CN114745065A - 一种用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测方法，包括：固定采样：在每个监测节拍内以固定采样窗口采集截取AD数据，并进行频谱转换，统计生成常规功率谱，对常规功率谱进行能量监测，得到连续信号的频率分布参数；单脉冲触发采样：对脉冲信号进行检测截获，确定触发采集时刻，截取有效脉冲数据段并进行频谱转换，统计生成最大保持功率谱，对最大保持功率谱进行能量监测，得到脉冲信号频率分布参数；多尺度融合：以监测节拍为处理周期，接收常规功率谱和最大保持功率谱，结合频率分布参数进行功率谱关联融合，生成复合功率谱。本发明提出的方案实现了连续、脉冲复杂信号同时监测能力。

Description

一种用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测方法及系统

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，特别涉及一种用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测方法及系统。

背景技术

现有典型的频谱监测技术以通信电台、卫星通信等通信信号为主要监测对象，具备对连续信号高灵敏度监测处理能力。由于监测目标长时存在，在监测过程中无需考虑截获概率问题，因此，在一个监测处理节拍内，一般采用远小于监测节拍的数据采样窗口，在满足连续信号频谱获取的同时降低数据量。然而，对于低重频的短时脉冲信号，该处理架构的最大截获概率为数据采样时间与监测节拍的比值，无法满足脉冲信号的高概率截获与监测需求。以监测节拍2ms、固定采样窗口160us的典型频谱监测参数设置为例，其对低重频脉冲的截获概率只有8％。

因此，针对雷达、通信、导航等多体制信号的无线电谱监测需求，亟待开展一体化频谱监测方法研究，解决同一处理架构下对连续信号与脉冲信号的同时监测问题。

发明内容

针对现有频谱监测技术无法满足连续信号与脉冲信号一体化监测的问题，本发明提供了一种固定采样与单脉冲触发采样相结合的多尺度频谱融合监测方法及系统，实现通信、导航、雷达等多体制复杂信号一体化监测能力。

本发明采用的技术方案如下：一种适用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测方法，包括：

固定采样：在每个监测节拍内以固定采样窗口采集截取AD数据，并进行频谱转换，统计生成常规功率谱，对常规功率谱进行能量监测，得到连续信号的频率分布参数；

单脉冲触发采样：对脉冲信号进行检测截获，确定触发采集时刻，截取有效脉冲数据段并进行频谱转换，统计生成最大保持功率谱，对最大保持功率谱进行能量监测，得到脉冲信号频率分布参数；

多尺度融合：以监测节拍为处理周期，接收常规功率谱和最大保持功率谱，结合频率分布参数进行功率谱关联融合，生成复合功率谱，实现对空间中存在的所有电磁信号的监测能力。

进一步的，在固定采样过程中，监测节拍的时间与固定采样窗口的长度根据常规功率谱参数设定，固定采样窗口设置在每个监测节拍的起始时刻；其中，采样窗口长度取决于常规功率谱的频率分辨率(RBW)与积累帧数(N)，即采样长度为N/RBW。

进一步的，在固定采样过程中，根据频率分辨率对采集到的AD数据进行连续N帧FFT转换和功率谱估计，并将N帧功率谱逐点累加，得到平滑后的常规功率谱，并对常规功率谱进行能量检测，统计信号分量信道。

进一步的，在单脉冲触发采样过程中，采用短时滑窗能量检测法进行脉冲信号的检测截获；滑窗的长度与触发采样窗口时长根据监测脉冲特征与监测分辨率参数设定，其中，滑窗的长度与脉冲宽度相匹配，触发采样窗口时长取决于频率分辨率。

进一步的，在单脉冲触发采样过程中，对滑窗中的AD数据进行能量统计，若当前窗口与前一窗口的功率电平增量达到阈值，则启动触发采集，对本次触发采集到的AD数据段按设定的频率分辨率进行FFT转换和功率谱估计，并对监测节拍内的所有触发采样频谱进行最大保持统计，得到最大保持功率谱；对最大保持功率谱进行能量检测，统计信号分量信道。

进一步的，所述多尺度融合的具体步骤包括：

S1、接收固定采样和单脉冲触发采样得到的常规功率谱与最大保持功率谱以及对应统计的信号分量信道；

S2、以实时检测窗口为时间单位，将两种采样统计得到的信号分量信道在时间维度同步对齐，对于其他非信号信道，则认为是噪声信道，从而确定时间单位内对应的信号分量和噪声分量；；

