CN109387813A - 一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法 - Google Patents

一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法，包括以下步骤：1）宽带多信号频域检测：对AD采样数据进行加窗后的FFT处理，然后进行当前帧的门限统计，并结合CFAR自适应门限检测方法进行信号检测；2）重心法频域粗测频：在完成信号检测后,采用重心法对信号的频率进行测量；3）基于瞬时频率统计的频率纠正：根据测频结果对信号进行混频滤波的基带变换，通过瞬时频率统计的方法得出频率的测量偏差，从而实现对载频测量的误差进行纠正。本发明采用宽带频域检测，并利用重心法引导进行瞬时频率统计的方法，使得载频测量精度相比传统的通过频域数据过门限搜峰的方法提升了5至10倍，并有效提高了检测灵敏度及多信号适应能力。

Description

一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法
技术领域
本发明属于信号处理领域，尤其涉及一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法。
背景技术
在现代电子对抗中，雷达信号频率信息是信号分选、目标定位、威胁识别和引导干扰的重要参数，其测量精度直接影响雷达信号分选性能、目标定位的精度等。因此提高雷达信号测量频率是关系到整个侦察系统性的关键因素。
目前传统的频率测量方法主要分模拟和数字两种。模拟接收机难以检测同时到达信号、它受限于模拟器件，难以解决频率截获概率和频率分辨率之间的矛盾，且测量精度不高，处理方法不够灵活。随着数字技术的不断进步，采用FPGA等可编程数字逻辑器件进行信号处理得到越来越广泛的应用，在频率测量方面，目前多采用的方法是通过频域数据过门限搜峰的方法进行信号的检测及频率的提取，该方法优点是处理方法简单，截获概率高，可以适应同时到达信号，缺点是受制于FFT点数及信号带宽的影响，测量精度较低，为兼顾窄脉冲的检测灵敏度，因此FFT点数进行了限制，频谱分辨率较大，频率误差测量较大。目前，常规的雷达信号频率测量处理框图如2所示。
同时针对宽带编码信号，由于通过频域数据过门限搜峰的方法带宽较大，其载频测量误差较大。因此，需进一步采取措施进行载频的纠正，提高测量精度，从而提升系统性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法，具体的，如图1所示，包括以下步骤：
S1.宽带多信号频域检测：对AD采样数据进行加窗后的FFT处理，然后进行当前帧的门限统计，并结合CFAR自适应门限检测方法进行信号检测；
S2.重心法频域粗测频：在完成信号检测后,采用重心法对信号的频率进行测量；
S3.基于瞬时频率统计的频率纠正：根据测频结果对信号进行混频滤波的基带变换，通过瞬时频率统计的方法得出频率的测量偏差，从而实现对载频测量的误差进行纠正。
进一步的，所述步骤S1中,加窗采用的是Hanmming窗函数，以对时域数据进行加权处理，提高旁瓣抑制。
进一步的，所述步骤S1中,信号检测包括以下步骤：a)当前帧的门限统计；b)CFAR自适应门限检测；c)过门限比较；d)频率搜索。
进一步的，所述步骤S2中，重心法频域粗测频的计算方式为：将检测到的信号带宽内所有频域数据进行加权计算，从而得到信号的载频频率，设Xi为信号频域个谱线对应的幅度值，Yi为信号频域对应的频率点，n1、n2分别为信号带宽在频域的左、右边界点，则频率y的计算方法为：
进一步的，所述步骤S2中，根据多个粗测结果引导多个基带频率统计模块分别进行信号参数测量，可实现多个同时到达信号的同时处理。
进一步的，所述步骤S3中,对信号进行基带变换后，信号的载频即为粗测频率与信号真实频率的偏差，通过计算基带信号两个点的瞬时相位差，结合采样间隔得到信号此刻的瞬时频率，通过多次测量基带信号的瞬时频率并进行统计平均可以得到频率偏差值。
设fs为采样频率，f0为基带信号频率，θ0、θ1分别为前后两个采样点信号的瞬时相位，则其相位关系的表达式为：
瞬时相位的计算公式为：
其中Ik、Rk为基带信号的虚部和实部，
从上式可以看出，由于采样率fs已知，通过计算出两个采样点的瞬时相位即可得到基带信号瞬时频率，对多个时刻的瞬时频率进行统计平均以提高基带信号频率的测量精度。
进一步的，所述步骤S1中，设置参加统计的门限范围，仅将落入范围内的数据进行统计平均，对瞬时相位差变化较大的点剔除。
本发明的有益效果在于：本发明采用宽带频域检测，并利用重心法引导进行瞬时频率统计的方法，使得载频测量精度相比传统的通过频域数据过门限搜峰的方法提升了5至10倍，并有效提高了检测灵敏度及多信号适应能力。
附图说明
图1是一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法的流程图；
图2是常规的雷达信号频率测量处理框图；
图3是雷达信号检测原理框图；
图4是多信号接收设计效果。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本发明提出一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法，为了实现高增益处理接收，需要对噪声进行抑制，提高处理信噪比，FFT方法是一种等效的滤波器方法，较时域滤波器方法能较大的节省处理资源，信号的信噪比得到了较大改善，系统灵敏度得到了提高，同时由于同时多信号的数字处理能力，整个接收机带宽的得到了大幅提高。
如图3所示，首先对AD采样数据进行加窗后的FFT处理，然后进行信号检测和信号融合。其中，信号检测包括对当前帧的门限统计，利用CFAR自适应门限检测方法对信号进行检测，再进行过门限比较，最后执行频率搜索。
