CN115356720B - 一种非合作电离层探测信号重塑方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非合作电离层探测信号重塑方法，包括如下步骤：步骤1，检测非合作电离层探测信号：步骤2，提取非合作电离层探测信号特征参数：步骤3，利用瞬时自相关特征和瞬时频率特征，使用分类树识别分类不同的非合作电离层探测信号。本发明所公开的方法，可为电磁环境要求严格的目标侦测系统提供一种不主动辐射信号的电离层实时感知方法，实现对境外等热点地区电离层信号的接收重塑，为非合作电离层探测电离图的形成提供探测信号。

Description

一种非合作电离层探测信号重塑方法

技术领域

本发明属于短波段电离层探测方法研究及应用领域，特别涉及该领域中的一种外辐射源体制下非合作电离层探测信号重塑方法。

背景技术

目前，电离层垂直探测、斜向探测、返回散射探测电离图是解决实时电离层特性感知的最直接数据。针对我国周边区域大范围、高精度电离层信息获取，传统电离层探测方式面临着探测系统收发分址，复杂庞大，境外部署难度大等局限，同时探测系统均独立工作，无法利用外辐射源信号实现组网、多角度、大范围电离层探测。

发明内容

本发明克服了现有主动电离层探测体制下境外部署难度大、组网、多角度电离层探测能力不足的瓶颈问题，提供一种新的电离层探测信号重塑方法，可以形成不依赖于主动发射源建设的外辐射源电离层探测能力。

本发明采用如下技术方案：

一种非合作电离层探测信号重塑方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，检测非合作电离层探测信号：

采用2N+1阶差分滤波器系数进行信号差分滤波，N为正整数，滤波器冲击响应h(n)在各离散时间点n处的系数表示为：

当输入信号为x(n)，输出信号y(n)表示为：

上式中，l为正整数；

卷积计算输出信号表达式为：

其中，信号x(n)的长度为M；

步骤2，提取非合作电离层探测信号特征参数：

A，脉冲信号特征参数提取：

以t表示连续时间，n表示离散时间，将连续时间脉冲信号s(t)按照采样率f_s进行采样，得到离散时间信号s(n)：

上式中，A是信号幅度，f(n)是频率调制函数，是相位调制函数，/>是初始相位，离散时间信号s(n)在时延m时的瞬时自相关函数B(n,m)表示为：

在此基础上，瞬时自相关的相位θ(n,m)表示为：

瞬时频率f(n,m)表示为：

单频脉冲信号形式下满足f(n)＝f_c和其中，f_c表示载频，瞬时自相关函数B(n,m)表示为：

B(n,m)＝a(n)a(n+m)exp(j2πf_cm/f_s) (8)

其中，a(n)表示单频信号持续时间，表示为：

上式中，n₁和n₂分别是脉冲信号起始时刻和终止时刻，此时瞬时频率是一个常数：

f(n,m)＝f_c (5)

B，线性调频LFM信号特征参数提取：

LFM信号形式上满足f(n)＝f_c和k是LFM信号的调频斜率，瞬时自相关函数B(n,m)表示为：

B(n,m)＝A²exp{j[2πf_cm/f_s+2πknm/f_s ²+πkm²/f_s ²]} (6)

瞬时频率表示为：

C，编码信号特征参数提取：

对于二相相位编码信号，满足f(n)＝f_c和其中C_d(n)表示被编码的相位信息，取值为0或1，瞬时自相关函数B(n,m)表示为：

二相相位编码信号瞬时频率表示为：

步骤3，利用瞬时自相关特征和瞬时频率特征，使用分类树识别分类不同的非合作电离层探测信号：

步骤31，判断瞬时频率是否有跳变点，如果有，识别为相位编码信号；

步骤32，判断瞬时频率的斜率，如果斜率在区间(-μ,μ)之内，其中μ为接近0的常数，识别为脉冲信号；如果斜率在(-μ,μ)之外，识别为线性调频LFM信号；步骤4，重塑非合作电离层探测信号：

A，脉冲信号重塑：

对于单个脉冲，重塑的脉冲信号时间函数为：

其中，

f₀为数字信号的中心频率；

B，线性调频LFM信号重塑：

根据式(11)，时频曲线的斜率k就是LFM信号的调频率，重塑的LFM信号时间函数为：

C，编码信号重塑：

根据式(13)，在求取相邻调频点的时间差过程中，寻找时间差序列中的最大公约数，作为码元宽度的估计，记为T_d；

信号码元个数的估计为其中L为信号序列的长度；

二相编码信号的时间函数为：

其中，相位取0或π。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的方法，可为电磁环境要求严格的目标侦测系统提供一种不主动辐射信号的电离层实时感知方法，实现对境外等热点地区电离层信号的接收重塑，为非合作电离层探测电离图的形成提供探测信号。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是阵列接收的非合作电离层探测信号频谱分布结果图；

