捷变频信号参量提取技术研究

论文摘要

信号参量提取技术主要应用于背景噪声中提取有用信号波形及参数。有用的目标信息包括信号分量数目、频率信息、幅度信息、带宽信息以及相位信息等。捷变频信号是相邻发射脉冲或脉冲组间的载波频率在一定范围内高速随机跳变，是一种非平稳信号。本文在捷变频信号参量提取技术方面作了一些基础性的研究。重点研究利用时频分析方法提取捷变频信号参量，包括目标个数，频率随时间的变化规律等。全文主要分两个部分：捷变频信号的时频分析；捷变频信号高精度的瞬时频率估计。旨在通过以上研究，能够对捷变频信号处理有系统性的认识和提取尽可能多的参量，提高估计捷变信号的抗干扰能力，实现优化的水声对抗效果。时频分析的任务是估计信号的频谱含量是怎样随时间变化的，在时频二维平面上清晰地呈现出信号的瞬时频率。以此为基础，从理论和仿真对几种常用的时频分析方法进行对比和分析。仿真结果表明，谱图算法简单和概念鲜明，是工程上常用的一种时频分析方法；维格纳分布(WD)对于线性调频信号(LFM)来讲，它是一种接近最优的时频分析方法，在时频平面上能够得到较高能量的瞬时频率(IF)聚集。多项式维格纳分布(PWD)弥补了WD分析非线性调频信号或者多频率分量信号时容易产生交叉项的缺点，对于任意阶次的调频信号，它都可以得到清晰的IF的走向。对于多分量信号分析同样适用。文中提出了频谱图—维格纳分布(SWD)。SWD将谱图与WD二者结合起来，优势互补。利用谱图的窗函数抑制WD所产生交叉项，避免WD计算过程中的过采样。此外，SWD继承了WD具有较高的时频二维分辨力的优点。重点研究了B分布。深入分析了B分布的核函数设计过程、特性以及具体的实现过程。本文提出了基于Radon变换的B分布(BDBRT)。Radon变换具有沿直线积分的特性，针对LFM信号和CW脉冲信号在时频平面上的瞬时频率是一条直线这一特点，将Radon变换与B分布结合在一起。BDBRT分布可以在时频平面上区分出两个频率十分接近的信号分量，完全抑制交叉项干扰，同时具有较高的时频二维分辨力，为谱图和WD所不及。对试验数据的处理，进一步证明该算法总体效果要好于其它方法。瞬时频率是描述捷变频信号的一个重要参量。本文重点研究基于时频分布的瞬时频率估计器。首先讨论了基于WD的IF估计器。推导了LFM信号的克拉美—罗下界(CRLB)，并证明了不经过插值处理的WD频率估计器的理论估计方差可达到CRLB；经过插值处理的WD的IF估计器由于插值因子的影响，估计方差的理论值要比前者高4倍。仿真结果表明在信噪比高于5分贝的时候，针对LFM信号，非插值处理的WD的IF估计器是一种无偏估计。其次分析了高阶时频分布的瞬时频率估计器。将PWD的峰值作为IF估计器，推导了二次调频信号的IF估计理论方差数值，并进行了仿真分析。仿真结果表明当信噪比高于5分贝时，六阶PWD的IF估计方差可达到二次调频信号频率估计的CRLB。重点研究了B分布的IF估计的统计特性，推导了它的IF估计的理论方差。仿真对比了B分布和乔伊—威廉姆斯分布。仿真结果表明，对于多频率成分信号而言，B分布的主瓣比乔伊—威廉姆斯分布的主瓣窄，前者的IF估计方差小于后者。最后，对海试试验数据进行了分析，表明基于B分布的IF估计器和基于SWD分布的瞬时频率估计器都可以精确的估计出捷变频信号的频率，是一种高精度的瞬时频率估计器。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 立题意义
• 1.2 时频分析方法的发展
• 1.2.1 线性时频表示
• 1.2.2 COHEN类双线性时频分布
• 1.2.3 仿射类双线性时间—尺度分布
• 1.2.4 重排类双线性时频分布
• 1.2.5 自适应最优核函数类时频分布
• 1.2.6 参数化时频分布
• 1.3 时频分析方法应用简介
• 1.4 时频分析方法的展望
• 1.5 非平稳信号瞬时频率估计方法
• 1.6 论文研究内容
• 第2章 捷变频信号特征参量分析
• 2.1 捷变频信号模型
• 2.2 经典的信号时频分析方法
• 2.2.1 频谱图
• 2.2.2 维格纳分布（WIGNER DISTRIBUTION WD）
• 2.2.3 高阶时频分布
• 2.2.4 几种时频分析方法的比较
• 2.3 频谱图—维格纳分布（SPECTROGRAM—WIGNER DISTRIBUTION SWD）
• 2.3.1 连续信号的频谱图—维格纳算法
• 2.3.2 离散信号频谱图—维格纳算法
• 2.3.3 仿真结果
• 2.4 高精度的多分量信号的二次时频分布
• 2.4.1 模糊度域滤波
• 2.4.2 B分布核函数的设计
• 2.4.3 B分布的性质
• 2.4.4 B分布的实现
• 2.5 基于RADON变换的B分布
• 2.6 仿真结果
• 2.7 试验数据处理
• 2.7.1 试验数据 BDBRT分布处理结果
• 2.7.2 试验数据谱图—维格纳分布处理结果
• 2.8 本章小结
• 第3章 捷变频信号的高精度瞬时频率估计
• 3.1 信号的瞬时频率估计方法
• 3.1.1 希尔伯特变换方法
• 3.1.2 线性预测法
• 3.1.3 过零检测瞬时频率估计器
• 3.2 蒙特卡罗仿真
• 3.3.1 蒙特卡罗仿真的基本思想
• 3.3.2 大数法则和中心极限定理
• 3.3 基于WD的瞬时频率估计器
• 3.3.1 线性调频信号的克拉美—罗下界
• 3.3.2 瞬时频率估计
• 3.4 基于高阶时频分布的瞬时频率估计器
• 3.4.1 瞬时频率估计
• 3.4.2 方差的门限
• 3.5 B分布频率估计器
• 3.6 试验数据处理
• 3.6.1 B分布的瞬时频率估计
• 3.6.2 SWD的瞬时频率估计
• 3.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