CN113644999B - 一种基于Levenberg-Marquart算法的罗兰天地波分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Levenberg‑Marquart算法的罗兰天地波分离方法,具体按照以下步骤实施:采集数据样本并进行归一化处理;采用逆傅里叶变换方法对信号进行预处理,获得初始化参数;在时域对信号进行数学建模;采用Levenberg‑Marquart算法对模型中的参数进行求解,实现天地波分离。本发明实现天地波分离在整个信噪比条件下精度都有提高,尤其是在低信噪比时精度提高明显。
Description
技术领域
本发明属于数字信号处理技术领域,具体涉及一种基于Levenberg-Marquart算法的罗兰天地波分离方法。
背景技术
罗兰系统是一种地基、低频无线电导航系统,具有强大的抗干扰性能和可靠性,长期作为全球卫星导航系统的备份使用。经过信息采集和处理后,罗兰接收端信号中最大的干扰为同源天波干扰,因此天地波分离技术是罗兰接收机研制中的关键技术。近年来天地波分离的高精度理论方法有:Hybrid-WRELAX方法(hybrid weighted Fourier transformand relaxation)和EXIP-WRELAX(extended invariance principle WRELAX)方法,其在很大程度上提高了罗兰天地波分离精度,但是低信噪比的情况下性能仍然不好,而且,由于其是频域算法,计算量和计算精度正相关,当信号多径数目增加时,计算过程会变得非常复杂。Levenberg-Marquart算法是一种非常有效的非线性函数参数拟合算法,在高斯-牛顿法的基础上引入了阻尼因子,不仅具有高斯-牛顿法的一举寻优特性,而且降低了对参数初始值的要求,同时,其对函数公式的适应性特别强,目前并未应用到罗兰天地波分离中。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Levenberg-Marquart算法的罗兰天地波分离方法,在整个信噪比范围内计算精度高、尤其是低信噪比下提高明显。
本发明所采用的技术方案是,一种基于Levenberg-Marquart算法的罗兰天地波分离方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、采用仿真生成和实际采集两种方式获得多组罗兰天地波信号,并做归一化处理;
步骤2、对步骤1中的归一化信号进行预处理,获得初始化参数;
步骤3、根据步骤2中的结果,在时域对罗兰接收信号进行数学建模;
步骤4、采用Levenberg-Marquart算法对步骤3模型中的参数进行拟合,即可得到罗兰天波、地波对应时延、幅度,达到天地波分离的目的。
本发明的特点还在于:
步骤1输入模型文件,具体为:
步骤1.1、仿真生成1000组罗兰天地波信号,每组信号由地波、天波和噪声组成,地波、天波时延分别为77μs、133μs,信噪比为15dB,天地波信号比为12dB,采样频率为1MHz,罗兰信号单个脉冲重复周期为1毫秒,因此,截取1000个采样点,总时间为1000μs,即可得到完整的罗兰信号;
步骤1.2、按照步骤1.1中的方法,改变信噪比为0dB、5dB、10dB和20dB,其他条件不变,每个信噪比条件下分别生成1000组罗兰天地波信号,共4000组数据。
步骤1.3、采集实际罗兰天地波信号,采样频率1MHz,罗兰信号单个脉冲重复周期为1毫秒,因此,截取1000个采样点,总时间为1000μs,即可得到完整的罗兰信号;
步骤1.4:对罗兰天地波信号值进行归一化处理,即信号幅度区间归一化至[-1,1]区间,得到罗兰天地波信号归一化处理结果,用(ti,yi),i=1,2...m表示,m=1000,为单个信号样本采样个数。
步骤2中,采用逆傅里叶变换方法对信号进行预处理,获得的初始化参数包括:信号多径数目、各多径信号对应时延、幅度初值。
步骤3中,考虑罗兰信号传播过程中只有幅度和时延发生变化,根据步骤2中确定的多径个数,在时域建立信号模型,可表示成:
q(t)=t2sin(0.2πt)exp(-2t/65) (2)
其中,y(t)为某一个信号样本,q(t)为标准增强罗兰信号,t为时间,单位为μs,al为第l个多径信号的归一化幅度,τl为第l个多径信号的时延参数,单位为μs,N为多径个数。根据步骤2中的预处理结果,步骤1.1-1.2仿真数据中N=2,步骤1.3实测数据中N=5。
步骤4中采用Levenberg-Marquart算法,对非线性方程(1)进行求解,待求解参数2l个:a1,a2,…,al;τ1,τ2,…,τl,为了便于说明算法及表示,令x=[a1,a2,…,al,τ1,τ2,…,τl]=[x1,x2,…x2l]。则求解得到的模型函数可表示为则残量r(x)可表示为:
r(x)=[r1(x),r2(x),…rm(x)] (3)
Levenberg-Marquart方法的目标函数可以表示为:
根据最小二乘原理,在求解目标函数待拟合参数时,需要使得残量平方和达到最小值,即:
