本發(fā)明屬于雷達(dá)輻射源信號(hào)脈內(nèi)分析，具體涉及一種復(fù)雜條件下魯棒性非線性調(diào)頻信號(hào)識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)代電磁環(huán)境中，信號(hào)密度高、信號(hào)形式趨于多樣化、新體制新用途雷達(dá)不斷投入使用，都給雷達(dá)信號(hào)的分析識(shí)別帶來了較大的考驗(yàn)。而且現(xiàn)有的雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)分析技術(shù)，即雷達(dá)調(diào)制識(shí)別技術(shù)在傳輸接收環(huán)節(jié)非理想因素帶來的信噪比低、存在干擾信號(hào)、傳輸條件變化、信號(hào)參數(shù)變化等復(fù)雜條件下難以滿足魯棒性和精確性的需求。

2、常用的雷達(dá)調(diào)制識(shí)別方法較多，其中常用的指標(biāo)參數(shù)方法包括小波變換法、瞬時(shí)特征法、時(shí)頻分析法和高階統(tǒng)計(jì)方法等(唐燕.雷達(dá)信號(hào)參數(shù)偵測與脈內(nèi)識(shí)別[d].電子科技大學(xué),2021、劉方建,李賀,陳云帆,等.基于雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)調(diào)制識(shí)別的算法仿真與驗(yàn)證[j].青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)2023.38(2):68–74.)。這些方法往往依賴單一指標(biāo)并結(jié)合該指標(biāo)設(shè)置專門流程逐一判定信號(hào)所屬的類型。但是單一的指標(biāo)并不能完全區(qū)分全部類型，只能識(shí)別具有明顯可區(qū)分特性的特定類型信號(hào)，算法的適用范圍有限。而按照特定串行流程逐一與備選類型門限比對(duì)，滿足一定條件則直接判定。這種方法處理時(shí)間過長，對(duì)某種調(diào)制類型信號(hào)的分析能力有限，且面臨復(fù)雜情況時(shí)，特別是接收傳輸中信號(hào)采集不完整，存在噪聲、干擾等情況時(shí)需要對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行不同的處理，串行流程單一判據(jù)難以直接適用。

3、非線性調(diào)頻信號(hào)(nlfm)，又叫做多項(xiàng)式調(diào)頻信號(hào)，信號(hào)的頻率與時(shí)間是非線性關(guān)系，其優(yōu)點(diǎn)是直接進(jìn)行脈沖壓縮無需加權(quán)處理就可以得到較低的旁瓣，從而避免主副瓣比偏低的問題。該類信號(hào)在頻譜上來看，形狀與線性調(diào)頻信號(hào)類似，不過頻譜邊沿更加光滑，而且頻譜頂峰并不平坦，與采用窗算法有關(guān)，因此難以直接描述；而在時(shí)-相特性上來看，相比于線性調(diào)頻信號(hào)是一條筆直斜線，而nlfm信號(hào)是傾斜的曲線，傾斜程度為調(diào)制斜率，但是曲線形狀沒有明顯的區(qū)分性特征。而且考慮到在實(shí)際應(yīng)用中受噪聲、干擾等影響后相位、頻率均會(huì)發(fā)生一定的變化，瞬時(shí)頻率存在隨機(jī)性波動(dòng)以及毛刺，直接確認(rèn)難度更加增大。因此，要獲得準(zhǔn)確的信號(hào)信息，迅速準(zhǔn)確判斷信號(hào)類型，需要針對(duì)信號(hào)調(diào)制特點(diǎn)，對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理和針對(duì)性識(shí)別。

