基于时频分析的高分辨自动侦察方法与流程

1.本发明涉及声纳脉冲侦查领域，特别涉及一种基于时频分析的高分辨自动侦察方法。


背景技术：

2.现有技术中，通过时域能量累积对脉冲起始和终止时刻进行检测，对检测获得的脉冲信号做傅立叶变换(fft)，获得脉冲频域信息，基于时域能量检测的侦察方法，时域分辨率较低，虽然可获得较准确的频域参数估计，但无法获得脉冲时频变化特征。基于短时傅立叶变换(stft)的侦察方法，对输入时域信号分段进行stft变换，检测脉冲脉冲起始和终止段落，以确定脉冲起始和终止，再通过stft谱获得相应时刻的各分段脉冲频率信息，组合后获得完整脉冲的时频特征，虽然可以获得脉冲完整时频特征，但无法同时兼顾时域和频域分辨率。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的为提供一种基于时频分析的高分辨自动侦察方法，旨在解决脉冲侦查方法中，可以获得脉冲完整时频特征，但无法同时兼顾时域和频域分辨率的问题。
4.为了实现上述目的，本发明提供一种基于时频分析的高分辨自动侦察方法，包括：
5.步骤1：对接收的波束-时域数据进行快速傅立叶变换获得波束-频率域数据，并进行预处理获得各波束的归一化功率谱；
6.步骤2：对各波束的归一化功率谱进行脉冲段检测；
7.步骤3：根据同一脉冲信号相邻分段之间方位和频段连续变化的特性，对通过检测的脉冲段进行拼接获得拼接脉冲段；
8.步骤4：对脉冲段进行校正；
9.步骤5：获取拼接脉冲段的特征参数为参照特征参数；
10.步骤6：将新脉冲的特征参数与参照特征参数进行对比，实现新脉冲的跟踪及形式判别。
11.进一步地，所述步骤1包括：
12.步骤1.1：接收m
×
n点波束-时域数据xm(n)，其中，n＝0,...,n-1，m＝0,...,m-1；
13.步骤1.2：对波束-时域数据进行快速傅立叶变换；
14.步骤1.3：对快速傅立叶变换后的波束-时域数据进行功率谱估计；
15.步骤1.4：根据功率谱估计计算各波束归一化功率谱。
16.进一步地，所述步骤1.4中，各波束归一化功率谱的计算方式为：
[0017][0018]
其中，cpxm(n)为第m个波束噪声功率谱估计，pxi(n)为当前功率谱，计算方式为：pxm(n)＝|fxm(n)|2，而fxm(n)＝fft(xm(n))。
[0019]
进一步地，所述步骤2中检测的准则为：
[0020]
获得各波束当前信噪比估计：
[0021][0022]
运行各波束脉冲段检测判决准则：
[0023][0024]
进一步地，所述步骤2之后还包括：
[0025]
若未通过检测，则更新该波束对应的波束噪声功率谱估计，其中更新方式为：
[0026][0027]
进一步地，所述步骤3包括：
[0028]
以脉冲段对应波束nb(d)和频点nf(d)为特征，将当前批次检测到的脉冲段与前一批次脉冲段进行特征匹配：如匹配通过，则存入同一脉冲拼接组，并更新脉冲拼接组的信息；如匹配都未通过，存入新脉冲拼接组，并更新新脉冲拼接组的信息。
[0029]
进一步地，所述步骤3中脉冲拼接组的信息包括脉冲段的方位参数，所述脉冲段的方位参数计算方法为：
[0030]
利用输入脉冲段参数频点nf(d)、波束nb(d)以及波束功率谱pxm(n)，获得各脉冲段对应频点功率pd2(d)和对应方位θ2(d),以及前后波束对应频点的功率pd1(d)、pd3(d)和方位θ1(d)、θ3(d)，采用抛物线插值法获得脉冲段方位θd。
[0031]
进一步地，所述步骤4中频率参数的校正方式为：
[0032]
脉冲段所属频点为m，对应时域数据为sd(n)，n＝0,...,n-1；
