一种线性调频信号的检测、参数估计方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种线性调频信号的检测方法及系统，所述方法包含以下步骤：输入待检测的信号，并对待检测信号进行预处理；采用优化的分数阶傅里叶变换方法-简明分数阶傅里叶变换计算预处理后的信号序列在各个角度上的分数阶频谱，进而输出沿角度和频率二维方向分布的分数阶谱分布；在角度和频率二维平面上搜索分数阶谱，进而查找分数阶频谱结果的最大值点，若该点的谱能量高于设定阈值，则待检测信号中存在线性调频信号。其中，所述优化的简明分数阶傅里叶变换方法为：首先对信号序列进行一次chirp相乘，在时频平面上表现为频率轴的旋转，从而得到不同的角度上信号的时频结构；然后对旋转后的信号进行傅里叶变换得到旋转信号的分数阶频谱。

【技术实现步骤摘要】
一种线性调频信号的检测、参数估计方法及系统
本专利技术涉及信号处理领域，具体涉及雷达或水声领域线性调频信号的一种检测方法-简明的分数阶傅里叶变换方法，该变换可用以分析信号的分数阶域频谱分布特性，利用信号的分数阶频谱分布进行线性调频信号的检测和参数估计。
技术介绍
对一个给定信号，可以通过不同形式进行描述。信号的幅度随着时间的变化关系构成了信号的时域形式。傅里叶变换则将信号从时间域变换到频率域，丰富了信号特征的描述方式。但傅里叶变换难以分析信号的局部特征，对于非平稳信号无法准确描述其特性。由此信号处理方法进一步发展，出现了短时傅里叶变换、Wigner分布、Gabor变换和小波变换等时频分析工具。随着时频分析研究方法的发展，研究人员尝试从更宽的视角来对信号进行分析，于是出现了广义傅里叶变换方法-分数阶傅里叶变换，将信号处理的空间扩展到了分数阶傅里叶域。随着分数阶傅里叶变换阶数从0变化到1，分数阶傅里叶变换展示了信号由时域逐渐变换到频域的信号特征变化，给出了更丰富、更精细的信号特征信息，从而在信号处理方面有一些应用，如线性调频信号的检测，数字水印。对信号x(t)，其分数阶傅里叶变换的定义为：其中kα(μ,t)为变换的核函数，具体形式为：定义α＝p·π/2，p称为分数阶傅里叶变换的分数阶。记信号的Wigner分布为：Almeida对分数阶傅里叶变换与Wigner分布的关系进行了研究，得出：参数之间的关系为：也就是说，分数阶傅里叶变换Xα(μ)是将信号x(t)的时频平面坐标轴逆时针旋转角度α后取新坐标系下μ轴上的信号能量分布，如图1所示。该变换突破了传统时频分布中频率轴处于角度α＝π/2上的限制，可以从任意角度分析信号的频谱分布情况。由于线性调频信号在时频平面上呈背鳍式直线分布，直线斜率等于调频斜率。由分数阶傅里叶变换原理可知，当μ轴旋转到与线性频谱所在直线正交时，分数阶傅里叶变换会使信号不同时刻的能量投影在同一点，此时分数阶傅里叶变换呈现为冲击形式，从而可以检测出线性调频信号，因此，分数阶傅里叶变换在检测线性调频信号时具有天然的优势。该检测方法应用的关键在于分数阶傅里叶变换的离散计算，不仅要求计算结果的准确度，而且计算速度也是方法推广应用的重要指标。当前，应用最广的离散分数阶傅里叶变换算法为Ozaktas采样型算法。该算法将分数阶傅里叶变换离散为如下形式：其中，γ＝cotα,β＝cscα。根据该表达式，算法实现的步骤如下：(1)对采样信号进行量纲归一化处理，将信号序列变换到从而使时频域范围确定为(-Δx,Δx)；(2)对归一化后的信号序列进行香农内插，得到加密的信号序列(3)对序列进行chirp相乘，得到中间变量：(4)对s(n)进行卷积，得到(5)对g(n)进行chirp相乘，得到该方法能得到信号较为精确的分数阶频谱，但在计算复杂度方面存在不足，有改进的空间：在分数阶傅里叶变换的定义下，整个坐标轴都进行了旋转，但分析信号的分数阶频谱时，只需要频谱分布所在的轴线进行旋转扫描信号的能量密度谱即可。