CN111948629B - 一种高稳健性大多普勒单频脉冲信号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高稳健性大多普勒单频脉冲信号检测方法。步骤1：获取接收基阵左右子阵的波束域输出信号；步骤2：基于步骤1基阵左右子阵的波束域输出信号，分别计算左子阵与右子阵的瞬时相位序列；步骤3：根据步骤2的左右子阵信号瞬时相位序列，得到瞬时相位差差分序列及其方差；步骤4：根据步骤3中瞬时相位差差分序列方差作为检测统计量进行信号有无的判决。本发明对多普勒频移有较好的适应能力。

Description

一种高稳健性大多普勒单频脉冲信号检测方法
技术领域
本发明属于的技术领域；具体涉及一种高稳健性大多普勒单频脉冲信号检测方法。
背景技术
随着科学技术的发展，信号检测技术作为一个重要课题，在军事侦察预警、应急救援、水下目标探测等方面具有重要意义，并且在定位、跟踪、通信中起着不可替代的作用。常见的水声信号有单频信号、线性调频信号、双曲调频信号、扩频信号等。其中，单频信号因其具有结构简单、信道占用率低等优势得到广泛应用。经典的单频脉冲信号检测算法如匹配滤波器，它是利用参考信号与接收信号波形的相似性，使输出信号达到最大信噪比，是检测确知信号的最优检测器。但是由于目标的高速运动会引起多普勒频移，并且单频脉冲信号的多普勒容限较低，从而导致匹配滤波器性能急剧下降。对于高速运动目标的检测，经典的检测方法便是基于信号的时频特性进行检测，但这类方法在信噪比较低的条件下检测效果往往不尽人意。
发明内容
本发明提出了一种高稳健性大多普勒单频脉冲信号检测方法。相对于传统单频信号检测方法，该方法对目标高速运动有更好的适应能力。
本发明通过以下技术方案实现：
一种高稳健性大多普勒单频脉冲信号检测方法，所述检测方法包括以下步骤：
步骤1：获取接收基阵左右子阵的波束域输出信号；
步骤2：基于步骤1基阵左右子阵的波束域输出信号，分别计算左子阵与右子阵的瞬时相位序列；
步骤3：根据步骤2的左右子阵信号瞬时相位序列，得到瞬时相位差差分序列及其方差；
步骤4：根据步骤3中瞬时相位差差分序列方差作为检测统计量进行信号有无的判决。
进一步的，所述步骤1具体为，对于N元线阵而言，选取左右各N-1个阵元作为左右子阵，波束形成技术只做延时求和运算，则左右子阵的波束域输出信号为，
Figure BDA0002612782040000011
Figure BDA0002612782040000012
其中,fc为接收信号频率，f0为期望信号频率，k为采样时刻，θ为入射角度，θ0为预成波束角度，c为水中声速，d为阵元间距，A为信号幅度。
进一步的，所述步骤2具体为，利用自适应陷波滤波器实现瞬时相位估计，
自适应陷波滤波器的输入信号为：
di(k)＝si(k)+n(k)
其中，n(k)为背景噪声，si(k)对应左右子阵波束域输出信号；
自适应陷波滤波器的参考信号为：
Figure BDA0002612782040000021
迭代过程为：
y(k)＝Wc(k)xc(k)+Ws(k)xs(k)
ε(k)＝di(k)-y(k)
Wc(k+1)＝Wc(k)+με(k)xc(k)
Ws(k+1)＝Ws(k)+με(k)xs(k)
其中，ε(k)为残差，μ为滤波器步长，Wc(k)和Ws(k)为自适应陷波滤波器的权值，其中，ε(k)为残差，μ为滤波器步长，Wc(k)和Ws(k)为自适应陷波滤波器的权值，y(k)为自适应陷波滤波器的输出，xc(k)为正交参考信号的余弦部分，xs(k)为正交参考信号的正弦部分；
瞬时相位估计表达式为：
Figure BDA0002612782040000022
当i＝1时，所得
Figure BDA0002612782040000023
为左子阵瞬时相位估计序列；当i＝2时，所得/>
Figure BDA0002612782040000026
为右子阵瞬时相位估计序列。
进一步的，所述步骤3具体为，
Figure BDA0002612782040000024
Figure BDA0002612782040000025
其中，
Figure BDA0002612782040000031
为瞬时相位差序列，φ(k)为瞬时相位差差分序列
