CN116068521B - 一种雷达探测信号主动降噪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及信号降噪的技术领域,揭露了一种雷达探测信号主动降噪方法,所述方法包括:采集雷达探测信号并基于信号分解耦合度确定分解尺度,根据分解尺度对所采集的雷达探测信号进行多尺度分解,得到不同尺度下的分解子信号;对采集的雷达探测信号进行综合波动程度曲率拐点计算,得到最优阈值;于最优阈值构建阈值函数,利用阈值函数将分解子信号分解为低频系数和高频系数;对分解得到的低频系数以及高频系数进行信号重构,得到降噪后的雷达探测信号。本发明基于雷达探测信号滤波结果的自相关性确定最优分解尺度,有效过滤掉自相关性较小的噪声信号,并利用改进的阈值函数提高重构后雷达探测信号中有效信息的占比,进而降低其中的噪声信息占比。
Description
技术领域
本发明涉及信号降噪的技术领域,尤其涉及一种雷达探测信号主动降噪方法。
背景技术
雷达已广泛应用于地面、空中、海上和太空,地面雷达主要用来探测、定位和跟踪空中目标,不仅在军事各个方面得到应用,同时在民用雷达方面也发挥着日益增长的作用.然而雷达回波信号在接受过程中受到内部噪声、地杂波和外部干扰等噪声的影响,导致目标检测结果出现偏差,甚至影响目标识别的正确判断,并且雷达信号和噪声频带部分甚至全部混叠,传统的信号去噪方法无法依据差频信号频域分布的特点对滤波器参数进行自适应修改,难以有效实现信噪分离,去除雷达信号噪音。针对该问题,本发明提出一种雷达探测信号主动降噪方法,实现雷达探测信号增强。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种雷达探测信号主动降噪方法,目的在于:1)根据噪声信号自相关较小的特性,基于雷达探测信号低通滤波结果以及高通滤波结果的自相关性确定最优分解尺度,利用该尺度进行信号分解,能够有效过滤掉自相关性较小的噪声信号,分解得到包含更多雷达探测信号特征的分解子信号;2)根据所采集雷达探测信号与预设噪声信号的信号差值确定雷达探测信号的波动程度,并衡量波动程度的曲率拐点,其中波动程度的曲率拐点表现为雷达探测信号与噪声信号差异变化幅度最大的点,并将该点作为最优阈值对传统阈值函数进行优化,并可通过调控所构建阈值函数与不同传统阈值函数的相似性,得到对应的阈值幅度调节参数对阈值函数进行优化,进而根据信号处理过程中的实时需求,保留传统阈值函数中的较好特性,实现更为精准的分解子信号调控,提高重构后雷达探测信号中有效信息的占比,进而降低其中的噪声信息占比。
实现上述目的,本发明提供的一种雷达探测信号主动降噪方法,包括以下步骤:
S1:采集雷达探测信号并基于信号分解耦合度确定分解尺度,根据分解尺度对所采集的雷达探测信号进行多尺度分解,得到不同尺度下的分解子信号;
S2:对采集的雷达探测信号进行综合波动程度曲率拐点计算,得到最优阈值;
S3:基于最优阈值构建阈值函数,利用阈值函数将分解子信号分解为低频系数和高频系数;
S4:对分解得到的低频系数以及高频系数进行信号重构,得到降噪后的雷达探测信号。
作为本发明的进一步改进方法:
可选地,所述S1步骤中采集雷达探测信号,包括:
雷达向待探测区域发射雷达信号,雷达信号到达待探测区域后产生回波信号,接收机接收回波信号并对回波信号进行采样处理,得到雷达探测信号,其中回波信号的形式为:
其中:
t表示连续的时序信息;
在本发明实施例中,所述回波信号中包括探测目标的回波信号以及噪声信号,噪声信号包括接收机内部噪声、外部环境噪声以及干扰信号;
其中:
其中:
可选地,所述S1步骤中基于信号分解耦合度确定分解尺度,包括:
基于信号分解耦合度确定雷达探测信号的分解尺度,其中分解尺度的确定流程为:
S11:分别利用低通滤波器L和高通滤波器H对雷达探测信号进行交替滤波分解处理:
其中:
S12:计算第k层分解尺度的低通滤波结果以及高通滤波结果所对应的自相关系数:
其中:
S13:计算第k层分解尺度的自相关系数差值:
其中:
可选地,所述S1步骤中根据所确定的分解尺度对所采集的雷达探测信号进行多尺度分解,得到不同尺度下的分解子信号,包括:
根据所确定的分解尺度对所采集的雷达探测信号进行多尺度分解,得到不同尺度下的分解子信号,其中多尺度分解流程为:
其中:
可选地,所述S2步骤中对采集的雷达探测信号进行综合波动程度曲率拐点计算,包括:
可选地,所述S3步骤中基于最优阈值构建阈值函数,包括:
其中:
在本发明实施例中,相较于传统硬阈值函数以及软阈值函数,本发明所构建阈值函数连续,不存在间断,避免处理后分解结果不连续,重构后信号会产生震荡现象,同时基于修正参数,对绝对值较高的分解结果进行修正,保证最优阈值所对应调控结果与修正后调控结果之间的平滑性,并增加阈值幅度调节参数,可通过调控所构建阈值函数与不同阈值函数的相似性,得到对应的阈值幅度调节参数对阈值函数进行优化,进而根据信号处理过程中的实时需求,保留传统阈值函数中的较好特性。
