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信号处理
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谢维信

月刊

1003-0530

010-64010656;64034443-3004

100009

北京鼓楼西大街41号

信号处理/Journal Signal ProcessingCSCD北大核心CSTPCD
正式出版
收录年代

    RIS-4D生物雷达多人体定位与生命体征监测

    金添李志戴永鹏宋勇平...
    225-235页
    查看更多>>摘要：非接触式生命体征监测是一种可以被广泛用于健康医疗、辅助生活、汽车交通、搜索救援和公共安全的新兴技术.在本文工作中,我们开发了RIS-4D生物雷达用于非接触式生命体征监测,提出了同时定位多个人体目标以及监测对应的呼吸和心跳微动信号的方法,具有低成本、低能耗、可编程、易部署的优势.该系统利用可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)天线动态操纵电磁波进行波束形成和三维雷达成像,从而实现对多个人体目标的三维空间定位,然后从时间维度上的连续回波中提取呼吸和心跳信号."三维空间"+"一维时间"形成的四维时空高分辨率信息使得该RIS-4D生物雷达能够多维度感知目标和环境.空间波束形成使得电磁波能量聚焦在人体胸腔位置,有助于减少杂波(四肢以及环境多径等杂波)造成的干扰和失真,从而提高生物雷达的探测性能.在真实室内办公环境中的实测数据对该系统和所提出方法进行了验证,实验结果表明,利用该系统可以准确地定位并监测多个受试者的呼吸和心跳微动信号,对瞬时心率和心变异率的监测结果进一步验证了该系统的有效性.所提出的RIS-4D生物雷达为非接触生理信号采集提供了一种多目标、多功能、高精度的实现方式.

    生命体征生物雷达四维可重构智能表面定位

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    引入时距信息的IR-UWB雷达多域特征融合呼吸模式识别方法

    吴佳茜梁步阁杨德贵熊明耀...
    236-249页
    查看更多>>摘要：人体呼吸系统相关疾病常常伴随着呼吸深度和节律的异常,因此呼吸信号监测和呼吸模式识别在医疗健康领域中尤其是对于睡眠监测、疾病预断具有重要意义.其中,非接触式的脉冲式超宽带雷达(Impulse Radio Ultra-Wideband,IR-UWB)因具有良好的距离分辨率和穿透能力以及全天候全天时、安全无创的检测优势,正逐步成为睡眠健康监护领域中最关键的感知技术之一.然而受睡眠监测特定的室内场景影响,复杂的测量环境给呼吸模式特征的准确提取带来了限制和挑战,传统的雷达呼吸模式识别算法主要关注一维呼吸时、频域特征,而IR-UWB雷达目标回波信息分散在多个距离门内,使用一维特征识别准确率较低.为此,本文针对IR-UWB雷达中人体呼吸在时间上慢速起伏运动、在距离上是扩展目标的信号模型特点,提出了一种引入时距信息的IR-UWB雷达多域特征融合呼吸模式识别方法.算法在提取一维呼吸信号波形时、频域特征的基础上更进一步挖掘雷达二维时距图像中潜在的呼吸模式形态特征,通过多域特征融合实现呼吸模式的非接触式检测和识别.在图像处理上,针对图像受呼吸异常节律影响呈现局部粘连特性导致呼吸周期提取难的问题,提出一种通过相位矩阵图像处理来检测雷达图像中的呼吸时距条带从而获取图像特征的方法.实验结果表明,利用该算法提取的多域特征对六种呼吸模式进行机器学习的分类识别,可以实现96.3%的识别准确率.

