CN111929671A - 基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法及系统，该方法包括：采集单通道的若干个真实信号的幅度值；根据若干个真实信号幅度值，进行概率分布统计绘制概率分布曲线图，并绘制单通道的真实信号的幅度值的统计Q‑Q图；判断统计Q‑Q图是否满足正态分布规律，当满足正态分布规律时，拟合统计Q‑Q图的斜率和截距，以截距为均值，斜率为均方差；在满足现行约束最小方差准则的条件下，自适应放缩统计Q‑Q图对应的概率分布曲线的置信区间以快速收敛得到幅度值的均值。本发明减少滤波误差同时大大提升了处理结果稳定度，提升测距精度。

Description

基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法及系统
技术领域
本发明涉及无线电侦测领域，尤其涉及一种基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法及系统。
背景技术
随着无线电侦测技术快速发展，单一测向技术不再满足战时无线电侦测需求，无源定位技术成为目前无线电侦测技术研究热点，无线电侦测测距技术成为定位关键。
传统无线电侦测通常采用比幅法或干涉法进行测向，现实场景中比幅测向技术对多通道天线一致性要求较高，干涉测向技术对交叉基线长度和多通道相位同步要求较高，因此在测向技术上，利用幅相关系的无线电侦测测距技术设计难度进一步加大，一般在设计难度、研制成本和架设合理性等方面综合考虑，采用比幅法测向技术成为当前无线电测向主流，结合Friis大气衰减公式可推衍出基于信号源辐射强度检测的无线电侦测测距技术。
但现有的基于信号源辐射强度检测的无线电侦测测距技术在测距精度、测距分辨率、环境适应性等方面存在较大缺陷，例如：信号源辐射强度检测通常接收幅度不为定值，存在较大的误差，传统侦测测距系统处理该获取过程，采用平滑滤波或自适应滤波手段，这样会存在滤波失锁风险，导致距离解算无法真实有效反应计算结果。
发明内容
本发明提供了一种基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法及系统，用以解决接收幅度不为定值时，信号源辐射强度解算信源距离误差较大的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法，包括以下步骤：
采集单通道的若干个真实信号的幅度值；
根据若干个真实信号幅度值，进行概率分布统计绘制概率分布曲线图，并绘制单通道的真实信号的幅度值的统计Q-Q图；
判断统计Q-Q图是否满足正态分布规律，当满足正态分布规律时，拟合统计Q-Q图的斜率和截距，以截距为均值，斜率为均方差；
在满足现行约束最小方差准则的条件下，自适应放缩统计Q-Q图对应的概率分布曲线的置信区间以快速收敛得到幅度值的均值。
优选地，绘制单通道的真实信号的幅度值的统计Q-Q图，包括以下步骤：
Ⅰ.将单通道的真实信号的幅度值数据依小到大排成顺序x1,x2,x3,···,xn，得到对应概率值pn为：
Figure BDA0002563605600000021
Ⅱ.计算标准正态分位数q1,q2,...,qn；
Ⅲ.将数对(qi,xi)(i＝1,2,3,...,n)作为直角坐标平面内的点，绘制得到单通道的真实信号的幅度值的统计Q-Q图。
优选地，标准正态分位数q1,q2,...,qn，计算式如下：
Figure BDA0002563605600000022
其中，n个幅度值数据来自正态分布总体X。
本发明还提供一种基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法，针对多通道接收机，方法包括以下步骤：
侦测信源，并通过遍历通道，查找幅度最大值通道；
采用如上述任一项的基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法对幅度最大值通道进行幅度值估计，得到幅度最大值通道的幅度值的均值。
本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法，针对基于Q-Q图正态匹配分析的侦测接收机幅度估计，实现对已知信源并且辐射功率恒定的信源测向测距，测距精度明显提升。
2、在另一优选方案中，本发明基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法，通过引入接收幅度的统计理论，采用Q-Q正态匹配计算各通道接收幅度，减少滤波误差同时大大提升了处理结果稳定度，该幅度估计系统是一种平稳过程，可快速收敛减少幅度检测算法设计难度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例的模拟侦测接收实际采集场景的真实信号幅度的示意图；
图3是本发明优选实施例的模拟侦测接收实际采集场景的概率分布密度曲线的示意图；