Figure BDA0002612782040000032
Figure BDA0002612782040000033
其中，N为瞬时相位差差分序列的长度，φ0(k)为样本均值，
Figure BDA0002612782040000034
为样本方差即瞬时相位差差分序列方差。
进一步的，所述步骤4具体为，将瞬时相位差差分序列方差与门限进行比较，小于该门限判为有信号，大于等于该门限判为无信号。
本发明的有益效果是：
本发明对单频脉冲信号实现有效检测，尤其对于多普勒频偏影响具有很好的稳健性。
附图说明
图1本发明的流程图。
图2本发明的单阵元信号时域波形及左右子阵波束域输出信号，图2-(a)单阵元信号时域波形图，图2-(b)左子阵波束域输出信号图，图2-(c)右子阵波束域输出信号图。
图3本发明的左右子阵波束域输出信号的瞬时相位序列以及信号瞬时相位差差分序列，图3-(a)左子阵波束域输出信号的瞬时相位序列图，图3-(b)右子阵波束域输出信号的瞬时相位序列图，图3-(c)信号瞬时相位差差分序列图。
图4本发明的瞬时相位差差分序列方差及与门限的比较图。
图5本发明的抗噪声性能对比分析图。
图6本发明的抗多普勒频移性能对比分析图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高稳健性大多普勒单频脉冲信号检测方法，所述检测方法包括以下步骤：
步骤1：获取接收基阵左右子阵的波束域输出信号；
步骤2：基于步骤1基阵左右子阵的波束域输出信号，分别计算左子阵与右子阵的瞬时相位序列；
步骤3：根据步骤2的左右子阵信号瞬时相位序列，得到瞬时相位差差分序列及其方差；
步骤4：根据步骤3中瞬时相位差差分序列方差作为检测统计量进行信号有无的判决。
进一步的，所述步骤1具体为，对于N元线阵而言，选取左右各N-1个阵元作为左右子阵，波束形成技术只做延时求和运算，则左右子阵的波束域输出信号为，
Figure BDA0002612782040000041
Figure BDA0002612782040000042
其中,fc为接收信号频率，f0为期望信号频率，k为采样时刻，θ为入射角度，θ0为预成波束角度，c为水中声速，d为阵元间距，A为信号幅度。
进一步的，所述步骤2具体为，利用自适应陷波滤波器实现瞬时相位估计，
自适应陷波滤波器的输入信号为：
di(k)＝si(k)+n(k)
其中，n(k)为背景噪声，si(k)对应左右子阵波束域输出信号；
自适应陷波滤波器的参考信号为：
Figure BDA0002612782040000043
迭代过程为：
y(k)＝Wc(k)xc(k)+Ws(k)xs(k)
ε(k)＝di(k)-y(k)
Wc(k+1)＝Wc(k)+με(k)xc(k)
Ws(k+1)＝Ws(k)+με(k)xs(k)
其中，ε(k)为残差，μ为滤波器步长，Wc(k)和Ws(k)为自适应陷波滤波器的权值，其中，ε(k)为残差，μ为滤波器步长，Wc(k)和Ws(k)为自适应陷波滤波器的权值，y(k)为自适应陷波滤波器的输出，xc(k)为正交参考信号的余弦部分，xs(k)为正交参考信号的正弦部分；
瞬时相位估计表达式为：
Figure BDA0002612782040000051
当i＝1时，所得
Figure BDA0002612782040000059
为左子阵瞬时相位估计序列；当i＝2时，所得/>
Figure BDA0002612782040000058
为右子阵瞬时相位估计序列。
进一步的，所述步骤3具体为，
Figure BDA0002612782040000052
Figure BDA0002612782040000053
其中，
Figure BDA0002612782040000057
为瞬时相位差序列，φ(k)为瞬时相位差差分序列，
Figure BDA0002612782040000054
Figure BDA0002612782040000055
其中，N为瞬时相位差差分序列的长度，φ0(k)为样本均值，
Figure BDA0002612782040000056
为样本方差即瞬时相位差差分序列方差。
进一步的，所述步骤4具体为，将瞬时相位差差分序列方差与门限进行比较，小于该门限判为有信号，大于等于该门限判为无信号。
实施例2
