CN117040663B - 一种用于估计宽带频谱噪底的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于估计宽带频谱噪底的方法及系统，属于信号处理技术领域。本发明方法，包括：针对目标宽带频谱，以预设的长度系数对所述目标宽带频谱进行平滑处理，得到平滑处理的目标宽带频谱，针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段，得到多段平滑处理的目标宽带频谱；确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，并去除噪底的突变点；对去除噪底突变点后的每一段平滑处理的目标宽带频谱，进行平滑处理，以得到所述目标宽带频谱的噪底。本发明方法提高了宽带频谱噪底估计的匹配度，有效的解决了均值滤波和中值滤波算法受窗长影响导致的噪底估计匹配度不理想的问题。

Description

一种用于估计宽带频谱噪底的方法及系统

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，并且更具体地，涉及一种用于估计宽带频谱噪底的方法及系统。

背景技术

在非合作信号的检测中，我们常采用宽带频谱能量检测的方法。该方法先计算采集数据的宽带频谱，再计算其噪底，通过宽带频谱与噪底门限的比较得到信号的频域位置。该方法的关键技术在于对信号噪底的估计。工程中常用均值滤波和中值滤波算法来估计功率谱噪底，均值滤波采用一定长度矩形窗在频谱上逐点遍历，并计算窗内各点均值作为窗内中心点对应频率分量的噪底估计值。

同理，中值滤波采用窗内各点幅值的中位数作为窗内中心点对应频率分量的噪底估计值。是噪底估计结果，/>是接收信号功率谱，则均值滤波和中值滤波表达式如下:

其中，是矩形窗宽度，/>取值需使得/>有意义。

利用均值滤波和中值滤波进行噪底估计虽然原理简单，计算方便，但其估计性能受窗长影响较大：长窗对噪底起伏变化的估计不够精确，短窗则会将宽带信号当成噪声基底。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种用于估计宽带频谱噪底的方法，包括：

针对目标宽带频谱，以预设的长度系数对所述目标宽带频谱进行平滑处理，得到平滑处理的目标宽带频谱，针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段，得到多段平滑处理的目标宽带频谱；

确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，并去除噪底的突变点 ；

对去除噪底突变点 后的每一段平滑处理的目标宽带频谱，进行平滑处理，以得到所述目标宽带频谱的噪底。

可选的，平滑处理的计算公式如下：

；

其中，为平滑处理后的目标宽带频谱，/>为预设的平滑系数，为目标宽带频谱，/>为卷积运算，/>为平滑窗长。

可选的，多段平滑处理的目标宽带频谱的每一段的平滑处理的目标宽带频谱的目标段长不小于1.5倍的最大信号带宽，若针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段时，最末段的平滑处理的目标宽带频谱的实际段长小于所述目标段长，则将最末段的平滑处理的目标宽带频谱并入上一段的平滑处理的目标宽带频谱。

可选的，确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，包括：

计算出所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内最小值，并确定所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内噪声的最大波动范围，以所述段内最小值与段内噪声的最大波动范围的和，作为所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内噪底最大约束值；

根据所述段内噪底的最大约束值，确定所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，所述噪底的计算公式如下：

其中，为噪底，/>为平滑处理后的目标宽带频谱，/>为段内噪底最大约束值。

可选的，去除噪底的突变点 ，包括：对确定的多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，按顺序进行全频段扫描，若扫描到突变点，则确定所述突变点两边距离最近的非约束点，以所述两边距离最近的非约束点的连线替换所述突变点，以去除所述噪底的所述突变点。

再一方面，本发明还提出了一种用于估计宽带频谱噪底的系统，包括：

分段处理单元，用于针对目标宽带频谱，以预设的长度系数对所述目标宽带频谱进行平滑处理，得到平滑处理的目标宽带频谱，针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段，得到多段平滑处理的目标宽带频谱；

突变点 去除单元，用于确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，并去除噪底的突变点 ；

平滑处理单元，用于对去除噪底突变点 后的每一段平滑处理的目标宽带频谱，进行平滑处理，以得到所述目标宽带频谱的噪底。

可选的，分段处理单元针对目标宽带频谱，以预设的长度系数对所述目标宽带频谱进行平滑处理的计算公式如下：

；

其中，为平滑处理后的目标宽带频谱，/>为预设的平滑系数，为目标宽带频谱，/>为卷积运算，/>为平滑窗长。

可选的，分段处理单元针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段，得到的多段平滑处理的目标宽带频谱的每一段的平滑处理的目标宽带频谱的目标段长不小于1.5倍的最大信号带宽，若针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段时，最末段的平滑处理的目标宽带频谱的实际段长小于所述目标段长，则将最末段的平滑处理的目标宽带频谱并入上一段的平滑处理的目标宽带频谱。

