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        低信噪比S模式應(yīng)答信號(hào)相關(guān)檢測(cè)方法

        2019-12-02 06:34:08劉顯勇
        商品與質(zhì)量 2019年27期
        關(guān)鍵詞:單脈沖信噪比濾波器

        劉顯勇

        四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 四川綿陽(yáng) 621000

        1 S模式應(yīng)答信號(hào)概述

        S模式響應(yīng)信號(hào)脈沖位置調(diào)制編碼方法,抗干擾能力強(qiáng),解碼精度高,越來(lái)越依賴定位系統(tǒng)(GPS)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Automatic Dependent Surveillance-廣泛的演員陣容,ads-b)主鏈的數(shù)據(jù)格式。尤其是對(duì)弱者和弱S模式響應(yīng)信號(hào)在很長(zhǎng)一段距離,信號(hào)本身有一個(gè)小能量和傳輸損耗大,接收信號(hào)的信噪比很低,探測(cè)和識(shí)別是困難的,和系統(tǒng)的攔截和接待能力很差。為了提高接收系統(tǒng)的靈敏度,擴(kuò)大檢測(cè)范圍,增強(qiáng)連續(xù)跟蹤和攔截的能力[1]。

        S模式,也被稱為地址模式,S代表的是根據(jù)要求進(jìn)行選擇性的進(jìn)行詢問(wèn),最終實(shí)現(xiàn)地面詢問(wèn)和飛機(jī)應(yīng)答的雙向信息互通。相比較傳統(tǒng)模式,S模式具有更好的選擇性,能夠?qū)崿F(xiàn)地面管制雷達(dá)在詢問(wèn)過(guò)程中的選擇權(quán)。具體來(lái)講,S模式在應(yīng)用過(guò)程中能夠根據(jù)需要覆蓋需要詢問(wèn)區(qū)域內(nèi)的全部飛機(jī),有效的減少了混迭等現(xiàn)象的出現(xiàn),降低了干擾。隨著在S模式中數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)的應(yīng)用,在很大程度上提高了交換信息的豐富度,涵蓋了高度、識(shí)別碼以及飛機(jī)的各種信息,具有更好的選擇性和即時(shí)性。

        在噪聲和干擾信號(hào)中也存在滿足時(shí)序關(guān)系的上升邊緣,在低信噪比下會(huì)產(chǎn)生大量的誤報(bào)。提出了一種改進(jìn)的檢測(cè)方法,在脈沖前沿提取過(guò)程中引入了噪聲基的聯(lián)合決策。同時(shí),提出了一種基于單脈沖匹配濾波的脈沖匹配檢測(cè)方法。不處理采樣電平,前8mics脈沖直接用于匹配濾波器檢測(cè)頭。直接匹配濾波器檢測(cè)方法改進(jìn),基帶規(guī)范化頭互相關(guān)檢測(cè)方法,提出了評(píng)估的總體特征匹配的學(xué)位頭,但相關(guān)峰值也出現(xiàn)在低信噪比下的non-header部分,導(dǎo)致假警報(bào)并增加了計(jì)算量。S模式響應(yīng)信號(hào)與分類特征參數(shù)的意義,探討了基于高階矩和累積量的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,但該方法選擇時(shí),不同的信號(hào)分類識(shí)別特征參數(shù)可能不一致,主要是面向一個(gè)特定的信號(hào)分類,和其他識(shí)別響應(yīng)信號(hào)和S模型響應(yīng)信號(hào)頻率(1090MHZ),同一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的識(shí)別方法比較復(fù)雜,推廣能力較差。提出了一種基于累積分類的ads-b信號(hào)解交織算法,利用有效的脈沖位置檢測(cè)方法估計(jì)信號(hào)到達(dá)時(shí)間(TOA),但噪聲對(duì)檢測(cè)概率和估計(jì)精度有很大影響[2]。

        從更廣闊的維度上看,對(duì)于未知波形時(shí)變信號(hào)的相干檢測(cè),尤其在極低信噪比(SNR)條件下的相干檢測(cè),迄今仍然是信號(hào)處理理論中的一個(gè)缺門(mén)。非相干的累積檢測(cè)方法倒是有一些,而能應(yīng)用于未知波形時(shí)變信號(hào)的自適應(yīng)相干累積檢測(cè)理論和技術(shù)幾乎找不到。現(xiàn)有的多種最優(yōu)濾波器或估計(jì)器,例如匹配濾波器、維納濾波器、卡爾曼濾波器等,都需要一定的先驗(yàn)信息,它們也都不能夠?qū)崿F(xiàn)未知波形信號(hào)的相干累積。所以具有非常奇異特性的自適應(yīng)相干累積,仍然值得繼續(xù)深入地加以研究。