min f(x) (6)
Levenberg-Marquart算法通过多次迭代使得待拟合参数无限逼近最小f(x)的最优参数,迭代过程增量方程为:
xk+1=xk-(h+λI)-1g (7)
其中,k表示当前迭代次数,λ为阻尼系数,I为单位矩阵,h(xk)=J(xk)TJ(xk),g(xk)=J(xk)Tr(xk),J(xk)为r(xk)的雅可比矩阵,表达形式如下:
具体按以下步骤实施:
步骤4.1、根据步骤2中的结果,给定初始点xk=x0,阻尼系数λ>1,收敛精度ε>0;
步骤4.2、计算r(xk),f(xk);
步骤4.3、计算J(xk),h(xk),g(xk);
步骤4.4、根据增量方程(h(xk)+λI)Δxk=g(xk),解出增量Δxk;
步骤4.5、令xk+1=xk+Δxk,计算f(xk+1)
步骤4.6、若||Δxk||2<ε,终止迭代,否则转至步骤4.7;
步骤4.7、若f(xk+1)<f(xk)+βgTΔxk,令λ=λ/v,转至步骤4.8;否则令λ=λv,转至步骤4.4;其中,β,ν为约束量。
步骤4.8、令k=k+1,转至步骤4.2。
在本发明中,β=0,v=2,λ=2,ε=10-4。
本发明的有益效果是,发明一种基于Levenberg-Marquart算法的罗兰天地波分离方法,直接在时域对增强罗兰信号进行数学建模,将其转化为非线性方程参数优化问题,简单清晰,便于硬件实现;在整个信噪比条件下精度都有提高,尤其是在低信噪比时精度提高明显。
附图说明
图1是本发明一种基于Levenberg-Marquart算法的罗兰天地波分离方法中Levenberg-Marquart方法的基本算法流程图;
图2是算法性能对比图,图2(a)是步骤1.1中仿真信号下算法性能对比直方图,图2(b)为步骤1.2中不同信噪比下算法性能对比图,时延误差值取1000组数据误差统计平均值;图2(c)为步骤1.2中信噪比为0dB下算法性能对比直方图;其中,Levenberg-Marquart算法用L-M表示。
图3为步骤1.3中实际采集信号中的一组分离结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于Levenberg-Marquart算法的罗兰天地波分离方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、采用仿真生成和实际采集两种方式获得多组罗兰天地波信号样本,并做归一化处理;
步骤1.1、仿真生成1000组罗兰天地波信号,每组信号由地波、天波和噪声组成,地波、天波时延分别为77μs、133μs,信噪比为15dB,天地波信号比为12dB,采样频率为1MHz,罗兰信号单个脉冲重复周期为1毫秒,因此,截取1000个采样点,总时间为1000μs,即可得到完整的罗兰信号;
步骤1.2、按照步骤1.1中的方法,改变信噪比为0dB、5dB、10dB和20dB,其他条件不变,每个信噪比条件下分别生成1000组罗兰天地波信号,共4000组数据。
步骤1.3、采集实际罗兰天地波信号,采样频率1MHz,罗兰信号单个脉冲重复周期为1毫秒,因此,截取1000个采样点,总时间为1000μs,即可得到完整的罗兰信号;
步骤1.4:对罗兰天地波信号值进行归一化处理,即信号幅度区间归一化至[-1,1]区间,得到罗兰天地波信号归一化处理结果,用(ti,yi),i=1,2...m表示,m=1000,为单个信号样本采样个数。
步骤2、采用逆傅里叶变换方法对信号进行预处理,获得的初始化参数包括:信号多径数目、各多径信号对应时延、幅度初值。
步骤3、考虑罗兰信号传播过程中只有幅度和时延发生变化,根据步骤2中确定的多径个数,在时域建立信号模型,可表示成:
q(t)=t2sin(0.2πt)exp(-2t/65) (2)
其中,y(t)为某一个信号样本,q(t)为标准增强罗兰信号,t为时间,单位为μs,al为第l个多径信号的归一化幅度,τl为第l个多径信号的时延参数,单位为μs,N为多径个数。根据步骤2中的预处理结果,步骤1.1-1.2仿真数据中N=2,步骤1.3实测数据中N=5。
步骤4、采用Levenberg-Marquart算法,对非线性方程(1)进行求解,待求解参数2l个:a1,a2,…,al;τ1,τ2,…,τl,为了便于说明算法及表示,令x=[a1,a2,…,al,τ1,τ2,…,τl]=[x1,x2,…x2l]。则求解得到的模型函数可表示为则残量r(x)可表示为:
r(x)=[r1(x),r2(x),…rm(x)] (3)
Levenberg-Marquart方法的目标函数可以表示为:
根据最小二乘原理,在求解目标函数待拟合参数时,需要使得残量平方和达到最小值,即:
min f(x) (6)
Levenberg-Marquart算法通过多次迭代使得待拟合参数无限逼近最小f(x)的最优参数,迭代过程增量方程为:
xk+1=xk-(h+λI)-1g (7)
