从未知强变频信号中检测弱低频信号的方法

摘要

本发明公开了一种从未知强变频信号中检测弱低频信号方法，本发明方法首先将输入的未知强变频信号分成两路，一路进数字采集系统，另一路用于产生跟踪触发信号，然后利用跟踪触发信号实现对未知强变频信号的触发采集，并对采集到的信号分析和处理从而实现从该未知强变频信号中检测弱低频信号。本发明方法对背景信号特征先验知识的依赖小、分析数据长度小、采样速度低、数据处理的实时性高，非常适合于在弱信号提取及检测中使用。

说明书

技术领域

本发明涉及运动目标探测、电力输电线路漏电检测等技术问题，具体是指一种从未知强变频信号中检测弱低频信号方法。

背景技术

弱信号提取及检测通常是根据一定的先验信息采取滤波处理的办法实现的，包括各种时域和频率滤波、相关处理等方法。例如在传统雷达信号处理中，必须以发射信号为依据对目标回波进行处理，才能从中提取目标的各种特征信息。在此情况下，辐射源是受控的，辐射信号的特征作为先验知识参与后期信号处理。而在新型被动方式工作的雷达中，辐射信号可能不再是确切已知的先验受控量，尤其当频率变化无规律可寻时，目标引起的微弱信号变化就会完全淹没在该信号中，无法用传统的信号检测办法提取出来。

另外，在进行大功率高压输电线路漏电检查过程中，鉴于操作的危险性，都尽量避免检查人员和设备靠近线路，而采取间接感应的方式从线路上耦合信号到检测设备，然后通过线缆传输到距离高压输电线路较远的地方进行分析。此时，即使未发生漏电，感应的信号幅度和频率都在抖动，而当发生轻度漏电时，也只会引起感应信号极其微弱的变化，因此从这种变化剧烈的信号中检测漏电情况非常困难。

对于弱信号进行检测的问题，数字化处理是趋势。数字化处理的第一步是对模拟信号进行采样，根据奈奎斯特准则，为了准确还原信号，采样时通常需要几倍于被测信号频率的采样率。若被测信号频率较高，高采样率必将增加数据传输、存储和处理的难度，不但降低实时性，有时甚至不可实现。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景的不足，提出一种对背景信号特征先验知识的依赖小、分析数据长度小、采样速度低、数据处理的实时性高的从未知强变频信号中检测弱低频信号方法。

针对上述目的，本发明所设计的从未知强变频信号中提取弱低频信号的方法，依次包括如下步骤：

第一步，首先对被测信号进行调理整形；

第二步，将调理后的信号分成两路，一路进数字采集系统，另一路用于产生跟踪触发信号；

第三步，在跟踪触发信号的控制下对信号进行采集；

第四步，分析和处理采集到的信号从该未知强变频信号中检测弱低频信号。

所述第一步至第三步采用信号采集电路实现：所述信号采集电路由电源单元、射极跟随单元、放大单元及跟踪信号产生单元组成，其中射极跟随单元、放大单元及跟踪信号产生单元依次连接成顺序电路，电源单元的输出端分别与射极跟随单元、放大单元和跟踪信号产生单元电源输入端相连；跟踪信号产生单元的输出端与频率测量电路输入端相连，所述频率测量电路由电源模块、逻辑控制模块、计时器、计数器、存储器、控制及数据处理模块以及显示单元组成，其中逻辑控制模块输出端分别与计时器和计数器相连，计时器、存储器、控制及数据处理模块以及显示单元依次连接成顺序电路，控制及数据处理模块的控制信号输出端与计数器复位接口相连，计数器的溢出信号端口分别与计时器和逻辑控制模块上相连，电源模块分别与逻辑控制模块、计时器、计数器、存储器、控制及数据处理模块的电源输入端相连。

