专利名称：类微光子源导航体系中的混沌测频系统与方法
技术领域：
本发明属于卫星导航定时定位技术领域，涉及一种在先进导航体系中用微弱光子 信号源进行导航定位与时间同步的混沌测频系统与方法，该系统基于混沌动力学模型进行 系统光子信号频率测量，旨在为类微光子源导航信号提供高精度的频率校准和时间测量， 可以检测光子源的频率、周期等参量，并能用于评价系统信号性能。同时，本发明也可扩展 适用于光子源信号的识别。
背景技术：
微弱光子脉冲信号作为新型卫星导航定位系统的信号源，已经应用在一类先进导 航技术的研究和实践中。如X射线脉冲星、量子等新型导航定位思想的诞生与关键技术的 发展，对微弱光子脉冲信号的频率精确估计与检测成为一个难于解决的问题。因此，对微弱 光子信号进行精确的频率测量有着极其重要的理论与现实意义。然而，由于光子信号受到 大气、电磁环境、粉尘、水蒸气等不可预知物质的干扰，航天器接收到的光子信号极其微弱 且湮没在强噪声中。这就要求寻找一种能够在极低信噪比下检测微弱光子信号频率的技术 与方法。为了解决类微光子源导航体系下的频率测量难于估计或估计不准的问题，通过将 混沌理论与现行的微弱信号检测理论相结合，提出一种基于混沌振子的类微弱光子源导航 体系中的信号频率检测系统与方法。该系统通过对观测的一类导航体系中的微光子信号的 处理和分析，利用混沌系统对小信号的敏感性以及对噪声的免疫力来检测，并结合混沌模 型的间歇混沌现象规律，可以检测低信噪比的一类微光子信号的频率。所用方法可以扩展 到其他类型的导航信号频率检测与信号源的识别中，为在卫星导航定位与时间同步中获得 准确的TOA测量提供条件。
发明内容
本发明的目的在于针对一类先进导航(如X射线脉冲星、量子等)系统中存在卫 星接收到的微弱光子信号频率难于检测或检测精度不高的问题，提出类微光子源导航体系 中的混沌测频系统与方法，旨在为导航信号提供高精度的频率测量，为先进导航关键技术 的研究提供一种新思路和新方法，便于实现对先进导航理论方法的验证和工程技术的应用。为了实现上述目的，本发明提供的类微光子源导航体系中的混沌测频系统与方法 包括光子探测器、取样积分器、混沌检测器、相轨迹分析器、评价单元、参数整定单元等 模块。光子探测器探测来自导航发射器的微光子信号，送入取样积分器进行脉冲取样积分， 消除不确定性的随机干扰，将取样积分得到的脉冲轮廓信息作为待检测信号输入混沌检测 器，根据混沌检测器的不同参数配置绘制相轨迹平面，分析相轨迹平面，确定当相轨迹平面 从混沌状态转移到大周期运动状态时的混沌检测器参数，进行系统参数整定，并进行系统性能指标评价，得出最优的混沌系统模型及参数配置，以此便可应用于该类信号机制的卫 星导航定位与定时系统的频率测量。其中的光子探测器用于接收光子器发射的光子，滤除背景日光中干扰光谱成分， 并对接收的光子进行光子计数，主要由光学接收天线、光衰减器、带通滤光器、光子检测计 数器、定时接收机、温补晶振和数字处理芯片等部件和模块组成。系统中的取样积分器是对待测信号进行逐点多次取样并进行同步积累，其中取样 频率应符合取样定理的要求，从而可以从噪声中提取有用信号。所述的混沌检测器包括混沌检测方程和混沌检测模型。混沌检测方程是一个非线 性的混沌系统描述方程，用数学表达式描述系统；混沌检测模型是非线性混沌方程的实现 过程，该过程可以通过组态模块图的搭建完成，模型的硬件结构可以通过混合数模电路实 现。这里的相轨迹分析器是完成对相轨迹从混沌状态过渡到大周期稳定状态的分析 任务，为混沌系统的参数整定提供依据。评价单元是用评价方法评价系统检测微光子信号的测量性能。参数整定单元是根据相轨迹分析器得到的参数固化系统模型的状态。类微光子源导航体系中的混沌测频方法包括(1)取样积分法用于将光子检测器检测的光子数进行周期累积，去除杂波干扰，形 成光子脉冲轮廓的过程。