CN117289202A - 一种自适应相位差测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应相位差测量方法，属于环境监测领域。该方法为：首先对监视频段的N路电磁信号进行检测并引导频率测量；利用频率测量结果对N个通道信号进行自适应跟踪滤波；对滤波后数据进行自适应DFT运算，输出DFT运算结果，得到各个通道相位值，并以其中一个通道为基准，求得各个通道间的相位差值，完成相位差结果输出。本发明能够通过自适应跟踪滤波，降低干扰；通过自适应DFT运算，有效提升处理信噪比，提高相位差测量精度；采用“并串‑串并”转换结合方式，利用FPGA高速并行处理能力，提高运算速度，实现全吞吐单脉冲实时相位差测量，有效提高相位差测量的速度与实时性，提高复杂电磁环境下对辐射源信号测向的准确性，适用于工程应用。
Description
技术领域
本发明属于环境监测领域，具体涉及一种自适应相位差测量方法。
背景技术
干涉仪测向体制是辐射源定位最典型的测向体制，多基线干涉仪测向主要通过多个天线阵元接收辐射源信号，经过信号处理得到辐射源信号到达时间、信号频率、接收通道间相位差等信息后，通过最小二乘法估计出辐射源的方位角和俯仰角，得到脉冲的角度信息，获得辐射源来波方向。因此，获取高精度相位差，在干涉仪测向定位、辐射源个体识别等电子对抗方向具有重要的作用。随着各类无线电技术快速发展，无线电设备数量众多，波形复杂，发送的信号样式丰富，各类电磁环境交织在一起，使得电子战场的电磁环境越发复杂。传统的相关法和傅里叶变换法相位测量方法处理流程较为固定，在相位差测量精度、测量稳定性、对复杂信号适应性等方面渐渐开始难以满足雷达信号与通信信号处理的需求。公开报道文献暂无单脉冲相位差自适应测量具体解决方案与技术途径，研究一种自适应相位差测量方法实现复杂电磁环境下的单脉冲测向具有重要意义。
发明内容
实现本发明目的在于提供一种自适应相位差测量方法，通过自适应跟踪滤波，有效降低干扰；通过自适应DFT运算，有效提升处理信噪比，提高相位差测量精度；采用“并串-串并”转换结合方式，利用FPGA高速并行处理能力，提高运算速度，实现全吞吐单脉冲实时相位差测量，有效提高相位差测量的速度与实时性，提高复杂电磁环境下对辐射源信号测向的准确性。
实现本发明的技术方案为：一种自适应相位差测量方法，包括以下步骤：
步骤1、对监视频段的N个通道信号分别进行AD采样得到N个通道AD数据，对N个通道AD数据进行缓存得到缓存数据DATA，同时进行信号检测得到检波VP，长度为PW，将缓存数据DATA与检波VP进行对齐；转入步骤2。
步骤2、取出检波VP，按照长度M进行自适应分段处理，得到处理后的L段检波VP_part1~VP_partL及对应的缓存数据DATA_part1~ DATA_partL；转入步骤3。
步骤3、取出一个通道中的一段检波及其对应的缓存数据，进行频率测量引导自适应跟踪滤波，并做DFT运算，得到该段的DFT运算结果：
S31，取出一个通道第一段检波VP_part1及其对应的第一段缓存数据DATA_part1，并求解其对应的信号频率FRE1，转入S32。
S32，根据上述信号频率FRE1生成本振信号，并引导N个通道第一段缓存数据DATA_part1进行混频处理，将N个通道信号频率搬移到基带，得到搬移后的基带信号，转入S33。
S33，对搬移后的基带信号进行低通滤波，对滤波后数据进行长度为M的DFT运算，得到该段的DFT运算结果，转入步骤4。
步骤4、重复步骤3，遍历全部L段数据；并在最后一段VP_partL结束时，求得N个通道的DFT运算结果，再分别提取相位值；以其中一个通道为基准，求得各个通道间的相位差值，完成最终相位差结果输出。
本发明与现有技术相比，其优点在于：1）该方案实现了复杂电磁环境下的单脉冲相位差测量技术，提升对复杂电磁环境的适应性；2）通过实时频率测量与自适应跟踪滤波，有效降低干扰；3）提出了采用“串并-并串”转换结合方式，有效提高多同时到达的信号相位差测量能力，进而提高信号的相位差测量速度；4）适合在FPGA上处理，实现高速、实时、全流水信号检测，工程应用性高。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明一种自适应相位差测量方法流程图。
图2为本发明的VP与AD对齐示意图。
图3为本发明的VP扩展与DATA补零示意图。
