袁偉家

（大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013）

0 引 言

在主動聲納、雷達(dá)探測系統(tǒng)中，目標(biāo)探測具有一定難度，主要原因在于目標(biāo)回波的強(qiáng)度較小，除傳播信道的影響，信號采樣、調(diào)制、編碼等環(huán)節(jié)均引入了噪聲[1]。而依據(jù)發(fā)射信號窄脈沖、周期性的特征，能夠?qū)Υ祟愔芷谛盘栠M(jìn)行搜索[2]。針對信噪比不高或處理后信號特征不明顯的現(xiàn)狀，采用周期脈沖序列搜索法能夠自動搜索可疑脈沖并自動標(biāo)記，能克服波形識別方式不準(zhǔn)確的缺陷，提高檢測增益[3]。

1 周期脈沖序列搜索法

1.1 周期脈沖信號形式

設(shè)待檢測信號為x(t)，有：

其中s(t)為發(fā)射信號，周期為T，有：

將式（2）代入式（1），有：

其中n1(t)無明顯周期性，與n(t)同為噪聲。由式（3）可知，發(fā)射信號受噪聲的影響，使得接收信號不再具有周期特征，僅根據(jù)周期性特征區(qū)分信號缺乏依據(jù)。對離散化序列來說，本文研究的信號s(i)還具有窄脈沖特征，即能量集中且周期內(nèi)有效信號的持續(xù)時(shí)間短即占空比高。若信號形式為CW脈沖，那么s(i)可表達(dá)為：

其中A＞0，為發(fā)射信號幅度，Δ為相對有效信號中心的浮動范圍。

那么，信號功率為：

相同情況下，噪聲功率為：

信噪比為：

以聲納探測中使用的聲信標(biāo)信號為例，1 s周期內(nèi)的脈沖寬度為10 ms，占空比為1%，那么

由式（8）可以推算，對于信噪比SNR=0 dB的信號，信號與噪聲的幅值之比約為3.16，即通過波形能夠直觀觀察到周期特征識別信號。信號與噪聲幅值相當(dāng)時(shí)，推算對應(yīng)信噪比為-10 dB左右，本文以5 dB信號。

局部損傷的軸承振動信號，水下聲信標(biāo)信號一類信號具有周期性和脈沖性。此類信號能量集中但對整體信號的能量貢獻(xiàn)不高，在噪聲存在的情況下，整體能量均值接近噪聲的能量均值。依據(jù)此理論，可以根據(jù)整體信號的幅度均值來估算噪聲的幅度均值，進(jìn)而設(shè)定一個門限隔離大部分噪聲實(shí)現(xiàn)脈沖初步篩選。脈沖序列搜索法流程如圖1所示，即通過閾值對脈沖進(jìn)行初步篩選，然后利用單脈沖位置信息對多脈沖取舍，最后還原為時(shí)間信息并進(jìn)行后續(xù)處理。

1.2 閾值篩選

根據(jù)信噪比大小，可以分為以下三種情況進(jìn)行討論：

（1）信噪比較高時(shí)，脈沖幅值遠(yuǎn)高于噪聲，波形上可明顯區(qū)分；

（2）信噪比一般時(shí)，脈沖幅值與噪聲水平相當(dāng)，波形上噪聲與脈沖摻雜，人眼憑借周期特性判別信號不準(zhǔn)確，無法區(qū)分；

（3）信噪比較低時(shí)，脈沖幅值低于噪聲，波形上無脈沖特性。

本文主要研究第二種情況。首先，根據(jù)信號的整體幅度均值設(shè)定一個閾值Tr對信號的峰值進(jìn)行篩選，比較各采樣點(diǎn)的幅度A與wM的大?。∕為信號幅度均值），此處的幅度均指信號的絕對值。由于最終獲取的是信號的位置信息而不是幅度大小，經(jīng)過閾值處理后對大于wM的信號幅值保留并賦值為1，其余置零處理。信號脈沖篩選情況，如圖2所示。

確定脈沖方法中應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況調(diào)整w的大小，使得篩選出的峰值數(shù)目適中。若w過小，則脈沖數(shù)目過多，會導(dǎo)致引入的虛假峰值增多，增加不必要的運(yùn)算量；若w過大，則脈沖數(shù)目變得過少，會濾掉有效脈沖。

可以斷定，如果Tr選擇不好，將直接影響檢測結(jié)果。圖2中，在聲信標(biāo)信號基礎(chǔ)上添加噪聲，使得信噪比為-5 dB，其中白色實(shí)線為整體幅度均值M，黑色虛線為閾值設(shè)定均值4M，使得篩選后脈沖數(shù)目bk=21。

2 脈沖位置搜索

信號中的脈沖為高頻諧波信號，具有脈沖特性但并具有單一幅值。因此，不能依據(jù)每點(diǎn)的幅值大小進(jìn)行提取。經(jīng)過篩選后的脈沖成分，可分為幾種情況：

