一种基于无线电极化特征的跳频网台的分选方法

本公开涉及跳频通信，尤其涉及一种基于无线电极化特征的跳频网台的分选方法。

背景技术：

1、跳频(frequency hopping,fh)通信是扩频通信的主要技术手段之一，其技术原理是指接收双方的传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。由于其具有强抗干扰能力、低截获概率、多组网方式和慢信道衰减等优势，被广泛应用于短波、超短波和数据链通信等军事领域成为作战双方抗干扰、反侦察的主要技术手段，对跳频信号侦察特别是网台分选技术一直是对抗双方的研究热点与焦点。

2、目前，对跳频网台分选方法的研究主要有两类：一类是基于盲源分离(blindsource separation，bss)技术的盲分选方法；另一类是基于跳频参数差异的非盲分选方法。在盲选方法中，根据信号和真元个数的关系又可以分为基于正定、超正定盲源分离的网台分选和基于欠定盲源分离的网台分选。基于正定、超正定的情况下主要采用独立分量分析方法；欠定情况下主要有两种分选思路：第一种思路是先对混合矩阵进行估计，再将源信号进行分离，实现跳频网台分选的“两步法”；第二种思路时同时进行混合矩阵估计和源信号分离，从而完成跳频网台分选的“一步法”，由于“一步法”运算复杂度过高且无法保证全局极值点，因此主要基于“两步法”实现欠定盲源分离的跳频网台分选。

3、现有方法大都基于跳频信号所包含的时频信息展开的研究，当跳频用户在“空时频能”域特征相近甚至相同情况下，特别是跳频参数发生捷变时，时频信息的差异性减小且时频分析的复杂度增大，导致时变混合矩阵估计难度和时频特征提取难度进一步增大，不能满足盲分选以及非盲分选的要求，因此不能很好的进行跳频网台的分选。

4、因此，有必要提出一种方案改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

5、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本公开实施例提供一种基于无线电极化特征的跳频网台的分选方法，包括以下步骤：

2、根据跳频网台发射的电磁波信号的极化状态，推导出所述电磁波信号的双极化特征；

3、利用所述电磁波信号的双极化特征建立极化信号模型，并将所述电磁波信号输入至所述极化信号模型中，得到跳频信号；

4、设计双通道双极化系统，并将所述跳频信号输入至所述双通道双极化系统中，得到所述跳频网台的双极化特征；

5、利用分类判决器对所述跳频网台的双极化特征进行软判决，得到所述跳频网台的分选结果；

6、其中，所述双极化特征包括极化幅度比和极化相位差。

7、本公开的一示例性实施例中，所述电磁波信号的矢量值的表达式包括：

8、

9、其中，ex＝ex0 cos(2πfk·t-bz+φx)，ey＝ey0cos(2πfk·t-bz+φy)；e表示电磁波信号的矢量值；表示x轴方向的单位基矢量；表示y轴方向的单位基矢量；fk表示第k跳电磁波信号的频率，k＝1,2,…,k；

10、b表示空间传播常数；z表示电磁波信号沿z轴方向的传播距离；ex表示电磁波信号在x轴方向的电场振幅分量；ex0表示电磁波信号在x轴方向的初始电场振幅分量；φx表示电磁波信号在x轴方向的相位；ey表示电磁波信号在y轴方向的电场振幅分量；ey0表示电磁波信号在y轴方向的初始电场振幅分量；φy表示电磁波信号在y轴方向的相位；

11、所述电磁波信号的矢量值的复矢量形式表示为：

12、

13、其中，e(t,z)表示电磁波信号值的复矢量形式；e表示电磁波信号的矢量值，j表示虚数单位；表示电磁波信号在x轴方向的相位分量；表示电磁波信号在y轴方向上的相位分量；t表示当前时刻；

14、所述电磁波信号的双极化特征的表达式包括：

15、

16、其中，η表示电磁波信号的双极化特征；γ表示电磁波信号的极化关系角；tanγ表示电磁波信号的极化幅度比，tanγ＝ey0/ex0,γ∈[0,2π)；φ表示电磁波信号的极化相位差，φ＝φy-φx,φ∈[0,2π]。

17、本公开的一示例性实施例中，所述利用所述电磁波信号的双极化特征建立极化信号模型，并将所述电磁波信号输入至所述极化信号模型中，得到跳频信号的步骤包括：

18、建立所述极化信号模型，包括建立一个空间直角坐标系，以及位于所述空间直角坐标系内的电磁矢量传感器；所述电磁矢量传感器包括由相互正交的3个电偶极子和3个磁偶极子的阵元，且3个所述电偶极子的方向分别与所述空间直角坐标系的三条坐标轴平行；所述阵元位于所述空间直角坐标系的坐标中心；

