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多分量LFM信号在分数阶Fourier域的参数估计与分离

2021-09-28 来源:品趣旅游知识分享网
第8卷第4期 中国科技论文 CHINA SCIENCEPAPER Vo1.8 No.4 Apr.2013 2013年4月 多分量I fFM信号在分数阶Fourier域的参数估计与分离 刘宝华 ,李运华 ,庞洪忠 (1.北京航空航天大学自动化科学电气工程学院,北京100191; 2.燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室,河北秦皇岛066004) 摘 要:分数阶Fourier变换由于其特有的性质,非常适合处理LFM(1inear frequency modulation)信号,尤其是作为一种线性变换, 可以克服多分量LFM信号交叉项的干扰。在分数阶Fourier变换用于单分量LFM参数估计的基础上,采用预判与分数阶自相关 相结合的方法,在分数阶Fourier域对多分量LFM信号模型进行检测和参数估计,极大地减小了计算量,并采用Clean法实现了不 同强度LFM信号的分离,抑制了强分量信号对弱分量信号的遮蔽干扰。仿真实验表明,该方法具有较好的效果。 关键词:线性调频信号;分数阶Fourier变换;分数阶自相关;参数估计 中图分类号:TN911.7 文献标志码:A 文章编号:2095—2783(2013)04—0275~04 INranleters estimation and separation of multi- ̄t LFM sign ̄in fractional Fourier domain Liu Baohua ,Li Yunhua ,Pang Hongzhong (1.School ofAutomation Science and Electrical Engineering,BeihangUniversity,Beijing 100191,China; 2.Parallel robot and mechatronic system laboratory,Yanshan University,Qinhuangdao,Heibei 066004,China) Abstract:Fractional Fourier transform(FRFT)is very suitable to process linear frequency modulation(LFM)signal,and espe— cially.as a kind of linear transformation。can overcome cross—term interference of multi—component LFM signal because of its spe— cial nature.This study uses anticipation and fractional autocorrelation methods to estimate the parameters of multi-component LFM signal in fractional Fourier domain based on FRFT that is for estimating single component LFM signal parameters,and a— dopts the Clean method to realize the separation of different strength LFM signals and inhibit the sheltering and interference of strong component signal to weak component signa1.The simulation shows that this method is fairly effective. Key words:linear frequency modulation signal;fractional Fourier transforml fractional autocorre1ation;parameters estimation 线性调频信号被广泛应用于雷达、声纳和通信等 信息系统,在旋转机械故障诊断的振动信号中也存在 着大量的LFM信号成分。对LFM信号的未知参数 估计,尤其是在低信噪比条件下实现对多分量LFM 信号的检测和参数估计,以及不同强度分量信号的分 离,具有重要意义。目前已有多种基于分数阶Fourier 变换(fractional Fourier transfoFin,FRFT)的LFM信号 检测和参数估计方法_】{],文献[1]通过构造一个匹配 滤波器确定LFM信号在时频域内的投影位置来估计 其调频率,但是计算过程较为繁琐;文献[2]采用短时 傅里叶变换(short-time Fourier transforrn,STFT)和小 波变换(wavelet transforill,wr)对含未知参数的多分 量LFM信号进行处理,但是STFT窄的观测窗降低了 频率分辨率,wT宽度变化的时间窗也会影响频率分 辨率;文献[3-1gI入聚类分析法对时频分析平面上的多 个尖峰进行聚类,并完成对多个LFM信号的检测,但 是在低信噪比条件下,强弱信号能量相差较大时,弱分 量容易被淹没在噪声中而无法检测。