CN114696922A - 一种适用于无人机通信的跳频信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发提供一种适用于无人机通信的跳频信号检测方法，包括以下步骤：1)功率谱估计步骤，包括功率谱遍历与带宽检测；2)信号帧视频定位步骤：3)跳频信号帧筛选步骤。通过带宽状态检测手段，更新各个检测频点，根据起止频点、噪声门限等参数，达到信号帧检测的目的。使用本发明方法检测出的信号帧，通过对比信号帧时长、带宽参数对其进行筛选，进而能在有多种干扰的信号中筛选出无人机信号帧，解决了当信道中包含多种干扰信号时而无法有效检测出无人机通信链路的问题。

Description

一种适用于无人机通信的跳频信号检测方法

技术领域

本发明涉及信号检测技术，特别涉及适用于无人机通信的跳频信号检测技术。

技术背景

随着无人机相关技术的发展，无人机在现代化社会中发挥着越来越重要的作用，尤其是在城市管理、农业、地质等行业。但在给人们带来便利的同时，无人机的不规范使用也暴露出一系列公共安全隐患。基于无人机飞行管控的要求，国家空管委、中国民航局等部门出台了一系列无人机监管政策，无人机信号检测是反无人机系统中不可或缺的一部分。无人机信号检测包括三个方面：跳频信号检测、跳频信号参数估计以及信号分选。跳频信号检测是指判断宽带侦查接收机接收到的复杂信号中是否含有跳频信号，并将跳频信号以外的其他无用信号进行去除。由于跳频通信中收发双方传输信号的载波频率受随机变化码的控制而随机跳变，参数估计部分不仅包括调制样式、信息速率等常规参数，还包括载频、带宽、跳周期等特有参数。

目前的跳频信号检测算法包括有基于功率谱对消的、基于多跳自相关的和基于时频分析的。

基于功率谱对消的跳频信号检测算法

根据跳频信号和定频信号功率谱随时间变化之间的差异，利用功率谱对消来去除定频信号的干扰，从而实现对跳频信号的检测。

假设接收到的信号为跳频信号和高斯白噪声信号的混合信号，将接收数据分为L段长度为M的数据段，对每段数据进行快速FFT变换求得功率谱，则整段数据的平均功率谱是L段数据功率谱的平均值。假设在整段数据中，m个定频信号一直存在，则对每段数据中的定频信号进行快速FFT变换求得功率谱，则整段数据中定频信号的平均功率谱是L段定频信号数据功率谱的平均值。假设在整段数据中，跳频信号在L段数据中出现了a次，由于跳频信号的频率是不断变化的，不可能存在于整段数据中，所以通常情况下a<L，则对每段数据中的跳频信号进行快速FFT变换求得跳频信号数据功率谱，整段数据中跳频信号的平均功率谱是L段跳频信号数据功率谱的平均值。

由上可知，就定频信号而言，整段数据中定频信号的平均功率谱和每段定频信号的功率谱相等。就跳频信号而言，整段数据中跳频信号的平均功率谱是包含跳频信号的某一段数据的功率谱的h/L倍。所以将每段数据的功率谱与整段数据的平均功率谱对应相减再累加求和，即可对消定频信号，定义参数功率对消比为α＝p₁/p₂。其中，p₁代表分段后的信号功率，p₂代表定频信号对消后的信号功率。设置合理的门限值β，若α>β，则待检测信号为跳频信号，反之则为定频信号。

基于多跳自相关的跳频信号检测算法

根据跳频信号自相关函数和噪声信号自相关函数的分布特性差异，设计检测模型，得到基于自相关函数的检测统计量，再将观测到的检测量样本值与设定的检测门限进行比较，进而判断是否存在跳频信号。

