CN111649735A

CN111649735A - 一种基于光子概率的脉冲星信号降噪方法

Info

Publication number: CN111649735A
Application number: CN202010534505.1A
Authority: CN
Inventors: 陈强; 谢军; 贝晓敏; 赵勇; 张新源; 林晴晴; 王春锋
Original assignee: China Academy of Space Technology CAST
Current assignee: China Academy of Space Technology CAST
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2020-09-11
Anticipated expiration: 2040-06-12
Also published as: CN111649735B

Abstract

本发明公开一种基于光子概率的脉冲星信号降噪方法，包括如下步骤：获取脉冲星信号的标准轮廓；对探测器历史观测脉冲星信号数据进行历元折叠，得到其轮廓；基于标准轮廓和历史观测轮廓，获得该类别探测器历史观测数据在各相位处的光子概率；对当前观测脉冲星信号数据进行周期估计，并将其相位与相应探测器的标准轮廓相位进行对应，结合相应探测器历史观测的光子概率，确定当前观测脉冲星信号数据在各相位处的光子概率；基于光子概率，进行噪声筛除；利用筛除噪声信号后剩余的光子数据，进行脉冲星导航或光子信号关联分析。本发明能够实时准确地对脉冲星信号进行降噪处理，且能够利用降噪后的脉冲星信号进行脉冲星导航或光子信号关联分析。

Description

一种基于光子概率的脉冲星信号降噪方法

技术领域

本发明涉及脉冲星信号处理技术领域，特别是涉及一种基于光子概率的脉冲星信号降噪方法。

背景技术

X射线脉冲星是一种高速自旋、具有高稳定周期并辐射X射线的中子星。其具有稳定周期的特点使得X射线脉冲星在天文自主导航领域具有极大的研究价值。由于脉冲星距离遥远，在地球附近可以接收到的信号十分微弱，所接收到的信号为单个光子，即探测器记录信号为一系列X射线光子到达时间，加上宇宙背景噪声和探测器自身噪声的影响，X射线脉冲星信噪比很低。若利用脉冲星信号进行导航，或是对脉冲星信号进行强度关联分析以测量脉冲星角位置，需要对脉冲星信号进行降噪处理。

中国人民解放军国防科学技术大学王奕迪等人提出了一种基于历元折合的动态脉冲星信号的处理方法，考虑了航天器运动对光子到达时间的影响，提高了脉冲星导航的精度，但在获得脉冲星信号轮廓时，采用历元折叠的方式，没有对信号进行降噪处理，导致欲得到脉冲星轮廓需要更长的观测时间。

西安电子科技大学袁晓光等人提出了一种基于决策信息融合的X射线脉冲星微弱信号检测方法，将探测器针对光子的探测抽象为一个探测时间内光子是否到达的二值化问题，利用多个传感器进行决策信息融合从而降低噪声的影响。但在该方法中，存在将相位间隔的中间时刻作为光子到达时间的操作，不可避免的带来了误差。这种误差对于脉冲星信号进行强度关联分析会产生较大的影响，极易导致本应是关联光子的光子信号失去关联性；另外，该方法也未给出确定其所提的观测间隔时间段的具体方法。

朱晓明,廖福成,唐远炎提出了一种基于小波分析的脉冲星信号消噪处理方法，将小波分析应用于脉冲星信号降噪，以提高脉冲轮廓的平滑度，但是，如何选择小波函数以及如何进行阈值处理等问题，都尚未得到很好的解决。

Tan L,Wang W.提出了一种用于弱信号的改进的散斑滤波方法，将经验模态分解应用于脉冲星信号降噪，与小波变换方法相比，更好地去除了脉冲轮廓中的噪声，保留了细节。但这种方法同样需要先得到折叠轮廓，而且未利用脉冲星标准轮廓等先验信息；更重要的是，由于这种方法同样是对脉冲轮廓进行处理，因此不能应用于光子信号关联分析。

因此，目前亟需一种能够实时准确地对脉冲星信号进行降噪的方法，从而能够利用降噪后的脉冲星信号进行脉冲星导航或光子信号关联分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光子概率的脉冲星信号降噪方法，以解决现有技术存在的问题，能够实时准确地对脉冲星信号进行降噪处理。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于光子概率的脉冲星信号降噪方法，包括如下步骤：

