超宽带冲激回波信号的三重相关检测算法.pdf

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1、第卷第期探测与控制学报年月 超宽带冲激回波信号的三重相关检测算法吕航，何广军，刘彬，崔展宁（空军工程大学防空反导学院，陕西西安）摘要：超宽带冲激探测技术具有优良的反隐身性能， 在弹载导引头、引信上有较好的应用前景，而超宽带信号的检测技术是超宽带冲激探测技术的一个难点，因此提出了适用于超宽带探测技术的三重相关检测算法。该算法运用高阶矩的处理方法，利用零均值高斯平稳随机过程具有三重相关等于零且三重相关具有位移和旋转不变性等特点，能提高冲激回波信号的信噪比。仿真结果表明： 三重相关检测算法较传统二重相关检测算法在复杂噪声下更能提高单极性脉冲冲激回波信号的信噪比。该算法对超宽带冲激回波信号的检测研究具

2、有一定的借鉴和参考价值。关键词：信号检测； 超宽带；冲激回波；三重相关中图分类号：文献标志码： 文章编号：（）， ，（ ，）：（）， ， ：；由于信号的探测距离有限，在地面预警引言探测中很难得到应用；而将技术应用在导弹的导引头或引信上，能大大降低对其探测距离的要在高科技战争中，隐身技术的发展给目标探测求，是一种可行的方案。带来了巨大的压力，同时也刺激了反隐身技术的蓬相关接收技术是目前雷达领域应用最为广泛的勃发展。超宽带冲激探测技术是一种较好的隐身目技术之一， 文献 也提出用于信号的最佳接标探测技术，在雷达导引头及无线电引信反隐身领收机就是相关接收机；相关接收机包括参考发送接域具有较好应用前景。

3、在强电磁干扰下，复杂噪声收机、 差分接收机 ， 其基本原理就是对发射信号背景下弱信号的检测成为制约超宽带冲激雷达应用和接收信号进行二重相关处理。研究表明，无论二的瓶颈， 因而， （超宽带）回波信号检测技术是重相关匹配滤波器设计的多么精细， 信号频带之内超宽带雷达探测技术的关键 】 。的噪声仍然难以避免 。利用高阶矩是解决这一问收稿日期：作者简介：吕航（），男， 河北保定人，硕士研究生，研究方向：检测技术与自动化装置。 ：探测与控制学报题的一种途径，为了克服二重相关检测算法的不足，本文采用高阶矩的三重相关检测算法。序列 。论文对比了二重相关算法与三重相关算法对高斯巴克码的检测效果，以子脉冲长度为

4、的高斯巴克码为例，它的波形如图所示。 超宽带冲激脉冲波形和二重相关检测通过分析超宽带雷达常用的信号形式，选出所要研究的脉冲波形；依据雷达回波的形成规律，得到相应的脉冲回波波形，从而为三重相关检测算法的应用提供研究对象。 发射脉冲的选取以应用在雷达上的波形为例进行波形的选取。超宽带雷达满足了高科技战争对雷达装备的新要求， 一方面具有多目标探测、跟踪、识别的能力，另一方面具有高灵敏度、高分辨力。超宽带雷达常用的信号形式如下 ：冲击信超宽带信号线性调频 调制信号频率步进脉冲串【 多相位编码脉冲论文分别采用了单极性脉冲和属于二相位编码脉冲的高斯巴克码脉冲作为研究对象。单极性脉冲就是只有一种极性的瞬时短

5、脉冲，它的一种模型为快速上升指数衰减的伪指数脉冲。其时域表达式为：（）一（）（一）（）式（）中：为幅度归一化系数；为上升时间。单极性脉冲的时域波形如图所示。图单极性脉冲波形在有限的二相编码序列中，巴克码序列是最佳图高斯巴克码发射脉冲波形 背景噪声及脉冲回波的模型背景噪声描述的是实际工作中面临的背景电磁环境。大量文献和实验数据证明，对于高分辨率雷达，地杂波、射频干扰信号更适合用对数一正态分布或韦伯尔分布来表示。基于此，在回波信号的建模中选取满足高斯分布的白噪声作为背景。其时域分布图如图。图脉冲回波中的背景噪声典型目标受到冲激脉冲照射后会发生反射，加上背景杂波的影响，冲激雷达接收机接收到的脉冲加波

6、由两部分组成，一部分来自目标反射的有用信号， 另一部分来自背景噪声干扰。在有用信号与噪声干扰的关系上，论文暂不考虑信道不均的影响， 假设在信号发射和接收过程， 信道是均衡的， 则有用信号与噪声干扰满足叠加关系。冲激回波为发射信号波形与上述背景噪声的叠加，当选取图所示背景噪声时， 图图所示脉冲波形分别与背景噪声叠加，得到冲激回波波形图所示。吕航等：超宽带冲激回波信号的三重相关检测算法 二重相关检测原理关检测算法将信号恢复。三重相关检测算法属于高阶矩的信号处理方法，由于零均值的高斯平稳随机过程的三重相关等于零，以及三重相关具有位移和旋转不变性等特点，三重相关较传统二重相关可以进一步抑制噪声，从而提

