基于相位直线拟合的正弦波相参脉冲串信号频率估计方法

摘要

本发明公开了一种基于相位直线拟合的正弦波相参脉冲串信号频率估计方法。该方法如下：对输入复解析数字信号的多个脉冲分别作FFT运算，将各脉冲频率初估计值的平均值记作fe；利用fe对输入复解析数字信号进行下变频处理，提取各个脉冲的相位角信息；对所得相位角数据进行预处理并调整初相角；提取各脉冲的相位均值及中心时刻；对各脉冲的相位均值进行直线拟合运算，再根据直线似合的结果计算频率估计误差△fe；当△fe不小于设定阈值时，将频率估计值fe调整为fe＝fe+△fe，再次进行下变频处理，然后重新提取各个脉冲的相位角信息并重复上述步骤；否则直接输出fe作为频率的最终估计值。本发明频率估计精度更优，适用范围更广。

说明书

技术领域

本发明涉及数字信号处理技术领域，特别是一种基于相位直线拟合的正弦波相参脉冲串信号频率估计方法。

背景技术

在很多工程应用领域，如雷达/声呐信号处理、通信信号处理、无源定位、计量与测试等领域，都需要对正弦波相参脉冲串信号进行高精度频率估计。对信号作FFT运算，并将最强幅度谱峰所对应的频率作为频率的估计值是一种常用的正弦波相参脉冲串信号频率估计方法(下文中简称其为FFT算法)。FFT算法的频率估计性能除受检测信噪比制约之外，还受制于其数字分辨力f

为解决此问题，人们提出了多种解决办法，其中的一种解决办法是：先利用FFT算法得到频率的粗估计值，再在该频率估计值周围一定范围内利用最大似然估计法求频率的精估计值。当频率粗估计值的误差较大时，该种频率估计方法的计算量仍然很大。人们提出的另一种有效解决办法是：先利用FFT算法得到频率的粗估计值，再利用该估计值对各个相参脉冲进行下变频，并求出下变频后的各脉冲信号的均值，然后，再采用FFT算法从各脉冲信号的均值序列中估计出频率误差，并以该频率误差估计值对频率粗估计值进行修正(下文中简称其为二级FFT算法)。二级FFT算法的计算复杂度相对较小，但仅适用于对固定重频的相参脉冲串进行频率估计，且其频率估计性能仍受检测信噪比及数字分辨力的制约。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FFT算法与相位直线拟合相结合的正弦波相参脉冲串信号频率高精度迭代估计方法，能够用于重频任意变化的正弦波相参脉冲串信号的高精度频率估计。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于相位直线拟合的正弦波相参脉冲串信号频率估计方法，包括以下步骤：

步骤1，对输入复解析数字信号的多个脉冲分别作FFT运算，并以最强谱线所对应的频率值作为各个脉冲频率的初估计值，将各脉冲频率初估计值的平均值记作f

步骤2，利用各脉冲频率初估计值的平均值f

步骤3，从下变频处理后的复解析数字信号中，提取各个脉冲的相位角信息；

步骤4，对所得相位角数据进行预处理，调整初相角；

步骤5，提取各脉冲的相位均值及中心时刻；

步骤6，对各脉冲的相位均值进行直线拟合运算，再根据直线似合的结果计算频率估计误差Δf

步骤7，将Δf

步骤8，将频率估计值f

进一步地，步骤1所述对输入复解析数字信号的多个脉冲分别作FFT运算，并以最强谱线所对应的频率值作为各个脉冲频率的初估计值，将各脉冲频率初估计值的平均值记作f

记

对第i个脉冲信号进行M点FFT运算，M大于第i个脉冲信号的采样点数，最强谱线所对应的频率值

进一步地，步骤2所述利用各脉冲频率初估计值的平均值f

利用f

进一步地，步骤3所述从下变频处理后的复解析数字信号中，提取各个脉冲的相位角信息，具体如下：

计算数据序列

进一步地，步骤4所述对所得相位角数据进行预处理，调整初相角，具体如下：

1)首先判断所提取的各脉冲相位数据序列，脉内发生相位折叠现象的百分比是否超出阈值：若超过75％脉冲的脉内相位数据均发生了相位折叠现象，则调整信号初相角，并重新提取各脉冲的相位数据序列，具体调整方法：令

