斜向探測電離圖描跡提取算法研究

張成峰，王 昶，劉子龍，朱啟強

(中國電波傳播研究所青島分所，山東 青島 266107)

0 引 言

斜向探測電離圖記錄了接收信號的相對群時延(相對傳播時間)與頻率的關(guān)系，主要用于研究不同時間不同頻率的電離層傳播模式，以實時確定特定鏈路上可能存在的傳播模式、頻率范圍及射線距離[1]。當(dāng)需要斜向探測系統(tǒng)實時準(zhǔn)確地提供探測信息時，對探測圖形描跡的提取尤為重要。 電離層斜向探測工作的高頻段有大量的短波通信，廣播電臺及大氣噪聲等外干擾，嚴重影響斜向探測電離圖描跡的提取。

國內(nèi)外關(guān)于斜向探測電離圖描跡提取公開發(fā)表的文獻較少。文獻[2]給出了一種斜向探測電離圖度量的方法，但在濾除噪聲階段信號損失嚴重。文獻[3]給出了一種斜向探測電離圖描跡提取的方法，但該方法計算復(fù)雜，很難滿足實際工程需要。文獻[4]給出了一種斜向探測電離圖模式判讀的方法，但在去除同頻干擾的階段信號損失嚴重。針對斜向探測電離圖中含有大量干擾，提出了一種先在頻域去干擾后，再進行恒虛警描跡提取的方法。最后結(jié)合電離層本身特性，去除離散的虛警點。對實測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明這種方法的有效性和實用性。

1 斜向探測電離圖描跡提取

1.1 頻域去干擾

頻域干擾抑制基本原理如圖1所示，接收信號經(jīng)作FFT變換到頻域，然后在頻域進行干擾識別、門限判決和干擾消除處理，經(jīng)過處理的信號再經(jīng)IFFT運算還原到時域，從而達到抑制干擾的目的。

圖1 頻域干擾抑制基本原理框圖

對基于門限判決檢測的干擾剔除算法來說，設(shè)計合適的干擾檢測門限是算法實現(xiàn)的關(guān)鍵。目前文獻中對門限選取的方法常見的N-sigma 算法和最大似然估計法等。但這兩種門限估計算法對于環(huán)境自適應(yīng)性不強，本研究采用了一種自適應(yīng)多門限估計與干擾檢測算法，理論分析和數(shù)字仿真結(jié)果表明，該算法可以有效抑制電離層探測中的窄帶干擾,并且相對于傳統(tǒng)的門限檢測算法有自適應(yīng)強、門限設(shè)計簡單等優(yōu)點。

假設(shè)信道為理想的加性高斯白噪聲信道，期望信號s(n)在傳輸過程中混入了白噪聲和窄帶干擾信號，分別用v(n)和g(n)表示，則接收信號可表示為x(n)=v(n)+g(n)+s(n)。自適應(yīng)多門限干擾抑制算法[6,7]的基本原理是認為當(dāng)接收信號x(n)中信道噪聲v(n)淹沒期望信號s(n)時，近似的認為s(n)+v(n)的DFT變換S(k)+V(k)近似服從高斯分布。又DFT是一組窄帶濾波器，所以可近似認為X(k)=S(k)+V(k)是一個窄帶高斯信號，根據(jù)窄帶高斯變量的性質(zhì)可知S(k)+V(k)的包絡(luò)|S(k)+V(k)|服從瑞利分布，包絡(luò)的平方|S(k)+V(k)|2服從參數(shù)為λ的指數(shù)分布，相位服從[0,2)的均勻分布。

假定在頻域干擾檢測時取門限TH，則記|S(k)+V(k)|2不超過該門限的概率為

(1)

分別取TH=n/λ，其中n=1,2,3,4,5得到的頻譜幅度平方概率分布結(jié)果,見表1。

表1 頻譜幅度平方概率分布表

由上面的分析可知，在沒有窄帶干擾的情況下，譜線模的平方大于TH=4/λ的概率僅僅為0.018 3，也就是說，在1 000根譜線中譜線模的平方大于TH=4/λ的有18.3根。實際應(yīng)用中，當(dāng)DFT變換的點數(shù)N較大時(N>256)，譜線幅度平方和的平均值可以作為統(tǒng)計平均E(x)=1/λ的無偏估計，即

(2)

(1)對N根譜線模平方累加，然后除以N得到樣本平均值，作為對1/λ的估計，然后計算TH=5/λ的值；

(2)比較N根譜線模的平方與門限TH=5/λ的大小，對模的平方大于門限的譜線進行相應(yīng)的衰減；

(3)返回1判斷是否仍然存在干擾。

1.2. 有序統(tǒng)計量OS-CFAR檢測

由于斜向探測電離圖復(fù)雜多變，常見的傳播模式達十幾種，針對該復(fù)雜情況，選用適應(yīng)能力較強的OS-CFAR檢測方法。

OS方法源于數(shù)字圖像處理的排序處理技術(shù)，它在抗脈沖干擾方面作用顯著，因此在多目標(biāo)環(huán)境中，它相對于均值類CFAR檢測器具有較好的抗干擾目標(biāo)的能力，同時在均勻雜波背景和雜波邊緣中的性能下降也是適度的、可以接受的，為非均勻雜波背景下性能折衷的一種CFAR檢測策略。

