CN116087887A - 基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法和装置。基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测装置包括频谱稀疏感知模块、动态调整自适应滤波模块和双门限脉冲检测模块，频谱稀疏感知模块用于对原始信号进行单比特采样并获取信号频率和信号带宽，动态调整自适应滤波模块根据所述信号频率和信号带宽对信号进行滤波。利用AD数据的符号位进行频谱感知，实时监测和跟踪输入的频谱分布情况，相较于传统的短时傅里叶变换可以极大地降低信号处理所需资源、提高信号处理的处理带宽。在滤波时，根据频谱监测模块得到的脉冲信号中心频率和带宽，使用动态调整自适应滤波模块调整滤波器中心频点，实现对雷达脉冲信号的跟踪滤波。

Description

基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法和装置

技术领域

本发明涉及电子侦察中的雷达脉冲信号侦察和截获技术领域，具体涉及一种基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法和装置。

背景技术

在30MHz—18GHz范围内存在大量的雷达辐射源信号，每一种信号的频点、带宽、信号样式均不相同，构成了当今社会非常复杂的电磁环境。而战场上各种军队使用的电磁设备其电磁信号的抗截获性不断提升，这些对侦察接收机的系统性能提出了更高的要求，如更宽的监视频段、更大的动态范围、更高的灵敏度等。而商业频谱需求的增长、频谱资源的共享和拥塞，使得雷达侦察接收机所面临的电磁频谱环境也愈发复杂。频域宽开信道化接收机具有高截获概率、高灵敏度、高频率分辨率特性和对同时到达信号的适应性，其性能特点可有效应对现代高密度的信号环境。近年来模/数转换器(ADC)的采样频率得到了飞速提升，最高采样率达到了10GHz以上。高速ADC在大幅拓宽数字接收机瞬时带宽的同时，也为数字存储和处理能力带来更大的挑战。数字接收机的信道化处理主要由可编程逻辑列阵(FPGA)芯片及专门程序来实现。在10GHz采样率下，以目前FPGA的容量和速度，尚难以实现传统的数字信道化处理。因此，如何进一步降低FPGA的资源占用和处理功耗，并快速高效地对低信噪比复杂体制雷达信号进行侦收检测是一个具有挑战性的难题。

授权公告号为CN113447893B的中国专利公开了一种雷达脉冲信号频谱自动检测方法、系统及介质，其公开了一种雷达脉冲信号频谱自动检测方法，方法包括：将中频复信号进行数字信道化得到子信道的信号；进行自适应门限信号检测得到子信道的有效信号；分别对每一对相邻的子信道进行跨道判决，判断相邻的子信道的跨道情况；对于不存在跨道情况的子信道进行数字信道化并分别进行自适应门限信号检测后将下一级的子信道的有效信号输出；对于存在跨道情况的子信道计算对应的跨道宽带信号的中心频率和带宽，以配置对应的DDS信号发生器和可变带宽滤波器对中频复信号进行信号匹配与检测。本发明采用两级信道化检测，实现了自动更新噪声门限，并增加了对宽带跨道信号的处理，从而可以自适应宽带雷达信号的带宽进行检测。但使用上述现有技术检测时，仍然存在FPGA的资源占用和处理功耗高、难以快速高效地对低信噪比复杂体制雷达信号进行侦收检测的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法以解决现有技术中FPGA的资源占用和处理功耗高、难以快速高效地对低信噪比复杂体制雷达信号进行侦收检测的技术问题；本发明的目的还在于提供一种基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测装置。

为实现上述目的，本发明的一种基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测装置采用以下技术方案：

基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测装置，包括频谱稀疏感知模块，频谱稀疏感知模块包括单比特模数转换器和处理器，单比特模数转换器用于对原始信号进行单比特采样以获取离散样本集，处理器用于针对获取的离散样本集进行处理以获取信号频率和信号带宽；

和动态调整自适应滤波模块，与频谱稀疏感知模块电连接以接收其传递的所述离散样本集、信号频率和信号带宽，作用是根据所述信号频率对离散样本集进行下变频、根据所述信号带宽对下变频后的信号进行低通滤波；

