CN112817014A - 一种适用于时频域自适应的窄带抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于时频自适应的窄带抗干扰方法，能够吸收时域和频域滤波各自的优点，并且提高频域门限计算的精确性。针对卫星信号窄带干扰的特点，采用时频联合抗干扰方法，相比于传统单种滤波方法，本发明既保留了时域滤波实现简单、频域滤波响应迅速的优点；又去除了时域滤波响应慢、频域滤波消耗资源大的缺点；本发明的自适应频域滤波门限方法相比于传统的自适应门限方法有更准确的干扰判定效果；本发明的自适应时域滤波器结构相比于传统的固定滤波器结构可以有效的适应多种频点、带宽的干扰滤除，拥有更大的适用范围。

Description

一种适用于时频域自适应的窄带抗干扰方法

技术领域

本发明涉及通信卫星导航信号处理技术领域，具体涉及一种适用于时频域自适应的窄带抗干扰方法。

背景技术

导航定位自古以来就是民用和军事领域的重要组成部分，在救援搜索和精确打击等活动中发挥着不可替代的作用。目前常用的导航方式包括惯性导航、地磁导航以及卫星导航等，其中卫星导航以其全球、全天候和高精度的定位效果获得了广泛的研究应用。在拥有这些便利的同时，卫星导航系统也有自身的缺陷，其中一大方面即是它的易受干扰性。

受限于定位卫星本身的硬件条件，卫星信号的发射功率很低，再加上远距离信道传输上的空域损耗，使得到达接收机的信号功率只有－130dBm左右。与此同时，在信号传播的电磁环境中还会加入各种各样的环境无意干扰与人为有意干扰，最终导致接收机难以获得准确的卫星定位数据而无法实现定位导航功能。相较于环境干扰，人为干扰的破坏性更大。人为干扰类型主要包括压制式干扰和欺骗式干扰，其中又以压制式干扰中的窄带干扰最为常见。一个10千瓦的干扰发射机理论上可以1850公里范围的GPS接收机无法正常工作。针对这一问题，相关研究人员提出了多种解决方案。

时域抑制技术和变换域抑制技术是常用而有效的窄带抗干扰技术。时域滤波根据干扰本身所具有的极强的自相关特性来进行预测滤波，结构简单，应用方便，可以在干扰缓变的场景中获得令人满意的抑制效果。得益于快速傅里叶变换技术的发展，变换域滤波技术获得了广泛的关注，它将信号从时域变换到频域，通过一定的门限方法来进行干扰的判定并对干扰频点采取特定的抑制处理方法，最后通过反变换回时域获得干扰抑制后的信号。在干扰快变的场景下变换域滤波可以迅速进行参数的调整从保证滤波效果。

虽然单纯的时、频域滤波已经有了广泛的实际应用，但是它们仍然有不可忽视的缺陷。比如时域滤波在快变的干扰情况下反应缓慢，频域滤波效果依赖域门限的设定好坏且正反变换消耗资源大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于时频自适应的窄带抗干扰方法，能够吸收时域和频域滤波各自的优点，并且提高频域门限计算的精确性。

