相对运动速度跟踪方法、装置、可读存储介质及电子设备

技术领域

本发明涉及信号及信息处理技术领域，特别是涉及一种相对运动速度跟踪方法、装置、可读存储介质及电子设备。

背景技术

在信号与信息处理技术领域，接收信号往往包含包括宽带噪声和干扰在内的各类干扰信号，为了对接收信号进行有效检测，常采用相关或匹配滤波的方法对接收信号进行相参处理，以累积信号能量并抑制噪声，提高信噪比。

而在实际应用场景中，发射机与接收终端的相对运动会导致多普勒效应的出现，在信号传播过程中，相对运动使得信号在时域上出现拉伸或压缩，表现为信号的发射端和接收终端观测到的信号载波和调制信号的频率不一致。这些多普勒效应将导致接收终端在做相关或匹配滤波时，本地的参考信号特征与实际接收信号的特征不一致，使得相关或匹配滤波的增益下降，严重时，接收终端甚至无法完成相关或匹配滤波。因此，保持对发射机与接收终端相对运动的跟踪是相关或匹配滤波的关键。

为了解决由相对运动导致的多普勒效应引起的性能恶化，目前主流的方法是将所有可能的相对运动速度区间分为多个区间，每个区间称为一个速度开窗。在信号相关或匹配滤波的过程中，常采用频域共轭相乘的方法替代时域卷积的方法，因此，每个速度开窗对应一个频域相关的频域开窗，多路频域开窗覆盖了所有相对运动的速度区间。在每个频域开窗中，为了补偿多普勒，相应地调整本地参考信号的中心频率和调制信号的频率，这样多路频域开窗就形成了多路与接收信号对应的参考信号。最终，在最接近实际接收信号一路开窗中，将完成最有效的相关或匹配滤波。

在这样的多路开窗中，调整后的本地参考信号的中心频率和调制信号的频率和实际接收信号的特征较为接近，相关或匹配滤波之后的信号残留的多普勒频率会被约束到离开窗中心频率一定的范围内，此时，频率误差被控制到一定的范围内，以上过程被称为信号的捕获。

完成信号的捕获之后，需对信号残留的多普勒频率（频差）进行实时补偿，并保持对上述误差的跟踪，以随时校正上述误差，对该误差的跟踪过程是相对运动速度跟踪的核心，这一过程被称为信号的跟踪。通常的跟踪方法是利用锁相环为主的反馈控制电路，利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号的频率和相位对输入信号的频率和相位的自动跟踪。

但是，为了提高通信信号的保密性和抗干扰性，通信系统往往会采用跳频技术，也就是通信系统的载波频率每经过一定的时间（称为一跳）就随机跳变一次。在频率跳变的过程中，如果采用传统锁相环技术进行跟踪，将导致每一跳的输入信号的参考频率都要进行切换，而每次切换都可能导致相位瞬变并引起振荡，所以传统锁相环技术并不能很好地完成跳频通信中信号相对速度的跟踪。