2)剔除各脉冲脉内相位估计值不符合要求的相位数据，具体方法是：先计算ψ

进一步地，步骤5所述提取各脉冲的相位均值及中心时刻，具体如下；

计算经相位预处理后的各脉冲的中心时刻t

进一步地，步骤6所述对各脉冲的相位均值进行直线拟合运算，再根据直线似合的结果计算频率估计误差Δf

对相位数据序列Θ

假设所得拟合的直线为Θ(t

进一步地，步骤8所述用Δf

其中，n＝0，1，2，…，N-1。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)对脉内及脉间相位数据进行必要的预处理操作，频率估计精度更优；(2)在利用脉内相位数据进行相位直线拟合时，对脉间间隔无任何约束条件；(3)既可用于固定重频正弦波相参脉冲串信号的高精度频率估计，也可用于重频任意的正弦波相参脉冲串信号的高精度频率估计，应用范围更加广泛。

附图说明

图1为本发明基于相位直线拟合的正弦波相参脉冲串信号频率估计方法的流程图。

图2为本发明实施例中步骤3所提取的各脉冲相位数据序列示意图。

图3为本发明实施例中步骤3所提取的各脉冲相位数据序列示意图。

图4为本发明实施例中步骤5所提取的各脉冲相位数据序列的均值序列示意图。

图5为本发明实施例中在利用图4中所示的相位均值序列进行一次相位直线拟合后，由步骤3所提取的各脉冲相位数据序列示意图。

图6为本发明实施例中图4中所示各脉冲相位数据序列所提取的各脉冲相位均值序列示意图。

图7为本发明所提供方法与二级FFT算法在几种输入信噪比条件下的估计性能仿真结果对比图。

具体实施方式

本发明一种基于相位直线拟合的正弦波相参脉冲串信号频率估计方法，步骤如下：

步骤1，对输入复解析数字信号的多个脉冲分别作FFT运算，并以最强谱线所对应的频率值作为各个脉冲频率的初估计值，将各脉冲频率初估计值的平均值记作f

步骤2，利用各脉冲频率初估计值的平均值f

步骤3，从下变频处理后的复解析数字信号中，提取各个脉冲的相位角信息；

步骤4，对所得相位角数据进行预处理，调整初相角；

步骤5，提取各脉冲的相位均值及中心时刻；

步骤6，对各脉冲的相位均值进行直线拟合运算，再根据直线似合的结果计算频率估计误差Δf

步骤7，将Δf

步骤8，将频率估计值f

进一步地，步骤1所述对输入复解析数字信号的多个脉冲分别作FFT运算，并以最强谱线所对应的频率值作为各个脉冲频率的初估计值，将各脉冲频率初估计值的平均值记作f

记

对第i个脉冲信号进行M点FFT运算(M应大于第i个脉冲信号的采样点数，但为提高频率估计精度，应尽可能地增大M的取值；为避免较低输入信噪比条件下由各脉冲起止时刻估计不准确而引入纯接收噪声信号，应采用较保守的脉冲起止时刻估计，确保不会引入纯接收噪声信号部分)，最强谱线所对应的频率值

进一步地，步骤2所述利用各脉冲频率初估计值的平均值f

利用f

进一步地，步骤3所述从下变频处理后的复解析数字信号中，提取各个脉冲的相位角信息，具体如下：

计算数据序列

进一步地，步骤4所述对所得相位角数据进行预处理，调整初相角，具体如下：

1)首先判断所提取的各脉冲相位数据序列，脉内发生相位折叠现象的百分比是否超出阈值：若超过75％脉冲的脉内相位数据均发生了相位折叠现象，则调整信号初相角，并重新提取各脉冲的相位数据序列，具体调整方法：令

