CN111948451B - 一种基于互谱相位加权平均法的调频连续波信号测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于互谱相位加权平均法的调频连续波信号测向方法，包括：步骤1：监测测向设备的两路通道接收到调频连续波信号得到两路信号的频谱；步骤2：对其中一路调频连续波信号的频谱幅度进行门限检测，提取信号的超过检测门限的频谱分量；步骤3：求过门限的频谱分量处的互谱密度；步骤4：提取频谱分量处的互谱相位；步骤5：通过互谱相位加权平均法计算两路信号之间的传播延时；步骤6：解算出角度。本发明基于互谱算法、采用归一化幅度作为权值对互谱相位进行加权平均的快速、高精度调频连续波信号测向方法，能更好地适应调频连续波信号的特点，对调频连续波信号的测向精度更高，且计算量较小、测向耗时短。

Description

一种基于互谱相位加权平均法的调频连续波信号测向方法

技术领域

本发明涉及无线电监测系统技术领域，尤其涉及的是，一种基于互谱相位加权平均法的调频连续波信号测向方法。

背景技术

随着调频连续波信号在军用、民用雷达系统中越来越多的应用，在无线电监测领域中对调频连续波信号的截获和测向的重要性也日益凸显。调频连续波信号是一种典型的低截获概率信号，其具有两个显著特点，一是具有宽带非平稳特性，二是时域波形连续。宽带非平稳的特性会导致测向天线阵列流形矢量随时间变化，因此常规窄带测向算法不能适用于调频连续波信号；时域波形连续则会导致在缺乏先验信息的条件下难以截取单个调频周期，加大了信号分析和测向处理的难度。

目前，针对调频连续波信号测向的研究较少，可供参考的只有针对线性调频脉冲信号的测向方案，但是由于线性调频脉冲信号的单个脉冲内部只包含一个调频周期，而对调频连续波信号进行测向时需要处理的是连续的且包含不完整周期的多周期调频信号，因此线性调频脉冲信号的测向算法并不能完全适用于调频连续波信号测向。目前对线性调频脉冲信号的测向方法大部分基于分数阶傅里叶变换(FRFT)、短时傅里叶变换(STFT)以及传统互谱算法等。

现有技术存在如下不足：1、基于分数阶傅里叶变换(FRFT)的测向方法计算量大，且只适合对线性调频脉冲信号进行测向，不能对多周期的调频连续波信号进行测向；2、基于短时傅里叶变换(STFT)的测向方法可以实现对调频连续波信号的测向，但计算量大、耗时长；3、基于传统互谱算法的测向方法可以实现对调频连续波信号的测向，且计算量小，但对调频连续波信号进行测向时，由于调频连续波信号通常包含多个调频周期，且包含不完整的调频周期，其频谱幅度在频带范围内起伏很大，幅度较小的频谱分量的相位受噪声影响较大，因此传统互谱法的测向精度会下降。

发明内容

本发明提供一种基于互谱相位加权平均法的调频连续波信号测向方法，解决了如下问题：1、引入互谱法对调频连续波信号进行测向，解决了调频连续波信号的宽带非平稳特性对信号测向效果的影响问题；2、在互谱测向法的基础上，针对调频连续波信号的频谱幅度在频带范围内起伏较大的现象，对互谱法进行改进，采用归一化幅度作为权值对互谱相位进行加权平均，有效解决了幅度较小的互谱分量的相位受噪声影响大的问题，提高了对调频连续波信号的测向精度。

本发明的技术方案如下：一种基于互谱相位加权平均法的调频连续波信号测向方法，包括以下步骤：

步骤1：监测测向设备的两路通道接收到调频连续波信号后，首先分别进行FFT处理，得到两路信号的频谱S₁(f)、S₂(f)；

步骤2：对其中一路调频连续波信号的频谱幅度进行门限检测，提取信号的超过检测门限的频谱分量f_k；

步骤3：求过门限的频谱分量f_k处的互谱密度Z(f_k)，计算公式为：

公式1：Z(f_k)＝S₁(f_k)S₂ ^*(f_k)

步骤4：提取频谱分量f_k处的互谱相位φ(f_k)，计算公式为：

公式2：

步骤5：通过互谱相位加权平均法计算两路信号之间的传播延时τ，计算公式为：

公式3：

公式3中，A_k表示频谱分量f_k处的归一化互谱幅度，其计算公式为：

公式4：

公式4中，a_k表示频谱分量f_k处的互谱幅度，h为检测门限值；

步骤6：求得时延τ后，最终通过下式解算出角度：

公式5：

公式5中，d表示两路接收通道对应的天线之间的间距，c表示光速。

本发明基于互谱算法、采用归一化幅度作为权值对互谱相位进行加权平均的快速、高精度调频连续波信号测向方法，能更好地适应调频连续波信号的特点，对调频连续波信号的测向精度更高，且计算量较小、测向耗时短。

附图说明

图1为本发明基于互谱相位加权平均法的调频连续波信号测向方法流程图。

图2为本发明调频连续波信号频谱图。

图3为图2调频连续波信号频谱图中的局部放大图。

图4为本发明的互谱相位加权平均法对调频连续波信号的测角误差与其他方法的对比图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明的一个实施例是，如图1所示，基于互谱相位加权平均法的调频连续波信号测向方法的实现方案，具体包括以下步骤：

