CN105553897B - 一种动态等离子鞘套相移键控信号判决检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态等离子鞘套相移键控信号判决检测方法，操作如下：利用电磁波在等离子体中传播的特殊规律，通过对反射电波的测量预测信道特征，建立训练样例。信号采集装置采集经过等离子鞘套后的m维相移键控信号，将m维相移键控信号输送至处理单元进行判决检测处理，并将判决检测处理的结果进行输出。上述技术方案中提供的动态等离子鞘套相移键控信号判决检测方法，能有效解决动态等离子鞘套寄生调制效应引起的星座点交叠问题。

Description

一种动态等离子鞘套相移键控信号判决检测方法

技术领域

本发明涉及临近空间测控通信领域，具体涉及一种动态等离子鞘套相移键控信号判决检测方法。

背景技术

再入飞行器或临近空间高速飞行器飞行过程中，机体与空气产生剧烈摩擦，会产生等离子鞘套，导致通信质量恶化，严重时导致信息链路中断，形成所谓的“黑障”现象。

近年来，人们普遍认为有希望解决这一问题的主要措施有：1.提高通信频率和功率，2.气动成型，3.亲电子物质淬火，4.电磁窗削弱。综上所述，针对等离子鞘套引起的黑障问题，目前主流的解决方法是提高通信频率或者通过干预机制降低等离子鞘套浓度。

措施一通过提高通信频率和功率，可以增加电磁波的透射，并且，随着近年来宽禁带半导体技术以及Ka频段功率器件的成熟，采用Ka频段通信克服“黑障”成为可能。但是，由于等离子鞘套是动态时变的，等离子鞘套动态特性会引起寄生调制效应。

措施二通过干预机制降低等离子鞘套浓度，但是实现手段非常复杂，并且同样会受到寄生调制效应效应的影响。

提高载波频率和通过干预机制降低等离子鞘套浓度有助于减弱调制效应，减少星座点的交叠，降低误码率，但无法彻底消除寄生调制效应。也就是说都无法彻底抵消动态等离子鞘套的影响，实现信息的有效传输。

发明内容

本发明的目的就是提供一种动态等离子鞘套相移键控信号判决检测方法，能有效解决动态等离子鞘套形成的“黑障”现象，减弱等离子鞘套对调制信号的判决反馈的影响，实现通信信号在等离子鞘套下的可靠传输。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种动态等离子鞘套相移键控信号判决检测方法，操作如下：

信号采集装置采集经过等离子鞘套后的m维相移键控信号，将m维相移键控信号输送至处理单元进行判决检测处理，并将判决检测处理的结果进行输出，处理单元进行判决检测处理的具体操作为：

将m维相移键控信号进行下变频同步处理表示成向量形式的信号x，将信号x输入至m(m-1)/2个分类决策函数判断信号x的所属类别，根据判断后的类别结果建立m维判决数组Z，判决数组Z中的每个元素Z(i)表示判断为第i类的次数，取max(Z(i))的i为输入信号的判决检测结果。

其中m(m-1)/2个分类决策函数采用如下方法得到：

M1：根据同频率反射信号幅值衰减与相位波动推算出透射信号的幅值衰减与相位波动，根据m维相移键控信号建立训练样例和对应的训练样例类别矩阵；

M2：选取径向基核函数对训练样例进行替代升维；利用交叉验证方法寻找最佳的惩罚因子c和径向基核函数方差σ；根据相移键控信号的维数m，任取两维，构造m(m-1)/2个二分类支持向量机，输入训练样例与训练样例类别矩阵，对支持向量机进行训练；利用拉格朗日乘子法，分别计算出m(m-1)/2个最优的分类决策函数：

f_j(x)＝sgn(w_j ^*x+b_j ^*)j＝1,2,…m(m-1)/2

其中，w_j ^*和b_j ^*表示的第j个二分类支持向量机的分类超平面最优解，x表示输入信号。

上述技术方案中提供的动态等离子鞘套相移键控信号判决检测方法，针对遥测遥控中常用的相移键控信号，利用支持向量机将原本线性不可分的判决检测问题变换为线性可分问题，将经过动态等离子鞘套的信号在高维空间进行分类判决，从而解决动态等离子鞘套寄生调制效应引起的星座点交叠问题，减弱等离子鞘套对调相信号的判决反馈的影响，实现等离子鞘套下的可靠信号传输。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为经过等离子鞘套的二进制相移键控信号的检测结果星座图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

