1、弹载探测系统中目标回波信号的循环平稳特性分析第 24 卷第 1 期2002 年 3 月探蒯与控制JournalofDetectionControlV24.No.1Mar2002弹载探测系统中目标回波信号的循环平稳特性分析郭东敏,汪仪林,田梦君(1.北京理工太学,北京 100081;2.西安机电信息研究所 ,陕西西安 7100653.西北工业太学,陕西西安 710072)0 引言摘要:通过对弹载探测系统中发射信号与目标回波信号的循环平稳特性进行分析 ,指出在一定条件下(数据长度不是太长),可以认为信号的循环频率经传输后不发生变化,可以利用信号的循环平稳特性获得较好的噪声抑制性能,实现对目标回波信
2、号的提取及参数估计.关键词:循环平稳特性;目标回波信号;时频分析中圉分类号:TN911.7 文献标识码:A 文章编号:10081194(2002)01006103在弹载探测系统中,由于受恶劣的使用条件,体积,能源等因素的限制,探测器发射功率一般较小,天线效率较低,而随着隐身技术的发展,目标有效散射截面积成倍地减小,太大降低了目标回波信号功率.由于实际系统的系统噪声不可能无限制地降低,因此通常目标回波信号功率低于系统噪声功率.解决低信噪比问题的主要途径是充分利用目标回波信号的信息.本文将讨论如何利用目标回波信号的循环平稳特性获取良好的参数估计性能.1 时频分析及信号的循环平稳特性时频分析方法是一
3、种在低信噪比情况下识别目标的有效手段.由于这种变换体现了信号参数随时间的二维变化特征,因此有利于充分利用目标回波信号的信息识别目标.同时由于在一维到二维的变换中,可以使变换后信号和噪声或其它干扰处于不同的区域而有效抑制噪声或干扰的影响.时频变换特别适合于描述信号功率(或能量)谱随时间变化的规律.在时频分析中常用的两种方法为:将信号变换到(,)平面的 WignerVille 函数及将信号变换到(r,)平面的模糊度函数,二者互为付氏变换.白噪声的 Wigner-Ville 函数在(f,)平面上均匀分布,其模糊度函数在(r,)平面集中于原点.一般信号的模糊度函数在(r,)平面的有限区域内分布,其 W
4、igner-Ville 函数在(,)平面的有限区域内分布.如果信号的模糊度函数在(r,)平面上显现出这样的特性:除一 0 以外,在某些离散的(一 1,2,)点构成的(rm)线上存在非零值,在线以外的其 l它区域为零,这样的信号具有循环平稳特性.很明 l显,具有这种特性的信号较容易将其和噪声分离.l我们可用模糊度函数在(r,)平面上的分布对(此加以说明.白噪声的模糊度函数集中在(r,)平面的原点,如图 1(a)所示.循环平稳信号模糊度函数在图 1+v 夺噪声与位置在 r-平面的分布图-收稿日期:200111-.1作者简介:郭东敏(1963 一),女,山东寿光人,在读博士,研究员,研究方向:引信信
5、号处理技术62 探洲与控制(r,)平面集中在 v 等于循环频率的线上,见图 1(b).图中 ,在循环频率上很容易将噪声和循环平稳信号分开.有限长度噪声的模糊度函数在以原点(rO,一 O)为中心的区域分布如图 1(c)所示,离原点越远,模糊度函数值越小,此时,噪声的循环相关函数不一定为零.我们可以证明,信号长度越长,噪声的循环相关函数在(r,)平面越趋近原点.2 弹载探测系统中目标回波信号的循环相关特性信号的循环平稳特性是否能够在弹载动目标探测系统中得到应用,主要取决于:a.在弹载探测系统中发射信号与目标回波信号是否具有循环平稳特性;b 在什么条件下可以认为经传输后,信号的循环频率不变,这种条件
6、是否具有普遍意义?e.利用这一特性是否更有利于信号的分离;Gardner 等人的研究表明 :几乎所有人造信号均具有循环平稳特性 ,而且不同的信号具有不同的循环频率是一相当普遍的现象:相同的信号调制到不同的载频 ,调制后各信号具有不同的循环频率;不同速率的信号调制在同一载频上,各信号也具有不同的循环频率.由循环相关函数的性质可知,不同循环频率的信号循环独立,因此,利用信号的循环平稳特性,可以有效分离信号.下面讨论对于目标探测系统,信号传输后的循环平稳特性.假定发射信号(f)具有循环平稳特性,其循环频率为,若空间存在 d 个快速运动目标,其回波信号 Y(f)可表示为)一壹州一)式中:一空间第 i
7、个目标回波信号衰减系数;c 一光速一第个目标和探测器之间的距离对于运动目标,(f)是时间的函数,其变化率( 对时间的导数)对应于多普勒频移.若 s(f)的循环频率为 n,理论上由于多普勒频移的影响,使得(f)的循环频率不为 n,甚至于不具有循环平稳特性但是,实际计算都是对有限数据长度进行的,如果在数据对应的时间内,目标位置的变化较循环频率对应的波长小的多,则可以认为目标位置基本不变,此时,回波信号的循环频率仍为的假定成立.目标位置基本不变意味着距离和方位角均基本不变.下面分析在实际工作参数下,距离基本不变假定成立的条件(假定第 i 个目标和探测器之间相对运动速度为(一 1,2,d),最大交会速