获取脉冲星信号的标准轮廓；

对探测器历史观测脉冲星信号数据进行历元折叠，得到该探测器历史观测脉冲星信号的轮廓；

对于相同类别的探测器，基于脉冲星信号的标准轮廓和历史观测脉冲星信号的轮廓，获得该类别探测器历史观测脉冲星信号在各相位处的光子概率；

对当前观测脉冲星信号数据进行周期估计，基于周期估计结果，将当前观测脉冲星信号的相位与相应探测器的标准轮廓相位进行对应，结合相应探测器历史观测数据在各相位处对应的光子概率，确定当前观测脉冲星信号数据在各相位处的光子概率；

基于当前观测脉冲星信号数据在各相位处的光子概率，对光子数据中噪声信号的进行筛除；

利用筛除噪声信号后剩余的光子数据，进行脉冲星导航或光子信号关联分析。

优选地，所述脉冲星信号的标准轮廓由脉冲星流量函数绘制。

优选地，对探测器历史观测脉冲星信号数据进行历元折叠，得到该探测器历史观测脉冲星信号的轮廓的具体方法包括：

对各段观测数据进行周期估计；

基于各段观测数据的周期估计结果，对各段观测数据进行历元折叠，得到各段观测数据的观测轮廓；

对所获取的各段观测轮廓进行相位估计，并基于相位估计结果将各段观测轮廓进行相位对齐；

基于相位对齐后的各段观测轮廓，将各段观测数据进行合并，得到该探测器历史观测脉冲星信号的轮廓。

优选地，采用卡方周期估计法对各段观测数据进行周期估计。

优选地，根据观测轮廓的峰值相位或最小二乘法对各段观测轮廓进行相位估计。

本发明公开了以下技术效果：

本发明获取脉冲星信号的标准轮廓，并通过历元折叠获得探测器历史观测脉冲星信号数据的轮廓，基于二者轮廓获得探测器历史观测脉冲星信号数据在各相位处的光子概率，结合标准轮廓和该探测器历史观测数据确定当前观测脉冲星信号数据在各相位处的光子概率，基于光子概率对当前观测脉冲星信号的光子进行筛除，得到去噪后的脉冲星信号；本发明充分利用了脉冲星标准轮廓和探测器历史观测数据等先验信息，基于不同探测器之间的差异，通过历史观测数据有效克服了探测器差异对观测信号造成的影响；同时，本发明在降噪过程中对光子进行筛除，而不是针对脉冲星轮廓进行降噪处理，且没有修改光子到达时间，因此，能够应用于光子信号关联分析；另外，本发明利用较少的当前观测数据即可获得观测轮廓，所需观测时间短，有利于脉冲星导航。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于光子概率的脉冲星信号降噪方法流程图；

图2为本发明实施例中由Crab脉冲星流量函数绘制的脉冲星的标准轮廓；

图3为本发明实施例中对探测器历史观测脉冲星信号数据所绘制的轮廓；

图4为本发明实施例中脉冲星信号的标准轮廓和探测器历史观测脉冲星信号的轮廓对比图；

图5为本发明实施例中所获得的各相位处的光子数据为信号的概率曲线图；

图6为本发明实施例中观测数据降噪前和降噪后所折叠的轮廓对比图；其中，图6(a)为降噪前所折叠的轮廓；图6(b)为降噪后所折叠的轮廓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1所示，本实施例以NICER(The Neutron star Interior CompositionExplorer Mission，中子星内部构图探索者任务)观测到的Crab脉冲星为例，提供一种基于光子概率的脉冲星信号降噪方法，包括如下步骤：

步骤S1、获取脉冲星信号的标准轮廓；

通过EPN网站(The European Pulsar Network Data Archive，http://www.jb.man.ac.uk/pulsar/Resources/epn/)获得所观测脉冲星信号的标准轮廓。脉冲星信号的标准轮廓由澳大利亚parkes天文台根据实测数据折叠得到，能够通过TEMP02软件进行查询；X射线的标准轮廓则只能通过现有的X射线观测卫星来获得，比如RXTE、XPNAV-1和NICER任务等；脉冲星信号的标准轮廓折叠方法包括如下步骤：

1)根据卫星轨道参数将光子到达时间转换到TDB时间系统；

2)根据DE(Development Ephemeris，发展星历)地球历表将光子到达时间修正到太阳系质心SSB处；

3)利用英国射电计时观测得到的脉冲星星历参数对光子进行历元折叠处理；所述脉冲星星历参数包括周期、周期导数和周期二阶导数；横轴代表一个周期的相位时间，纵轴代表光子个数，将一个周期时间分成N个bin(如1024个)，计算落在每个bin的光子数。