[0033]
构造长度为n/2窄带滤波器:
[0034][0035]
对时域数据sd(n)进行滤波后获得sfd(k):
[0036][0037]
利用sfd(k)的旋转不变性获得脉冲频率估计:
[0038][0039]
进一步地，所述步骤6之后包括步骤7：
[0040]
若新脉冲的特征参数与参照特征参数匹配，则以新脉冲的特征参数更新参照特征参数。
[0041]
进一步地，所述步骤6之后还包括步骤8；
[0042]
若新脉冲只跟踪到1次，脉冲消失判定时间设为100秒；
[0043]
若新脉冲跟踪到2次以上，脉冲消失判定时间设为3倍的该脉冲周期。
[0044]
本发明提供的基于时频分析的高分辨自动侦察方法，将波束的信号进行转换后，进行脉冲段检测，然后根据脉冲段的信息关系完成拼接而形成拼接脉冲段，对脉冲段的频率参数和时间参数进行校正，从而实现时域和频域分辨率的同时保证；获取拼接脉冲段的特征参数为参照特征参数，将新脉冲的特征参数与参照特征参数进行对比，实现新脉冲的跟踪及形式判别。
附图说明
[0045]
图1是本发明一实施例基于时频分析的高分辨自动侦察方法的步骤示意图；
[0046]
图2是本发明一实施例基于时频分析的高分辨自动侦察方法的步骤1示意图；
[0047]
图3是本发明一实施例基于时频分析的高分辨自动侦察方法的步骤2至4的流程示意图；
[0048]
图4是本发明一实施例基于时频分析的高分辨自动侦察方法的步骤3的流程示意图；
[0049]
图5是本发明一实施例基于时频分析的高分辨自动侦察方法的步骤4的流程示意图；
[0050]
图6是本发明一实施例基于时频分析的高分辨自动侦察方法的流程示意图。
[0051]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0052]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0053]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”“上述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件、单元、模块和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、单元、模块、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
[0054]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0055]
参照图1，本发明一实施例中，一种基于时频分析的高分辨自动侦察方法，包括：
[0056]
步骤1：对接收的波束-时域数据进行快速傅立叶变换获得波束-频率域数据，并进行预处理获得各波束的归一化功率谱；
[0057]
步骤2：对各波束的归一化功率谱进行脉冲段检测；
[0058]
步骤3：根据同一脉冲信号相邻分段之间方位和频段连续变化的特性，对通过检测
的脉冲段进行拼接获得拼接脉冲段；
[0059]
步骤4：对脉冲段进行校正；
[0060]
步骤5：获取拼接脉冲段的特征参数为参照特征参数；
[0061]
步骤6：将新脉冲的特征参数与参照特征参数进行对比，实现新脉冲的跟踪及形式判别。
[0062]
现有技术中，通过时域能量累积对脉冲起始和终止时刻进行检测，对检测获得的脉冲信号做傅立叶变换(fft)，获得脉冲频域信息，基于时域能量检测的侦察方法，时域分辨率较低，虽然可获得较准确的频域参数估计，但无法获得脉冲时频变化特征。基于短时傅立叶变换(stft)的侦察方法，对输入时域信号分段进行stft变换，检测脉冲脉冲起始和终止段落，以确定脉冲起始和终止，再通过stft谱获得相应时刻的各分段脉冲频率信息，组合后获得完整脉冲的时频特征，虽然可以获得脉冲完整时频特征，但无法同时兼顾时域和频域分辨率。
