低信噪比下的线性调频信号检测与参数估计方法研究

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

目录

摘要 (i)

ABSTRACT (ii)

第一章绪论 (1)

1.1 课题来源、研究背景与意义 (1)

1.1.1 课题来源 (1)

1.1.2 研究背景与意义 (1)

1.2 国内外研究现状 (3)

1.2.1 电子侦察和雷达目标检测研究现状 (3)

1.2.2 线性调频信号时频分析研究现状 (4)

1.2.3 线性调频信号参数估计算法研究现状 (6)

1.3 本文主要工作与结构安排 (7)

第二章线性调频信号的特征分析 (9)

2.1 引言 (9)

2.2 时域特征分析 (9)

2.2.1 线性调频信号的时域特征分析 (9)

2.2.2 线性调频信号的频域特征分析 (10)

2.3 时频域特征分析 (10)

2.3.1 短时傅里叶变换 (11)

2.3.2 小波变换 (14)

2.4 W IGNER-V ILLE分布 (16)

2.5 本章小结 (21)

第三章线性调频信号的恒虚警检测 (23)

3.1 引言 (23)

3.2 恒虚警率检测 (23)

3.2.1 恒虚警检测的定义及发展背景 (23)

3.2.2 恒虚警检测的质量指标 (25)

3.3 几种典型的CFAR检测方案 (26)

3.3.1 CFAR检测器的分类 (26)

3.3.2 均值类（ML）CFAR检测方案 (27)

3.3.3 有序统计量类（OS）CFAR检测方案 (30)

3.3.4 其他CFAR检测方案 (32)

3.4 一种基于STFT-频域CFAR的LFM信号检测算法 (33)

3.4.1 算法综合描述 (33)

3.4.2 频域GOSBOS-CFAR的数学模型分析 (35)

3.4.3 仿真结果与性能分析 (36)

3.5 本章小结 (38)

第四章基于Radon变换的线性调频信号参数估计算法 (40)

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4.1 引言 (40)

4.2 R ADON变换对直线的检测 (40)

4.3 基于STFT和分段式R ADON变换的LFM信号参数测量 (42)

4.3.1 方法步骤 (42)

4.3.2 仿真结果 (45)

4.4 误差分析与结果校正 (46)

4.4.1 频域误差分析与校正 (46)

4.4.2 时域误差分析与校正 (47)

4.4.3 算法可行性与有效性验证 (50)

4.5 本章小结 (58)

第五章结束语 (59)

5.1论文研究总结 (59)

5.2下一步的工作 (59)

致谢 (61)

参考文献 (62)

作者在学期间取得的学术成果 (67)

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表目录

表2. 1 各种时频分析工具的各项性能比较 (22)

表3. 1 几种CFAR检测器的性能比较 (39)

表4. 1 仿真数据时域参数测量结果 (49)

表4. 2 仿真数据频域参数测量结果 (49)

表4. 3 实测数据时域参数测量结果 (55)

表4. 4 实测数据频域参数测量结果 (55)

表4. 5 信号源数据时域参数测量结果 (57)

表4. 6 信号源数据频域参数测量结果 (57)

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图 目 录

图2. 1 线性调频信号时域波形图 (10)

图2. 2 线性调频信号频域图 (10)

图2. 3 1024点LFM信号的STFT时频分布 (SNR=0dB) (12)

图2. 4 双分量LFM信号的STFT时频分布 (SNR=0dB) (13)

图2. 5 1024点LFM信号的Gabor变换 (SNR=0dB) (13)

图2. 6 双分量LFM信号的Gabor变换 (SNR=0dB) (14)

图2. 7 单分量LFM信号Morlet小波变换时频分布 (15)

图2. 8 双分量LFM信号Morlet小波变换时频分布 (16)

图2. 9 单分量LFM信号的WVD (SNR=0dB) (17)

图2. 10 单分量LFM信号的伪WVD (SNR=0dB) (18)

图2. 11 单分量LFM信号平滑的伪WVD (SNR=0dB) (18)

图2. 12 双分量LFM信号的WVD (20)

图2. 13 伪WVD的交叉项影响 (20)

图2. 14 伪平滑的WVD对交叉项的抑制 (21)

图3. 1 ML类CFAR检测器原理方框图 (27)

图3. 2 OS类CFAR检测器原理方框图 (27)

图3. 3 CA的回波信号与检测门限的比较图 (28)

图3. 4 GO的回波信号与检测门限的比较图 (29)

图3. 5 SO的回波信号与检测门限的比较图 (29)