（1）部分信號脈沖和部分噪聲虛假脈沖；

（2）全部為噪聲虛假脈沖；

（3）全部為信號脈沖。

其中（1）為普遍現(xiàn)象，而（2）與（3）存在于信噪比極低和極高的情況下。信噪比極高情況下，信號通過信號處理環(huán)節(jié)可以從波形上識別而無需檢測算法進(jìn)一步分析。信噪比極低時(shí)，算法的處理能力已到達(dá)上限，即使檢測到信號也不具可靠性，檢測到的都是噪聲引起的虛假脈沖。

圖1 脈沖序列信號搜索流程

圖2 信號脈沖篩選情況（SNR=-5dB,w=4,bk=21）

針對此種情況，若在某點(diǎn)處幅值不為0，且滿足在該點(diǎn)之后的k*fs點(diǎn)幅值都為0，則認(rèn)為是脈沖而保留，其余點(diǎn)置零。本文中采樣率為fs=312 500 Hz，取k=0.006 4，即某點(diǎn)幅值不為0時(shí)，繼續(xù)考察其后約2 000個點(diǎn)的情況。若幅值都為0，判定為脈沖并記錄位置。處理前，需要將信號延長k*fs點(diǎn)并賦值為1，以考察所有真實(shí)的信號點(diǎn)。k*fs必須小于脈沖周期對應(yīng)點(diǎn)數(shù)，否則會覆蓋脈沖。需要說明的是，此環(huán)節(jié)記錄的位置取脈沖后沿，因此后文仿真中的脈沖均發(fā)生在每個周期中的后0.51 s處。

將上述脈沖篩選后的脈沖更新后，獲取當(dāng)前信號每一個脈沖的位置，然后按先后順序排列成數(shù)組，結(jié)果如表1所示，當(dāng)前位置信息以點(diǎn)計(jì)數(shù)。

表1 篩選后脈沖的位置信息

在信號微弱且信噪比很小的情況下，經(jīng)脈沖篩選后，信號依然存在很多幅值相當(dāng)?shù)拿}沖，即這些脈沖的間隔很小，分布在各個時(shí)間點(diǎn)。因此，可以適當(dāng)調(diào)小k的值，以保留多數(shù)的脈沖，但必須注意過小的k會增加運(yùn)算量。相反地，如果信噪比比較大時(shí)，可以適當(dāng)加大k的值。通常，k取0.001～0.01。運(yùn)用以上步驟完成信號脈沖的提取，參數(shù)設(shè)置得當(dāng)可以最大化有效脈沖的數(shù)目，同時(shí)降低不必要的運(yùn)算量。

2.1 單脈沖定位

經(jīng)過上述處理，此時(shí)更新后的信號成分都為脈沖，包括真實(shí)脈沖和虛假脈沖。因此，需要對脈沖進(jìn)行篩選，依據(jù)的原則是信號的周期特性。

若信號的長度為t，保留0～1 s信號不變，1～2 s信號向前移動1 s，如信號采樣率fs=312 500 Hz，則對處于1～2 s內(nèi)的第400 321點(diǎn)向前移動fs，于是原處于400 321點(diǎn)的信號幅值不變而坐標(biāo)變?yōu)?7 821。以此類推，直到所有信號都?xì)w一到前一秒信號中。但需要注意，信號歸一化會丟失時(shí)間信息，導(dǎo)致無法還原真實(shí)位置信息，因此處理前必須將信號所處的時(shí)間段信息保存。

首先，將信號（這里指上述處理后的信號，即待檢測的信號）以秒為單位分別劃分至1 s內(nèi)，使各秒的信號同步在單位時(shí)間內(nèi)。同時(shí)，將上述產(chǎn)生的一維數(shù)組轉(zhuǎn)換為矩陣，型為t×bk，矩陣元素所在的行數(shù)為脈沖所在的時(shí)間，t行內(nèi)所有位置信息對應(yīng)的脈沖發(fā)生在t-1～t的時(shí)間段內(nèi)，位置信息矩陣如表2所示。

表2 位置信息矩陣

經(jīng)過處理后，信號的位置信息更新在矩陣中，此仿真信號矩陣為10×21。由于矩陣較大列舉困難，表2已經(jīng)進(jìn)行了優(yōu)化，并不是實(shí)際的矩陣情況。由于在脈沖篩選環(huán)節(jié)時(shí)篩選的脈沖數(shù)目并不確定，因此數(shù)組應(yīng)比實(shí)際檢測的數(shù)目大，本文取1×100，且位置更新矩陣列數(shù)也設(shè)置為100。根據(jù)上述理論，脈沖數(shù)目bk＞30時(shí)，可以認(rèn)為噪聲干擾較大。因此，使用100×100的矩陣足夠。