为了解决上述问题，本发明技术方案如下：

本发明的一种适用于时频域自适应的窄带抗干扰方法，包括以下步骤：

步骤一、提取接收信号频谱信息；

设定虚警概率P；

设定频域检测分段总数，得到各个分段区域；

步骤二、根据虚警概率及各段频谱信息获得各个分段区域对应的频域门限；

步骤三、将各个分段区域对应的频域门限中的最小值作为最终门限值；

步骤四、利用最终门限值，对每一分段区域内的频域幅值进行门限检测，超出门限的记为干扰频点；

步骤五、根据干扰频点计算时域滤波器参数；

步骤六、利用步骤五得到的时域滤波器参数设置时域滤波器，采用设置好的时域滤波器进行时域滤波，实现抗干扰。

其中，所述步骤二中，根据虚警概率及各段频谱信息获得各个分段区域对应的频域门限的具体步骤为：

步骤1、对时域信号进行FFT变换，FFT变换后获得信号频域实部和虚部数据；

设置虚警概率与分段总数，对于虚警概率：

当门限为均值平方的a倍时的虚警概率P，P具体如下式：

其中，TH为门限值，λ为在无干扰情况下接收信号频域幅值平方服从的指数分布律参数；

当门限TH＝a/λ时，有：

其中，a为虚警概率控制参数；

对于分段总数：分段总数根据所使用FFT变换的点数来设定；

步骤2、利用得到的频域数据在每段频点中进行均值的求取，其中对于第i段频点，频域数据在该段频点中的均值具体如下式：

其中AVR_i是频域数据在第i段频点的均值，|A_i(n)|为频域数据在第i段频点中的频域幅值，L为每段中的频点个数，各个段中的频点个数相同，i＝1，2，3…I，I为分段总数；

步骤3，利用得到的均值数据求取每段频点中的门限值，对于第i段频点，门限值具体如下式：

TH_i＝a·AVR_i

其中TH_i是第i段频点中的门限值。

其中，所述步骤五中，根据干扰频点计算时域滤波器参数时，一个干扰对应一个滤波带宽；

所述干扰为有间隔的单干扰频点或是一段连续的干扰频点；对于一段连续的干扰频点，选取该段连续的干扰频点中间的干扰频点，计算时域滤波器参数。

其中，对于第j个干扰频点的时域滤波器滤波带宽控制参数α_j，具体计算如下：

其中j＝1，2，3…J，J为干扰频点总数；JSR为信号干信比；Δw_j为第j个干扰频点处所需陷波带宽；

对于第j个干扰频点的时域滤波器滤波频点控制参数β_j，具体计算如下：

β_j＝cosw_j

其中，w_j为第j个干扰频点处所需陷波频点。

其中，所述步骤六中，时域滤波使用二阶IIR滤波器进行级联，其传递函数具体如下：

其中，α为滤波器滤波带宽控制参数；β为滤波频点控制参数。

本发明还提供了一种适用于时频域自适应的窄带抗干扰系统，包括虚警概率设定单元、频域检测分组单元、门限计算单元、干扰检测单元、滤波器参数计算单元和时域滤波单元；

其中，虚警概率设定单元根据实际需要确定虚警概率，由虚警概率计算公式得到门限值与均值的倍数关系；

频域检测分组单元根据实际需要确定频域检测分段总数，以确定门限计算个数及最佳门限选取范围；

虚警概率设定单元及频域检测分组单元共同作为滤波门限约束条件；

门限计算单元，在虚警概率设定单元及频域检测分组单元的约束条件下，计算各个分组的门限值并选取最佳频域滤波门限，传递给干扰检测单元；

干扰检测单元对信号频域信息进行门限检测，信号频点幅值平方高于门限的视为干扰频点，低于门限的视为有用频点，并将结果传递给滤波器计算单元；

滤波器参数计算单元，根据干扰检测单元所得干扰频点信息，计算时域滤波器所需滤波频点及带宽参数，并发送给时域滤波单元；

时域滤波单元对信号进行时域滤波，获得干扰滤除后的信号。

有益效果：

本发明针对卫星信号窄带干扰的特点，采用时频联合抗干扰方法，相比于传统单种滤波方法，本发明既保留了时域滤波实现简单、频域滤波响应迅速的优点；又去除了时域滤波响应慢、频域滤波消耗资源大的缺点；本发明的自适应频域滤波门限方法相比于传统的自适应门限方法有更准确的干扰判定效果；本发明的自适应时域滤波器结构相比于传统的固定滤波器结构可以有效的适应多种频点、带宽的干扰滤除，拥有更大的适用范围。

附图说明

图1为本发明的总体执行流程图。

图2为本发明的频域门限方法执行流程图。

图3为原始带干扰信号频谱图。

图4为传统自适应门限方法滤波效果。

图5为本发明中使用的门限方法滤波效果。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明设计了一种适用于时频域自适应的窄带抗干扰方法，总体执行流程图如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、提取接收信号频谱信息；