8、度为“循环频率对应的波长为).令:了 1 一NT.;NT.一循环周期;丁.一采样周期;一计算循环相关函数时参与计算的循环周期数将数据对应的时间内,各目标和探测器之间距离基本不变表示为:d,_.一 maxr.O+丁.)一 r.0),i 一 1,2,d/1000(1)+m.一 maxI(t)dt(t)dt,一 1,2,胡O0“ :丁.一 “一z 丁.一一z!一代人(1)式则有 :N=/1000即:310310“ 1000“一当目标和探测器的最大相对速度为 1000m/s.即 M300 时,可以认为计算中距离基本不变.方位角基本不变的条件:tan(口) 1.式中:mln-目标和探测器之间的最小距离;
9、一角度变化量(2)郭东敏等:弹栽探测系统中目标回波信号的循环平稳特性分析 63由于;u,=_NTo um,NzNiTo=代人(2)式有: 1 旷即:N 等一通常 r 邛比大得多,因此方位角不变的条件较易满足.上面的讨论说明,运动目标的回波信号在有限长数据条件下(300),可以认为循环频率不变,即仍可由下式计算回波信号的循环相关函数:.一I也(kT)=寺-y(nT.+kT)(nT.)ee由于通常噪声为平稳的随机过程,平稳随机过程的循环相关函数为零;非平稳随机过程或有色噪声不具有循环平稳特性,因此,其循环相关函数也为零,所以利用信号的循环平稳特性可以获得较好的噪声抑制性能.3 结论通过以上讨论可知
10、:在弹载探测系统中,即使是快速运动目标的回波信号 ,在一定条件下(数据长度不是太长),可以认为信号的循环频率经传输后不发生变化,可以利用信号的循环平稳特性以获得较好的噪声抑制性能.但数据长度的增加,可使噪声项趋向于 0,进而得到较高的噪声抑制能力.从抑制噪声的角度希望数据长度越长越好,而对于运动目标则希望计算中数据短一些,因此,在进行一个实际弹载探测系统的设计时,必须研究数据长度和抑制噪声性能之间的定量关系,通过对发射信号的载额,调制信号参数进行综合设计,使得系统参数可以兼顾两方面要求,以充分目标回波信号和噪声的固有特性来实现对目标回波信号的提取及参数估计.参考文献1LueianoIzzo.A
11、ninterferencetoerantAlgorithmforocallzatonofcyc10stati0nary-signaIsoursJ.IEEE.TransSignaProcessing.1992,40(7):168216862WAGardner.Spectralcorrelationofmodulatedsgnas;PartI-AnalogmoduationJ.IEEETrans.Common.1987.COM 一 35:584594.3WAGardner.Spectralcorrelationofmodulatedsignals:PartIIDigitamodulation【J.
12、IEEETrans.Commun.1987.COM 一 35:5946014StephanVSche1.PerformalceanalysisoftheCyclicMUSICmethodofdirectionestimationforcyeostationarysignals】.IEEE.Trans.SignalProcessing.1994,42(11):11451155.TheAnalysisontheCyclostationarrityofTargetSignalinMissileborneDetectiveSystemGUODongmin,WANGYilin,TIANMengjun(】
13、.Beijinginstitute0fTechnoogy,Beijing1000gl,China;2.XianInstituteofElectromechanicaInformationTechnology,Xian710065,China3.NorthwesternPoytechnicalUnversity,Xan710072,China)Abstract:Thispapergivesadetailedanalysisofthecyclo-stafj0nar】tyofactivesignalsandtargetreflectingsignalsinthemissilebornedetectivesystemItispresentedthatundertheconditionoflimiteddatalength,thetargetreflectingsignalremainsthesamecycicfrequencywiththeactivesigna1.Byusingthecycl0?stati0narIlyoftargetsignals,asuperiorperformanceofnoisesuppressionandtargetrecognitioncanbeobtained.Keywords:cycostationarity;targetreflectingsignal