所述第四步采用如下步骤：

一，根据采样精度将采集的二进制数据转换为相应的电平值；

二，初始化时域滤波器参数b、a，频域滤波器参数f_l、f_h，步进长度u以及跟踪触发信号频率f_S；

三，根据与0电平绝对值之差最小原则从第一次触发采集的数据中选定信号分析的初始点；

四，根据触发采集数据的长度以及信号分析初始量构建信号分析向量；

五，对所构建的信号分析向量进行时域滤波以及FFT变换；

六，对FFT变换后的信号向量进行频域滤波，并进行IFFT变换。

上述时域滤波器参数b＝[0.3，0]、a＝[1，-0.7]，频域滤波器参数f_l-f_h≤100Hz，步进长度2≤u≤10，跟踪触发信号频率14KHz≤f_S≤16KHz。

本发明的优点在于：本发明的核心是根据未知强变频信号的特点构造了一种跟踪采集、时域频域分析相结合的方法来分析信号，使采样触发信号随被测信号同步变化，巧妙地消除了被测信号频率剧烈变化对后期信号分析造成的影响，检测精度高。信号采集过程简单，采用现有的电路模块略作改进既能实现，且整个电路工作在小信号状态下，功耗低，稳定可靠，检测成本低。存储和处理的数据量小，实时性强；根据奈奎斯特准则，本发明所提出的方法就采样率而言并未降低，但是由于采用跟踪采集的方式，在未降低采用精度的前提下，动态调整采样间隔，大大减少了采集数据量，从而减少了数据存储和处理开销，增强了实时性。

附图说明

图1是信号处理流程图；

图2是信号处理功能模块电路图；

图3是软件流程图；

图4是信号处理板输出跟踪触发信号；

图5是信号处理板输出未知强变频信号；

图6是采用本专利方法检测出的弱低频信号。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示，本发明方法采用了如下的步骤：

第一步，首先对被测信号进行调理整形；

第二步，将调理后的信号分成两路，一路进数字采集系统，另一路用于产生跟踪触发信号；

第三步，在跟踪触发信号的控制下对信号进行采集；

第四步，分析和处理采集到的信号从该未知强变频信号中检测弱低频信号。

如图2所示，本发明方法的第一步至第三步是采用信号采集电路实现的：所述信号采集电路由电源单元、射极跟随单元、放大单元及跟踪信号产生单元组成，其中射极跟随单元、放大单元及跟踪信号产生单元依次连接成顺序电路，电源单元的输出端分别与射极跟随单元、放大单元和跟踪信号产生单元电源输入端相连；跟踪信号产生单元的输出端与频率测量电路输入端相连，所述频率测量电路由电源模块、逻辑控制模块、计时器、计数器、存储器、控制及数据处理模块以及显示单元组成，其中逻辑控制模块输出端分别与计时器和计数器相连，计时器、存储器、控制及数据处理模块以及显示单元依次连接成顺序电路，控制及数据处理模块的控制信号输出端与计数器复位接口相连，计数器的溢出信号端口分别与计时器和逻辑控制模块上相连，电源模块分别与逻辑控制模块、计时器、计数器、存储器、控制及数据处理模块的电源输入端相连。所述频率测量电路为采用了统计平均的测量方法的电路。信号处理电路包括电源、信号调理、触发信号产生、采集四个功能单元。电源模块为信号调理单元、触发信号产生单元、采集单元以及工控计算机提供交直流电。调理单元包括射级跟随电路和放大电路，其中放大电路又包括三极管Q2放大和集成运放U2两部分，一方面是使输出有足够的信号强度，另一方面是保证了输出端阻抗匹配。触发信号可通过计数器U1产生，与经过调理整形以后的被测信号一起送入采集单元。信号采集流程如下：输入强变频信号一路经运放放大直接送至采集模块，另一路经射随以及三极管放大，并通过芯片U1产生频率为输入强变频信号频率整数倍分之一的跟踪触发信号送入采集模块，采集模块利用该触发信号实现对未知强变频信号的触发采集，每触发一次采集若干个点。由于采样触发信号与被测信号均是由未知强变频背景信号分出的，二者同步变化，因此巧妙地消除了被测信号频率剧烈变化对后期信号分析造成的影响。