    IR-UWB雷达呼吸模式特征提取距离扩展目标睡眠监测

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    EMVS互质面阵张量波束成形

    郑航周成伟王勇史治国...
    250-262页
    查看更多>>摘要：相比于标量传感器均匀阵列,电磁矢量传感器(electromagnetic vector sensor,EMVS)稀疏阵列能够在降低系统软硬件成本的同时感知更大范围、更高维度的空间信号信息,并通过精尖波束扫描实现信源测向性能的综合提升.然而,传统基于矩阵信号建模的波束成形算法难以利用EMVS接收信号的多维结构化信息,且存在由阵元稀疏排布所引入的虚峰干扰问题.为了应对上述挑战,提出了面向EMVS互质面阵的张量波束成形算法,有效利用了空域互质采样的波束分布特性和张量信号处理的优势实现指向性张量波束扫描测向.具体而言,将EMVS互质面阵中稀疏均匀子面阵的接收信号表示为一对涵盖多维度空间电磁信息的高维张量,并从张量信号空域滤波的准则出发,设计面向稀疏均匀子面阵的张量化最小方差无畸变响应优化问题.为了克服由上述优化问题中张量内积项所造成的传统求解方法失效难题,提出通过张量权重的canonical polyadic分解,将原始张量化最小方差无畸变响应优化问题转换为对应波达方向信息维度与极化状态信息维度的子问题,并基于各子问题的局部最优解设计交替迭代求解方法,以获得张量权重的全局最优解.进而,基于张量空间的质数分解唯一性分析,理论证明一对满足互质阵元排布的稀疏均匀子面阵所对应的虚峰具有互不重叠特性,并提出张量波束功率的互质合成处理方法,以此构造具备精尖主瓣且虚峰抵消的张量波束功率图,从而实现多信源空间方位的精准估计.仿真结果验证了所提EMVS互质面阵张量波束成形算法的有效性.

    电磁矢量传感器互质面阵张量波束成形互质合成信源测向

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    基于脉冲序列重构的雷达PRI调制类型智能识别算法研究

    黄中瑞唐波
    263-271页
    查看更多>>摘要：雷达脉冲重复间隔(PRI)是雷达信号的关键参数,对于雷达性能发挥起着至关重要的作用.研判雷达PRI调制类型能够为雷达识别和性能分析提供重要支撑,是电子对抗领域的关键研究内容.针对现有PRI调制类型识别准确率受脉冲丢失影响较大的问题,本文提出了一种基于脉冲序列重构的雷达PRI调制类型智能识别算法.首先,基于到达时间(TOA)多阶差分序列实现了PRI调制周期的初步估计;其次,根据PRI调制周期重构了不同脉冲序列样本;再次,对重构样本进行去均匀值预处理,并以此为输入搭建了卷积神经网络(CNN)识别PRI调制类型,该方法能够减弱人工提取特征的局限性,不仅可以获取PRI序列的深层特征,而且具有更强的环境适用性;最后,仿真实验表明了所提方法的有效性.在脉冲丢失率小于60%时,所提方法对于所有PRI调制类型的识别准确率均在92%以上,平均识别准确率大于98%,在脉冲丢失率小于80%时,平均识别准确率在81%以上.

    脉冲丢失PRI调制周期卷积神经网络PRI调制类型识别

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    基于多普勒偏移补偿的非线性FDA-MIMO雷达运动目标检测算法

    丁俊淞张顺生王文钦
    272-279页
    查看更多>>摘要：非线性频控阵-多输入多输出(Frequency Diverse Array-Multiple Input Multiple Output,FDA-MIMO)雷达具有非线性增加的阵元频偏,使得雷达的距离-角度波束图不再呈现"S"型,而聚焦为点波束,以此将发射能量聚焦到目标位置能够获得更优异的目标检测性能.不过,FDA-MIMO雷达检测运动目标时,由于发射阵元间的频偏与目标速度存在耦合,导致在慢时间维出现多普勒偏移.基于插值滤波的重采样算法能够补偿阵元频偏带来的多普勒偏移,但对于非线性FDA-MIMO雷达,由于阵元间频偏不再是线性变化,上述算法将会失效.本文提出了一种新的算法,可以利用Keystone 变换和多普勒偏移补偿的方法,来检测非线性FDA-MIMO 雷达中的运动目标.建立了非线性FDA-MIMO雷达运动目标的回波模型,指出了基于插值滤波的重采样算法存在的不足,提出了一种基于速度搜索的算法来补偿非线性FDA-MIMO雷达检测运动目标时出现的多普勒偏移.首先利用Keystone变换消除目标回波的距离徙动,然后根据阵元间频偏构造多普勒补偿函数,利用多普勒补偿函数和各阵元脉压后的回波信号构造速度搜索函数,通过设定合适的速度搜索范围对其进行搜索,当该函数取得峰值时对应的速度即为真实速度,最后利用搜索的速度补偿多普勒偏移后再做相干积累检测目标.仿真结果表明:所提算法可以准确补偿阵元间的多普勒偏移,且在非线性FDA-MIMO雷达体制下的检测性能优于基于插值滤波的重采样算法.

