CN112769414B

CN112769414B - 一种基于自适应滤波器的干扰信号处理方法及装置

Info

Publication number: CN112769414B
Application number: CN202011610387.4A
Authority: CN
Inventors: 托乎提努尔; 段雪峰; 裴鑫; 李健; 陈卯蒸; 刘艳玲
Original assignee: Xinjiang Astronomical Observatory of CAS
Current assignee: Xinjiang Astronomical Observatory of CAS
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: CN112769414A

Abstract

一种基于自适应滤波器的干扰信号处理方法，包括获取天文观测信号与干扰参考信号，进行信号同步；对天文观测信号进行延迟处理；将天文观测信号对应的干扰参考信号分成两路，一路干扰参考信号进行延迟处理；另一路干扰参考信号输入自适应滤波器进行数字滤波；延迟处理的天文观测信号中减去数字滤波后的干扰参考信号，得到对应的输出信号；将输出信号与延迟处理后的干扰参考信号输入滞后相关器进行互相关运算；对输出的信号进行积分；根据积分的平均值更新滤波系数；对观测信号每个采样输出重复上述步骤，获取输出信号的全部采样数据。本发明能提升观测系统干扰处理性能，避免观测信号带宽的损失，并有效抑制复杂射频干扰，提高信号质量及识别率。

Description

一种基于自适应滤波器的干扰信号处理方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别涉及一种基于自适应滤波器的干扰信号处理方法及装置。

背景技术

由于射电望远镜的天线接收面积大、天线增益高，灵敏度远远超过普通的通信设备，即使将射电望远镜建设在比较偏远、无线电干扰相对较小的区域，仍然会受到其它信号的干扰，使得射电望远镜在接收到有用天文信息的同时，还会接收到人为射频干扰(RadioFrequency Interferences，RFI)，例如电视信号、调频无线电传输、全球定位系统(GPS)、手机和飞机导航通讯等干扰信号。这些干扰信号是影响天文观测设备灵敏度和数据质量的主要因素，可导致重要频段天文数据的丢失，大大降低天文信号的信噪比，严重影响科学研究结果的准确性与有效性，对脉冲星、快速射电爆等天文现象的研究产生很大的障碍。

为了有效抑制干扰信号，射电天文学家提出了多种处理方法，但现有的处理方法仍具有如下缺陷：

(1)现有的干扰信号消除方法效率较低、灵活性差，随着射电望远镜的观测性能的提升，可观测天体信号的频率范围不断扩大，导致观测带宽和产生的数据量也随之增加，从而使得现有的干扰信号处理方法已经无法满足海量的观测数据的高速实时处理需求。

(2)现有的干扰信号消除方法针对复杂强干扰信号的抑制性能较差，例如4G信号、TV信号等干扰信号经常跟脉冲星信号混到一起，难以处理，可能导致数据带宽的损失或部分脉冲星数据的丢失，降低脉冲星信号信噪比，从而无法给科学家提供可靠的脉冲星观测数据。

综上，如何提高数据的处理速度，并提高输出信号的质量，成为一项亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于自适应滤波器的干扰信号处理方法，以提高数据的干扰消除性能，并提升输出信号的质量。

为达到上述目的，本发明实施例提供一种基于自适应滤波器的干扰信号处理方法，包括：

步骤1：获取天文观测信号与干扰参考信号，进行信号同步；

步骤2：对天文观测信号进行延迟处理，信号延迟大小设置为N/2，N表示FIR数字滤波器的阶数；

步骤3：将天文观测信号对应的干扰参考信号分成两路，对其中一路干扰参考信号进行延迟处理，延迟大小等于FIR滤波器阶数的一半；将另一路干扰参考信号输入所述自适应滤波器，以对所述干扰参考信号进行数字滤波；

