一種提取垂直探測(cè)電離圖描跡的方法

張長(zhǎng)亮+朱啟強(qiáng)+柴慧斯

摘要：本文針對(duì)垂直探測(cè)電離圖的復(fù)雜性和特殊性，提出了一種提取垂直探測(cè)電離圖描跡的方法。該算法先去干擾，然后進(jìn)行OS-CFAR檢測(cè)，最后去虛警點(diǎn)。通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，表明這種方法能夠有效去除干擾并保留電離層信息，并且可移植度高，適合工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：垂直探測(cè)；描跡提??；去虛警點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）15-0207-03

Abstract：In this paper， the complexity and specificity of detecting vertical ionization diagram is proposed a method for extracting a vertical ionization detection trace of FIG. The algorithm go to interference， then OS-CFAR detector， and finally to false alarm points. By processing the measured data， it shows that this method can effectively remove the interference and retain ionosphere information， and may be high transplant， suitable for engineering applications..

Key words： Oblique ionogram； Trace extraction； OS-CFAR

由于電離層垂直探測(cè)所工作的頻段為短波段，它是通過發(fā)射點(diǎn)垂直向上發(fā)射脈沖信號(hào)，通過掃頻的方式，接收設(shè)備在發(fā)射頻率上接收到由電離層反射的信號(hào)，通過信號(hào)處理，最終得到電離層的傳播時(shí)間以及頻高圖，根據(jù)對(duì)頻高圖的度量分析和反演，可以獲得電離層特征參數(shù)，以及探測(cè)點(diǎn)上空峰值高度以下電子密度隨高度的分布，但一套完備的電離層垂直探測(cè)系統(tǒng)在探測(cè)過程中被其他信號(hào)干擾，就很難提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的電離層信息，因此，能夠有效的去除干擾，對(duì)提供電離層虛高、電離圖描跡作用明顯。目前，影響電離層描跡提取的干擾包括短波電臺(tái)、短波通信、大氣噪聲以及低頻段的未知同頻信號(hào)等。

目前國內(nèi)外雖有一些關(guān)于垂直探測(cè)電離圖描跡提取的文章，但以往電離圖描跡提取是在圖像域進(jìn)行，這類方法在去除同頻干擾階段信號(hào)損失嚴(yán)重。部分文獻(xiàn)給出了一些關(guān)于電離圖描跡提取的方法，但大多方法計(jì)算步驟繁瑣，可操作性很低。本文提供的方法中，在進(jìn)行恒虛警描跡之前先進(jìn)行了頻域去干擾。然后根據(jù)需要的電離層特征信息，通過數(shù)據(jù)積累和信號(hào)處理方法有效去除離散在電離圖上的虛警點(diǎn)。此種方法大大簡(jiǎn)化了計(jì)算步驟，并且處理結(jié)果表明該方法切實(shí)有效并且適合工程應(yīng)用。

1 提取垂測(cè)電離圖描跡

1.1 去干擾

在垂直探測(cè)接收的回波信號(hào)中，信號(hào)形式為脈沖信號(hào)，實(shí)際接收信號(hào)中混疊的噪聲和干擾可看做人工電臺(tái)產(chǎn)生的窄帶干擾和空間環(huán)境中的高斯噪聲，其中，窄帶干擾信號(hào)可以視為多個(gè)單頻正弦波干擾疊加而成，且干擾幅度比較大，通過合理設(shè)置幅度闕值，能夠分離出干擾信號(hào)，進(jìn)而去除或者抑制干擾信號(hào)。

目前， N-sigma 算法和最大似然估計(jì)法是對(duì)門限選取的常用方法，但這兩算法都對(duì)于環(huán)境自適應(yīng)性不強(qiáng)?；贔FT插值方法原理，本文的方法如下。

設(shè)回波信號(hào)中的一個(gè)單頻正弦干擾為：

利用式（8），構(gòu)造出干擾數(shù)字序列

接收垂測(cè)回波信號(hào)中，扣除式（9）描述的干擾序列，即實(shí)現(xiàn)了干擾消除，考慮一個(gè)帶通濾波器內(nèi)存在多個(gè)頻率干擾的問題，循環(huán)處理的步驟如下：