发明内容

鉴于上述状况，有必要针对现有技术中无法准确的进行跳频通信中信号相对速度跟踪的问题，提供一种相对运动速度跟踪方法、装置、可读存储介质及电子设备。

一种相对运动速度跟踪方法，包括：

对当前信息比特的持续时间中每次跳变时的接收信号和参考信号进行相关计算，得到对应的单跳复相关信号；

以预设的中心频率作为基准对各个所述单跳复相关信号进行补偿计算；

对补偿后的各个所述单跳复相关信号进行跳间相参累加计算，并确定累加值的实部和虚部；

根据所述累加值的实部和虚部计算所述当前信息比特对应的相位值，并对所述相位值进行解缠绕处理，以得到处理后的目标相位值；

计算所述当前信息比特对应的目标相位值与上一信息比特对应的目标相位值之间的差值，得到所述当前信息比特对应的相位差；

计算所述相位差对应的频差，并根据所述频差、光速和当前信息比特对应的各跳接收信号的平均中心频率计算相对运动速度偏差。

进一步的，上述相对运动速度跟踪方法，其中，所述单跳复相关信号的计算公式为：

其中，

进一步的，上述相对运动速度跟踪方法，其中，所述单跳复相关信号的补偿计算公式为：

其中，

进一步的，上述相对运动速度跟踪方法，其中，所述对所述相位值进行解缠绕处理的计算公式为：

其中，

进一步的，上述相对运动速度跟踪方法，其中，所述相位差对应的频差的计算公式为：

其中，

进一步的，上述相对运动速度跟踪方法，其中，所述根据所述频差、光速和当前信息比特对应的各跳接收信号的平均中心频率计算相对运动速度偏差的步骤包括：

对所述频差进行修正，并根据修正后的所述频差、光速和所述当前信息比特对应的接收信号的平均中心频率计算相对运动速度偏差，其中，所述频差修正公式为：

进一步的，上述相对运动速度跟踪方法，其中，所述相对运动速度偏差

其中，C为光速、

本发明还公开了一种相对运动速度跟踪装置，包括：

单跳相关计算模块，用于对当前信息比特的持续时间中每次跳变时的接收信号和参考信号进行相关计算，得到对应的单跳复相关信号；

跳间补偿计算模块，用于以预设的中心频率作为基准对各个所述单跳复相关信号进行补偿计算；

跳间相参累加计算模块，用于对补偿后的各个所述单跳复相关信号进行跳间相参累加计算，并确定累加值的实部和虚部；

相位计算模块，用于根据所述累加值的实部和虚部计算所述当前信息比特对应的相位值；

解缠绕模块，用于对所述相位值进行解缠绕处理，以得到处理后的目标相位值；

相位差计算模块，用于计算所述当前信息比特对应的目标相位值与上一信息比特对应的目标相位值之间的差值，得到所述当前信息比特对应的相位差；

频差计算模块，用于计算所述相位差对应的频差；

相对运动速度偏差计算模块，用于根据所述频差、光速和当前信息比特对应的各跳接收信号的平均中心频率计算相对运动速度偏差。

进一步的相对运动速度跟踪装置，还包括：

频差修正模块，用于对所述频差进行修正；

所述相对运动速度偏差计算模块用于根据光速、当前信息比特对应的接收信号的平均中心频率，以及修正后的所述频差计算相对运动速度偏差。

本发明技术方案还公开了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述的相对运动速度跟踪方法。

本发明技术方案还公开了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的相对运动速度跟踪方法。

本发明中，计算每一跳变的单跳复相关信号，并对该单跳复相关信号进行补偿计算，和对各个补偿后的单跳复相关信号进行跳间相参累加计算。根据该累加计算值的实部和虚部计算对应的相位，并对该相位值进行解缠绕处理，得到目标相位值，根据各信息比特对应的目标相位值计算对应的相位差，并根据该对应的相位差计算频差，最后根据该频差、光速和当前信息比特对应的接收信号的平均中心频率计算相对运动速度偏差。本发明通过频差、光速和当前信息比特对应的接收信号的平均中心频率计算相对运动速度偏差，即采用了与现有技术不同的相对运动速度偏差计算方法，其避开了锁相环技术对相位连续变化的依赖，可以高精度地完成跳频通信中信号相对速度的跟踪，速度跟踪精度优于1cm/s。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的相对运动速度跟踪方法的流程图；