步骤4：延迟处理的天文观测信号中减去数字滤波后的干扰参考信号，得到对应的输出信号；

步骤5：将所述输出信号以及延迟处理后的干扰参考信号输入滞后相关器，以利用所述滞后相关器进行互相关运算；

步骤6：对所述滞后相关器输出的信号进行积分，并计算积分的平均值；

步骤7：根据所述积分的平均值，更新所述自适应滤波器的滤波系数；

针对观测信号每个采样的输出，重复上述步骤2至步骤7，以获取输出信号的全部采样数据。

在本发明一实施例中，所述滞后相关器通过以下公式进行互相关运算：

其中，f(n)是输出信号，r(n)为干扰参考信号，C(i)为滞后相关器输出的信号，K是采样点数，i和n的取值为0，1，2，……，K。

在本发明一实施例中，通过以下公式对所述滞后相关器输出的信号进行积分，并计算积分的平均值：

其中，C(i)为滞后相关器输出的信号，C_av(k)为积分的平均值，K是采样点数，i＝0，1，2，……，K。

在本发明一实施例中，通过以下公式计算所述自适应滤波器的滤波系数：

h(n)＝h(n-1)+ε×C_av(k)

其中，h(n)为滤波系数，C_av(k)为积分的平均值，n＝0，1，……，N-1，ε是预设的常数。

在本发明一实施例中，经过所述数字滤波后的干扰参考子信号为：

其中，y(n)为经过所述数字滤波后的干扰参考子信号，h(k)为滤波系数，r(n-k)为经过k个延迟单元的干扰参考子信号，K是采样点数。

在本发明一实施例中，还包括：

预先对所述自适应滤波器进行初始化，以将滤波系数设置为零。

本发明实施例还提供一种基于自适应滤波器的干扰信号处理装置，包括：

信号同步模块，获取天文观测信号与干扰参考信号，计算两路信号之间的延迟时间，然后对天文与干扰信号进行同步，完成预处理任务；

天文观测信号处理模块，根据预设的自适应滤波器的阶数，对天文观测信号进行延迟处理；

干扰参考信号处理模块，用于将天文观测信号对应的干扰参考信号分成两路，根据所述自适应滤波器的阶数，对其中一路干扰参考信号进行延迟处理；将另一路干扰参考信号输入所述自适应滤波器，以对所述干扰参考信号进行数字滤波；

输出信号确定模块，用于利用延迟处理后的天文观测信号减去数字滤波后的干扰参考信号，得到对应的输出信号；

互相关运算模块，用于将所述输出信号以及延迟处理后的干扰参考信号输入滞后相关器，以利用所述滞后相关器进行互相关运算；

积分均值模块，用于对所述滞后相关器输出的信号进行积分，并计算积分的平均值；

滤波系数更新模块，用于根据所述积分的平均值，更新所述自适应滤波器的滤波系数。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被执行时实现上述所述方法的步骤。

由以上本公开实施例提供的技术方案可见，本发明提供的干扰信号处理方法至少具备以下有益效果：

本发明提供的处理方法灵活性及可扩展性好，有利于硬件平台实现，能够在FPGA或高性能GPU硬件环境下具有较高的开发效率及较强的数据处理能力，可以满足海量天文信号的高速实时干扰处理需求。

基于自适应滤波器的处理方法可以直接在中频信号上消除类似4G信号、TV信号等干扰信号，能为消色散、折叠、脉冲星计时和VLBI等数据后处理阶段提供可靠的观测数据，提高了输出信号的质量，不会导致信号带宽损失或脉冲星数据的丢失，提高了脉冲星信号的信噪比及脉冲星检测能力。

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，下面将对实施例或现有技术描述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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例提供的一种基于自适应滤波器的干扰信号处理的数据流程图；

图2是本公开实施例提供的一种基于自适应滤波器的干扰信号处理方法流程图；

图3是本公开实施例提供的一种基于自适应滤波器的干扰信号处理装置的模块结构图；

图4是在一个具体的实施例中，干扰信号消除之前的脉冲星信号；

图5是利用本发明提供的方法，将图4中的干扰信号消除之后的脉冲星信号；

图6是在另一个具体的实施例中，干扰信号消除之前的脉冲星信号3D图；

图7是利用本发明提供的方法，将图6中的干扰信号消除后的脉冲星信号3D图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

参考图1所示，为本公开实施例提供的一种基于自适应滤波器的干扰信号处理的数据流程图，可以看出，在经过多次循环对天文信号处理，得到全部的输出信号，且每次循环得到的输出信号作为反馈输入到滞后相关器，从而在每次循环后更新自适应滤波器的滤波系数，直至将获取的信号全部进行处理。

