CN110133384A - 低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法 - Google Patents

低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法，包括：对低频射电频谱仪接收到的科学数据进行预处理；将预处理后的数据分为目标源爆发前与目标源爆发时两组，并对目标源爆发前的数据进行平均处理；用目标源爆发时数据的信号频谱减去平均处理后的目标源爆发前数据的信号频谱，计算得到降噪后的观测数据；利用低频射电频谱仪的定标参数将观测数据反演成空间电场强度；利用空间电场强度计算出目标源的流量密度。本发明提供的低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法，结合低频射电频谱仪收到的科学数据，并结合改进的谱减法减去天线接收到的信号中的着陆器噪声，反演出目标源的空间电场强度以及目标源的流量密度。

Description

低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及一种将低频射电频谱仪的观测数据反演目标源流量密度的方法，用于将低频射电频谱仪的观测数据反演成目标源流量密度的方法。
背景技术
地球大气的存在使得很多射电波段的信号特别是频率低于10MHz的甚低频波段难以穿透到地面，因此在地面进行低频射电观测非常困难。为了弥补甚低频波段的观测空白，国际上许多国家或组织发射过卫星到空间进行观测，比如WIND和Ulysses。由于地球以及众多在轨卫星的电磁干扰，空间低频射电观测也面临挑战。因为月球自身可以遮挡来自地球方向的射电干扰，所以月球背面的射电宁静区是十分理想的观测地点。欧航局(ESA)于2015年1月提出了在2025年对月球背面发射一颗载有低频射电频谱仪的着陆器的FARSIDE计划。我国提出嫦娥四号探月计划。嫦娥四号是世界首颗在月球背面软着陆和巡视探测的航天器。2018年5月21日，嫦娥四号中继星“鹊桥”成功发射，着陆器和巡视器已经在2018年12月8号发射并于2019年1月3号成功着陆，该着陆器上搭载了一台科学载荷低频射电频谱仪，是人类在月球背面首次实现对宇宙和太阳的低频段(0.1MHz～40MHz)进行观测。
根据着陆器整器在微波暗室的电磁兼容性测试(EMC)试验结果，虽然来自外界的信号干扰可以被很好的屏蔽掉，但是着陆器本身搭载的电子设备以及其它的载荷对低频观测存在电磁干扰，由于无法对平台进行工程上的调整，所以本发明利用改进的谱减法对低频射电频谱仪观测数据进行了降噪处理并反演成可以直接用于科学研究的空间电场强度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法，有效降低嫦娥四号着陆器的平台噪声，并将低频射电频谱仪的观测数据反演成可以用于科学研究的目标源的流量密度。
(二)技术方案
本发明提供了一种低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法，包括：
对低频射电频谱仪接收到的科学数据进行预处理；
将预处理后的数据分为目标源爆发前与目标源爆发时两组，并对目标源爆发前的数据进行平均处理；
用目标源爆发时数据的信号频谱减去平均处理后的目标源爆发前数据的信号频谱，计算得到降噪后的观测数据；
利用低频射电频谱仪的定标参数将观测数据反演成空间电场强度；
利用空间电场强度计算出目标源的流量密度。
其中，所述对低频射电频谱仪接收到的科学数据进行预处理的步骤中预处理包括：科学数据提取、数据拼接、物理量转换和傅里叶变换。
具体地，所述科学数据以二进制存储，以包为单位，每包数据包括8组，每组数据包含若干道，每道数据包含了道头和通道科学数据；所述数据拼接是将每道数据中道头去掉，并将同一组的科学数据拼接在一起；所述物理量转换采用如下公式实现，
式中，UAD(t)为物理量转换前的科学数据，Uout(t)为物理量转换后的科学数据；所述傅里叶转换是对每一组物理量转换后的科学数据进行傅里叶变换，变换公式为
式中，Uout(t)为物理量转换前的科学数据；Uout(f)为物理量转换后的科学数据；N为采样点数。
其中，所述将预处理后的数据分为目标源爆发前与目标源爆发时两组的步骤包括：
将预处理后的数据分为目标源爆发前的数据以及目标源爆发时的数据两组，所述目标源为太阳；
对目标源爆发前的数据在频域上对对应频点的幅值进行平均处理；
