一种基于特征分解的电离层斜向返回电离图干扰抑制方法

技术领域

本发明属于电离层探测技术领域，尤其涉及一种基于特征分解的电离层斜向返回电离图干扰抑制方法。

背景技术

电离层能够反射短波段无线电波。当发射机发射的无线电波斜向入射到电离层中，经电离层反射照射到远处地球表面，则会有部分电波能量沿原入射路径返回，经过电离层再次反射后返回到发射点的接收机接收。电离层斜向返回探测仪利用该原理进行探测，通过扫频步进，即可得到能量～距离～频率的斜向返回电离图。对斜向返回电离图进行智能判读与反演，对短波频率管理系统、天波超视距雷达坐标配准有着重要的工程应用价值。

由于经历了至少两次的电离层反射与一次地面散射，因此斜向返回信号能量微弱，同时，由于探测系统工作在短波段，该频段利用率很高，用户极多，导致接收机受到了大量的同频干扰，使得斜向返回电离图的判读变得异常困难。

目前，对于斜向返回电离图的同频干扰抑制的方法，主要依托于图像域进行，根据某些准则设定门限，对小于该门限的数据点进行清零，对相邻的缺失数据插值进行数据重建，但是该类方法极度依赖于经验，若门限设置不合理则会导致信号误消或干扰未识别，并且重建信号仅仅依赖于邻近频率点信息，而没有利用该频率点自身信息，与真实信号难免存在误差；而此外，采用阵列天线进行自适应空域滤波也是一种可行的方法，但该方法由于短波波长太长，且要设置大面积天线阵与多通道接收机，硬件与软件要求均很高。

现有技术中，《基于外辐射源雷达的慢速弱目标检测方法》是一种空域算法，为了保证抗干扰的效果，需要大型天线阵列作为算法基础，对硬件要求非常高，且对特征子空间的划分依据不明确，难以应用于常态化的工程探测中；《基于SPICE的机载雷达高分辨DBS成像方法》是一种参数化方法即对地杂波信号进行建模，这种方法往往是不稳健的，且其目标为提升DBS成像的分辨率，对抑制干扰没有帮助。《一种基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法》是一种利用互谱相邻频率间相位与回波距离成正比的关系，采用Capon算法进行谱估计来提升电离层成像分辨率的方法，同样其目标为提高分辨率而不是干扰抑制，其次，干扰影响了互谱的谱相位，对带干扰的斜向返回散射探测信号进行基于互谱分析的高分辨率成像会导致斜向返回散射电离图中出现杂乱无章的噪点，与干扰抑制的初衷相违背。

发明内容

本发明的目的是提供一种在利用电离层斜返探测仪进行电离层斜向返回探测时，利用无线电窄带射频干扰在距离维上的强相关性，针对每个探测频率的单次或多次探测采用特征分解方法进行干扰子空间与信号噪声子空间的划分，实现基于特征分解的电离层斜向返回电离图的干扰抑制方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于特征分解的电离层斜向返回电离图干扰抑制方法，利用斜向返回探测仪，采用扫频或定频观测的方式发射一个较窄带宽并经M序列编码调制的连续短波探测信号，利用众数确定待处理频点后，截取回波无效部分，然后利用回波信号中同频干扰在距离维上的强相关性，对回波无效信号距离门回波协方差矩阵进行特征分解，对特征值序列进行干扰源数估计并划分信号噪声子空间与干扰子空间，对存在斜向返回回波距离门信号投影至信号噪声子空间，抑制回波中的同频干扰，不受重复探测次数与载波数量限制。

而且，实现电离层斜向返回电离图干扰抑制的过程如下，

步骤S1，设定扫频范围与频点探测次数并确定信号编码长度及占空比；

步骤S2，配置斜向返回探测仪按步骤S1所确定的编码调制方式及发射参数进行斜向返回信号探测，获取回波信号数据；

步骤S3，求取单载频的回波数据与设定的探测信号编码调制的M序列的循环互相关信号；

步骤S4，利用众数确定待处理频点；

步骤S5，截取按步骤S4所确定的载频的回波无效数据；

步骤S6，将步骤S5得到的回波无效数据互相关后信号划分为相互部分重叠且间距相等的若干子带，并构造为一个时间序列矩阵，并对其求协方差得到协方差矩阵；

步骤S7，利用强同频干扰在距离维上的强相关性且在回波无效数据区域内占主成分的特性，对每一个待处理频率点采用特征分解方法得到干扰子空间与信号噪声子空间，对回波有效数据投影至信号噪声子空间，从而实现对斜向返回电离图的干扰抑制；

