CN110703217B - 一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于信号处理领域，具体涉及一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法及系统，获取待检测线性调频信号；根据待检测线性调频信号得到第一信号数据；根据第一信号数据得到第二信号数据；根据第二信号数据得到第三信号数据；根据待检测线性调频信号得到最优旋转角；根据最优旋转角得到第四信号数据；根据第四信号数据得到补偿第四信号数据；根据补偿第四信号数据得到第五信号数据；根据第五信号数据得到第五信号数据的峰值坐标；根据待检测线性调频信号得到调频率的估计值和中心频率的估计值。本发明可以在低信噪比的情况下可以有效的实现多分量线性调频信号的检测和参数估计。

Description

一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法及系统
技术领域
本发明属于信号处理领域，具体涉及一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法及系统。
背景技术
线性调频信号因其优良的特性被广泛的应用于雷达、声纳和通信等工程领域。近年来，线性调频信号越发成为研究的热点，各国学者也相继提出了许多算法来解决线性调频信号的检测和参数估计问题。这些算法大体上可以分为以下两类：搜索类算法和非搜索类算法；典型的搜索类算法包括：分数阶傅里叶变换、Radon-Wigner变换和Radon模糊变换等；这类算法通过搜索参数实现在各自域中积累，进而实现信号的检测和参数估计；分数阶傅里叶变换是传统傅里叶变换的一种广义的变形，它通过搜索与调频率对应的阶数来实现信号的积累和检测；Radon-Wigner变换和Radon模糊变换通过二维搜索来对Wigner-Ville平面和模糊函数平面进行积累，但这种积累是非相参积累，积累增益有限，除此之外，多分量线性调频信号带来的交叉项和伪峰问题会大大影响它们的检测性能。
2011年由Lv提出的一种积累算法LVD是一种典型的非搜索类算法，它重构了时频平面，消除了时间和延时变量在原时频平面中的耦合，进而进行新时频平面的二维相参积累，完成检测和参数估计。因为其积累过程是相参的，因此相比于Radon-Wigner变换和Radon模糊变换，LVD有着更好的积累性能。但是，由于该方法重构时频平面时引起了信噪比的损失，其在低信噪比情况下的检测性能有限。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法及系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法，获取待检测线性调频信号；
对所述待检测线性调频信号进行数字采样和预处理，得到第一信号数据；
对所述第一信号数据进行自相关处理，得到第二信号数据；
对所述第二信号数据进行快速傅里叶变换和平移操作，得到第三信号数据；
根据所述待检测线性调频信号得到最优旋转角；
根据所述最优旋转角对所述第三信号数据进行坐标轴旋转，得到第四信号数据；
对所述第四信号数据进行相位补偿，得到补偿第四信号数据；并对所述补偿第四信号数据进行快速傅里叶变换，得到第五信号数据；
根据所述第五信号数据得到所述第五信号数据的峰值坐标；
根据所述最优旋转角和所述第五信号数据的峰值坐标对所述待检测线性调频信号的调频率和中心频率进行估计，得到所述调频率的估计值和所述中心频率的估计值。
在本发明的一个实施例中，根据所述待检测线性调频信号得到最优旋转角，包括：
根据所述待检测线性调频信号得到待搜索旋转角；
根据所述待搜索旋转角对所述第三信号数据进行坐标轴旋转变换得到旋转后的第三信号数据；
对所述旋转后的第三信号数据进行相位补偿快速傅里叶变换，得到傅里叶变换后的第三信号数据；
根据所述傅里叶变换后的第三信号数据得到最大的傅里叶变换后的第三信号数据，并根据所述最大的傅里叶变换后的第三信号数据得到最优旋转角。
在本发明的一个实施例中，所述第一信号数据为长度为P的向量，P＝Lfs，L和fs均大于0，其中fs为采样率，L为信号时长。
