CN115022145B - 一种基于延时自相关的lfm信号和hfm信号区分方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于延时自相关的LFM信号和HFM信号区分方法，该方法首先通过双滑动窗频域能量检测的方式检测一段时长的信号，从中截取突发信号，观察突发信号的时频图，若该时频图呈现为一条直线，则判定该信号为LFM信号或者是HFM信号；然后对突发信号进行延时自相关，得到突发信号的瞬时自相关函数；对突发信号的瞬时自相关函数进行快速傅里叶变换，得到瞬时自相关函数的频谱；最后对瞬时自相关函数的频谱进行带宽检测，如果瞬时自相关函数是宽带信号，判定原始信号为HFM信号，否则为LFM信号。本发明的方法能够对LFM信号和HFM信号进行有效区分。

Description

一种基于延时自相关的LFM信号和HFM信号区分方法
技术领域
本发明属于水声通信领域，具体涉及一种基于延时自相关的LFM信号和HFM信号区分方法。
背景技术
LFM信号广泛应用于雷达、通信、声呐和医学等领域，其检测和参数估计理论与技术一直是研究的重点。在水声通信中LFM信号因其具有良好的自相关特性和抗多普勒能力常常被用作于同步信号用于时间同步，同时HFM信号也具有类似的性质，因此水声通信中常常用这两种信号作为同步信号。在非协作水声通信中由于通信帧除了数据调制信号还往往带有同步信号，通过对同步信号的参数估计可以对其后续的数据调制信号的带宽进行粗估计，同时能够对信号所经历的水声信道进行粗估计。
但是在对同步信号进行参数估计前必须要判断该信号是LFM信号还是HFM信号，否则所估计的参数将是无效的。传统的方法使用特定变换方法处理接收到的信号使其在某个领域出现峰值从而对LFM信号进行检测，但是HFM信号经过这些处理也会出现峰值，因此这些方法无法对这两者进行区分。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开一种基于延时自相关的LFM信号和HFM信号区分方法，该方法适用于水声多径信道，具体技术方案如下：
一种基于延时自相关的LFM信号和HFM信号区分方法，该方法包括如下步骤：
S1：通过双滑动窗频域能量检测的方式检测一段时长的信号，从中截取突发信号，观察突发信号的时频图，若该时频图呈现为一条线，则判定该信号为LFM信号或者是HFM信号；
S2：对突发信号进行延时自相关，得到突发信号的瞬时自相关函数；对突发信号的瞬时自相关函数进行快速傅里叶变换，得到瞬时自相关函数的频谱；
S3：对瞬时自相关函数的频谱进行带宽检测，如果瞬时自相关函数是宽带信号，判定原始信号为HFM信号，否则为LFM信号。
进一步地，所述步骤S1具体为：
(1)设立首尾相连的两个长度为N的窗进行滑动对信号进行检测，其中窗1内的信号为w1(t)，窗2内的信号为w2(t)，信号流动方向是从窗2流向窗1；
(2)用快速傅里叶变换计算两个窗内信号的频域最大能量值Pi＝max(FFT(wi(t)))，其中i＝1,2；当能量商G＝P2/P1大于设定阈值Th1时，检测到信号存在，得到信号的起始时间t1；
(3)当检测到信号存在时，固定窗1位置，窗1不再随着窗2一起滑动，重复步骤(2)，当检测到能量商小于设定阈值Th1时，得到信号结束的结束时间t2；
(4)从t1时刻窗1的起始点到t2时刻窗2的结束点进行截取，得到截取后长度为T的突发信号r(t)；
(5)观察突发信号时频图，如果该信号的时频图呈现一条线，则进入后续识别过程，否则继续进行信号检测。
进一步地，所述步骤S2具体为：
(1)对截取后的信号r(t)延时τ0，得到r(t-τ0)，将其与原始信号进行点对点相乘得到长度为T-τ0的瞬时自相关函数R(t,τ0)；
(2)对瞬时自相关函数R(t,τ0)进行快速傅里叶变换，得到瞬时自相关函数的频谱。
进一步地，所述步骤S3具体为：
(1)根据瞬时自相关函数R(t,τ0)的频谱计算各个频点的能量，搜索到的最大能量为E0，此时的频点N0；
(2)取频点N0左右与N0偏移m个数据点的N0-m，N0+m频点位置对应的能量E1,E2，m为距离频点N0的偏移量，计算E1/E0和E2/E0，当E1/E0和E2/E0均小于预设阈值时，则判定原始信号为LFM信号；否则，判定原始信号为HFM信号。
进一步地，m取2～5。
本发明的有益效果如下：