下面以二进制相移键控信号(BPSK信号)为例，结合附图，对本发明的实施方案进行详细说明。

如图1所示，本发明的动态等离子鞘套下的相移键控信号判决检测方法分为三个步骤：

步骤1：构造训练样例

本实例中等离子鞘套的径向平均电子密度为1×10¹²cm^-3，对应的等离子体频率为8.98GHz，变化范围为0.2×10¹²cm^-3～1.8×10¹²cm^-3，电子密度的最大变化频率为100kHz，厚度为40mm，碰撞频率为1GHz。

N1：通过反射法测量等离子鞘套的反射电波的幅度衰减与相位波动值。设定电波频率与实际采用的通信频率一致，为Ka频段26.5GHz。按照时间采样频率为300kHz，记录幅值衰减时间离散数组α(n)与相位波动时间离散数组β(n)，分别记录3000个数据点。根据电波与等离子体相互作用机理，衰减值与相位波动值具有一一对应的关系，按照这种一一对应关系，构建二维反射数组R(n)＝{α(n),β(n)}；

N2：由于反射波的衰减值与透射波的幅度衰减具有负相关关系，反射波的相位波动值与 透射波的相位波动值具有负相关关系，推算出二维透射数组

N3：将二维透射数组T(n)按照α(n)幅度衰减值的大小重新排列，构建新的二维参 考数组

N4：将BPSK信号的星座点(1，0)和(-1，0)表示成极坐标形式(1，0°)和(1，180°)；

N5：将相位值与二维参考数组的每个数据点的相位值相加。得到训练样例矩阵：

同时产生训练样例类别矩阵：

其中L(m,n)的每个元素表示S(m,n)中每个元素的类别。

步骤2：建立决策函数组

采用RBF(径向基)核函数对训练样例进行替代升维，即：

首先利用交叉验证方法寻找最佳的惩罚因子c和RBF核函数方差σ。

由于BPSK信号的维数m＝2，所以就只需要构造1个二分类支持向量机即可，输入训练样例与训练样例类别矩阵，对支持向量机进行训练；利用拉格朗日乘子法，分别计算出最优的分类决策函数：

f(x)＝sgn(w^*x+b_j ^*)

步骤3：判决检测

将经过等离子鞘套后的实际BPSK信号，进行下变频同步处理之后，表示成向量形式x，输入给分类决策函数，判断输入信号属于对应的类别。建立2维判决数组Z，每个元素表示判断为第i类的次数，取max(Z(i))的i为输入信号x的判决检测结果。图2所示为检测结果，从图中可以看出，完全交叠的BPSK信号的两个星座点完全被区分开来，证明本方法是有效的。

总之，本发明提供的动态等离子鞘套相移键控信号判决检测方法，能有效解决动态等离子鞘套寄生调制效应引起的星座点交叠问题，减弱等离子鞘套对调制信号的判决反馈的影响，实现通信信号在等离子鞘套下的可靠传输。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种动态等离子鞘套相移键控信号判决检测方法，操作如下：

信号采集装置采集经过等离子鞘套后的m维相移键控信号，将m维相移键控信号输送至处理单元进行判决检测处理，并将判决检测处理的结果进行输出，处理单元进行判决检测处理的具体操作为：

将m维相移键控信号进行下变频同步处理表示成向量形式的信号x，将信号x输入至m(m-1)/2个分类决策函数判断信号x的所属类别，根据判断后的类别结果建立m维判决数组Z，判决数组Z中的每个元素Z(i)表示判断为第i类的次数，取max(Z(i))的i为输入信号的判决检测结果；

m(m-1)/2个分类决策函数采用如下方法得到：

M1：根据同频率反射信号幅值衰减与相位波动推算出透射信号的幅值衰减与相位波动，根据m维相移键控信号建立训练样例和对应的训练样例类别矩阵；

M2：选取径向基核函数对训练样例进行替代升维；利用交叉验证方法寻找最佳的惩罚因子c和径向基核函数方差σ；根据相移键控信号的维数m，任取两维，构造m(m-1)/2个二分类支持向量机，输入训练样例与训练样例类别矩阵，对支持向量机进行训练；利用拉格朗日乘子法，分别计算出m(m-1)/2个最优的分类决策函数：

f_j(x)＝sgn(w_j ^*x+b_j ^*)，j＝1，2，…m(m-1)/2

其中，w_j ^*和b_j ^*表示第j个二分类支持向量机的分类超平面最优解，x表示输入信号。