在本发明的一个实施例中，所述第二信号数据为一个P行P列的矩阵，表达式为：S2(nt,nτ)＝exp[j2π(2fcen(nτ-floor(0.5P)-1)T+2K(nt-1)(nτ-floor(0.5P)-1)T2)]，
其中，nt为离散的时间变量，nτ为离散的延时变量，fcen为待检测线性调频信号的中心频率，floor表示向下取整操作，K为调频率，T为采样间隔。
在本发明的一个实施例中，所述第三信号数据为一个P行P列的矩阵，表达式为：
Figure GDA0003142047000000041
其中，kt为离散时间频率变量，FFTshift(·)表示平移操作，FFT(·)表示快速傅里叶变换。
在本发明的一个实施例中，所述第四信号数据为一个P行P列的矩阵，记为S4(kt',nτ')，第四信号数据和第三信号数据的对应关系为：
Figure GDA0003142047000000042
其中，kt'为坐标轴旋转后的离散时间频率变量，nτ'为坐标轴旋转后的离散延时变量，round(·)为四舍五入操作，αmax为最优旋转角。
在本发明的一个实施例中，所述傅里叶变换后的第三信号数据表达式如下：
Figure GDA0003142047000000043
其中，kτ'为离散延时频率变量，
Figure GDA0003142047000000044
为使用第i个待搜索旋转角旋转后的第三个信号数据，αi为第i个待搜索旋转角。
在本发明的一个实施例中，所述第五信号数据的表达式为：
Figure GDA0003142047000000045
其中，A表示第五信号数据的幅度，fL＝2fcen+KTP。
在本发明还提供了一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测系统，包括：
信号获取模块，用于获取待检测线性调频信号；
信号处理模块，用于对所述待检测线性调频信号进行数字采样和预处理，得到第一信号数据；用于对所述第一信号数据进行自相关处理，得到第二信号数据；用于对所述第二信号数据进行快速傅里叶变换和平移操作，得到第三信号数据；用于根据所述待检测线性调频信号得到最优旋转角；用于根据所述最优旋转角对所述第三信号数据进行坐标轴旋转，得到第四信号数据；用于对所述第四信号数据进行相位补偿，得到补偿第四信号数据；还用于对所述补偿第四信号数据进行快速傅里叶变换，得到第五信号数据；
信号检测模块，用于根据所述第五信号数据得到所述第五信号数据的峰值坐标；还用于根据所述最优旋转角和所述第五信号数据的峰值坐标对所述待检测线性调频信号的调频率和中心频率进行估计，得到所述调频率的估计值和所述中心频率的估计值。
本发明的有益效果：
本发明通过对第四信号数据的特定行进行相位补偿和快速傅里叶变换可以有效的实现待检测目标的相参积累，在低信噪比的情况下可以有效的实现多分量线性调频信号的检测和参数估计。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法的流程框图；
图2是本发明实施例提供的一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法中仿真实验分量1的检测结果图；
图3是本发明实施例提供的一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法中仿真实验分量2的检测结果图；
图4是本发明实施例提供的一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法实测雷达回波数据示意图；
图5是本发明实施例提供的一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法对实测数据的检测结果；
图6是本发明实施例提供的一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法的流程框图，获取待检测线性调频信号；
对所述待检测线性调频信号进行数字采样和预处理，得到第一信号数据；
对所述第一信号数据进行自相关处理，得到第二信号数据；
对所述第二信号数据进行快速傅里叶变换和平移操作，得到第三信号数据；
根据所述待检测线性调频信号得到最优旋转角；