7、高信噪比。设输入离散信号（ ）中混有随机加性噪声（ ）。（）的表达式为：（， ）一（）（ ），式中（）为已知有用信号， 则（ ）为功率有限信号。将混有随机噪声的输入信号（咒）与本地有用信号（）进行二重相关检测，得到的二重相关函数为：，（ ）一（ ）一 ） ）一艘至计）（ 一（ ）（ ）（）由式（）可知，二重相关函数（）由 （ ）和（ ）两部分构成。其中， （）表示有用信号的自相关函数，（ ）表示信号与噪声的互相关函数。由于噪声与信号的相关性很小，故（ ）很小， 这样就实现了对噪声的抑制。罂时间（ ）单极性脉冲的回波罂时间（ ）高期巴克码的回波图脉冲回波波形 三重相关检测算法描述相关检测算法是在

8、白噪声背景中检测信号、抑制噪声、 提高信噪比的方法。信号通常具有周期性、相关性，而噪声具有随机性和不相关性，可以采用相三重相关检测原理对于有用信号（）已知的输入信号（， ），如果将其与两个有用信号（）进行相关运算，即可实现信号的三重相关检测，得到的三重相关函数为：，（ ，志）一而） （） （志）一 （） （）（， ）（） 。， （ ）（ ）（ 足）（ ）（）（志）一（ ，）（ ，忌）（）由式（）知，三重相关检测函数（ ，）亦由（ ，尼）和（，尼）两部分构成。其中，（ ，忌）表示发射信号的三重自相关函数；（ ，愚）表示噪声与发射信号的三重互相关函数。由于有用信号与噪声的三重互相关项栏（ ，尼）很

9、小，近似为零，这样便可实现对输入信号的去噪。脉冲回波与发射脉冲的三重相关检测步骤相关接收技术就是利用信号规律性和干扰随机性的特点，通过互相关和自相关运算，达到抑制噪声， 提高信噪比的一种接收技术。结合上述分析，设计三重相关检测的应用步骤为：）将发射信号与回波信号在时域上离散化， 并将所选时间段外部分设为零；）对起始时刻的回波信号，用延迟（，）步长和（，）步长的发射信号乘回波信号，得到对应时刻的（，是）坐标三重相关分量；）对下一时刻的回波信号，重复）过程；）重复）过程，直到回波信号所选时间段计算完全；）将相同（，志）坐标下的不同时刻三重相关分量相加得到对应的三重相关量，并分别以，为三个轴绘制三维

10、图形。易知， 二重相关检测算法与三重相关检测算法类似， 只是少了一次与时延为的发射信号的相关计算， 因此二重相关算法的计算过程不再赘述。三重相关检测算法属于高阶矩的处理方法， 通过多次探 测与控制学报采集信号加噪声，利用零均值高斯平稳随机过程具有三重相关等于零且三重相关具有位移和旋转不变性等特点，可以使恢复的信号波形的信噪比得到很大改善。比的提高效果，并进行比较分析。无噪声情况下，单极性脉冲应用二重相关算法与三重相关算法的仿真波形对比二重相关检测结果是冲激回波信号（ ：处即发射信号）与发射信号按式（ ）作相关运算，将所得结 仿真及结果在环境下（仿真计算机为 操作系统，内存，版本为）根据以上信号

11、建模的基础，建立发射信号果在上展开。三重相关检测结果是冲激回波信号与两个发射信号的按式（）作相关运算， 将所得结果在，上展开所得的结果。仿真结果如图所示。下面的仿真计算方法相似。 在大信噪比情况下，单极性脉冲应用二重相关与回波信号的模型，通过分别进行二重相关算法与三重相关算法的仿真，对比无相关、二重相关与三重相关算法在不同信噪比下对弱信号检测的效果。仿真步骤算法与三重相关算法的仿真波形对比当输入信噪比为一时，通过仿真得到，采用二重相关检测算法输出信噪比为，采用三重相关检测算法输出信噪比为。三重相关检测算法的输出结果具有更高的信噪比。仿真结果如图所示。在小信噪比情况下，单极性脉冲应用二重相关算法

