CN109683142A - 基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法 - Google Patents

基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于信号检测与估计技术领域，公开了一种基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法；接收机对观测到的来自雷达的三角线性调频连续波信号进行采样，得到采样序列；接收机对采样序列进行差分运算、希尔伯特变换和低通滤波，得到去噪包络序列；接收机根据去噪包络序列计算，得到包括正调频率、负调频率、调频信号周期、扫频区间最小频率和扫频区间最大频率在内的信号特征参数。本发明具有在时域进行特征提取和计算，时间复杂度较低的优点，可用于解决三角线性调频连续信号的参数估计问题；利用序列差分和包络检波可以得到三角线性调频连续信号的特征参数，根据包络斜率和包络斜率变化时刻计算出参数估计值。

Description

基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法
技术领域
本发明属于信号检测与估计技术领域，尤其涉及一种基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：连续波雷达是现代雷达一个重要的发展方向，与脉冲雷达相比具有截获概率低的特点。对于电子侦察而言，如何有效地截获敌方的连续波雷达信号，进而提取出信号参数，是值得研究的问题。在连续波雷达中，线性调频连续波(Linear Frequency Modulation Continuous Wave, LFMCW)信号应用最为广泛，研究如何对这类信号进行有效的检测并识别其特征参数，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。文献“Geroleo F G, Brandt-Pearce M.Detection and Estimation of LFMCW RadarSignals[J].IEEE Transactions on Aerospace&Electronic Systems,2012,48(1):405-418”利用离散周期Wigner-Hough变换(Periodic Wigner-Hough Transform,PWHT)对信号进行检测，其信噪比处理增益具有相干累积的效果，但需要在参数域进行多维搜索，导致计算量大。文献“刘静,赵惠昌,高振儒.基于QMFBT的LFMCW引信信号识别[J].南京理工大学学报,2011,35(1):97-101”利用正交镜像滤波器组在时频域分析提取LFMCW信号的特征参数，特征参数提取难度较大，从而对参数估计性能影响较大。文献“刘勇,张国毅,张旭洲.低信噪比下LFMCW信号的参数估计[J].电子信息对抗技术,2014(6):28-33”将高阶统计量对噪声不敏感的优点，与滤波器组提取特征参数的方法相结合，在时频域进行特征参数分析提取，但是滤波器组的设计和选择限制了该方法的参数估计性能。上述技术需要在时频等参数域进行二维搜索，对信号特征进行分析提取，相比在某一特征域进行一维搜索分析提取，前者提取难度较大且计算量较大，同时滤波器组的设计方案增加了系统复杂度。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的参数估计方法或在参数域进行多维搜索，或是结合滤波器组在时频域进行分析存在参数域进行多维搜索导致计算量大。
解决上述技术问题的难度和意义：难度在于：如何在保证对调频连续信号有效估计的同时降低计算量和特征提取难度。意义在于：通过降低参数估计的时间复杂度，使得参数估计方法更具有时效性，降低估计成本，更符合实际应用要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法。
本发明是这样实现的，一种基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法，所述基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法首先接收机对观测到的来自雷达的三角线性调频连续波信号进行采样，得到采样序列；然后接收机对采样序列进行差分运算、希尔伯特变换和低通滤波，得到去噪包络序列；最后接收机根据去噪包络序列计算，得到包括正调频率、负调频率、调频信号周期、扫频区间最小频率和扫频区间最大频率在内的信号特征参数。
进一步，所述基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法具体包括以下步骤：
步骤一，接收机对观测到的来自雷达的三角线性调频连续波信号x(t)进行采样，得到采样序列x(n)；
