CN112332807A - 一种弱包络信号检测方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种弱信号检测方法和系统，包括以下步骤：S1对数字信道化输出信号进行包络检波处理；S2对得到的信号包络进行均值滤波；S3对经过滤波的信号通过设置最小脉冲时间间隔剔除产生的虚假脉冲，以确保检测到弱信号。其采用固定门限进行脉冲信号检测，采用滤波算法对子信道输出的信号进行处理，减小随机误差的影响，进而提高脉冲的检测概率、降低脉冲的虚警概率并提高脉冲参数的测量精度。

Description

一种弱包络信号检测方法和系统
技术领域
本发明涉及一种弱信号检测方法和系统，属于信号处理技术领域。
背景技术
脉冲信号的检测可以从时域和频域等角度来进行检测和识别。不管是基于信号强度上的匹配滤波，还是根据能量变化确定脉冲的方法，都在运算量、检测概率、虚警率或者参数测量精度上有所欠缺，不能同时满足各项要求。寻求硬件上实现简单，同时保证脉冲的检测正确概率和参数测量精度，已经成为脉冲信号处理的重要研究内容。但由于随机噪声具有波动的特点，特别是当真实脉冲到达时，接收信号包络可能多次越过门限，因而会检测到多个脉冲信号存在。这些脉冲称为虚假脉冲，应当尽可能剔除。与此同时，脉冲到达时间TOA、脉冲宽度PW和脉冲频率f等脉冲描述参数的测量精度，同样会受到随机噪声的干扰。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供了一种弱信号检测方法和系统，其采用固定门限进行脉冲信号检测，采用滤波算法对子信道输出的信号进行处理，减小随机误差的影响，进而提高脉冲的检测概率、降低脉冲的虚警概率并提高脉冲参数的测量精度。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种弱信号检测方法，包括以下步骤：S1对数字信道化输出信号进行包络检波处理；S2对得到的信号包络进行均值滤波；S3对经过滤波的信号通过设置最小脉冲时间间隔剔除产生的虚假脉冲，以检测到弱信号。
进一步，步骤S3中通过设置最小脉冲时间间隔剔除产生的虚假脉冲的过程为：若两个脉冲的到达时间差小于最小脉冲时间间隔，则将两个脉冲视为同一个脉冲进行合并；若两个脉冲的到达时间差大于最小脉冲时间间隔，则不合并。
进一步，步骤S2中均值滤波的方法为：对滤波窗口N个采样点的数据求和取平均作为对应时刻的滤波输出值y(n)，其公式为：
Figure BDA0002756028850000011
其中，x(n-i)为单个采样数据，n为总的采样次数；i为表示采样数据的序号。
进一步，步骤S2中根据脉冲检测概率、虚警概率和平滑点数的关系曲线确定均值滤波的平滑点数，其中，脉冲检测概率随平滑点数增加先增大后减小，而虚警概率随平滑点数单调减小。
进一步，均值滤波的平滑点数为32。
进一步，步骤S2中经过均值滤波后，将脉宽小于200ns的脉冲信号视为毛刺信号直接剔除。
本发明公开了一种弱信号检测系统，包括：包络检波模块，用于对数字信道化输出信号进行包络检波处理；滤波模块，用于对得到的信号包络进行均值滤波；虚假脉冲剔除模块，用于对经过滤波的信号通过设置最小脉冲时间间隔剔除产生的虚假脉冲，以检测到弱信号。
进一步，虚假脉冲剔除模块中通过设置最小脉冲时间间隔剔除产生的虚假脉冲的过程为：若两个脉冲的到达时间差小于最小脉冲时间间隔，则将两个脉冲视为同一个脉冲进行合并；若两个脉冲的到达时间差大于最小脉冲时间间隔，则不合并。
进一步，滤波模块中均值滤波的方法为：对滤波窗口N个采样点的数据求和取平均作为对应时刻的滤波输出值y(n)，其公式为：
Figure BDA0002756028850000021
其中，x(n-i)为单个采样数据，n为总的采样次数；i为表示采样数据的序号。
进一步，步骤S2中根据脉冲检测概率、虚警概率和平滑点数的关系曲线确定均值滤波的平滑点数，均值滤波的平滑点数为32。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：采用固定门限进行脉冲信号检测，采用滤波算法对子信道输出的信号进行处理，减小随机误差的影响，进而提高脉冲的检测概率、降低脉冲的虚警概率并提高脉冲参数的测量精度。