(2)混沌动力学模型是一个用于检测光子累积轮廓的非线性动力学模型，用于检 测类弱光子脉冲信号的频率、周期等参量。(3)相轨迹分析判别方法用来判别检测系统的临界混沌状态的系统参数，该方法 包括Lyapimov指数法和模拟试验法。(4)系统评价方法包括信噪比和信噪改善比，用于评价系统对信号的检测性能。本发明具有如下优点1、本发明利用混沌振子模型对导航定位与定时用微弱光子信号进行低信噪比信 号检测，并应用于先进导航信号的接收和处理中，增强相应系统的低信噪比信号检测能力。2、本发明通过研究强噪声条件下，将混沌振子系统用于光子脉冲周期信号检测时 的输出统计特性分析，提出了平均输出信噪比改善率。采用平均输出信噪比改善率对整个 混沌振子系统运动大周期内的输出统计特性进行描述，比采用周期上个别点处信噪比改善 率能更为准确地反映系统整体输出统计特性，同时可以消除计算步长因素的影响。3、本发明不仅能用于X射线脉冲星、量子等一类先进导航微弱光子信号频率测 量，同时可以扩展到其他类型微弱信号检测如雷达多基信号接收及其他低信噪比信号检测 等应用领域。
四
图1是本发明中的类微光子源导航体系中的混沌测频系统流程框图；图2是本发明中的一类光子探测器探测到的原始光子脉冲输入信号；图3是本发明中的原始信号经过取样积分后的归一化信号；图4是本发明中的混沌检测系统在混沌状态下的相轨迹图5是本发明中的混沌检测系统在临界混沌状态下的相轨迹图；图6是本发明中的混沌检测系统在大周期稳定状态下的相轨迹图。
五具体实施例方式如图1所示，本发明包括光子探测器、取样积分器、混沌检测器、相轨迹分析器、评 价单元、参数整定单元等模块。光子探测器探测来自导航发射器的微光子信号，送入取样积 分器进行脉冲取样积分，消除不确定性的随机干扰，将取样积分得到的脉冲轮廓信息作为 待检测信号输入混沌检测器，根据混沌检测器的不同参数配置绘制相轨迹平面，分析相轨 迹平面，确定当相轨迹平面从混沌状态转移到大周期运动状态时的混沌检测器参数，进行 系统参数整定，并进行系统性能指标评价，得出最优的混沌系统模型及参数配置，以此便可 应用于该类信号机制的卫星导航定位与定时系统的频率测量。在图1中，光子探测器用于接收光子器发射的光子数量，滤除背景日光中干扰光 谱成分，并对接收的光子进行光子计数，主要由光学接收天线、光衰减器、带通滤光器、光子 检测计数器、定时接收机、温补晶振和数字处理芯片等部件和模块组成；光学接收天线接收 激光光子，通过光衰减器衰减、带通滤光器滤光后，送入光子计数器对光子进行计数，计数 结果送入数字处理芯片，同时数字处理芯片接收定时接收机和温补晶振的时钟信号对计数 结果进行处理，并将处理结果送入取样积分器。图1中的取样积分器是对待测信号进行逐点多次取样并进行同步积累，其中取样 频率应符合取样定理的要求，从而可以从噪声中提取有用信号。设光子信号为s (t)，噪声信 号为η (t)，信号周期为T，经过N次积累平均，输出为
M(i) = 12 X ( + = — 2 ^(i + + — Σ n^t +⑴
η οN k=QN k=0当N较大时，有输出为
丄坌 +(2)
N Ii=OΜ( ) 丄 + 二 s(i)(3)
Nfo噪声方差为Κ2ο=ΣΚ· =K +Κ\ +KX⑷
/=1信号幅度为
η_Ao = Σ Αυ· = Λ, +AS2+AS3+··· + Asn = nAs(5)信噪比SNR= (Ps0 F20)/(P, Vn]) =(Ps0-Vn))/{Psi*Vn20) ={A2s0>Vn))/{A^) =n (6)可以发现，当积累次数η越大，则SNR越大，可以充分地抑制噪声，能达到提高信噪 比的目的。图1中的混沌检测器包括混沌系统建模、混沌测频原理、混沌测评方法的实现。