和双门限脉冲检测模块，与动态调整自适应滤波模块电连接以接收其传递的滤波后信号，用于实现对滤波后信号的检测。

进一步地，还包括信号采集模块，用于采集原始全频带信号，与所述频谱稀疏感知模块电连接以向其传递采集的原始全频带信号。

更进一步地，还包括信号输出模块，与所述双门限脉冲检测模块电连接以接收其传递的检测结果并将检测结果输出。

本发明的一种基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法采用以下技术方案：

基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测装置，包括以下步骤，第一步，采集原始全频带信号；

第二步，对原始全频带信号进行单比特采样以获取离散样本集，处理所述离散样本集以获取信号频率和信号带宽；

第三步，对离散样本集进行下变频以获取零中频信号，根据获取的信号带宽对零中频信号进行滤波；

第四步，针对滤波后的信号进行双门限脉冲检测。

进一步地，在所述第三步中，通过混频器对所述离散样本集进行下变频，所述混频器的中心频率根据获取的所述信号频率实时调整。

进一步地，在所述第二步中，针对获取的离散样本集进行DFT变换以获取其信号频率和信号带宽。

进一步地，在所述第二步中，针对所述离散样本集划分时间片分别进行DFT变换，之后合并脉冲持续时间内的多个时间片的DFT数据后进行谱峰分析和频谱参数提取，并据此计算得到所述信号频率和信号带宽，针对所述离散样本集划分时间片时应保证相邻时间片之间有重叠。

进一步地，经第三步滤波后的信号为

式中x(n)是第n个采样点的输入数据，M为滤波器的阶数，e^-jωkn是混频器，k是脉冲信号的中心频率，k为实数，混频器的频率k与脉冲信号的中心频率k一致，W(m)是原型低通滤波器，y_k(n)是滤波之后的脉冲信号。

本发明的有益效果如下：使用频谱稀疏感知模块对输入雷达信号进行宽带频谱稀疏实时感知，利用AD数据的符号位进行频谱感知，实时监测和跟踪输入的频谱分布情况，相较于传统的短时傅里叶变换可以极大地降低信号处理所需资源、提高信号处理的处理带宽。

进一步地，在滤波时，根据频谱监测模块得到的脉冲信号中心频率和带宽，使用动态调整自适应滤波模块调整滤波器中心频点，实现对雷达脉冲信号的跟踪滤波。使用双门限脉冲检测模块实现雷达脉冲信号检测，提高信号检测灵敏度，并确保检测到完整的脉冲信号。由于对于宽带信号会实时调整混频器模块的混频频率，单个脉冲可能会有多个混频频率，这种做法相较于单一混频频率可以进一步提高脉冲信噪比，提高检测准确率。

实验证明，本发明能够同时检测到-10db信噪比的200M宽带线性调频雷达脉冲信号和普通雷达脉冲信号。

附图说明

图1为本发明的一种基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测装置的结构框图；

图2是本发明的一种基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法的的检测流程图；

图3是单音信号的DFT输出频谱。

图4是单音信号的单比特DFT输出频谱。

图5是双音信号的DFT输出频谱。

图6是双音信号的单比特DFT输出频谱。

图7是同时到达线性调频信号与常规信号叠加时域图。

图8是同时到达线性调频信号与常规信号叠加时频图。

图9是常规信号经过动态调整自适应滤波后的时域图。

图10是线性调频信号经过动态调整自适应滤波后的时域图。

图11是双门限脉冲检测示意图。

具体实施方式

本发明的一种基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测装置的实施例：

一种基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测装置的具体结构如图1所示，包括信号采集模块、频谱稀疏感知模块、动态调整自适应滤波模块、双门限脉冲检测模块和输出模块。

信号采集模块和频谱稀疏感知模块电连接以向其传递采集的原始信号，频谱稀疏感知模块包括单比特模数转换器(ADC)和处理器，单比特模数转换器完成对原始信号的单比特采样，处理器用于处理单比特采样得到的离散样本集以获取信号频率和信号带宽。频谱稀疏感知模块与动态调整自适应滤波模块电连接，一方面向其传递单比特采样得到的离散样本集，另一方面向其传递获取的信号频率和信号带宽，动态调整自适应滤波模块根据获取的信号中心频率对单比特采样得到的离散样本集进行下变频、根据信号带宽对下变频后获得的零中频信号进行低通滤波。动态调整自适应滤波模块与双门限脉冲检测模块电连接，动态调整自适应滤波模块对滤波后的信号进行检测。双门限脉冲检测模块与输出模块电连接以向其传递检测结果，输出模块用于输出接收到的检测结果。