步骤S8，对步骤S7得到的抑制射频干扰后的信号进行相干积累与恒虚警处理，得到连续前沿的斜向返回电离图；

步骤S9，对步骤S8恒虚警后的电离层斜向返回信号进行能量对比拉伸。

而且，步骤S1对信号进行编码调制的M序列长度与发射占空比所共同决定的最大探测距离大于3000km。

而且，步骤S3的M序列若码阶为n则表示为，

其中，

对该序列进行循环移位p次表示为，

构造相关序列矩阵S表示为，

步骤S3的单载频回波若总探测次数为m，则第k次探测序列表示为，

其中，

步骤S3的单载频回波矩阵表示为，

W＝[w

步骤S3的M序列循环互相关信号表示为，

X＝W

其中，上标H表示矩阵共轭转置。

而且，步骤S4利用众数确定待处理频点的实现方式为，

构造一个长度为q的全1向量

将对每一个频率点循环互相关后的回波信号与全1向量卷积如下，

为单频点的循环互相关后回波的q个距离门的滑动平均值，对/>

对噪声估计值取对数并向下取整如下，

则构造全频点的噪声估计序列如下，

其中，

上式中，Mo代表众数，|X(f)|为循环互相关后频率点f信号幅值，∩表示交集，max()表示取序列的最大值，min()表示取序列的最小值，d为经验值。

而且，步骤S5的回波无效数据范围为原始斜向返回电离图中被干扰与噪声淹没的连续信号序列，若所有频点从第K个距离门开始为无效数据，单次探测周期共M个距离门，则回波无效数据矩阵表示如下，

X

其中，x

对单载波回波无效数据矩阵中第Q次探测，回波序列表示如下，

X

其中，x

则子带划分并重构为时间序列矩阵T

其中N为子带数量，N≤M-N-K，可根据信号信噪比和实际效果进行调整；

计算协方差矩阵R

若进行了多次探测，则需要对多次探测的协方差矩阵进行平滑得到R

而且，步骤S7对每一个频率点采用特征分解方法得到干扰子空间与信号噪声子空间，对回波有效数据投影至信号噪声子空间，从而实现对斜向返回电离图的干扰抑制的实现方式如下，

首先利用回波无效数据协方差矩阵进行特征分解如下，

R

其中，U表示特征向量矩阵，Λ表示特征值矩阵，上标H表示矩阵共轭转置；

将特征向量矩阵进行划分如下，

U＝[G，V]

其中，G代表干扰子空间，V代表信号噪声子空间，

G＝span{u

V＝span{u

其中，u

确定干扰子空间后，将回波有效数据投影至信号噪声子空间。

而且，步骤S8的相干积累如下，

若进行了多次探测，则对

相干积累如下，

其中，

而且，步骤S9的能量对比拉伸如下，

其中，

在上述的基于特征分解的电离层斜向返回电离图干扰抑制方法，可根据需要通过调整子带划分数量折中时间矩阵的行列维度，从而调整抑制效果，这是因为在采样数据长度固定的情况下，通过调整子带划分数量实际上是调整了特征向量维度与协方差矩阵的准确度，可以调整成像长度与干扰抑制效果。

本发明的有益效果：

1、本发明基于原电离层斜向返回探测仪回波数据经算法处理抑制同频干扰，无需更改斜向返回探测仪探测时序、流程及原本的信号处理方式，具有极强的通用性。

2、本发明利用同频干扰在距离维的强相关性，在距离维构成的协方差矩阵进行特征分解，利用斜向返回散射信号信噪比低的特性自适应地划分子空间(优于现有技术《基于外辐射源雷达的慢速弱目标检测方法》)，对存在斜向返回回波距离门信号投影至信号噪声子空间进而有效抑制回波中的同频干扰(优于现有技术《基于SPICE的机载雷达高分辨DBS成像方法》，《一种基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法》)，该方法有效的利用了受干扰频率点的回波信息，相较于插值有更高的置信度。

3、本发明的实现可看做是一种时域算法，相较于空域算法硬件实现上更为简易(优于现有技术《基于外辐射源雷达的慢速弱目标检测方法》)。

4、本发明不受重复探测次数与载波数量限制，可有效提升探测时间分辨率，即利用较少探测次数达到较好的探测效果，进而缩短探测时间。

5、本发明解决了斜向返回散射扫频探测中各频率点信号能量差异太大的问题，经处理后能得到背景均匀的能量差异较小的斜向返回散射电离图。

附图说明

图1为本发明一个实施例的方法原理示意图；

图2为本发明一个实施例基于特征分解进行电离层斜向返回电离图干扰抑制的步骤图；

图3为本发明一个实施例基于特征分解进行干扰抑制的电离层斜向返回单频点距离～多普勒电离图；

图4为本发明一个实施例基于特征分解进行干扰抑制的电离层斜向返回单频点距离～时间电离图；

图5为本发明一个实施例基于特征分解进行干扰抑制的电离层斜向返回单频点原始相干积累与经过干扰抑制后的相干积累距离～幅值分布图；

图6为本发明一个实施例基于特征分解进行干扰抑制的电离层斜向返回扫频电离图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例提供了一种基于特征分解的电离层斜向返回电离图干扰抑制方法，利用常规的斜向返回探测设备，在不增加额外硬件成本的情况下，有利于提升斜向返回电离图的质量，提供更为连续清晰的前沿。

