CN112666547B - 一种无线电多普勒信号频率提取和脱靶量测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种无线电多普勒信号频率提取和脱靶量测量方法，包括：(1)将获取的连续波无线电多普勒信号在设定的窗函数和窗口宽度下进行短时傅里叶变换STFT，得到该信号的时间‑频率分布；(2)将时间‑频率分布图中每个功率谱密度PSD点的估计值重新分配，使其收缩到其能量重心的位置，得到新的PSD估计；(3)根据原信号平均能量值和信噪比，选择合适的信噪比阈值；(4)对得到的时频分布按照能量值用选取的阈值进行过滤；(5)利用基于Viterbi方法的频率提取方法在过滤后的时频谱图中按照使得代价函数值最小的规则，选出合适的时频分布点作为反映该多普勒信号的时频变化关系曲线的待拟合点集；(6)按照多普勒信号函数模型进行非线性拟合，得到该多普勒信号的时间‑频率关系的表达式。
Description
技术领域
本发明属于多普勒信号频率测量的技术领域，尤其涉及一种无线电多普勒信号频率提取和脱靶量测量方法。
背景技术
在武器系统研制过程中，往往需要进行飞行试验，其中脱靶量是反映制导或飞行精度的一个重要参数，脱靶量的精准测量对导弹等的测试和研制具有重要意义。
在靶场试验中，传统的脱靶量测量方法有光学测量、无线电测量设备测量、GPS(全球定位系统)测量等方法。
虽然以上的测量方法测量精度较高，但都需要配备专用设备，且数据处理比较复杂，不能在靶场试验后快速提供测量结果，而直接利用弹载引信接收的多普勒信号进行脱靶量估算的方法更加方便快捷。
交会飞行过程中，天线接收到的信号为带有明显多普勒效应的信号，包含较多的噪声，且受物体的近场散射特性影响，该信号难于直接用于多普勒频率估计，需要从中提取出合适的时频成分后，再进行多普勒频率估计。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种无线电多普勒信号频率提取和脱靶量测量方法，其能够在不使用额外设备的情况下，仅利用导弹或炮弹上自身携带的无线电引信获取的无线电多普勒信号就可以方便地得到该信号的多普勒频率变化规律，还可依据该信号对导弹的脱靶量进行快速估算。
本发明的技术方案是：这种无线电多普勒信号频率提取和脱靶量测量方法，其包括以下步骤：
(1)将获取到的连续波无线电多普勒信号在设定的窗函数和窗口宽度下进行短时傅里叶变换STFT，得到该信号的时间-频率分布；
(2)将时间-频率分布图中每个功率谱密度PSD点的估计值重新分配，使其收缩到其能量重心的位置，得到每个PSD估计的重心频率和时间；
(3)根据原信号的平均能量值，选择合适的信噪比阈值；
(4)对得到的时频分布按照能量的阈值强度进行过滤；
(5)利用以上频率提取方法在过滤后的时频谱图中，按照使得代价函数值最小的规则，选出合适的分布点，作为反映该多普勒信号的时频变化关系曲线的待拟合点集；
(6)按照多普勒信号函数模型进行非线性拟合，得到该多普勒信号的时间-频率关系的表达式。
本发明选用短时傅里叶变换STFT对信号进行时频分析，保证了一定的时频聚集性，并且根据时频点的能量选取阈值，对信号进行阈值收缩和过滤，降低了信号中噪声对频率提取的干扰；本方法的特征提取部分在传统的Viterbi算法的基础上构造了新的代价函数，能够较好地克服阈值处理后信号时频图中可能出现的信号跳变和间断的问题；本方法利用交会条件下的多普勒信号函数模型，在提取到的特征点中，进行函数拟合，能够得到信号的多普勒频率的表达式和该次实验的脱靶量的估计值，具有较好的准确性；因此能够在不使用额外设备的情况下，仅利用导弹或炮弹上自身携带的无线电引信获取的无线电多普勒信号就可以方便地得到该信号的多普勒频率变化规律，还可依据该信号对导弹的脱靶量进行快速估算。
附图说明
图1为根据本发明的一种无线电多普勒信号频率提取和脱靶量测量方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