1）使用FFT，在信號(hào)帶寬內(nèi)，計(jì)算單次回波所有譜線的平均幅度，找出最大值，幅度最大值與平均值的比值大于闕值時(shí)，如下繼續(xù)進(jìn)行去干擾步驟，否則結(jié)束。

2）構(gòu)造干擾序列，實(shí)現(xiàn)從回波信號(hào)中去除干擾。

3）循環(huán)次數(shù)未達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)，重復(fù)以上步驟。

1.2 OS-CFAR檢測(cè)

垂測(cè)電離圖復(fù)雜多變，由于垂測(cè)電離層回波信號(hào)為合作源發(fā)射的掃頻脈沖信號(hào)，具有相關(guān)性，因此，可以考慮滑窗的方式進(jìn)行檢測(cè)，滑窗內(nèi)的每一個(gè)雜波樣本可被看做參考單元，參考單元可用于估計(jì)滑窗內(nèi)背景雜波功率，利用參考滑窗對(duì)相鄰未知的雜波樣本進(jìn)行功率估計(jì)。

下圖1展示了一個(gè)CFAR檢測(cè)器原理框圖，分量I和分量Q通過平方律檢波，構(gòu)成的序列稱為雜波序列，該雜波序列串行進(jìn)入移位寄存器，在長(zhǎng)度為的移位寄存器中，形成了參考滑窗，該滑窗是由前后窗各的雜波序列形成的，檢測(cè)單元可表示為，CFAR檢測(cè)器通過這兩個(gè)前后窗雜波序列形成滑窗，共N個(gè)雜波樣本，估算出滑窗內(nèi)的背景雜波功率，用此種方法來確定檢測(cè)門限，最終形成了檢測(cè)單元內(nèi)是否存在目標(biāo)的CFAR判決。

虛警概率可以通過式（10）計(jì)算得到：

其中標(biāo)識(shí)Z的概率密度函數(shù)（PDF），為隨機(jī)變量Z的矩母函數(shù)（MGF），矩母函數(shù)具有隨機(jī)變量和的矩母函數(shù)等于各隨機(jī)變量矩母函數(shù)之積的性質(zhì)。

常用的CFAR檢測(cè)包括，最小（SO），最大（GO），單元平均（CA），加權(quán)平均（WCA）CFAR的均值類（ML）CFAR以及包括有序量（OS），廣義有序統(tǒng)計(jì)量（GOS）等OS類CFAR兩大類【10】；在本文中，選取了OS-CFAR檢測(cè)方法，此種方法主要體現(xiàn)在抗脈沖類干擾的能力顯著，相比于其他均值類檢測(cè)器，它的抗干擾能力最好，同時(shí)考慮到在均勻雜波背景下其性能下降也在接受范圍內(nèi)，因此折中考慮選擇此種檢測(cè)策略。

1.3 去虛警點(diǎn)

同頻干擾和底噪聲濾除后，還有許多無規(guī)律雜散的噪聲點(diǎn)存在于垂測(cè)電離圖中，對(duì)于此類噪聲，可以采用中值濾波的方法，但是對(duì)于其他類型的殘余噪聲則效果較弱，通過對(duì)電離層回波信號(hào)的處理可以發(fā)現(xiàn)，多種噪聲及電離層信號(hào)混雜在一起很難區(qū)分，因此，為了能夠更多的保留有效的電離層數(shù)據(jù)，去除無用的虛警點(diǎn)，可以采用連通域的方法。

在數(shù)字圖像處理中，像素間的基本關(guān)系即為鄰接。不考慮圖像邊緣，每個(gè)像素都有8個(gè)自然鄰點(diǎn)，在處理技術(shù)中，有4鄰接和8鄰接兩種定義【8】，為了盡量多地保留電離層信號(hào)，本文采用后種方法。

具體的濾波算法步驟為：

1）對(duì)圖像中的各連通域?qū)ο筮M(jìn)行標(biāo)記，將數(shù)字圖像標(biāo)記。

2）通過對(duì)垂測(cè)電離層回波數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)來對(duì)門限值進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，最終設(shè)定出合理的連通域尺寸門限。