本实施例基本原理如图1所示，利用电离层斜向返回探测仪以扫频观测方式向斜上方的电离层发射具有一个较窄带宽的经M序列(最长线性反馈移位寄存器序列)调制的短波探测信号，利用众数确定待处理频点后，截取回波无效部分，然后利用回波信号中同频干扰在距离维上的强相关性，对回波无效信号距离门回波协方差矩阵进行特征分解，对特征值序列进行干扰源数估计并划分信号噪声子空间与干扰子空间，对存在斜向返回回波距离门信号投影至信号噪声子空间，抑制回波中的同频干扰，进行恒虚警与能量拉伸后得到连续前沿的斜向返回电离图，不受重复探测次数与载波数量限制。

如图2所示，本发明实施例提供的一种基于特征分解的电离层斜向返回电离图干扰抑制方法，包括了以下步骤：

步骤S1，设定扫频范围与频点探测次数并确定信号编码长度及占空比；

需要说明的是，对信号进行编码调制的M序列(最长线性反馈移位寄存器序列)长度与发射占空比所共同决定的最大探测距离大于3000km，这是由于电离层常出现的高度计算得到的，当大于3000km时才有足够的干扰采样单元满足算法的常态化探测。

步骤S2，配置斜向返回探测仪按步骤S1所确定的编码调制方式及发射参数进行斜向返回信号探测，获取回波信号数据；

步骤S3，求取单载频的回波数据与设定的探测信号编码调制的M序列(最长线性反馈移位寄存器序列)的循环互相关信号；

需要说明的是，M序列若码阶为n则表示为列向量S：

其中，

对该序列进行循环移位p次表示为列向量S

其中上标T代表矩阵转置。

构造相关序列矩阵S表示为式(3)：

其中，S由S分别循环移位0，1，…，2

单载频回波若总探测次数为m，则第k次探测序列表示为式(4)：

其中，

则单载频回波矩阵表示为式(5)：

W＝[w

M序列循环互相关信号表示为式(6)：

X＝W

其中，上标H表示矩阵共轭转置。X为m×(2

步骤S4，利用众数确定待处理频点；

需要说明的是，利用众数确定待处理频点的方法为：

构造一个长度为q的全1向量

其中q为噪声采样距离门长度，通常取20～30。

将信号如步骤S3所述的方法得到的对每一个频率点循环互相关后的回波信号分别与全1向量卷积如式(8)：

为单频点的循环互相关后回波的q个距离门的滑动平均值，对/>

对噪声估计值取对数并向下取整如式(10)：

则构造全频点的噪声估计序列如式(11)：

其中，

则待处理的频率点序列f

上式中，Mo代表众数，|X(f)|为循环互相关后频率点f信号幅值，∩表示交集，max()表示取序列的最大值，min()表示取序列的最小值，d为经验值，一般可取20～30；该式通过提取扫频探测中各个频率点中噪声估计值与众数比较，若噪声估计值大于众数且该频率点脉冲压缩后幅值最大值比幅值最小值小于d倍则判定为待处理频点。

步骤S5，截取按步骤S4所确定的载频的回波无效数据；

需要说明的是，回波无效数据范围为原始斜向返回电离图中被干扰与噪声淹没的连续信号序列，常取群距离为1500km～探测距离对应的距离门序列，若所有频点从第K个距离门开始为无效数据，单次探测周期共M个距离门，则回波无效数据矩阵表示为式(13)：

X

其中，x

步骤S6，将步骤S5得到的回波无效数据互相关后信号划分为相互部分重叠且间距相等的若干子带，并构造为一个时间序列矩阵，并对其求协方差得到协方差矩阵；

需要说明的是，针对单载频回波无效信号矩阵进行子带划分时，其各子带时间间距、各子带序列长度应具备的关系及协方差矩阵估计方法如下：

对单载波回波无效数据矩阵中第Q次探测，回波序列表示为式(14)：

X

其中，x

则子带划分并重构为时间序列矩阵T

其中，T

计算协方差矩阵R

其中，上标H为矩阵共轭转置。

若进行了多次探测，则需要对多次探测的协方差矩阵进行平滑得到回波无效数据协方差矩阵R

步骤S7，利用强同频干扰在距离维上的强相关性且在回波无效数据区域内占主成分的特性，对每一个待处理频率点采用特征分解方法得到干扰子空间与信号噪声子空间，对回波有效数据投影至信号噪声子空间，从而实现对斜向返回电离图的干扰抑制；

