專利名稱:基于斜投影的極化濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種極化濾波的算法實(shí)現(xiàn),更具體的說(shuō),本發(fā)明涉及一種利用斜投影技術(shù)和極化信號(hào)處理技術(shù)實(shí)施極化濾波的方法。
背景技術(shù):
作為時(shí)域信號(hào)處理、頻域信號(hào)處理和空域信號(hào)處理的補(bǔ)充形式,極化域信號(hào)處理技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注,在雷達(dá)和通信系統(tǒng)中得到了較廣泛的應(yīng)用。在抗干擾技術(shù)中,極化抗干擾有不同于頻域抗干擾和空域抗干擾的顯著特點(diǎn),它是利用干擾信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)在極化狀態(tài)的差別來(lái)抑制干擾而提取信號(hào)的,因此不受干擾頻率和空間入射方向等因素的限制。只要干擾和目標(biāo)的極化狀態(tài)存在差別,即使兩者的其他特性都相同,也能通過(guò)極化濾波技術(shù)將其分離,或者對(duì)干擾進(jìn)行抑制。
傳統(tǒng)極化濾波方法雖然能夠較好的抑制干擾,但是由于它是建立在正交投影的基礎(chǔ)上,因此當(dāng)目標(biāo)和干擾的極化狀態(tài)非正交時(shí),抑制干擾的同時(shí)會(huì)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的幅度和相位產(chǎn)生影響,期望通過(guò)直接的補(bǔ)償消除這些影響是十分困難的。
發(fā)明人在《電子學(xué)報(bào)》2004年9月第32卷第9期的文章“零相移瞬時(shí)極化濾波器”和《IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems》2007年10月第43卷第4期的文章“Null phase-shift polarization filtering for high-frequencyradar”2篇文章中提出了通過(guò)線性極化矢量變換(LPVT)將目標(biāo)信號(hào)的極化角變換成90度,然后進(jìn)行極化濾波,進(jìn)而采用幅度/相位補(bǔ)償(A/PCD)恢復(fù)目標(biāo)信號(hào)的幅度和相位信息,實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)信號(hào)的準(zhǔn)確還原。文章中利用高頻雷達(dá)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明了該方法的有效性。這2篇文章提出的方法在目前的極化濾波方法中是比較有影響力的算法,也是一種比較成熟的算法。
此外,在目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化角相同、極化角相差不同或者橢圓率角相同、方位角不同的條件下,現(xiàn)有的極化濾波(傳統(tǒng)極化濾波和零相移極化濾波)在抑制干擾的同時(shí),也抑制了目標(biāo)信號(hào),無(wú)法完成極化濾波的目的。因此,進(jìn)一步完善和發(fā)展極化濾波的理論和極化濾波的設(shè)計(jì)方法是十分有必要的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是完善和發(fā)展現(xiàn)有的極化濾波的設(shè)計(jì)方法,為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),本發(fā)明提供了一種基于斜投影的極化濾波方法,并分別從笛卡爾坐標(biāo)系和橢圓坐標(biāo)系給出了相應(yīng)的濾波算子。
本發(fā)明若采用笛卡爾坐標(biāo)系描述時(shí),這種極化狀態(tài)表示為極化角和極化角相差,為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明在迪笛卡爾坐標(biāo)系中的步驟為 第一步確定目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化角和極化角相差; 第二步根據(jù)斜投影算子的理論模型,由第一步中得出的目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化參數(shù),建立目標(biāo)信號(hào)極化子空間S和干擾極化子空間I,分別為 T為矩陣的轉(zhuǎn)置,上述公式中εs和εi分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)的極化角和干擾的極化角,δs和δi分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)極化角相差和干擾極化角相差。建立這兩個(gè)極化子空間的目的在于計(jì)算相應(yīng)的斜投影算子; 第三步首先計(jì)算由第二步中得到的目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化子空間對(duì)應(yīng)的斜投影算子,計(jì)算公式如下 其中E為單位矩陣,H代表矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
通過(guò)如下運(yùn)算得到基于斜投影的極化濾波方法的濾波算子Q 其中 γ=(cosεssinεi)2+(sinεscosεi)2+2sinεscosεssinεicosεicos(δi-δs) 第四步設(shè)定接收信號(hào)表示為y(t),通過(guò)下式提取出目標(biāo)信號(hào)s(t) s(t)=y(tǒng)(t)TQ 本發(fā)明涉及的算法若采用橢圓坐標(biāo)系描述時(shí),這種極化狀態(tài)表示為極化的橢圓率角和方位角。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明在橢圓坐標(biāo)系中的步驟為 第一步確定目標(biāo)信號(hào)和干擾的橢圓率角和方位角; 第二步根據(jù)斜投影算子的理論模型,由第一步中得出的目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化參數(shù),建立目標(biāo)信號(hào)極化子空間S和干擾極化子空間I,分別為