笔者提出一种预 判与分数阶自相关相结合的方法,对多分量LFM信 号进行检测与参数估计,并运用Clean法_4]使不同强 度分量的LFM信号分离,可达到抑制强分量信号对 弱分量信号的遮蔽干扰。 收稿日期:2012—12—31 1分数阶Fourier变换的定义 作为Fourier变换的一种广义形式,FRFT可以 解释为信号在时频平面内坐标轴绕原点逆时针旋转 任意角度后构成的分数阶Fourier域上的表示。信 号 ( )的FRFT定义为 ( )一(P (£)])( )一l K(£, ) ( )出。 (1) 式中,FRFT的变换核K。(£, )为: KP( , )一 f√ e 1 (£一乱)d一2nn, 嘶一j ,a nn, 、 I ( +“)a===(2 +1)7c。 式中,a一户7c/2为旋转角度,P为FRFT的阶数,可以 为任意实数,U为分数阶Fourier域l5]。 2模糊函数与分数阶自相关 模糊函数作为一种二维时频分布函数,是一种 双线性变换信号的某种线性变换,其定义为 rco AF (r,J『)一I x(t+r/2)x×(f—r/2) dt。(3) J——。。 作者简介:刘宝华(1966一),男,教授,主要研究方向:计算机应用与数字信号处理,liubaohua@ysu.edu.cn 276 中国科技论文 第8卷 对于LFM信号,其模糊函数为 AF (r,u)一2n8(u+ or)exp(jf0 )。 (4) 式中, 。与 分别为LFM信号的调频率和中心 频率。 分数阶自相关源于FRFT,其定义为 R (10)一e co sl l z( )z×( 一pcosa)e J砷 。mdt。 (5) 式中,l0表示延迟,21表示旋转角度,R (p)则描述了时 频面上与t轴成a角度的“域自相关。而分数阶自 相关与模糊函数的数学关系为 r R(1D)一 (pcosa,psina)一I (r).27 (r--p)dr一 (F一丌/ I) /2( )l )(p)。 (6) 式中,r 。表示Fourier反变换,.z ( )表示信号的12 阶FRFT结果。由式(6)可知,模糊函数过模糊平面 原点上的累积与信号的12阶分数阶自相关的值相 一致[6l。 3 多分量LFM信号参数估计与分离原理 3.1多分量LFM信号检测和参数估计 由于LFM信号在不同的分数阶Fourier域上呈 现出不同的能量聚集性,而高斯白噪声的能量均匀 地分布在整个时频平面上,不会出现能量的聚集;所 以,检测含有未知参数LFM信号,可以先利用预判 法粗略估计出其调频率的值,并根据该值计算出相 应的旋转角度值;然后再根据该旋转角度值确定一 组角度 ,忌一1,2,…, ,计算在每个角度上的分数 阶自相关并求其积分值,找出最大峰值点,实现对调 频率的精确估计;最后再利用各参数之间的数学关 系实现对LFM信号的其他参数估计。 设多分量LFM信号模型的形式为 K z( )一 ao exp(j ̄0 +j兀 t+J‘nffokt )+ (£), 一1 /2≤t≤ /2。 (7) 式中,a。 、 、 和 分别为信号的振幅、相位、 中心频率和调频率,K为信号分量的个数,叫(£)为复 的高斯白噪声, 为方差。对于任一信号分量,相应 的输入信噪比为a。 / 。式(7)中的各参数之间的数 学关系为: 由于LFM信号的频率是线性变化的,所以在任 意存续期内任取一段时间,在该时间段内,信号的频率 被调制在一个带限范围内,其最大频谱成分与最小频 谱成分的差值与所取时间段的长度成正比关系,其比 值就是调频率。基于该调频率的估计值,只需在极小 的旋转角度范围内做信号的分数阶自相关计算,就可 以找到最大峰值点的位置,极大地减少计算量。设信 号z( )在一个存续期内所选取的时间段为( ,tz),其 频率被调制到( , ),信号z( )的相位对时问求导可 得其瞬时频率( + ),则有fl一 +fo, 一£z + ,由此可得调频率 的粗略估计值: rfo=一 == 二 。 ㈩ 将I l代入式(8)中可得 ao一千arctan(1/l 1)。 (10) 因为预判的l 。I总是比真实值小,因而对应的 旋转角度a。的估计值比真实值大,在进行分数阶自 相关寻找最大峰值点时,只需向 l变小的方向做计 算即可l7]。利用模糊函数与分数阶自相关的关系, 以预判的调频率l l为参量,可构造一个检测统计 量E8]L(ff)。确定一组角度 ,le—l,2,…, ,计算在 每个角度 上的信号的分数阶自相关,并求其积分 值,当 === 时,信号能量聚集出现峰值,利用该峰 值就可以求出调频率的精确值,再将该值代入式 (8),可求得其他参数的值。检测统计量定义为 r L(f)一l lAF (rcos ̄,rsina)l dr一 (J0)l。