S3、提取每个时间单位内的信号分量，将两种采样频谱对应的信道分量值取大作为对应信号分量的频谱值，生成信号融合谱；

S4、针对信号信道外的噪声信道，将两种采样频谱对应的信道分量值取小作为对应分量的频谱值，生成噪声融合谱；

S5、将信号融合谱与噪声融合谱融合，输出复合功率谱。

本发明还提供了一种适用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测系统，包括：

固定采样模块，以固定采样窗口采集AD数据，生成常规功率谱；

单脉冲触发采样模块，对脉冲信号检测截获，在脉冲信号来临时，触发采集AD数据，生成最大保持功率谱；

多尺度融合模块，同步接收固定采样模块与单脉冲触发采样模块生成的常规功率谱与最大保持功率谱，进行功率谱关联融合，生成复合功率谱。

进一步的，所述固定采样模块包括：

第一采样模块，根据设定的监测节拍时间与固定采样窗口长度，对固定采样窗口内的AD数据进行采样；其中，固定采样窗口设置在每个检测节拍的起始时刻；

常规功率谱生成模块，根据设定的频率分辨率对采集的AD数据进行连续N帧FFT转换和功率谱估计，并将N帧功率谱逐点累加，得到平滑后的常规功率谱；

能量检测模块，对常规功率谱进行能量检测，统计信号分量信道。

进一步的，所述单脉冲触发采样模块包括：

第二采样模块，根据监测脉冲特征设定滑窗的长度与触发采样窗口时长；对滑窗内的AD数据进行能量统计，在当前窗口与前一窗口的功率电平增量达到阈值，采集当前窗口内的AD数据；

最大保持功率谱生成模块，对采集到的AD数据段按设定的频率分辨率进行FFT转换和功率谱估计，并对监测节拍内的所有触发采样频谱进行最大保持统计，得到最大保持功率谱；

能量检测模块，对最大保持功率谱进行能量检测，统计信号分量信道。

进一步的，所述多尺度融合模块包括：

噪声融合谱生成模块，针对信号信道外的信道，按照常规功率谱与最大保持功率谱对应功率值取小的规则生成噪声融合谱；

复合功率谱生成模块，以实时检测窗口为时间单位，将固定采样模块与单脉冲触发采样模块的信号分量列表在时间维度同步对齐，提取每个时间单位内的信号分量，并按信号分量的常规功率谱与最大保持功率谱功率值取大的规则生成信号融合谱；将信号融合谱与噪声融合谱合，输出一体化复合功率谱。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：结合了固定采样与单脉冲触发采样的优势，采用多尺度频谱融合监测方法生成了可同时表征连续、脉冲信号特征的一体化复合功率谱，具备对通信、雷达、导航、测控等多体制复杂信号一体化监测能力。

附图说明

图1为现有频谱监测技术对不同信号的截获情况示意图。

图2为本发明提出的一体化频谱监测方法原理图。

图3为本发明提出的一体化频谱监测方法流程图。

图4为本发明提出的一体化频谱监测系统示意图。

图5为本发明一实施例中固定采样的功率谱。

图6为本发明一实施例中固定采样的时频二维谱。

图7为本发明一实施例中单脉冲触发采样的脉冲功率谱。

图8为本发明一实施例中同一脉冲信号的两种采样中功率谱对比情况图。

图9为本发明一实施例中融合后的复合功率谱。

图10为本发明一实施例中融合后的时频二维谱。

图11为本发明另一实施例中固定采样的功率谱。

图12为本发明另一实施例中固定采样的时频二维谱。

图13为本发明另一实施例中单脉冲触发采样的脉冲功率谱。

图14为本发明另一实施例中融合后的复合功率谱。

图15为本发明一实施例中融合后的时频二维谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

如图2、图3所示，本实施例提出了一种适用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测方法，实现了连续、脉冲复杂信号同时监测能力，具体方案如下：

固定采样：在每个监测节拍内以固定采样窗口采集截取AD数据，并进行频谱转换，统计生成常规功率谱，对常规功率谱进行能量监测，得到连续信号的频率分布参数；

单脉冲触发采样：对脉冲信号进行检测截获，确定触发采集时刻，截取有效脉冲数据段并进行频谱转换，统计生成最大保持功率谱，对最大保持功率谱进行能量监测，得到脉冲信号频率分布参数；