其中,k表示当前迭代次数,λ为阻尼系数,I为单位矩阵,h(xk)=J(xk)TJ(xk),g(xk)=J(xk)Tr(xk),J(xk)为r(xk)的雅可比矩阵,表达形式如下:
具体按以下步骤实施:
步骤4.1、根据步骤2中的结果,给定初始点xk=x0,阻尼系数λ>1,收敛精度ε>0;
步骤4.2、计算r(xk),f(xk);
步骤4.3、计算J(xk),h(xk),g(xk);
步骤4.4、根据增量方程(h(xk)+λI)Δxk=g(xk),解出增量Δxk;
步骤4.5、令xk+1=xk+Δxk,计算f(xk+1)
步骤4.6、若||Δxk||2<ε,终止迭代,否则转至步骤4.7;
步骤4.7、若f(xk+1)<f(xk)+βgTΔxk,令λ=λ/v,转至步骤4.8;否则令λ=λv,转至步骤4.4;其中,β,ν为约束量。
步骤4.8、令k=k+1,转至步骤4.2。
在本发明中β=0,v=2,λ=2,ε=10-4。
Claims (1)
1.一种基于Levenberg-Marquart算法的罗兰天地波分离方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1、采用仿真生成和实际采集两种方式获得多组罗兰天地波信号,并做归一化处理;
所述步骤1具体按照以下步骤实施:
步骤1输入模型文件,具体为:
步骤1.1、仿真生成1000组罗兰天地波信号,每组信号由地波、天波和噪声组成,地波、天波时延分别为77μs、133μs,信噪比为15dB,天地波信号比为12dB,采样频率为1MHz,罗兰信号单个脉冲重复周期为1毫秒,因此,截取1000个采样点,总时间为1000μs,即可得到完整的罗兰信号;
步骤1.2、按照步骤1.1中的方法,改变信噪比为0dB、5dB、10dB和20dB,其他条件不变,每个信噪比条件下分别生成1000组罗兰天地波信号,共4000组数据;
步骤1.3、采集实际罗兰天地波信号,采样频率1MHz,罗兰信号单个脉冲重复周期为1毫秒,因此,截取1000个采样点,总时间为1000μs,即可得到完整的罗兰信号;
步骤1.1-1.2仿真数据中N=2,步骤1.3实测数据中N=5;
步骤1.4:对罗兰天地波信号值进行归一化处理,即信号幅度区间归一化至[-1,1]区间,得到罗兰天地波信号归一化处理结果,用(ti,yi),i=1,2...m表示,m=1000,为单个信号样本采样个数;
步骤2、对步骤1中的归一化信号进行预处理,获得初始化参数;
所述步骤2中,采用逆傅里叶变换方法对信号进行预处理,获得的初始化参数包括:信号多径数目、各多径信号对应时延、幅度初值;
步骤3、根据步骤2中的结果,在时域对罗兰接收信号进行数学建模;
根据步骤2中确定的多径个数,在时域建立信号模型,可表示成:
q(t)=t2sin(0.2πt)exp(-2t/65) (2)
其中,y(t)为某一个信号样本,q(t)为标准增强罗兰信号,t为时间,单位为μs,al为第l个多径信号的归一化幅度,τl为第l个多径信号的时延参数,单位为μs,N为多径个数;
步骤4、采用Levenberg-Marquart算法对步骤3模型中的参数进行拟合,即可得到罗兰天波、地波对应时延、幅度,达到天地波分离的目的;
所述步骤4中,采用Levenberg-Marquart算法,对非线性方程(1)进行求解,待求解参数2l个:a1,a2,…,al;τ1,τ2,…,τl,为了便于说明算法及表示,令x=[a1,a2,…,al,τ1,τ2,…,τl]=[x1,x2,…x2l];则求解得到的模型函数可表示为则残量r(x)可表示为:
r(x)=[r1(x),r2(x),…rm(x)] (3)
Levenberg-Marquart方法的目标函数可以表示为:
根据最小二乘原理,在求解目标函数待拟合参数时,需要使得残量平方和达到最小值,即:
minf(x) (6)
Levenberg-Marquart算法通过多次迭代使得待拟合参数无限逼近最小f(x)的最优参数,迭代过程增量方程为:
xk+1=xk-(h+λI)-1g (7)
其中,k表示当前迭代次数,λ为阻尼系数,I为单位矩阵,h(xk)=J(xk)TJ(xk),g(xk)=J(xk)Tr(xk),J(xk)为r(xk)的雅可比矩阵,表达形式如下:
具体按以下步骤实施:
步骤4.1、根据步骤2中的结果,给定初始点xk=x0,阻尼系数λ>1,收敛精度ε>0;
步骤4.2、计算r(xk),f(xk);
步骤4.3、计算J(xk),h(xk),g(xk);
步骤4.4、根据增量方程(h(xk)+λI)Δxk=g(xk),解出增量Δxk;
步骤4.5、令xk+1=xk+Δxk,计算f(xk+1)
步骤4.6、若||Δxk||2<ε,终止迭代,否则转至步骤4.7;
步骤4.7、若f(xk+1)<f(xk)+βgTΔxk,令λ=λ/v,转至步骤4.8;否则令λ=λv,转至步骤4.4;其中,β,ν为约束量;
步骤4.8、令k=k+1,转至步骤4.2;
β=0,v=2,λ=2,ε=10-4。
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