假设接收到的信号为跳频信号和高斯白噪声信号的混合信号，将收到的信号进行自相关，则包括跳频信号的自相关、噪声信号的自相关和信号噪声的互相关。由于高斯噪声信号与跳频信号不相关，互相关近似零。当接收数据足够长时，不同跳信号是不相关的，即互相关函数为零，同时忽略非整跳周期信号的影响下，当时延小于跳频周期时，多跳自相关函数随着时延的增加而持续震荡，其自相关为非零值，而当时延大于跳频周期时，代表跳变次数较多，由于跳频信号中相邻跳不具有相关性，从而多跳自相关函数值趋于零。故可根据接收信号的自相关值在一个跳周期时延范围内是否出现较大峰值实现对跳频信号存在性的检测。基于时频分析的跳频信号检测算法

先对接收到的信号进行时频变换，得到存在大量噪声点的时频图，再利用滤波对时频图进行预处理，提取出有效跳频信号。典型的线性时频分析算法有短时傅里叶变换和Gabor变换等。

短时傅里叶变换是连接傅里叶变换和小波变换的桥梁，其基本思想是在时域用窗函数γ(τ)去截被分析的信号s(τ)，对得到的局部信号作傅里叶变换，就得到t时刻该段信号的傅里叶变换。不断移动t，即不断移动窗函数γ(τ)，即可得到不同时刻的傅里叶变换。这些傅里叶变换的集合，即是短时傅里叶变换。可以表示为

其中，s(τ)为被分析信号，γ(t-τ)为分析窗，*为复数共轭。

Gabor变换的基本思想是为了减少短时傅里叶变换后产生的不必要的冗余，减少运算复杂度，将参数τ和ω在时频网格中进行离散，从而用二维时频平面离散网络上的点来表示一维信号的变换。可表示为

其中，T₀为二维网格的时间长度，ω₀为二维网格的频率长度，{a_m,n}为一维信号s(t)的展开系数，{γ_m,n(t)}为基本的窗函数γ(t)经过移位和调制所生成的。

基于功率谱对消和多跳自相关的检测算法只适用于干扰为白噪声的情况，时频分析算法只适用于干扰为白噪声或已知特定干扰型号的情况。现有的无人机信号检测是在复杂的电磁环境中，比如ISM频段属于民用频段，包括蓝牙、业余无线电信号等干扰信号。将现有的跳频信号检测方法应用在无人机检测中无法正常使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以在非专有、存在多种干扰信号的信道(如ISM频段)，有效检测出无人机的方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种适用于无人机通信的跳频信号检测方法，包括以下步骤：

1)收到当前时刻待检测信号的功率谱进行功率谱估计，所述功率谱记录了每一个频点对应的功率值：

1-1)功率谱遍历状态：从功率谱起始频点向终止频点遍历，当频点功率小于噪声门限则移动到下一个频点继续遍历，直至遍历到终止频点则表示功率谱遍历状态结束，进入步骤3)；

在功率谱遍历过程中若出现一个频点功率大于等于噪声门限，跳转步骤1-2)带宽检测状态；

1-2)带宽检测状态：

设置待检测信号的左截止频点和右截止频点，设置峰值频点为当前频点的初始值；

向终止频点方向移动当前频点来遍历功率谱，直到当前频点功率小于噪声门限或到达终止频点；在带宽检测状态的遍历过程中，若当前频点功率值大于等于峰值频点功率值，则将峰值频点与右截止频点均更新为当前频点，否则移动到下一个频点继续遍历；若当前频点功率值小于峰值频点功率值乘以带宽下降准则，则将右截止频点更新为当前频点；

再从峰值频点向起始频点方向遍历功率谱，直到当前频点功率值小于峰值频点功率值乘以带宽下降准则，将左截止频点更新为当前频点；

计算左截止频点到右截止频点的功率平均值，得到右截止频点、左截止频点和功率平均值作为带宽检测结果，退出带宽检测状态进入步骤2)；

2)信号帧视频定位步骤：

将带宽检测结果与处于正在检测中以及尚未检测完成的信号帧的特征向量比对，通过比对结果来决定带宽检测结果是用于更新处于正在检测中以及尚未检测完成的信号帧的特征向量或建立新信号帧的特征向量；比对完成后如还未到终止频点则再跳转到步骤1-1)功率谱遍历状态中移动到下一个频点继续遍历；