图4为本发明的频率搬移示意图，其中(a)为输入中频信号频谱图，(b)为频率搬移后信号频谱图。
图5为本发明的滤波器幅相特性曲线图。
图6为本发明的不同脉宽相位测量精度对比图。
具体实施方式
结合图1，一种自适应相位差测量方法，步骤如下：
步骤1、对监视频段的15个通道信号分别进行AD采样，采样率102.4MHz，得到15个通道AD数据，对15个通道AD数据进行缓存得到缓存数据DATA，并同时进行信号检测得到检波VP，长度为PW，将缓存数据DATA与检波VP进行对齐，具体包括以下步骤：
步骤11、采用由15个天线阵构成干涉仪测向系统天线阵，对15个通道监视频段的接收信号进行AD采样，得到15通道AD数据。
步骤12、选取15个通道AD数据，分别进行数字信道化检测，得到检测VP：
将15个通道AD数据分别输入数字信道化滤波器结构，分别得到15个通道的滤波数据；将滤波数据按信道进行N通道非相干积累、时域能量累加，生成积累包络并估计噪声门限，生成自适应检测门限；同时将积累包络与自适应检测门限作比较，得到检测VP，长度为PW。
步骤13、对15个通道AD数据进行缓存，调节缓存数据延时时长，使得缓存数据DATA与检波VP进行对齐（如图2所示）。
步骤2、本发明首次提出对检波VP按照长度1024点进行自适应分段处理，得到处理后的L段检波VP_part1~VP_partL及对应的缓存数据DATA_part1~ DATA_partL，具体处理原则如下：
1）当PW<1024时，将检波VP扩展到1024长度，得到长度为1024的检波VP_part1；同时，将与检波VP对齐的缓存数据DATA进行补零，得到长度为1024的缓存数据DATA_part1（如图3所示）。
2）当PW=L*1024时，按照1024长度进行分段处理，得到处理后的L段检波VP_part1~VP_partL及缓存数据DATA_part1~ DATA_partL。
3）当PW>1024且PW<L*1024时，即第L段长度不足1024长度，则将该段检波VP_partL扩展到1024长度，将该段缓存数据DATA_partL进行补零到1024长度。
步骤3、取出一个通道中的一段检波及其对应的缓存数据，进行频率测量引导自适应跟踪滤波，并做DFT运算，得到该段的DFT运算结果，具体如下：
S31，取出一个通道第一段检波VP_part1及其对应的第一段缓存数据DATA_part1，并求解其对应的信号频率FRE1，具体如下：
根据第一段检波VP_part1的选取其对应的第一段缓存数据DATA_part1，进行M长度FFT运算。搜索最高谱线的位置，用Rife方法进行频率测量，得到信号频率FRE1，Rife频率测量方法如下：
假设其最高谱线位置为，最大谱线值为/>，可以估算出信号的频率/>：
，
当时，/>；当/>时，/>。
其中，为信号采样频率。
转入S32。
S32中，根据上述信号频率FRE1生成本振信号，并引导N个通道第一段缓存数据DATA_part1进行混频处理，将N个通道信号频率搬移到基带，得到搬移后的基带信号，具体如下：
步骤321、根据上述信号频率FRE1生成本振信号。
步骤322、引导N个通道第一段缓存数据DATA_part1进行混频处理，将N个通道信号频率搬移到基带，得到搬移后的基带信号，具体包括以下步骤：
步骤322、根据上述信号频率FRE1生成本振信号，长度为1024。
步骤322、引导15个通道第一段缓存数据DATA_part1进行混频处理，将15个通道信号频率搬移到基带，频率。
输入81.84MHz中频信号频谱如图4中的(a)所示，经过搬移到基带后，搬移后信号频谱如图4中的(b)所示。
转入S33。
S33、对搬移后的基带信号进行低通滤波，对滤波后数据进行长度为M（取1024）的DFT运算，具体如下：
步骤311、对搬移后的基带信号进行低通滤波，上述低通滤波器需要保证搬移后的频谱全部落入滤波器内，保证最大限度无失真，得到滤波后数据；
假设低通滤波器的冲激响应h为：
，
K为滤波器阶数。
则其频率响应为
，
其中，j表示虚部；表示角频率，滤波器系数k=1,2,…,K。
综合考虑滤波器使用资源、滤波效果，可知期望滤波器响应为；假设实际设计滤波器响应为/>，则/>需要在满足一系列约束条件的前提下，与期望滤波器响应之间的误差最小；设计具体的约束优化问题如下：
，
