一种已知占空比的自适应门限信号检测方法技术

本发明专利技术涉及一种已知占空比的自适应门限信号检测方法。本方法首先对信号包络进行低通滤波平滑，然后计算滤波后信号包络的均值和二阶矩，根据均值和二阶矩反推信号的高电平和低电平，从而确定出信号的最优检测门限，实现对信号有无的检测，并同时可以确定信号的到达时间和信号持续时间估计。本方法提高在多个干扰信号存在条件下较低信噪比的微弱信号检测概率，同时降低虚警概率；可以应用于反无人机的信号检测中，还可以应用于所有其它的合作信号检测领域，例如通信多用户检测、雷达信号检测、认知无线电等领域中。

An Adaptive Threshold Signal Detection Method with Known Duty Ratio

The invention relates to an adaptive threshold signal detection method with known duty cycle. Firstly, the signal envelope is smoothed by low-pass filtering, then the mean and second-order moments of the signal envelope after filtering are calculated, and the high-level and low-level of the signal are deduced according to the mean and second-order moments, thus the optimal detection threshold of the signal is determined to detect whether the signal exists or not, and the arrival time of the signal and the estimation of the signal duration can be determined at the same time. This method improves the detection probability of weak signals with low signal-to-noise ratio and reduces the false alarm probability in the presence of multiple jamming signals. It can be applied to signal detection of anti-UAV and all other cooperative signal detection fields, such as communication multi-user detection, radar signal detection, cognitive radio and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种已知占空比的自适应门限信号检测方法
本专利技术涉及无线电频谱感知领域，具体涉及反无人机无线电频谱感知领域中一种已知信号占空比条件下能够自适应计算检测门限并进行检测的方法。
技术介绍
近年来，各类民用或者工业中小型无人机，特别是小型多旋翼无人机，不仅成为各行业新兴的专业设备，也成为普通民众生活中常见的热门工具。但其也带来诸多低空防护的安全威胁。由于无人机在飞行和拍摄过程中，需要回传飞机参数和图像数据等以便操作者需要对其进行控制，因此无人机将发出测控和数传信号，操作者也将发出遥控信号，不同厂家、型号无人机测控和数传信号有其各自的参数特点。通过无线电频谱感知手段对这些无人机辐射的信号可以进行被动截获、参数测量、测向，根据其载频、调制方式、持续时间等进行判别，就可以识别出无人机的型号。再通过对其方向的测量，可通过多站测向交叉或者时差无源定位的方式实现对无人机的精确定位，从而有可能可以实现对无人机及其操作者的定位、识别、跟踪。与雷达、光电、声音探测等多种探测手段相比，无线电频谱感知手段由于其探测距离远、不受雨雪雾天气和光照影响、无人机型号识别能力强等特点受到广泛关注，并成为反无人机领域不可缺少的一种手段。在反无人机无线电频谱感知过程中，由于无人机发射的信号功率很小，而且发射频段多为无需申请的公用ISM频段，周围环境中可能存在较强的其它干扰如Wifi数据通信、蓝牙等其它信号干扰源，如何在干扰条件下有效、可靠地实现对低信噪比条件下的无人机信号的检测成为一个关键问题。中国专利200910032873.X提出了一种基于判决门限自适应的信号频谱感知与检测方法，首先在信号小波变换基础上分离出信号和噪声，根据噪声功率估计计算检测器的判决门限。中国专利201110336915.6提出了一种自适应门限的能量检测方法，通过离线建立能量判决门限决策函数，根据不同信噪比动态地调整能量判决门限的值，然后在线进行判决。上述方法对多个干扰信号存在时或者接收机增益动态调整时无法适应。中国专利201110291275.1提出了一种基于自适应双门限的认知无线电频谱检测方法与装置，根据上一次判决结果与随机噪声影响选择本次判决门限值，再基于选择的本次判决门限值对所述接收信号能量值E进行判决，得到本次判决结果，但这种方法对弱信号的检测效果不佳。中国专利201310344381.0提出了一种基于能量检测的信号检测方法，根据系统分析带宽内的频谱分段能量方差，确定是否有信号存在，但这种方法无法确定信号的到达时间。张玉龙等提出一种基于统计直方图的信号检测算法(张玉龙等，一种基于统计直方图的信号检测算法，军事通信技术，2017.3(1):26-30),在对信号的均值滤波、直方图的生成和噪声、信号线的划定基础上将信号划分为信号区域、噪声区域和待定区域，实现自适应阈值计算和判决，该方法计算量大且对弱信号的检测效果不强。由于在实际探测过程中，通常需要对特定的多种(大于3种以上)的无人机信号进行探测，而每一种无人机信号的包络是存在较为固定的占空比的。因此可以利用信号的占空比和信号的多阶矩特性，在干扰中确定信号可能存在的高电平(信号加噪声的幅度)和低电平(噪声的幅度)，从而最优地确定出较优的检测门限。