        解決的困難年代低信噪比下的響應(yīng)信號(hào)識(shí)別模式,本文提出了基于包的一個(gè)增強(qiáng)識(shí)別方法檢測(cè)、單脈沖匹配濾波和多脈沖探測(cè)頭三次相關(guān)檢測(cè),并提高了S模式響應(yīng)信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別性能在低信噪比下通過(guò)三次相關(guān)處理。

        2 S模式應(yīng)答信號(hào)檢測(cè)

        2.1 信號(hào)預(yù)檢測(cè)

        對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)s型響應(yīng)信號(hào)的包絡(luò),其脈沖占空比約為1/2,且信號(hào)段中存在多個(gè)脈沖和集中能量。因此,本文提出通過(guò)包相關(guān)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)檢測(cè),從而確定信號(hào)到達(dá)的時(shí)間范圍。利用包相關(guān)性估計(jì)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的處理過(guò)程如圖1所示。

        為了檢測(cè)信號(hào)的存在,建立假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)P虷0:x(n)=ohm(n)=1,2…NH1:x(n)=s(n)+ohm(n)令構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)脈沖采樣值為y1=y2=…=yN=1,則相關(guān)操作為滑動(dòng)窗口的和。首先得到信號(hào)包絡(luò)線x(n),然后計(jì)算信號(hào)功率x(n)2。包相關(guān)是指信號(hào)功率x(n)2與標(biāo)準(zhǔn)脈沖y的卷積運(yùn)算[3]。

        2.2 單脈沖匹配濾波

        利用包相關(guān)性得到信號(hào)到達(dá)時(shí)間,進(jìn)一步確定頭脈沖的位置,估計(jì)脈沖幅度。在低信噪比條件下,脈沖邊緣會(huì)發(fā)生偏移或引入無(wú)效脈沖邊緣。為了提高脈沖邊緣提取的精度,采用單脈沖匹配濾波確定脈沖位置。頭段的四個(gè)脈沖寬度均為0。5微米,所以脈沖寬度是0。匹配濾波用5mus單標(biāo)準(zhǔn)脈沖,即y1=y2=…=yM=1,其中M的定義是2。第1節(jié)是一致的。標(biāo)準(zhǔn)脈沖的采樣點(diǎn)為匹配濾波器的系數(shù)。

        2.3 多脈沖報(bào)頭檢測(cè)

        當(dāng)信號(hào)頭部與標(biāo)準(zhǔn)四脈沖信號(hào)(H1的假設(shè))完全匹配時(shí),四個(gè)脈沖參與相關(guān)運(yùn)算以產(chǎn)生峰值??紤]到?jīng)]有三次脈沖匹配,信號(hào)標(biāo)頭和標(biāo)準(zhǔn)四次脈沖信號(hào)僅由兩個(gè)脈沖對(duì)按時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)峰值(H0假言)。因此,與許多脈沖相關(guān)聯(lián)的頭檢測(cè)問(wèn)題可被描述為以下假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題。

        2.4 理論檢測(cè)概率

        為了成功地最終檢測(cè)出S模式響應(yīng)信號(hào),需要經(jīng)由分組相關(guān)來(lái)檢測(cè)信號(hào)位置,并且最后需要通過(guò)多脈沖相關(guān)來(lái)確認(rèn)頭部位置。因此,最終信號(hào)檢測(cè)概率是數(shù)據(jù)分組相關(guān)與多脈沖相關(guān)的檢測(cè)概率的乘積,虛渺的出現(xiàn)主要有兩種情況:一種是數(shù)據(jù)分組相關(guān)過(guò)程產(chǎn)生虛高,其后當(dāng)多脈沖相關(guān)過(guò)程不匹配四脈沖時(shí)產(chǎn)生虛高。第二種是當(dāng)在多脈沖相關(guān)過(guò)程中調(diào)齊兩個(gè)或一個(gè)脈沖時(shí)成功檢測(cè)到分組相關(guān)過(guò)程,即,最終報(bào)警概率Pf=Pf1Pf30+Pd1(Pf3+Pf31)(31)。