其中，所述用目标源爆发时数据的信号频谱减去目标源爆发前数据的信号频谱，计算得到降噪后的观测数据的步骤，是采用以下公式：
式中，a为过减因子；V′(f)为目标源爆发前信号；V(f)目标源正在爆发时的信号；U(f)为降噪后的观测数据；b(b＞0)是补偿因子；
其中，所述利用低频射电频谱仪的定标参数将观测数据反演成空间电场强度的步骤中，将观测数据反演成空间电场强度所采用的反演公式为：
式中，是空间中低频射电信号电场；he是天线的有效长度；是天线的归一化接收方向图；是天线A电场极化方向的单位矢量；Za为天线阻抗；ZPreamp为前置放大器的输入阻抗；GPreamp为前置放大器的放大倍数；ILCoax为高频电缆损耗；GReceiver为接收机增益；U为降噪后的观测数据。
其中，所述利用空间电场强度计算出目标源的流量密度的步骤中，利用电磁波电场强度计算目标源流量密度的公式为：
式中，ε和μ分别是电介质常数和磁介质常数；为利用低频射电频谱仪的定标参数将观测数据反演得到的空间电场强度；为目标源的流量密度；为电磁波传播方向上的单位矢量。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明提供的低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法具有以下的有益效果：
(1)本发明提供的低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法，在谱减的过程中使用信号的幅值或者功率谱，并采用平均谱值进行计算噪声的谱减，优化了谱减方法；
(2)本发明提供的低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法，结合低频射电频谱仪搭载的三根长天线接收到的科学数据，并结合改进的谱减法减去天线接收到的信号中的着陆器噪声，反演出目标源的空间电场强度以及目标源的流量密度。
附图说明
图1是本发明低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法的流程图；
图2是本发明实施例中5MHz点频信号的试验数据降噪处理结果图；
图3是本发明实施例中22.5MHz点频信号的试验数据降噪处理结果图；
图4是本发明实施例中1.75MHz宽带信号的试验数据降噪处理结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演的处理方法。图1是该处理方法的流程图，参阅图1，该方法具体包括：
本发明提供了一种低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法，包括：
对低频射电频谱仪接收到的科学数据进行预处理；
将预处理后的数据分为目标源爆发前与目标源爆发时两组，并对目标源爆发前的数据进行平均处理；
用目标源爆发时数据的信号频谱减去平均处理后的目标源爆发前数据的信号频谱，计算得到降噪后的观测数据；
利用低频射电频谱仪的定标参数将观测数据反演成空间电场强度；
利用空间电场强度计算出目标源的流量密度。
其中，对低频射电频谱仪接收到的科学数据进行预处理的步骤中预处理包括：科学数据提取、数据拼接、物理量转换和傅里叶变换，具体地：科学数据以二进制存储，以包为单位，每包数据包括8组，每组数据包含若干道，每道数据包含了道头和通道科学数据；数据拼接是将每道数据中道头去掉，并将同一组的科学数据拼接在一起；物理量转换采用如下公式实现，
式中，UAD(t)为物理量转换前的科学数据，Uout(t)为物理量转换后的科学数据；傅里叶转换是对每一组物理量转换后的科学数据进行傅里叶变换，变换公式为
式中，Uout(t)为物理量转换前的科学数据；Uout(f)为物理量转换后的科学数据；N为采样点数。
其中，将预处理后的数据分为目标源爆发前与目标源爆发时两组的步骤包括：将预处理后的数据分为目标源爆发前的数据以及目标源爆发时的数据两组，所述目标源为太阳；对目标源爆发前的数据在频域上对对应频点的幅值进行平均处理；
其中，用目标源爆发时数据的信号频谱减去目标源爆发前数据的信号频谱，计算得到降噪后的观测数据的步骤，是采用以下公式实现：
式中，a为过减因子；V′(f)为目标源爆发前信号；V(f)目标源正在爆发时的信号；U(f)为降噪后的观测数据；b(b＞0)是补偿因子；
其中，利用低频射电频谱仪的定标参数将观测数据反演成空间电场强度的步骤中，将观测数据反演成空间电场强度所采用的反演公式为：