1.对于水声同步信号参数估计问题，本方法考虑水声中同步信号存在两种极易混淆的LFM信号和HFM信号，提出了有效方法进行区分，有利于提高后续数据处理的正确性。
2.本发明使用双滑动窗最大频域能量检测信号的起止点对信号进行检测和截取处理，可以有效从噪声中提取关键信号，减少无关噪声的影响，并且计算复杂度低，易于工程实现。
3.本发明将LFM和HFM信号区分问题转化为信号带宽检测问题，利用延时自相关来对接收信号进行处理，得到需要进行带宽检测的延时自相关函数。该方法原理简单易懂，计算复杂度低，易于工程实现。
附图说明
图1为根据示例性实施例示出的本发明方法的流程图。
图2为双滑动窗能量检测示意图。
图3为同步信号使用双滑动窗最大频域能量检测时的能量商随滑动窗滑动结果图。
图4为海试数据中LFM信号的识别结果图。
图5为海试数据中HFM信号的识别结果图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，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。
在水声通信中LFM信号和HFM信号常用于时间同步，在非协作水声通信过程中需要先对这两种信号进行区分，才能够进行后续的流程。
如图1所示，基于延时自相关的LFM信号和HFM信号区分方法，包括如下步骤：
S1：通过双滑动窗频域能量检测的方式检测一段时长的信号y(t)，从y(t)中截取突发信号r(t)，观察突发信号的时频图，若该突发信号的时频图呈现为一条直线，则判定该信号为LFM信号或者是HFM信号，进入后续识别过程；
(1)设立首尾相连的两个长度为N的窗进行滑动对信号进行检测，其中窗1内的信号为w1(t)，窗2内的信号为w2(t)，信号流动方向是从窗2流向窗1；具体如图2所示；
(2)用快速傅里叶变换计算两个窗内信号的频域最大能量值Pi＝max(FFT(wi(t)))，其中i＝1,2；当能量商G＝P2/P1大于设定阈值Th1时，检测到信号存在，得到信号的起始时间t1；
(3)当检测到信号存在时，固定窗1位置，窗1不再随着窗2一起滑动，重复步骤(2)，当检测到能量商小于设定阈值Th1时，得到信号结束的结束时间t2；
(4)从t1时刻窗1的起始点到t2时刻窗2的结束点进行截取，得到截取后长度为T的突发信号r(t)；
(5)观察突发信号时频图，如果该信号的时频图呈现一条线，则进入后续识别过程，否则继续进行信号检测。
S2：对突发信号r(t)进行延时自相关，得到突发信号的瞬时自相关函数；对突发信号的瞬时自相关函数进行快速傅里叶变换，得到瞬时自相关函数的频谱；
(1)对截取后的信号r(t)延时τ0，得到r(t-τ0)，将其与原始信号进行点对点相乘得到长度为T-τ0的瞬时自相关函数R(t,τ0)；
对于LFM复信号，其瞬时自相关函数为：
RLFM(t,τ0)＝yLFM(t)y*LFM(t-τ0)＝exp(j2πf0t+jπkt2)·exp(-j2πf0(t-τ0)-jπk(t-τ0)2)＝exp(j2πkτ0t+j2πf0τ0-πkτ0 2)
其为一个单频信号；其中，f0为LFM信号的初始频率；
对于HFM信号，其瞬时自相关函数为：
仍然是一个调频信号，具有一定带宽；其中，fL为HFM初始频率，fH为HFM终止频率；
(2)对瞬时自相关函数R(t,τ0)进行快速傅里叶变换，得到瞬时自相关函数R(t,τ0)的频谱。
S3：对瞬时自相关函数的频谱进行带宽检测，如果瞬时自相关函数是宽带信号，判定原始信号为HFM信号，否则为LFM信号。
(1)根据瞬时自相关函数R(t,τ0)的频谱计算各个频点的能量，搜索到的最大能量为E0，此时的频点N0；
(2)考虑到当突发信号为LFM时其瞬时自相关函数的频谱能量可能会出现两个相邻的最大值，即在N0-m，N0+m频点位置的能量E1,E2是接近E0的较大值，m为距离频点N0的偏移量；因此，取频点N0左右与N0偏移m个数据点的N0-m、N0+m频点位置对应的能量E1、E2，m为距离频点N0的偏移量，计算E1/E0和E2/E0，当E1/E0和E2/E0均小于预设阈值c时，则判定原始信号为LFM信号；否则，判定原始信号为HFM信号。
m一般取2～5。
实施例1
