三角调频脉冲信号的时域调制域参数联合测量方法

摘要

本发明公开了一种三角调频脉冲信号的时域调制域参数联合测量方法，主要解决现有技术测量三角调频脉冲信号参数精度低、运算量大的问题。其实现步骤是：1.通过信号分析仪获取三角调频脉冲信号的实部虚部离散数值；2.根据该离散数值计算三角调频脉冲信号的信号包络；3.由信号包络估计三角调频脉冲信号的近似幅度；4.利用近似幅度设定判决门限，并检测脉冲个数；5.计算各个脉冲的脉冲宽度；6.由脉冲个数、脉冲宽度计算各项时域参数；7.在时域参数基础上计算三角调频脉冲信号的瞬时频率；8.由瞬时频率计算出三角调频脉冲信号的各项调制域参数。仿真结果表明，高信噪比下，本发明方法比现有其他方法运算量小，精度更高。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，特别涉及一种三角调频脉冲信号的时域调制域参数联合测量 方法，可用于现代雷达电子战中测量三角调频类雷达信号的关键信息。

背景技术

三角调频脉冲信号是现代雷达电子战中常采用的一种发射信号，具有对多普勒频移不敏 感性，解决信号能量和距离分辨率矛盾的优点。测量三角调频脉冲信号参数是雷达信号处理 工程领域的重点之一。传统的测量方法仅针对时域或者调制域，未把时域和调制域结合在一 起进行参数测量。而且测量三角调频信号调制域参数需要进行时频分析，常用的时频分析方 法，如短时傅里叶变换STFT和Wigner-Vile分布，它们在对三角调频信号时频分析时存在 着诸多缺陷。STFT存在着窗长和窗函数选择困难的问题，由于使用了傅里叶变换，运算量 较大，而且受测不准准则的限制，不能解决时间分辨率和频率分辨率的矛盾。Wigner-Vile 分布虽然不使用窗函数，不存在STFT的问题，但是对多分量信号如三角调频信号)进行时 频分布时存在着“交叉项”干扰，时频分布将变得模糊，对频率估计不准，而且它采用了积 分运算，运算量较大。

发明内容

本发明的目的在于上述已有技术的不足，提出一种三角调频脉冲信号的时域调制域参数 联合测量方法，来获得准确的线性度等调制域参数，以减小运算量和误差，提高测量精度。

实现本发明目的的技术思路是在联合时域、调制域测量，时域分析时采用统计脉冲信号 包络数值的方法估计判决门限，实现脉冲个数、脉冲宽度等时域参数的测量，在调制域分析 时采用相位差分法来得到信号的瞬时频率曲线，获得准确的线性度等调制域参数。其技术步 骤包括如下：

(1)测量三角调频脉冲信号的离散数值；

1a)通过雷达接收天线获取三角调频脉冲信号形式的雷达回波；

1b)用信号分析仪读取得到待测量的三角调频脉冲信号实部I(t)和虚部Q(t)的数值 大小；

1c)设定采样率f_s，抽样选取1秒时间长度的待测量的三角调频脉冲信号实部I(t)和 虚部Q(t)，得到此三角调频脉冲信号实部I(t)和虚部Q(t)的离散取值I(n)、Q(n)；

(2)通过离散取值得到三角调频脉冲信号的时域参数：

(2a)根据三角调频脉冲信号的实、虚部离散取值I(n)和Q(n)，计算三角调频脉冲信 号包络：

$y\left(n\right)=\sqrt{I^2\left(n\right)+Q^2\left(n\right)},$

(2b)根据三角调频脉冲信号包络y(n)估计出三角调频脉冲信号的近似顶值A'_top和近 似底值A'_ba，得到近似幅度测量值为：A'＝A'_top-A'_ba；

(2c)用10％A'近似幅度测量值作为上升沿和下降沿的检测门限，检测得到三角调频 脉冲信号的脉冲个数n，用每个脉冲的近似上升沿、近似下降沿的检测门限所在点数除以采 样率，得到相对应的每个脉冲的近似上升沿判决时刻t'_升、近似下降沿的判决时刻t'_降，计算 脉冲信号各个脉冲的宽度为：τ＝t′_降-t′_升；