19、将所述电磁波信号输入至所述电磁矢量传感器中，得到所述跳频信号。

20、本公开的一示例性实施例中，所述跳频信号的表达式包括：

21、

22、其中，z(t)表示跳频信号；zk(t)表示阵元对电磁波信号的响应，zk(t)＝ak·sk(t)；sk(t)表示第k跳电磁波信号，ak表示空间直角坐标系中的极化角度的导向矢量；a(t)表示电磁波信号的基带复包络；表示第k跳电磁波信号的初相；t表示电磁波信号的跳周期；在观测时间内共包含k跳电磁波信号，k＝1,2,…,k；fk表示第k跳电磁波信号的频率；t′表示第k跳电磁波信号的起跳时刻，t′＝t-(k-1)t-δt0，t表示当前时刻，δt0表示电磁波信号起始跳的持续时间；

23、所述极化角度的导向矢量的表达式包括：

24、

25、其中，e(k)表示电场强度；h(k)表示磁场强度；θk表示第k跳电磁波信号的俯仰角；表示第k跳电磁波信号的方位角；qx表示与x轴平行的电场分量；qy表示与y轴平行的电场分量；qz表示与z轴平行的电场分量；hx表示与x轴平行磁场分量；hy表示与y轴平行的磁场分量；hz表示与z轴平行的磁场分量；和分别表示不同方向上的极化分量。

26、本公开的一示例性实施例中，所述设计双通道双极化系统，并将所述跳频信号输入至所述双通道双极化系统中，得到所述跳频网台的双极化特征的步骤包括：

27、所述双通道双极化处理系统包括两组相互并联，且结构相同的双极化处理子系统，每组所述双极化处理子系统分别包括依次连接的双极化信号接收子模块、双极化信号处理子模块和双极化特征子模块；其中，

28、所述双极化信号接收子模块包括双极化天线，所述双极化天线包括并联的主极化通道和交叉极化通道，所述主极化通道和所述交叉极化通道的输入端分别用于接收所述跳频信号，所述主极化通道和所述交叉极化通道的输出端分别与所述双极化信号处理子模块对应的输入端连接；

29、所述双极化信号处理子模块包括两组相互并联，且结构相同的第一组双极化信号处理单元和第二组双极化信号处理单元，每组所述双极化信号处理单元分别包括依次连接的噪声处理子单元、宽带数字化处理子单元、混频滤波子单元和希尔伯特变换子单元；所述第一组双极化信号处理单元的输入端与所述主极化通道的输出端连接；所述第二组双极化信号处理单元的输入端与所述交叉极化通道的输出端连接；

30、所述双极化特征子模块包括相互并联的极化相位差单元和极化幅度比单元，以及输出单元；所述极化幅度比单元的输入端分别与两组所述双极化信号处理子模块中的所述第一组双极化信号处理单元的输出端连接，用于将两组所述双极化信号处理子模块输出的主极化信号和交叉极化信号分别作包络检波处理，得到所述极化幅度比；所述极化相位差单元的输入端分别与两组所述双极化信号处理子模块中的所述第二组双极化信号处理单元的输出端连接，用于将两组所述双极化信号处理子模块输出的所述主极化信号和所述交叉极化信号分别作相位检波处理，得到所述极化相位差；所述输出单元用于将所述极化幅度比和所述极化相位差传输至所述分类判决器中。

31、本公开的一示例性实施例中，所述噪声处理子单元包括低噪声放大器；所述宽带数字化处理子单元包括宽带模数转换器；所述跳频信号经过所述低噪声放大器和所述宽带模数转换器的处理后得到所述跳频信号的主极化数字信号和交叉极化数字信号；其中，

32、所述主极化数字信号的表达式包括：

33、

34、其中，ex(nts)表示主极化数字信号，n表示采样点；ts为采样间隔；d表示冲击函数；

35、所述交叉极化数字信号的表达式包括：

36、

37、其中，ey(nts)表示交叉极化数字信号。

38、本公开的一示例性实施例中，将所述主极化数字信号和所述交叉极化数字信号分别进行混频处理和滤波处理，分别得到主极化信号和交叉极化信号；其中，

39、所述混频处理的表达式包括：

40、

41、其中，表示对第m路数字信号进行混频处理；mp表示原始频带的子带的个数；l表示子带的索引号；fp表示子带的带宽，fp＝fnyq/mp；fnyq表示奈奎斯特采样频率；f表示电磁波信号的频率；表示第m路主值序列的离散级数；pm表示第m路主值序列；p1表示第一路主值序列；tnsq表示adc采样时间间隔；