1)混沌系统建模混沌系统模型可以看作一个窄带滤波器，将宽带噪声，即通频带以外噪声滤掉，让 窄带待检信号和极少量的窄带噪声通过混沌系统，从而减少噪声对于待检信号的干扰，提 高信号的输出信噪比。考虑到导航用光子信号的特殊性和仿真模型的稳定性，经过大量的实验，将混沌 方程应用到任意周期的微光子信号检测，并调节其参数，有jc + Αχ-αχ3+[1 + Ζ 5(β> )]χ5 =rcos(<y0(7)其中k为阻尼比，-ax3+bx5为非线性恢复力，r Cos(COt)为周期策动力，s( t)为 输入信号。当阻尼比k 一定时，策动力幅值小于策动力阈值时，系统处于分叉或是混沌状态， 这一状态中随策动力的变化非常剧烈，直到策动力幅值大于策动力阈值后，系统进入大尺 度周期状态。实验证明，k过小，系统输出轨迹变化剧烈。相位的选取具有周期性，特定的相位对应特定的大尺度周期状态图，当相位相差 2 π的整数倍时，其相轨迹图重复出现。当非线性恢复力取-ax3+bx5(设为系统I)和取ax+bx3(设为系统II)时，通过变 化输出信号的幅值，对比相轨迹图，分析发现系统I的灵敏度较高；同时，随着系统运行时 间的增加，系统大尺度周期相态在系统I下的工作稳定性也更好一些，对于信噪比，精度与 误差估计有好的效果，所以，系统建模时选取非线性恢复力为-ax3+bx5。2)混沌测频原理在混沌检测系统中，由于存在间歇混沌现象，当参考频率与外界信号频率存在频 差时，其信号频率能检测到的通带为(0. 97 ，1.03 )，带宽为0. 06 ω，这里ω为外界信号 频率。对周期性特别稳定的光子信号而言，可以应用此规律(导航用微光子信号满足该规 律)。采用混沌振子阵列方法对光子信号频率进行并行检测过程如下将阵列中振子的固 有频率限制在某一个区间内，使之成为一个公比为q的等比数列，它由多个阵元组成，并保 证相邻两阵元的振子频差《k，cok+1不能大于(q-1) cok。如果信号的频率ω在这个区间内， 由穷举法可知，仅在两个相邻的振子上发生稳定的间歇混沌现象。假设为第k与第k+Ι个 振子，而其他振子仍然处于混沌状态，则外界信号的频率ω必有Qk^ ω ^ ω k+1(8)如果光子信号的频率ω不在这个区间内，必须对它进行预处理。可以以速度ν记 录数据，而以10ην(η= 士 1，士 2···)的速度重放信号，则此时存在唯一的η，使得重放信号 的频率分布在这个区间。3)混沌测频方法实现当取GJ1 = 1时，则ω2 = 1. 03，ω3 = (1. 03)2 = 1. 06，…，将其代入混沌检测模
型。记(^和cok+1为出现间歇混沌现象时外界信号的频率ω的动态检测范围。将cok k+1 做M等分，则有cok，
ω k+1/M' ω k+2/M' ···' ω k+1 ° 如果在这些振子间出现大尺度周期状态， 则将此振子《k+i/M作为ω的近似值，并将ω k+i/M代入混沌检测模型，调整精度值。在cok+i/M 左右邻域内对称取有限个值代入模型，如果都处于大尺度周期状态，则对各项做集合平均， 记为ω ；否则分别对其大尺度周期状态的各个振子做平均，再代入混沌振子的检测模型检 验，如果仍为大尺度周期状态，则把它记为ω，否则取最大的那个cok”VM值记为ω。
如果在这些振子间没有出现大尺度周期状态，则将《k cok+1做2M等分，再进行 迭代，直至出现大周期状态为止。这样就可以实现信号混沌频率测定。从实际操作上来讲，图1所示混沌检测器的混沌建模和执行步骤是(1)在无噪声环境下确定混沌模型的内置策动力，使得在该策动力下系统处于临 界大周期稳定状态；(2)在有噪声环境下测试混沌检测器对噪声的敏感性，整定模型参数，确认步骤 (1)的策动力为最优值；(3)应用混沌阵子模型，并结合混沌测频原理与方法，测量信号的存在性、信号的 周期与频率等参量。图1所示的相轨迹分析器是用来判断混沌动力学系统从混沌状态过渡到大周期 稳定状态的分析工具。