    非线性FDA-MIMO雷达运动目标检测速度搜索多普勒偏移

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    基于多特征融合的高机动多目标低截获概率跟踪技术

    陈军丁一王杰汪飞...
    280-291页
    查看更多>>摘要：在多目标跟踪过程中,目标的高机动特性使得传统采用固定运动模型或交互式多模型的目标跟踪算法很难实时精确匹配目标运动模型,从而引起高机动目标的低跟踪精度问题.针对这一问题,本文提出一种基于目标运动状态模型自适应更新的高机动多目标跟踪算法.在多目标跟踪过程中,该算法采用多特征聚类融合算法进行目标运动模型估计,并根据各目标跟踪波动参数进行状态转移矩阵决策更新,同时利用联合概率数据关联实现多机动目标状态转移矩阵自适应更新的关联跟踪,从而解决了传统多目标跟踪算法因目标运动模型失配引起的低跟踪精度问题.在目标跟踪算法的传感器选择上,无源传感器不对外辐射能量,具有较好的低截获概率性能,但其跟踪精度有限,常不能满足多目标高跟踪精度的要求.雷达作为有源传感器,具有较高的跟踪精度.但由于雷达对外辐射信号,容易被防御方截获.针对这一问题,本文提出了一种无源传感器目标跟踪为主,有源雷达间歇跟踪为辅的多传感器协同管理目标跟踪算法.该算法通过对目标跟踪本征堆积误差的判断进行传感器的最优分配,并根据波动参数的大小进行状态转移矩阵决策更新.仿真结果验证了本文所提出的多传感器协同的高机动目标跟踪算法在满足高机动目标跟踪精度的条件下可以有效的提升雷达低截获概率性能.

    低截获概率高机动多目标多特征融合轨迹聚类多传感器管理

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    已知波形信号的时差频差估计方法研究与性能分析

    刘严朱毅张源郭福成...
    292-300页
    查看更多>>摘要：借助深入分析和长期积累,非合作定位系统可以获得关于电视、广播、导航等电磁信号波形的丰富先验信息,对这些信息加以利用有望大幅提高对信号参数的估计精度.该文针对导航、通信等欺骗干扰源及非法用户的无源定位需求,在观测站与辐射源之间存在相对运动的场景下,围绕已知波形信号开展时差频差估计问题研究.首先,通过引入已知的信号波形信息对观测站接收数据进行建模,直观呈现了观测数据与不同观测站信号相对于原始信号时延、频移的关系.随后,充分利用入射信号波形已知这一有利条件,通过估计两个观测站各自的时延和频移,并对不同观测站上的估计结果进行差分,提出了一种针对已知波形信号的双站时差、频差估计方法.在此基础上,该文分析了已知波形信号时频差估计精度的理论下界,揭示了时频差估计精度受观测站接收信号幅度等因素的影响情况,并进一步分析了双站时频差估计精度与单通道时延、频移估计精度之间的关系.最后,借助仿真实验验证了论文所提出的时频差估计方法在不同环境中的参数估计性能,以及信号波形先验信息的利用给时频差参数估计精度带来的提升情况.仿真结果表明,在所设定的信号环境中,该文所提出的方法对低信噪比的适应能力比基于互模糊函数的传统方法增强了15 dB左右;当该方法的参数估计性能达到收敛之后,其时差频差估计精度与CRLB非常吻合.

    时差频差估计已知信号波形运动观测站互模糊函数克拉美-罗界(CRLB)

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    Multi-h C波段导航信号调制方式及性能评估

    倪育德易茉涵刘瑞华邹玲...
    301-312页
    查看更多>>摘要：近年来,L波段(1164～1610 MHz)频谱拥挤日渐严重,我国北斗卫星导航系统可用资源明显不足,基于频谱资源的不可再生性,探索研究新频段迫在眉睫.鉴于目前C波段导航信号设计尚不成熟,各国对C波段卫星导航信号体制也都还处于探索研究阶段,我国有必要预先开展C波段卫星导航信号研究.处于C波段中5010～5030 MHz的卫星导航信号具有较少的频谱干扰、较低的电离层误差等显著优势,但仅有的20 MHz带宽对诸如射电天文业务(Radio Astronomy Service,RAS)和微波着陆系统(Microwave Landing System,MLS)等相邻业务频段的射频兼容性要求极为严苛.首先提出将多调制指数(Multi-h)的正交频分复用-连续相位调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Continuous Phase Modulation,OFDM-CPM)联合调制方式应用于C波段卫星导航;其次,在分析关键参数对Multi-h OFDM-CPM信号功率谱特性影响后,选取关联长度L为64、调制指数h为0.5的单调制指数(Single-h)OFDM-CPM(10)信号和h为[1/16,3/16]的Multi-h OFDM-CPM(10)信号作为C波段候选导航信号;最后,对包括兼容性、码跟踪精度、抗多径干扰在内的基础导航性能指标进行评估.研究表明,OFDM-CPM调制方式能很好兼顾C波段信号的带外约束性和导航性能要求,OFDM-CPM(10)h=[1/16,3/16]信号在所述各个基础导航性能指标上均表现最佳,在兼容性方面能弥补OFDM-CPM(10)h=0.5信号的略微不足.然而考虑到多调制指数会增加接收机复杂度,因此在C波段导航中,只有当接收机采用低复杂度检测算法时,Multi-h OFDM-CPM信号才会是比Single-h OFDM-CPM信号更佳的选择.