步骤二，接收机对采样序列x(n)进行前向差分运算，得到差分序列y(n)；
步骤三，接收机对差分序列y(n)进行希尔伯特变换和低通滤波处理，得到去噪包络序列z(n)；
步骤四，接收机根据去噪包络序列z(n)和采样频率fs得到数据集D，由D得到斜率集u。接收机根据D和u计算得到包括正调频率、负调频率、调频信号周期、扫频区间最小频率和扫频区间最大频率在内的信号特征参数。
进一步，所述步骤一包括：
接收机对观测到的来自雷达的三角线性调频连续波信号x(t)进行采样，采样频率为fs，采样时间长度为ΔT，得到采样序列x(n)，其中n为样本序号，所述三角线性调频连续波信号x(t)在一个扫频周期T内的表达式为：
其中，x+(t)和x-(t)分别表示x(t)的正、负扫频周期表达式，fl表示扫频区间最小频率，fh表示扫频区间最大频率，u+为正调频率，u-为负调频率。
进一步，所述步骤四包括：
(1)接收机根据z(n)和采样频率fs得到数据集D，
(2)接收机依次对数据集D中相邻两个元素包含的数据计算包络斜率，得到斜率集u，u＝{u1,u2,u3,…um,…us,…un-1}，对任意包络斜波um，计算公式为： um＝fs(zm+1-zm)；
(3)接收机计算正调频率估计值和负调频率估计值
(4)接收机根据相邻两次斜率变化时刻得到调频信号周期估计值定义斜率第一次和第二次变化的时刻分别为和则调频信号周期估计值
(5)接收机计算得到扫频区间最小频率估计值和扫频区间最大频率估计值
进一步，所述接收机计算正调频率估计值和负调频率估计值若u1为正，执行1)和2)，若u1为负，执行3)和4)。
1)当u1至um-1为正，um为负时，接收机对u1至um-2的斜率值进行统计平均，得到调频率
2)当um至us-1为负，us为正时，接收机对um+1至us-2的斜率值进行统计平均，得到调频率
3)当u1至um-1为负，um为正时，接收机对u1至um-2的斜率值进行统计平均，得到调频率
4)当um至us-1为正，us为负时，接收机对um+1至us-2的斜率值进行统计平均，得到调频率
5)接收机根据1)、2)或3)、4)计算正调频率估计值和负调频率估计值
进一步，所述接收机计算得到扫频区间最小频率估计值和扫频区间最大频率估计值具体包括：
(1)当u1为正时，接收机根据调频率正负变化时刻对应的数据集D中的数据以及调频率负正变化时刻对应的数据集D中的数据得到扫频区间最小频率估计值和扫频区间最大频率估计值
(2)当u1为负时，接收机根据调频率负正变化时刻对应的数据集D中的数据以及调频率正负变化时刻对应的数据集D中的数据得到扫频区间最小频率估计值和扫频区间最大频率估计值
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法的雷达。
本发明的另一目的在于提供一种应用权利要求1～6任意一项所述基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法的无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供的结合差分和包络检波的特征提取方法，可以有效地在时域提取出包含正调频率、负调频率、调频信号周期、扫频区间最小频率和扫频区间最大频率在内的三角线性调频连续波数据，特征提取更为简单，对数据采样，并对信号特征分析提取，在估计参数时只需在时域进行一维搜索，相比于现有技术在时频等参数域进行二维搜索，在参数域进行了降维，使得计算复杂度较低，同时采用单滤波器的设计方案降低了系统复杂度。本发明提出的线性调频连续信号特征提取方法，可以运用于对称的三角线性调频连续波信号，还可应用于线性调频脉冲信号和其它一般的线性调频连续波信号。本发明与现有技术方案详细对比如表1所示。
表1本发明技术与现有技术比较
技术比较项 现有技术一 现有技术二 现有技术三 本发明技术
搜索维度 二维 二维 二维 一维
计算复杂度 高 较高 较高 低
滤波器方案 单滤波器 滤波器组 滤波器组 单滤波器
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法流程图。
图2是本发明实施例提供的使用的接收机方案示意图。
图3是本发明实施例提供的基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法实现流程图。
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。
针对现有的参数估计方法或在参数域进行多维搜索，或是结合滤波器组在时频域进行分析存在参数域进行多维搜索导致计算量大；在时频域分析提取特征参数难度较大，影响估计性能的问题。本发明提出的线性调频连续信号特征提取方法，可以运用于对称的三角线性调频连续波信号，还可应用于线性调频脉冲信号和其它一般的线性调频连续波信号。
