基于FrFT的线性调频信号参数快速估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于FrFT的线性调频信号参数快速估计方法，可用于雷达目标检测和参数估计系统，对接收到的包含待检测线性调频信号和噪声的混合信号进行平滑滤波处理消除信号中噪声的影响，利用分数阶傅里叶变换的旋转特性实现信号参数估计，只进行两次分数阶傅里叶变换，在不经过二维搜索的情况下查找出峰值点位置，实现信号参数估计，同时保证了估计精度较高，大幅降低了运算量，提高了线性调频信号参数估计方法的计算速度与实时处理性能。

Fast Estimation Method of LFM Signal Parameters Based on FrFT

【技术实现步骤摘要】
基于FrFT的线性调频信号参数快速估计方法
本专利技术涉及雷达
，具体涉及基于分数阶傅里叶变换FrFT(FractionalFourierTransform)的线性调频信号参数快速估计方法，用于雷达目标检测和参数估计系统。
技术介绍
近年来，随着雷达信号处理技术的发展，线性调频信号在雷达、通信和医学等领域得到了越来越多的应用，线性调频信号的检测和参数估计方法重要程度日渐提高，如何快速准确地实现对线性调频信号参数的准确估计一直是研究的重点。传统分数阶傅里叶变换二维搜索线性调频信号参数估计方法是按一定阶次精度在p∈[0,2]范围内进行多次分数阶傅里叶变换，得到变换幅值在阶次-分数阶傅里叶域的二维分布，进而通过二维搜索查找峰值点的方式实现的。段皓楠等人在其发表的论文“基于FRFT插值法的LFM信号参数估计改进算法.微波学报，2015，31(S2)：217-221”中提出一种基于分数阶傅里叶变换插值法的线性调频信号参数估计方法。该方法的实施步骤：第一步：对接收信号进行延时相乘并作傅里叶变换，得到载频估计值；第二步：由载频估计值得到调频斜率的粗略估计，确定一个频率搜索区域；第三步：在搜索区域内使用分数阶傅里叶变换得到信号分数阶变换谱并查找准峰值点；第四步：在准峰值点附近采用插值算法得到信号参数的精确估计。该方法存在的不足之处是：采用粗搜索与精搜索结合的方式只能减少二维搜索耗费的时间，本质上依然是二维搜索，若要达到较高精度依然需要大量计算，并不能显著降低运算复杂度。陈艳丽等人在其申请号为201410823124.X、专利名称为“简明分数阶傅里叶变换及其对线性调频信号的检测和参数估计”中具体公开了基于简明分数阶傅里叶变换的线性调频信号检测与估计方法。该方法的实施步骤为：第一步，根据分数阶傅里叶变换的基本原理提出简明分数阶傅里叶变换及其离散算法，并利用其测得噪声的谱峰值，确定信号检测时的判决门限；第二步，对接收信号进行简明分数阶傅里叶变换得到变换谱，检测是否有高于门限的脉冲峰值，若有则判定信号存在；第三步，搜索峰值位置，根据其坐标估计信号参数。该方法存在的不足之处是，从改进分数阶傅里叶变换离散算法的角度降低运算复杂度，但仍需要按一定精度进行大量分数阶傅里叶变换，并且检测过程仍然采用二维搜索，并不能达到大幅降低运算量的目的。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于FrFT的线性调频信号参数快速估计方法，可用于雷达目标检测和参数估计系统，对接收到的包含待检测线性调频信号和噪声的混合信号进行平滑滤波处理消除信号中噪声的影响，利用分数阶傅里叶变换的旋转特性实现信号参数估计，并且保证了估计精度，大幅降低了运算量，提高了线性调频信号参数估计方法的计算速度与实时处理性能。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。