式中，是空间中低频射电信号电场；he是天线的有效长度；是天线的归一化接收方向图；是天线A电场极化方向的单位矢量；Za为天线阻抗；ZPreamp为前置放大器的输入阻抗；GPreamp为前置放大器的放大倍数；ILCoax为高频电缆损耗；GReceiver为接收机增益；U为降噪后的观测数据；
其中，利用空间电场强度计算出目标源的流量密度的步骤中，利用电磁波电场强度计算目标源流量密度的公式为：
式中，ε和μ分别是电介质常数和磁介质常数；为利用低频射电频谱仪的定标参数将观测数据反演得到的空间电场强度；为目标源的流量密度；为电磁波传播方向上的单位矢量。
本发明以嫦娥四号科学载荷低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法为实施例，结合图1，处理方法包括：
步骤S101：对嫦娥四号科学载荷低频射电频谱仪天线接收到的科学数据进行数据预处理；
步骤S102：将预处理后的数据分为太阳爆发前与爆发时两组数据，并对爆发前的数据进行平均处理；
步骤S103：用带噪信号频谱减去噪声信号频谱提高目标信号的信噪比；
步骤S104：利用嫦娥四号科学载荷低频射电频谱仪的定标参数将观测数据反演成空间电场强度；
步骤S105，利用电磁波的电场强度计算出目标源的流量密度。
其中，步骤S101中的预处理包括：科学数据提取、数据拼接、物理量转换和傅里叶变换；
具体地，科学数据提取：这里由嫦娥四号科学载荷低频射电频谱仪天线接收到的科学数据是以二进制存储，以包为单位，每包数据包括8组，依次是天线A高频、天线B高频、天线C高频、天线D高频、天线A低频、天线B低频、天线C低频、天线D低频。每组数据包含若干道，每组数据包括的数据道数取决于采集数据点数(有1024点、2048点、3072点以及4096点四种工作模式，最常用的4096点)，每道数据包含了道头和道科学数据，道头中包括了设备各项参数以及接收数据的时间，每通道科学数据点数为512点，每个数据占据16bit。
具体地，数据拼接是指将每道数据中道头去掉，并将同一组的科学数据拼接在一起。
具体地，物理量转换是采用如下公式进行转换：
其中，UAD(t)为物理量转换前的科学数据，Uout(t)为物理量转换后的科学数据；
具体地，傅里叶转换是对每一组进行傅里叶变换，变换公式为：
其中，Uout(t)为物理量转换前的科学数据，单位为伏特(V)；Uout(f)为物理量转换后的科学数据，单位为伏特(V)；N为采样点数。
其中，步骤S102中将预处理后的数据分为太阳爆发前与爆发时两组数据，并分别进行平均处理。优选地，步骤S102还包括：步骤201，将预处理后的数据分为太阳爆发前的数据以及太阳爆发时的数据两组；步骤202，并对爆发前的数据在频域上对对应频点的幅值进行平均处理。
以天线A高频为例，我们选取在中国电子技术标准化研究院CESI实验室的试验数据，我们先发射模拟的着陆器噪声信号，让低频射电频谱仪工作并接收数据；然后再同时发射模拟着陆器噪声信号与模拟有用信号，再次让低频射电频谱仪工作并采集数据。
其中，步骤S103中用带噪信号频谱减去噪声信号频谱提高目标信号的信噪比。优选地，步骤3用太阳爆发时天线A、天线B、天线C采集到的科学数据减去这三根天线在目标源爆发前的科学数据，其公式以天线A对消过程为例：
其中，a为过减因子；V′A(f)为天线A接收到的太阳爆发前的信号；VA(f)表示天线A接收到的太阳正在爆发时的信号；U(f)为经过处理后的有用信号；b(b＞0)是补偿因子。对爆发前的噪声信号进行平均处理可以减少因为噪声的随机性带来的“音乐噪声”。
图2、图3、图4分别显示了嫦娥四号低频射电频谱仪降低背景噪声方法在5MHz、22.5MHz点频信号以及1.75MHz的宽带信号处理结果图，横轴表示频率(单位为MHz)，纵轴为幅度(单位为dBuV)。虚线是带有噪声的信号，点划线是经过改进谱减法处理后的信号，实线是有用信号。
其中，步骤S104利用低频射电频谱仪的定标参数将步骤S103获得的观测数据反演成接收天线的空间电场强度，其反演公式以A天线上的电场分量为例：
其中，是空间中低频射电信号电场；he是天线的有效长度；是天线的归一化接收方向图；是天线A电场极化方向的单位矢量；Za和ZPreamp分别为天线阻抗和前置放大器的输入阻抗，GPreamp为前置放大器的放大倍数，ILCoax为高频电缆损耗，GReceiver为接收机增益，UA为步骤S103中的处理结果。
通过读取数据的头文件可以获得天线的方向、温度等信息，对应数据参数表获取天线的有效长度、天线的方向图、天线的阻抗、前置放大器阻抗、高频电缆插损以及前置放大器增益参数代入上述公式可以求出电场强度。
