单束激光叠加脉冲信号的滤波检测方法与流程

本发明属于信号滤波技术领域，尤其涉及一种单束激光叠加脉冲信号的滤波检测方法。

背景技术：

现有技术中在对单光束信号进行检测时，由于检测设备存在运行噪音，加之单光束信号所处背景的干扰，目标单光束信号常常被噪声覆盖，一般的检测技术很难检测出这样的叠加脉冲信号。因此，需要研究新的检测原理和检测方法，才能检测出叠加信号。单光束叠加脉冲信号的滤波检测技术是采用信息学理论，分析目标信号的特性，再提高单光束叠加脉冲信号的信噪比，完成对单光束叠加脉冲信号的滤波检测，传统的滤波检测技术在复杂的信号中很难精准的检测出目标信号。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种单束激光叠加脉冲信号的滤波检测方法，具有高抗干扰性、准确性和稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种单束激光叠加脉冲信号的滤波检测方法，其特征在于，步骤一，基于单光束叠加脉冲信号特征塑造单光束叠加脉冲信号观测模型，采用该观测模型对单光束叠加脉冲信号进行描述；步骤二，对基于主成分分析的单光束叠加脉冲信号进行预处理，将所采集的一组单光束叠加脉冲信号的进行主成分分析，得到包括信号特征主向量的主成分分析数据，基于主向量以及主成分重构特征脉冲信号，实现信号特征采集；步骤三，获取任一方向上、任一尺度的gabor滤波器，采用gabor滤波器检测出单光束叠加脉冲信号。

按上述技术方案，所述步骤一中，采集到的单光束叠加脉冲信号具有线性调频(lfm)信号特征。分数阶fourier变换(frft)是动态时域分析方法，可处理lfm类信号，也就是单光束叠加脉冲信号，不会出现交叉项干扰现象。将frft应用到单光束叠加脉冲信号信号检测过程，通过两级检索措施获取显著的滤波检测效果。针对不同信号分量具有不同的强度，强信号分量会淹没在弱信号分量中，采用逐次消去的原理检测出全部的单光束叠加脉冲信号。基于单光束叠加脉冲信号特征塑造单光束叠加脉冲信号观测模型，如式(1)所示，采用该观测模型对单光束叠加脉冲信号进行描述。所述基于单光束叠加脉冲信号特征塑造单光束叠加脉冲信号观测模型，采用该观测模型对单光束叠加脉冲信号进行描述具体为，

其中，k用于描述单光束叠加脉冲信号分量的数量。

按上述技术方案，所述步骤一中，在对单光束叠加脉冲信号进行检测的过程中，弱脉冲信号分量的检测和参数估计受到强脉冲信号的干扰，采用以下步骤避免强脉冲信号对弱脉冲信号的干扰(其基本思想如下：针对上式所示的单光束叠加脉冲信号观测模型，按照脉冲信号从强至弱的顺序，对所有脉冲信号分量参数进行估计，再依据得到的结果，检测出所有单光束叠加脉冲信号，详细过程如下)：

1)依据滤波技术在(p,u)平面中完成对被观测单光束叠加脉冲信号的二维检索，通过平面中峰值最高的位置对最强单光束叠加脉冲信号分量进行检测；

2)完成对单光束叠加脉冲信号的阶frft处理，获取转换后的信号，公式描述如下：

式中，依次用于描述正常单光束叠加脉冲信号与含有噪声的单光束叠加脉冲信号。当前脉冲信号分量能量大多数集中于u中处于中心位置的窄带中，剩下脉冲信号分量与噪声无显著能量聚集；

3)在u中依据尖峰对单光束叠加脉冲信号进行遮挡操作，也就是：

其中，m(u)用于描述中心频率是的窄带阻滤波器，将其和观测单光束叠加脉冲信号在分数阶域中实现乘法滤波处理，也就是过滤第一信号分量的大多数能量；

4)把经滤波处理后的单光束叠加脉冲信号进行阶frft处理，从而将其转换至时间域；

5)反复进行上述步骤，从而实现单光束叠加脉冲信号的检测。

检测到单光束叠加脉冲信号后，应提取脉冲信号特征，但是当前的信号采集方法无法从单光束叠加脉冲信号中直接提取特征信息，而主成分分析方法具有很强的提取信号的能力。因为对一组单光束叠加脉冲信号进行检测时，受不同因素的影响，单光束叠加脉冲信号中信息会出现改变，所以在对单光束叠加脉冲信号进行主成分分析的过程中，脉冲信号信息量的改变会反映在某主成分中，通过主成分分析实现单光束叠加脉冲信号特征的提取。