上述公式中τs和τi分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)的橢圓率角和干擾的橢圓率角,
和
分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)方位角和干擾方位角。建立這兩個(gè)極化子空間的目的在于計(jì)算相應(yīng)的斜投影算子; 第三步首先計(jì)算由第二步中得到的目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化子空間對(duì)應(yīng)的斜投影算子,計(jì)算公式如下 其中E為單位矩陣,H為矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
通過(guò)如下運(yùn)算得到基于斜投影的極化濾波方法的濾波算子Q 其中
第四步設(shè)定接收信號(hào)表示為y(t),通過(guò)下式提取出目標(biāo)信號(hào)s(t) s(t)=y(tǒng)(t)TQ 與現(xiàn)有的極化濾波方法相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、不需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行極化矢量變換;2、不需要進(jìn)行補(bǔ)償即可保持目標(biāo)信號(hào)的幅度和相位特性;3、在目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化角相同、極化角相差不同或者橢圓率角相同、方位角不同的條件下也能進(jìn)行極化濾波,方便的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)和干擾的分離,或者干擾的抑制。實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)信號(hào)的準(zhǔn)確恢復(fù),并具有計(jì)算量小、簡(jiǎn)單、實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。
圖1是本發(fā)明的步驟流程; 圖2是不同方法對(duì)目標(biāo)信號(hào)相位影響的比較; 圖3是本發(fā)明方法處理前后信號(hào)的時(shí)域波形。
具體實(shí)施例方式 本發(fā)明能在笛卡爾坐標(biāo)系和橢圓坐標(biāo)系兩種坐標(biāo)系條件下實(shí)施,由圖1可知本發(fā)明公開(kāi)的方法的具體實(shí)施方式
包含四個(gè)步驟。兩種坐標(biāo)系下實(shí)施的步驟相同,但對(duì)應(yīng)的具體實(shí)施方式
不同。
實(shí)施方式1本發(fā)明若采用笛卡爾坐標(biāo)系描述時(shí),這種極化狀態(tài)表示為極化角和極化角相差,在笛卡爾坐標(biāo)系條件下的具體實(shí)施方式
為 第一步確定目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化角和極化角相差; 第二步根據(jù)斜投影算子的理論模型,由第一步中得出的目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化參數(shù),建立目標(biāo)信號(hào)極化子空間S和干擾極化子空間I,分別為 T為矩陣的轉(zhuǎn)置,上述公式中εs和εi分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)的極化角和干擾的極化角,δs和δi分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)極化角相差和干擾極化角相差。建立這兩個(gè)極化子空間的目的在于計(jì)算相應(yīng)的斜投影算子; 第三步首先計(jì)算由第二步中得到的目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化子空間對(duì)應(yīng)的斜投影算子,計(jì)算公式如下 其中E為單位矩陣,H為矩陣的共軛轉(zhuǎn)置; 通過(guò)如下運(yùn)算得到基于斜投影的極化濾波方法的濾波算子Q 其中 γ=(cosεssinεi)2+(sinεscosεi)2+2sinεscosεssinεi cosεicos(δi-δs) 第四步設(shè)定接收信號(hào)表示為y(t),則可通過(guò)下式提取出目標(biāo)信號(hào)s(t) s(t)=y(tǒng)(t)TQ 實(shí)施方式2本發(fā)明若采用橢圓坐標(biāo)系描述時(shí),這種極化狀態(tài)表示為極化的橢圓率角和方位角,在橢圓坐標(biāo)系條件下的具體實(shí)施方式
為 第一步確定目標(biāo)信號(hào)和干擾的橢圓率角和方位角; 第二步根據(jù)斜投影算子的理論模型,由第一步中得出的目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化參數(shù),建立目標(biāo)信號(hào)極化子空間S和干擾極化子空間I,分別為
上述公式中τs和τi分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)的橢圓率角和干擾的橢圓率角,
和
分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)方位角和干擾方位角。建立這兩個(gè)極化子空間的目的在于計(jì)算相應(yīng)的斜投影算子; 第三步首先計(jì)算由第二步中得到的目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化子空間對(duì)應(yīng)的斜投影算子,計(jì)算公式如下 其中E為單位矩陣,H為矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
