CN115276686A - 低频射电频谱仪干扰信号的处理方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种低频射电频谱仪干扰信号的处理方法、装置、设备及介质，涉及低频射电信号处理技术领域，方法包括：构建低频射电频谱仪天线的接收信号与干扰信号的幅度和相位之间的关系模型；获取低频射电频谱仪天线在各时刻点接收的实际信号；将各时刻点接收的实际信号输入关系模型，计算关系模型的极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位；基于极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位，从实际信号中剔除干扰信号。该处理方法、装置、设备及介质能够对实际信号中的干扰信号进行有效抑制，进而能够从实际数据中提取有效的宇宙信号，解决了现有技术中由于干扰信号存在导致不能探测有效的射电天文信息的技术问题。

Description

低频射电频谱仪干扰信号的处理方法、装置、设备及介质

技术领域

本公开涉及低频射电信号处理技术领域，尤其涉及一种低频射电频谱仪干扰信号的处理方法、装置、设备及介质。

背景技术

在射电信号处理领域，根据作用域，干扰信号抑制方式主要分为三类：第一类是时域抑制，比如利用阈值限定的方式，对一些强的时域干扰进行去除；第二类是频域抑制，例如利用陷波滤波器，对某一频点信号进行扣除，通过傅立叶变换对频谱的干扰特征进行提取；第三类是时频空间抑制，比如利用短时傅立叶变换，对时频图进行绘制，从中寻找干扰并抑制等等。

嫦娥四号低频射电频谱仪所收到的平台干扰信号很强，和太阳爆发峰值的量级10^-15W/(m²*Hz)相当，比普通的太阳爆发信号10^-18W/(m²*Hz)大三个量级，比太阳宁静时的信号10^-22W/(m²*Hz)(1S.F.U)大七个量级。现有技术中采用谱减法对干扰信号进行抑制，虽然可以将信号的信噪比提升约30dB，但是仍然不足以探测有效的射电天文信息。

发明内容

鉴于上述技术问题，本公开第一方面提供一种低频射电频谱仪干扰信号的处理方法，包括：构建低频射电频谱仪天线的接收信号与干扰信号的幅度和相位之间的关系模型；获取低频射电频谱仪天线在各时刻点接收的实际信号；将各时刻点接收的实际信号输入关系模型，计算关系模型的极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位；基于极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位，从实际信号中剔除干扰信号。

根据本公开的实施例，关系模型为：

其中，A(t_k)，B(t_k)，C(t_k)分别为低频射电频谱仪的三根天线在t_k时刻对应的接收信号，ω₀为单频干扰源产生的干扰信号的频率，F_A，F_B，F_C分别为三根天线对应的干扰信号的等效幅度，

分别为三根天线对应的干扰信号的等效相位，N为噪声信号。

根据本公开的实施例，利用最小二乘法计算关系模型的极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位。

根据本公开的实施例，利用最小二乘法计算关系模型的极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位，具体包括：根据

计算三根天线分别对应的干扰信号的等效幅度F_A，F_B，F_C和三根天线分别对应的干扰信号的等效相位

其中：

Re表示实部，im表示虚部。

根据本公开的实施例，噪声信号采用高斯型随机噪声。

根据本公开的实施例，对于干扰信号中对接收信号干扰显著的频点分别构建关系模型。

本公开第二方面提供一种低频射电频谱仪干扰信号的处理装置，包括：构建模块，用于构建低频射电频谱仪天线的接收信号与干扰信号的幅度和相位之间的关系模型；获取模块，用于获取低频射电频谱仪天线在各时刻点接收的实际信号；计算模块，用于将各时刻点接收的实际信号输入关系模型，计算关系模型的极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位；剔除模块，用于基于极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位，从实际信号中剔除干扰信号。

本公开第三方面提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，其中，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器实现上述方法。

本公开第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器实现上述方法。

根据本公开实施例提供的低频射电频谱仪干扰信号的处理方法、装置、设备及介质，至少能够实现以下技术效果：

通过建立天线接收信号与干扰信号之间的关系模型，基于关系模型，根据天线接收的实际信号精确地求解并拟合出实际信号频谱中干扰比较大的频点对应的干扰信号的幅度和相位，可以基于干扰信号的幅度和相位，从实际信号中剔除干扰信号，进而能够从实际数据中提取有效的宇宙信号，解决了现有技术中由于干扰信号存在导致不能探测有效的射电天文信息的技术问题。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的低频射电频谱仪干扰信号的处理方法图。

图2示意性示出了根据本公开实施例对天线A接收的嫦娥四号原始模拟信号和干扰重建的曲线图。

图3示意性示出了根据本公开实施例对天线B接收的嫦娥四号原始模拟信号和干扰重建的曲线图。

图4示意性示出了根据本公开实施例对天线C接收的嫦娥四号原始模拟信号和干扰重建的曲线图。

图5示意性示出了根据本公开实施例的低频射电频谱仪干扰信号的处理装置的框图。

图6示意性示出了根据本发明实施例的适于实现上文描述的方法的电子设备的框图。

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统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公开的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本公开中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本公开的限制。