可选的，突变点 去除单元确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，包括：

计算出所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内最小值，并确定所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内噪声的最大波动范围，以所述段内最小值与段内噪声的最大波动范围的和，作为所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内噪底最大约束值；

根据所述段内噪底的最大约束值，确定所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，所述噪底的计算公式如下：

其中，为噪底，/>为平滑处理后的目标宽带频谱，/>为段内噪底最大约束值。

可选的，突变点 去除单元去除噪底的突变点 ，包括：对确定的多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，按顺序进行全频段扫描，若扫描到突变点，则确定所述突变点两边距离最近的非约束点，以所述两边距离最近的非约束点的连线替换所述突变点，以去除所述噪底的所述突变点。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出了一种用于估计宽带频谱噪底的方法，包括：针对目标宽带频谱，以预设的长度系数对所述目标宽带频谱进行平滑处理，得到平滑处理的目标宽带频谱，针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段，得到多段平滑处理的目标宽带频谱；确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，并去除噪底的突变点；对去除噪底突变点 后的每一段平滑处理的目标宽带频谱，进行平滑处理，以得到所述目标宽带频谱的噪底。本发明方法提高了宽带频谱噪底估计的匹配度，有效的解决了均值滤波和中值滤波算法受窗长影响导致的噪底估计匹配度不理想的问题。

附图说明

图1为本发明方法实施例1的流程图；

图2为本发明方法实施例2的流程图；

图3为本发明方法实施例2段内噪底估计的流程图；

图4为本发明方法实施例2噪底估计突变点的处理示意图；

图5a为本发明方法实施例2与现有技术在均值滤波窗长为33下的效果对比图；

图5b为本发明方法实施例2与现有技术在均值滤波窗长为333下的效果对比图；

图5c为本发明方法实施例2与现有技术在均值滤波窗长为1111下的效果对比图；

图6为本发明系统实施例3的结构图；

图7为本发明系统实施例4的结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

实施例1：

本发明提出了一种用于估计宽带频谱噪底的方法s100，如图1所示，包括：

步骤s101、针对目标宽带频谱，以预设的长度系数对所述目标宽带频谱进行平滑处理，得到平滑处理的目标宽带频谱，针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段，得到多段平滑处理的目标宽带频谱；

步骤s102、确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，并去除噪底的突变点 ；

步骤s103、对去除噪底突变点后的每一段平滑处理的目标宽带频谱，进行平滑处理，以得到所述目标宽带频谱的噪底。

其中，平滑处理的计算公式如下：

；

其中，为平滑处理后的目标宽带频谱，/>为预设的平滑系数，为目标宽带频谱，/>为卷积运算，/>为平滑窗长。

其中，多段平滑处理的目标宽带频谱的每一段的平滑处理的目标宽带频谱的目标段长不小于1.5倍的最大信号带宽，若针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段时，最末段的平滑处理的目标宽带频谱的实际段长小于所述目标段长，则将最末段的平滑处理的目标宽带频谱并入上一段的平滑处理的目标宽带频谱。

其中，确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，包括：

计算出所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内最小值，并确定所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内噪声的最大波动范围，以所述段内最小值与段内噪声的最大波动范围的和，作为所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内噪底最大约束值；

根据所述段内噪底的最大约束值，确定所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，所述噪底的计算公式如下：

其中，/>为噪底，为段内噪底最大约束值。

其中，去除噪底的突变点 ，包括：对确定的多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，按顺序进行全频段扫描，若扫描到突变点，则确定所述突变点两边距离最近的非约束点，以所述两边距离最近的非约束点的连线替换所述突变点，以去除所述噪底的所述突变点。

实施例2：

本发明提出了一种用于估计宽带频谱噪底的方法s200，如图2所示，包括：

S201、频谱平滑，用一定长度系数对频谱进行平滑处理。假设输入频谱为，平滑系数为/>，平滑窗长为/>，则频谱平滑后的结果为：

；

S202、频谱分段，对平滑后频谱

进行分段，段长应大于等于1.5倍最大信号带宽，但不宜过大，一般取 2倍最大信号带宽。末尾一段数据如小于段长，则并入前一段处理。即最终段数，其中为平滑后频谱的点数；

