L_x的第一拷贝信号划分为小段，每段长度为l，总段数记为N_c，在拷贝信号末尾补l×N_c-L_x个零， 得到第二拷贝信号并表示每个第二拷贝信号小段。

将数据长度为L_y的第一接收信号分解为小段，用第一接收信号的数据长度L_y除以第一拷贝信号的每段长度l并向上取整得N_s，在第一接收信号前端补l个零，末尾补 l×(N_s+1)-L_y个零，得到第二接收信号并表示每个第二接收信号小段。

对同一个第二拷贝信号小段，将第二接收信号小段与第二拷贝信号小段进行匹配滤 波处理并取前l个数值，得到每个小段的处理信号并将其对应的矩阵依次排列，得到对应于每一个第二拷贝信号小段的第一处理信号。

对每个第二拷贝信号小段重复步骤(3)，对每个输出的第一处理信号进行修正，得到第二处理信号。

将每个第二处理信号的矩阵相加得到第三处理信号，并分别去除第三处理信号前端 和末尾的l个数据，即得到所述第一拷贝信号和第一接收信号的匹配滤波处理结果。其中，上文所述的“矩阵”均是行数为1的矩阵。

该方法包括以下步骤：

(1)将数据长度为L_x的拷贝信号划分为若干小段，其中每段长度为l；用L_x除以l并向上取整得N_c，则在拷贝信号x末尾补l×N_c-L_x个零，得新拷贝信 号并表示为划分的N_c个拷贝信号小段 表示为X_i＝[x_(i-1)×l+1,x_(i-1)×l+2,…,x_i×l]，i＝1,…,N_c。

(2)将数据长度为L_y的接收信号分解为若干处理小段，其中 L_y>L_x；用L_y除以l并向上取整得N_s，则在接收信号y前端补l个零，在接收信号y末 尾补l×(N_s+1)-L_y个零，得新接收信号并重新将 其表示为分解的N_s+1个处理小段表示为 Y_j＝[y_{(j-1)×1024+1},y_{(j-1)×1024+2},…,y_(j+1)×1024]，j＝1,…,N_s+1，每段长度为2×l。

(3)对同一个拷贝信号小段X_i＝[x_(i-1)×l+1,x_(i-1)×l+2,…,x_i×l]，进行Y_j与X_i的匹配滤波处 理并取前l个数值，得到z_j＝[z_j1,z_j2,…,z_jl]，j＝1,…,N_s+1；对z_j进行组合，得到对应 于每一个X_i的并表示为

(4)对每一个拷贝信号小段X_i＝[x_(i-1)×l+1,x_(i-1)×l+2,…,x_i×l]进行步骤(3)的操作， i＝1,…,N_c，对每一个输出进行修正，即选取Z_i中的并在其后补i×l个零，得

(5)将各A_i矩阵相加，得到并将其表示为分别去除B前端和末尾的l个数据，得到的即为原接收信号y与原拷贝信号x的匹配滤波处理结果。

实施例2

假设主动声纳的发射信号为线性调频信号，脉宽为1s，下限频率为375Hz，上限频率为425Hz；接收信号长度为5s，信噪比为0dB，且目标回波信号出现在时间为2s的 位置；系统的采样率为5kHz。按以下步骤完成基于拷贝信号分段的匹配滤波处理：

(1)拷贝信号x即为发射信号，其长度为L_x＝5000，将其划分为若干小段，选择每小段长度为l＝1024；为了使新的拷贝信号的长度是l的整数倍，用L_x除以l并向上取整 得N_c＝5，则在x末尾补120个零，得到新的拷贝信号而5个 拷贝信号小段为X_i＝[x_{(i-1)×1024+1},x_{(i-1)×1024+2},…,x_i×1024]，i＝1,…,5。

(2)如图2所示，接收信号y长度为L_y＝25000，将其分解为若干处理小段，用L_y除 以l并向上取整得N_s＝25；为了在后续的步骤中对各小段进行相同的处理操作且不丢失 有效数据，在接收信号y前端补1024个零，在接收信号y末尾补1624个零，得新接收 信号并重新将其表示为Y＝[y₁,y₂,…,y_1024×27]，而26个 处理小段表示为Y_j＝[y_{(j-1)×1024+1},y_{(j-1)×1024+2},…,y_(j+1)×1024]，j＝1,…,26，每段长度为2048。