可选地,所述S3步骤中利用阈值函数将分解子信号分解为低频系数和高频系数,包括:
利用阈值函数将分解子信号分解为低频系数以及高频系数,其中分解子信号的分解流程为:
S31:将雷达探测信号中所有信号采样点的分解结果依次输入到阈值函数中,得到对应的阈值调控后结果,将所述阈值调控后结果作为信号采样点的高频系数,所述分解子信号的高频系数为:
其中:
S32:对每个信号采样点的高频系数进行自适应选取,得到对应信号采样点的低频系数:
其中:
所述自适应选取参数的自适应求解流程为:
构建损失函数:
其中:
利用梯度下降算法对损失函数进行求解,得到最优自适应选取参数。
可选地,所述S4步骤中对分解得到的低频系数以及高频系数进行信号重构,包括:
对分解得到的低频系数以及高频系数进行信号重构,将信号重构结果作为降噪后的雷达探测信号,其中信号重构公式为:
其中:
为了解决上述问题,本发明提供一种电子设备,所述电子设备包括:
存储器,存储至少一个指令;
通信接口,实现电子设备通信;及处理器,执行所述存储器中存储的指令以实现上述所述的雷达探测信号主动降噪方法。
为了解决上述问题,本发明还提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质中存储有至少一个指令,所述至少一个指令被电子设备中的处理器执行以实现上述所述的雷达探测信号主动降噪方法。
相对于现有技术,本发明提出一种雷达探测信号主动降噪方法,该技术具有以下优势:
首先,本方案提出一种最优分解尺度计算方法,通过分别利用低通滤波器L和高通滤波器H对雷达探测信号进行交替滤波分解处理:
其中:
则所确定的分解尺度/>。根据噪声信号自相关较小的特性,基于雷达探测信号低通滤波结果以及高通滤波结果的自相关性确定最优分解尺度,利用该尺度进行信号分解,能够有效过滤掉自相关性较小的噪声信号,分解得到包含更多雷达探测信号特征的分解子信号。
同时,本方案提出一种改进的阈值函数对分解子信号进行调控处理,将雷达探测信号重构为均值序列:,其中/>,/>表示雷达探测信号对应的均值序列,/>表示/>中的第/>个子序列;获取长度为num的噪声信号,并将噪声信号重构为均值序列/>,其中/>中的第r个子序列为/>;计算/>与/>对应元素差值的绝对值的最大值,作为两序列之间的距离/>;将序列之间的距离转换为序列之间的相似度/>,其中/>为待求解的曲率拐点;计算得到/>:
计算函数的拐点,将计算得到的拐点作为求解得到的曲率拐点/>,并基于最优阈值构建阈值函数,利用所构建的阈值函数对分解子信号进行调控处理,进而根据调控分解结果实现信号重构,本方案根据所采集雷达探测信号与预设噪声信号的信号差值确定雷达探测信号的波动程度,并衡量波动程度的曲率拐点,其中波动程度的曲率拐点表现为雷达探测信号与噪声信号差异变化幅度最大的点,并将该点作为最优阈值对传统阈值函数进行优化,并可通过调控所构建阈值函数与不同传统阈值函数的相似性,得到对应的阈值幅度调节参数对阈值函数进行优化,进而根据信号处理过程中的实时需求,保留传统阈值函数中的较好特性,实现更为精准的分解子信号调控,提高重构后雷达探测信号中有效信息的占比,进而降低其中的噪声信息占比。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种雷达探测信号主动降噪方法的流程示意图;
图2为本发明一实施例提供的实现雷达探测信号主动降噪方法的电子设备的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本申请实施例提供一种雷达探测信号主动降噪方法。所述雷达探测信号主动降噪方法的执行主体包括但不限于服务端、终端等能够被配置为执行本申请实施例提供的该方法的电子设备中的至少一种。换言之,所述雷达探测信号主动降噪方法可以由安装在终端设备或服务端设备的软件或硬件来执行,所述软件可以是区块链平台。所述服务端包括但不限于:单台服务器、服务器集群、云端服务器或云端服务器集群等。
实施例
S1:采集雷达探测信号并基于信号分解耦合度确定分解尺度,根据分解尺度对所采集的雷达探测信号进行多尺度分解,得到不同尺度下的分解子信号。
所述S1步骤中采集雷达探测信号,包括:
雷达向待探测区域发射雷达信号,雷达信号到达待探测区域后产生回波信号,接收机接收回波信号并对回波信号进行采样处理,得到雷达探测信号,其中回波信号的形式为:
其中:
t表示连续的时序信息;
其中:
其中:
基于信号分解耦合度确定雷达探测信号的分解尺度,其中分解尺度的确定流程为:
S11:分别利用低通滤波器L和高通滤波器H对雷达探测信号进行交替滤波分解处理:
其中:
S12:计算第k层分解尺度的低通滤波结果以及高通滤波结果所对应的自相关系数:
其中:
S13:计算第k层分解尺度的自相关系数差值:
其中:
所述S1步骤中根据所确定的分解尺度对所采集的雷达探测信号进行多尺度分解,得到不同尺度下的分解子信号,包括:
根据所确定的分解尺度对所采集的雷达探测信号进行多尺度分解,得到不同尺度下的分解子信号,其中多尺度分解流程为:
其中:
S2:对采集的雷达探测信号进行综合波动程度曲率拐点计算,得到最优阈值。
所述S2步骤中对采集的雷达探测信号进行综合波动程度曲率拐点计算,包括:
S3:基于最优阈值构建阈值函数,利用阈值函数将分解子信号分解为低频系数和高频系数。
所述S3步骤中基于最优阈值构建阈值函数,包括:
其中:
所述S3步骤中利用阈值函数将分解子信号分解为低频系数和高频系数,包括:
利用阈值函数将分解子信号分解为低频系数以及高频系数,其中分解子信号的分解流程为:
S31:将雷达探测信号中所有信号采样点的分解结果依次输入到阈值函数中,得到对应的阈值调控后结果,将所述阈值调控后结果作为信号采样点的高频系数,所述分解子信号的高频系数为:
其中:
S32:对每个信号采样点的高频系数进行自适应选取,得到对应信号采样点的低频系数:
其中:
所述自适应选取参数的自适应求解流程为:
构建损失函数:
其中:
利用梯度下降算法对损失函数进行求解,得到最优自适应选取参数。
S4:对分解得到的低频系数以及高频系数进行信号重构,得到降噪后的雷达探测信号。
所述S4步骤中对分解得到的低频系数以及高频系数进行信号重构,包括:
对分解得到的低频系数以及高频系数进行信号重构,将信号重构结果作为降噪后的雷达探测信号,其中信号重构公式为:
其中:
实施例2:
如图2所示,是本发明一实施例提供的实现雷达探测信号主动降噪方法的电子设备的结构示意图。
所述电子设备1可以包括处理器10、存储器11、通信接口13和总线,还可以包括存储在所述存储器11中并可在所述处理器10上运行的计算机程序,如程序12。
其中,所述存储器11至少包括一种类型的可读存储介质,所述可读存储介质包括闪存、移动硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如:SD或DX存储器等)、磁性存储器、磁盘、光盘等。所述存储器11在一些实施例中可以是电子设备1的内部存储单元,例如该电子设备1的移动硬盘。所述存储器11在另一些实施例中也可以是电子设备1的外部存储设备,例如电子设备1上配备的插接式移动硬盘、智能存储卡(Smart Media Card, SMC)、安全数字(SecureDigital, SD)卡、闪存卡(Flash Card)等。进一步地,所述存储器11还可以既包括电子设备1的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器11不仅可以用于存储安装于电子设备1的应用软件及各类数据,例如程序12的代码等,还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所述处理器10在一些实施例中可以由集成电路组成,例如可以由单个封装的集成电路所组成,也可以是由多个相同功能或不同功能封装的集成电路所组成,包括一个或者多个中央处理器(Central Processing unit,CPU)、微处理器、数字处理芯片、图形处理器及各种控制芯片的组合等。所述处理器10是所述电子设备的控制核心(Control Unit),利用各种接口和线路连接整个电子设备的各个部件,通过运行或执行存储在所述存储器11内的程序或者模块(用于实现雷达探测信号主动降噪的程序12等),以及调用存储在所述存储器11内的数据,以执行电子设备1的各种功能和处理数据。
所述通信接口13可以包括有线接口和/或无线接口(如WI-FI接口、蓝牙接口等),通常用于在该电子设备1与其他电子设备之间建立通信连接,并实现电子设备内部组件之间的连接通信。
所述总线可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect,简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture,简称EISA)总线等。该总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。所述总线被设置为实现所述存储器11以及至少一个处理器10等之间的连接通信。