因此分数阶傅里叶变换存在冗余操作，复杂度较高。由于分数阶傅里叶变换定义的制约，相应的离散算法实现较为复杂，对于Ozaktas采样型算法，需要进行一次内插，两次chirp相乘和一次卷积。长度为N的数据采样，单次分数阶傅里叶变换实现的计算量为：8N+6N·log2(2N)。在进行线性调频信号的参数估计时，要在整个分数阶域上进行分数阶谱的计算，总计算量较为庞大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为克服上述问题，本专利技术提供一种线性调频信号的检测、参数估计方法及系统。为了实现上述目的，本专利技术提供的一种线性调频信号的检测方法，所述方法包含以下步骤：1-1)输入待检测信号的采样信号并对信号进行量纲归一化预处理得到信号序列；1-2)采用简明分数阶傅里叶变换方法计算预处理后的信号序列在各个角度上的分数阶频谱，输出沿角度α和频率μ二维方向分布的分数阶谱Xα(μ)；其中，所述简明分数阶傅里叶变换方法为：首先对信号序列进行一次chirp相乘，在时频平面上表现为频率轴的旋转，从而得到不同的角度上信号的时频结构；然后对旋转后的信号进行傅里叶变换得到其分数阶频谱；1-3)在角度和频率二维平面上搜索，寻找简明分数阶傅里叶变换结果的最大值点，若该点的谱能量高于设定阈值，则待检测信号中存在线性调频信号，否则不存在线性调频信号。可选的，上述简明分数阶傅里叶变换采用离散算法实现。上述步骤1-1)具体为：将待检测信号进行采样，再将采样后的信号进行量纲归一化处理，将信号序列变换为其中，为对待检测信号进行预处理后得到的信号序列，fs为信号的采样频率，Δx为量纲归一化后信号的采样频率，且T为信号采样的时长；上述简明分数阶傅里叶变换离散方法进一步包含如下步骤：3-1)将变换后的序列与chirp函数序列相乘，得到时频结构旋转的信号：3-2)对时频结构旋转后的信号s(n)进行快速傅里叶变换得到信号的分数阶频谱，即得到优化的分数阶傅里叶变换的最终结果：其中，N表示输入采样信号的长度。此外，本专利技术提供一种线性调频信号的参数估计方法，所述方法包含：1)输入待检测信号的采样信号，并对信号进行量纲归一化处理得到新的信号序列；2)采用简明分数阶傅里叶变换方法计算所得的信号序列在各个角度上的分数阶频谱，输出沿角度α和频率μ二维方向分布的分数阶谱分布Xα(μ)；其中，所述简明分数阶傅里叶变换策略为：首先对信号序列进行一次chirp相乘，在时频平面上表现为频率轴的旋转，从而得到不同的角度上信号的时频结构；然后对旋转后的信号进行傅里叶变换得到其分数阶频谱；4-3)在角度和频率二维平面上搜索，寻找简明分数阶傅里叶变换结果的最大值点，若该点的谱能量高于设定阈值，则待检测信号中存在线性调频信号；4-4)在所得平面(α,μ)内获取分数阶频谱的峰值所在坐标的位置，进而进行线性调频信号的斜率和中心频率等参数的估计。可选的，上述步骤4-4)中估计线性调频信号的斜率和中心频率参数的计算公式为：调频斜率：k＝-cotα0/S2中心频率：f0＝μ0其中为信号归一化时采用的尺度因子，其中T为信号的采样时长，fs为信号的采样频率，(α0，μ0)为在所得平面(α,μ)内获取的分数阶频谱的峰值处的坐标。本专利技术还提供一种线性调频信号的检测系统，所述系统包含：信号采集模块，用于采集待检测的信号，并对信号进行归一化处理得到预处理后的信号序列；简明傅里叶变换模块，采用简明分数阶傅里叶变换方法计算预处理后的信号序列在各个角度上的分数阶频谱，输出沿角度和频率二维方向分布的分数阶谱分布；检测模块，在角度和频率二维平面上搜索分数阶谱，寻找分数阶频谱结果的最大值点，若该点的谱能量与其余个点的谱能量值高于设定阈值，则待检测信号中存在线性调频信号，否则不存在线性调频信号。