通過(guò)如下運(yùn)算得到基于斜投影的極化濾波方法的濾波算子Q 其中
第四步設(shè)定接收信號(hào)表示為y(t),則可通過(guò)下式提取出目標(biāo)信號(hào)s(t) s(t)=y(tǒng)(t)TQ 圖2是本發(fā)明公開(kāi)的基于斜投影的極化濾波方法與傳統(tǒng)極化濾波方法對(duì)目標(biāo)信號(hào)相位影響的比較。圖中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)時(shí)間,縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)信號(hào)的相位。實(shí)線對(duì)應(yīng)于真實(shí)的目標(biāo)相位,虛線對(duì)應(yīng)于本發(fā)明方法濾波結(jié)果的相位,點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)于普通極化濾波器輸出信號(hào)的相位。從圖中可以明顯看到,普通的極化濾波器對(duì)目標(biāo)(有用)信號(hào)的相位造成了影響,使得信號(hào)相位發(fā)生變化;而本發(fā)明對(duì)應(yīng)的濾波結(jié)果能保持目標(biāo)(有用)信號(hào)的相位,在不考慮噪聲影響的情況下,濾波器輸出信號(hào)的相位與原始信號(hào)相位完全相同。該結(jié)果表明,本發(fā)明公開(kāi)的基于斜投影的極化濾波方法具有零相移極化濾波的優(yōu)點(diǎn),可以保持濾波結(jié)果中有用信號(hào)的原始相位,便于應(yīng)用在相參系統(tǒng)中。
圖3是本發(fā)明公開(kāi)的基于斜投影的極化濾波方法的濾波輸出波形與原始混合信號(hào)波形的比較。圖3中對(duì)應(yīng)的目標(biāo)信號(hào)與干擾的極化角相同、極化角相差不同、信噪比為10dB。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為信號(hào)的幅度。實(shí)線對(duì)應(yīng)為使用本發(fā)明方法的濾波結(jié)果,虛線為信號(hào)、干擾和噪聲疊加在一起的混合信號(hào)。其中目標(biāo)信號(hào)在時(shí)間為5ms和7ms處存在兩個(gè)脈沖,其幅度分別對(duì)應(yīng)為18dB和12dB。
從圖3中可以明顯看出,濾波前的混合信號(hào)中含有較強(qiáng)的干擾分量,導(dǎo)致目標(biāo)信號(hào)完全淹沒(méi)在干擾和噪聲中,無(wú)法分辨5ms和7ms處存在的兩個(gè)脈沖;而在使用本發(fā)明的方法進(jìn)行濾波后,這兩個(gè)脈沖可以清晰的分辨出來(lái),且保持原始的幅度和相位關(guān)系。圖3中濾波結(jié)果曲線上沒(méi)有脈沖輸出部分的毛刺對(duì)應(yīng)于信號(hào)中的噪聲。
與現(xiàn)有的極化濾波方法相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) 1、不需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行極化矢量變換; 2、不需要進(jìn)行補(bǔ)償即可保持目標(biāo)信號(hào)的幅度和相位特性; 3、在目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化角相同、極化角相差不同或者橢圓率角相同、方位角不同的條件下也能進(jìn)行極化濾波,方便的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)和干擾的分離,或者干擾的抑制。實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)信號(hào)的準(zhǔn)確恢復(fù); 4、具有計(jì)算量小、簡(jiǎn)單、實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.基于斜投影的極化濾波方法,其特征在于在笛卡爾坐標(biāo)系下,包含四個(gè)步驟
第一步確定目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化角和極化角相差;
第二步根據(jù)斜投影算子的理論模型,由第一步中得出的目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化參數(shù),建立目標(biāo)信號(hào)極化子空間S和干擾極化子空間I,分別為
T為矩陣的轉(zhuǎn)置,上述公式中εs和εi分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)的極化角和干擾的極化角,δs和δi分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)極化角相差和干擾極化角相差;
第三步首先計(jì)算由第二步中得到的目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化子空間對(duì)應(yīng)的斜投影算子,計(jì)算公式如下
其中E為單位矩陣,H代表矩陣的共軛轉(zhuǎn)置;
通過(guò)如下運(yùn)算得到基于斜投影的極化濾波方法的濾波算子Q
其中
γ=(cosεssinεi)2+(sinεscosεi)2+2sinεscosεssinεicosεi cos(δi-δs)
第四步驟設(shè)定接收信號(hào)表示為y(t),通過(guò)下式提取出目標(biāo)信號(hào)s(t)