图3a是电离层探测脉冲信号的时域波形图；

图3b是电离层探测脉冲信号的频谱图；

图4a是电离层探测线性调频信号的时域波形图；

图4b是电离层探测线性调频信号的自相关结果图；

图5是电离层探测编码信号的自相关函数图。

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，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

采用外辐射源体制进行电离层实时探测，能够克服现有技术的局限，基于阵列式短波段接收天线，依托国内非合作电离层探测信号发射源，进行外辐射源体制下电离层探测，形成电离层环境探测电离图，完成大范围区域电离层特性的实时监测。

利用非合作电离层探测信号进行电离层特性监测，重点在于对电离层探测信号的重塑。重塑的精度直接决定了电离层探测电离图中回波信号形成的精度，进而对回波信噪比等电离图质量核心指标产生影响。

本发明提出一种新的基于阵列式短波段接收天线的电离层探测信号重塑方法，该方法是针对脉冲信号、线性调频信号和编码信号三种常用的电离层探测信号，以非合作电离层探测信号重塑的方法，实现电离层实时观测。

非合作电离层探测信号重塑方法的基本原理为：利用阵列天线全向性，通过对非合作信号等弱信号的检测、特征参数的提取、信号的识别分类，实现对非合作信号的重塑，为外辐射源体制下电离层探测电离图的形成提供准确的信号重塑结果。

实施例1，本实施例公开了一种非合作电离层探测信号重塑方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1，检测非合作电离层探测信号：

针对短波段电离层探测信号传输距离长、受传播路径上电离层衰减影响等特点(如图2所示)，采用信道输出差分滤波检测方法，降低信道检测对检测门限设置的依赖，实现弱信号检测。

采用2N+1阶差分滤波器系数进行信号差分滤波，N为正整数，滤波器冲击响应h(n)在各离散时间点n处的系数表示为：

当输入信号为x(n)，输出信号y(n)表示为：

上式中，l为正整数；

卷积计算输出信号表达式为：

其中，信号x(n)的长度为M；

步骤2，提取非合作电离层探测信号特征参数：

根据先验信息，高频电离层探测信号的形式主要有脉冲、线性调频(LFM)和编码三种类型。由于高频电波在经电离层传播过程中，电离层会对电磁波产生幅度调制和相位调制，信号为非平稳信号。本发明采用瞬时自相关方法，针对不同形式的信号进行特征参数提取：

A，脉冲信号特征参数提取：

以t表示连续时间，n表示离散时间，将连续时间脉冲信号s(t)按照采样率f_s进行采样，得到离散时间信号s(n)：

上式中，A是信号幅度，f(n)是频率调制函数，是相位调制函数，/>是初始相位，离散时间信号s(n)在时延m时的瞬时自相关函数B(n,m)表示为：

在此基础上，瞬时自相关的相位θ(n,m)表示为：

瞬时频率f(n,m)表示为：

单频脉冲信号形式下满足f(n)＝f_c和其中，f_c表示载频，瞬时自相关函数B(n,m)表示为：

B(n,m)＝a(n)a(n+m)exp(j2πf_cm/f_s) (8)

其中，a(n)表示单频信号持续时间，表示为：

上式中，n₁和n₂分别是脉冲信号起始时刻和终止时刻，此时瞬时频率是一个常数：

f(n,m)＝f_c (14)

B，线性调频LFM信号特征参数提取：

LFM信号形式上满足f(n)＝f_c和k是LFM信号的调频斜率，瞬时自相关函数B(n,m)表示为：

B(n,m)＝A²exp{j[2πf_cm/f_s+2πknm/f_s ²+πkm²/f_s ²]} (15)

瞬时频率表示为：

此时，时延为m的LFM信号瞬时频率随时间n线性变化。

C，编码信号特征参数提取：

本发明仅针对相位编码信号进行参数提取，对于二相相位编码信号，满足f(n)＝f_c和其中C_d(n)表示被编码的相位信息，如图5所示，取值为0或1，瞬时自相关函数B(n,m)表示为：