需要说明的是，对每一个频率点采用特征分解方法得到干扰子空间与信号噪声子空间，对回波有效数据投影至信号噪声子空间，从而实现对斜向返回电离图的干扰抑制的方法为：

首先利用回波无效数据协方差矩阵R

R

其中，U表示特征向量矩阵，Λ表示特征值矩阵，上标H表示矩阵共轭转置。

将特征向量矩阵进行划分如式(19)：

U＝[G，V] 式(19)

其中，G代表干扰子空间，V代表信号噪声子空间，其表达式如式(20)，式(21)所示：

G＝span{u

V＝span{u

其中，u

首先对特征值矩阵的对角线求对数并向下取整如式(22)：

其中，diag()代表由矩阵的对角线元素构成的序列，λ

则r如式(23)：

其中，λ

确定干扰子空间后，将回波有效数据投影至信号噪声子空间如式(24)：

其中，

步骤S8，对步骤S7得到的抑制射频干扰后的信号进行相干积累与恒虚警处理，得到连续前沿的斜向返回电离图。

需要说明的是，相干积累的处理方法为：

若进行了多次探测，则对

其中，

相干积累如式(26)：

其中，

此外，还需要说明的是，恒虚警处理方法为：

构造一个长度为q的全1向量如式(27)：

将信号按步骤S4的方法得到的对每一个频率点抑制射频干扰后的回波与全1向量卷积如式(28)：

为抑制射频干扰后的回波的q个距离门的滑动平均值，对/>

设定虚警率P

提取有效数据回波估计值

/>

步骤S9，对步骤S8恒虚警后的电离层斜向返回信号进行能量对比拉伸；

需要说明的是，能量对比拉伸如式(32)：

其中，

在本发明实施例中，如图3所示，一个实际的单频观测实例是，13MHz的距离～多普勒分布图中，在进行干扰抑制前，多普勒频率为11Hz处有一强窄带干扰，该干扰同时抬升了临近频率的底噪，导致斜向返回信号被淹没在噪声中，在距离～多普勒分布图中无法观测到斜向返回信号，经步骤S7中方法进行特征分解得到干扰子空间与信号噪声子空间，对该段信号投影至信号噪声子空间中，即可得到在多普勒频率为0Hz处附近的带有一定展宽的斜向返回信号，同时在多普勒频率为11Hz处的强干扰信号得到极大的衰弱，衰减幅度超过了25dB，信干比得到了极大的提升。

在本发明实施例中，如图4所示，一个实际的单频观测实例是，13MHz的距离～时间分布图中，在干扰抑制前，观测到干扰为短时干扰，每一段干扰持续时间约为2

在本发明实施例中，如图5所示，一个实际的单频观测实例是，即便在已知电离层斜向返回回波与海杂波的多普勒频率在-2Hz～2Hz的先验条件下进行如步骤S8方法进行相干积累，由于强干扰导致底噪的抬升无法通过该先验条件进行滤除，导致积累出来的距离～幅度分布中出现多个虚假峰，且信号与噪声难以区分，经过如步骤S8所述的方法进行恒虚警后更是将其全部误认为噪声，最后全部压制掉，而通过步骤S7所述的方法进行干扰抑制后，经过如步骤S8所述的方法进行相干积累，即可清晰地看到信号前沿，信噪比达到近20dB。

在本发明实施例中，如图6所示，一个实际的扫频观测实例是，对于一个常规的电离层斜向返回电离图，斜向返回回波数据如步骤S8-S9所述的方法进行相干积累，恒虚警，能量拉伸，得到了背景均匀且对比度明显地斜向返回电离图，但是由于相干积累中同频干扰的原因，斜向返回电离图中有较多频率点被压制掉导致信号缺失，而加上步骤S7所述的特征分解进行同频干扰抑制方法后，极大地提升了信干比，压制的信号被恢复。从实际处理效果来看，干扰抑制后的斜向返回扫频电离图信噪比更高，缺失频点大幅减少，为前沿拟合提供可靠依据，达到预期效果。

具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。

在一些可能的实施例中，提供一种基于特征分解的电离层斜向返回电离图干扰抑制系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于特征分解的电离层斜向返回电离图干扰抑制方法。

在一些可能的实施例中，提供一种基于特征分解的电离层斜向返回电离图干扰抑制系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基于特征分解的电离层斜向返回电离图干扰抑制方法。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。