采用仿真数据对本发明所设计的一种高稳健性大多普勒单频脉冲信号检测方法进行验证，并对过程结果进行说明。
(1)单频脉冲信号检测过程
对于脉宽为10ms的单频脉冲信号，信号频率为11kHz，选取采样频率为50kHz。接收基阵为16元线阵，阵元间距为2cm，自适应陷波滤波器带宽为100Hz，系统带宽为5kHz～17kHz，噪声为加性高斯白噪声，信噪比为0dB。来波方向为32度。
单阵元信号时域波形及左右子阵波束域输出信号如图2。可见，左右子阵的波束域输出信号的信噪比高于单阵元接收到的信号。
左右子阵波束域输出信号的瞬时相位序列以及信号瞬时相位差差分序列如如图3所示。可见，纯噪声的瞬时相位差差分序列的起伏较大，而带噪信号的瞬时相位差差分序列的起伏较小。利用滑窗对瞬时相位差差分序列进行处理，计算信号的瞬时相位差差分序列方差与门限的比较如图4。可见，带噪信号的瞬时相位差差分序列方差小于门限而纯噪声的瞬时相位差差分序列方差则大于门限，由此可实现对单频信号的有效检测。
(2)抗噪声性能分析
图5给出了不同信噪比条件下的ROC曲线。可见，在无多普勒频偏的条件下，本算法与VIFD效果接近，略低于匹配滤波器法。
(3)抗多普勒频偏性能分析
图6给出了多普勒频偏为400Hz时的ROC的曲线。可见，在存在多普勒频移的条件下，本算法的检测性能明显优于匹配滤波器(MF)以及VIFD，对多普勒频移有很好的适应能力。

Claims (2)

1.一种高稳健性大多普勒单频脉冲信号检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
步骤1：获取接收基阵左右子阵的波束域输出信号；
步骤2：基于步骤1基阵左右子阵的波束域输出信号，分别计算左子阵与右子阵的瞬时相位序列；
步骤3：根据步骤2的左右子阵信号相位序列，得到瞬时相位差差分序列及其方差；
步骤4：根据步骤3中瞬时相位差差分序列方差作为检测统计量进行信号有无的判决；
所述步骤1具体为，对于N元线阵而言，选取左右各N-1个阵元作为左右子阵，波束形成技术只做延时求和运算，则左右子阵的波束域输出信号为
Figure FDA0003961125360000011
Figure FDA0003961125360000012
其中,fc为接收信号频率，f0为期望信号频率，k为采样时刻，θ为入射角度，θ0为预成波束角度，c为水中声速，d为阵元间距，A为信号幅度；
所述步骤2具体为，利用自适应陷波滤波器实现瞬时相位估计，
自适应陷波滤波器的输入信号为：
di(k)＝si(k)+n(k)
其中，n(k)为背景噪声，si(k)对应左右子阵波束域输出信号；
自适应陷波滤波器的参考信号为：
Figure FDA0003961125360000013
迭代过程为：
y(k)＝Wc(k)xc(k)+Ws(k)xs(k)
ε(k)＝di(k)-y(k)
Wc(k+1)＝Wc(k)+με(k)xc(k)
Ws(k+1)＝Ws(k)+με(k)xs(k)
其中，ε(k)为残差，μ为滤波器步长，Wc(k)和Ws(k)为自适应陷波滤波器的权值，y(k)为为自适应陷波滤波器的输出，xc(k)为正交参考信号的余弦部分，xs(k)为正交参考信号的正弦部分；
瞬时相位估计表达式为：
Figure FDA0003961125360000021
当i＝1时，所得
Figure FDA0003961125360000022
为左子阵瞬时相位估计序列；当i＝2时，所得/>
Figure FDA0003961125360000023
为右子阵瞬时相位估计序列；
所述步骤3具体为，
Figure FDA0003961125360000024
/>
Figure FDA0003961125360000025
其中，
Figure FDA0003961125360000026
为瞬时相位差序列，φ(k)为瞬时相位差差分序列
Figure FDA0003961125360000027
Figure FDA0003961125360000028
其中，N为瞬时相位差差分序列的长度，φ0(k)为样本均值，
Figure FDA0003961125360000029
为样本方差即瞬时相位差差分序列方差。