s(t)=y(tǒng)(t)TQ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于斜投影的極化濾波方法,其特征在于它使用上述的笛卡爾坐標(biāo)系描述極化狀態(tài)時(shí),建立的目標(biāo)信號(hào)極化子空間S和干擾極化子空間I,分別為
上述公式中τs和τi分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)的橢圓率角和干擾的橢圓率角,
和
分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)方位角和干擾方位角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于斜投影的極化濾波方法,其特征在于它利用笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行描述的第三步中接收信號(hào)為具有水平分量和垂直分量的二維信號(hào),通過(guò)極化濾波后信號(hào)變?yōu)橹挥幸粋€(gè)分量的一維信號(hào),經(jīng)過(guò)斜投影算子ESI操作后信號(hào)仍為一個(gè)具有水平分量和垂直分量的二維信號(hào),需要再經(jīng)過(guò)一次投影將這一信號(hào)變?yōu)橹挥幸粋€(gè)分量的一維信號(hào),該投影算子R為
R=[cosεs,sinεs]T。
4.基于斜投影的極化濾波方法,其特征在于在橢圓坐標(biāo)系下,包含四個(gè)步驟
第一步確定目標(biāo)信號(hào)和干擾的橢圓率角和方位角;
第二步根據(jù)斜投影算子的理論模型,由第一步中得出的目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化參數(shù),建立目標(biāo)信號(hào)極化子空間S和干擾極化子空間I,分別為
上述公式中τs和τi分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)的橢圓率角和干擾的橢圓率角,
和
分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)方位角和干擾方位角;
第三步首先計(jì)算由第二步中得到的目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化子空間對(duì)應(yīng)的斜投影算子,計(jì)算公式如下
其中E為單位矩陣,H為矩陣的共軛轉(zhuǎn)置;
通過(guò)如下運(yùn)算得到基于斜投影的極化濾波方法的濾波算子Q
其中
第四步設(shè)定接收信號(hào)表示為y(t),通過(guò)下式提取出目標(biāo)信號(hào)s(t)
s(t)=y(tǒng)(t)TQ。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于斜投影的極化濾波方法,其特征在于它使用橢圓坐標(biāo)系描述極化狀態(tài)時(shí),建立的目標(biāo)信號(hào)極化子空間S和干擾極化子空間I,分別為
上述公式中τs和τi分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)的橢圓率角和干擾的橢圓率角,
和
分別為確定出的目標(biāo)信號(hào)方位角和干擾方位角。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于斜投影的極化濾波方法,其特征在于它利用橢圓坐標(biāo)系進(jìn)行描述的第三步中接收信號(hào)為具有水平分量和垂直分量的二維信號(hào),通過(guò)極化濾波后信號(hào)變?yōu)橹挥幸粋€(gè)分量的一維信號(hào),經(jīng)過(guò)斜投影算子ESI操作后信號(hào)仍為一個(gè)具有水平分量和垂直分量的二維信號(hào),需要再經(jīng)過(guò)一次投影將這一信號(hào)變?yōu)橹挥幸粋€(gè)分量的一維信號(hào),該投影算子R為
全文摘要
基于斜投影的極化濾波方法,它涉及極化信號(hào)處理及抗干擾領(lǐng)域。當(dāng)目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化狀態(tài)不正交時(shí),傳統(tǒng)極化濾波對(duì)目標(biāo)信號(hào)幅度和相位有影響,零相移極化濾波通過(guò)變換和補(bǔ)償來(lái)消除目標(biāo)信號(hào)幅度和相位的影響。此外,在目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化角相同、極化角相差不同或橢圓率角相同、方位角不同時(shí),現(xiàn)有的極化濾波在抑制干擾的同時(shí)也抑制了目標(biāo)信號(hào)。本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是完善和發(fā)展極化濾波的方法,能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的準(zhǔn)確恢復(fù),并具有計(jì)算量小、簡(jiǎn)單、實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。它主要包含四步第一步估計(jì)目標(biāo)和干擾的極化狀態(tài);第二步分別建立目標(biāo)信號(hào)和干擾的極化子空間;第三步根據(jù)建立的子空間,計(jì)算出本發(fā)明的濾波算子;第四步提取目標(biāo)信號(hào)。本方法實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有的極化濾波方法的補(bǔ)充和完善。
文檔編號(hào)G06K9/00GK101339611SQ200810138858
公開(kāi)日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月4日
發(fā)明者毛興鵬, 張欽宇 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)