S203、估计各段噪底流程如图3所示，先计算平滑后频谱

的最小值，再计算段内噪底最大约束值，其中表示段内噪声的最大波动范围，根据实际情况来设定，一般小于10dB。最后 段内噪声值

。段内噪底估计流程如图3所示：

S204、去除噪底估计突变点，自左向右扫描全频段噪底，如遇突变点，则用最近的非约束点连线来代替，如图4所示；

图4中的实线为估计出的噪底，虚线为对噪底突变点处理后的噪底估计。

S205、平滑噪底，用一定长度系数对估计出的全频段噪底进行平滑处理后得到最终的噪底估计，处理过程类似s201。

本发明所述采用了分段的思想对各段噪底进行独立估计，对段内噪底进行了最大值的约束，在去除噪底估计突变点后，将各段噪底有效串联起来得到全频段的噪底。本方法可以提高宽带频谱噪底估计的匹配度，有效解决均值滤波和中值滤波算法受窗长影响导致的噪底估计匹配度不理想的问题：1）长窗对噪底起伏变化的估计不够精确；2）短窗则会将宽带信号当成噪声基底。

以下举例说明。由于均值滤波和中值滤波算法都是基于窗内的统计平均值来计算噪底，其效果相差不大，因此以下示例中只选用工程上常用的均值滤波算法来比较，其图5a、5b和5c分别为均值滤波窗长为33,333和1111下的对比图。

由以上图5a、5b和5c可以看出：本发明估计出的噪底与真实噪底的匹配度比均值滤波算法要高，且不存在均值滤波中窗长的影响。

实施例3：

本发明提出了一种用于估计宽带频谱噪底的系统300，如图6所示，包括：

分段处理单元301，用于针对目标宽带频谱，以预设的长度系数对所述目标宽带频谱进行平滑处理，得到平滑处理的目标宽带频谱，针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段，得到多段平滑处理的目标宽带频谱；

突变点 去除单元302，用于确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，并去除噪底的突变点 ；

平滑处理单元303，用于对去除噪底突变点 后的每一段平滑处理的目标宽带频谱，进行平滑处理，以得到所述目标宽带频谱的噪底。

其中，分段处理单元301针对目标宽带频谱，以预设的长度系数对所述目标宽带频谱进行平滑处理的计算公式如下：

；

其中，为平滑处理后的目标宽带频谱，/>为预设的平滑系数，为目标宽带频谱，/>为卷积运算，/>为平滑窗长。

其中，分段处理单元302针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段，得到的多段平滑处理的目标宽带频谱的每一段的平滑处理的目标宽带频谱的目标段长不小于1.5倍的最大信号带宽，若针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段时，最末段的平滑处理的目标宽带频谱的实际段长小于所述目标段长，则将最末段的平滑处理的目标宽带频谱并入上一段的平滑处理的目标宽带频谱。

其中，突变点 去除单元302确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，包括：

计算出所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内最小值，并确定所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内噪声的最大波动范围，以所述段内最小值与段内噪声的最大波动范围的和，作为所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内噪底最大约束值；

根据所述段内噪底的最大约束值，确定所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，所述噪底的计算公式如下：

其中，/>为噪底，为段内噪底最大约束值。

其中，突变点 去除单元302去除噪底的突变点 ，包括：对确定的多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，按顺序进行全频段扫描，若扫描到突变点，则确定所述突变点两边距离最近的非约束点，以所述两边距离最近的非约束点的连线替换所述突变点，以去除所述噪底的所述突变点。

实施例4：

本发明提出了一种用于估计宽带频谱噪底的系统400，如图7所示，包括：

分段处理单元401，用于针对目标宽带频谱，以预设的长度系数对所述目标宽带频谱进行平滑处理，得到平滑处理的目标宽带频谱，针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段，得到多段平滑处理的目标宽带频谱；

突变点 去除单元402，用于确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，并去除噪底的突变点 ；

平滑处理单元403，用于对去除噪底突变点 后的每一段平滑处理的目标宽带频谱，进行平滑处理，以得到所述目标宽带频谱的噪底。

其中，频谱平滑，包括，用一定长度系数对频谱进行平滑处理。假设输入频谱为，平滑系数为/>，平滑窗长为/>，则频谱平滑后的结果为：

；

其中，频谱分段包括，对平滑后频谱进行分段，段长应大于等于1.5倍 最大信号带宽，但不宜过大，一般取2倍最大信号带宽。末尾一段数据如小于段长，则并入前 一段处理。即最终段数，其中为平滑后频谱的点 数；