基于FrFT的线性调频信号参数快速估计方法，用于雷达系统，包括以下步骤：步骤1，对雷达接收的线性调频信号s作傅里叶变换，得信号频谱；取信号频谱中的幅值最大值将信号频谱作归一化处理，得归一化频谱；对归一化频谱作平滑滤波处理，得平滑后的归一化频谱；取平滑后的归一化频谱中幅值超过0.5的最小频率作为信号起始频率粗略估计值步骤2，根据所述信号起始频率粗略估计值求解起始频率归零的接收信号s(t)；取p1作为第一个分数阶傅里叶变换的阶次，取p2作为第二个分数阶傅里叶变换的阶次；其中，p1∈(0,1)，p1+p2＝2；分别求取信号起始频率归零的接收信号s(t)在p1、p2两个阶次下分数阶傅里叶变换的起始分数阶频率与截止分数阶频率，得变换阶次p1下的信号的起始分数阶频率u11、变换阶次p1下的信号的截止分数阶频率u12、变换阶次p2下的信号的起始分数阶频率u21和变换阶次p2下的信号的截止分数阶频率u22；步骤3，根据第一个分数阶傅里叶变换的阶次p1、变换阶次p1下的信号的起始分数阶频率u11、变换阶次p1下的信号的截止分数阶频率u12、第二个分数阶傅里叶变换的阶次p2、变换阶次p2下的信号的起始分数阶频率u21和变换阶次p2下的信号的截止分数阶频率u22，求解线性调频信号的最优分数阶傅里叶变换阶次估计值以及阶次分数阶傅里叶变换谱的最大值对应的分数阶频率步骤4，根据所述线性调频信号的最优分数阶傅里叶变换阶次估计值以及阶次分数阶傅里叶变换谱的最大值对应的分数阶频率利用如下分数阶傅里叶变换与信号频率参数的对应公式，分别计算线性调频信号的调频斜率估计值和线性调频信号的中心频率估计值其中，cot表示取余切操作，csc表示取余割操作，fs表示采样频率，td表示信号时长，π表示圆周率符号。优选的，步骤1中，所述平滑滤波处理的公式如下：其中，Ps(n)表示平滑后的归一化信号幅度谱，P(m)表示信号幅度谱，M表示平滑点数，m,l表示离散信号点数索引，|·|2表示取模值平方操作，N表示接收信号离散化的总点数。优选的，步骤2中，所述求解起信号始频率归零的接收信号s(t)的公式如下：其中，s(t)表示起始频率归零的接收信号，x(t)表示接收信号第t个采样点上的幅值，t表示信号时域采样点数，exp表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号。优选的，步骤2中，所述分数阶傅里叶变换的公式如下：其中，Xp(u)为原始信号的分数阶傅里叶变换，f(t)表示原始信号，p表示变换阶次，u表示分数阶傅里叶域点数，t表示信号时域采样点数，表示从负无穷到正无穷的积分，Kp(u,t)表示分数阶傅里叶变换的核函数；分数阶傅里叶变换的核函数Kp(u,t)为：其中，α表示旋转角度，且有j表示虚数单位符号，表示开平方操作，exp表示以自然常数e为底的指数操作，δ(·)表示冲激函数，n表示整数。优选的，步骤2中，分别求取信号起始频率归零的接收信号s(t)在p1、p2两个阶次下分数阶傅里叶变换的起始分数阶频率与截止分数阶频率，具体包含以下子步骤：子步骤2a，对起始频率归零的接收信号s(t)分别作p1、p2阶次下的分数阶傅里叶变换，分别得到p1、p2分数阶傅里叶变换幅度谱；并分别取p1、p2分数阶傅里叶变换幅度谱中的幅值最大值将对应分数阶傅里叶变换幅度谱作归一化处理，分别得到p1、p2归一化的分数阶傅里叶变换幅度谱；子步骤2b，分别将p1、p2归一化的分数阶傅里叶变换幅度谱作平滑滤波处理，分别得p1、p2平滑后的归一化幅度谱；子步骤2c，将p1平滑后的归一化幅度谱中幅值超过0.5的最小分数阶频率作为变换阶次p1下的信号的起始分数阶频率u11，将p1平滑后的归一化幅度谱中幅值超过0.5的最大分数阶频率作为变换阶次p1下的信号的截止分数阶频率u12；将p2平滑后的归一化幅度谱中幅值超过0.5的最小分数阶频率作为变换阶次p2下的信号的起始分数阶频率u21，将p2平滑后的归一化幅度谱中幅值超过0.5的最大分数阶频率作为变换阶次p2下的信号的截止分数阶频率u22。优选的，步骤2中，p1取0.7，p2取1.3。