采用主成分分析对单光束叠加脉冲信号进行预处理的基本思想如下：因为主成分分析主要是为了获取一组主向量a＝[a1,a2,…,am]可符合重建数据与原始单光束叠加脉冲信号的均方差达到最小，可获取以下主成分分析的目标函数：

如果重建误差最小时，原始光谱和重建光谱的均方差对主向量a取导数应等于0，则有：

按上述技术方案，所述步骤二中，所述进行主成分分析具体为，通过固定点迭代方式获取对主成分进行分析的两步迭代算法：

(1)变更主向量：

依据固定点迭代方法原理，对各个向量进行提取时，任选单位向量ai(0)作为迭代初始值，将其代入式(6)中迭代直至收敛；

(2)符合各个主向量之间正交的条件：主向量a为正交归一化矩阵，通过gramschmidt正交分解法将各主向量之间正交化，已提取了i-1个主向量a1,a2,...,ai-1后，则在对第i个主向量进行提取时，进入下一轮迭代前对ai进行正交化处理，则有：

再将所得ai归一化。

gabor滤波器是经复指函数调制的gauss滤波器，其脉冲响应函数是：

式中，g(x,y)的中心频率用(u,v)描述，gauss函数在x轴和y轴上的标准差分别用σ、ξ描述，用j描述虚数单位；g(x,y)r是实gabor滤波器，g(x,y)i是虚gabor滤波器，则有：

当σ≠ξ时，gabor滤波器呈现出椭圆形；当σ＝ξ时，gabor滤波器呈现出圆形。

为了识别出图像在不同尺度、不同方向下的局部特点，只有通过不同尺度、不同方向的滤波器才能准确的对图像特点进行描述，以下分析了多尺度多方向的gabor滤波器。

按上述技术方案，所述步骤三中，所述获取任一方向上、任一尺度的gabor滤波器具体为，改变在x-y坐标系上的gabor滤波器g(x,y)的旋转角度θt，可获取任一方向上的gabor滤波器，转动后的坐标记作(x′,y′)，则有：

式中，是方向角，用n描述方向总数，从式(1)中选择径向频率us以及标准差σs，可获取任一尺度s的滤波器，则gabor滤波器在尺度s方向t上的脉冲响应函数是：

式中，用(ust,vst)描述gst(x,y)的中心频率，用σst、ξst分别描述gauss函数在x轴和y轴上的标准差，用gst(x,y)r描述实gabor滤波器，则有：

式中，s＝1,2,...,m；t＝1,2,...,n，用m描述尺度总数，m,n∈z；

将gst(x,y)进行fourier变换可得：

式中，用(u,v)与(u′,v′)分别描述(x,y)以及(x′,y′)在频率域中的坐标，它们符合：

同时有：

式中，s＝1,2,...,m；t＝1,2,...,n。

实gabor滤波器在实际运用中是团状检测子，采用实gabor滤波器gst(x,y)r检测单光束叠加脉冲信号，s＝1,2,...,m，t＝1,2,...,n。

本发明产生的有益效果是：本发明方法首先基于单光束叠加脉冲信号特征塑造单光束叠加脉冲信号观测模型，采用该模型按照脉冲信号从强至弱的顺序，预测全部脉冲信号分量参数，然后采用分数阶fourier变换(frft)动态时域分析方法，通过两级检索措施得到显著的单光束叠加脉冲信号滤波检测结果，获取强单光束叠加脉冲信号，最后通过逐次消去强脉冲信号分量的方式，检测出全部单光束叠加脉冲信号。本发明单束激光叠加脉冲信号的滤波检测方法具有高抗干扰性、准确性和稳定性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为分数阶fourier中(p,u)平面中信号能量排列；

图2为分数阶fourier中抑制了强信号分量后信号能量的排列；

图3为临界运动状态；

图4为添加噪声后相轨迹变化情况。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种单束激光叠加脉冲信号的滤波检测方法，其特征在于，步骤一，基于单光束叠加脉冲信号特征塑造单光束叠加脉冲信号观测模型，采用该观测模型对单光束叠加脉冲信号进行描述；步骤二，对基于主成分分析的单光束叠加脉冲信号进行预处理，将所采集的一组单光束叠加脉冲信号的进行主成分分析，得到包括信号特征主向量的主成分分析数据，基于主向量以及主成分重构特征脉冲信号，实现信号特征采集；步骤三，获取任一方向上、任一尺度的gabor滤波器，采用gabor滤波器检测出单光束叠加脉冲信号。