4、非線性調(diào)頻信號(hào)通常采用的識(shí)別方式是將時(shí)-相曲線或者瞬時(shí)頻率曲線進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，并通過擬合系數(shù)將常規(guī)雷達(dá)信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)、非線性調(diào)頻信號(hào)分別識(shí)別出來(薛妍妍.雷達(dá)信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別與參數(shù)估計(jì)算法研究[d].南京航空航天大學(xué),2012.doi:cnki:cdmd:2.1012.041669.)；有的研究將分形維數(shù)和相像系數(shù)作為信號(hào)的脈內(nèi)特征來區(qū)分線性調(diào)頻信號(hào)、非線性調(diào)頻信號(hào)、二相編碼信號(hào)和四相編碼信號(hào)(屈直,黃高明,程遠(yuǎn)國,等.基于脈內(nèi)特征參數(shù)的雷達(dá)信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別方法[j].電子信息對(duì)抗技術(shù),2012,27(2):5.doi:10.3969/j.issn.1674-2230.2012.02.002)。這些識(shí)別方式基本上基于單一指標(biāo)單次直接判定是否為非線性調(diào)頻信號(hào)，而且僅與有限的其他類型進(jìn)行對(duì)比，難以滿足實(shí)際復(fù)雜條件下的應(yīng)用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為在實(shí)際應(yīng)用場景下對(duì)非線性調(diào)頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別，本發(fā)明結(jié)合nlfm信號(hào)在時(shí)域頻域的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種復(fù)雜條件下魯棒性非線性調(diào)頻信號(hào)識(shí)別方法。通過信號(hào)時(shí)頻結(jié)構(gòu)特性分析、自適應(yīng)參數(shù)設(shè)置、自適應(yīng)預(yù)處理、多特征域特性度量以及多指標(biāo)聯(lián)合判定等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)nlfm信號(hào)的直接識(shí)別，大幅縮短雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)處理流程，且不受采集條件、信號(hào)參數(shù)、隨機(jī)干擾等影響，能夠適應(yīng)實(shí)際復(fù)雜應(yīng)用場景，具有計(jì)算復(fù)雜度低，魯棒性高等優(yōu)勢。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種復(fù)雜條件下魯棒性非線性調(diào)頻信號(hào)識(shí)別方法，分為以下步驟：

3、s1.信號(hào)接收

4、將接收到的待處理信號(hào)用s0(n0)表示，其中n0表示采樣點(diǎn)的索引值，n0＝1,2,...,n0，n0表示初始信號(hào)長度，信號(hào)采樣率為fs。

5、s2.自適應(yīng)濾波

6、s2.1采用基于dft的實(shí)正弦信號(hào)頻率估計(jì)方法估計(jì)信號(hào)s0(n0)的峰值頻點(diǎn)位置f0(具體方法參見文獻(xiàn)“郭履翔.基于dft的實(shí)正弦信號(hào)頻率估計(jì)算法的研究[d],東南大學(xué),2019.”)。

7、s2.2估計(jì)信號(hào)s0(n0)的帶寬bw0，具體步驟如下：

8、s2.2.1按照非參數(shù)化功率譜估計(jì)方法，得到信號(hào)s0(n0)的功率譜s(f)，其中f表示功率譜的頻率索引值，f＝-fs/2,...,fs/2。

9、s2.2.2尋找s(f)的峰值位置fmax，并從fmax向兩側(cè)搜索，記錄s(f)下降到峰值3db時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率值fl和fr，fl表示位于峰值左邊3db處的頻率值，fr表示位于峰值右邊3db處的頻率值。

10、s2.2.3計(jì)算fl和fr之間的距離，得到信號(hào)s0(n0)的帶寬bw0＝fr-fl。

11、s2.3按照估計(jì)的峰值頻點(diǎn)位置f0和帶寬bw0，利用fft濾波器以f0為中心頻率對(duì)信號(hào)自適應(yīng)濾波，具體步驟如下：

12、s2.3.1設(shè)置濾波帶寬因子δ，將頻域?yàn)V波的起始頻率設(shè)置為fstart＝f0-δ·bw0，截止頻率為fend＝f0+δ·bw0。實(shí)際應(yīng)用中δ一般設(shè)置為0.85～1.2。

13、s2.3.2對(duì)s0(n0)進(jìn)行nfft點(diǎn)的傅里葉變換，將其轉(zhuǎn)換到頻域，然后保持fstart和fend之間的頻率成分，將其余頻率成分全部置零，最后進(jìn)行逆傅里葉變換，得到濾波后的信號(hào)s1(n0),n0＝1,2,...,n0，通常nfft取1024。

14、s3.脈沖前后沿檢測

15、s3.1檢測濾波后信號(hào)s1(n0)的包絡(luò)起始點(diǎn)nstart和終止點(diǎn)nend，具體方法如下：

16、s3.1.1計(jì)算信號(hào)包絡(luò)a0(n0)＝s1(n0)，并對(duì)a0(n0)進(jìn)行平滑得到平滑包絡(luò)a(n0)，計(jì)算平滑包絡(luò)的平均值

17、s3.1.2設(shè)置信號(hào)檢測門限tha，檢測信號(hào)包絡(luò)超過門限a(n0)≥tha·a部分對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)索引值nstart和終點(diǎn)索引值nend。一般取tha＝0.5。