多尺度融合：以监测节拍为处理周期，接收常规功率谱和最大保持功率谱，结合频率分布参数进行功率谱关联融合，生成复合功率谱，实现对空间中存在的所有电磁信号的监测能力。

在本实施例中针对固定采样过程，提供了具体的实现步骤，具体如下：

1)设定监测节拍时间与固定采样窗口长度，其中，采样窗口长度取决于常规功率谱的频率分辨率(RBW)与积累帧数(N)，即采样长度为N/RBW，在本实施例中，频率分辨率(RBW)与积累帧数(N)选用在相关无线电监测标准中的常用指标，后续过程中频率分辨率与此步骤相同；监测节拍取决于器件工艺、部署硬件的处理能力与应用场景，至少在毫秒量级，根据实际情况设置。

2)在每个监测节拍的起始时刻设置固定采样窗口，采集固定长度的AD数据；

3)根据设定的频率分辨率进行连续N帧FFT转换和功率谱估计，并将N帧功率谱逐点累加，得到平滑后的常规功率谱；

4)对常规功率谱进行能量检测，统计信号分量信道。

在本实施例中针对单脉冲触发采样过程，提供了具体的实现步骤，具体如下：

1)根据监测脉冲特征与频率分辨率参数，设定滑窗的长度和触发采样窗口时长，其中，滑窗的长度与对应的脉冲宽度相匹配，触发采样窗口时长取决于频率分辨率；脉冲特征是指监测场景中典型的目标脉冲参数及适用范围，一般当确定监测频段与场景后，即可确定参数范围；

2)对滑窗内的AD数据进行能量统计，若当前窗口与前一窗口的功率电平增量达到阈值，则启动触发采集；在本实施例中，阈值设定依据为脉冲信号的监测灵敏度，在对频谱监测需求中提供

3)对本次触发采集到的AD数据段按设定的频率分辨率进行FFT转换和功率谱估计，并对监测节拍内的所有触发采样频谱进行最大保持统计；

4)对最大保持功率谱进行能量检测，记录信号分量信道。

在本实施例中针对多尺度融合过程，提供了具体的实现步骤，具体如下：

1)、接收固定采样和单脉冲触发采样得到的常规功率谱与最大保持功率谱以及对应统计的信号分量信道；

2)、以实时检测窗口为时间单位，将两种采样统计得到的信号分量信道在时间维度同步对齐，对于其他非信号信道，则认为是噪声信道，从而确定时间单位内对应的信号分量和噪声分量；；

3)、提取每个时间单位内的信号分量，将两种采样频谱对应的信道分量值取大作为对应信号分量的频谱值，生成信号融合谱；

4)、针对信号信道外的噪声信道，将两种采样频谱对应的信道分量值取小作为对应分量的频谱值，生成噪声融合谱；

5)、将信号融合谱与噪声融合谱融合，输出复合功率谱。

为了验证该方法的有效性，在本实施例中，构建了固定采样和触发采样两条并行的多尺度频谱生成处理支路，并通过多尺度融合分析方法生成一体化频谱监测数据，以实现连续、脉冲复杂信号同时监测能力。具体如下：

在本实施例中，设置系统瞬时带宽为25MHz，采样率为102.4Msps。设定监测节拍为2ms，频率分辨率为25kHz，连续采集处理的积累帧数为4，固定采样窗口长度为160us，滑窗检测窗长为1us。

构建1个典型电磁场景，包含时频共存的1个常联信号和1个短时脉冲信号，信号参数如表1所示，接收机噪底功率谱密度为-160dBm/Hz。

表1信号参数设置

固定采样支路形成的功率谱如图5所示，50ms内的时频谱如图6所示。连续信号频谱分量表征正确；根据脉冲设置的重复周期，每个监测节拍均包含了1个脉冲信号，但仅在2帧功率谱中截获到了脉冲信号，截获概率为8％。

采用触发采集方式，仅在脉冲信号存在的时间内进行采集与处理，其中，第一个脉冲的触发功率谱如图7所示。

针对两个支路同时截获到脉冲的情况，功率谱对比如图8所示。对于脉冲信号，触发采集处理支路保证了对整个脉冲能量的有效积累，信噪比高于连续采集支路，提高了对脉冲信号的监测性能。

对两支路频谱多尺度融合分析后，得到复合功率谱和二维谱如图9、图10所示。融合后的功率谱正确呈现了连续信号与脉冲信号的频率、时间特征，具备对窄带连续信号与低重频脉冲信号一体化监测能力。