(2d)在每个脉冲的脉冲宽度内，运用密度分布平均法，计算每个脉冲精确的顶值A_top和底值A_ba，并求得每个脉冲精确幅度值A为：A＝A_top-A_ba；

(2e)根据每个脉冲的最大值V_max和最小值V_min，计算每个脉冲的过冲S_over，下冲S_under， 脉冲幅度上参考线M_上和脉冲幅度下参考线M_下：

S_over＝V_max-A_top，S_under＝A_ba-V_min，M_上＝A_ba+90％×A，M_下＝A_ba+10％×A；

(2f)通过脉冲幅度上参考线M_上和脉冲幅度下参考线M_下，在脉冲宽度τ内查找这两 条参考值对应的时刻值，计算出脉冲的上升时间t_r、下降时间t_f，脉冲周期T，关闭时间t_off及占空比d_t：

t_r＝t_r上-t_r下，t_f＝t_f下-t_f上，T＝t'_r下-t_r下，t_off＝T-τ，d^t＝τ/T，

其中：t_r上是上升沿中脉冲幅度上参考线M_上所对应的时刻，t_r下是上升沿中脉冲幅度下参考 线M_下所对应的时刻，t_f上是下降沿中脉冲幅度上参考线M_上所对应的时刻，t_f下是下降沿中 脉冲幅度下参考线M_下所对应的时刻，t'_r下是相邻下一次上升沿中脉冲幅度上参考线M_上所 对应的时刻；

(3)通过离散取值得到三角调频脉冲信号的调制域参数：

(3a)根据三角调频脉冲信号的实、虚部离散取值I(n)和Q(n)，计算三角调频脉冲信 号每个点的瞬时相位：

(3b)根据瞬时相位采用相位差分法对三角调频脉冲信号进行时频分析，提取三 角调频脉冲信号的瞬时频率：其中f_s为信号的采样率；

(3c)根据已得三角调频脉冲信号的每个脉冲的近似上升沿判决时刻t'_升、近似下降沿 的判决时刻t'_降，得到三角调频脉冲信号的每个脉冲的带宽：

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明在估计脉冲的近似幅度的过程中，采用密度分布平均法来估计三角调频脉冲 信号的近似顶值A'_top和近似底值A'_ba，与现有的密度分布众数法相比精度更高，当三角调频 脉冲信号的采样点数越多时，脉冲包络最大值y_max和脉冲包络最小值y_min之间均分的区间个 数越多，所求得的近似底值A'_top和近似顶值A'_ba越精确，可以满足更好的精度要求。

2、本发明进行时频分析时采用相位差分法，相对于STFT法，运算量大大减小，而且 没有窗函数，也不受测不准准则的限制。相对于Wigner-Vile分布法，没有“交叉项”的干 扰问题。高信噪比下，该方法相对于其他方法，具有测量参数运算量小，误差小等优点，适 合于工程实践。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是用STFT方法对三角调频信号进行时频分析，得到的时频曲线；

图3是用Wigner-Vile方法对三角调频信号进行时频分析，得到的时频曲线；

图4是本发明在信噪比SNR为20dB的情况下，用相位差分法对三角调频脉冲信号进行时频 分析的时频曲线；

图5是本发明在信噪比SNR为7dB的情况下，用相位差分法对三角调频脉冲信号进行时频 分析的时频曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步详细描述。

现代雷达电子战中，雷达回波的时域、调制域参数搭载了很多有用信息，而雷达回波 的参数是未知的，并不能通过雷达接收天线直接获取。对于不同类型的雷达信号，其参数测 量方法也不尽相同，三角调频脉冲信号是雷达常用的一种发射信号，测量三角调频脉冲信号 参数是雷达信号处理工程领域的重点之一。三角调频脉冲信号由于脉内调制复杂的特性使参 数测量尤为困难，运算量巨大，经常出现测量不准的问题。为了能够准确快速得测量三角调 频脉冲信号的时域、调制域参数，必须采取一种运算量小并且精度更高的测量方法。本发明 就是通过信号分析仪读取三角调频脉冲信号的数值大小，进而采用联合时域、调制域的思想， 用密度分布平均法和相位差分法更加精确详细地测量三角调频脉冲信号的具体参数。