        目前,飛機(jī)主要依靠二級(jí)代碼進(jìn)行識(shí)別。由于二次代碼數(shù)量有限,二次代碼重用經(jīng)常發(fā)生在繁忙的空域,導(dǎo)致飛行目標(biāo)與飛行計(jì)劃之間的關(guān)聯(lián)不正確。S模式技術(shù)的應(yīng)用可以解決這一問(wèn)題。S模式數(shù)據(jù)中的24位地址碼可用于唯一識(shí)別飛機(jī),航班號(hào)也可用于輔助識(shí)別。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)航跡和飛行計(jì)劃,還需要對(duì)飛機(jī)24位地址碼以及二次雷達(dá)應(yīng)答機(jī)代碼等多種因素進(jìn)行綜合考量,然后根據(jù)優(yōu)先權(quán)的設(shè)置,最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)聯(lián)。如果在監(jiān)視數(shù)據(jù)與飛行計(jì)劃關(guān)聯(lián)的過(guò)程中,出現(xiàn)了航跡的二次雷達(dá)應(yīng)答機(jī)代碼和飛行計(jì)劃出現(xiàn)偏差的情況,以及飛機(jī)航班和飛行計(jì)劃不符的情況,應(yīng)該及時(shí)指出并且標(biāo)示出,通過(guò)檢查等工作最終實(shí)現(xiàn)雙方的統(tǒng)一,然后才能繼續(xù)飛行任務(wù)[4-6]。

        3 基于多次相關(guān)的S模式應(yīng)答信號(hào)檢測(cè)公式

        將數(shù)據(jù)包相關(guān)、單脈沖相關(guān)和多脈沖相關(guān)的期望虛警概率均設(shè)為10-2,即Pf1=Pf2=Pf3=10-2。假設(shè)躁聲功率σ2=1,信噪比為0dB,信號(hào)時(shí)長(zhǎng)tl=120μs,采樣率fs=10MHz,脈沖寬度Pw為0.5μs。根據(jù)上述分析,由式(14)可得數(shù)據(jù)包相關(guān)的檢測(cè)門(mén)限γ1=Q-1χ22400(10-2)/2=1282.05,由式(15)可得其檢測(cè)概率Pd1=Qχ22400(1160)(2γ1)=99.99%,接近于1;由式(17)可得單脈沖相關(guān)的檢測(cè)門(mén)限γ2=Q-1χ210(10-2)/2=11.60,由式(18)得其檢測(cè)概率Pd2=Qχ210(10)(2γ2)=30.56%。

        聲功率σ2=1,信噪比為0dB,信號(hào)時(shí)長(zhǎng)tl=120μs,采樣率fs=10MHz,脈沖寬度Pw為0.5μs。根據(jù)上述分析,由式(14)可得數(shù)據(jù)包相關(guān)的檢測(cè)門(mén)限γ1=Q-1χ22400(10-2)/2=1282.05,由式(15)可得其檢測(cè)概率Pd1=Qχ22400(1160)(2γ1)=99.99%,接近于1;由式(17)可得單脈沖相關(guān)的檢測(cè)門(mén)限γ2=Q-1χ210(10-2)/2=11.60,由式(18)得其檢測(cè)概率 Pd2=Qχ210(10)(2γ2)=30.56%。

        4 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,首先,經(jīng)過(guò)一定的檢查可以得到準(zhǔn)確的位置,將頭脈沖的檢測(cè)閥值可以確定下來(lái),之后進(jìn)行降噪工作就依賴于單脈沖匹配的濾波器進(jìn)行。還有不斷的評(píng)估脈沖的幅度以及噪聲的功率等,并且經(jīng)過(guò)識(shí)別多脈沖的相關(guān)檢測(cè)來(lái)識(shí)別信息源。經(jīng)過(guò)這幾種處理的方法,可以得知使S模式響應(yīng)信號(hào)提升的最佳方法。經(jīng)過(guò)表達(dá)式的論證更加準(zhǔn)確的推導(dǎo)檢測(cè)的數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬,在預(yù)期的虛警概率下,該方法實(shí)現(xiàn)的理論檢測(cè)概率,并比較該方法與傳統(tǒng)的直接匹配濾波法,脈沖前沿方法,基帶歸一化互相關(guān)方法的識(shí)別性能,本文驗(yàn)證了算法性能的優(yōu)越性。本文基于檢測(cè)的方法進(jìn)行了分析研究,希望可以帶來(lái)相關(guān)的參考價(jià)值。

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