根据所述最优旋转角对所述第三信号数据进行坐标轴旋转，得到第四信号数据；
对所述第四信号数据进行相位补偿，得到补偿第四信号数据；并对所述补偿第四信号数据进行快速傅里叶变换，得到第五信号数据；
根据所述第五信号数据得到所述第五信号数据的峰值坐标；
根据所述最优旋转角和所述第五信号数据的峰值坐标对所述待检测线性调频信号的调频率和中心频率进行估计，得到所述调频率的估计值和所述中心频率的估计值。
本发明通过对第四信号数据的特定行进行相位补偿和快速傅里叶变换可以有效的实现待检测目标的相参积累，在低信噪比的情况下可以有效的实现多分量线性调频信号的检测和参数估计。
在本发明的一个实施例中，根据所述待检测线性调频信号得到最优旋转角，包括：
根据所述待检测线性调频信号得到待搜索旋转角；
根据所述待搜索旋转角对所述第三信号数据进行坐标轴旋转变换得到旋转后的第三信号数据；
对所述旋转后的第三信号数据进行相位补偿快速傅里叶变换，得到傅里叶变换后的第三信号数据；
根据所述傅里叶变换后的第三信号数据得到最大的傅里叶变换后的第三信号数据，并根据所述最大的傅里叶变换后的第三信号数据得到最优旋转角。
进一步地，获取最优旋转角的方法具体如下：
(1)根据待检测线性调频信号的调频率范围[Kmin,Kmax]，确定N个待搜索旋转角{α1,α2,...,αN}，其中α1＝arctan(2T2P·Kmin)为第一个待搜索旋转角，αN＝arctan(2T2P·Kmax)为最后一个待搜索旋转角，αw＝α1+(w-1)(αN-α1)/N为第w个待搜索旋转角；
令旋转次数i＝1；
(2)使用第i个待搜索旋转角αi对所述第三信号数据进行坐标轴旋转变换，得到旋转后的第三信号数据；
(3)取出旋转后的第三信号数据的第floor(0.5P)+1行数据进行相位补偿快速傅里叶变换，得到傅里叶变换后的第三信号数据，并从傅里叶变换后的第三信号数据中找出最大数据值记为A(i)；
(4)令循环次数i＝i+1，重复执行上述步骤(2)(3)直到i＝N，得到N个最大数据值{A(1),A(2),…,A(N)}，确定{A(1),A(2),…,A(N)}中的最大值Amax(I)，即最大的傅里叶变换后的第三信号数据，进而确定最大的傅里叶变换后的第三信号数据Amax(I)在{A(1),A(2),…,A(N)}中的索引I，根据该索引I确定该最大值Amax(I)对应的待搜索旋转角αI，I∈{1,2,…,N}；
将待搜索旋转角αI确定为最优旋转角αmax。
在本发明的一个实施例中，所述第一信号数据为长度为P的向量，P＝Lfs，L和fs均大于0，其中fs为采样率，L为信号时长。
在本发明的一个实施例中，所述第二信号数据为一个P行P列的矩阵，表达式为：S2(nt,nτ)＝exp[j2π(2fcen(nτ-floor(0.5P)-1)T+2K(nt-1)(nτ-floor(0.5P)-1)T2)]，
其中，nt为离散的时间变量，nτ为离散的延时变量，fcen为待检测线性调频信号的中心频率，floor表示向下取整操作，K为调频率，T为采样间隔。
在本发明的一个实施例中，所述第三信号数据为一个P行P列的矩阵，表达式为：
Figure GDA0003142047000000091
其中，kt为离散时间频率变量，FFTshift(·)表示平移操作，FFT(·)表示快速傅里叶变换。
在本发明的一个实施例中，所述第四信号数据为一个P行P列的矩阵，记为S4(kt',nτ')，第四信号数据和第三信号数据的对应关系为：
Figure GDA0003142047000000092
其中，kt'为坐标轴旋转后的离散时间频率变量，nτ'为坐标轴旋转后的离散延时变量，round(·)为四舍五入操作，αmax为最优旋转角。
在本发明的一个实施例中，所述傅里叶变换后的第三信号数据表达式如下：
Figure GDA0003142047000000093
其中，kτ'为离散延时频率变量，
Figure GDA0003142047000000094
为使用第i个待搜索旋转角旋转后的第三个信号数据，αi为第i个待搜索旋转角。
在本发明的一个实施例中，所述第五信号数据的表达式为：
Figure GDA0003142047000000101
其中，A表示第五信号数据的幅度，fL＝2fcen+KTP。