3)跳频信号帧筛选步骤：检测是否有处于检测中以及尚未检测完成的信号帧已经检测结束，如否，则返回步骤1)，如是，则再检查该信号帧的信号时长与信号带宽是否满足无人机通信的跳频信号的帧筛选条件，如满足则将该信号帧更新为检测完成的信号帧，否则舍弃。

本发明提出带宽状态检测手段，更新各个检测频点，根据起止频点、噪声门限等参数，达到信号帧检测的目的。使用本发明方法检测出的信号帧，通过对比信号帧时长、带宽参数对其进行筛选，进而能在有多种干扰的信号中筛选出无人机信号帧，解决了当信道中包含多种干扰信号时而无法有效检测出无人机通信链路的问题。

本发明的有益效果是，具有良好的实时性，算法复杂度低；检测系统中的参数可调，适用于不同信道。

附图说明

图1为本发明无人机信号检测示意图。

具体实施方式

本发明为了在非专有、存在多种干扰信号的信道有效检测出无人机通信链路并可根据先验信息获得无人机型号特征，如图1所示，通过功率谱估计、信号帧时频定位以及跳频信号帧筛选三种手段在当前时段频段中找出满足搜索条件的所有信号帧；功率谱使用了计算复杂度更低、估计效果更好的welch谱估计方法；信号帧时频定位是从得到的功率谱中找到通信信号帧；跳频信号帧筛选是在找到的所有信号帧中根据时长和带宽作一次过滤，留下感兴趣的跳频信号帧。

信号帧检测过程如下：

1)配置检测参数和筛选参数：

检测参数包括：bw_crit、bw_toler、noise_th、F_start和F_end

筛选参数包括：T_min、T_max、F_min和F_max

参数名称	参数说明
		T<sub>min</sub>	信号帧时长最小值
T<sub>max</sub>	信号帧时长最大值
		F<sub>min</sub>	信号帧带宽最小值
F<sub>max</sub>	信号帧带宽最大值

2)新建frameNew和frameSet两个链表，链表中数据类型为信号帧特征向量。两个链表存放不同数据内容：frameNew用于存放正在检测中、尚未检测完成的信号帧；frameSet用于存放检测完成的信号帧：

[t_start,t_end,f_start,f_end,PSD]

其中，t_start为信号帧起始时间，t_end为信号帧结束时间，f_start为信号帧起始频点，f_end为信号帧结束频点，PSD为频点功率的平均值；

3)收到当前时刻t_i的welch功率谱Pxx，Pxx是一个数组，记录了每一个频点对应的功率值，进入功率谱遍历状态；

4)功率谱遍历状态：从功率谱检测起始频点到检测终止频点遍历，当遍历到检测终止频点则表示功率谱遍历状态结束，若某一频点功率大于等于噪声门限，跳转到带宽检测状态，若某一频点功率小于噪声门限则移动到下一个频点继续遍历；

5)带宽检测状态：设置信号的左截止频点f_left、右截止频点f_right、峰值频点f_peek为当前频点f_now的初始化带宽指针；

向右遍历功率谱，当前频点f_now向右移动，若当前频点f_now功率值大于等于峰值频点f_peek功率值，则将f_peek、f_right更新为f_now，否则移动到下一个频点继续遍历；若当前频点f_now功率值小于峰值频点f_peek功率值乘以带宽下降准则bw_crit，则将f_right更新为f_now，不断循环直到当前频点f_now功率小于噪声门限noise_th或到达终止频点F_end；当前频点f_now功率小于噪声门限noise_th则表明已经找到信号终止频点；

从峰值频点f_peek向起始频点位置遍历，直到当前频点f_now功率值小于峰值频点f_peek功率值乘以带宽下降准则bw_crit，将f_left更新为f_now；

计算f_left到f_right频点功率的平均值记为PSD，并退出带宽检测状态；

6)带宽检测结束后，将带宽检测结果f_right、f_left、PSD与frameNew中的信号帧比对，若frameNew中某信号帧起止频率与带宽检测输出的起止频率相匹配，则认为信号从上一谱估计时刻延续到了当前时刻，在该信号帧中的t_end+1，同时更新信号的功率PSD；若没有相匹配的信号帧，则认为这是一个新信号帧，在frameNew中添加一个链表成员，其t_start、t_end都是当前时刻t_now，f_start、f_end和PSD是带宽估计的结果，如还未到检测终止频点则再跳转到功率谱遍历状态；