设定虚警概率P；

设定频域检测分段总数，得到各个分段区域；

步骤二、根据虚警概率及各段频谱信息获得各个分段区域对应的频域门限；

步骤三、将各个分段区域对应的频域门限中的最小值作为最终门限值；

步骤四、利用最终门限值，对每一分段区域内的频域幅值进行门限检测，超出门限的记为干扰频点；

步骤五、根据干扰频点计算时域滤波器参数；

步骤六、利用步骤五得到的时域滤波器参数设置时域滤波器，采用设置好的时域滤波器进行时域滤波，实现抗干扰。

具体地，本发明的频域门限方法执行流程图如图2所示，所述步骤二中，根据虚警概率及各段频谱信息获得各个分段区域对应的频域门限的具体步骤为：

步骤1、对时域信号进行FFT变换，FFT变换后获得信号频域实部和虚部数据；

设置虚警概率与分段总数，其中，虚警概率与分段总数影响门限值计算的精确性。

对于虚警概率：

当系统中不存在干扰时，信号频域幅值服从参数为λ的指数分布，由此可以计算出当门限为均值平方的a倍时的虚警概率P，P具体如下式：

其中，TH为门限值，λ为在无干扰情况下接收信号频域幅值平方服从的指数分布律参数。

当门限TH＝a/λ时，有：

其中，a为虚警概率控制参数。

对于分段总数：

分段总数可根据所使用FFT变换的点数来设定合适自身情况的值。

步骤2、利用得到的频域数据在每段频点中进行均值的求取，其中对于第i段频点，频域数据在该段频点中的均值具体如下式：

其中AVR_i是频域数据在第i段频点的均值，|A_i(n)|为频域数据在第i段频点中的频域幅值，L为每段中的频点个数，各个段中的频点个数相同，i＝1，2，3…I，I为分段总数。

步骤3，利用得到的均值数据求取每段频点中的门限值，对于第i段频点，门限值具体如下式：

TH_i＝a·AVR_i

其中TH_i是第i段频点中的门限值。

所述步骤五中，根据干扰频点计算时域滤波器参数时，一个干扰对应一个滤波带宽，所述干扰可以是有间隔的单干扰频点，也可以是一段连续的干扰频点。对于一段连续的干扰频点，选取该段连续的干扰频点中间的干扰频点，计算时域滤波器参数。

对于第j个干扰频点的时域滤波器滤波带宽控制参数α_j，具体计算如下：

其中j＝1，2，3…J，J为干扰频点总数；JSR为信号干信比；Δw_j为第j个干扰频点处所需陷波带宽。

对于第j个干扰频点的时域滤波器滤波频点控制参数β_j，具体计算如下：

β_j＝cosw_j

其中，w_j为第j个干扰频点处所需陷波频点。

所述步骤六中，时域滤波可以使用二阶IIR滤波器进行级联，其传递函数具体如下：

其中，α为滤波器滤波带宽控制参数；β为滤波频点控制参数。

实验验证：

图3为原始带干扰信号频谱，图4和图5分别为传统频域自适应门限方法滤波效果与本发明的自适应门限滤波方法在图3所示信号下的滤波效果。可见相对于传统滤波方法，本发明方法在滤波深度上明显优于传统滤波方法。

本发明还提供了一种适用于时频域自适应的窄带抗干扰系统，包括虚警概率设定单元、频域检测分组单元、门限计算单元、干扰检测单元、滤波器参数计算单元和时域滤波单元。

其中，虚警概率设定单元根据实际需要确定虚警概率，由虚警概率计算公式得到门限值与均值的倍数关系；

频域检测分组单元根据实际需要确定频域检测分段总数，以确定门限计算个数及最佳门限选取范围；

虚警概率设定单元及频域检测分组单元共同作为滤波门限约束条件，提高门限设置准确度；

门限计算单元在虚警概率设定单元及频域检测分组单元的约束条件下计算各个分组的门限值并选取最佳频域滤波门限，传递给干扰检测单元；

干扰检测单元对信号频域信息进行门限检测，信号频点幅值平方高于门限的视为干扰频点，低于门限的视为有用频点，并将结果传递给滤波器计算单元；

滤波器参数计算单元，根据干扰检测单元所得干扰频点信息，计算时域滤波器所需滤波频点及带宽参数，并发送给时域滤波单元；

时域滤波单元对信号进行时域滤波，获得干扰滤除后的信号。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (6)

1.一种适用于时频域自适应的窄带抗干扰方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、提取接收信号频谱信息；