图4是本发明优选实施例的模拟侦测接收实际采集场景的正态分布统计Q-Q图；
图5是本发明优选实施例的模拟侦测接收实际采集场景的真实信号统计Q-Q图；
图6是本发明优选实施例的6通道的概率分布密度曲线；
图7是本发明优选实施例的6通道的统计Q-Q曲线；
图8是本发明优选实施例的正态匹配输出幅度值。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1，本发明的基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法，包括以下步骤：
S1、采集单通道的若干个真实信号的幅度值；
S2、根据若干个真实信号幅度值，进行概率分布统计绘制概率分布曲线图(对概率分布曲线求导得到概率分布密度曲线)，并绘制单通道的真实信号的幅度值的统计Q-Q图；
S3、判断统计Q-Q图是否满足正态分布规律，当满足正态分布规律时，拟合统计Q-Q图的斜率和截距，以截距为均值，斜率为均方差；(均方根即均方差的算术平方根)；
S4、在满足现行约束最小方差准则的条件下，自适应放缩统计Q-Q图对应的概率分布曲线的置信区间以快速收敛得到幅度值的均值。
通过上述步骤，通过Q-Q图来匹配计算各通道接收幅度，减少滤波误差同时大大提升了处理结果稳定度。针对基于Q-Q图正态匹配分析的侦测接收机幅度估计，实现对已知信源并且辐射功率恒定的信源测向测距，测距精度明显提升。
在无线电侦测时，侦测接收机接收信号由信源入射信号经过无线信道路径损耗和多通道接收机采集系统获得，该系统存在多种误差噪声，包括信号源入射信号的发射噪声、多径效应信道噪声、接收机接收噪声以及接收机ADC量化误差等一系列噪声，通常这种电磁效应产生噪声和数字量化产生噪声可以看成一种互不相关的随机过程，均满足正态分布规律，此时可将接收信号引入噪声为合成噪声。
假设单一噪声服从正态分布
Figure BDA0002563605600000031
则合成噪声为
Figure BDA0002563605600000041
则分布概率密度为：
Figure BDA0002563605600000042
其中，μi代表单一噪声的均值，
Figure BDA0002563605600000043
代表单一噪声的均方差，Δni为单一噪声，I为噪声的最大数量，N为正态分布的噪声点的集合，i为噪声点的集合中的噪声点的序号；Δntotal为合成噪声，
Figure BDA0002563605600000044
为合成噪声的均方差，噪声均值
Figure BDA0002563605600000045
均方根为
Figure BDA0002563605600000046
合成噪声分布服从正态分布。
本实施例中，先搭建信源和侦测接收机采集系统，模拟侦测接收系统实际采集场景。信源采用调制脉冲信号，信号频率5800MHz，信号功率-10dBm，发射天线增益3dBi，占空比10/14，接收机链路增益70dB，测量天线增益10dBi,信源与接收机距离0.1km，采用上述的步骤进行单通道数据采集。如图1所示，采集240帧真实信号幅度，呈现随机分布趋势；经过概率分布统计，如图2所示，均值为76.9233dBm，均方差为0.0368，设置置信区间为[76.6,77.2]，概率为0.9976，服从正态分布规律与理论相符。
步骤S3中，判断统计Q-Q图是否满足正态分布规律，即进行Q-Q正态匹配分析时，由于统计学中Q-Q图(Q代表分位数)是一个概率图，通过图形的形式比较两个概率分布，将二者中两个对应分位数进行比较，如果两个分布相似，则该Q-Q图趋于落在y＝x线上。标准正态分布数据Q-Q图为y＝x曲线，因此Q-Q图也可表示数据是否满足正态分布规律，拟合直线的斜率为均方差，截距为均值。因此，通过这种比对可以实现分析接收信号幅度值的Q-Q图进行了数据的正态匹配。
实施时，先可以通过如下步骤绘制单通道的真实信号的幅度值的统计Q-Q图：
Ⅰ.将单通道的真实信号的幅度值数据依小到大排成顺序x1,x2,x3,···,xn，得到对应概率值pn为：
Figure BDA0002563605600000047
Ⅱ.计算标准正态分位数q1,q2,...,qn；计算式如下：
Figure BDA0002563605600000051
其中，n个幅度值数据来自正态分布总体X；qi由pi唯一确定。
Ⅲ.将数对(qi,xi)(i＝1,2,3,...,n)作为直角坐标平面内的点，绘制得到单通道的真实信号的幅度值的统计Q-Q图。由统计学证明，若数据x1,x2,x3,···,xn的分布与正态分布非常接近，则数对(qi,xi)(i＝1,2,3,...,n)应近似于一条直线。
采用上述的模拟侦测接收系统实际采集场景，对概率分布曲线求导得到概率分布密度曲线如图3所示，理论正态分布和真实信号的统计Q-Q图分别如图4和图5所示，显然，真实接收信号的幅度值分布符合正态分布规律，通过拟合斜率和截距，斜率和截距，以截距为均值，斜率为均方差。