在本实施例中，首先对嫦娥四号科学载荷低频射电频谱仪天线接收到的科学数据进行数据预处理操作，然后将预处理后的数据分为太阳爆发前与爆发时两组数据，并分别进行平均处理，进而用带噪信号频谱减去噪声信号频谱，最后对降噪后的信号进行了反演，有效地降低着陆器的平台噪声，并直接反演成目标源的空间电磁波的流量密度，进而有利于相关科学工作者对低频射电频谱仪数据直接进行运用，便于其对太阳爆发等天文现象进行研究。
本领域技术人员可以理解，本发明可以用于反演嫦娥四号科学载荷低频射电频谱仪的接收数据，也可以应用于其它的低频观测设备。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低频射电频谱仪观测目标源流量密度反演处理方法，包括：
对低频射电频谱仪接收到的科学数据进行预处理；
将预处理后的数据分为目标源爆发前与目标源爆发时两组，并对目标源爆发前的数据进行平均处理；
用目标源爆发时数据的信号频谱减去平均处理后的目标源爆发前数据的信号频谱，计算得到降噪后的观测数据；
利用低频射电频谱仪的定标参数将观测数据反演成空间电场强度；
利用空间电场强度计算出目标源的流量密度。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述对低频射电频谱仪接收到的科学数据进行预处理的步骤中预处理包括：科学数据提取、数据拼接、物理量转换和傅里叶变换。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述科学数据以二进制存储，以包为单位，每包数据包括8组，每组数据包含若干道，每道数据包含了道头和通道科学数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述数据拼接是将每道数据中道头去掉，并将同一组的科学数据拼接在一起。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述物理量转换采用的公式为
其中，UAD(t)为物理量转换前的科学数据，Uout(t)为物理量转换后的科学数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述傅里叶转换是对每一组物理量转换后的科学数据进行傅里叶变换，变换公式为
其中，Uout(t)为物理量转换前的科学数据；Uout(f)为物理量转换后的科学数据；N为采样点数。
7.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述将预处理后的数据分为目标源爆发前与目标源爆发时两组的步骤包括：
将预处理后的数据分为目标源爆发前的数据以及目标源爆发时的数据两组，所述目标源为太阳；
对目标源爆发前的数据在频域上对对应频点的幅值进行平均处理。
8.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述用目标源爆发时数据的信号频谱减去目标源爆发前数据的信号频谱，计算得到降噪后的观测数据的步骤，是采用以下公式：
其中，a为过减因子；V′(f)为目标源爆发前信号；V(f)目标源正在爆发时的信号；U(f)为降噪后的观测数据；b(b＞0)是补偿因子。
9.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述利用低频射电频谱仪的定标参数将观测数据反演成空间电场强度的步骤中，将观测数据反演成空间电场强度所采用的反演公式为：
其中，是空间中低频射电信号电场；he是天线的有效长度；是天线的归一化接收方向图；是天线A电场极化方向的单位矢量；Za为天线阻抗；ZPreamp为前置放大器的输入阻抗；GPreamp为前置放大器的放大倍数；ILCoax为高频电缆损耗；GReceiver为接收机增益；U为降噪后的观测数据。
10.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述利用空间电场强度计算出目标源的流量密度的步骤中，利用电磁波电场强度计算目标源流量密度的公式为：
其中，ε和μ分别是电介质常数和磁介质常数；为利用低频射电频谱仪的定标参数将观测数据反演得到的空间电场强度；为目标源的流量密度；为电磁波传播方向上的单位矢量。
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