当系统由混沌状态过渡到大周期稳定状态时，有两种方式可以观测 其现象第一种方式是给定方程(7)中r 一个初值，通过计算系统的两个Lyapimov指数， 当混沌振子系统处于混沌状态时，Lyapunov指数一个为正数，一个为负数；当系统处于大 周期稳定状态时，两个指数皆为负数；当系统将处于混沌状态与大周期稳定状态的临界状 态时，一个等于0，一个为负数，此时的r即为所需的系统内置信号幅度；第二种方式是通过 模拟试验法确定临界状态，此时，取不同的外策动力幅值r，观察系统的相轨迹变化，多次尝 试，定能找到一个处于混沌状态与大周期稳定状态的一个临界外策动力幅值r。该方法是一 种近似法。对于Lyapimov指数的计算过程如下令ζ = t，将混沌振子系统状态方程由二阶非自治系统转化为三阶自治系统
χ = yIy = -ky + ax3 -[l+fo(wz)]jc5 +rcos(wz)(9)
z = l简化方程(9)，写为^i = JxJ,其中A= [x, y，z]T, J为Jacobian矩阵，于是得到 Lyapunov才旨数为^(^^limllogl^O^I(10)检测过程中，调节式(7)的策动力r，找到Lyapimov指数中较大值为零，或最接近 于零的周期策动力幅度值r，再将待检测信号加入到混沌振子检测系统。该方法是精度较高 的数值计算法。图1所示的性能评价单元采用信噪改善比。信噪改善比定义为信号频率处的谱高 对该频率附近的噪声谱高平均值之比。但混沌系统周期环上各点的统计特性各不相同，如 果按照连续信号的方式定义信噪比，难度就会很大。在此，从周期环上的某一点开始每隔周 期T进行采样，测到的始终为这点的信号幅值A，测得的噪声均方根σ也是相同的，这样可 以定义输出信噪比为(SNR) 0 = A/σ(11)由此，输入信噪比可以定义为输入信号幅值a和外界噪声均方根On之比(SNR)i = a/ σ n(12)于是，信噪改善比为
SNIR = 201g (SNR) QZ(SNR)i = 201g(Ao n/ao ) (13)作为本发明的一个算例，图2为某探测器观测到的微弱光子信号，图3为经过有限 周期取样积分后的归一化取样积分信号，图4为混沌检测器的混沌状态相轨迹图，图5为系 统的临界状态相轨迹图，图6是系统从混沌状态经临界点过渡到大周期平稳状态的相轨迹 图。实验发现，当系统模型中的内置策动力为0. 72528414时，系统处于临界周期状 态，如图5所示的相轨迹图。同时，噪声的干扰不影响相同状态的转移，表明混沌测量系统 对噪声有强的免疫力。已知图2实测信号的理论频率173. 685Hz，而通过该检测系统后计算 得到的周期5. 75762ms，测量频率173. 683Hz，在该频率下，系统状态变量的输出具有良好 的信号状态包络现象，即系统处于图6的大周期平稳状态。通过该系统，测量频率的相对误 差为0. 0015%，信噪比为-16. 2564dB，信噪改善比为40. 65dB，证明了系统具有很高的测量 精度，达到了低信噪比的测量要求。综上所述，利用混沌动力学模型计算流程可以检测微弱光子信号的特性，经过对 多类光子脉冲导航信号的分析，该系统的检测精度可达1X10_6，信号具有低的信噪比。实 验算例体现了混沌测量系统对于强噪声下的微弱光子信号检测的优势。同时，证明了将取 样积分和混沌测量系统相结合，对于微弱光子信号检测的可行性和适用性。以上算例是本发明一个具体应用，对本发明的保护范围不构成限制，对同类微光 子源导航体系中的频率测量技术方案，均在本发明权利保护范围之内。
权利要求
类微光子源导航体系中的混沌测频系统与方法，其特征在于包括光子探测器、取样积分器、混沌检测器、相轨迹分析器、评价单元、参数整定单元等模块。光子探测器探测来自导航发射器的微光子信号，送入取样积分器进行脉冲取样积分，消除不确定性的随机干扰，将取样积分得到的脉冲轮廓信息作为待检测信号输入混沌检测器，根据混沌检测器的不同参数配置绘制相轨迹平面，分析相轨迹平面，确定当相轨迹平面从混沌状态转移到大周期运动状态时的混沌检测器参数，进行系统参数整定，并进行系统性能指标评价，得出最优的混沌系统模型及参数配置，以此便可应用于该类信号机制的卫星导航定位与定时系统的频率测量。