优选的，步骤3具体包含以下子步骤：子步骤3a，将p1、u11、u12、p2、u21、u22分别代入分数阶傅里叶变换旋转曲线在阶次-分数阶傅里叶域的旋转方程u＝tcosα+fsinα中，得到两组如下的方程组，分别求解两组参数(t1,f1)和(t2,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于FrFT的线性调频信号参数快速估计方法，用于雷达系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对雷达接收的线性调频信号s作傅里叶变换，得信号频谱；取信号频谱中的幅值最大值将信号频谱作归一化处理，得归一化频谱；对归一化频谱作平滑滤波处理，得平滑后的归一化频谱；取平滑后的归一化频谱中幅值超过0.5的最小频率作为信号起始频率粗略估计值

【技术特征摘要】
1.基于FrFT的线性调频信号参数快速估计方法，用于雷达系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对雷达接收的线性调频信号s作傅里叶变换，得信号频谱；取信号频谱中的幅值最大值将信号频谱作归一化处理，得归一化频谱；对归一化频谱作平滑滤波处理，得平滑后的归一化频谱；取平滑后的归一化频谱中幅值超过0.5的最小频率作为信号起始频率粗略估计值步骤2，根据所述信号起始频率粗略估计值求解起始频率归零的接收信号s(t)；取p1作为第一个分数阶傅里叶变换的阶次，取p2作为第二个分数阶傅里叶变换的阶次；其中，p1∈(0,1)，p1+p2＝2；分别求取信号起始频率归零的接收信号s(t)在p1、p2两个阶次下分数阶傅里叶变换的起始分数阶频率与截止分数阶频率，得变换阶次p1下的信号的起始分数阶频率u11、变换阶次p1下的信号的截止分数阶频率u12、变换阶次p2下的信号的起始分数阶频率u21和变换阶次p2下的信号的截止分数阶频率u22；步骤3，根据第一个分数阶傅里叶变换的阶次p1、变换阶次p1下的信号的起始分数阶频率u11、变换阶次p1下的信号的截止分数阶频率u12、第二个分数阶傅里叶变换的阶次p2、变换阶次p2下的信号的起始分数阶频率u21和变换阶次p2下的信号的截止分数阶频率u22，求解线性调频信号的最优分数阶傅里叶变换阶次估计值以及阶次分数阶傅里叶变换谱的最大值对应的分数阶频率步骤4，根据所述线性调频信号的最优分数阶傅里叶变换阶次估计值以及阶次分数阶傅里叶变换谱的最大值对应的分数阶频率利用如下分数阶傅里叶变换与信号频率参数的对应公式，分别计算线性调频信号的调频斜率估计值和线性调频信号的中心频率估计值其中，cot表示取余切操作，csc表示取余割操作，fs表示采样频率，td表示信号时长，π表示圆周率符号。2.根据权利要求1所述的基于FrFT的线性调频信号参数快速估计方法，其特征在于，步骤1中，所述平滑滤波处理的公式如下：其中，Ps(n)表示平滑后的归一化信号幅度谱，P(m)表示信号幅度谱，M表示平滑点数，m,l表示离散信号点数索引，|·|2表示取模值平方操作，N表示接收信号离散化的总点数。3.根据权利要求1所述的基于FrFT的线性调频信号参数快速估计方法，其特征在于，步骤2中，所述求解起信号始频率归零的接收信号s(t)的公式如下：其中，s(t)表示起始频率归零的接收信号，x(t)表示接收信号第t个采样点上的幅值，t表示信号时域采样点数，exp表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号。4.根据权利要求1所述的基于FrFT的线性调频信号参数快速估计方法，其特征在于，步骤2中，所述分数阶傅里叶变换的公式如下：其中，Xp(u)为原始信号的分数阶傅里叶变换，f(t)表示原始...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗勇江，李锐，汤建龙，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61