本发明的一种基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法的实施例：

一种基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法的具体流程如图2所示，包括以下步骤，

第一步，采集雷达信号；

采集的雷达信号为一段完整的原始全频带信号，其包括噪声信号，也可能包括雷达信号。

第二步，通过频谱稀疏感知模块计算信号频谱以得到信号频率和信号带宽；

该步骤中，先使用单比特模数转换器(ADC)对信号采集模块输入的信号进行模数转换，再针对转换后的离散样本集形式的信号划分时间片分别计算DFT(即离散傅里叶变换)，相邻时间片之间有一定的重叠以保证跨时间片的脉冲信号DFT处理增益不降低。合并脉冲持续时间内的多个时间片的DFT数据后进行谱峰分析和频谱参数提取，并计算得到信号频率和信号带宽。针对转换后的离散样本集形式的信号划分时间片分别计算DFT可降低信号处理的资源，提高处理效率。

其中，基于ADC符号位的单比特采样信号的DFT变换式子为：

式中x(n)为第n个采样点的输入数据，N为DFT的点数，X(ω)为DFT的输出数据，X(ω)实际上反应的是信号的频谱数据。

在单比特采样模式下，x(n)取值只有0和1两种数据，因此计算X(ω)时，并不需要进行乘法运算，只需要用带加减法控制的累加器对频率旋转因子e-iωm进行累加即可实现DFT算法，相较于传统的短时DFT，基于ADC符号位的单比特采样可以极大地降低信号处理的资源，提高信号处理的处理带宽。本发明中DFT算法的实现结构为：

单音信号(即单一频率的射频信号)3dB信噪比条件下的DFT输出结果如图3所示，单音信号3dB信噪比条件下的单比特DFT输出结果如图4所示。对比图3和图4可以看出，单音信号的单比特DFT与原始信号的DFT计算结果相差很小，单比特DFT的信噪比略低。

双音信号(即双频率的射频信号)3dB信噪比条件下的DFT输出结果如图5所示，双音信号3dB信噪比条件下的单比特DFT输出结果如图6所示。对比图5和图6可以看出，与原始信号的DFT相比单比特DFT计算结果中出现一些杂散频谱分量。因此，信号的单比特频谱在多音条件下动态范围会有所损失。

第三步，根据第二步中获取的信号频率和信号带宽动态调整自适应滤波模块的带宽并实现滤波；

该步骤中，利用频谱稀疏感知得到的信号中心频率对输入信号进行下变频、根据信号带宽对零中频信号进行低通滤波，具体为：

滤波之后的信号为：

式中，x(n)含义如上，是第n个采样点的输入数据，M为滤波器的阶数，其取值范围一般为[256，384]，e-jωkn是混频器，k是脉冲信号的中心频率，k为实数，混频器的频率k与脉冲信号的中心频率k一致，W(m)是原型低通滤波器，y_k(n)是滤波之后的脉冲信号。混频频率e^-jωkn和原型低通滤波器w(n)的取值均根据频谱稀疏感知模块得到的信号频率和信号带宽进行动态调整并进行自适应滤波。

在跟随频率参数的变化实现动态调整自适应滤波处理时，为保持波形输出的连续性，混频器的中心频率应根据频谱稀疏感知模块得到的信号频率进行实时调整更新。混频器的中心频率是否进行更新由频谱稀疏感知模块得到的信号频率变化量来决定，一般当信号频率变化量超过20兆时即对混频器的中心频率进行更新。

为验证本发明对信号经频谱稀疏感知后进行自适应滤波对信号分离的有效性，举例如下：

生成一组信号，该信号由同时到达的线性调频雷达信号与常规雷达信号合成，其频域图如图7所示、时频图如图8所示。由图7和图8可知，由于线性调频信号具有较宽的带宽，其频谱与常规信号的频谱容易出现重叠。但在时频平面上，两个信号分量没有重合或仅少部分重合，因此可通过动态调整自适应滤波器将其分离出来。