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，本发明实施例提供的基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法包括以下步骤：
S101：接收机对观测到的来自雷达的三角线性调频连续波信号进行采样，得到采样序列；
S102：接收机对采样序列进行差分运算、希尔伯特变换和低通滤波，得到去噪包络序列；
S103：接收机根据去噪包络序列计算得到包括调频信号周期、扫频区间最小频率、扫频区间最大频率、正调频率和负调频率在内的信号特征参数。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示，应用本发明的接收机由三部分组成：数字信号接收模块、特征提取模块和参数估计模块。数字信号接收模块对调频连续波雷达信号进行接收、采样，得到采样序列；特征提取模块对采样序列进行差分运算、希尔伯特变换和低通滤波，得到去噪包络序列；参数估计模块对去噪包络序列进行计算，得到调频信号周期、扫频区间最小频率、扫频区间最大频率、正调频率和负调频率。
如图3所示，本发明实施例提供的基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法具体包括以下步骤：
步骤1，接收机对观测到的来自雷达的三角线性调频连续波信号x(t)进行采样，得到采样序列x(n)，实现步骤为：
步骤1a，接收机对观测到的来自雷达的三角线性调频连续波信号x(t)进行采样，采样频率为fs，采样时间长度为ΔT，得到采样序列x(n)，其中n为样本序号，所述三角线性调频连续波信号x(t)在一个扫频周期T内的表达式为：
其中，x+(t)和x-(t)分别表示x(t)的正、负扫频周期表达式，fl表示扫频区间最小频率，fh表示扫频区间最大频率，u+为正调频率，u-为负调频率。
步骤2，接收机对采样序列x(n)进行前向差分运算，得到差分序列y(n)；
步骤3，接收机对差分序列y(n)进行希尔伯特变换和低通滤波处理，得到去噪包络序列z(n)；
步骤4，接收机根据去噪包络序列z(n)和采样频率fs得到数据集D，由D得到斜率集u。接收机根据D和u计算得到包括正调频率、负调频率、调频信号周期、扫频区间最小频率和扫频区间最大频率在内的信号特征参数，实现步骤为：
步骤4a，接收机根据z(n)和采样频率fs得到数据集D，
步骤4b，接收机依次对数据集D中相邻两个元素包含的数据计算包络斜率，得到斜率集u，u＝{u1,u2,u3,…um,…us,…un-1}，对任意包络斜波um，计算公式为： um＝fs(zm+1-zm)；
步骤4c，接收机计算正调频率估计值和负调频率估计值若u1为正，执行(1)和(2)，若u1为负，执行(3)和(4)。
(1)当u1至um-1为正，um为负时，接收机对u1至um-2的斜率值进行统计平均，得到调频率
(2)当um至us-1为负，us为正时，接收机对um+1至us-2的斜率值进行统计平均，得到调频率
(3)当u1至um-1为负，um为正时，接收机对u1至um-2的斜率值进行统计平均，得到调频率
(4)当um至us-1为正，us为负时，接收机对um+1至us-2的斜率值进行统计平均，得到调频率
(5)接收机根据(1)、(2)或(3)、(4)计算正调频率估计值和负调频率估计值
步骤4d，接收机根据相邻两次斜率变化时刻得到调频信号周期估计值定义斜率第一次和第二次变化的时刻分别为和则调频信号周期估计值
步骤4e，接收机计算得到扫频区间最小频率估计值和扫频区间最大频率估计值当u1为正时，接收机根据调频率正负变化时刻对应的数据集D中的数据以及调频率负正变化时刻对应的数据集D中的数据得到扫频区间最小频率估计值和扫频区间最大频率估计值当u1为负时，接收机根据调频率负正变化时刻对应的数据集D中的数据以及调频率正负变化时刻对应的数据集D中的数据得到扫频区间最小频率估计值和扫频区间最大频率估计值
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：
1.1、表2中列出了三角线性调频连续波信号的仿真参数设置。
表2三角线性调频连续波信号仿真参数设置
参数 数值
扫频区间最小频率f<sub>l</sub> 10kHz
扫频区间最大频率f<sub>h</sub> 20kHz
正调频率u<sub>+</sub> 2×10<sup>6</sup>Hz/s
负调频率u<sub>+</sub> -2×10<sup>6</sup>Hz/s
调频信号周期T 10ms
采样频率f<sub>s</sub> 50kHz
采样时间长度ΔT 0.1s
1.2、仿真内容：
分别在无噪声和有高斯白噪声情况下，采用本发明提出的方法对三角线性调频连续波信号进行参数估计，其结果如表3所示。
2、仿真结果分析：
根据表3，本发明提出的参数估计方法可以在无噪声和有高斯白噪声情况下对三角线性调频连续波信号进行有效估计，得到包括调频信号周期、正调频率、负调频率、扫频区间最小频率和扫频区间最大频率在内的信号特征参数。