18、s3.2利用nstart和nend對(duì)信號(hào)s1(n0)進(jìn)行前后沿截取，即取信號(hào)索引值n0＝nstart,...,nend段對(duì)應(yīng)的部分作為截取后的信號(hào)s(n)，n表示新的信號(hào)索引，n＝1,2,...,n，n＝nend-nstart+1表示經(jīng)截取后新的信號(hào)長度。

19、s4.瞬時(shí)頻率計(jì)算

20、s4.1根據(jù)信號(hào)長度n計(jì)算對(duì)應(yīng)的差分階數(shù)l，不同長度信號(hào)設(shè)置的差分階數(shù)不同。按照工程經(jīng)驗(yàn)，一般可以按照下式計(jì)算差分階數(shù)l：

21、

22、s4.2按照l重相位差分法估計(jì)信號(hào)s(n)的瞬時(shí)頻率，具體計(jì)算步驟如下：

23、s4.2.1計(jì)算信號(hào)幅角：

24、

25、其中，si(n)、sq(n)分別表示信號(hào)s(n)的實(shí)部和虛部：s(n)＝si(n)+i×sq(n)，i表示虛數(shù)單位，imag(·)表示取虛數(shù)運(yùn)算。

26、s4.2.2利用l重相位差分法求瞬時(shí)頻率序列p(n)，提升對(duì)噪聲的適應(yīng)能力：

27、

28、s5.二次曲線擬合

29、非線性調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率可以用二次曲線實(shí)現(xiàn)較好的擬合，因此可以將擬合誤差作為判別信號(hào)是否為非線性調(diào)頻信號(hào)的依據(jù)之一。下面對(duì)瞬時(shí)頻率序列p(n)進(jìn)行擬合。具體步驟如下：

30、s5.1用二次曲線對(duì)p(n)進(jìn)行擬合，基于最小二乘估計(jì)方法得到擬合參數(shù)

31、和擬合的瞬時(shí)頻率序列最小二乘估計(jì)方法參見“steven?m.kay,羅鵬飛.統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理基礎(chǔ)[m].電子工業(yè)出版社,2014.”。

32、s5.2計(jì)算二階曲線擬合誤差ε：

33、

34、s5.3設(shè)置誤差門限thε，一般設(shè)置為0.015～0.1。

35、s5.4判斷誤差情況：若二階曲線擬合誤差ε小于門限thε，則進(jìn)行步驟s7，計(jì)算后續(xù)判定指標(biāo)；否則，進(jìn)行步驟s6的時(shí)頻分析，更新擬合結(jié)果。

36、s6.時(shí)頻分析

37、對(duì)信號(hào)s(n)進(jìn)行時(shí)頻分析，結(jié)合時(shí)頻分析結(jié)果更新瞬時(shí)頻率序列p(n)，以進(jìn)一步降低噪聲干擾等隨機(jī)性因素影響，提升算法魯棒性。具體步驟如下：

38、s6.1對(duì)信號(hào)s(n)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，得到時(shí)頻圖矩陣其中表示n×nfft維復(fù)數(shù)集合；

39、s6.2計(jì)算時(shí)頻圖矩陣μ0(n,f)能量，即逐點(diǎn)求幅度值，得到μ(n,f)＝μ0(n,f)。

40、s6.3計(jì)算μ(n,f)的均值

41、s6.4設(shè)置時(shí)頻能量門限thm，逐列對(duì)比n時(shí)刻μ(n,f)與的大小，將n時(shí)刻滿足的全部k個(gè)f值表示為并計(jì)算其均值，得到表示在n時(shí)刻滿足的第k個(gè)頻率值，k＝1,2,，k，k為滿足條件的總頻率數(shù)；thm一般設(shè)置為0.7～0.9。

42、s6.5按照步驟s5中的方法，對(duì)q(n)進(jìn)行擬合，得到對(duì)應(yīng)的擬合參數(shù)和擬合的瞬時(shí)頻率序列進(jìn)而得到擬合誤差ε′；

43、s6.6對(duì)比ε′與ε的大?。喝籀拧洌鸡?，則更新步驟s5中的擬合結(jié)果，將p(n)更新為q(n)，將更新為將更新為將更新為將ε更新為ε′；

44、s7.一階曲線擬合

45、為避免與線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生誤判，需要對(duì)瞬時(shí)頻率序列p(n)進(jìn)行擬合。具體步驟如下：

46、s7.1用直線對(duì)p(n)進(jìn)行擬合，基于最小二乘估計(jì)方法得到擬合斜率擬合偏置值和擬合的瞬時(shí)頻率序列最小二乘估計(jì)方法的具體求解過程參見“steven?m.kay,羅鵬飛.統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理基礎(chǔ)[m].電子工業(yè)出版社,2014.”。

