专利名称：一种基于非负ica的相控阵风廓线雷达信号处理方法
技术领域：
本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种基于非负ICA的相控阵风廓线雷达信号处理方法。
背景技术：
相控阵风廓线雷达是利用大气湍流对电磁 波的散射作用对大气进行探测的一种遥感设备，诞生于20世纪80年代，多年来的运行结果表明，由于雷达探测的目标大气风场中的湍流对电磁波的散射非常微弱，其易受噪声、地物杂波和间歇性杂波干扰等影响。目前国内研制的宽-限-窄电路对抑制干扰效果不明显。当相控阵风廓线雷达部署雷达型号相同或频率相同和相近或频带重叠时，会产生同频干扰问题，影响雷达系统的正常探测，严重时造成接收机前端硬件损坏、接收机高频前端前置放大器饱和等严重后果。对于同频干扰现象，由于信号形式相同，频谱严重重叠，传统的信号处理方法显得力不从心。目前的处理方法在电路上采用旁瓣天线技术、空间滤波和消隐技术等，电路结构简单，缺点只能对低工作比的脉冲干扰有效，对于杂波干扰和高工作比的脉冲干扰不适用。独立分量分析(ICA)是20世纪90年代发展起来的一种新的信号处理技术，它是从多维统计数据中找出隐含因子或分量的方法。ICA处理的对象是一组相互统计独立的源信号经线性组合而产生的混合信号，源信号之间相对独立，最终从混合信号中提取各个信号分量。在信噪比满足一定要求前提下实现良好的信噪分离，对噪声调频干扰和同频干扰有很好的抑制，但在源信号相互独立的情况下处理效果欠佳。相控阵风廓线雷达在测量时，各个干扰源及杂波之间不存在影响，可认为被测信号为独立信源，且信号的概率密度函数不服从高斯分布。杂波的很多特性和热噪声相似，导致信噪比较小，而ICA分离信号对信噪比有一定的要求，须在ICA处理之前进行预处理，提高信噪比。部署的相控阵风廓线雷达的源信号有较大相关性，使用基本ICA无法进行信号分离，采用非负ICA方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供实现有用信号和噪声分离，提取目标信号的基于非负ICA的相控阵风廓线雷达信号处理方法，其具体技术方案如下所述基于非负ICA的相控阵风廓线雷达信号处理方法，包括如下步骤1)采集相控阵风廓线雷达回波信号，形成观测信号；2)对观测信号进行信号预处理操作，得到信噪比较高的信号；3)利用非负ICA方法对预处理的信号进行分离，得到分离后的源信号；4)对分离后的源信号进行后续杂波抑制和去噪等处理。所述方法的进一步设计在于，所述步骤I)中所涉及的观测信号主要通过ADC数模转换器来实现信号的采集，所述信号的矩阵表达式为X = AXS，其中S为源信号矢量组成的矩阵，A为一个未知混合矩阵，X为观测信号矢量组成的矩阵如式(I)；Xi (t) = f (S1 (t), . . . , sn (t)) = f (s (t))(I)所述方法的进一步设计在于，所述步骤2)中的信号预处理操作主要由中心化预处理、白化预处理组成，所述中心化预处理是将观测信号矢量减去所述矢量的均值，变成零均值，再对经过均值处理的所述矢量估计独立变量1，最后将I的均值A4m与零均值相加；所述白化处理，通过协方差矩阵特征值分解如式(2)，减少估计参数的个数，
其中，存在正交阵E使Ε{χχτ} =EDEτ，E是E{xxτ}的特征值的正交矩阵，D是Ε{χχ]
的特征值构成的对角阵，对D中每一个元素开I次方，
权利要求
1. ー种基于非负ICA的相控阵风廓线雷达信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤 1)采集相控阵风廓线雷达回波信号，形成观测信号； 2)对观测信号进行信号预处理操作； 3)利用非负ICA方法对预处理的信号进行分离，得到分离后的源信号； 4)对分离后的源信号进行后续杂波抑制和去噪处理。
所述非负ICA方法具体为 1.设X信号源由n个源信号组成，按照ICA算法计算白化信号Z;所述ICA算法通过设置ー个NXN维反混合阵W = (Wij)，使得X⑴经过W变换后得到N维输出列向量Y⑴，有 Y= WX = WAS(4) 令S = RXStl，其中Stl为正交阵，其分量间没有相关性，则 Y= WZ = WVAX = WVARS0(5) 其中，Z和VAR为正交阵，Z是由Stl经过白化旋转得到的矩阵，通过S到Z的正交变换矩阵，得到关键变换矩阵P。
Z’ = PZ = PVAS(6) 通过Y = WZ’计算正交阵W，从S变换到Y的矩阵WPVA也是ー个正交阵，求得W后使得变换阵U=WPVA,从而分离出源信号S，由源信号S提取得到相控阵风廓线雷达的径向速度、速度谱宽、Q2数据有关的信号成分； ii.由于源信号非负，Z值分布在900±100范围内，但不等于900，Z满足超平面方程n = f其中t为预设常数，t的大小应使该超平面与z中的数据点所形成的多面体的截/=1面为n多边形，计算所述多面体中各数据点与该截面的距离，设定ー阈值0. 9，使得数据点到该截面的距离小于阈值所对应最大距离，最后构成交平面的点集Q ； iii.根据式(7)计算Q的重心q，其中m为数据点的个数；m= t (7) iv.计算Q中各点到q的距离，选出距离最大的点I1,然后计算得到Q中到I1距离最大的点12，再计算得到Q中到I1距离和到I2距离之和最大的点I3……依此类推得到Q中到点I1,12,....し1距离之和最大的点I，构成函数し V.函数L中各点对应新坐标轴上的坐标,结合式丨=PZ = PVAS,由正交变换阵Z’运算得到关键转换矩阵P。. vi.根据Y=WPZ'等式分离出源信号。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤I)中所涉及的观测信号主要通过ADC数模转换器来实现信号的采集，所述信号的矩阵表达式为X = AXS,其中S为源信号矢量组成的矩阵，A为ー个未知混合矩阵，X为观测信号矢量组成的矩阵如式(I)； Xi (t) = f (S1 ⑴， ，Sn (t) ) = f (S ⑴)(I)。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中的信号预处理操作主要由中心化预处理、白化预处理组成，所述中心化预处理是将观测信号矢量减去所述矢量的均值，变成零均值，再对经过均值处理的所述矢量估计独立变量1，最后将I的均值A-1Hi与零均值相加；所述白化处理，通过协方差矩阵特征值分解如式(2)；
全文摘要
本发明涉及一种基于非负ICA的相控阵风廓线雷达信号处理方法，包括如下步骤1)采集相控阵风廓线雷达回波信号，形成观测信号；2)对观测信号进行信号预处理操作，得到信噪比较高的信号；3)利用非负ICA方法对预处理的信号进行分离，得到分离后的源信号；4)对分离后的源信号进行后续处理。其有益效果为所述方法能够提取相控阵风廓线雷达接收信号的各成分，尤其对组网的雷达信号的同频干扰、噪声调频干扰、工频干扰及杂波等有较好的抑制，在消杂去噪过程中不妨碍有用信号。
文档编号G01S13/88GK102819012SQ20121029870
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月21日 优先权日2012年8月21日
发明者张银胜, 单慧琳, 周杰 申请人:南京信息工程大学