图2仅示出了具有部件的电子设备,本领域技术人员可以理解的是,图2示出的结构并不构成对所述电子设备1的限定,可以包括比图示更少或者更多的部件,或者组合某些部件,或者不同的部件布置。
例如,尽管未示出,所述电子设备1还可以包括给各个部件供电的电源(比如电池),优选地,电源可以通过电源管理装置与所述至少一个处理器10逻辑相连,从而通过电源管理装置实现充电管理、放电管理、以及功耗管理等功能。电源还可以包括一个或一个以上的直流或交流电源、再充电装置、电源故障检测电路、电源转换器或者逆变器、电源状态指示器等任意组件。所述电子设备1还可以包括多种传感器、蓝牙模块、Wi-Fi模块等,在此不再赘述。
可选地,该电子设备1还可以包括用户接口,用户接口可以是显示器(Display)、输入单元(比如键盘(Keyboard)),可选地,用户接口还可以是标准的有线接口、无线接口。可选地,在一些实施例中,显示器可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)触摸器等。其中,显示器也可以适当的称为显示屏或显示单元,用于显示在电子设备1中处理的信息以及用于显示可视化的用户界面。
应该了解,所述实施例仅为说明之用,在专利申请范围上并不受此结构的限制。
所述电子设备1中的所述存储器11存储的程序12是多个指令的组合,在所述处理器10中运行时,可以实现:
采集雷达探测信号并基于信号分解耦合度确定分解尺度,根据分解尺度对所采集的雷达探测信号进行多尺度分解,得到不同尺度下的分解子信号;
对采集的雷达探测信号进行综合波动程度曲率拐点计算,得到最优阈值;
基于最优阈值构建阈值函数,利用阈值函数将分解子信号分解为低频系数和高频系数;
对分解得到的低频系数以及高频系数进行信号重构,得到降噪后的雷达探测信号。
具体地,所述处理器10对上述指令的具体实现方法可参考图1至图2对应实施例中相关步骤的描述,在此不赘述。
需要说明的是,上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件,但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中,包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机,计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种雷达探测信号主动降噪方法,其特征在于,所述方法包括:
S1:采集雷达探测信号并基于信号分解耦合度确定分解尺度,根据分解尺度对所采集的雷达探测信号进行多尺度分解,得到不同尺度下的分解子信号;
所述基于信号分解耦合度确定分解尺度,包括:
基于信号分解耦合度确定雷达探测信号的分解尺度,其中分解尺度的确定流程为:
S11:分别利用低通滤波器L和高通滤波器H对雷达探测信号进行交替滤波分解处理:
其中:
S12:计算第k层分解尺度的低通滤波结果以及高通滤波结果所对应的自相关系数:
其中:
num表示回波信号采样点数目;
S13:计算第k层分解尺度的自相关系数差值:
其中:
S2:对采集的雷达探测信号进行综合波动程度曲率拐点计算,得到最优阈值;
所述对采集的雷达探测信号进行综合波动程度曲率拐点计算,包括:
S3:基于最优阈值构建阈值函数,利用阈值函数将分解子信号分解为低频系数和高频系数;
S4:对分解得到的低频系数以及高频系数进行信号重构,得到降噪后的雷达探测信号。
2.如权利要求1所述的一种雷达探测信号主动降噪方法,其特征在于,所述S1步骤中采集雷达探测信号,包括:
雷达向待探测区域发射雷达信号,雷达信号到达待探测区域后产生回波信号,接收机接收回波信号并对回波信号进行采样处理,得到雷达探测信号,其中回波信号的形式为:
其中:
t表示连续的时序信息;
其中:
其中:
5.如权利要求4所述的一种雷达探测信号主动降噪方法,其特征在于,所述S3步骤中利用阈值函数将分解子信号分解为低频系数和高频系数,包括:
利用阈值函数将分解子信号分解为低频系数以及高频系数,其中分解子信号的分解流程为:
S31:将雷达探测信号中所有信号采样点的分解结果依次输入到阈值函数中,得到对应的阈值调控后结果,将所述阈值调控后结果作为信号采样点的高频系数,所述分解子信号的高频系数为:
其中:
S32:对每个信号采样点的高频系数进行自适应选取,得到对应信号采样点的低频系数:
其中:
所述自适应选取参数的自适应求解流程为:
构建损失函数:
其中:
利用梯度下降算法对损失函数进行求解,得到最优自适应选取参数。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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