由Crab脉冲星流量函数绘制的标准轮廓如图2所示。

步骤S2、对探测器历史观测脉冲星信号数据进行历元折叠，得到该探测器历史观测脉冲星信号的轮廓。

由于探测器对同一颗脉冲星存在多段观测数据，因此需要对多段观测数据进行分别处理并进行合并，具体包括如下步骤：

首先，对各段观测数据进行周期估计；

由于脉冲星信号的周期存在细微变化，周期变化每天约为1×10^-8ms，因此需要对各段观测数据进行周期估计，本实施例采用卡方周期估计法对各段观测数据进行周期估计。

其次，基于各段观测数据的周期估计结果，对各段观测数据进行历元折叠，得到各段观测数据的观测轮廓；

再次，对所获取的各段观测轮廓进行相位估计，并基于相位估计结果将各段观测轮廓进行相位对齐；

由于各段观测轮廓的相位存在差异，因此需要对各段观测轮廓进行相位估计，本实施例根据观测轮廓的峰值相位或最小二乘法进行相位估计。

最后，基于相位对齐后的各段观测轮廓，将各段观测数据进行合并，得到该探测器历史观测脉冲星信号的轮廓。

如图3所示，为基于NICER在2017年11月22日观测号为1011010301的观测脉冲星数据所绘制的轮廓。

步骤S3、对于相同类别的探测器，基于脉冲星信号的标准轮廓和历史观测脉冲星信号的轮廓，获得该类别探测器历史观测脉冲星信号在各相位处的信噪比，即获得各相位处的光子数据为信号的概率，简称光子概率；

由于脉冲星信号的标准轮廓是经过长期观测，获得的脉冲星轮廓，认为其只含脉冲信号，而探测器历史观测脉冲星信号轮廓中包含了噪声，将两者进行比对，如图4所示，得到各相位处的光子概率，如图5所示。

步骤S4、对当前观测脉冲星信号数据进行周期估计，基于周期估计结果，将当前观测脉冲星信号的相位与相应探测器的标准轮廓相位进行对应，结合相应探测器历史观测数据在各相位处对应的光子概率，确定当前观测脉冲星信号数据在各相位处的光子概率。

步骤S5、基于当前观测脉冲星信号数据在各相位处的光子概率对光子数据中的噪声信号进行筛除，仅保留判断为信号的光子数据。

当前观测脉冲星信号数据在各相位处的光子概率大于预设阈值，则判断为信号，否则，判断为噪声信号，本实施例中阈值设置为70％，所述阈值能够根据实际情况进行设置，在实验过程中通常设置为97.5％，75％，50％三种。

步骤S6、利用筛除噪声信号后剩余的光子数据，进行脉冲星导航或是光子信号关联分析。

为进一步验证本发明方法的有效性，本实施例对利用NICER的观测数据(仅50000个光子)直接折叠的轮廓和采用本发明降噪方法降噪后的观测数据所折叠的轮廓进行对比，如图6所示，其中，图6(a)为降噪前的折叠轮廓图，图6(b)为降噪后的折叠轮廓图，明显看出，在降噪前，无法判断第二个峰的位置，而采用本发明方法降噪后，明显可以分辨出第二个峰，证明了本发明基于光子概率的脉冲星信号降噪方法的有效性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于光子概率的脉冲星信号降噪方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取脉冲星信号的标准轮廓；

2.根据权利要求1所述的基于光子概率的脉冲星信号降噪方法，其特征在于，所述脉冲星信号的标准轮廓由脉冲星流量函数绘制。

3.根据权利要求1所述的基于光子概率的脉冲星信号降噪方法，其特征在于，对探测器历史观测脉冲星信号数据进行历元折叠，得到该探测器历史观测脉冲星信号的轮廓的具体方法包括：

对各段观测数据进行周期估计；

4.根据权利要求3所述的基于光子概率的脉冲星信号降噪方法，其特征在于，采用卡方周期估计法对各段观测数据进行周期估计。

5.根据权利要求3所述的基于光子概率的脉冲星信号降噪方法，其特征在于，根据观测轮廓的峰值相位或最小二乘法对各段观测轮廓进行相位估计。