[0063]
本发明中，上述步骤1至2中，接收波束-时域数据后进行快速傅立叶变换获得波束-频率域数据，并进行预处理获得各波束的归一化功率谱，通过各波束的归一化功率谱筛选出其中的脉冲段。
[0064]
上述步骤3中，通过脉冲段中的方位和频段信息进行拼接步骤；如以脉冲段对应波束nb(d)和频点nf(d)为特征，将当前批次检测到的脉冲段与前一批次脉冲段进行特征匹配：如匹配通过，则存入同一脉冲拼接组，并更新脉冲拼接组的信息；如匹配都未通过，存入新脉冲拼接组，并更新新脉冲拼接组的信息。
[0065]
上述步骤4中，可以利用旋转不变特性进行频率参数和时间参数校正，从而兼顾时域和频域分辨率，利于后续步骤的匹配以及跟踪过程。
[0066]
上述步骤5至6中，获取拼接脉冲段的特征参数为参照特征参数，然后以上述的参照特征参数为基准，将新脉冲的特征参数记进行对比参照，实现新脉冲的跟踪及形式判别。如单脉冲匹配跟踪的准则为：如单脉冲匹配跟踪的准则为：其中，fc为新脉冲中心频率，为跟踪器中单脉冲中心频率；pb为新检测到脉冲宽窄带类型，为跟踪器中单脉冲宽窄带类型；θw为新检测到的单脉冲方位，为跟踪器中单脉冲方位，为距最近的两个波束间的角度间隔，单位为度。
[0067]
综上，将波束的信号进行转换后，进行脉冲段检测，然后根据脉冲段的信息关系完成拼接而形成拼接脉冲段，对脉冲段的频率参数和时间参数进行校正，从而实现时域和频域分辨率的同时保证；获取拼接脉冲段的特征参数为参照特征参数，将新脉冲的特征参数与参照特征参数进行对比，实现新脉冲的跟踪及形式判别。
[0068]
参照图2，在一个实施例中，所述步骤1包括：
[0069]
步骤1.1：接收m
×
n点波束-时域数据xm(n)，其中，n＝0,...,n-1，m＝0,...,m-1；
[0070]
步骤1.2：对波束-时域数据进行快速傅立叶变换；
[0071]
步骤1.3：对快速傅立叶变换后的波束-时域数据进行功率谱估计；
[0072]
步骤1.4：根据功率谱估计计算各波束归一化功率谱。
[0073]
在本实施例中，提出了一种对波束-时域数据进行处理的顺序，对输入的波束-时
间域数据进行傅立叶变换(fft)，转换为波束-频率域数据；再计算输入各波束相应的功率谱，利用各波束累积功率谱获得归一化功率谱，将波束-归一化功率谱数据输出至单脉冲检测及参数估计模块进行后续处理。
[0074]
在一个实施例中，所述步骤1.4中，各波束归一化功率谱的计算方式为：
[0075][0076]
其中，cpxm(n)为第m个波束噪声功率谱估计，pxi(n)为当前功率谱，计算方式为：pxm(n)＝|fxm(n)|2，而fxm(n)＝fft(xm(n))。
[0077]
本实施例中，给出了一种具体计算各波束归一化功率谱的计算方式。
[0078]
在一个实施例中，所述步骤2中检测的准则为：
[0079]
获得各波束当前信噪比估计：
[0080][0081]
运行各波束脉冲段检测判决准则：
[0082][0083]
本实施例中，提出了一种以信噪比的方式来对各波束的归一化功率谱进行检测，较为准确分辨脉冲段以及噪声的计算式。对于通过的波束，输出检测到所有脉冲段所属波束和归一化功率最大值所属频点信息：
[0084]
脉冲段所属波束：nb(d)，d＝1,...,d
[0085]
脉冲段所属频点：nf(d)，d＝1,...,d
[0086]