利用海试数据对本方法进行验证，其中所检测的信号是一个初始频率为13kHz，调频系数为25kHz/s，时间长度为200ms的LFM同步信号。将双滑动窗频域能量检测的窗长度设置为512，并将检测的阈值设置为30，对海试数据进行信号检测并截取出其中信号部分，其中能量商随滑动窗滑动结果如图3。经过算法对信号起止点的判定，截取后的信号长度为201.2ms。
对截取后的信号延时其总长度的40％进行自相关，得到截取信号的延时自相关函数，做FFT进行带宽检测，设置带宽检测算法中的频点偏移量m为2，设置预设阈值c为0.5。其中频率能量最大的频点N0为2010，根据偏移量m得到待测的两个频点2008和2012，其中频点为2008的能量E1为0.37，频点2012的能量E2为0.19，E1/E0和E2/E0的结果均小于设定阈值0.5，识别的结果为接收信号为LFM信号，如图4所示，这与发射的信号的类型一致。
实施例2
对另一段发射HFM信号的海试数据仍做相同的截取处理，对截取后的信号延时其总长度的40％进行自相关，得到截取信号的延时自相关函数，做FFT进行带宽检测，设置带宽检测算法中的频点偏移量m为2，设置预设阈值c为0.5。其中频域能量最大值E0为6.9，频点N0为79，根据偏移量m得到待测的两个频点77和81，其中频点为77的能量E1为4.8，频点81的能量E2为4.7，E1/E0和E2/E0的结果均大于设定阈值0.5，因此判断该信号为HFM信号，如图5所示，与实际发射信号类型一致。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于延时自相关的LFM信号和HFM信号区分方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：通过双滑动窗频域能量检测的方式检测一段时长的信号，从中截取突发信号，观察突发信号的时频图，若该时频图呈现为一条线，则判定该信号为LFM信号或者是HFM信号；
S2：对突发信号进行延时自相关，得到突发信号的瞬时自相关函数；对突发信号的瞬时自相关函数进行快速傅里叶变换，得到瞬时自相关函数的频谱；
S3：对瞬时自相关函数的频谱进行带宽检测，如果瞬时自相关函数是宽带信号，判定原始信号为HFM信号，否则为LFM信号；所述步骤S3具体为：
（1）根据瞬时自相关函数R(t,τ0)的频谱计算各个频点的能量，搜索到的最大能量为E0，此时的频点N0；其中，τ0表示延时；
（2）取频点N0左右与N0偏移m个数据点的N0-m，N0+m频点位置对应的能量E1,E2，m为距离频点N0的偏移量，计算E1/E0和E2/E0，当E1/E0和E2/E0均小于预设阈值时，则判定原始信号为LFM信号；否则，判定原始信号为HFM信号。
2.根据权利要求1所述的基于延时自相关的LFM信号和HFM信号区分方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
（1）设立首尾相连的两个长度为N的窗进行滑动对信号进行检测，其中窗1内的信号为w1(t)，窗2内的信号为w2(t)，信号流动方向是从窗2流向窗1；
（2）用快速傅里叶变换计算两个窗内信号的频域最大能量值Pi=max(FFT(wi(t)))，其中i=1,2；当能量商G=P2/P1大于设定阈值Th1时，检测到信号存在，得到信号的起始时间t1；
（3）当检测到信号存在时，固定窗1位置，窗1不再随着窗2一起滑动，重复步骤（2），当检测到能量商小于设定阈值Th1时，得到信号结束的结束时间t2；
（4）从t1时刻窗1的起始点到t2时刻窗2的结束点进行截取，得到截取后长度为T的突发信号r(t)；
（5）观察突发信号时频图，如果该信号的时频图呈现一条线，则进入后续识别过程，否则继续进行信号检测。
3.根据权利要求2所述的基于延时自相关的LFM信号和HFM信号区分方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
（1）对截取后的信号r(t)延时τ0，得到r(t-τ0)，将其与原始信号进行点对点相乘得到长度为T-τ0的瞬时自相关函数R(t, τ0)；
（2）对瞬时自相关函数R(t, τ0)进行快速傅里叶变换，得到瞬时自相关函数的频谱。
4.根据权利要求1所述的基于延时自相关的LFM信号和HFM信号区分方法，其特征在于，m取2~5。
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