参考图2所示，为本公开实施例提供的一种基于自适应滤波器的干扰信号处理方法流程图，包括以下步骤：

步骤1：获取天文观测信号与干扰参考信号，进行信号同步；

具体的，所述滞后相关器通过以下公式进行互相关运算：

其中，f(n)是输出信号，r(n)为干扰参考子信号，C(i)为滞后相关器输出的信号，K是采样点数，i和n的取值为0，1，2，……，K。

具体的，通过以下公式对所述滞后相关器输出的信号进行积分，并计算积分的平均值：

具体的，通过以下公式计算所述自适应滤波器的滤波系数：

h(n)＝h(n-1)+ε×C_av(k) (3)

其中，h(n)为滤波系数，C_av(k)为积分的平均值，n＝0，1，……，N-1，ε是预设的常数，一般情况下，ε值取小于1的复数。

具体的，经过所述数字滤波后的干扰参考子信号为：

自适应滤波器的传输函数H(z)可表示成：

具体的，方法还包括：

信号同步模块100，获取天文观测信号与干扰参考信号，计算两路信号之间的延迟时间，然后对天文与干扰信号进行同步，完成预处理任务；

天文观测信号处理模块200，根据预设的自适应滤波器的阶数，对天文观测信号进行延迟处理；

干扰参考信号处理模块300，用于将天文观测信号对应的干扰参考信号分成两路，根据所述自适应滤波器的阶数，对其中一路干扰参考信号进行延迟处理；将另一路干扰参考信号输入所述自适应滤波器，以对所述干扰参考信号进行数字滤波；

输出信号确定模块400，用于利用延迟处理后的天文观测信号减去数字滤波后的干扰参考信号，得到对应的输出信号；

互相关运算模块500，用于将所述输出信号以及延迟处理后的干扰参考信号输入滞后相关器，以利用所述滞后相关器进行互相关运算；

积分均值模块600，用于对所述滞后相关器输出的信号进行积分，并计算积分的平均值；

滤波系数更新模块700，用于根据所述积分的平均值，更新所述自适应滤波器的滤波系数。

本公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被执行时实现上述任意实施例中所述方法的步骤。

下面通过具体的实施例来进一步说明本发明的技术效果。

参考图4所示，为在一个具体的实施例中，干扰信号消除之前的脉冲星信号；图5所示，为利用本发明提供的方法，将图4中的干扰信号消除之后的脉冲星信号。可以看出，利用本发明提供的方法进行处理之后，完全消除了干扰信号，从图5中可以看到清晰的脉冲信号，大大提高了脉冲星信号信噪比，从而提升数据后处理系统的脉冲星信号检测能力。

参考图6所示，为在另一个具体的实施例中，干扰信号消除之前的脉冲星信号3D图；图7所示为利用本发明提供的方法，将图6中的干扰信号消除后的脉冲星信号3D图。其中，信号带宽为128MHz，干扰信号的频谱主要分布于10MHz的频率通道，脉冲信号的频谱均匀分布，因此在整个带宽中都有脉冲信号的频谱。利用本发明提供的方法进行处理之后，Bin数大约为260时，出现脉冲信号，分布到128个频率通道，信号带宽没有受到损失。天文信号通过自适应滤波器之后，可以获取脉冲星信号特征，例如功率、频率及相位等，自适应滤波器有效提高了脉冲星信号识别率。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种基于自适应滤波器的干扰信号处理方法，其特征在于，包括：

步骤1：获取天文观测信号与干扰参考信号，进行信号同步；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滞后相关器通过以下公式进行互相关运算：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式对所述滞后相关器输出的信号进行积分，并计算积分的平均值：

其中，C(i)为滞后相关器输出的信号，C_av(k)为积分的平均值，N表示自适应滤波器的阶数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算所述自适应滤波器的滤波系数：

h(n)＝h(n-1)+ε×C_av(k)

其中，h(n)为滤波系数，C_av(k)为积分的平均值，n＝0，1，……，N-1，ε 是预设的常数，N表示自适应滤波器的阶数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经过所述数字滤波后的干扰参考信号为：

其中，y(n)为经过所述数字滤波后的干扰参考信号，h(k)为滤波系数，r(n-k)为经过k个延迟单元的干扰参考信号，N表示自适应滤波器的阶数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

7.一种基于自适应滤波器的干扰信号处理装置，其特征在于，包括：

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被执行时实现权利要求1-6中任意一项所述方法的步骤。