47、s7.2計(jì)算一階曲線擬合誤差εlfm：

48、

49、s8.時(shí)寬帶寬積計(jì)算

50、s8.1按照步驟s2.2中的方法估計(jì)信號(hào)s(n)的帶寬bw；

51、s8.2按照下式計(jì)算信號(hào)s(n)的脈寬pw：

52、pw＝n/fs；

53、s8.3結(jié)合步驟s8.2的脈寬pw和步驟s8.1的帶寬bw，計(jì)算信號(hào)的時(shí)寬帶寬積tb：

54、tb＝pw·bw；

55、s9.直方圖中心統(tǒng)計(jì)

56、非線性調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率并非直線，總體上是一條傾斜但在起終點(diǎn)處存在起伏變化的曲線，為避免與相位調(diào)制類型的信號(hào)發(fā)生誤判，需要進(jìn)行直方圖中心統(tǒng)計(jì)；具體如下：

57、s9.1總體直方圖峰值統(tǒng)計(jì)

58、s9.1.1將瞬時(shí)頻率序列p(n)取幅值，得到p(n)；將p(n)的取值范圍等分為m1份，統(tǒng)計(jì)每個(gè)分類間隔中p(n)取值的頻次，得到對(duì)應(yīng)的頻次函數(shù)h(x)，x＝1,...,m1?？紤]到算法復(fù)雜度和統(tǒng)計(jì)粒度，m1可在80-150之間取值；

59、s9.1.2尋找頻次函數(shù)h(x)的峰值，記錄寬度大于3的峰值個(gè)數(shù)，表示為直方圖峰值個(gè)數(shù)xh；

60、s9.2將p(n)去掉頭尾部分(按照工程經(jīng)驗(yàn)，可以去除頭尾n/20的部分)后，將剩余部分等分為m2段，m2一般可取值在10-20，記錄每個(gè)分段的重心。具體步驟如下：

61、s9.2.1將瞬時(shí)頻率序列p(n)按如下方式分為m2段，用分別表示m2個(gè)不同的片段，具體如下：

62、

63、其中ih＝2,...,m2表示對(duì)應(yīng)的片段編號(hào)，ωh＝9·n/(10·m2)表示每個(gè)片段的長度。

64、s9.2.2分別計(jì)算片段對(duì)應(yīng)的中心：

65、具體計(jì)算方法是去掉每個(gè)片段的最大值和最小值，然后記錄其余數(shù)值的均值作為該片段的中心，各個(gè)片段的中心分別用表示。

66、s9.2.3分段趨勢分析：若從第一個(gè)片段中心p1h依次到最后一個(gè)片段中心的取值呈現(xiàn)單調(diào)遞增或者單調(diào)遞減的趨勢，則令片段中心標(biāo)志fh＝1；否則令片段中心標(biāo)志fh＝0。

67、s10.分段斜率統(tǒng)計(jì)

68、為避免與線性調(diào)頻信號(hào)混淆，產(chǎn)生誤判，需要對(duì)瞬時(shí)頻率進(jìn)行分段斜率統(tǒng)計(jì)。將瞬時(shí)頻率序列p(n)分為多個(gè)交疊的片段，然后利用最小二乘估計(jì)方法分別對(duì)每一片段進(jìn)行直線擬合，得到對(duì)應(yīng)的擬合斜率，并統(tǒng)計(jì)所有斜率分布情況。具體步驟如下：

69、s10.1將瞬時(shí)頻率序列p(n)等分為m3段，按照工程經(jīng)驗(yàn)，分為奇數(shù)段性能稍好，一般m3可取5-15。因此，每段長度為ωk＝n/m3。除第一段以外，將2-m3段的起點(diǎn)向前移動(dòng)ωk/2。用分別表示m3個(gè)不同的片段，具體如下：

70、p1(n)＝p(n),n＝1,....,ωk

71、

72、其中ik＝2,...,m3表示對(duì)應(yīng)的片段編號(hào)。

73、s10.2取瞬時(shí)頻率序列p(n)的起始部分和終止部分，作為和

74、

75、

76、s10.3對(duì)分別進(jìn)行步驟s5的最小二乘擬合，得到各自對(duì)應(yīng)的擬合斜率，用表示；

77、s10.4統(tǒng)計(jì)斜率情況：

78、s10.4.1計(jì)算全部片段對(duì)應(yīng)擬合斜率的方差

79、s10.4.2尋找中絕對(duì)值最大的一個(gè)記作絕對(duì)值最小的一個(gè)記作計(jì)算最大斜率與最小斜率的倍數(shù)