dp。 (11) 3.2多分量LFM信号的分离 工程应用中,各信号分量的强度往往相差很大, 使得在检测多分量信号的过程中,强分量信号可能 会影响对弱分量信号的检测和参数估计。因此,在 多分量信号的检测和参数估计中,必须采取一定的 措施来抑制强分量信号对弱分量信号的影响。一种 有效的方法是利用Clean法来实现对强分量信号的 抑制。假设各信号分量按其强度大小排列,根据多 分量信号谱的谱峰大小,检测出峰值最大即最强分 量信号的参数,然后将其抑制去除,再重新对剩余信 号的谱峰检测,重复该过程,按照由强到弱的顺序, 逐个检测出每个信号分量。这种逐个检测不同强度 分量信号的过程,实际上是将每个信号分量逐个分 离出来的过程。 估计出多分量LFM信号中强分量信号的中心频 率和调频率后,利用分数阶Fourier域与信号最佳旋转 角度和中心频率的关系,将信号模型通过一个以分数 阶Fourier域的uo域为中心频率的带阻滤波器,适当 选择其带宽,可滤除掉强分量信号的绝大部分能量。 该滤波器相当于一个开环的自适应时变滤波器,其中 心频率随强分量信号的瞬时频率作线性变化,从而可 实现对信号的自适应滤波。对通过带阻滤波器的信号 进行逆FRFF,将其反向旋转回原来的时间域,可得到 已滤除最强分量后的弱分量信号l_4 ]。 4仿真分析 4.1参数的有效估计 9 9 设信号模型为z( )一 。 州。 + + ( ); 叫(f)为加性高斯白噪声,取时间段(一l_8,1.8),采 第4期 刘宝华,等:多分量LFM信号在分数阶Fourie 域的参数估计与分离 277 样频率为150 Hz,采样点数为512点,信噪比为15 dB,该信号的时域及频谱如图1和图2所示。 1)由图2可以看出,频谱信号的频率段为 (7.926,41.39),可粗略估计出调频率l l的值为 9.296,与信号模型的调频率之和相接近,由此得到 对应的旋转角度a。为1.176,因为预判的 。比真实 值大,需向la。l变小的方向做计算,所以选取较小范 围的旋转角度a。∈(0.85,1.20)。考虑到估计的精 度和计算量的大小,设步长为0.005,计算每个角度 上的分数阶自相关并求其积分值,可找到信号z(£) 的最大峰值点和最佳旋转角度,如图3所示。 2)根据找到的最大峰值点和最佳旋转角度估计 出调频率的精确值 和中心频率.厂O,分别如图4和 图5所示,并由此得到两分量LFM信号的调频率肋 和中心频率 的仿真结果分别为(8.057,29.658), (一2.081,9.982),实现对信号z(t)参数的有效 估计。 理 粤 图1时域波形 Fig.1 Time-domain waveform ) l、 l 一・.。.. J.J - L. £iI- 图2频谱波形 图3 FRFT最佳旋转角度估计 Fig.3 Best rotation angle estimation of FRFT 粤 2 2●●O 0 5 O 5 O 5 0 5 O 5 0 5 ∞加∞舳∞∞加0 图4调频率估计 Fig.4 Estimation of LFM rate 、 图5 FRFT的三维图形 Fig.5 Three-dimensional graphics of FRFT 4.2强弱信号分离 利用分数阶Fourier域与信号最佳旋转角度和中 心频率的关系,求出分数阶Fourier域的Uo域的值为 9.982。设计一个以 值为中心频率的窄带滤波器, 带宽为8.64 Hz,运用Clean法,对信号z(£)按尖峰作 遮隔处理,可滤除强分量信号的绝大部分能量,如图6 所示。由图可见,抑制了强分量信号对弱分量信号的 遮蔽干扰,可实现对信号z( )的有效分离。 图6弱分量信号参数估计 Fig.6 Weak component signal parameter estimation 5结论 分数阶Fourier变换作为一种新的时频分析工 具,在信号处理领域,尤其在非平稳信号处理领域越 来越受到重视。笔者利用预判和分数阶自相关相结 合的方法,在分数阶Fourier域对多分量LFM信号 进行有效的检测和参数估计,极大地减小了计算量; 并采用Clean法实现多分量LFM信号的有效分离, 抑制了强分量信号对弱分量信号的遮蔽干扰。由于 LFM信号广泛应用于各个领域中,对其进行有效的 检测和参数估计具有一定的意义。 278 中国科技论文 第8卷 of based on FRFT_lJ].Sci China:Ser E,2003,33(8): [参考文献](References) Eli周刚毅,叶中付.线性调频信号的调频斜率估计方法 _J].中国科学技术大学学报,2003,33(1):34—38. Zhou Gangyi,Ye Zhongfu.Chirp signal rate estimation 749 758.(in Chinese) [5] 陶然,齐林,王越.分数阶Fourier变换的原理与应用 [M].北京:清华大学出版社,2004. 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