在弹目交会的过程中，由于弹目间存在相对运动，弹上引信接收的信号会产生多普勒效应，利用该多普勒信号就可解算其包含的该次交会的脱靶量，交会速度，交会时间等信息。本发明提出的方法所针对的研究对象就是连续波无线电多普勒信号，针对其特点，本文提出的一种基于Viterbi算法的算法，能够在较准确地提取出信号的频率的同时，有效地避免多普勒信号的体目标效应给频率估计带来的不利影响。
本发明针对多普勒信号这种非平稳信号，综合使用了短时傅里叶变换、阈值收缩及过滤、在传统Viterbi算法的基础上提出了具有新的代价函数的特征点选取方法、多普勒信号函数模型的非线性拟合等几种处理的方法，经过以上各步骤，可以得到较为精确的多普勒频率。
如图1所示，这种无线电多普勒信号频率提取和脱靶量测量方法，其包括以下步骤：
(1)将获取到的连续波无线电多普勒信号在设定的窗函数和窗口宽度下进行短时傅里叶变换STFT，得到该信号的时间-频率分布；
(2)将时间-频率分布图中每个功率谱密度PSD点的估计值重新分配，使其收缩到其能量重心的位置，得到每个PSD估计的重心频率和时间；
(3)根据原信号的平均能量值，选择合适的信噪比阈值；
(4)对得到的时频分布按照能量的阈值强度进行过滤；
(5)利用以上频率提取方法在过滤后的时频谱图，按照使得代价函数值最小的规则，选出合适的分布点，作为反映该多普勒信号的时频变化关系曲线的待拟合点集；
(6)按照多普勒信号函数模型进行非线性拟合，得到该多普勒信号的时间-频率关系的表达式。
本发明选用短时傅里叶变换STFT对信号进行时频分析，保证了一定的时频聚集性，并且根据时频点的能量选取阈值，对信号进行阈值收缩和过滤，降低了信号中噪声对频率提取的干扰；本方法的特征提取部分在传统的Viterbi算法的基础上构造了新的代价函数，能够较好地克服阈值处理后信号时频图中可能出现的信号跳变和间断的问题；本方法利用交会条件下的多普勒信号函数模型，在提取到的特征点中，进行函数拟合，能够得到信号的多普勒频率的表达式和该次实验的脱靶量的估计值，具有较好的准确性；因此能够在不使用额外设备的情况下，仅利用导弹或炮弹上自身携带的无线电引信获取的无线电多普勒信号就可以方便地得到该信号的多普勒频率变化规律，还可依据该信号对导弹的脱靶量进行快速估算。
优选地，所述步骤(3)中，选取的阈值依据信号的信噪比进行选取，例如-20dB或-30dB。
优选地，所述步骤(5)中，构造的频率特征点提取依照下列代价函数进行：
其中，表示瞬时频率的估计值，时间点n∈[n1,n2]，k(n)表示路径，即选取的n时刻的频率值，K表示从n1到n2的所有可能路径的集合，TF(n,k(n))表示时频点；
在(1)式中g(k(n),k(n+1))为相邻时刻平滑代价函数，其构建根据公
式(2)：
其中，c为常系数，表示平滑代价函数的权重,x和y分别代表两相邻时刻点所选取路径点的频率值；允许波动值Δ的选择，取决于两相邻点间瞬时频率变化的最大允许值。
优选地，在公式(1)中，h(TF(n,k(n)))为同时刻能量排位代价函数，k(n)表示路径，即n时刻的频率值，故也可写做h(TF(n,f))，其构建根据：首先，将n时刻的所有时频点TF值按能量大小排列，此处以非递增的顺序排列为例：TF(n,f1)≥TF(n,f2)≥...≥TF(n,fj)≥TF(n,fQ)，
然后按照下述函数进行计算个点的排位代价函数值：
h(TF(n,fj))＝m·(j-1) (3)
其中，j表示时频点在该时刻所排队列中的位置，N为该信号频率点的个数，且j＝1,2,…N，m为排位代价的权重参数。
优选地，在公式(1)中，项为路径值累计和，用于记录之前已经选择的路径代价值的累计值，d为已选路径代价累计值的影响因子系数，依据前述各代价函数的实际代价值的大小选取。
优选地，在步骤(5)中，选取合适的分布点时，使用动态规划的编程方法实现，以降低本方法的时间复杂度。
优选地，所述步骤(6)中，拟合所使用的多普勒信号函数模型表达式为：
其中，Fd表示多普勒频率值，Vr表示引信和波反射源的相对运动速度，λ表示波长；该表达式显然为ti和Fd的非线性函数，表达式中的待定系数有两个：tρ表示交会时间，ρ表示脱靶量；
利用步骤(5)得到的时频特征点对公式(4)进行拟合，得到其中的待定系数，求得多普勒信号的瞬时频率估计表达式，通过代入不同的时刻值求得对应时刻的多普勒频率估计值。