(3)对同一个拷贝信号小段X_i，进行Y_j与X_i的匹配滤波处理并取前1024个数值， 得到z_j＝[z_j1,z_j2,…,z_jl]，j＝1,…,26；对z_j进行组合得到对应于X_i的Z_i＝[z₁,z₂,…,z₂₆]， 并表示为Z_i＝[z₁,z₂,…,z_26×1024]。

(4)对每一个拷贝信号小段X_i进行步骤(3)的操作，i＝1,…,5，对每一个输出Z_i进行 修正，即选取Z_i中的元素[z_{(i-1)×1024+1},z_{(i-1)×1024+2},…,z_26×1024]，并在其后补i×1024个零，得

(5)将各A_i进行矩阵相加，i＝1,…,5，得到B＝A₁+A₂+…+A₅,并将其表示为 B＝[b₁,b₂,…,b_27×1024]；分别去除B前端和末尾的1024个数据，得到 即为原接收信号y与原拷贝信号x的匹配滤波处理结果。

由图3和图4可见，基于拷贝信号分段的匹配滤波方法能够不失真的获得接收信号与拷贝信号的匹配滤波结果。在基于拷贝信号分段的匹配滤波计算过程中，仅需存储每 小段拷贝信号，且该存储空间可复用，为1024个数据长度；仅需存储每小段接收信号， 且该存储空间也可复用，为2048数据长度。而利用常规匹配滤波方法进行计算时，拷 贝信号的存储空间需要5000个数据长度，而分段的接收信号存储空间通常为10000个 数据长度。因此在长拷贝信号的条件下，基于拷贝信号分段的匹配滤波方法可有效减少 处理过程中所需的存储空间。

Claims (6)

1.一种基于拷贝信号分段的匹配滤波计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将数据长度为L_x的第一拷贝信号划分为小段，每段长度为l，总段数记为N_c，在所述拷贝信号末尾补l×N_c-L_x个零，得到第二拷贝信号并表示每个所述第二拷贝信号小段；

(2)将数据长度为L_y的第一接收信号分解为小段，用所述第一接收信号的数据长度L_y除以所述第一拷贝信号的每段长度l并向上取整得N_s，在所述第一接收信号前端补l个零，末尾补l×(N_s+1)-L_y个零，得到第二接收信号并表示每个所述第二接收信号小段；

(3)对同一个所述第二拷贝信号小段，将所述第二接收信号小段与第二拷贝信号小段进行匹配滤波处理并取前l个数值，得到每个小段的处理信号并将其对应的矩阵依次排列，得到对应于每一个所述第二拷贝信号小段的第一处理信号；

(4)对每个所述第二拷贝信号小段重复步骤(3)，对每个输出的所述第一处理信号进行修正，得到第二处理信号；

(5)将每个所述第二处理信号的矩阵相加得到第三处理信号，并分别去除所述第三处理信号前端和末尾的l个数据，即得到所述第一拷贝信号和第一接收信号的匹配滤波处理结果。

2.根据权利要求1所述的基于拷贝信号分段的匹配滤波计算方法，其特征在于，步骤(1)中，所述总段数的计算方法为用所述第一拷贝信号的数据长度L_x除以每段长度l并向上取整。

3.根据权利要求1所述的基于拷贝信号分段的匹配滤波计算方法，其特征在于，步骤(1)中，所述第二拷贝信号为分解的所述第二拷贝信号小段表示为X_i＝[x_(i-1)×l+1,x_(i-1)×l+2,…,x_i×l]，i＝1,…,N_c。

4.根据权利要求1所述的基于拷贝信号分段的匹配滤波计算方法，其特征在于，步骤(2)中，所述第二接收信号表示为其总段数为N_s+1，每个第二接收信号小段表示为Y_j＝[y_(j-1)×l+1,y_(j-1)×l+2,…,y_(j+1)×l]，其中，j＝1,…,N_s+1，每段长度为2×l。

5.根据权利要求1所述的基于拷贝信号分段的匹配滤波计算方法，其特征在于，步骤(3)中，所述每个小段的处理信号表示为z_j＝[z_j1,z_j2,…,z_jl]，其中，j＝1,…,N_s+1；所述第二拷贝信号小段的第一处理信号为并表示为

6.根据权利要求1所述的基于拷贝信号分段的匹配滤波计算方法，其特征在于，步骤(4)中，所述对第一处理信号进行修正的方法是截取所述第一处理信号中的部分矩阵并在其后补i×l个零，得