类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

针对现有技术的不足，本公开实施例提供一种低频射电频谱仪干扰信号的处理方法，可用于嫦娥四号低频射电频谱仪干扰信号的处理。该信号处理方法利用最小二乘法，基于关系模型对于每一个频点干扰源的干扰信号进行求解，得到干扰信号的幅度和相位，再基于干扰信号的幅度和相位，从实际信号中剔除干扰信号，从而最终实现从原始信号中提取有效的宇宙信号。下面结合具体的实施例进行详细介绍。

图1示意性示出了根据本公开实施例的低频射电频谱仪干扰信号的处理方法图。

如图1所示，该干扰信号的处理方法例如可以包括操作S101～操作S104。

在操作S101，构建低频射电频谱仪天线的接收信号与干扰信号的幅度和相位之间的关系模型。

在本公开实施例中，嫦娥四号低频射电频谱仪一般设有三根天线，例如天线A、天线B和天线C，因此，可以定义天线A、天线B和天线C的数据接收模型例如可以分别为：

其中，α，β，γ为接收信号在三根天线上的投射系数，α₁，α₂，β₁，β₂，γ₁，γ₂分别为α，β，γ的分量。A(t_k)，B(t_k)，C(t_k)分别为低频射电频谱仪的三根天线在t_k时刻对应的接收信号，一般会将接受的信号转化为复数信号，N为噪声信号，i表示虚数单位。

对于干扰源是单频ω₀的复数信号，一般具有

和

两个相位的分量，对应的振幅分别为F₁和F₂。为了简化关系模型计算时的参数，可以将两个相位和振幅以及系数部分合成等效为一个等效振幅F和等效相位

三根天线分别对应下标A，B，C。

等效后等到的关系模型例如可以为：

其中，F_A，F_B，F_C分别为三根天线对应的干扰信号的等效幅度，

分别为三根天线对应的干扰信号的等效相位。

应当理解，在关系模型的构建阶段，可以通过初始化模型参数，即给参数F_A，F_B，F_C，

赋定初始值，计算得到A(t_k)，B(t_k)，C(t_k)对应的模拟数据，再与实际接收的信号A(t_k)，B(t_k)，C(t_k)拟合，以修正关系模型。在本公开一实施例中，噪声信号例如可以采用高斯型随机噪声，其对干扰信号的抑制效果更好。

在操作S102，获取低频射电频谱仪天线在各时刻点接收的实际信号。

在本公开实施例中，可以每间隔预设时间段获取低频射电频谱仪天线接收的实际信号，预设时间段例如可以是5s、10s、30s等等，具体时间间隔可以根据实际需求设定，本公开不做限制。

在操作S103，将各时刻点接收的实际信号输入关系模型，计算关系模型的极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位。

在本公开实施例中，可以利用最小二乘法计算关系模型的极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位。

示例性的，一种利用最小二乘法计算干扰信号的幅度和相位的方法具体可以如下：

将获取的实际信号代入关系模型中，得到极小化的残差例如可以为：

利用ε²将分别对所求的六个参数F_A，F_B，F_C，

求偏导，并令偏导等于零，经过推导后，得到关于留个参数的方程组可以为：

对上式进行整理，按照未知参数F_A，F_B，F_C，

进行展开，可以得到：

其中：

Re表示实部，im表示虚部。

也就是说，基于上述极小化残差的推导，即可得到干扰信号的幅度和相位。

在操作S104，基于极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位，从实际信号中剔除干扰信号。

在本公开实施例中，可以基于操作S103计算得到的干扰信号的幅度和相位，将干扰信号从三根天线接收的实际信号中扣除，得到去除干扰后的宇宙信号。

需要说明的是，本公开实施例基于上述操作对干扰信号中对接收信号干扰显著的频点分别构建关系模型，计算该频点对应的幅度和相位，再基于幅度和相位，从接收信号中去除该频点的干扰信号，直到接收信号的频谱中不再存在明显的干扰信号位置，即对数据进行了干扰抑制，为后续提取有效宇宙信号奠定了基础。

为了验证上述处理方法的优势，本公开实施例基于上述方法对嫦娥四号实际数据进行了干扰抑制。

图2示意性示出了根据本公开实施例对天线A接收的嫦娥四号原始模拟信号和干扰重建的曲线图。

图3示意性示出了根据本公开实施例对天线B接收的嫦娥四号原始模拟信号和干扰重建的曲线图。

图4示意性示出了根据本公开实施例对天线C接收的嫦娥四号原始模拟信号和干扰重建的曲线图。

如图2-图4所示，信号曲线均包括实部信号曲线和虚部信号曲线，对比原始信号(Areal或Aimag)和重建信号(Afreal或Afimag)可知，原始信号和重建信号的拟合程度很好，表明干扰信号的处理方法能够从实际数据中有效拟合出干扰，从而为去除干扰，进一步提取有效宇宙信号奠定了基础。