本发明创新点在于仅利用无线电引信获取的多普勒信号进行分析解算即可得到信号的频率估计和脱靶量的估计值；选用短时傅里叶变换(Short Time FourierTransform，STFT)对信号进行时频分析，保证了一定的时频聚集性，并且根据时频点的能量选取阈值，对信号进行阈值收缩和过滤，降低了信号中噪声对频率提取的干扰；本方法的特征提取部分在传统的Viterbi算法的基础上构造了新的代价函数，能够较好地克服阈值处理后信号时频图中可能出现的信号跳变和间断的问题。本方法利用交会条件下的多普勒信号函数模型，在提取到的特征点中，进行函数拟合，能够得到信号的多普勒频率的表达式和该次实验的脱靶量的估计值，具有较好的准确性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种无线电多普勒信号频率提取和脱靶量测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)将获取到的连续波无线电多普勒信号在设定的窗函数和窗口宽度下进行短时傅里叶变换STFT，得到该信号的时间-频率分布图；
(2)将时间-频率分布图中每个功率谱密度PSD的估计值重新分配，使其收缩到其能量重心的位置，得到每个PSD估计的重心频率和时间；
(3)根据原信号的平均能量值，选择合适的信噪比阈值；
(4)对得到的时间-频率分布图按照能量的阈值强度进行过滤；
(5)在过滤后的时间-频率分布图中，按照使得代价函数值最小的规则，选出合适的分布点，作为反映该多普勒信号的时间-频率关系曲线的待拟合点集；
(6)按照多普勒信号函数模型进行非线性拟合，得到该多普勒信号的时间-频率关系的表达式；
所述步骤(3)中，选取的阈值是根据信号实际的信噪比情况进行选择的；选取的阈值为-20dB或-30dB；
所述步骤(5)中，合适的分布点的选出依照下列代价函数进行：
其中，表示瞬时频率的估计值,时间点n∈[n1,n2]，k(n)表示路径，即n时刻的频率值，K表示从n1到n2的所有可能路径的集合，TF(n,k(n))表示时频点，h(TF(n,k(n)))为同时刻能量排位代价函数，d为已选路径代价累计值的影响因子系数；
在(1)式中g(k(n),k(n+1))为相邻时刻平滑代价函数，其构建根据公式(2)：
其中，c为常系数，表示平滑代价函数的权重,x和y分别代表两相邻时刻点所选取路径点的频率值；允许波动值Δ的选择，取决于两相邻点间瞬时频率变化的最大允许值。
2.根据权利要求1所述的无线电多普勒信号频率提取和脱靶量测量方法，其特征在于：在公式(1)中，k(n)表示路径，即n时刻的频率值，故也可写做h(TF(n,f))，其构建根据：首先，将n时刻的所有时频点TF按其能量大小排列，以非递增的顺序排列为：
TF(n,f1)≥TF(n,f2)≥...≥TF(n,fj)≥TF(n,fQ)，
然后按照公式(3)计算各个点的排位代价函数值：
h(TF(n,fj))＝m·(j-1) (3)
其中，j表示时频点在该时刻所排队列中的位置，N为该信号频率点的个数，且j＝1,2,…N，m为排位代价的权重参数。
3.根据权利要求2所述的无线电多普勒信号频率提取和脱靶量测量方法，其特征在于：在公式(1)中，项为路径值累计和，用于记录之前已经选择的路径代价值的累计值，d为已选路径代价累计值的影响因子系数，依据前述各代价函数的实际代价值的大小选取。
4.根据权利要求3所述的无线电多普勒信号频率提取和脱靶量测量方法，其特征在于：在步骤(5)中，选取分布点时，使用动态规划的编程方法实现，以降低时间复杂度。
5.根据权利要求4所述的无线电多普勒信号频率提取和脱靶量测量方法，其特征在于：所述步骤(6)中，拟合所使用的多普勒信号函数模型表达式为：
其中，Fd表示多普勒频率值，Vr表示引信和波反射源的相对运动速度,λ表示波长；该表达式显然为ti和Fd的非线性函数，表达式中的待定系数有两个：tρ表示交会时间，ρ表示脱靶量；
利用步骤(5)得到的时间-频率分布点对公式(4)进行拟合，得到其中的待定系数，求得多普勒信号的瞬时频率估计表达式，通过代入不同的时刻值求得对应时刻的多普勒频率估计值。
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