2.根据权利要求1所述一种高稳健性大多普勒单频脉冲信号检测方法，其特征在于，所述步骤4具体为，将瞬时相位差差分序列方差与门限进行比较，小于该门限判为有信号，大于等于该门限判为无信号。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116256738B (zh) * 2023-03-22 2023-11-24 哈尔滨工程大学 大多普勒条件下的正弦调频信号检测方法及装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1173739A (ja) * 1997-08-27 1999-03-16 Nec Yamagata Ltd Ｐｌｌ回路
CN101630110A (zh) * 2008-07-17 2010-01-20 佳能株式会社 相位差检测装置、摄像设备和相位差检测方法
JP2010026178A (ja) * 2008-07-17 2010-02-04 Canon Inc 位相差検出装置、撮像装置、位相差検出装置の信号レベル補正方法、信号レベル補正プログラム
CN101957446A (zh) * 2010-09-26 2011-01-26 深圳市汉华安道科技有限责任公司 一种fmcw雷达测距的方法和装置
CN105785346A (zh) * 2014-12-26 2016-07-20 中国科学院声学研究所 一种基于相位方差加权的未知目标线谱检测方法及系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105301580B (zh) * 2015-10-30 2018-06-12 哈尔滨工程大学 一种基于分裂阵互谱相位差方差加权的被动探测方法
CN111198374B (zh) * 2020-01-13 2022-10-25 哈尔滨工程大学 基于时空频联合干扰抑制的多普勒敏感信号动目标水声探测方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1173739A (ja) * 1997-08-27 1999-03-16 Nec Yamagata Ltd Ｐｌｌ回路
CN101630110A (zh) * 2008-07-17 2010-01-20 佳能株式会社 相位差检测装置、摄像设备和相位差检测方法
JP2010026178A (ja) * 2008-07-17 2010-02-04 Canon Inc 位相差検出装置、撮像装置、位相差検出装置の信号レベル補正方法、信号レベル補正プログラム
CN101957446A (zh) * 2010-09-26 2011-01-26 深圳市汉华安道科技有限责任公司 一种fmcw雷达测距的方法和装置
CN105785346A (zh) * 2014-12-26 2016-07-20 中国科学院声学研究所 一种基于相位方差加权的未知目标线谱检测方法及系统

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Development of underwater low-speed moving target detection using spatiotemporal variance of phase difference for port Surveillance sonar;Fumitaka MAEDA;《J.Marine Acoust.Soc.Jnp》;全文 *
Sparsity-based adaptive line enhancer for passive sonars;Guolong Liang;《IET Radar, Sonar & Navigation》;全文 *
基于矢量水听器瞬时相位差方差加权的低频线谱检测算法;朱秀珍;《电声技术》;全文 *
瞬时频率估计算法研究进展综述;陈平等;《电测与仪表》(第07期);全文 *
网格编码8PSK-OFDM信号的多符号检测法;张克等;《通信技术》(第11期);全文 *
调频斜率方差检测器及其性能分析;付进等;《哈尔滨工业大学学报》(第11期);全文 *

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