其中，表示序列v的L2范数，/>表示序列v的无穷范数，/>表示序列v的第i个元素，m表示序列v的长度，BW为关心的信号的最大带宽，/>表示频率采样集，/>，/>表示阻带频率集。
该约束优化问题以与期望滤波器响应之间的误差最小为目标函数，并要满足搬移后的频谱全部落入滤波器3dB带宽内，滤波器阻带增益不超过-70dB约束条件。
综合考虑滤波器使用资源、滤波效果，采用16阶滤波，3dB带宽10MHz，截止频率17MHz，满足预处理中频特性；滤波器幅相特性曲线如图5所示。
步骤332、对滤波后数据进行长度为M的DFT运算，得到DFT运算结果：
1024点数据ｘ[n]的DFT变换公式为：
，
其中，n表示数据x[n]的元素序号，表示频率序号，数据x[n]的长度1024。
因此对于搬移到零频信号，做1024点DFT变换，化简后，即将1024点数据的实部相加作为实部，虚部相加作为虚部，极大简化运算复杂度，为本发明的一个创新点。
转入步骤4。
步骤4、重复步骤3，遍历全部L段数据处理 ；并在最后一段VP_partL结束时，求得15个通道的DFT运算结果，并分别提取相位值；以其中一个通道为基准，求得各个通道间的相位差值，完成最终相位差结果输出，具体包括以下步骤：
步骤41、从1~L段中，逐一进行频率测量引导自适应跟踪滤波，并做DFT运算，得到每一段DFT运算结果；
步骤42、将L段DFT运算结果相加，得到全部数据运算结果；
步骤43、遍历15个通道数据，得到15个通道DFT运算结果；
步骤44、分别提取15个通道DFT运算结果的相位值，以其中一个通道为基准，求得各个通道间的相位差值，按照格式进行数据打包，完成最终相位差结果输出。
本发明创新的采用根据信号检测得到检波VP长度自适应进行跟踪滤波与DFT运算，如图6所示，随着检波VP长度增加，通道间的相位差值测量精度不断提高。当检波VP长度大于10us时，相位差测量均方根误差小于1.173°，当检波VP长度大于10ms时，相位差测量均方根误差小于0.003°，当检波VP长度大于80ms时，相位差测量均方根误差小于0.0005°。
Claims (7)
1.一种自适应相位差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对监视频段的N个通道信号分别进行AD采样得到N个通道AD数据，对N个通道AD数据进行缓存得到缓存数据DATA，同时进行信号检测得到检波VP，长度为PW，将缓存数据DATA与检波VP进行对齐；转入步骤2；
步骤2、取出检波VP，按照长度M进行自适应分段处理，得到处理后的L段检波VP_part1~VP_partL及对应的缓存数据DATA_part1~ DATA_partL；转入步骤3；
步骤3、取出一个通道中的一段检波及其对应的缓存数据，进行频率测量引导自适应跟踪滤波，并做DFT运算，得到该段的DFT运算结果：
S31，取出一个通道第一段检波VP_part1及其对应的第一段缓存数据DATA_part1，并求解其对应的信号频率FRE1，转入S32；
S32，根据上述信号频率FRE1生成本振信号，并引导N个通道第一段缓存数据DATA_part1进行混频处理，将N个通道信号频率搬移到基带，得到搬移后的基带信号，转入S33；
S33，对搬移后的基带信号进行低通滤波，对滤波后数据进行长度为M的DFT运算，得到该段的DFT运算结果，转入步骤4；
步骤4、重复步骤3，遍历全部L段数据；并在最后一段VP_partL结束时，求得N个通道的DFT运算结果，再分别提取相位值；以其中一个通道为基准，求得各个通道间的相位差值，完成最终相位差结果输出。
2.根据权利要求1所述的一种自适应相位差测量方法，其特征在于，步骤1中，对监视频段的N个通道信号分别进行AD采样得到N个通道AD数据，对N个通道AD数据进行缓存得到缓存数据DATA，同时进行信号检测得到检波VP，长度为PW，将缓存数据DATA与检波VP进行对齐，具体包括以下步骤：
步骤11、采用由N个天线阵构成干涉仪测向系统天线阵，对N个通道监视频段的接收信号进行AD采样，得到N通道AD数据；
步骤12、选取N个通道AD数据，分别进行数字信道化检测，得到检测VP：
将N个通道AD数据分别输入数字信道化滤波器，分别得到N个通道的滤波数据；将滤波数据按信道进行N通道非相干积累、时域能量累加，生成积累包络并估计噪声门限，生成自适应检测门限；同时将积累包络与自适应检测门限作比较，得到检测VP，长度为PW；