12、与三重相关算法的仿真波形对比仿真过程的步骤归纳如下：）选取环境噪声；）选取发射信号模型，并在时间域上对发射信号进行延拓；）叠加得到回波模型，并在时间域上对回波信号进行延拓；当输人信噪比为一时，通过仿真得到，采用二重相关检测算法输出信噪比为一）对）与）中的信号进行二重相关计算和三重相关计算；）计算无相关、二重相关、三重相关计算后信噪，采用三重相关检测算法输出信噪比为。三重相关检测仍能大幅度地提高检测信号的信噪比。仿真结果如图所示。罂时间 （ ）无噪声时二重相关检测结果时间 （ ）小噪声时二重相关检测结果时间 （】大噪声时二重相关检测结果喜罂。瘩馨（）无噪声时三重相关检测结果 ），噪声时三重相关检

13、测结果（）大噪声时三重相关检测结果图无噪声情况下两种滤波技术的图大信噪比情况下两种滤波技术的图小信噪比情况下两种滤波技术的输出波形输出波形输出波形吕航等：超宽带冲激回波信号的三重相关检测算法编码脉冲回波检测仿真及分析信号进行相关运算后在时域上能量更加集中，给人的直观感觉就是信号在一定程度上进行了时域压缩。由于单个冲激脉冲脉宽很窄，对信号的时域拓展是提高信号可压缩性的一种可行方式。对前述高斯巴克码进行回波检测仿真，在大输入信噪比情况下，当输入信噪比为时，通过仿真得到，采用二重相关检测算法输出信噪比为，采用三重相关检测算法输出信噪比为。三重相关检测算法在对信噪比的提高上， 不如二重相关检测算法。在

14、小输入信噪比情况下，仿真结果显示，当输入信噪比为一时，采用二重相关检测算法输出信噪比为，采用三重相关检测算法输出信噪比为一，三重相关检测算法仍无明显优势。仿真结果如图、图所示。时间 （）小噪声时二重相关检测结果蜷（ ）小噪声时三重相关检测结果图大信噪比情况下连续波在两种检测算法下的输出波形 仿真结果分析仿真实验表明，在冲激回波检测中，三重相关检测在单脉冲信号的复杂噪声下的信噪比提高幅度都大于二重相关检测的结果。而在二相编码脉冲的检测中， 三重相关检测算法对信噪比的提高程度不如二重相关检测算法。 嘎 骧 时间 （ ）大噪声时重相关检测结果瘩（）大噪声时三重相关检测结果图小信噪比情况下连续波在两种

15、检测算法下的输出波形结论本文提出了适用于超宽带冲激回波信号检测的三重相关检测技术。三重相关检测算法属于高阶矩的信号处理方法，具有位移和旋转不变性等特点，较二重相关进一步抑制了噪声、提高了信噪比。仿真结果表明： 三重相关检测较二重相关检测算法在单脉冲信号的检测中能进一步抑制噪声、提高信噪比；但在二相编码脉冲的检测中，二重相关更有优势。通过研究可知，三重相关检测算法与二重相关算法结合使用在超宽带冲激雷达的回波检测中有较好的应用前景，在弹载雷达导引头、引信等领域具有较高的实用价值。参考文献：向新超宽带自相关接收机关键技术研究西安：西安电子科技大学， ， ： ，（）： ， ， （）：（下转第页）探测与

16、控制学报，（）： 结论本文提出了考虑地磁场梯度下的弹体运动涡流磁场模型。该优化模型结合弹体涡流磁场与地磁梯向超，卜雄洙高旋弹丸背景涡流磁场建模与仿真哈尔滨工程大学学报，度的特点， 阐明了运动涡流磁场与弹体飞行参数、地磁场矢量强度和地磁梯度之间的数学关系，完整地体现了影响弹体涡流磁场的因素。数值仿真实验的结果表明，不考虑地磁场梯度会造成涡流补偿效率 ，李玎基于磁传感器组合的旋转弹体姿态测试方法研究南京：南京理工大学，谭斌，林春生，张宁， 等地磁场梯度对飞机磁场求解精度的影响分析武汉大学学报信息科学版，（）： ，和姿态角解算精度的降低，且随着弹体飞行跨越地理范围的增大，其误差也增大。本文提出的模型有效可靠，可用于弹体背景磁场的补偿研究。实际工程运用中， 需根据具体情况， 利用优化的涡流磁场梯度模型来提高地磁定姿的可靠性。参考文献：， ，（）：向超，卜雄洙，李玎基于三正交磁传感器的新型旋转弹体定姿方法中国惯性技术学报，（）：， ，（）： ，（）：， ，（）：韩子鹏弹箭外弹道学北京：北京理工大学出版社， ， ，（）：， ，（）：， （上接第页） ？ ，：余洪涛超宽带雷达波形选择 航天电子对抗，（）：徐庆线性调频一二相编码雷达信号分析 系统工程与电子技术，（）： ， ，（）： ，（）：梁步阁脉冲雷达回波低信杂比识别检测算法研究口信号处理，（）：， ， ，】，（）： ，（）：