    C波段导航多调制指数连续相位调制正交频分复用导航性能

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    PCMA系统双同步序列联合盲估计

    李放邱钊洋查雄李钟书...
    313-325页
    查看更多>>摘要：成对载波多址(Paired Carrier Multiple Access,PCMA)使用同一频率传输通信双方的调制波形,是一种重要的卫星通信多址方式.对PCMA信号进行盲分离是无线电频谱监测的重要内容,高精度的调制参数信息是盲分离的必要基础,同步序列辅助的调制参数估计方法具有精度高、鲁棒性好等特点.然而在PCMA信号的盲接收中,往往无法预知同步序列,且两路同步序列估计需要在无法完成分离解调的条件下得到,因此难度较大.本文针对幅相调制(Amplitude-Phase Modulation,APM)类PCMA信号,利用通信系统数据帧的结构特性,采用子空间分解思想,重点分析了不同条件下的信号相关矩阵奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)结果,推导了特征值、特征向量与两路信号同步波形间的近似数学关系;提出"先整体后局部"的算法流程,首先对信号按帧长分段做整体SVD分解得到对同步波形及其位置的粗估计,而后对同步波形位置的原始PCMA信号做局部SVD分解,进一步提高估计性能,解决了PCMA信号盲接收中双同步序列估计的难题.仿真结果表明,本文算法可广泛适用于APM类PCMA信号的同步波形和同步序列盲估计问题,在低信噪比条件下算法性能优于最大似然的估计方法,随着信噪比的提升和使用数据量的增加,估计性能不断提高,能够得到对PCMA信号双同步序列的高精度估计,为数据辅助的参数估计方法应用于工程实践提供了先决条件,为PCMA信号调制参数估计和后续的盲分离技术研究提供重要基础.

    成对载波多址奇异值分解同步序列参数估计

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    IRS辅助的感知增强认知无线电网络资源分配方案

    李飞吴少聪李汀季薇...
    326-335页
    查看更多>>摘要：在过去的几十年里,大部分可用频谱已被用于高速通信服务.这导致了无线通信系统中的频谱资源稀缺问题.另一方面,大量可用频谱的利用率并不高.为提升通信系统的频谱利用率,学界提出了基于共享的认知无线电技术.认知无线电允许次用户与主用户共享频谱资源,对于提升无线通信网络的频谱效率十分重要,然而目前基于认知无线电的通信网络存在着低信噪比情况下感知性能低下、严苛干扰条件下性能提升受限等缺点.最近,智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)被广泛应用在无线通信的各个领域,可以智能调控无线传输环境以满足频谱和能效的高要求.为了进一步提升认知无线电感知性能与频谱效率,提出了一种新颖的IRS辅助的感知增强频谱共享认知无线电网络.针对此网络,建立了次用户和速率最大化优化问题,联合优化次基站波束赋形向量、智能反射面相移矩阵、感知时间.因存在变量耦合,所构建的优化问题是非凸的,提出一种基于块坐标下降(Block Coordinate Descent,BCD)的迭代算法以交替优化波束形成和智能反射面相位以及感知时间.以逐次凸逼近(Successive Convex Approximation,SCA)求解非凸目标和约束函数,并利用半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR)解决秩一条件约束,采用一维搜索来寻找最佳感知时间.通过仿真结果证明提出的方法能够快速收敛且对认知无线电网络的感知性能以及频谱效率有较大提升作用.

    频谱感知频谱共享认知无线电智能反射面

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