设定虚警概率P；

设定频域检测分段总数，得到各个分段区域；

步骤二、根据虚警概率及各段频谱信息获得各个分段区域对应的频域门限；

步骤三、将各个分段区域对应的频域门限中的最小值作为最终门限值；

步骤四、利用最终门限值，对每一分段区域内的频域幅值进行门限检测，超出门限的记为干扰频点；

步骤五、根据干扰频点计算时域滤波器参数；

步骤六、利用步骤五得到的时域滤波器参数设置时域滤波器，采用设置好的时域滤波器进行时域滤波，实现抗干扰。

2.如权利1要求所述的适用于时频域自适应的窄带抗干扰方法，其特征在于，所述步骤二中，根据虚警概率及各段频谱信息获得各个分段区域对应的频域门限的具体步骤为：

步骤1、对时域信号进行FFT变换，FFT变换后获得信号频域实部和虚部数据；

设置虚警概率与分段总数，对于虚警概率：

当门限为均值平方的a倍时的虚警概率P，P具体如下式：

其中，TH为门限值，λ为在无干扰情况下接收信号频域幅值平方服从的指数分布律参数；

当门限TH＝a/λ时，有：

其中，a为虚警概率控制参数；

对于分段总数：分段总数根据所使用FFT变换的点数来设定；

步骤2、利用得到的频域数据在每段频点中进行均值的求取，其中对于第i段频点，频域数据在该段频点中的均值具体如下式：

其中AVR_i是频域数据在第i段频点的均值，|A_i(n)|为频域数据在第i段频点中的频域幅值，L为每段中的频点个数，各个段中的频点个数相同，i＝1，2，3…I，I为分段总数；

步骤3，利用得到的均值数据求取每段频点中的门限值，对于第i段频点，门限值具体如下式：

TH_i＝a·AVR_i

其中TH_i是第i段频点中的门限值。

3.如权利要求1所述的适用于时频域自适应的窄带抗干扰方法，其特征在于，所述步骤五中，根据干扰频点计算时域滤波器参数时，一个干扰对应一个滤波带宽；

所述干扰为有间隔的单干扰频点或是一段连续的干扰频点；对于一段连续的干扰频点，选取该段连续的干扰频点中间的干扰频点，计算时域滤波器参数。

4.如权利1要求所述的适用于时频域自适应的窄带抗干扰方法，其特征在于，对于第j个干扰频点的时域滤波器滤波带宽控制参数α_j，具体计算如下：

其中j＝1，2，3…J，J为干扰频点总数；JSR为信号干信比；Δw_j为第j个干扰频点处所需陷波带宽；

对于第j个干扰频点的时域滤波器滤波频点控制参数β_j，具体计算如下：

β_j＝cos w_j

其中，w_j为第j个干扰频点处所需陷波频点。

5.如权利1要求所述的适用于时频域自适应的窄带抗干扰方法，其特征在于，所述步骤六中，时域滤波使用二阶IIR滤波器进行级联，其传递函数具体如下：

其中，α为滤波器滤波带宽控制参数；β为滤波频点控制参数。

6.一种适用于时频域自适应的窄带抗干扰系统，其特征在于，包括虚警概率设定单元、频域检测分组单元、门限计算单元、干扰检测单元、滤波器参数计算单元和时域滤波单元；

其中，虚警概率设定单元根据实际需要确定虚警概率，由虚警概率计算公式得到门限值与均值的倍数关系；

频域检测分组单元根据实际需要确定频域检测分段总数，以确定门限计算个数及最佳门限选取范围；

虚警概率设定单元及频域检测分组单元共同作为滤波门限约束条件；

门限计算单元，在虚警概率设定单元及频域检测分组单元的约束条件下，计算各个分组的门限值并选取最佳频域滤波门限，传递给干扰检测单元；

干扰检测单元对信号频域信息进行门限检测，信号频点幅值平方高于门限的视为干扰频点，低于门限的视为有用频点，并将结果传递给滤波器计算单元；

滤波器参数计算单元，根据干扰检测单元所得干扰频点信息，计算时域滤波器所需滤波频点及带宽参数，并发送给时域滤波单元；

时域滤波单元对信号进行时域滤波，获得干扰滤除后的信号。

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