采集到的信号通过第四步分析和处理实现从该未知强变频信号中检测弱低频信号。该第四步可由如下步骤组成：

一，根据采样精度将采集的二进制数据转换为相应的电平值；

二，初始化时域滤波器参数b、a，频域滤波器参数f_l、f_h，步进长度u以及跟踪触发信号频率f_S；

三，根据与0电平绝对值之差最小原则从第一次触发采集的数据中选定信号分析的初始点；

四，根据触发采集数据的长度以及信号分析初始量构建信号分析向量；

五，对所构建的信号分析向量进行时域滤波以及FFT变换；

六，对FFT变换后的信号向量进行频域滤波，并进行IFFT变换。

上述步骤中时域滤波器参数b＝[0.3，0]、a＝[1，-0.7]，频域滤波器参数f_l-f_h≤100Hz，步进长度2≤u≤10，跟踪触发信号频率14KHz≤f_S≤16KHz。

上述分析处理步骤一般由计算机程序完成。如图3所示。跟踪触发信号每触发一次时，由于所设计的采集电路可连续采集32、64、128、…等若干个点，且采样系统的采样值是16位二进制数。因此，程序开始时，需要首先设定n＝1，并将采集的二进制数据转换为对应电平值。然后，选取变化剧烈的点作为采集信号的分析点。设采集中一共触发了m次，每次触发采集32点，选取的信号参考分析点为i(1≤i≤32)，则由点序列{i+32j(0≤j≤m-1)}构成的向量即为分析信号向量，记为S。由于分析中涉及到跟踪触发信号频率及时域滤波，故需要初始化触发信号频率及所设计滤波器的系数矩阵a和b。在此基础上，对信号进行时域和频域滤波以及正逆FFT变换从而实现从未知强变频信号中检测弱低频信号。如果信号处理结果不明显则返回第一步，重新设定步进长度u，重复程序。

本发明具有以下实施例：

在运动目标探测中，接收模块(包括接收天线阵和射频处理单元)输出的未知强变频信号送至信号处理电路，处理后输出跟踪触发信号和放大的未知强变频信号至采集电路，采集电路以100MHz的频率采样信号，以1MHz的频率采样跟踪触发信号。图4、图5为采样得到的跟踪触发信号和强变频信号的部分波形图。如图5所示，当n＝15时，该点与0电平之差的绝对值最小，变化剧烈，因此取该点分析，信号向量为S＝{15+32j(0≤j≤m-1)}，其中m的大小取决于采样时间。此时跟踪触发信号为14.7KHz，即fS的初始化置为14.7KHz。同时初始化a＝[1，-0.7]，b＝[0.3，0]，即有时域滤波器g(b，a)，将序列S经过g(b，a)进行时域滤波，然后经FFT变换得到频谱向量K＝FFT(S)。频谱向量K经带宽为60Hz，下截至频率为f_l＝156Hz，上截至频率为f_h＝216Hz的频域带通滤波器进行滤波，并进行IFFT变换。图6为检测到的弱低频信号。具体分析程序步骤原理如下：

一，设计带宽为60Hz，下截至频率为f_l＝156Hz，上截至频率为f_h＝216Hz的频域带通滤波器；

二，初始化信号分析点n＝15，经过电平转换确立带分析信号向量S＝{15+32j(0≤j≤m-1)}；

三，初始化跟踪触发信号频率f_S＝14.7KHz，时域滤波系数矩阵a＝[1，-0.7]，b＝[0.3，0]；

四，利用滤波器g(b，a)对分析信号向量S进行时域滤波，并进行FFT变换得到频谱向量K＝FFT(S)；

五，利用一所设计的频域带通滤波器对向量K进行频域滤波，并进行IFFT变换，从而实现从未知强变频信号中检测弱低频信号。

如图6所示，该运动体在启动采集后14～15s间穿越某探测系统接收天线阵上方，信号信噪比较高，成功的实现了从未知强变频信号中检测弱低频信号。