图5示意性示出了根据本公开实施例的低频射电频谱仪干扰信号的处理装置的框图。

如图5所示，空低频射电频谱仪干扰信号的处理装置500可以包括构建模块510、获取模块520、计算模块530以及剔除模块540。

构建模块510，用于构建低频射电频谱仪天线的接收信号与干扰信号的幅度和相位之间的关系模型。

获取模块520，用于获取低频射电频谱仪天线在各时刻点接收的实际信号。

计算模块530，用于将各时刻点接收的实际信号输入关系模型，计算关系模型的极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位。

剔除模块540，用于基于极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位，从实际信号中剔除干扰信号。

根据本发明的实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式的硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的一个或多个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。

例如，构建模块510、获取模块520、计算模块530以及剔除模块540中的任意多个可以合并在一个模块/单元/子单元中实现，或者其中的任意一个模块/单元/子单元可以被拆分成多个模块/单元/子单元。或者，这些模块/单元/子单元中的一个或多个模块/单元/子单元的至少部分功能可以与其他模块/单元/子单元的至少部分功能相结合，并在一个模块/单元/子单元中实现。根据本发明的实施例构建模块510、获取模块520、计算模块530以及剔除模块540中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，构建模块510、获取模块520、计算模块530以及剔除模块540中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。

需要说明的是，本发明的实施例的低频射电频谱仪干扰信号的处理装置部分与本发明的实施例的低频射电频谱仪干扰信号的处理方法部分是相对应的，其具体实施细节及带来的技术效果也是相同的，在此不再赘述。

图6示意性示出了根据本发明实施例的适于实现上文描述的方法的电子设备的框图。图6示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图6所示，根据本发明实施例的电子设备600包括处理器601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM)603中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器601例如可以包括通用微处理器(例如CPU)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(ASIC))，等等。处理器601还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器601可以包括用于执行根据本发明实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。

在RAM 603中，存储有电子设备600操作所需的各种程序和数据。处理器601、ROM602以及RAM603通过总线604彼此相连。处理器601通过执行ROM602和/或RAM603中的程序来执行根据本发明实施例的方法流程的各种操作。需要注意，所述程序也可以存储在除ROM 602和RAM 603以外的一个或多个存储器中。处理器601也可以通过执行存储在所述一个或多个存储器中的程序来执行根据本发明实施例的方法流程的各种操作。

根据本发明的实施例，电子设备600还可以包括输入/输出(I/O)接口605，输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。电子设备600还可以包括连接至I/O接口605的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分608。

根据本发明的实施例，根据本发明实施例的方法流程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。在该计算机程序被处理器601执行时，执行本发明实施例的系统中限定的上述功能。根据本发明的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本发明实施例的方法。

根据本发明的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质。例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

例如，根据本发明的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的ROM602和/或RAM 603和/或ROM 602和RAM 603以外的一个或多个存储器。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

Claims (9)

1.一种低频射电频谱仪干扰信号的处理方法，其特征在于，包括：

构建低频射电频谱仪天线的接收信号与干扰信号的幅度和相位之间的关系模型；

获取所述低频射电频谱仪天线在各时刻点接收的实际信号；

将各时刻点接收的实际信号输入所述关系模型，计算所述关系模型的极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位；

基于所述极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位，从所述实际信号中剔除干扰信号。

2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述关系模型为：

其中，A(t_k)，B(t_k)，C(t_k)分别为低频射电频谱仪的三根天线在t_k时刻对应的接收信号，ω₀为单频干扰源产生的干扰信号的频率，F_A，F_B，F_C分别为三根天线对应的干扰信号的等效幅度，

分别为三根天线对应的干扰信号的等效相位，N为噪声信号。

3.根据权利要求2所述的处理方法，其特征在于，利用最小二乘法计算所述关系模型的极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位。

4.根据权利要求3所述的处理方法，其特征在于，所述利用最小二乘法计算所述关系模型的极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位，具体包括：

根据

计算三根天线分别对应的干扰信号的等效幅度F_A，F_B，F_C和三根天线分别对应的干扰信号的等效相位

其中：

Re表示实部，im表示虚部。

5.根据权利要求2所述的处理方法，其特征在于，所述噪声信号采用高斯型随机噪声。

6.根据权利要求2所述的处理方法，其特征在于，对于所述干扰信号中对所述接收信号干扰显著的频点分别构建所述关系模型。

7.一种低频射电频谱仪干扰信号的处理装置，其特征在于，包括：

构建模块，用于构建低频射电频谱仪天线的接收信号与干扰信号的幅度和相位之间的关系模型；

获取模块，用于获取所述低频射电频谱仪天线在各时刻点接收的实际信号；

计算模块，用于将各时刻点接收的实际信号输入所述关系模型，计算所述关系模型的极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位；

剔除模块，用于基于所述极小化残差对应的干扰信号的幅度和相位，从所述实际信号中剔除干扰信号。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序，

其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1至6中任一项所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器实现权利要求1至6中任一项所述的方法。

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