图2为本发明第二实施例中的相对运动速度跟踪装置的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

请参阅图1，为本发明第一实施例中的相对运动速度跟踪方法，包括步骤S11~S16。

步骤S11，对当前信息比特的持续时间中每次跳变时的接收信号和参考信号进行相关计算，得到对应的单跳复相关信号。

设跳频系统的跳频周期为

本实施例以当前信息比特（即第m个信息比特）为例进行说明，

具体的，第

其中，

步骤S12，以预设的中心频率作为基准对各个所述单跳复相关信号进行补偿计算。

其中，单跳复相关信号的补偿计算公式为：

其中，

步骤S13，对补偿后的各个所述单跳复相关信号进行跳间相参累加计算，并确定累加值的实部和虚部。

对当前信息比特即第

其中，

步骤S14，根据所述累加值的实部和虚部计算所述当前信息比特对应的相位值，并对所述相位值进行解缠绕处理，以得到处理后的目标相位值。

利用反正切算法，得到所述累加值的相位

对相位

其中，

即当当前信息比特对应的相位值

同理，当当前信息比特对应的相位值

当当前信息比特对应的相位值

步骤S15，计算所述当前信息比特对应的目标相位值与上一信息比特对应的目标相位值之间的差值，得到所述当前信息比特对应的相位差。

求相位差，

步骤S16，计算所述相位差对应的频差，并根据所述频差、光速和当前信息比特对应的各跳接收信号的平均中心频率计算相对运动速度偏差。

所述相位差对应的频差的计算公式为：

其中，

进一步的，为了提高相对运动速度偏差的准确性，需要对该频差进行修正，并根据光速、所述当前信息比特对应的各跳接收信号的平均中心频率，以及修正后的所述频差计算相对运动速度偏差。

所述频差修正公式为：

该相对运动速度偏差的计算公式为：

其中，所述

本实施例中，计算每一跳变的单跳复相关信号，并对该单跳复相关信号进行补偿计算，和对各个补偿后的单跳复相关信号进行跳间相参累加计算。根据该累加计算值的实部和虚部计算对应的相位，并对该相位值进行解缠绕处理，得到目标相位值，根据各信息比特对应的目标相位值计算对应的相位差，并根据该对应的相位差计算频差，最后根据该频差、光速和当前信息比特对应的各接收信号的平均中心频率计算相对运动速度偏差。

下面以一具体的实施例为例进行说明。

预设发射信号的基准中心频率

第一步：对第

其中，

第二步：以

其中，

第三步：对第

其中，

第四步：利用反正切算法，得到所述累加和的相位

第五步：对相位

第六步：求相位差，即

第七步：求频差，即

第八步：修正偏差，即

第九步：计算相对运动速度偏差，即

请参阅图2，为本发明第二实施例中的相对运动速度跟踪装置，包括：

单跳相关计算模块21，用于对当前信息比特的持续时间中每次跳变时的接收信号和参考信号进行相关计算，得到对应的单跳复相关信号；

跳间补偿计算模块22，用于以预设的中心频率作为基准对各个所述单跳复相关信号进行补偿计算；

跳间相参累加计算模块23，用于对补偿后的各个所述单跳复相关信号进行跳间相参累加计算，并确定累加值的实部和虚部；

相位计算模块24，用于根据所述累加值的实部和虚部计算所述当前信息比特对应的相位值；

解缠绕模块25，用于对所述相位值进行解缠绕处理，以得到处理后的目标相位值；

相位差计算模块26，用于计算所述当前信息比特对应的目标相位值与上一信息比特对应的目标相位值之间的差值，得到所述当前信息比特对应的相位差。

频差计算模块27，用于计算所述相位差对应的频差；

相对运动速度偏差计算模块28，用于根据所述频差、光速和当前信息比特对应的各跳接收信号的平均中心频率计算相对运动速度偏差。

进一步的，上述相对运动速度跟踪装置还包括：

频差修正模块，用于对所述频差进行修正；

所述相对运动速度偏差计算模块28用于根据光速、当前信息比特对应的各跳接收信号的平均中心频率，以及修正后的所述频差计算相对运动速度偏差。

需要说明的是，上述各个模块可以是功能模块也可以是程序模块，既可以通过软件来实现，也可以通过硬件来实现。对于通过硬件来实现的模块而言，上述各个模块可以位于同一处理器中；或者上述各个模块还可以按照任意组合的形式分别位于不同的处理器中。

本发明实施例所提供的相对运动速度跟踪装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

本发明实施例还提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述的相对运动速度跟踪方法。

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的相对运动速度跟踪方法。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。