其中，估计各段噪底，包括，先计算平滑后频谱的最小值，再计算段内噪底最大约束值

，其中表示段内噪声的最大波动范围，根据实际情况来设定，一般小于10dB。最后 段内噪声值

。段内噪底估计流程如图3所示：

其中，去除噪底估计突变点，包括，自左向右扫描全频段噪底，如遇突变点，则用最近的非约束点连线来代替；

其中，平滑噪底，包括，用一定长度系数对估计出的全频段噪底进行平滑处理后得到最终的噪底估计，处理过程类似上述频谱平滑。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种用于估计宽带频谱噪底的方法，其特征在于，所述方法包括：

针对目标宽带频谱，以预设的长度系数对所述目标宽带频谱进行平滑处理，得到平滑处理的目标宽带频谱，针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段，得到多段平滑处理的目标宽带频谱；

确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，并去除噪底的突变点 ；

对去除噪底突变点 后的每一段平滑处理的目标宽带频谱，进行平滑处理，以得到所述目标宽带频谱的噪底；

所述多段平滑处理的目标宽带频谱的每一段的平滑处理的目标宽带频谱的目标段长不小于1.5倍的最大信号带宽，若针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段时，最末段的平滑处理的目标宽带频谱的实际段长小于所述目标段长，则将最末段的平滑处理的目标宽带频谱并入上一段的平滑处理的目标宽带频谱；

所述确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，包括：

计算出所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内最小值，并确定所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内噪声的最大波动范围，以所述段内最小值与段内噪声的最大波动范围的和，作为所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内噪底最大约束值；

根据所述段内噪底的最大约束值，确定所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，所述噪底的计算公式如下：

其中，/>为噪底，/>为平滑处理后的目标宽带频谱，/>为段内噪底最大约束值；

所述去除噪底的突变点 ，包括：对确定的多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，按顺序进行全频段扫描，若扫描到突变点，则确定所述突变点两边距离最近的非约束点，以所述两边距离最近的非约束点的连线替换所述突变点，以去除所述噪底的所述突变点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平滑处理的计算公式如下：

；

其中，为平滑处理后的目标宽带频谱，/>为预设的平滑系数，/>为目标宽带频谱，/>为卷积运算，/>为平滑窗长。

3.一种用于估计宽带频谱噪底的系统，其特征在于，所述系统包括：

分段处理单元，用于针对目标宽带频谱，以预设的长度系数对所述目标宽带频谱进行平滑处理，得到平滑处理的目标宽带频谱，针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段，得到多段平滑处理的目标宽带频谱；

突变点 去除单元，用于确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，并去除噪底的突变点 ；

平滑处理单元，用于对去除噪底突变点 后的每一段平滑处理的目标宽带频谱，进行平滑处理，以得到所述目标宽带频谱的噪底；

所述分段处理单元针对所述多段平滑处理的目标宽带频谱的每一段的平滑处理的目标宽带频谱的目标段长不小于1.5倍的最大信号带宽，若针对所述平滑处理的目标宽带频谱进行分段时，最末段的平滑处理的目标宽带频谱的实际段长小于所述目标段长，则将最末段的平滑处理的目标宽带频谱并入上一段的平滑处理的目标宽带频谱；

所述突变点 去除单元确定所述多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，包括：

计算出所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内最小值，并确定所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内噪声的最大波动范围，以所述段内最小值与段内噪声的最大波动范围的和，作为所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的段内噪底最大约束值；

根据所述段内噪底的最大约束值，确定所述每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，所述噪底的计算公式如下：

其中，/>为噪底，/>为平滑处理后的目标宽带频谱，/>为段内噪底最大约束值；

所述突变点 去除单元去除噪底的突变点 ，包括：对确定的多段平滑处理的目标宽带频谱中每一段平滑处理的目标宽带频谱的噪底，按顺序进行全频段扫描，若扫描到突变点，则确定所述突变点两边距离最近的非约束点，以所述两边距离最近的非约束点的连线替换所述突变点，以去除所述噪底的所述突变点。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述分段处理单元针对目标宽带频谱，以预设的长度系数对所述目标宽带频谱进行平滑处理的计算公式如下：

；

其中，为平滑处理后的目标宽带频谱，/>为预设的平滑系数，/>为目标宽带频谱，/>为卷积运算，/>为平滑窗长。