附图说明
图1是本发明一实施例中128MHz采样率下脉宽为1μs的窄脉冲在低信噪比条件下得到的脉冲检测概率、虚警概率和平滑点数的关系曲线；
图2是本发明一实施例中未经过均值滤波的脉冲包络信号的波形图；
图3是本发明一实施例中经过均值滤波的脉冲包络信号的波形图；
图4是本发明一实施例中128MHz采样率下脉宽为1μs的窄脉冲在低信噪比条件下得到的脉冲检测概率、虚警概率和脉冲间最小时间间隔的关系曲线；
图5是本发明一实施例中128MHz采样率下脉宽为1μs的窄脉冲在低信噪比条件下得到的脉冲检测概率-虚警概率关系曲线。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例一
本实施例公开了一种弱信号检测方法，包括以下步骤：
S1对数字信道化输出信号进行包络检波处理。即采用固定门限进行脉冲信号检测，当信号包络大于固定门限时，视为脉冲信号存在，固定门限由实际噪声功率确定。
S2对得到的信号包络进行均值滤波。
步骤S2中均值滤波的方法为：对滤波窗口N个采样点的数据求和取平均作为对应时刻的滤波输出值y(n)，其公式为：
Figure BDA0002756028850000031
其中，x(n-i)为单个采样数据，n为总的采样次数；i为表示采样数据的序号。均值滤波等效为线性相位FIR滤波器。当N值很小时，y(n)相对于单个采样数据x(n)的畸变较小，但输出中的噪声很多，因此需要根据信号的实际情况选择合适的N，在确保脉冲信号检测概率的前提下应该尽量使N值取大一些。
为了确定均值滤波的平滑点数，需要重点对窄脉冲的检测情况进行分析。当信噪比较低时，脉冲信号淹没在噪声中，如果不进行平滑，脉冲的包络形状无法体现，越过固定门限的均为毛刺信号，在剔除后，该脉冲无法被检测到；如果平滑点数过多，脉冲包络幅度变小，甚至低于门限，也会导致检测概率变低。因此对于脉冲检测概率，存在最优的均值滤波平滑点数。与此同时，随着平滑点数的增加，随机噪声的影响将逐渐减小，由噪声产生的虚警脉冲将减少，虚警概率不断降低。因此需要综合两方面的因素以确定最优的均值滤波点数。
针对128MHz采样率下脉宽为1μs的窄脉冲在低信噪比条件下得到脉冲检测概率、虚警概率和平滑点数的关系曲线如图1所示。由图1中关系曲线可以看出，脉冲检测概率随平滑点数增加先增大后减小，而虚警概率随平滑点数单调减小，与之前的分析一致。当平滑点数为32时，可以取到最大检测概率，从而尽可能提升低信噪比下的检测性能；同时虚警概率较小，不至于在后续计算中增加太多计算量。因此在信号包络的脉冲检测中使用32点均值滤波。
利用32点平滑对SNR＝8dB的脉冲信号进行滤波，滤波前和滤波后的脉冲信号的波形图分别如图2和图3所示。将图2和图3中的波形进行对比可知经过均值滤波后的信号去除了尖脉冲，进而减小随机噪声对脉冲检测和参数测量的影响。
步骤S2中经过均值滤波后，由于子信道输出信号的信噪比较低，仍有可能出现信号包络多次越过固定门限产生虚警的情况。为了剔除该虚假脉冲，将脉宽小于200ns的脉冲信号视为毛刺信号直接剔除。
S3对经过滤波的信号通过设置最小脉冲时间间隔剔除产生的虚假脉冲，以确保检测到弱信号。
对于信号功率较低的宽脉冲，当该信号通过均值滤波处理后，仍然可能出现脉冲分裂，产生额外的虚假脉冲，需要进行剔除。本实施例通过设置最小脉冲时间间隔，其具体方法为：剔除产生的虚假脉冲若两个脉冲的到达时间差小于最小脉冲时间间隔，则将两个脉冲视为同一个脉冲进行合并；若两个脉冲的到达时间差大于最小脉冲时间间隔，则不合并。针对128MHz采样率下脉宽为30us的脉冲在低信噪比，子信道内脉冲密度为2万个/秒的条件下得到脉冲检测概率、虚警概率和脉冲间最小时间间隔的关系曲线如图4所示，图5是128MHz采样率下脉宽为1μs的窄脉冲在低信噪比条件下得到的脉冲检测概率-虚警概率关系曲线。在图4和图5中横轴均为指脉冲间最小时间间隔，单位为微秒。由图5可以看出，脉冲检测概率和虚警概率随设置的最小脉冲时间间隔单调减小，与前面的分析一致。由图5中概率-虚警概率关系曲线可以看出该曲线存在拐点，此时检测概率为0.9，虚警概率为0.18，能够大幅降低虚警概率，同时获得较高的脉冲检测概率。