技术实现思路
针对反无人机领域干扰众多、所需探测的信号微弱信噪比低的情况，本专利技术提出了一种已知占空比条件下的信号自适应检测方法。该方法首先对信号包络进行低通滤波平滑，然后计算滤波后信号包络的均值(一阶矩)和二阶矩，根据均值和二阶矩反推信号的高电平和低电平，从而确定出信号的最优检测门限，实现对信号有无的检测，并同时可以确定信号的到达时间和信号持续时间估计。为了实现上述专利技术目的，所述专利技术对于输入的信号x(t)先进行求取包络并进行低通滤波，然后计算滤波后的信号包络的均值和方差，再计算最优门限进行判决。具体包括以下步骤：步骤1：对输入信号x(t)求取包络，得到包络信号x1(t)＝|x(t)|，其中“|·|”表示取求模运算。输入信号可以是复信号，也可以是实信号；步骤2：对包络信号x1(t)进行低通滤波，得到滤波后的包络信号x2(t)。低通滤波的带宽B可以选择为所需探测信号最小可能持续时间τmin倒数的8-10倍以上，但是小于输入的信号x(t)的带宽Bn(或者接收机带宽)，即：具体低通滤波的方法可以采用公知的所有滤波方法，均不影响。步骤3：计算滤波后信号包络x2(t)的一阶矩(均值)μ和二阶矩V，即μ＝E(x2(t))步骤4：根据先验已知的信号平均占空比其中T1为信号平均持续时间，T0为信号平均间隔时间，计算信号的高电平VH和低电平VL，即其中，a＝T2q(1-q)+T2q2，b＝-2T2qμ，c＝T2μ2-T(1-q)V，T＝T1+T0为信号的总持续时间；步骤5：计算最优检测门限为在步骤5中为了保证计算的稳健性，在本方法求取最优检测门限失败时(一般主要是信号占空比假设严重偏离真实情况时)，直接用均值替代最优检测门限；步骤6：根据最优检测门限，对信号进行检测，并将上升沿超过门限Th的时刻定义为信号到达时间ttoa，将下降沿低于门限Th的时刻定义为信号的结束时刻，有信号到达时间和结束时间可以确定信号的持续时间τ。采用本专利技术可以达到如下的有益效果：1、由于有用信号与干扰信号的占空比不一样，因此本专利技术方法可以提高在多个干扰信号存在条件下较低信噪比的微弱信号检测概率，同时降低虚警概率；2、本专利技术方法可以自适应计算检测门限，可以适用于未知接收机噪声水平或者接收机增益变化调整的情况；3、本专利技术方法不仅可以检测信号存在与否，还能检测出信号到达时间和信号持续时长，对于信号类型识别和时差定位可以产生有益影响；4、本专利技术方法不仅可以应用于反无人机的信号检测中，还可以应用于所有其它的合作信号检测领域，例如通信多用户检测、雷达信号检测、认知无线电等领域中。附图说明图1本专利技术信号检测方法的原理图；图2本专利技术所述的信号检测方法的流程图；图3实际接收信号检测的实施例波形和结果图。具体实施方式下面，结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术信号检测方法的原理中，由于图中滤波后的包络信号中叠加了未知的噪声，如何在含噪声的波形中确定信号的幅度VH(即高电平)和噪声幅度VL(低电平)也就成为一个重要问题。为此，可以采用统计的方法，即对上述信号分别求解其一阶矩μ、二阶矩V，由推导可知，一二阶矩与信号的幅度VH(即高电平)和噪声幅度VL(低电平)分别存在如下关系：因此，解上述二元二次方程，即可得到高电平和低电平的值：其中，a＝T2q(1-q)+T2q2，b＝-2T2qμ，c＝T2μ2-T(1-q)V，T＝T1+T0为信号的总持续时间。根据高电平值和低电平值可以得到最优门限为如图2所示，专利技术对于输入的信号x(t)先进行求取包络并进行低通滤波，然后计算滤波后的信号包络的均值和方差，再计算最优门限进行判决。具体包括以下步骤：步骤1：对输入信号x(t)求取包络，得到包络信号x1(t)＝|x(t)|，其中“|·|”表示取求模运算。输入信号可以是复信号，也可以是实信号。步骤2：对包络信号x1(t)进行低通滤波，得到滤波后的包络信号x2(t)。低通滤波的带宽B可以选择为所需探测信号最小可能持续时间τmin倒数的8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种已知占空比的自适应门限信号检测方法，首先对信号包络进行低通滤波平滑，然后计算滤波后信号包络的均值和二阶矩，根据均值和二阶矩反推信号的高电平和低电平，从而确定出信号的最优检测门限，实现对信号有无的检测，并同时可以确定信号的到达时间和信号持续时间估计；对于输入的信号x(t)先进行求取包络并进行低通滤波，然后计算滤波后的信号包络的均值和方差，再计算最优门限进行判决，具体包括以下步骤：步骤1：对输入信号x(t)求取包络，得到包络信号x1(t)＝|x(t)|，其中“|·|”表示取求模运算，输入信号是复信号，或者是实信号；步骤2：对包络信号x1(t)进行低通滤波，得到滤波后的包络信号x2(t)，低通滤波的带宽B可以选择为所需探测信号最小可能持续时间τmin倒数的8‑10倍以上，但是小于输入的信号x(t)的带宽Bn，即：

【技术特征摘要】
1.一种已知占空比的自适应门限信号检测方法，首先对信号包络进行低通滤波平滑，然后计算滤波后信号包络的均值和二阶矩，根据均值和二阶矩反推信号的高电平和低电平，从而确定出信号的最优检测门限，实现对信号有无的检测，并同时可以确定信号的到达时间和信号持续时间估计；对于输入的信号x(t)先进行求取包络并进行低通滤波，然后计算滤波后的信号包络的均值和方差，再计算最优门限进行判决，具体包括以下步骤：步骤1：对输入信号x(t)求取包络，得到包络信号x1(t)＝|x(t)|，其中“|·|”表示取求模运算，输入信号是复信号，或者是实信号；步骤2：对包络信号x1(t)进行低通滤波，得到滤波后的包络信号x2(t)，低通滤波的带宽B可以选择为所需探测信号最小可能持续时间τmin倒数的8-10倍以上，但是小于输入的信号x(t)的带宽Bn，即：具体低通滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：常宇亮，卢树军，赵征宇，
申请(专利权)人：湖南猎航电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43