表3在无噪声和有噪声条件下的参数估计结果
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 (8)

1.一种基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法，其特征在于，所述基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法首先接收机对观测到的来自雷达的三角线性调频连续波信号进行采样，得到采样序列；然后接收机对采样序列进行差分运算、希尔伯特变换和低通滤波，得到去噪包络序列；最后接收机根据去噪包络序列计算，得到包括正调频率、负调频率、调频信号周期、扫频区间最小频率和扫频区间最大频率在内的信号特征参数。
2.如权利要求1所述的基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法，其特征在于，所述基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法具体包括以下步骤：
步骤一，接收机对观测到的来自雷达的三角线性调频连续波信号x(t)进行采样，得到采样序列x(n)；
步骤二，接收机对采样序列x(n)进行前向差分运算，得到差分序列y(n)；
步骤三，接收机对差分序列y(n)进行希尔伯特变换和低通滤波处理，得到去噪包络序列z(n)；
步骤四，接收机根据去噪包络序列z(n)和采样频率fs得到数据集D，由D得到斜率集u；接收机根据D和u计算得到包括正调频率、负调频率、调频信号周期、扫频区间最小频率和扫频区间最大频率在内的信号特征参数。
3.如权利要求2所述的基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法，其特征在于，所述步骤一包括：接收机对观测到的来自雷达的三角线性调频连续波信号x(t)进行采样，采样频率为fs，采样时间长度为ΔT，得到采样序列x(n)，其中n为样本序号，所述三角线性调频连续波信号x(t)在一个扫频周期T内的表达式为：
其中，x+(t)和x-(t)分别表示x(t)的正、负扫频周期表达式，fl表示扫频区间最小频率，fh表示扫频区间最大频率，u+为正调频率，u-为负调频率。
4.如权利要求2所述的基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法，其特征在于，所述步骤四包括：
(1)接收机根据z(n)和采样频率fs得到数据集D，
(2)接收机依次对数据集D中相邻两个元素包含的数据计算包络斜率，得到斜率集u，u＝{u1,u2,u3,…um,…us,…un-1}，对任意包络斜波um，计算公式为：um＝fs(zm+1-zm)；
(3)接收机计算正调频率估计值和负调频率估计值
(4)接收机根据相邻两次斜率变化时刻得到调频信号周期估计值定义斜率第一次和第二次变化的时刻分别为和则调频信号周期估计值
(5)接收机计算得到扫频区间最小频率估计值和扫频区间最大频率估计值
5.如权利要求4所述的基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法，其特征在于，所述接收机计算正调频率估计值和负调频率估计值若u1为正，执行1)和2)，若u1为负，执行3)和4)；
1)当u1至um-1为正，um为负时，接收机对u1至um-2的斜率值进行统计平均，得到调频率
2)当um至us-1为负，us为正时，接收机对um+1至us-2的斜率值进行统计平均，得到调频率
3)当u1至um-1为负，um为正时，接收机对u1至um-2的斜率值进行统计平均，得到调频率
4)当um至us-1为正，us为负时，接收机对um+1至us-2的斜率值进行统计平均，得到调频率
5)接收机根据1)、2)或3)、4)计算正调频率估计值和负调频率估计值
6.如权利要求4所述的基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法，其特征在于，所述接收机计算得到扫频区间最小频率估计值和扫频区间最大频率估计值具体包括：
(1)当u1为正时，接收机根据调频率正负变化时刻对应的数据集D中的数据以及调频率负正变化时刻对应的数据集D中的数据得到扫频区间最小频率估计值和扫频区间最大频率估计值
(2)当u1为负时，接收机根据调频率负正变化时刻对应的数据集D中的数据以及调频率正负变化时刻对应的数据集D中的数据得到扫频区间最小频率估计值和扫频区间最大频率估计值
7.一种应用权利要求1～6任意一项所述基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法的雷达。
8.一种应用权利要求1～6任意一项所述基于差分包络检波的三角线性调频连续信号参数估计方法的无线通信系统。
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