42、所述滤波处理的表达式包括：

43、

44、其中，表示对第m路数字信号进行滤波处理；ts表示滤波采样周期；

45、所述主极化信号的表达式包括：

46、

47、所述主极化信号的数字解析信号的表达式为：

48、

49、

50、其中，表示主极化信号的数字解析信号；表示主极化信号的数字解析信号；n1表示主极化信号的通道噪声；n2表示主极化信号的通道噪声；

51、所述交叉极化信号的表达式包括：

52、

53、其中，和均表示主极化信号输出；和均表示交叉极化信号输出；

54、所述交叉极化信号的数字解析信号的表达式为：

55、

56、

57、其中，表示交叉极化信号的数字解析信号；表示交叉极化信号的数字解析信号；n3表示交叉极化信号的通道噪声；n4表示交叉极化信号的通道噪声。

58、本公开的一示例性实施例中，将所述主极化信号和所述交叉极化信号分别进行希尔伯特变换，得到主极化i数字信号、主极化q数字信号、交叉极化i数字信号和交叉极化q数字信号；其中，

59、所述主极化i数字信号的表达式为：

60、

61、所述主极化q数字信号的表达式为：

62、

63、所述交叉极化i数字信号的表达式为：

64、

65、所述交叉极化q数字信号的表达式为：

66、

67、其中，表示主极化i数字信号；表示主极化q数字信号；表示交叉极化i数字信号；表示交叉极化q数字信号。

68、本公开的一示例性实施例中，将所述主极化i数字信号、所述主极化q数字信号、所述交叉极化i数字信号和所述交叉极化q数字信号分别进行所述相位检波处理和所述包络检波处理，得到所述跳频网台的所述极化幅度比和所述极化相位差；其中，

69、所述极化幅度比的表达式包括：

70、

71、所述极化相位差的表达式包括：

72、

73、其中，表示跳频网台的极化幅度比；φ'表示跳频网台的极化相位差；e1表示主极化信号的幅度值，e1＝g a ex′；ex′表示两个主极化信号相乘后得到的信号；e2表示交叉极化信号的幅度值，e2＝g a ey′；ey′表示两个交叉极化信号相乘后的信号；g表示混频和滤波的增益系数；a表示低噪声放大器的增益系数；v0表示通过双通道的单一通道输出的相干检波，得到的主极化信号和交叉极化信号的相位差。

74、本公开的一示例性实施例中，所述利用分类判决器对所述跳频网台的双极化特征进行软判决，得到所述跳频网台的分选结果的步骤包括：

75、根据所述极化幅度比和所述极化相位差，构造标准拉普拉斯矩阵；所述标准拉普拉斯矩阵的表达式包括：

76、l＝d-1/2l′d-1/2     (22)

77、其中，l表示标准拉普拉斯矩阵；l′表示拉普拉斯矩阵，l′＝d-w；w表示相似度矩阵，d表示度矩阵，所述度矩阵中的第i行元素是所述相似度矩阵的第i行全部元素的累加；aij表示元素si和元素sj之间的相似度；元素si和元素sj分别表示数据集s的第i个元素和第j个元素；所述数据集s包含所述极化幅度比和所述极化相位差；σ2表示尺度函数；

78、计算所述标准拉普拉斯矩阵中最小的k个特征值分别对应的特征向量，对所述特征向量组成的矩阵进行标准化处理，得到特征矩阵x；将所述特征矩阵x的每一行作为一个样本，得到特征向量矩阵y，并对所述特征向量矩阵y中的每一个元素进行标准化处理；其中，

79、所述特征向量为x1,x2,…,xk；所述特征矩阵x为：x＝x1,x2,...,xk,x∈rn×k，rn×k表示n行k列的矩阵；令yi∈rk为所述特征矩阵x的第i行向量，i＝1,2,…,n；所述特征向量矩阵y为：y＝y1,y2,...,yn；对所述特征向量矩阵y中的每一个元素进行标准化处理的表达式为：μ表示标准化参数的均值；d表示标准化参数的标准差；

80、利用k-means算法将所述特征向量矩阵y聚类成簇为c1,c2,…,ci(i＝1,2,…,k)，得到所述特征向量矩阵y的第i行向量yi对应的所述数据集s中元素si的数据；输出簇h1,h2,…,hi,…,hk，hi＝{j|yi∈ci}；hi表示第i个聚类簇；所述聚类簇hi对应的所述元素si的数据的聚类结果即为所述跳频网台的分选结果。

81、本公开提出的一种基于无线电极化特征的跳频网台的分选方法，可以包括以下有益效果：该方法通过将无线电的双极化特征引入跳频侦察，充分利用其极化状态，实现了对跳频网台的精准分选；通过构建双通道双极化处理系统，抑制了信号噪声，保证了双极化特征的提取精度；并利用谱聚类思想，完成了双极化特征的分类判决，本公开能够有效提升跳频网台的分选效果，实现了跳频信号的精准识别。