80、s11.綜合判決

81、結(jié)合在s5.2得到的二階曲線擬合誤差ε、s7.2得到的一階曲線擬合誤差εlfm、s10.4.2得到的斜率倍數(shù)t、s9.1.2得到的直方圖峰值個(gè)數(shù)xh、s9.2.3得到的片段中心標(biāo)志fh、s8.3得到的時(shí)寬帶寬積tb等指標(biāo)參量，按照下式計(jì)算標(biāo)志fnlfm：

82、fnlfm＝[(ε＜εlfm)∧(ε＜0.1·thε)∧(fh＝1)∧(xh≥5)∧(tb≥8)∧(t≥2)]

83、其中，∧表示“與”運(yùn)算，∨表示“或”運(yùn)算。

84、若同時(shí)滿足所有條件，即fnlfm不為零，則判定該信號(hào)為nlfm信號(hào)；否則，該信號(hào)為其他類型。

85、技術(shù)效果：

86、本發(fā)明提出了一種復(fù)雜條件下魯棒性非線性調(diào)頻信號(hào)識(shí)別方法，以適應(yīng)在實(shí)際非理想應(yīng)用場景下對(duì)非線性調(diào)頻信號(hào)的準(zhǔn)確識(shí)別。具體包括設(shè)計(jì)了對(duì)非線性調(diào)頻信號(hào)識(shí)別的處理流程、針對(duì)復(fù)雜傳輸接收情況的自適應(yīng)信號(hào)處理和自適應(yīng)的參數(shù)設(shè)定、基于非線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)域頻域的結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)多種判定指標(biāo)，縮短現(xiàn)有雷達(dá)脈內(nèi)分析系統(tǒng)的處理流程，提高了對(duì)雷達(dá)調(diào)制類型識(shí)別的準(zhǔn)確性和魯棒性。

87、本發(fā)明的技術(shù)效益是在復(fù)雜條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性調(diào)頻信號(hào)類型的直接識(shí)別和確認(rèn)，支撐雷達(dá)脈內(nèi)分析系統(tǒng)在復(fù)雜的實(shí)際場景下對(duì)雷達(dá)目標(biāo)的快速準(zhǔn)確識(shí)別。主要體現(xiàn)在

88、(1)設(shè)計(jì)了在復(fù)雜條件下直接對(duì)非線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行識(shí)別的處理流程，在判別時(shí)結(jié)合了二階曲線擬合誤差ε、一階曲線擬合誤差εlfm、斜率倍數(shù)t、直方圖峰值個(gè)數(shù)xh、片段中心標(biāo)志fh、時(shí)寬帶寬積tb等指標(biāo)參量進(jìn)行綜合性判證。

89、(2)本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于時(shí)頻分析獲取信號(hào)瞬時(shí)頻域曲線的方法，利用時(shí)頻圖像中信號(hào)分布情況，獲取信號(hào)瞬時(shí)頻率的主要趨勢，以增加對(duì)噪聲干擾等情況的魯棒性；

90、(3)為了與線性調(diào)頻信號(hào)加以區(qū)分，設(shè)計(jì)了分段斜率統(tǒng)計(jì)方法，將整個(gè)瞬時(shí)頻率進(jìn)行了等分，并專門提取了起始段和終止段，對(duì)所有的子段進(jìn)行曲線擬合，統(tǒng)計(jì)擬合斜率的方差和最大值最小值的倍數(shù)；

91、(4)為了與以bpsk、qpsk為代表的相位調(diào)制類信號(hào)加以區(qū)分，設(shè)計(jì)了直方圖中心統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算頻次峰值個(gè)數(shù)以及主體形狀的趨勢(非線性調(diào)頻信號(hào)的呈現(xiàn)單調(diào)遞增或者單調(diào)遞減)；為增加魯棒性，在統(tǒng)計(jì)主體形狀時(shí)對(duì)瞬時(shí)相位掐頭去尾再分為子段，而且在統(tǒng)計(jì)中心時(shí)剔除了最大值和最小值，降低了噪聲干擾帶來的異常波動(dòng)影響；

92、(5)針對(duì)實(shí)際復(fù)雜場景專門進(jìn)行了魯棒性自適應(yīng)信號(hào)處理和自適應(yīng)的參數(shù)設(shè)定，包括信號(hào)自適應(yīng)帶寬濾波處理、前后沿檢測、結(jié)合誤差情況進(jìn)行時(shí)頻分析等。