一种基于线性调频信号的时频二维同步方法技术

本发明专利技术涉及一种基于线性调频信号的时频二维同步方法，该方法通过对接收到的线性调频信号进行补零操作，对补零后的线性调频信号进行时间反转或平移处理，获得时间反转信号或平移信号；其次根据发射的线性调频信号的调频率，设置接收信号最佳变换阶次的搜索范围；然后在接收信号最佳变换阶次的搜索范围内，利用分级迭代算法搜索获得接收信号在FrFT域上的最佳变换阶次，进而得到时间反转信号或平移信号在FrFT域上的最佳变换阶次，并利用最佳变换阶次计算获得各信号相对应的频率值；最后利用计算获得的频率值计算得到接收信号的多普勒系数和时延，实现信号的时频二维同步。利用上述时频二维同步方法，降低了系统的计算量，提高了参数估计的精确度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于线性调频信号的时频二维同步方法
本专利技术涉及水声通信
，特别涉及一种基于线性调频信号的时频二维同步方法。
技术介绍
时频二维同步即对接收信号的起始时间和多普勒系数进行估计。无论是在水声通信领域，还是在目标探测识别领域，对接收信号进行时频二维同步都有着至关重要的作用。从水声通信角度看，时频二维同步是通信的前提和基础；从目标探测识别角度看，接收信号起始时间和多普勒系数估计的准确性，直接决定了目标距离和速度的估计精度。分数阶傅里叶变换(FrFT)是一种广义的傅里叶变换，可以将信号在一组正交的线性调频(LFM)信号基上展开，在处理线性调频类信号方面有很好的检测效果。FrFT在适当的旋转阶次上能实现LFM信号的能量聚集，具有很强的抗多径干扰和抗噪声干扰的能力，是一种现在常用的信号二维同步方法。目前利用FrFT对LFM信号进行时频二维同步的方法主要有三种：第一种方法是对单个LFM信号直接做FrFT，通过估计接收信号的最佳变换阶次，利用最佳变换阶次与LFM信号调频率的关系来估计信号的时频二维参数，但由于最佳变换阶次很难精确估计，这种方法精度不高。第二种方法是发射多分量线性调频信号，根据各个分量估计的频率和时延信息的关系，得到准确的时频二维信息。但这种方法发射端信号比较复杂，而且受量化误差的影响，估计精度有限。第三种方法是发射两个平行的线性调频信号，这样在微小频偏下假设信号的调频率不变，极大的可以降低计算量，但这种方法在接收信号有较大多普勒时同步性能会变差，不适合于高速相对运动目标的二维参数同步。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为了克服现有时频二维同步方法存在估计结果精度低的技术问题，本专利技术提供一种基于线性调频信号的时频二维同步方法，该方法简化了FrFT算法的计算量，提高了信号的抗干扰能力和信号参数估计的准确性和实用性。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案所提供的一种基于线性调频信号的时频二维同步方法，该方法具体包括：步骤1)在信号发射端生成并发射线性调频信号，并通过水声信道传输至信号接收端；步骤2)将信号接收端接收到的线性调频信号进行补零操作，对补零后的线性调频信号进行时间反转或平移处理，获得时间反转信号或平移信号；步骤3)根据步骤1)中发射的线性调频信号的调频率，设置接收信号最佳变换阶次的搜索范围；步骤4)在接收信号最佳变换阶次的搜索范围内，利用分级迭代算法搜索获得接收信号在FrFT域上的最佳变换阶次，进而得到时间反转信号或平移信号在FrFT域上的最佳变换阶次；步骤5)在步骤4)中获得的两个最佳变换阶次下，分别对接收信号以及时间反转信号或平移信号进行分数阶傅里叶变换，并在两个信号的峰值位置采用三次样条插值算法计算获得各信号相对应的频率值；和步骤6)利用步骤5)中获得的两个频率值计算得到接收信号的多普勒系数和时延。作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1)中生成的线性调频信号表示为：s(t)＝Acos(2πf0t+πkt2+φ},0≤t＜T其中，s(t)表示线性调频信号，A为信号的幅值，f0、k、φ、T分别为线性调频信号的起始频率、调频斜率、初始相位和信号周期，f0、k根据信号发射端的系统带宽和中心频率确定，φ为0到2π的任意值。作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤3)具体包括：步骤301)计算发射的线性调频信号在FrFT域上的最佳变换阶次popt，计算公式表示为：其中，arcot为反余切的数学表达式；步骤302)以最佳变换阶次popt取至小数点后两位形成的数值作为参考数据，利用该参考数据设置接收信号最佳变换阶次的搜索范围。作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤4)中分级迭代算法的具体操作步骤为：步骤401)设置最佳变换阶次的初始搜索范围a＝[popt-0.005,popt+0.005]，设置搜索次数为tN，其中popt精确到小数点后两位，搜索精度r＝0.001；步骤402)计算接收信号在FRFT域上对应的最大阶次p；步骤403)更新a＝[max(popt-0.005,p-r/2),min(p+r/2,popt+0.005)]，令r＝r/10和tN＝tN-1；步骤404)如果tN>0，重复执行步骤402)和步骤403)，否则输出步骤402)中计算获得的最大阶次p作为最佳变换阶次。作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤5)中接收信号相对应的频率值的计算公式表示为：所述步骤5)中时间反转信号或平移信号相对应的频率值的计算公式表示为：其中，f′0为接收信号的等效起始频率，k'为接收信号的调频率，即k'＝kD2，D为多普勒系数，τ为接收信号的时间延迟，T1′表示补零后的接收信号长度，Δt为对信号平移的时间长度。