具体的，调频率的估计值为Kest，中心频率的估计值为fest，进而得到：
Kest＝tanαmax/(2T2P)，
Figure GDA0003142047000000102
其中，k为第五信号数据的峰值坐标。
以下通过仿真实验对本发明效果作进一步验证说明：
(一)仿真实验参数设置；
本实验设置接收信号数据参数如下：信号采样率fs＝256Hz，采样点数256个，分量1：中心频率f1＝20Hz，调频率K1＝10Hz/s，信噪比SNR1＝-5dB；分量2：中心频率f2＝40Hz，调频率K2＝30Hz/s,信噪比SNR1＝-7dB。
(二)仿真实验内容及结果分析；
本发明实施例对2分量线性调频信号进行检测和参数估计。请参见图2和图3，图2是本发明实施例提供的一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法中仿真实验分量1的检测结果图，图3是本发明实施例提供的一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法中仿真实验分量2的检测结果图。
可见，通过本发明实施例的处理，分量1和分量2可以被明显的区分和检测。同时，根据分量1和分量2的峰值坐标和最优旋转角，可以对它们的参数实现准确的估计。
(三)实测数据条件；
实测数据为雷达接收到的数据，所述雷达的载频为8.85GHz，带宽为40MHz，脉冲重复频率为1000Hz。
(四)实测数据处理内容及结果；
采用本发明实施例对所述雷达回波数据进行处理，并分析检测结果。请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法实测雷达回波数据示意图；图5为本发明实施例对线性调频信号的检测结果。
选取所述雷达回波第54个距离单元进行处理，该段数据中包含一个线性调频信号。由图5可见，通过本发明实施例的处理，该线性调频信号得到有效检测，证明了本发明有效性。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测系统的结构框图，包括：
信号获取模块，用于获取待检测线性调频信号；
信号处理模块，用于对所述待检测线性调频信号进行数字采样和预处理，得到第一信号数据；用于对所述第一信号数据进行自相关处理，得到第二信号数据；用于对所述第二信号数据进行快速傅里叶变换和平移操作，得到第三信号数据；用于根据所述待检测线性调频信号得到最优旋转角；用于根据所述最优旋转角对所述第三信号数据进行坐标轴旋转，得到第四信号数据；用于对所述第四信号数据进行相位补偿，得到补偿第四信号数据；还用于对所述补偿第四信号数据进行快速傅里叶变换，得到第五信号数据；
信号检测模块，用于根据所述第五信号数据得到所述第五信号数据的峰值坐标；还用于根据所述最优旋转角和所述第五信号数据的峰值坐标对所述待检测线性调频信号的调频率和中心频率进行估计，得到所述调频率的估计值和所述中心频率的估计值。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法，其特征在于，包括：
获取待检测线性调频信号；
对所述待检测线性调频信号进行数字采样和预处理，得到第一信号数据；
对所述第一信号数据进行自相关处理，得到第二信号数据；
对所述第二信号数据进行快速傅里叶变换和平移操作，得到第三信号数据；
根据所述待检测线性调频信号得到最优旋转角；
根据所述最优旋转角对所述第三信号数据进行坐标轴旋转，得到第四信号数据；
对所述第四信号数据进行相位补偿，得到补偿第四信号数据；并对所述补偿第四信号数据进行快速傅里叶变换，得到第五信号数据；
根据所述第五信号数据得到所述第五信号数据的峰值坐标；
根据所述最优旋转角和所述第五信号数据的峰值坐标对所述待检测线性调频信号的调频率和中心频率进行估计，得到所述调频率的估计值和所述中心频率的估计值；
所述第三信号数据为一个P行P列的矩阵，表达式为：
Figure FDA0003097382500000021
其中，kt为离散时间频率变量，FFTshift(·)表示平移操作，FFT(·)表示快速傅里叶变换，其中，nt为离散的时间变量，nτ为离散的延时变量。