有序統(tǒng)計量OS-CFAR檢測器如圖2所示，其中D是檢測單元采樣，xi(i=1，2，…，N)是參考單元采樣，N是參考單元數(shù)。

圖2 有序統(tǒng)計量OS-CFAR檢測器原理框圖

有序統(tǒng)計量OS-CFAR檢測器首先對參考單元采樣值進行排序處理，

x(1)≤x(2)≤…≤x(N)

(3)

然后取第k個采樣值x(k)作為總的雜波功率水平估計Z，即，

Z=x(k)

(4)

將雜波功率水平估計Z乘上一個常數(shù)T就獲得閥值，如果D≥TZ就判斷為目標(biāo)。

理論上講，在均勻環(huán)境下，k可以取1-N之間的任意整數(shù)。但考慮到幅度受隨機性影響較大，因此希望k取大一些的值。在非均勻環(huán)境下，k值的大小影響其抗雜波與干擾能力，一般當(dāng)N-k大于參考窗內(nèi)雜波與干擾數(shù)量時，OS-CFAR的檢測性能不會明顯惡化，因此希望k值越小越好，但k值過小又會影響其在均勻環(huán)境下的檢測性能，綜合考慮，k的取值一般為(l/2-3/4)N。

1.3 去虛警點

為了盡量多地保留電離層信號，OS-CFAR時閥值設(shè)置要適當(dāng)小一些，這樣得到的電離圖描跡必然增加許多虛警點。根據(jù)電離層信息在頻率維或距離維上的連續(xù)性，利用數(shù)字圖像處理空域濾波的思想，可以將離散的虛警點去除。具體步驟如下。

(1)將經(jīng)過恒虛警后得到的電離圖描跡進行轉(zhuǎn)換，將有信息的像素點置1，沒有信息的像素點置0，這樣就得到電離圖描跡的二進制圖像。

(2)選取一個較小的窗口(如10×10，前一數(shù)據(jù)為距離維大小，它是由脈壓后信號所占采樣點數(shù)確定；后一數(shù)據(jù)為頻率維，由經(jīng)驗值定，一般取8-15)，將該窗口在圖像中逐點移動，并計算窗口內(nèi)所有像素的和，如果像素和大于某閥值，則保留該窗口內(nèi)的所有像素。通過步驟2后可以有效地將離散的虛警點去除。

(3)由于許多電離層兩端的描跡比較離散，在步驟2中很可能誤將此類描跡判成虛警點而去除。根據(jù)兩端的描跡隨頻率的變化在距離維上跨度較大的特性，在距離維上選取一個較大的值(如80)，構(gòu)成新的窗口，再設(shè)定新的閥值，重復(fù)步驟2，即可以將兩端離散的描跡保留。

2 實測數(shù)據(jù)的處理分析

斜向探測實測數(shù)據(jù)由中國電波傳播研究所提供，時間是2013年9月11日17時。

接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過脈壓后的斜向探測電離圖，如圖3所示。圖中的信號與干擾和噪聲混雜在一起，有些頻段的干擾非常強，已經(jīng)把信號完全淹沒。

經(jīng)過頻域去干擾后的的斜向探測電離圖，如圖4所示。和圖3相比可見，外部干擾得有效抑制，并且在抑制干擾的同時，有用信號得到保留，許多被干擾淹沒的信號重新顯露出來。

圖3斜向探測電離圖圖4頻域去干擾后斜向探測電離圖

經(jīng)過恒虛警后的斜向探測電離層描跡圖,如圖5所示。和圖4相比可見，電離層的描跡得到很好的提取，一些人工難以識別的信號也得到很好的提取。但是虛警點太多，不能滿足工程要求。

經(jīng)過去虛警點后的斜向探測電離層描跡圖，如圖6所示。和圖5相比可見，大部分虛警點得到去除，同時電離層的描跡得到很好的保留。

圖5恒虛警后斜向探測電離圖描跡圖6去虛警點后斜向探測電離圖描跡

3 結(jié) 語

在對斜向探測回波信號統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，提出了一種電離層斜向探測描跡提出的算法。該算法先在頻域去干擾，再進行恒虛警描跡提取，最后結(jié)合電離層本身特性，將離散的虛警點去除。對大量實測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明這種方法證明了所研究的方法是切實有效的。當(dāng)然，實際中可能存在更為復(fù)雜的情況，這有待于后續(xù)工作中作進一步研究。

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