步骤1：监测测向设备的两路通道接收到调频连续波信号后，首先分别进行FFT处理，得到两路信号的频谱S₁(f)、S₂(f)。图2为调频连续波信号的频谱图，如图2-图3所示，由于调频连续波信号包含多个调频周期，其频谱在频带范围内呈现离散化趋势，频谱幅度起伏极大；

步骤2：对其中一路调频连续波信号的频谱幅度进行门限检测，提取信号的超过检测门限的频谱分量f_k；

步骤3：求过门限的频谱分量f_k处的互谱密度Z(f_k)，计算公式为：

公式1：Z(f_k)＝S₁(f_k)S₂ ^*(f_k)

步骤4：提取频谱分量f_k处的互谱相位φ(f_k)，计算公式为：

公式2：

步骤5：为了解决幅度较小的频谱分量的互谱相位受噪声影响较大进而导致测角精度下降的问题，通过互谱相位加权平均法计算两路信号之间的传播延时τ，计算公式为：

公式3：

公式3中，A_k表示频谱分量f_k处的归一化互谱幅度，其计算公式为：

公式4：

公式4中，a_k表示频谱分量f_k处的互谱幅度，h为检测门限值。

步骤6：求得时延τ后，最终通过下式解算出角度：

公式5：

公式5中，d表示两路接收通道对应的天线之间的间距，c表示光速。

本发明的效果可以通过以下仿真试验说明：

图4为本发明的互谱相位加权平均法对调频连续波信号的测角误差(RMS)与其他方法的仿真结果对比图，仿真采用蒙特卡洛试验方法，仿真中采用的参数如下：调频连续波信号的起始频为f₀＝10GHz，调频带宽为B＝20MHz，调频周期为T＝100us；接收机本振频率为f_L0＝10GHz，截获信号时长为T_s＝2.355ms，采样频率为f_s＝200MHz，天线间距为d＝1.5cm；仿真信号信噪比范围为-8dB～5dB，每个信噪比处的蒙特卡洛试验次数为100次。各算法采用的关键参数如下：互谱相位加权平均法和传统互谱法中的频域检测门限都设置为h＝3a，其中a为整个频谱范围内的频谱幅度均值；STFT方法的窗长度设置为128个采样点。

由图4可见，当噪声较大、信噪比较低时，互谱相位加权平均法的测角误差要远小于传统互谱法和STFT法，当信噪比为-8dB时，STFT方法的测角误差高达4.030，传统互谱法的测角误差高达2.310，而本文提出算法的测角误差仅为0.210。此外，当信噪比提高时，互谱相位加权平均法的测角误差也要小于其他两种方法。以上结果表明，互谱相位加权平均法能够有效提高在低信噪比条件下对调频连续波信号的测向精度。

本发明基于互谱算法、采用归一化幅度作为权值对互谱相位进行加权平均的快速、高精度调频连续波信号测向方法，(1)能更好地适应调频连续波信号的特点，对调频连续波信号的测向精度更高，且计算量较小、测向耗时短。(2)引入互谱法对调频连续波信号进行测向，解决了调频连续波信号的宽带非平稳特性对信号测向效果的影响问题。(3)在互谱测向法的基础上，针对调频连续波信号的频谱幅度在频带范围内起伏较大的现象，对互谱法进行改进，采用归一化幅度作为权值对互谱相位进行加权平均，有效解决了幅度较小的互谱分量的相位受噪声影响大的问题，提高了对调频连续波信号的测向精度。(4)采用互谱算法对调频连续波信号进行测向处理，克服了调频连续波信号的宽带非平稳特性对测向结果的影响；(5)根据调频连续波信号的频谱特点，对传统互谱测向方法进行改进，采用互谱相位加权平均法提高了对调频连续波信号的测向精度，且算法计算量小、测向耗时短。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于互谱相位加权平均法的调频连续波信号测向方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：监测测向设备的两路通道接收到调频连续波信号后，首先分别进行FFT处理，得到两路信号的频谱S₁(f)、S₂(f)；

步骤2：对其中一路调频连续波信号的频谱幅度进行门限检测，提取信号的超过检测门限的频谱分量f_k；

步骤3：求过门限的频谱分量f_k处的互谱密度Z(f_k)，计算公式为：

公式1：Z(f_k)＝S₁(f_k)S₂ ^*(f_k)

步骤4：提取频谱分量f_k处的互谱相位φ_k，计算公式为：

公式2：

步骤5：通过互谱相位加权平均法计算两路信号之间的传播延时τ，计算公式为：

公式3：

公式3中，A_k表示频谱分量f_k处的归一化互谱幅度，其计算公式为：

公式4：

公式4中，a_k表示频谱分量f_k处的互谱幅度，h为检测门限值；

步骤6：求得时延τ后，最终通过下式解算出角度：

公式5：

公式5中，d表示两路接收通道对应的天线之间的间距，c表示光速。

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