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1：测量三角调频脉冲信号的离散数值。

1a)雷达通过接收天线接收三角调频脉冲信号形式的雷达回波，并将接收到的三角调频 脉冲信号的实部I(t)和虚部Q(t)以数据形式保存到.dat文件中；

1b)将.dat文件上传到信号分析仪，读取得到三角调频脉冲信号的实部I(t)和虚部Q(t) 的数值大小；

1c)设定采样率f_s，抽取1秒时间长度的待测量的三角调频脉冲信号，对其进行离散采 样，得到此1秒长度的三角调频脉冲信号实部I(t)和虚部Q(t)的离散取值I(n)、Q(n)。

步骤2：计算三角调频脉冲信号的时域参数。

2a)根据三角调频脉冲信号的实、虚部离散取值I(n)和Q(n)，计算三角调频脉冲信号 包为：$y\left(n\right)=\sqrt{I^2\left(n\right)+Q^2\left(n\right)}.$

2b)估计三角调频脉冲信号的近似顶值A'_top和近似底值A'_ba，以及近似幅度A'；

2b1)统计得到信号包络y(n)的值域{y(i)|i＝1,2…N}，并查找得出值域 {y(i)|i＝1,2…N}中的最大值y_max和最小值y_min；

2b2)将值域{y(i)|i＝1,2…N}从小到大分为100个区间，其中第k个区间E(k)取值范 围的最小值为$y_{\min }+(k-1)\frac{y_{\max }-y_{\min }}{100},$最大值为$y_{\min }+k\frac{y_{\max }-y_{\min }}{100};$

2b3)统计值域{y(i)|i＝1,2…N}落在每个区间E(k)内的个数，分别记为计数值 C(k),k＝1,2…100；

2b4)在计数值C(1),C(2),C(3)…C(50)之间比较大小，记录前50个计数值C(k)取最大值 时k的取值k₁；

2b5)在计数值C(51),C(52),C(53)…C(100)之间比较大小，记录后50个计数值C(k)取最 大值时k的取值k₂；

2b6)计算区间E(k₁)的平均值，即为三角调频脉冲信号的近似顶值A'_top，计算区间E(k₂) 的平均值，即为三角调频脉冲信号的近似底值A'_ba。

2b7)根据三角调频脉冲信号的近似底值A'_ba和近似顶值A'_top，得到三角调频脉冲信号的 近似幅度A'＝A'_top-A'_ba

2c)检测三角调频脉冲信号的脉冲个数n，并记录每个脉冲的近似上升沿判决时刻t'_升、近 似下降沿的判决时刻t'_降

2c1)将三角调频脉冲信号的脉冲个数记为n，并初始化n为0，从三角调频脉冲信号的 起始位置开始查找第一个近似上升沿，将查找结果记为标志位flag，若查找成功，则将标 志位flag置1，并记录本次近似上升沿判决时刻t'_升，否则，将标志位flag置0；

2c2)查找到近似上升沿后，继续往后查找近似下降沿，若查找成功，则将标志位flag置 1，并记录本次近似下降沿判决时刻t'_降，否则，将标志位flag置0；

2c3)查找到近似下降沿后，继续往后查找近似上升沿，若查找成功，则将标志位flag置 1，记录本次近似上升沿判决时刻t'_升，并令三角调频脉冲信号的脉冲个数n加1，否则，将 标志位flag置0；

2c4)检测标志位flag的当前值，若标志位flag＝1，则返回步骤(4b)，若标志位flag＝0， 则结束查找。

2d)计算三角调频脉冲信号各个脉冲的宽度：τ＝t'_降-t'_升。

2e)在每个脉冲的脉冲宽度内，运用密度分布平均法，计算得到每个脉冲精确的顶值A_top 和底值A_ba，并求得每个脉冲精确幅度值A为：A＝A_top-A_ba。

2f)检测三角调频脉冲信号每个脉冲的最大值V_max和最小值V_min，然后计算每个脉冲的 过冲S_over＝V_max-A_top，下冲S_under＝A_ba-V_min。

