[发明专利]一种基于信号特征差异的无人机上下行通信链路识别方法及装置

权利要求书

1.一种基于信号特征差异的无人机上下行通信链路识别方法，其特征是：其包括以下步骤：

S1、宽带接收机的天线接收到电磁波信号，进行放大、滤波、混频和中频处理；

S2、对步骤S1处理后的前述信号进行载波频率CF测量，结合窄带滤波进行脉冲检测，测量信号的脉冲重复周期PRI及脉冲宽度PW参数；包括如下步骤：

S2a、载波频率CF估计

先采用频谱峰值检测运算对前述信号载频进行粗估计，确定频率范围；然后再利用ZFFT对频谱进一步细化；最后利用二次插值法消除栅栏效应带来的频偏；

对步骤S1处理后的前述信号，首先通过门限检测判断载波的有无，并粗略估计峰值的位置；以x_n代表无人机基带信号，设待估无人机信号序列为

其中，A₀和分别为载波信号的幅度和初相，设A₀＝1、f₀和f_s分别为待估无人机信号的载波频率和数据采样率，N为采样点个数，r(n)为高斯白噪声，设其方差为δ_r；

首先，对前述信号进行FFT变换，得到其频谱如下：

X(k)＝FFT{x(n)},k＝0,1,...N-1      (2)

然后，计算各频点信号强度与其邻域频点信号强度均值的比值如下：

其中

m为左右邻点数，若上述比值q_j超过设定门限值T，则判定有载波信号存在，然后以此频点值及其相邻次大频点值为载波频率范围；设此频点及其相邻次大频点对应频率分别为f1和f2，设f1＜f2，则有|f₁-f₂|＝f_s/N；[f1，f2]为待估无人机信号载波频率范围；

S2b、进行超窄低通滤波，具体的处理过程如下：

由步骤S2a中的FFT运算得到的载波频率范围[f1，f2]，计算出复调制频移的本振复信号频率为

经复调制得到频移信号如式(6)所示，原频率f_e搬移到了零频，则此时原频点f1和f2位于零频两侧且关于零频对称；

利用积分运算对前述信号进行低通滤波，同时结合数据抽取，对数据分段求和，取各段数据均值组成抽取信号序列；设抽取率为D，抽取的方式为取D个数据点的均值作为抽取结果，通过分段求和取均值的方式同时实现低通滤波与数据抽取；抽取后前述信号采样率变为f′_s＝f_s/D，滤波抽取结果如下：

最后，包络检波及脉冲检测

得到前述信号载波频率后，通过包络检波法将对应信号提取出来，从而实现脉冲检测和参数测量；包络检波的步骤和前面类似，即先将前述信号下变频至零中频，然后通过分段求和取均值的方式同时实现低通滤波与数据抽取，实现窄带滤波和数据量减小；即将式(5)中f_e换成

然后重复式(6)和式(7)的步骤，设得到的结果表示为x₂(n)，对其取包络，即对x₂(n)取模得到x₃(n)＝|x₂(n)|；

S2c、对包络波形进行脉冲检测并测量相关参数值

脉冲检测是对包络波形进行上升沿和下降沿的检测，采用动态门限检测法，将包络与门限的交点作为上升沿或下降沿；动态门限法先把包络信号分为M段信号，每一段信号为x_4m(n)，m＝1,...,M，即将信号划分到多个均匀窗口内，求取各窗口内信号的局部最大值x_max(m)＝max(x_4m(n))，然后产生对应门限为g_m＝αx_max(m)；

设在一次检测时宽内得到的脉冲上升、下降沿位置分别为n_up和n_down，在脉宽上升沿和下降沿采用线性拟合插值的方式，得到上升、下降沿位置；具体算法如下：

其中，t_up、t_down分别为上升沿、下降沿对应时间，B_d为抽取滤波之后的带宽；根据脉宽负值的情况，对上升沿或者下降沿进行移位调整；判断出K_up个上升沿和K_down个下降沿后，相邻上升沿或下降沿之间的时间差即为脉冲重复周期，即

PRI＝t_up(k+1)-t_up(k)，k＝1，2，...，K_up    (10)

将配对的下降沿时间减去上升沿时间，即得到脉宽，即

PW＝t_down(k)-t_up(k)，k＝1，2，...，K_down    (11)