2.根据权利要求1所述的类微光子源导航体系中的混沌测频系统，其特征在于所述 的光子探测器用于接收光子器发射的光子，滤除背景日光中干扰光谱成分，并对接收的光 子进行光子计数，主要由光学接收天线、光衰减器、带通滤光器、光子检测计数器、定时接收 机、温补晶振和数字处理芯片等部件和模块组成。
3.根据权利要求1所述的类微光子源导航体系中的混沌测频系统，其特征在于所述 的取样积分器是对待测信号进行逐点多次取样并进行同步积累，其中取样频率应符合取样 定理的要求，从而可以从噪声中提取有用信号。
4.根据权利要求1所述的类微光子源导航体系中的混沌测频系统，其特征在于所述 的混沌检测器包括混沌检测方程和混沌检测模型。混沌检测方程是一个非线性的混沌系统 描述方程，用数学表达式描述系统；混沌检测模型是非线性混沌方程的实现过程，该过程可 以通过组态模块图的搭建完成，模型的硬件结构可以通过混合数模电路实现。
5.根据权利要求1所述的类微光子源导航体系中的混沌测频系统，其特征在于所述 的相轨迹分析器是完成对相轨迹从混沌状态过渡到大周期稳定状态的分析任务，为混沌系 统的参数整定提供依据。
6.根据权利要求1所述的类微光子源导航体系中的混沌测频系统，其特征在于所述 的评价单元是用评价方法评价系统检测微光子信号的测量性能。
7.根据权利要求1所述的类微光子源导航体系中的混沌测频系统，其特征在于所述 的参数整定单元是根据相轨迹分析器得到的参数固化系统模型的状态。
8.根据权利要求1所述的类微光子源导航体系中的混沌测频方法，其特征在于包括 取样积分方法、混沌动力学模型、相轨迹分析判别方法、系统评价方法等。
9.根据权利要求7所述的类微光子源导航体系中的混沌测频方法，其特征在于所述 的取样积分法用于将光子检测器检测的光子数进行周期累积，去除杂波干扰，形成光子脉 冲轮廓的过程。
10.根据权利要求7所述的类微光子源导航体系中的混沌测频方法，其特征在于所述 的混沌动力学模型是一个用于检测光子累积轮廓的非线性动力学模型，用于检测类弱光子 脉冲信号的频率、周期等参量。
11.根据权利要求7所述的类微光子源导航体系中的混沌测频方法，其特征在于 所述的相轨迹分析判别方法用来判别检测系统的临界混沌状态的系统参数，该方法包括 Lyapunov指数法和模拟试验法。
12.根据权利要求7所述的类微光子源导航体系中的混沌测频方法，其特征在于所述 的系统评价方法包括信噪比和信噪改善比，用于评价系统对信号的检测性能。
全文摘要
本发明公开了一种类微光子源导航体系中的混沌测频系统与方法。主要解决一类光子源先进导航定位与时间同步系统中的低信噪比微光子信号频率难于测量或测量精度不高的问题。该系统主要由光子探测器、取样积分器、混沌检测器、相轨迹分析器、评价单元、参数整定单元等模块组成。本发明的频率测量方法是将取样积分得到的微光子脉冲轮廓信息输入混沌检测模型，通过分析相轨迹平面，确定临界混沌状态参数，应用混沌测频原理和实现方法获得频率参量，在进行评价。本发明具有在强噪声环境下对低信噪比微光子源进行频率准确检测与识别的特点。本发明不仅能用于X射线脉冲星、量子等一类先进导航系统的信号源频率测量、校准与识别，同时可以扩展到如雷达多基信号接收及其他低信噪比信号检测等应用领域。
文档编号G01S7/48GK101982782SQ20101027617
公开日2011年3月2日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者乔鑫, 张华 , 王勇, 苏哲, 许录平 申请人:西安电子科技大学