步骤13、对N个通道AD数据进行缓存，调节缓存数据延时时长，使得缓存数据DATA与检波VP进行对齐。
3.根据权利要求2所述的一种自适应相位差测量方法，其特征在于，步骤2中，取出检波VP，按照长度M进行自适应分段处理，得到处理后的L段检波VP_part1~VP_partL及对应的缓存数据DATA_part1~ DATA_partL，具体处理原则如下：
1）当PW<M时，将检波VP扩展到M长度，得到长度为M的检波VP_part1；同时，将与检波VP对齐的缓存数据DATA进行补零，得到长度为M的缓存数据DATA_part1；
2）当PW=L*M时，按照M长度进行分段处理，得到处理后的L段检波VP_part1~VP_partL及缓存数据DATA_part1~ DATA_partL；
3）当PW>M且PW<L*M时，即第L段长度不足M长度，则将该段检波VP_partL扩展到M长度，将该段缓存数据DATA_partL进行补零到M长度。
4.根据权利要求3所述的一种自适应相位差测量方法，其特征在于，S31中，取出一个通道第一段检波VP_part1及其对应的第一段缓存数据DATA_part1，并求解其对应的信号频率FRE1，具体如下：
根据第一段检波VP_part1的选取其对应的第一段缓存数据DATA_part1，进行M长度FFT运算；搜索最高谱线的位置，用Rife方法进行频率测量，得到信号频率FRE1，Rife频率测量方法如下：
假设其最高谱线位置为，最大谱线值为/>，估算出信号的频率/>：
，
当时，偏移量/>；当/>时，偏移量/>；
其中，为信号采样频率。
5.根据权利要求4所述的一种自适应相位差测量方法，其特征在于，S32中，根据上述信号频率FRE1生成本振信号，并引导N个通道第一段缓存数据DATA_part1进行混频处理，将N个通道信号频率搬移到基带，得到搬移后的基带信号，具体包括以下步骤：
步骤321、根据信号频率FRE1生成本振信号，长度为M；
步骤322、引导N个通道第一段缓存数据DATA_part1进行混频处理，将N个通道信号频率搬移到基带，得到搬移后的基带信号。
6.根据权利要求5所述的一种自适应相位差测量方法，其特征在于，S33中，对搬移后的基带信号进行低通滤波，对滤波后数据进行长度为M的DFT运算，具体包括以下步骤：
步骤331、对搬移后的基带信号进行低通滤波，上述低通滤波器需要保证搬移后的频谱全部落入滤波器内，保证最大限度无失真，得到滤波后数据；
假设低通滤波器的冲激响应h为：
，
K为滤波器阶数；
则其频率响应为
，
其中，j表示虚部；表示角频率，滤波器系数k=1,2,…,K；
综合考虑滤波器使用资源、滤波效果，可知期望滤波器响应为；假设实际设计滤波器响应为/>，则/>需要在满足一系列约束条件的前提下，与期望滤波器响应/>之间的误差最小；设计具体的约束优化问题如下：
，
其中，序列v的L2范数，序列v的无穷范数/>，/>表示序列v的第i个元素，m表示序列v的长度，BW为关心的信号的最大带宽，/>表示频率采样集，/>，/>表示阻带频率集；
该约束优化问题以与期望滤波器响应之间的误差最小为目标函数，并要满足搬移后的频谱全部落入滤波器3dB带宽内，滤波器阻带增益不超过-70dB约束条件；
步骤332、对滤波后数据进行长度为M的DFT运算，得到DFT运算结果：
M点数据x[n]的DFT变换公式为：
，
其中，n表示数据x[n]的元素序号，表示频率序号，M表示数据x[n]的长度；
因此对于搬移到零频信号，做M点DFT变换，化简后，即将M点数据的实部相加作为实部，虚部相加作为虚部。
7.根据权利要求6所述的一种自适应相位差测量方法，其特征在于，步骤4中，重复步骤3，遍历全部L段数据处理 ；并在最后一段VP_partL结束时，求得N个通道的DFT运算结果，再分别提取相位值；以其中一个通道为基准，求得各个通道间的相位差值，完成最终相位差结果输出，具体包括以下步骤：
步骤41、从1~L段中，逐一进行频率测量引导自适应跟踪滤波，并做DFT运算，得到每一段DFT运算结果；
步骤42、将L段DFT运算结果相加，得到全部数据运算结果；
步骤43、遍历N个通道数据，得到N个通道DFT运算结果；
步骤44、分别提取N个通道DFT运算结果的相位值，以其中一个通道为基准，求得各个通道间的相位差值，按照格式进行数据打包，完成最终相位差结果输出。
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