二相相位编码信号瞬时频率表示为：

步骤3，利用瞬时自相关特征和瞬时频率特征，使用分类树识别分类不同的非合作电离层探测信号：

步骤31，判断瞬时频率是否有跳变点，如果有，识别为相位编码信号；

步骤32，判断瞬时频率的斜率，如果斜率在区间(-μ,μ)之内，其中μ为接近0的常数，识别为脉冲信号；如果斜率在(-μ,μ)之外，识别为线性调频LFM信号；步骤4，重塑非合作电离层探测信号：

A，脉冲信号重塑：

对于单个脉冲，重塑的脉冲信号时间函数为：

其中，

f₀为数字信号的中心频率；

重塑的脉冲信号时域波形图和频谱图如图3a、3b所示；

B，线性调频LFM信号重塑：

如图4a、4b所示，LFM信号的频率与时间呈线性关系，根据式(11)，对时频图中的直线斜率进行估计，时频曲线的斜率k就是LFM信号的调频率，重塑的LFM信号时间函数为：

C，编码信号重塑：

根据式(13)，采用序列求取公约数的方法，利用瞬时频率的跳变点间距进行码元宽度的估计。具体的，在求取相邻调频点的时间差过程中，寻找时间差序列中的最大公约数，作为码元宽度的估计，记为T_d；

在码元宽度估计结果的基础上，利用相邻码元相位差，对码元进行估计。信号码元个数的估计为其中L为信号序列的长度；

二相编码信号的时间函数为：

其中，相位取0或π。

Claims (1)

1.一种非合作电离层探测信号重塑方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，检测非合作电离层探测信号：

采用2N+1阶差分滤波器系数进行信号差分滤波，N为正整数，滤波器冲击响应h(n)在各离散时间点n处的系数表示为：

当输入信号为x(n)，输出信号y(n)表示为：

上式中，l为正整数；

卷积计算输出信号表达式为：

其中，信号x(n)的长度为M；

步骤2，提取非合作电离层探测信号特征参数：

A，脉冲信号特征参数提取：

以t表示连续时间，n表示离散时间，将连续时间脉冲信号s(t)按照采样率f_s进行采样，得到离散时间信号s(n)：

上式中，A是信号幅度，f(n)是频率调制函数，是相位调制函数，/>是初始相位，离散时间信号s(n)在时延m时的瞬时自相关函数B(n,m)表示为：

在此基础上，瞬时自相关的相位θ(n,m)表示为：

瞬时频率f(n,m)表示为：

单频脉冲信号形式下满足f(n)＝f_c和其中，f_c表示载频，瞬时自相关函数B(n,m)表示为：

B(n,m)＝a(n)a(n+m)exp(j2πf_cm/f_s) (8)

其中，a(n)表示单频信号持续时间，表示为：

上式中，n₁和n₂分别是脉冲信号起始时刻和终止时刻，此时瞬时频率是一个常数：

f(n,m)＝f_c (5)

B，线性调频LFM信号特征参数提取：

LFM信号形式上满足f(n)＝f_c和k是LFM信号的调频斜率，瞬时自相关函数B(n,m)表示为：

B(n,m)＝A²exp{j[2πf_cm/f_s+2πknm/f_s ²+πkm²/f_s ²]} (6)

瞬时频率表示为：

C，编码信号特征参数提取：

对于二相相位编码信号，满足f(n)＝f_c和其中C_d(n)表示被编码的相位信息，取值为0或1，瞬时自相关函数B(n,m)表示为：

二相相位编码信号瞬时频率表示为：

步骤3，利用瞬时自相关特征和瞬时频率特征，使用分类树识别分类不同的非合作电离层探测信号：

步骤31，判断瞬时频率是否有跳变点，如果有，识别为相位编码信号；

步骤32，判断瞬时频率的斜率，如果斜率在区间(-μ,μ)之内，其中μ为接近0的常数，识别为脉冲信号；如果斜率在(-μ,μ)之外，识别为线性调频LFM信号；步骤4，重塑非合作电离层探测信号：

A，脉冲信号重塑：

对于单个脉冲，重塑的脉冲信号时间函数为：

其中，

f₀为数字信号的中心频率；

B，线性调频LFM信号重塑：

根据式(11)，时频曲线的斜率k就是LFM信号的调频率，重塑的LFM信号时间函数为：

C，编码信号重塑：

根据式(13)，在求取相邻调频点的时间差过程中，寻找时间差序列中的最大公约数，作为码元宽度的估计，记为T_d；

信号码元个数的估计为其中L为信号序列的长度；

二相编码信号的时间函数为：

其中，相位取0或π。