将以上信号送入频谱稀疏感知模块，经频谱稀疏感知模块检测到两个信号的频谱分量，再分别设置两个自适应滤波器进行滤波分离。对于常规信号，自适应滤波器的中心频率基本保持不变化；对于线性调频信号，由于频谱稀疏感知模块测量得到的信号频率不断滑变，动态调整自适应滤波器的混频频率也相应地随之变化，实现对调频信号的时变跟踪滤波。通过自适应滤波处理后，得到两个信号分量的时域信号如图9、图10所示。由图9和图10可知，经过下变频处理之后，信号变为基带信号；经过自适应滤波处理之后，信噪比得到了明显的改善。

第四步，针对第三步中自适应滤波后的输出信号进行双门限脉冲检测

该步骤中，利用双门限脉冲检测模块设置两个门限确保脉冲检测完整性，检测目标是保留处于设置门限内的信号为检测值，具体检测原理如下：

脉冲起始和结束门限为：

脉冲持续门限为：

公式中

表示n个样本点的噪声均值(对每个时间片的样本点，根据幅度大小进行排序，排序之后的信道中值即为相应信道中的噪声，针对所有信道中的噪声求取平均值即得)，

表示n个样本点的噪声方差，a是预先设定的常数(a的取值一般由虚警率决定，默认取值设置为4)。

使用双门限脉冲检测的原理示意图如图11所示，其中，上缘线条表示脉冲起始和结束门限，下缘线条表示脉冲持续门限，中部线条表示门限均值，脉冲起始和结束门限与脉冲持续门限之间的信号(即中部的信号集)为检测后保留的信号。使用双门限脉冲检测可以更准确地测量出脉冲信号的带宽、频率和脉宽，极大地提高脉冲信号检测的灵敏度。

第五步，输出检测结果。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测装置，其特征在于：包括频谱稀疏感知模块，频谱稀疏感知模块包括单比特模数转换器和处理器，单比特模数转换器用于对原始信号进行单比特采样以获取离散样本集，处理器用于针对获取的离散样本集进行处理以获取信号频率和信号带宽；

和动态调整自适应滤波模块，与频谱稀疏感知模块电连接以接收其传递的所述离散样本集、信号频率和信号带宽，作用是根据所述信号频率对离散样本集进行下变频、根据所述信号带宽对下变频后的信号进行低通滤波；

和双门限脉冲检测模块，与动态调整自适应滤波模块电连接以接收其传递的滤波后信号，用于实现对滤波后信号的检测。

2.根据权利要求1所述的基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测装置，其特征在于：还包括信号采集模块，用于采集原始全频带信号，与所述频谱稀疏感知模块电连接以向其传递采集的原始全频带信号。

3.根据权利要求1所述的基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测装置，其特征在于：还包括信号输出模块，与所述双门限脉冲检测模块电连接以接收其传递的检测结果并将检测结果输出。

4.基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测装置，其特征在于：包括以下步骤，第一步，采集原始全频带信号；

第二步，对原始全频带信号进行单比特采样以获取离散样本集，处理所述离散样本集以获取信号频率和信号带宽；

第三步，对离散样本集进行下变频以获取零中频信号，根据获取的信号带宽对零中频信号进行滤波；

第四步，针对滤波后的信号进行双门限脉冲检测。

5.根据权利要求4所述的基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法，其特征在于：在所述第三步中，通过混频器对所述离散样本集进行下变频，所述混频器的中心频率根据获取的所述信号频率实时调整。

6.根据权利要求4所述的基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法，其特征在于：在所述第二步中，针对获取的离散样本集进行DFT变换以求取其信号频率和信号带宽。

7.根据权利要求6所述的基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法，其特征在于：在所述第二步中，针对所述离散样本集划分时间片分别进行DFT变换，之后合并脉冲持续时间内的多个时间片的DFT数据后进行谱峰分析和频谱参数提取，并据此计算得到所述信号频率和信号带宽，针对所述离散样本集划分时间片时应保证相邻时间片之间有重叠。

8.根据权利要求5所述的基于频谱稀疏感知的雷达脉冲信号检测方法，其特征在于：经第三步滤波后的信号为

式中x(n)是第n个采样点的输入数据，M为滤波器的阶数，e-jωkn是混频器，k是脉冲信号的中心频率，k为实数，混频器的频率k与脉冲信号的中心频率k一致，W(m)是原型低通滤波器，y_k(n)是滤波之后的脉冲信号。

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