可选的，上述优化的分数阶傅里叶变换处理模块具体采用离散算法方式实现。上述优的简明傅里叶变换处理模块进一步包含：时频结构旋转处理模块，将预处理后得到的信号序列与chirp函数相乘，得到时频分布被旋转的信号；傅里叶变换模块，用于对旋转处理子模块输出的信号进行快速傅里叶变换得到分数阶傅里叶变换结果。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：采用简明分数阶傅里叶变换来进行线性调频信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线性调频信号的检测方法，所述方法包含以下步骤：1‑1)输入待检测信号的采样信号并对信号进行量纲归一化预处理得到信号序列；1‑2)采用简明分数阶傅里叶变换方法计算预处理后的信号序列在各个角度上的分数阶频谱，输出沿角度α和频率μ二维方向分布的分数阶谱Xα(μ)；其中，所述简明分数阶傅里叶变换方法为：首先对信号序列进行一次chirp相乘，在时频平面上表现为频率轴的旋转，从而得到不同的角度上信号的时频结构；然后对旋转后的信号进行傅里叶变换得到其分数阶频谱；1‑3)在角度和频率二维平面上搜索，寻找简明分数阶傅里叶变换结果的最大值点，若该点的谱能量高于设定阈值，则待检测信号中存在线性调频信号，否则不存在线性调频信号。

【技术特征摘要】
1.一种线性调频信号的检测方法，所述方法包含以下步骤：1-1)输入待检测信号的采样信号并对信号进行量纲归一化预处理得到信号序列；1-2)采用简明分数阶傅里叶变换方法计算预处理后的信号序列在各个角度上的分数阶频谱，输出沿角度α和频率μ二维方向分布的分数阶谱Xα(μ)；所述简明分数阶傅里叶变换的核函数为：简明分数阶傅里叶变换的表达式为：其中，所述简明分数阶傅里叶变换方法为：首先对信号序列进行一次chirp相乘，在时频平面上表现为频率轴的旋转，从而得到不同的角度上信号的时频结构；然后对旋转后的信号进行傅里叶变换得到其分数阶频谱；1-3)在角度和频率二维平面上搜索，寻找简明分数阶傅里叶变换结果的最大值点，若该点的谱能量高于设定阈值，则待检测信号中存在线性调频信号，否则不存在线性调频信号。2.根据权利要求1所述的线性调频信号的检测方法，其特征在于，所述简明分数阶傅里叶变换采用离散算法实现。3.根据权利要求1所述的线性调频信号的检测方法，其特征在于，所述步骤1-1)具体为：对待检测的信号进行采样，再将采样信号进行量纲归一化处理，将信号序列变换为其中，为对待检测信号进行预处理后得到的信号序列，fs为信号的采样频率，Δx为量纲归一化后信号的采样频率，且T为信号采样的时长。4.根据权利要求3所述的线性调频信号的检测方法，其特征在于，所述简明分数阶傅里叶变换离散方法进一步包含如下步骤：3-1)将变换后的序列与chirp函数序列相乘，得到时频结构旋转的信号：3-2)对时频结构旋转后的信号s(n)进行快速傅里叶变换得到信号的分数阶频谱，即得到优化的分数阶傅里叶变换的最终结果：其中，N表示输入采样信号的长度。5.一种线性调频信号的参数估计方法，所述方法包含：4-1)输入待检测信号的采样信号，并对信号进行量纲归一化处理得到新的信号序列；4-2)采用简明分数阶傅里叶变换方法计算所得的信号序列在各个角度上的分数阶频谱，输出沿角度α和频率μ二维方向分布的分数阶谱分布Xα(μ)；所述简明分数阶傅里叶变换的核函数为：简明分数...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艳丽，郭良浩，宫在晓，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11