7)功率谱遍历状态结束后检查frameNew，如frameNew有被更新过t_end的信号帧在上一次谱估计时刻结束，则该信号帧已经检测结束，不用继续对其检测，需要将其从frameNew链表中移出；再检查该信号帧是否满足帧筛选的条件，即信号时长是否属于时长范围、信号带宽是否属于带宽范围。若满足则将该信号帧移动到frameSet链表中，不满足则舍弃。跳转到步骤2继续运行直到收到检测停止的指令。

Claims (3)

1.一种适用于无人机通信的跳频信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)收到当前时刻待检测信号的功率谱进行功率谱估计，所述功率谱记录了每一个频点对应的功率值：

1-1)功率谱遍历状态：从功率谱起始频点向终止频点遍历，当频点功率小于噪声门限则移动到下一个频点继续遍历，直至遍历到终止频点则表示功率谱遍历状态结束，进入步骤3)；

在功率谱遍历过程中若出现一个频点功率大于等于噪声门限，跳转步骤1-2)带宽检测状态；

1-2)带宽检测状态：

设置待检测信号的左截止频点和右截止频点，设置峰值频点为当前频点的初始值；

向终止频点方向移动当前频点来遍历功率谱，直到当前频点功率小于噪声门限或到达终止频点；在带宽检测状态的遍历过程中，若当前频点功率值大于等于峰值频点功率值，则将峰值频点与右截止频点均更新为当前频点，否则移动到下一个频点继续遍历；若当前频点功率值小于峰值频点功率值乘以带宽下降准则，则将右截止频点更新为当前频点；

再从峰值频点向起始频点方向遍历功率谱，直到当前频点功率值小于峰值频点功率值乘以带宽下降准则，将左截止频点更新为当前频点；

计算左截止频点到右截止频点的功率平均值，得到右截止频点、左截止频点和功率平均值作为带宽检测结果，退出带宽检测状态进入步骤2)；

2)信号帧视频定位步骤：

将带宽检测结果与处于正在检测中以及尚未检测完成的信号帧的特征向量比对，通过比对结果来决定带宽检测结果是用于更新处于正在检测中以及尚未检测完成的信号帧的特征向量或建立新信号帧的特征向量；比对完成后如还未到终止频点则再跳转到步骤1-1)功率谱遍历状态中移动到下一个频点继续遍历；

3)跳频信号帧筛选步骤：检测是否有处于检测中以及尚未检测完成的信号帧已经检测结束，如否，则返回步骤1)，如是，则再检查该信号帧的信号时长与信号带宽是否满足无人机通信的跳频信号的帧筛选条件，如满足则将该信号帧更新为检测完成的信号帧，否则舍弃。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，通过比对结果来决定带宽检测结果是用于更新处于正在检测中以及尚未检测完成的信号帧的特征向量或建立新信号帧的特征向量的具体方法是：

比对过程中若有信号帧特征向量中的起止频率与带宽检测结果中的左截止频点相匹配，则更新信号帧特征向量中的信号帧结束时间为当前信号帧结束时间加1，并利用带宽检测结果中的功率平均值更新信号帧特征向量中的功率平均值；若没有相匹配的信号帧，则认为这是一个新信号帧，以当前时刻赋值新信号帧特征向量中的信号帧起始时间与信号帧结束时间，以带宽检测结果中的右截止频点、左截止频点和功率平均值分别赋值新信号帧特征向量中的信号帧起始频点、信号帧结束频点和功率平均值。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，检测是否有处于检测中以及尚未检测完成的信号帧已经检测结束的具体方法是:

检查是否有处于检测中以及尚未检测完成的信号帧的特征向量中的信号帧结束时间是否在上一次谱估计时刻结束，如是则该信号帧已经检测结束。

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