作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤6)中接收信号的多普勒系数的计算公式表示为：所述步骤6)中接收信号的延迟的计算公式表示为：本专利技术的一种利用线性调频信号时域虚拟信号的时频二维同步方法优点在于：1、利用原始信号及其时间反转或平移后虚拟信息在FrFT域的峰值对称性，可以消除单个信号峰值位置的估计偏差，提高了信号的抗干扰能力和估计精度；2、相比于传统采用的等间距逐点搜索算法，本专利技术采用分级迭代算法搜寻信号的最佳变换阶次，极大地降低了系统的计算量，提高了参数估计的准确性和实用性；3、通过信号的时域补零扩展，增大了信号的时间窗口长度，提高了信号的频率分辨率；在FrFT域上峰值位置附近进行三次样条插值，增加了峰值位置附近的量化点数，使峰值附近的波形更加平滑，提高了峰值位置的估计精度。通过以上操作，能够提高系统的量化精度，使系统误差进一步的降低。附图说明图1为本专利技术提供的时频二维同步方法的操作流程图；图2为本专利技术中的接收信号及时间反转信号经分数阶傅里叶变换后获得的信号峰值位置；图3为在不同信噪比下实施本专利技术的时频二维同步方法后的频偏估计误差图；图4为在不同信噪比下实施本专利技术的时频二维同步方法后的时延估计误差图。具体实施方式以下结合实施例进一步说明本专利技术所提供的技术方案。为了降低系统二维搜索算法的计算量和信号接收端噪声的影响，提高二维同步的估计精度，提升系统的实用性，本专利技术提出一种虚拟时间反转线性调频信号的时频二维同步方法。该方法简化了FrFT算法的计算量，提高了信号的抗干扰能力和信号参数估计的准确性和实用性。接收信号时频二维同步的准确性对许多水下应用是至关重要的。本专利技术利用分数傅里叶变换的相关特性，提出了一种准确有效的时频二维参数估计方法。首先在接收端对接收信号做滤波处理以减小带外噪声的干扰，再对信号补零扩展并进行时间反转或平移；其次根据本地发射信号的调频率，确定接收信号调频率的大致范围以降低最佳变换阶次的搜索范围，并利用最佳阶次分级迭代搜索算法进一步降低系统的计算量；最后利用接收信号和时间反转信号在FrFT域上峰值相对位置，获取接收信号的多普勒参数和时延参数，实现信号的二维同步。参考图1所示，本专利技术提供的时频二维同步方法具体包括以下步骤：步骤1)在信号发射端生成并发射线性调频信号，并通过水声信道传输至信号接收端；步骤2)将信号接收端接收到的线性调频信号进行补零操作，对补零后的线性调频信号进行时间反转或平移处理，获得时间反转信号或平移信号；步骤3)根据步骤1)中发射的线性调频信号的调频率，设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于线性调频信号的时频二维同步方法，其特征在于，该方法包括：步骤1)在信号发射端生成并发射线性调频信号，并通过水声信道传输至信号接收端；步骤2)将信号接收端接收到的线性调频信号进行补零操作，对补零后的线性调频信号进行时间反转或平移处理，获得时间反转信号或平移信号；步骤3)根据步骤1)中发射的线性调频信号的调频率，设置接收信号最佳变换阶次的搜索范围；步骤4)在接收信号最佳变换阶次的搜索范围内，利用分级迭代算法搜索获得接收信号在FrFT域上的最佳变换阶次，进而得到时间反转信号或平移信号在FrFT域上的最佳变换阶次；步骤5)在步骤4)中获得的两个最佳变换阶次下，分别对接收信号以及时间反转信号或平移信号进行分数阶傅里叶变换，并在两个信号的峰值位置采用三次样条插值算法计算获得各信号相对应的频率值；和步骤6)利用步骤5)中获得的两个频率值计算得到接收信号的多普勒系数和时延。

【技术特征摘要】
1.一种基于线性调频信号的时频二维同步方法，其特征在于，该方法包括：步骤1)在信号发射端生成并发射线性调频信号，并通过水声信道传输至信号接收端；步骤2)将信号接收端接收到的线性调频信号进行补零操作，对补零后的线性调频信号进行时间反转或平移处理，获得时间反转信号或平移信号；步骤3)根据步骤1)中发射的线性调频信号的调频率，设置接收信号最佳变换阶次的搜索范围；步骤4)在接收信号最佳变换阶次的搜索范围内，利用分级迭代算法搜索获得接收信号在FrFT域上的最佳变换阶次，进而得到时间反转信号或平移信号在FrFT域上的最佳变换阶次；步骤5)在步骤4)中获得的两个最佳变换阶次下，分别对接收信号以及时间反转信号或平移信号进行分数阶傅里叶变换，并在两个信号的峰值位置采用三次样条插值算法计算获得各信号相对应的频率值；和步骤6)利用步骤5)中获得的两个频率值计算得到接收信号的多普勒系数和时延。2.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的时频二维同步方法，其特征在于，所述步骤1)中生成的线性调频信号表示为：s(t)＝Acos(2πf0t+πkt2+φ},0≤t＜T其中，s(t)表示线性调频信号，A为信号的幅值，f0、k、φ、T分别为线性调频信号的起始频率、调频斜率、初始相位和信号周期，f0、k根据信号发射端的系统带宽和中心频率确定，φ为0到2π的任意值。3.根据权利要求2所述的基于线性调频信号的时频二维同步方法，其特征在于，所述的步骤3)具体包括：步骤301)计算发射的线性调频信号在FrFT域上的最佳变换阶次popt，计算公式表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴满意，贾宁，黄建纯，肖东，
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