最小方差准则即方差最小准则，即选择一组时域采样值，采用最小方差算法，以使方差最小，从而达到最优化设计。这一方法注重的是在整个频率区间内，总误差全局最小。本实施例中，以最小方差为优化目标，调整统计Q-Q图对应的概率分布曲线的置信区间，以快速收敛得到幅度值的均值。
本实施例还提供一种基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法，针对多通道接收机，步骤为：侦测信源，并通过遍历通道，查找幅度最大值通道；采用上述的单通道的基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法对幅度最大值通道进行幅度值估计，得到所述幅度最大值通道的幅度值的均值。针对多通道接收机的情况，采用多通道比幅测向侦测系统可以通过对信源的多通道数据采集，采用有限位数Q-Q正态匹配，可以实现精准幅度估计。采用搭建的模拟侦测接收系统实际采集场景，采用六通道比幅测向系统进行数据采集，设置同样的置信区间范围，各通道概率分布密度曲线如图6所示，图6中第一排从左到右依次为1至3通道的概率分布密度曲线(Probability Between Limits)，概率依次分别为0.99327、0.98086、0.0035421；图6中第二排从左到右依次为4至6通道的概率分布密度曲线，概率依次分别为0.0077503、0.77661、0.58368。接收通道幅度越高，概率越大；根据比幅测向理论测向通道为1、2通道进行计算。如图7所示，给出了真实信号6通道采集系统的统计Q-Q曲线。图7中第一排从左到右依次为1至3通道的真实信号QQ图，图7中第二排从左到右依次为4至6通道的真实信号QQ图；每个通道的真实信号QQ图的横坐标为标准正态分位数；纵坐标为输入样本分位数。明显看出1、2通道的Q-Q曲线幅度明显较高；1、2、5通道线性度较好，信噪比较高，5通道为信源背向接收，由于环境信号空域分集效应，很明显在5通道接收噪底较低，信噪比得到提升。通过Q-Q图匹配分析结果，满足线性约束最小方差准则(LCMV，Linear Constrained Minimum Variance)，自适应放缩置信区间，进行幅度估计。如图8所示(通道2)，实现幅度均值快速收敛至76.92，可以在20帧数据内快速收敛，原始信号幅度平均误差σ＝0.3094，进行正态匹配后幅度误差σ＝0.0155。
本实施例还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一实施例的步骤。
综上可知，本发明通过引入统计学正态分布模型，搭建多通道比幅测向接收机模型通过正态分布Q-Q图正态匹配分析，可实现真实的多通道接收机系统的幅度估计。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集单通道的若干个真实信号的幅度值；
根据所述若干个真实信号幅度值，进行概率分布统计绘制概率分布曲线图，并绘制所述单通道的真实信号的幅度值的统计Q-Q图；
判断所述统计Q-Q图是否满足正态分布规律，当满足正态分布规律时，拟合所述统计Q-Q图的斜率和截距，以截距为均值，斜率为均方差；
在满足现行约束最小方差准则的条件下，自适应放缩所述统计Q-Q图对应的概率分布曲线的置信区间以快速收敛得到幅度值的均值。
2.根据权利要求1所述的基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法，其特征在于，所述绘制所述单通道的真实信号的幅度值的统计Q-Q图，包括以下步骤：
Ⅰ.将所述单通道的真实信号的幅度值数据依小到大排成顺序x1,x2,x3,···,xn，得到对应概率值pn为：
Figure FDA0002563605590000011
Ⅱ.计算标准正态分位数q1,q2,...,qn；
Ⅲ.将数对(qi,xi)(i＝1,2,3,...,n)作为直角坐标平面内的点，绘制得到所述单通道的真实信号的幅度值的统计Q-Q图。
3.根据权利要求1所述的基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法，其特征在于，所述标准正态分位数q1,q2,...,qn，计算式如下：
Figure FDA0002563605590000012
其中，n个幅度值数据来自正态分布总体X。
4.一种基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法，其特征在于，针对多通道接收机，所述方法包括以下步骤：
侦测信源，并通过遍历通道，查找幅度最大值通道；
采用如权利要求1至3中任一项所述的基于正态匹配的无线电侦测的接收幅度的估计方法对幅度最大值通道进行幅度值估计，得到所述幅度最大值通道的幅度值的均值。
5.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至4中任一所述方法的步骤。
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