图3. 6 OS的回波信号与检测门限的比较图 (31)

图3. 7 SNR= -15dB，1024点LFM信号的时域图和频谱 (33)

图3. 8 频域CFAR原理框图 (34)

图3. 9 GOSBOS-CFAR流程图 (35)

图3. 10 有、无LFM的回波(蓝)及门限(红)(SNR= -15dB) (36)

图3. 11 GOSBOS对漏警的抑制作用（SNR= -15dB） (37)

图3. 12 多个脉冲信号的检测结果(SNR= -13.6dB) (37)

图3. 13 几种CFAR的检测性能比较 (38)

图3. 14 几种CFAR的虚警控制性能比较 (38)

图4. 1 Radon变换旋转角度q的投影示意图 (41)

图4. 2 Radon变换沿角度q的几何形状 (42)

图4. 3 SNR= -12.5dB，窗口长度n=1024的信号时频曲线 (43)

图4. 4 二值化后的局部放大图 (43)

图4. 5 信号二维矩阵的Radon变换 (44)

图4. 6 Radon变换检测到的直线 (44)

图4. 7 Radon变换所显示的信号幅度坐标和相位坐标 (45)

图4. 8 Radon变换检测到的信号起始点与终止点 (46)

图4. 9 SNR= -16dB，FFT出现峰值的位置变化图（跳变发生于800处） (48)

图4. 10 细化LFM信号起始点与终止点 (48)

图4. 11 SNR=-12.5dB时WVD无法实现对LFM信号的检测 (50)

图4. 12 信号处理总流程图 (50)

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图4. 13 信号检测流程图 (51)

图4. 14 F-SAR信号Radon变换检测直线的结果示意图 (51)

图4. 15 单个脉冲的时频曲线放大图 (52)

图4. 16 STFT二值化后得到的时频分布 (52)

图4. 17 WVD得到的时频分布 (53)

图4. 18 PWVD得到的时频分布图 (53)

图4. 19 SPWVD得到的时频分布图 (54)

图4. 20 信号参数测量流程图 (54)

图4. 21 SNR=-10dB时，信号的时域图和频域图 (56)

图4. 22 STFT-分段式Radon变换在不同信噪比下的检测性能 (57)

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摘要

本文紧密“十二五” 863项目“基于宽带实时频谱分析的××辐射源信号侦察、处理技术”项目，开展了对线性调频信号的侦察处理技术研究。包括对线性调频信号时域频域特征的分析，以及对线性调频信号的检测与参数估计算法的研究。全文总共分为三个部分：

第一部分分析了常见雷达信号——线性调频信号（LFM）的时域特征、频域特征和时频特征。首先用时域方法研究了信号时域特征；然后从频域分析了信号特征；最后研究了信号的时频域特征，分析方法包括短时傅里叶变换（STFT）、小波变换和Wigner-Ville分布及其一系列衍生算法。

第二部分研究了线性调频信号的恒虚警率（CFAR）检测方法。恒虚警检测是雷达自动目标检测方法之一，本章将其应用到了电子侦察领域。首先对恒虚警处理的基本原理和发展现状进行了介绍，并对几种典型的恒虚警检测器进行了模型分析。接下来提出了一种基于短时傅里叶变换和恒虚警处理的LFM信号检测算法。

该算法将时域信号进行STFT，得到移频的复包络采样序列的相干积累，再对其包络模的平方进行频域GOSBOS-CFAR检测。仿真结果表明，GOSBOS逻辑CFAR 的检测性能优于传统的CFAR检测方案，且STFT与CFAR的结合有利于实现更低信噪比条件下的LFM信号检测。

第三部分研究了LFM信号的参数估计算法，估计的参数包括：脉冲到达时间、脉冲宽度、脉冲重复间隔、起始频率、截止频率、带宽、调频斜率、信号幅度等等。首先对Radon变换进行了介绍，Radon变换是雷达信号积累方法中的一种，属于积分类算法。针对其检测线段时只能获得斜率和截距的缺陷，提出了一种基于短时傅里叶变换和分段式Radon变换的LFM信号检测和参数估计算法，通过短时傅里叶变换提取信号的时频信息，再由分段式Radon变换提取LFM的起止参数信息，并获得调频斜率等参数，同时对检测性能和误差作出分析。最后经SAR雷达实际采集数据与信号源产生数据验证了方案在低信噪比下的可行性。

关键词：电子侦察，雷达信号处理，线性调频信号，恒虚警检测，短时傅里叶变换，Radon变换，参数估计

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ob2l.html