基于射频混沌信号的目标频谱响应探测方法和装置

本发明涉及一种频谱响应探测方法和装置，具体涉及了一种基于射频混沌信号的目标频谱响应探测方法和装置。

背景技术：

1、电磁信息领域的发展，对经济发展、社会生活和军事具有深刻影响，而目标探测正是电磁信息领域的重要方向之一。电磁目标探测通过空间域测量和时间域测量进行。其中空间域测量主要探测目标的空间特征，而时间域测量则主要关注目标的时域信号和频域响应。

2、传统的频谱响应探测主要是根据所需要的频谱分辨率，使用窄带信号进行扫频以实现高分辨率的频谱探测；也可利用宽带信号进行探测，并对整个带宽内的频谱进行完整的采样后分析得到。虽然已有的技术架构已经能够进行目标频谱的探测，但窄带信号需要依次对频点进行扫描，其扫描时间随频谱分辨率的提高而有所降低；宽带信号则受到奈奎斯特采样定律的限制需要较高的采样频率，同时为利用信号的宽带特性，采样的时间必然会增加。随着频率的提高和分辨率提高，频谱探测对设备的成本、功耗、复杂程度以及数据存储容量等均提出的更高的要求。

3、压缩感知(compressed sensing)最早出现于对核磁共振成像的重构模拟实验中。由于充分利用了信号存在冗余的特点，在采样的同时就进行压缩，相较于经典的信号采样方法减少了数据量，降低了系统存储负担。目前压缩感知技术在应用层面已有目标定位和单像素成像等成果，但未见压缩感知用于目标电磁频谱响应探测相关报道。

4、混沌电路产生的混沌信号在时域具有随机性，属于非周期信号，因此在频域混沌信号具有宽带连续谱的特征。已有混沌电路研究主要集中于混沌电路拓扑结构、混沌动力学、混沌保密通信和混沌雷达等研究。但未见利用混沌电路进行电磁频谱响应探测相关报道。

技术实现思路

1、基于对频谱响应探测、压缩感知技术和混沌电路的背景介绍，结合当前传统电磁频谱响应探测存在的一些问题。本发明提出了一种基于射频混沌信号的目标频谱响应探测方法和装置。本发明主要利用混沌信号的连续谱特性和压缩感知的欠采样重构特性，进行无源目标反射和透射电磁波随频率变化的响应特征的探测。该装置可将混沌电路在不同电路参数下产生的一系列低相关度，且具有不同频谱特征的混沌信号投射至待探测目标，在频域体现为不同的混沌频谱与待探测目标的频谱响应相乘，即频域加权采样；测量待探测目标的透射或反射信号的平均功率得到一组功率值。结合压缩感知理论和混沌探测重构算法，利用测量得到的功率值和投射至待探测目标的混沌信号频谱，即可用较少采样次数实现对目标的透射或反射频谱响应重构。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一、一种基于射频混沌信号的目标频谱响应探测方法

4、步骤1：调节射频混沌信号发生模块的电路参数并构建电路参数时序数据，采集射频混沌信号发生模块在电路参数时序数据下的宽带射频混沌信号频谱，频谱经处理后得到混沌频谱观测矩阵；

5、步骤2：在电路参数时序数据下，射频混沌信号发生模块向待探测无源目标投射宽带射频混沌信号，接着测量透射或反射信号的射频功率，根据测量到的射频功率计算获得功率观测值向量；

6、步骤3：根据功率观测值向量和混沌频谱观测矩阵，使用混沌探测重构算法对目标的频谱功率响应进行重构，进而得到目标的频谱幅度响应。

7、所述步骤1中，频谱经处理后得到混沌频谱观测矩阵，具体为：

8、电路参数时序数据下的所述宽带射频混沌信号频谱为高分辨率幅度谱，首先将高分辨率幅度谱转化为高分辨率功率谱，接着对高分辨率功率谱进行降分辨率，获得低分辨率功率谱并记为混沌频谱观测矩阵，具体公式如下：