在完成信号的频率搜索后，采用重心法对信号的频率进行测量，其测量结果相对于直接搜峰测量，测量精度有了一定提高。工程上为兼顾窄脉冲的检测灵敏度，因此FFT点数进行了限制，其频谱分辨率较大，因此该信号(尤其是对宽带调制信号)频率测量精度仍然有较大误差存在。
采用固定点数的FFT来实现信号检测及粗测频，相当于时域上加了矩形窗，矩形窗的旁瓣抑制只有13dB，在同时多信号的情况下，弱信号会遭受强信号的干扰影响，影响的程度与两个信号信号的频率间隔、功率差以及相位关系，会导致信号检测及频率测量性能下降。本发明采用Hanmming窗函数设计，对时域数据进行加权处理，提高旁瓣抑制，降低信号间的干扰，加窗前后的效果如图4所示。
同时，根据多个粗测结果引导多个基带频率统计模块分别进行信号参数测量，可实现多个同时到达信号的同时处理。
此外，在频域粗测频的基础上，对AD采样的时域信号进行混频滤波的基带变换处理，此时信号的载频即为粗测频率与信号真实频率的偏差，通过多次测量基带信号的瞬时频率并进行统计平均可以得到频率偏差值。
通过计算基带信号两个点的瞬时相位差，结合采样间隔得到信号此刻的瞬时频率。
设fs为采样频率，f0为基带信号频率，θ0、θ1分别为前后两个采样点信号的瞬时相位，则其相位关系的表达式为：
瞬时相位的计算公式为：
其中Ik、Rk为基带信号的虚部和实部。
从上式可以看出，由于采样率fs已知，通过计算出两个采样点的瞬时相位即可得到基带信号瞬时频率，对多个时刻的瞬时频率进行统计平均以提高基带信号频率的测量精度。
对于脉内编码调制信号存在相位跳变点，此时的瞬时频率测量值是错误的，若参加统计则会增大测量误差，因此必须将其剔除。设置参加统计的门限范围，仅将落入范围内的数据进行统计平均，对瞬时相位差变化较大的点剔除。由于根据粗测频率进行下变频处理后基带信号其频率已经很小且远小于采样率，因此其瞬时相位差值较小且远小于相位跳变点的相位差，因此通过设置门限可以有效区分并剔除跳变点。
在本发明的具体实施例中，为兼顾窄脉冲的检测灵敏度、测频精度以及处理时间的要求，采用128点滑动FFT方式，在500MHz采样率的情况下，以125MHz为处理主频时钟，采用高效串行流水的方法进行检测和粗测评，并通过对脉冲信号的前128点的数据进行瞬时频率计算，以实现频率偏差的测量和纠正，从而提升了载频的测量精度。
在本发明的具体实施例中，使用本方法实现了200MHz带宽范围内多信号的接收，且载频测量误差由3MHz提升为300KHz，测量精度大幅提升，并具备四信号的同时处理能力，信号环境适应性得到了加强。在应用领域方面，本方法适应于航空航天以及地面场景。
需要说明的是，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.宽带多信号频域检测：对AD采样数据进行加窗后的FFT处理，然后进行当前帧的门限统计，并结合CFAR自适应门限检测方法进行信号检测；
S2.重心法频域粗测频：在完成信号检测后,采用重心法对信号的频率进行测量；
S3.基于瞬时频率统计的频率纠正：根据测频结果对信号进行混频滤波的基带变换，通过瞬时频率统计的方法得出频率的测量偏差，从而实现对载频测量的误差进行纠正。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法，其特征在于，所述步骤S1中,加窗采用的是Hanmming窗函数，以对时域数据进行加权处理，提高旁瓣抑制。
3.根据权利要求1所述的一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法，其特征在于，所述步骤S1中,信号检测包括以下步骤：a)当前帧的门限统计；b)CFAR自适应门限检测；c)过门限比较；d)频率搜索。
4.根据权利要求1所述的一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，重心法频域粗测频的计算方式为：将检测到的信号带宽内所有频域数据进行加权计算，从而得到信号的载频频率，设Xi为信号频域个谱线对应的幅度值，Yi为信号频域对应的频率点，n1、n2分别为信号带宽在频域的左、右边界点，则频率y的计算方法为：
5.根据权利要求1所述的一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据多个粗测结果引导多个基带频率统计模块分别进行信号参数测量，可实现多个同时到达信号的同时处理。
6.根据权利要求1所述的一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法，其特征在于，所述步骤S3中,对信号进行基带变换后，信号的载频即为粗测频率与信号真实频率的偏差，通过计算基带信号两个点的瞬时相位差，结合采样间隔得到信号此刻的瞬时频率；通过多次测量基带信号的瞬时频率并进行统计平均可以得到频率偏差值；
设fs为采样频率，f0为基带信号频率，θ0、θ1分别为前后两个采样点信号的瞬时相位，则其相位关系的表达式为：
θ0+2πf0/fs＝θ1
瞬时相位的计算公式为：
其中Ik、Rk为基带信号的虚部和实部；
从上式可以看出，由于采样率fs已知，通过计算出两个采样点的瞬时相位即可得到基带信号瞬时频率，对多个时刻的瞬时频率进行统计平均以提高基带信号频率的测量精度。
7.根据权利要求6所述的一种基于宽带雷达信号接收的高精度频率测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，设置参加统计的门限范围，仅将落入范围内的数据进行统计平均，对瞬时相位差变化较大的点剔除。
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