更新后的矩陣可以依據(jù)脈沖所在的行進(jìn)行分析和判定單脈沖時(shí)間段與多脈沖時(shí)間段的比例?？梢耘卸?，10個信號段中，單脈沖時(shí)間段數(shù)目為4，分別存在于0～1 s、1～2 s、2～3 s和9～10 s，其余時(shí)間段為多脈沖時(shí)間段且數(shù)目為6。單脈沖時(shí)間段所占的比例尚可，說明信號經(jīng)過小波分解等處理后，信噪比較高，其位置信息具有利用價(jià)值。若信號的信噪比較大，則在單位時(shí)間內(nèi)具有單一脈沖的數(shù)目較多；反之，若信號不存在或信噪比很小，則單位時(shí)間內(nèi)具有單一脈沖的數(shù)目較少甚至為0。

2.2 多脈沖匹配

為匹配多脈沖時(shí)間段的位置信息，同樣必須將所有位置信息換算到單位時(shí)間內(nèi)，即第t秒信號向前移動(t-1)*fs點(diǎn)，更新后矩陣信息如表3所示。

表3 位置信息匹配矩陣

保留信號中單位時(shí)間內(nèi)單一脈沖的位置信息并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。將所有單一脈沖的均值作為脈沖發(fā)生時(shí)間的匹配標(biāo)準(zhǔn)（下稱匹配標(biāo)準(zhǔn)），并將其與單位時(shí)間內(nèi)非單一脈沖的位置信息進(jìn)行匹配，如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，0～1 s、1～2 s、2～3 s、9～10 s的脈沖位置都處于20 000上下。顯然，3～4 s中，位置信息為12 400及30 276是噪聲引入的虛假脈沖。同理，4～5 s中，位置信息為14 828也是噪聲引入的虛假脈沖。以此類推，將所有距離匹配標(biāo)準(zhǔn)較遠(yuǎn)的值剔除，更新矩陣，結(jié)果如表4所示。

根據(jù)預(yù)先設(shè)定的位置波動范圍，將處于范圍內(nèi)的脈沖保留，并置零不滿足條件的脈沖位置信息。此處，將波動范圍設(shè)置為±10 000，信號的篩選從第1行即0～1 s開始，考察每一個多脈沖時(shí)間段的各個脈沖。如果處于波動范圍內(nèi)，則進(jìn)行替換；否則，置零處理。

表4 多脈沖匹配后位置信息矩陣

多脈沖時(shí)間段的信號經(jīng)過篩選后，脈沖數(shù)目通常為0或1。在參數(shù)選取得當(dāng)?shù)那疤嵯拢粜盘栃旁氡容^大，則單一脈沖時(shí)間段數(shù)目較多。隨著信噪比逐漸降低，單一脈沖時(shí)間段的數(shù)目逐漸減小，而多脈沖時(shí)間段逐漸增多。這是因?yàn)樵肼曇肓溯^多虛假脈沖，根據(jù)匹配標(biāo)準(zhǔn)對多脈沖時(shí)間段匹配后，如果信噪比較大，則可以匹配到的脈沖數(shù)目為1，信噪比較低則會產(chǎn)生匹配不到或者匹配到多余1的脈沖數(shù)目。總之，此步驟的目的是盡可能依據(jù)匹配標(biāo)準(zhǔn)將多脈沖時(shí)間段轉(zhuǎn)化為單脈沖時(shí)間段。

最后，將所有的位置信息合并，并將單位時(shí)間位置信息還原為真實(shí)時(shí)間下的位置信息，確定信號點(diǎn)的位置，結(jié)果如表5所示。

表5 時(shí)間還原后位置信息矩陣

3 結(jié) 語

針對工程中周期脈沖形式的信號檢測，提出了周期脈沖序列搜索法。通過閾值篩選、單脈沖定位、多脈沖匹配和設(shè)定參數(shù)等一系列環(huán)節(jié)后，該方法能在一定信噪比條件下對脈沖信號序列進(jìn)行自動檢測，處理高效且位置信息準(zhǔn)確可靠，可保證后續(xù)信號步驟的進(jìn)行。

[1] 李笑媛,程晶,那健.一種基于DSP的聲信標(biāo)信號提取方法[J].艦船科學(xué)技術(shù),2014,36(305):125-127.LI Xiao-yuan,CHENG Jing,NA Jian.An ULB Signal Extraction Method Based on DSP[J].Ship Science and Te chnology,2014,36(305):125-127.

[2] 沈風(fēng)麟,葉中付,錢玉美.信號統(tǒng)計(jì)分析與處理[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2003.SHEN Feng-lin,YE Zhong-fu,QIAN Yu-mei.Signal Statistical Analysis and Processing[M].Hefei:Press of USTC,2003.

[3] 肖洪梅,吳健.微弱激光脈沖信號的相關(guān)檢測[J].光學(xué)與光電技術(shù),2004,28(01):234-236.XIAO Hong-mei,WU Jian.The Relevant Detection of Weak Laser Pulse Signal[J].Optical and Optoelectronic Technology,2004,8(01):234-236.