构建1个相对复杂的电磁场景，包含时频共存的1个连续信号、1个常规脉冲信号、1个DME信号及1个空中交通管制信号，各信号参数设置如表2所示。

表2多信号参数设置

固定采样支路形成的功率谱如图11所示，50ms内的时频谱如图12所示。连续信号频谱分量表征正确；雷达脉冲的截获概率为8％，敌我识别的截获概率为20％，塔康信号的截获概率为80％，时频图无法体现脉冲信号的时域特征。

采用触发采集方式，仅在脉冲信号存在的时间内进行采集与处理，其中，第一个脉冲的触发功率谱和监测节拍内的最大保持谱如图13所示，触发采集处理保留了所有脉冲信号的频谱分量，其中图13(a)为瞬时谱，图13(b)为最大保持谱。

对两支路频谱多尺度融合分析后，得到的瞬时复合功率谱、监测节拍内的最大保持谱和二维谱如图14、图15所示，其中图14(a)为瞬时谱，图14(b)为最大保持谱。融合后的功率谱正确呈现了连续信号与脉冲信号的频率、时间特征，实现了所有信号全概率截获，具备对窄带连续信号与低重频脉冲信号一体化监测能力。

实施例2

如图4所示，本实施例提供了一种适用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测系统，包括：

固定采样模块，以固定采样窗口采集AD数据，生成常规功率谱；

单脉冲触发采样模块，对脉冲信号检测截获，在脉冲信号来临时，触发采集AD数据，生成最大保持功率谱；

多尺度融合模块，同步接收固定采样模块与单脉冲触发采样模块生成的常规功率谱与最大保持功率谱，进行功率谱关联融合，生成复合功率谱。

具体的，固定采样模块包括：

第一采样模块，根据设定的监测节拍时间与固定采样窗口长度，对固定采样窗口内的AD数据进行采样；其中，固定采样窗口设置在每个检测节拍的起始时刻；

常规功率谱生成模块，根据设定的频率分辨率对采集的AD数据进行连续N帧FFT转换和功率谱估计，并将N帧功率谱逐点累加，得到平滑后的常规功率谱；

能量检测模块，对常规功率谱进行能量检测，统计信号分量信道。

具体的，所述单脉冲触发采样模块包括：

第二采样模块，根据监测脉冲特征设定滑窗的长度与触发采样窗口时长；对滑窗内的AD数据进行能量统计，在当前窗口与前一窗口的功率电平增量达到阈值，采集当前窗口内的AD数据；

最大保持功率谱生成模块，对采集到的AD数据段按设定的频率分辨率进行FFT转换和功率谱估计，并对监测节拍内的所有触发采样频谱进行最大保持统计，得到最大保持功率谱；

能量检测模块，对最大保持功率谱进行能量检测，统计信号分量信道。

具体的，所述多尺度融合模块包括：

噪声融合谱生成模块，针对信号信道外的信道，按照常规功率谱与最大保持功率谱对应功率值取小的规则生成噪声融合谱；

复合功率谱生成模块，以实时检测窗口为时间单位，将固定采样模块与单脉冲触发采样模块的信号分量列表在时间维度同步对齐，提取每个时间单位内的信号分量，并按信号分量的常规功率谱与最大保持功率谱功率值取大的规则生成信号融合谱；将信号融合谱与噪声融合谱合，输出一体化复合功率谱。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (10)

1.一种用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测方法，其特征在于，包括：

固定采样：在每个监测节拍内以固定采样窗口采集截取AD数据，并进行频谱转换，统计生成常规功率谱，对常规功率谱进行能量监测，得到连续信号的频率分布参数；

单脉冲触发采样：对脉冲信号进行检测截获，确定触发采集时刻，截取有效脉冲数据段并进行频谱转换，统计生成最大保持功率谱，对最大保持功率谱进行能量监测，得到脉冲信号频率分布参数；

多尺度融合：以监测节拍为处理周期，接收常规功率谱和最大保持功率谱，结合频率分布参数进行功率谱关联融合，生成复合功率谱，实现对空间中存在的所有电磁信号的监测能力。

2.根据权利要求1所述的用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测方法，其特征在于，在固定采样过程中，监测节拍的时间与固定采样窗口的长度根据常规功率谱相关参数及需求设定，固定采样窗口设置在每个监测节拍的起始时刻；其中，采样窗口长度取决于常规功率谱的频率分辨率与积累帧数，即采样长度为积累帧数/频率分辨率。