进一步地，所述步骤一中，采集到的单光束叠加脉冲信号具有线性调频(lfm)信号特征。分数阶fourier变换(frft)是动态时域分析方法，可处理lfm类信号，也就是单光束叠加脉冲信号，不会出现交叉项干扰现象。将frft应用到单光束叠加脉冲信号信号检测过程，通过两级检索措施获取显著的滤波检测效果。针对不同信号分量具有不同的强度，强信号分量会淹没在弱信号分量中，采用逐次消去的原理检测出全部的单光束叠加脉冲信号。基于单光束叠加脉冲信号特征塑造单光束叠加脉冲信号观测模型，如式(1)所示，采用该观测模型对单光束叠加脉冲信号进行描述。所述基于单光束叠加脉冲信号特征塑造单光束叠加脉冲信号观测模型，采用该观测模型对单光束叠加脉冲信号进行描述具体为，

其中，k用于描述单光束叠加脉冲信号分量的数量。

进一步地，所述步骤一中，在对单光束叠加脉冲信号进行检测的过程中，弱脉冲信号分量的检测和参数估计受到强脉冲信号的干扰，采用以下步骤避免强脉冲信号对弱脉冲信号的干扰：

1)依据滤波技术在(p,u)平面中完成对被观测单光束叠加脉冲信号的二维检索，通过平面中峰值最高的位置对最强单光束叠加脉冲信号分量进行检测；

2)完成对单光束叠加脉冲信号的阶frft处理，获取转换后的信号，公式描述如下：

式中，依次用于描述正常单光束叠加脉冲信号与含有噪声的单光束叠加脉冲信号。当前脉冲信号分量能量大多数集中于u中处于中心位置的窄带中，剩下脉冲信号分量与噪声无显著能量聚集；

3)在u中依据尖峰对单光束叠加脉冲信号进行遮挡操作，也就是：

其中，m(u)用于描述中心频率是的窄带阻滤波器，将其和观测单光束叠加脉冲信号在分数阶域中实现乘法滤波处理，也就是过滤第一信号分量的大多数能量；

4)把经滤波处理后的单光束叠加脉冲信号进行阶frft处理，从而将其转换至时间域；

5)反复进行上述步骤，从而实现单光束叠加脉冲信号的检测。

检测到单光束叠加脉冲信号后，应提取脉冲信号特征，但是当前的信号采集方法无法从单光束叠加脉冲信号中直接提取特征信息，而主成分分析方法具有很强的提取信号的能力。因为对一组单光束叠加脉冲信号进行检测时，受不同因素的影响，单光束叠加脉冲信号中信息会出现改变，所以在对单光束叠加脉冲信号进行主成分分析的过程中，脉冲信号信息量的改变会反映在某主成分中，通过主成分分析实现单光束叠加脉冲信号特征的提取。

采用主成分分析对单光束叠加脉冲信号进行预处理的基本思想如下：因为主成分分析主要是为了获取一组主向量a＝[a1,a2,...,am]可符合重建数据与原始单光束叠加脉冲信号的均方差达到最小，可获取以下主成分分析的目标函数：

如果重建误差最小时，原始光谱和重建光谱的均方差对主向量a取导数应等于0，则有：

进一步地，所述步骤二中，所述进行主成分分析具体为，通过固定点迭代方式获取对主成分进行分析的两步迭代算法：

(1)变更主向量：

依据固定点迭代方法原理，对各个向量进行提取时，任选单位向量ai(0)作为迭代初始值，将其代入式(6)中迭代直至收敛；

(2)符合各个主向量之间正交的条件：主向量a为正交归一化矩阵，通过gramschmidt正交分解法将各主向量之间正交化，已提取了i-1个主向量a1,a2,...,ai-1后，则在对第i个主向量进行提取时，进入下一轮迭代前对ai进行正交化处理，则有：

再将所得ai归一化。

gabor滤波器是经复指函数调制的gauss滤波器，其脉冲响应函数是：

式中，g(x,y)的中心频率用(u,v)描述，gauss函数在x轴和y轴上的标准差分别用σ、ξ描述，用j描述虚数单位；g(x,y)r是实gabor滤波器，g(x,y)i是虚gabor滤波器，则有：