3）針對(duì)步驟2設(shè)置的門限值，如果相鄰連通域?qū)ο蟪叽缧∮谠撻T限值，則進(jìn)行去虛警點(diǎn)處理。

2 垂測(cè)數(shù)據(jù)的分析與處理

本文所有垂直探測(cè)數(shù)據(jù)均由中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所提供。

圖2為去干擾前的垂測(cè)電離圖，圖中某些頻段有強(qiáng)干擾，已經(jīng)看不出垂測(cè)信號(hào)，有些信號(hào)完全淹沒在噪聲中，很難提取出有效的電離層信息。

圖3為去干擾后的垂測(cè)電離圖。從圖中可以看出，許多強(qiáng)的同頻干擾特別是8M到15M區(qū)間的干擾信號(hào)得到了有效抑制，并且在去除干擾的同時(shí)垂測(cè)的回波信號(hào)顯露了出來，淹沒在噪聲中的信號(hào)也得到了部分保留，說明此種方法在去干擾方面有效果。

圖4為經(jīng)過恒虛警后的垂測(cè)電離層描跡圖，與恒虛警前相比，很好的提取了許多人工難以識(shí)別的信號(hào)，使電離層描跡連續(xù)起來，只是虛警點(diǎn)還有很多，不能滿足需求，需要進(jìn)一步進(jìn)行去虛警點(diǎn)處理。

圖5為經(jīng)過去虛警點(diǎn)后的垂測(cè)電離層描跡圖，和未去虛警點(diǎn)的電離圖相比，許多虛警點(diǎn)已經(jīng)被去除，垂測(cè)電離圖描跡與圖4相比沒有損失。

3結(jié)論

本文通過對(duì)垂直探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的大量分析統(tǒng)計(jì)，提出了一種提取電離層垂直探測(cè)描跡的方法，該方法通過先去干擾，然后進(jìn)行OS-CFAR檢測(cè)，最后去虛警點(diǎn)，最后，結(jié)合電離層本身特性，對(duì)大量數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，此種方法能夠有效的去除干擾，提取垂測(cè)電離層信息，在實(shí)際工程應(yīng)用中有進(jìn)一步開發(fā)和研究的價(jià)值，雖然未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，但此方法為后續(xù)工程化和集成化提供了算法保證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 焦培南， 張忠治. 雷達(dá)環(huán)境與電波傳播特性[M]. 北京：電子工業(yè)出版社， 2007.

[2] 張成峰，王昶，劉子龍，等.斜向探測(cè)電離圖描跡提取算法研究.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2014，9（1）：85-88.

[3] Matthew Roughan. Trace Extraction From Oblique Ionograms. Applied MAchine Vision， '96， Cincinnati， Ohio， USA， 2003

[4] 張成峰，焦培南，李強(qiáng)，等.電離層返回散射探測(cè)中干擾抑制方法研究[J]. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)， 2011，6（6）：630-633

[5] 焦培南，凡俊梅，柳文.高頻天波返回散射傳播實(shí)驗(yàn)研究新進(jìn)展[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，19（增刊）：6-11.

[6] 基于IRI模型的垂測(cè)電離圖自動(dòng)判讀算法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（2）：218-223.

[7] 聶鐳.復(fù)雜雷達(dá)回波特征提取及信號(hào)檢測(cè)[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

[8] 凡俊梅，魯轉(zhuǎn)俠，焦培南.電離層斜向傳播模式的智能識(shí)別[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24（3）：471-475.

[9] 何友，關(guān)鍵，彭應(yīng)寧，等.雷達(dá)自動(dòng)檢測(cè)與恒虛警處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[10] 張維. 復(fù)雜雜波背景恒虛警檢測(cè)技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2009.

[11] 李雪， 馮靜， 鄧維波， 等. 返回散射電離圖智能判讀[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)， 2010， 25（3）：534-537

[12] 張春海， 薛麗君， 張爾揚(yáng). 基于自適應(yīng)多門限算法的變換域窄帶干擾抑制. 電子與信息學(xué)報(bào)， 2006（3）：461-465

[13] 田文濤.交通測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué)，2009.