3.根据权利要求1或2所述的用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测方法，其特征在于，在固定采样过程中，根据频率分辨率对采集到的AD数据进行连续N帧FFT转换和功率谱估计，并将N帧功率谱逐点累加，得到平滑后的常规功率谱，并对常规功率谱进行能量检测，统计信号分量信道。

4.根据权利要求1所述的用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测方法，其特征在于，单脉冲触发采样过程中，采用短时滑窗能量检测法进行脉冲信号的检测截获；滑窗的长度与触发采样窗口时长根据监测脉冲特征与监测分辨率参数设定，其中，滑窗的长度与脉冲宽度相匹配，触发采样窗口时长取决于频率分辨率。

5.根据权利要求1或4所述的用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测方法，其特征在于，在单脉冲触发采样过程中，对滑窗中的AD数据进行能量统计，若当前窗口与前一窗口的功率电平增量达到阈值，则启动触发采集，对本次触发采集到的AD数据段按设定的频率分辨率进行FFT转换和功率谱估计，并对监测节拍内的所有触发采样频谱进行最大保持统计，得到最大保持功率谱；对最大保持功率谱进行能量检测，统计信号分量信道。

6.根据权利要求1所述的用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测方法，其特征在于，多尺度融合的具体步骤包括：

S1、接收固定采样和单脉冲触发采样得到的常规功率谱与最大保持功率谱以及对应统计的信号分量信道；

S2、以实时检测窗口为时间单位，将两种采样统计得到的信号分量信道在时间维度同步对齐，对于其他非信号信道，则认为是噪声信道，从而确定时间单位内对应的信号分量和噪声分量；；

S3、提取每个时间单位内的信号分量，将两种采样频谱对应的信道分量值取大作为对应信号分量的频谱值，生成信号融合谱；

S4、针对信号信道外的噪声信道，将两种采样频谱对应的信道分量值取小作为对应分量的频谱值，生成噪声融合谱；

S5、将信号融合谱与噪声融合谱融合，输出复合功率谱。

7.一种用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测系统，其特征在于，包括

固定采样模块，以固定采样窗口采集AD数据，生成常规功率谱；

单脉冲触发采样模块，对脉冲信号检测截获，在脉冲信号来临时，触发采集AD数据，生成最大保持功率谱；

多尺度融合模块，同步接收固定采样模块与单脉冲触发采样模块生成的常规功率谱与最大保持功率谱，进行功率谱关联融合，生成复合功率谱。

8.根据权利要求7所述的用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测系统，其特征在于，所述固定采样模块包括：

第一采样模块，根据设定的监测节拍时间与固定采样窗口长度，对固定采样窗口内的AD数据进行采样；其中，固定采样窗口设置在每个检测节拍的起始时刻；

常规功率谱生成模块，根据设定的频率分辨率对采集的AD数据进行连续N帧FFT转换和功率谱估计，并将N帧功率谱逐点累加，得到平滑后的常规功率谱；

能量检测模块，对常规功率谱进行能量检测，统计信号分量信道。

9.根据权利要求7或8所述的用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测系统，其特征在于，所述单脉冲触发采样模块包括：

第二采样模块，根据监测脉冲特征设定滑窗的长度与触发采样窗口时长；对滑窗内的AD数据进行能量统计，在当前窗口与前一窗口的功率电平增量达到阈值，采集当前窗口内的AD数据；

最大保持功率谱生成模块，对采集到的AD数据段按设定的频率分辨率进行FFT转换和功率谱估计，并对监测节拍内的所有触发采样频谱进行最大保持统计，得到最大保持功率谱；

能量检测模块，对最大保持功率谱进行能量检测，统计信号分量信道。

10.根据权利要求7所述的用于连续波和脉冲信号的一体化频谱监测系统，其特征在于，多尺度融合模块包括：

噪声融合谱生成模块，针对信号信道外的信道，按照常规功率谱与最大保持功率谱对应功率值取小的规则生成噪声融合谱；

复合功率谱生成模块，以实时检测窗口为时间单位，将固定采样模块与单脉冲触发采样模块的信号分量列表在时间维度同步对齐，提取每个时间单位内的信号分量，并按信号分量的常规功率谱与最大保持功率谱功率值取大的规则生成信号融合谱；将信号融合谱与噪声融合谱合，输出一体化复合功率谱。

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