2.根据权利要求1所述的基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法，其特征在于，根据所述待检测线性调频信号得到最优旋转角，包括：
根据所述待检测线性调频信号得到待搜索旋转角；
根据所述待搜索旋转角对所述第三信号数据进行坐标轴旋转变换得到旋转后的第三信号数据；
对所述旋转后的第三信号数据进行相位补偿和快速傅里叶变换，得到傅里叶变换后的第三信号数据；
根据所述傅里叶变换后的第三信号数据得到最大的傅里叶变换后的第三信号数据，并根据所述最大的傅里叶变换后的第三信号数据得到最优旋转角。
3.根据权利要求1所述的基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法，其特征在于，所述第一信号数据为长度为P的向量，P＝Lfs，L和fs均大于0，其中fs为采样率，L为信号时长。
4.根据权利要求3所述的基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法，其特征在于，所述第二信号数据为一个P行P列的矩阵，表达式为：S2(nt,nτ)＝exp[j2π(2fcen(nτ-floor(0.5P)-1)T+2K(nt-1)(nτ-floor(0.5P)-1)T2)]，
其中，nt为离散的时间变量，nτ为离散的延时变量，fcen为待检测线性调频信号的中心频率，floor表示向下取整操作，K为调频率，T为采样间隔。
5.根据权利要求4所述的基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法，其特征在于，所述第四信号数据为一个P行P列的矩阵，记为S4(kt',nτ')，第四信号数据和第三信号数据的对应关系为：
Figure FDA0003097382500000031
其中，kt'为坐标轴旋转后的离散时间频率变量，nτ'为坐标轴旋转后的离散延时变量，round(·)为四舍五入操作，αmax为最优旋转角。
6.根据权利要求5所述的基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法，其特征在于，所述傅里叶变换后的第三信号数据表达式如下：
Figure FDA0003097382500000032
其中，kτ'为离散延时频率变量，
Figure FDA0003097382500000033
为使用第i个待搜索旋转角旋转后的第三个信号数据，αi为第i个待搜索旋转角。
7.根据权利要求6所述的基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测方法，其特征在于，所述第五信号数据的表达式为：
Figure FDA0003097382500000034
其中，A表示第五信号数据的幅度，fL＝2fcen+KTP。
8.一种基于自相关坐标轴旋转的线性调频信号检测系统，其特征在于，包括：
信号获取模块，用于获取待检测线性调频信号；
信号处理模块，用于对所述待检测线性调频信号进行数字采样和预处理，得到第一信号数据；用于对所述第一信号数据进行自相关处理，得到第二信号数据；用于对所述第二信号数据进行快速傅里叶变换和平移操作，得到第三信号数据；用于根据所述待检测线性调频信号得到最优旋转角；用于根据所述最优旋转角对所述第三信号数据进行坐标轴旋转，得到第四信号数据；用于对所述第四信号数据进行相位补偿，得到补偿第四信号数据；还用于对所述补偿第四信号数据进行快速傅里叶变换，得到第五信号数据；
信号检测模块，用于根据所述第五信号数据得到所述第五信号数据的峰值坐标；还用于根据所述最优旋转角和所述第五信号数据的峰值坐标对所述待检测线性调频信号的调频率和中心频率进行估计，得到所述调频率的估计值和所述中心频率的估计值；
所述第三信号数据为一个P行P列的矩阵，表达式为：
Figure FDA0003097382500000041
其中，kt为离散时间频率变量，FFTshift(·)表示平移操作，FFT(·)表示快速傅里叶变换，其中，nt为离散的时间变量，nτ为离散的延时变量。
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