2g)计算出脉冲的上升时间t_r、下降时间t_f，脉冲周期T，关闭时间t_off及占空比d_t

2g1)设定三角调频脉冲信号的脉冲幅度上参考线M_上和脉冲幅度下参考线M_下：

M_上＝A_ba+90％×A，M_下＝A_ba+10％×A

2g2)在脉冲宽度τ内查找脉冲幅度上参考线M_上和脉冲幅度下参考线M_下对应的时刻 值,：上升沿中脉冲幅度上参考线M_上所对应的时刻t_r上，上升沿中脉冲幅度下参考线M_下所 对应的时刻t_r下，下降沿中脉冲幅度上参考线M_上所对应的时刻t_f上，下降沿中脉冲幅度下参 考线M_下所对应的时刻t_f下，相邻下一次上升沿中脉冲幅度上参考线M_上所对应的时刻t'_r下

2g3)计算出脉冲的上升时间t_r、下降时间t_f，脉冲周期T，关闭时间t_off及占空比d_t：

t_r＝t_r上-t_r下，t_f＝t_f下-t_f上，T＝t'_r下-t_r下，t_off＝T-τ，d_t＝τ/T；

步骤3：计算三角调频脉冲信号的调制域参数。

3a)根据三角调频脉冲信号的实、虚部离散取值I(n)和Q(n)，计算三角调频脉冲信号每 个点的瞬时相位：

3b)根据瞬时相位采用相位差分法对三角调频脉冲信号进行时频分析，提取三角 调频脉冲信号的瞬时频率：其中f_s为信号的采样率；

3c)根据已得三角调频脉冲信号的每个脉冲的近似上升沿判决时刻t'_升、近似下降沿的判 决时刻t'_降，得到三角调频脉冲信号的每个脉冲的带宽：

本发明对三角调频脉冲信号的时域调制域参数测量效果可通过以下仿真实验进一步验 证。

实验1，用本发明方法对三角调频脉冲信号的时域参数测量进行Matlab仿真，参数设 置为：调频方式为向上调频，脉冲宽度为6us，脉冲重复周期为16us，完整脉冲个数为4， 采样率为50MHz，带宽10MHz，信噪比为20dB。测得的时域参数如表1所示：

表1 三角调频脉冲信号时域参数表

从表1可以看出，测量的脉冲个数为4，脉冲宽度约为6.1us，重复周期为16us，上升 时间为0.04us，下降时间为0.02us，和实际设定的参数基本上一致，测量误差小。

实验2，用本发明方法对三角调频脉冲信号的调制域参数测量进行Matlab仿真，参数 设置为：带宽10Mhz，左调频系数3.3333e+012Hz/s，右调频系数-3.3333e+012Hz/s，脉内 最大频率、最小频率为5e+006和-5e+006，线性度0.0033。测量所得各脉内调制参数如表2 所示:

表2 三角调频脉冲信号脉内调制参数表

从表2可以看出，调频方向为上三角调频，拟合后参数值与理想值相比，测量误差小于 1％，测量效果很好。

实验3，分别用STFT方法和Wigner-Vile方法对三角调频脉冲信号进行时频分析得到相 应时频曲线，测量结果如图2图3所示。其中图2为STFT方法测得的三角调频脉冲信号 的时频分布图，图3为Wigner-Vile方法测得的三角调频脉冲信号的时频分布图。

从图2中可以看出，STFT方法每次滑窗，都在时频图上有明显的痕迹，该方法受窗长 影响比较大。

从图3中可以看出，采用Wigner-Vile分布方法，三角调频的时频分布中间出现了“虚 假”，有用的时变谱图变得模糊。因此STFT和Wigner-Vile分布都不适合分析三角调频信号。

实验4，在信噪比分别为20dB和7dB的条件下，用本发明方法，求三角调频脉冲信号 的瞬时频率并与理想情况做对比。测量结果如图4图5所示。 其中图4为SNR＝20dB时三角调频相位差分法时频曲线，图5为SNR＝7dB时三角调频相 位差分法时频曲线。

从图4仿真结果可看出，而本发明的三角调频脉冲信号参数的测量方法，具有算法简单， 运算量小等特点，不存在“交叉项”干扰，特别适合于工程实践上大数据量的测量。

对比图4图5可以看出，SNR在20db情况下比SNR在7db情况下运用本发明方法得 到的时频曲线更加精确，说明本方法抗噪性能不太理想，更加适用于高信噪比的信号。

综上所述，本发明的三角调频脉冲信号参数的测量方法能够在较高信噪比的情况下更为 精确地对三角调频脉冲信号进行时频分析，更加快速的得到各个时域参数和调制域参数。