其中：d为当前批数据检测到的脉冲段总数，供给到步骤3中使用。
[0087]
在一个实施例中，所述步骤2之后还包括：
[0088]
若未通过检测，则更新该波束对应的波束噪声功率谱估计，其中更新方式为：
[0089][0090]
本实施例中，若未通过检测，则进行波束噪声功率谱估计的修正，形成反馈，降低过度筛选的问题。
[0091]
参照图3和4，在一个实施例中，所述步骤3包括：
[0092]
以脉冲段对应波束nb(d)和频点nf(d)为特征，将当前批次检测到的脉冲段与前一批次脉冲段进行特征匹配：如匹配通过，则存入同一脉冲拼接组，并更新脉冲拼接组的信息；如匹配都未通过，存入新脉冲拼接组，并更新新脉冲拼接组的信息。
[0093]
在本实施例中，脉冲段匹配准则为：
[0094][0095][0096]
其中，和分别为第i个脉冲拼接组的波束信息以及频点信
息，nb(d)和频点nf(d)为新脉冲段对应波束信息以及频点信息，ni为该脉冲拼接组已加入的脉冲段数量。
[0097]
如第d个脉冲段，通过第i个脉冲拼接组匹配，则更新第i个脉冲拼接组的信息为新脉冲段的波束信息以及频点信息：
[0098]
脉冲段数量：ni＝ni+1；
[0099]
所属第ni个脉冲段频点号：
[0100]
所属第ni个脉冲段波束号：
[0101]
所属第ni个脉冲段方位：
[0102]
脉冲终止批次时域数据：
[0103]
如未通过匹配准则，则判定为新脉冲起始，新增第i+1个脉冲拼接组，i为当前脉冲拼接组数：
[0104]
拼接组脉冲数：i＝i+1；
[0105]
脉冲段数量：ni＝1；
[0106]
所属第1个脉冲段频点号：
[0107]
所属第1个脉冲段波束号：
[0108]
所属第1个脉冲段方位：
[0109]
脉冲起始批次时域数据：
[0110]
脉冲终止批次时域数据：
[0111]
在一个实施中，如第i个脉冲拼接组经过连续3个批次的数据，都未加入新脉冲段，则判定第i个脉冲拼接组对应脉冲的拼接已完成。通过新对一定时间内没有新脉冲段来判断脉冲拼接组的拼接已完成。
[0112]
在一个实施例中，所述步骤3中脉冲拼接组的信息包括脉冲段的方位参数，所述脉冲段的方位参数计算方法为：
[0113]
利用输入脉冲段参数频点nf(d)、波束nb(d)以及波束功率谱pxm(n)，获得各脉冲段对应频点功率pd2(d)和对应方位θ2(d),以及前后波束对应频点的功率pd1(d)、pd3(d)和方位θ1(d)、θ3(d)，采用抛物线插值法获得脉冲段方位θd。
[0114]
本实施例中，提供看了一种计算脉冲段方位的方法，能准确实现方位的计算获取。
[0115]
在一个实施例中，所述步骤5中的参照特征参数包括：
[0116]
取脉冲拼接组中各脉冲段的方位的平均值做为该脉冲方位，如下式：
[0117][0118]
参照图5，在一个实施例中，所述步骤4中频率参数的校正方式为：
[0119]
脉冲段所属频点为m，对应时域数据为sd(n)，n＝0,...,n-1；
[0120]
构造长度为n/2窄带滤波器:
[0121][0122]
对时域数据sd(n)进行滤波后获得sfd(k):
[0123][0124]
利用sfd(k)的旋转不变性获得脉冲频率估计:
[0125][0126]
在本实施例中，构造滤波器后，对时域数据sd(n)进行平滑滤波，然后利用通过sfd(k)的旋转不变性获得更精确的脉冲频率估计(具体采用式(2))，从而脉冲段的频率参数得到了精确的校正。而在对频率参数进行了校正后，通过频率参数的信息，可以计算获得时间参数信息，如脉冲段的起始时刻与终止时刻等。如对sfd(k)进行求幅度运算，得到:
[0127]
asfd(k),k＝0，1，...，n/2