2)剔除各脉冲脉内相位估计值不符合要求的相位数据，具体方法是：先计算ψ

进一步地，步骤5所述提取各脉冲的相位均值及中心时刻，具体如下；

计算经相位预处理后的各脉冲的中心时刻t

进一步地，步骤6所述对各脉冲的相位均值进行直线拟合运算，再根据直线似合的结果计算频率估计误差Δf

对相位数据序列Θ

假设所得拟合的直线为Θ(t

在进行步骤6之前，也可以先对步骤6中所得相位数据序列Θ

进一步地，步骤8所述用Δf

其中，n＝0，1，2，…，N-1。

相比于二级FFT算法，尽管本发明计算复杂度有所增大，但其频率估计精度更优，而且克服了二级FFT算法的局限性，既可用于固定重频正弦波相参脉冲串信号的高精度频率估计，也可用于重频任意变化的正弦波相参脉冲串信号的高精度频率估计，因而适用范围更广。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例

图1示出了本发明采用的单一正弦波相参脉冲串信号频率估计方法的具体处理步骤。本发明中待处理含噪复解析正弦型相参脉冲串信号可表示成式(1)所示形式。

式(1)中，w(t)是均值为零的观测白噪声；f

式(2)中，

对第i(i＝1，2，3，…，P)个脉冲信号进行M点FFT运算(M应大于第i个脉冲信号的采样点数，但为提高频率估计精度，应尽可能地增大M的取值；为避免较低输入信噪比条件下由各脉冲起止时刻估计不准确而引入纯接收噪声信号，应采用较保守的脉冲起止时刻估计，确保不会引入纯接收噪声信号部分)，得最强谱线所对应的频率值，记作

利用f

式(3)中，Δf＝f

受相位噪声

图2为本实施例在利用f

对所提取的脉内相位数据进行预处理后，计算每一个脉冲的脉内相位均值，得脉内相位均值数据序列

式(4)中，

在对图4中所示的脉冲相位均值序列进行直线拟合时，可以采用如下两种方法：一是对发生相位折叠现象的脉内相位均值序列进行解相位折叠运算，再进行直线拟合；二是取最大没发生相位折叠的脉内相位均值序列，如对图4中前11个脉内相位均值序列进行直线拟合。

在对脉内相位均值序列进行直线拟合，得到频差的估计值Δf

图5、图6分别为利用图4中所示的前11个脉冲的相位均值数据进行一次相位直线拟合后，得频差估计值Δf

图7示出了本发明所提供方法与二级FFT算法在几种输入信噪比条件下的估计性能仿真结果对比图(信号采样频率、相参脉冲串持续时间、脉冲重频及脉宽分别为100MHz、1ms、20kHz及2μs；待估计信号频率在5MHz±1.05kHz范围内均匀取值；单输入信噪比条件下的仿真次数为500次；本发明所提供方法及二级FFT算法使用相同的频率粗估计值；二级FFT算法在进行频率误差估计时，所用FFT算法的数字分辨力为7.3Hz；仿真计算时，均假设各脉冲的起止时间已知)。由图7可见，在给定的输入信噪比范围内，本发明所提供频率估计方法的估计性能均优于二级FFT算法；随着输入信噪比降低，两种频率估计方法的估计性能越来越接近。

本发明对脉内及脉间相位数据进行必要的预处理操作，频率估计精度更优；在利用脉内相位数据进行相位直线拟合时，对脉间间隔无任何约束条件；既可用于固定重频正弦波相参脉冲串信号的高精度频率估计，也可用于重频任意的正弦波相参脉冲串信号的高精度频率估计，应用范围更加广泛。