当σ≠ξ时，gabor滤波器呈现出椭圆形；当σ＝ξ时，gabor滤波器呈现出圆形。

为了识别出图像在不同尺度、不同方向下的局部特点，只有通过不同尺度、不同方向的滤波器才能准确的对图像特点进行描述，以下分析了多尺度多方向的gabor滤波器。

进一步地，所述步骤三中，所述获取任一方向上、任一尺度的gabor滤波器具体为，改变在x-y坐标系上的gabor滤波器g(x,y)的旋转角度θt，可获取任一方向上的gabor滤波器，转动后的坐标记作(x′,y′)，则有：

式中，是方向角，用n描述方向总数，从式(1)中选择径向频率us以及标准差σs，可获取任一尺度s的滤波器，则gabor滤波器在尺度s方向t上的脉冲响应函数是：

式中，用(ust,vst)描述gst(x,y)的中心频率，用σst、ξst分别描述gauss函数在x轴和y轴上的标准差，用gst(x,y)r描述实gabor滤波器，则有：

式中，s＝1,2,...,m；t＝1,2,...,n，用m描述尺度总数，m,n∈z；

将gst(x,y)进行fourier变换可得：

式中，用(u,v)与(u′,v′)分别描述(x,y)以及(x′,y′)在频率域中的坐标，它们符合：

同时有：

式中，s＝1,2,...,m；t＝1,2,...,n。

实gabor滤波器在实际运用中是团状检测子，采用实gabor滤波器gst(x,y)r检测单光束叠加脉冲信号，s＝1,2,...,m，t＝1,2,...,n。

图1、图2描述的是以上检测方法的实例，假设观测信号存在两个1024点单光束叠加脉冲信号分量，二者输入信噪比依次是0db与-8db。图1描述的是(p,u)平面中信号frft模的平方，图2描述的是抑制强单光束叠加脉冲信号后的(p,u)平面。分析图1、2可以看出，弱脉冲信号分量与强脉冲信号分量相比并不显著，所以直接通过frft动态时域分析方法对单光束叠加脉冲信号进行检测，仅可检测出其中的强脉冲信号分量，无法检测出弱脉冲信号。因此，文章采用逐次消去强脉冲信号分量的方式，有效检测所有单光束叠加脉冲信号。

本发明的一个较佳实施例中，采用本方法对单光束叠加脉冲信号进行滤波检测，假设待检测信号用acos(t)+n(t)进行描述，其中a用于描述微弱单光束叠加脉冲信号的幅值，n(t)用于描述高斯白噪声。把含噪声的单光束叠加脉冲信号添加至系统中，则系统方程可描述成：

式中，γ用于描述动力幅值。

经迭代计算后，系统会处于稳定状态。在进行实验的过程中，本节通过混沌至大尺度周期的相变对本文方法的抗干扰性能进行判断，若相变程度小，则认为本文方法能够有效滤除单光束叠加脉冲信号中的干扰信号，保证系统的稳定性。

向系统中添加均值是0，噪声方差是0.02的高斯白噪声，通过本文方法对系统中的单光束叠加脉冲信号进行滤波检测，系统从混沌转换至大尺度周期运动的临界状态用图3进行描述，添加噪声后系统相轨迹变化情况用图4进行描述。

分析图3和图4可知，添加高斯白噪声后系统相轨迹和临界运动状态相比有一定的差异，但差异不大，大部分是因为系统的正常运行导致的。说明采用本文方法对单光束叠加脉冲信号进行检测时，能够有效滤除信号中的高斯白噪声，保证系统免于干扰，验证了本文方法抗干扰性能。

采用adobeaudition软件获取单光束脉冲信号，观测信号时频图，选取10个信噪比较高的单光束脉冲信号和5个背景噪声。再从这些单光束脉冲信号中随机选取1个单光束脉冲信号和1个背景噪声，参照预设的信噪比调整背景噪声的强弱，最后依据随机产生的位置叠加单光束脉冲信号和背景噪声获得测试信号。设置不同的信噪比，分别在不同的信噪比下完成500次随机实验，实验中单光束脉冲信号的找全率rc是成功检测次数nc与合成信号中单光束脉冲信号的数量tn之比，误检率re是误检次数ne与检测到的单光束脉冲信号的数量之比：

将检测结果相比较，在信噪比相同的情况下，表1中单光束脉冲信号的找全率均在98％以上，找全率与误检率反应出本文方法具有较高的检测性能。

表1

本发明提出单光束叠加脉冲信号的滤波检测方法，单光束叠加脉冲信号观测模型，检测出强单光束叠加脉冲信号，通过逐次消去强脉冲信号分量的方式，检测出全部单光束叠加脉冲信号，实现单光束叠加脉冲信号的准确检测。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。