实施例二
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种弱信号检测系统，包括：
包络检波模块，用于对数字信道化输出信号进行包络检波处理；
滤波模块，用于对得到的信号包络进行均值滤波；
虚假脉冲剔除模块，用于对经过滤波的信号通过设置最小脉冲时间间隔剔除产生的虚假脉冲，以检测到弱信号。
虚假脉冲剔除模块中通过设置最小脉冲时间间隔剔除产生的虚假脉冲的过程为：若两个脉冲的到达时间差小于最小脉冲时间间隔，则将两个脉冲视为同一个脉冲进行合并；若两个脉冲的到达时间差大于最小脉冲时间间隔，则不合并。
滤波模块中均值滤波的方法为：对滤波窗口N个采样点的数据求和取平均作为对应时刻的滤波输出值y(n)，其公式为：
Figure BDA0002756028850000041
其中，x(n-i)为单个采样数据，n为总的采样次数；i为表示采样数据的序号。
滤波模块中根据脉冲检测概率、虚警概率和平滑点数的关系曲线确定均值滤波的平滑点数，均值滤波的平滑点数为32。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种弱信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1对数字信道化输出信号进行包络检波处理；
S2对得到的信号包络进行均值滤波；
S3对经过滤波的信号通过设置最小脉冲时间间隔剔除产生的虚假脉冲，以检测到弱信号。
2.根据权利要求1所述的弱信号检测方法，其特征在于，所述步骤S3中通过设置最小脉冲时间间隔剔除产生的虚假脉冲的过程为：若两个脉冲的到达时间差小于最小脉冲时间间隔，则将两个脉冲视为同一个脉冲进行合并；若两个脉冲的到达时间差大于最小脉冲时间间隔，则不合并。
3.根据权利要求1所述的弱信号检测方法，其特征在于，所述步骤S2中均值滤波的方法为：对滤波窗口N个采样点的数据求和取平均作为对应时刻的滤波输出值y(n)，其公式为：
Figure FDA0002756028840000011
其中，x(n-i)为单个采样数据，n为总的采样次数；i为表示采样数据的序号。
4.根据权利要求3所述的弱信号检测方法，其特征在于，所述步骤S2中根据脉冲检测概率、虚警概率和平滑点数的关系曲线确定所述均值滤波的平滑点数，其中，脉冲检测概率随平滑点数增加先增大后减小，而虚警概率随平滑点数单调减小。
5.根据权利要求4所述的弱信号检测方法，其特征在于，所述均值滤波的平滑点数为32。
6.根据权利要求4所述的弱信号检测方法，其特征在于，所述步骤S2中经过所述均值滤波后，将脉宽小于200ns的脉冲信号视为毛刺信号直接剔除。
7.一种弱信号检测系统，其特征在于，包括：
包络检波模块，用于对数字信道化输出信号进行包络检波处理；
滤波模块，用于对得到的信号包络进行均值滤波；
虚假脉冲剔除模块，用于对经过滤波的信号通过设置最小脉冲时间间隔剔除产生的虚假脉冲，以确保检测到弱信号。
8.根据权利要求7所述的弱信号检测系统，其特征在于，所述虚假脉冲剔除模块中通过设置最小脉冲时间间隔剔除产生的虚假脉冲的过程为：若两个脉冲的到达时间差小于最小脉冲时间间隔，则将两个脉冲视为同一个脉冲进行合并；若两个脉冲的到达时间差大于最小脉冲时间间隔，则不合并。
9.根据权利要求7所述的弱信号检测系统，其特征在于，所述滤波模块中均值滤波的方法为：对滤波窗口N个采样点的数据求和取平均作为对应时刻的滤波输出值y(n)，其公式为：
Figure FDA0002756028840000021
其中，x(n-i)为单个采样数据，n为总的采样次数；i为表示采样数据的序号。
10.根据权利要求3所述的弱信号检测方法，其特征在于，所述滤波模块中根据脉冲检测概率、虚警概率和平滑点数的关系曲线确定所述均值滤波的平滑点数，其中，脉冲检测概率随平滑点数增加先增大后减小，而虚警概率随平滑点数单调减小。所述均值滤波的平滑点数为32。
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