另外，每个脉冲的上升沿作为其到达时间；

估计出脉冲相关参数值后，根据所测得的前述信号载波频率CF和脉冲重复周期PRI及脉宽PW参数，对前述无人机信号进行识别和提取；

S3、判断有无无人机信号

根据步骤S2测量获得的载波频率CF、脉冲重复周期PRI和脉冲宽度PW参数，判断是否有前述无人机信号；若判断没有无人机信号，返回步骤S2继续检测，若初步判断有无人机信号，进行步骤S4中的无人机信号检测判断；

S4、对无人机信号进行检测判断

识别出前述无人机信号之后，对该无人机信号的带宽和跳频速率进行精确测量和估计；

首先，精确估计无人机信号的带宽，进行以下操作：

1)求功率谱

将长度为N的数据x(n)，n＝0,1,…,N-1，分成L段，每段有M个数据，其中L为不重叠时每个数据段的长度，L＝NM，第i段数据x_i(n)＝x(n+iM-M)，然后把窗函数ω(n)加到每个数据段上，求出每一段的周期图，第i段的周期图

式中，U为归一化因子，

每一段的周期图之间近似互不相关，最后功率谱估计为

2)小波分解得到平滑功率谱

对估计出的功率谱进行小波分解，将前述信号的细节部分和粗略部分分离，再提取粗略部分的系数并以此系数重构功率谱，消除功率谱波形中的高频细节，得到平滑的波形；

3)计算平滑功率谱的移动协方差

得到平滑功率谱后，提取通带的起始点和终止点来估计出带宽；计算移动协方差：

r(k,k+1)＝cov(d(k),d(k+1))，k＝1,2,…,N-1            (15)

式中：d(k)是小波分解后所提取出粗略部分的重构系数，利用该式遍历所有数据点，求出的是任意相邻点之间的移动协方差；当每隔p个点时，其值才会发生改变，所以采用下式计算

式中，k＝1,1+p,…,N-p，p值的选择由实际数据点的特点来决定，当p＝1时，等效为式(15)；

4)估计带宽

提取出最大的2个移动协方差值所在的位置a和b，并分别将其视为带宽的起始点和截止点，将差值|b-a-1|作为估计带宽；

设定循环次数，对长度为N的数据x(n)，n＝0,1,…,N-1，的L段重复上述步骤1)～4)，算出L个带宽，再求平均，求出估计带宽的统计平均值，即为前述无人机信号的精确带宽估计值；然后，精确估计跳频速率，进行以下操作：利用短时傅里叶变换分析信号，得其时频表示，再利用小波变换提取该时频表示的边沿信息，进而利用谱分析来估计跳频速率；精确估计跳频速率的步骤如下：

1)计算前述无人机信号的短时傅里叶变换STFT_x；

先假设跳频速率估计是先验可知的，前述接收信号短时傅里叶变换的时频表示式：

其中，h(τ-t)为窗函数，在(τ-t)∈[-Δ/2,Δ/2]时为1，其他为0；Δ为时频窗的宽度；将h(τ-t)设定为以确保窗函数覆盖的时间区域内至多有一个频率跳变；

2)提取STFT_x的时频脊线f_x(t)；

为对STFT_x(t，f)的时频表示进行二次处理，提取它的时频脊线，如式(18)：

3)计算f_x(t)小波变换W(a,t)；

采用小波变换

其中，a为尺度参数；是Haar小波；

设定尺度参数a等于时频窗的宽度Δ，确保小波函数的覆盖时间范围内至多存在一个频率跳变；

4)计算W(a,t)的幅值序列Abs[W(a,t)]；

计算W(a,t)的幅值序列Abs[W(a,t)]，该幅值序列是一个伪随机序列，即频率跳变发生在nT_H(n∈Z)时刻；

5)计算Abs[W(a,t)]的傅里叶变换FFT；

6)检测谱尖峰的间隔，该间隔即对应跳频速率的估计：时频脊线的小波变换幅值序列在跳变速率位置处存在离散谱线，通过检测该离散谱线实现跳频速率的精确估计。

2.一种实施权利要求1所述方法的基于信号特征差异的无人机上下行通信链路识别装置，其特征是：其包括用于接收电磁波信号并对信号进行放大、滤波、混频和中频处理的宽带接收机；用于对经宽带接收机处理后的信号进行载波频率CF估计、结合窄带滤波进行脉冲检测、信号的脉冲重复周期PRI及脉冲宽度PW参数测量的无人机信号检测预判模块；用于对无人机信号的脉冲重复周期PRI及脉冲宽度PW参数进行识别的无人机信号识别模块；用于对无人机的带宽和跳频速率进行精确测量和估计的上下行信号检测判断模块。