ꢀꢀꢀ
式(3)
[0128][0129]
搜索asfd(k)中首次大于e/2的位置，记为ts，其为校正后脉冲段起始位置；最后一次大于e/2的位置，记为te，其为校正后脉冲段终止位置。输入起始脉冲段对应频点及时域数据利用式(1)至式(4)获得校正后脉冲起始频率以及脉冲校正起始位置ts。输入终止脉冲段对应频点及时域数据利用式(1)至式(4)获得校正后脉冲终止频率以及脉冲校正终止位置te。
[0130]
在一个实施例中，所述步骤5中所述参照特征参数包括以下单脉冲参数：
[0131]
单脉冲起始频率：
[0132]
单脉冲终止频率：
[0133]
单脉冲中心频率：
[0134]
单脉冲宽窄带判定：
[0135][0136]
脉宽：单位为秒；
[0137]
脉冲方位：
[0138]
脉冲起始时刻：pts＝t+ts；t为系统时间；
[0139]
脉冲起始止时刻：pte＝pts+pw；t为系统时间。
[0140]
在本实施例中，提供可一种便于实施且使用效果良好的单脉冲参数获取方法。
[0141]
在一个实施例中，所述步骤6之后包括步骤7：
[0142]
若新脉冲的特征参数与参照特征参数匹配，则以新脉冲的特征参数更新参照特征
参数。
[0143]
在本实施例中，单脉冲匹配跟踪的准则为：
[0144][0145][0146][0147]
其中：fc为新单脉冲中心频率，为跟踪器中单脉冲中心频率；pb为新单脉冲宽窄带类型，为跟踪器中单脉冲宽窄带类型；θw为新单脉冲方位，为跟踪器中单脉冲方位，为距最近的两个波束间的角度间隔，单位为度。
[0148]
如通过匹配，则更新跟踪器中相匹配脉冲参数(即参照特征参数)，并输出：
[0149]
跟踪器中脉冲中心频率：
[0150]
跟踪器中脉冲宽窄带：
[0151]
跟踪器中脉冲脉宽：
[0152]
跟踪器中脉冲周期:
[0153]
跟踪器中脉冲方位：
[0154]
跟踪器中脉冲结束时间：
[0155]
除了单脉冲匹配，还可以根据组成两个组合脉冲的子脉冲间匹配度决定，判定两个组合脉冲是否匹配。利用上述单脉冲匹配准则，若其中一个组合脉冲所含子脉冲全部通过匹配判定，则判定两个组合脉冲匹配，并更新组合脉冲跟踪器中各参数，并输出：
[0156]
子脉冲数：
[0157]
第i个子脉冲中心频率：
[0158]
第i个子宽窄带：
[0159]
第i个子脉冲脉宽:
[0160]
组合脉冲脉宽：
[0161]
组合脉冲方位：
[0162]
以上，以新脉冲的特征参数更新参照特征参数的设置，能实现较好的跟踪效果。
[0163]
在一个实施例中，所述步骤6之后还包括步骤8；
[0164]
若新脉冲只跟踪到1次，脉冲消失判定时间设为100秒；
[0165]
若新脉冲跟踪到2次以上，脉冲消失判定时间设为3倍的该脉冲周期。
[0166]
本实施例中，已跟踪到新脉冲的次数来制定相应脉冲消失判定时间；如只跟踪到1次，脉冲消失判定时间设为100秒，即连续100秒未检测到该脉冲，则判定其消失，并从脉冲
跟踪器中移出；如跟踪到2次以上，脉冲消失判定时间设为3倍的脉冲周期；以上针对性的方式能提升跟踪的效率。
[0167]
本发明提供的基于时频分析的高分辨自动侦察方法，将波束的信号进行转换后，进行脉冲段检测，然后根据脉冲段的信息关系完成拼接而形成拼接脉冲段，对脉冲段的频率参数和时间参数进行校正，从而实现时域和频域分辨率的同时保证；获取拼接脉冲段的特征参数为参照特征参数，将新脉冲的特征参数与参照特征参数进行对比，实现新脉冲的跟踪及形式判别。
[0168]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。