9、

10、

11、其中，ph，(i，k)表示高分辨率功率谱中第i组电路参数在第k个频点处的功率值；uh，(i，k)表示频谱测量模块采样得到的高分辨率幅度谱中第i组电路参数在第k个频点处的有效值；r0为频谱测量模块5的输入阻抗；k为高分辨率功率谱和高分辨率幅度谱中的频点总数；n为低分辨率功率谱中的频点总数，pl，(i，j)表示低分辨率功率谱中第i组电路参数在第j个频点处的功率值；表示向下取整。

12、所述步骤3具体为：

13、3.1)根据压缩感知理论，利用功率观测值向量pw重构获得稀疏表示z；

14、3.2)基于稀疏表示z，利用以下公式求解获得无源目标的透射或反射功率响应hp，并将无源目标的透射或反射功率响应hp中负的元素记为零：

15、hp＝ψz

16、

17、z＝[z1 … zt … zn]t

18、其中，ψ表示稀疏基，ψr，s表示稀疏基ψ中的第r行第s列的值；t表示转置；zt表示稀疏表示z中的第t个值；

19、3.3)利用以下公式将无源目标透射或反射功率响应hp转化为无源目标透射或反射幅度响应hu：

20、

21、其中，hu，j表示第j个频点处的无源目标透射或反射幅度响应；rin表示宽带射频功率接收模块2的输入阻抗，r0表示频谱测量模块5的输入阻抗，hp，j表示第j个频点处的无源目标透射或反射功率响应。

22、二、一种基于射频混沌信号的目标频谱响应探测装置

23、装置包括射频混沌信号发生模块、宽带射频功率接收模块和数据分析功能模块；数据分析功能模块控制射频混沌信号发生模块产生不同的宽带射频混沌信号并投射至待探测无源目标，宽带射频功率接收模块接收目标反射或透射的信号并进行射频功率测量，数据分析功能模块根据测量到的射频功率重构获得目标的频谱响应。

24、所述数据分析功能模块中存储有预设电路参数时序数据下的频谱观测矩阵，根据测量到的射频功率计算获得功率观测值向量，接着根据功率观测值向量和混沌频谱观测矩阵，使用混沌探测重构算法对目标的频谱响应进行重构，得到目标的频谱响应。

25、所述混沌频谱观测矩阵是通过采集射频混沌信号发生模块在预设电路参数时序数据下宽带射频混沌信号频谱并处理后获得的。

26、所述射频混沌信号发生模块包括可调射频宽带混沌电路、级间缓冲电路、信号放大电路、信号滤波电路和发射器；可调射频宽带混沌电路产生射频宽带射频混沌信号，射频宽带射频混沌信号经过级间缓冲电路输出至信号放大电路，再经信号滤波电路进行信号调理后通过发射器投射至待探测无源目标，数据分析功能模块与可调射频宽带混沌电路、发射器相连。

27、所述宽带射频功率接收模块包括宽带射频检波器和接收器；将反射或透射信号输出至宽带射频检波器，宽带射频检波器对反射或透射信号进行宽带检波后，得到射频功率并发送给数据分析功能模块。

28、所述发射器、接收器为天线或屏蔽线。

29、本发明的有益效果是：

30、1)本发明利用混沌电路的连续谱与压缩感知欠采样重构的特征，可以获取待探测目标的频谱响应，目前学术领域未见相关研究，市场未见相关产品报道。

31、2)本发明所使用到的装置结构简单且成本低廉，模块化设计易于故障排除；采样速度快并且采集数据量小，适用于低成本或便携应用场景。

32、3)本发明具有较强的拓展性，可结合实际场景灵活调节探测频带和探测分辨率，并且可结合硬件和算法进一步优化拓展，可用于目标频谱响应快速探测、目标分类和目标识别等应用场景。