CN117978271A - 一种光纤通信强干扰抑制方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤通信领域，尤其是指一种光纤通信强干扰抑制方法、系统、设备及存储介质，所述强干扰抑制方法的步骤包括：S1：基于传输信号的偏振分量，构建接收信号的联合稀疏表示模型；S2：基于所述联合稀疏表示模型，设计干扰抑制观测矩阵；S3：基于所述干扰抑制观测矩阵，求得观测信号，通过所述观测信号降低压制性强干扰信号的观测后强度。本发明能够抑制由外接扰动或信号源异常冲激引起的压制性强干扰，从而提高光纤系统的通信可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，尤其是指一种光纤通信强干扰抑制方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
随着移动互联网通讯技术的迅速发展，光纤传感器凭借其灵活性高以及容易组网的优势，在安防、监测与勘测领域中得到了广泛的应用，但是空间中的电磁信号越来越饱和，各种通讯设备相互干扰，导致通讯信道受到严重影响，通讯信道干扰主要由于信道的时变性，并且通讯波段的电磁环境比较复杂，导致无线通信中存在大量的非线性干扰。尤其在光纤系统的实际通信过程中，由外接扰动或信号源异常冲激引起的压制性强干扰将淹没通信信号，从而降低光纤系统的通信可靠性。
发明内容
为此，为解决现有光纤系统中由于外接扰动或信号源异常冲激引起的压制性强干扰淹没通信信号导致通信可靠性低的问题，本发明提供了一种光纤通信强干扰抑制方法，该方法包括：
S1：基于传输信号的偏振分量，构建接收信号的联合稀疏表示模型；
S2：基于所述联合稀疏表示模型，设计干扰抑制观测矩阵；
S3：基于所述干扰抑制观测矩阵，求得观测信号，通过所述观测信号降低压制性强干扰信号的观测后强度；
其中，所述干扰抑制观测矩阵的设计步骤包括：
S21：在信道非通信工作期间，对信道的背景噪声进行采样，得到通信间歇采样信号；
S22：利用所述通信间歇采样信号来估计压制性强干扰源信号的偏振矢量/>：
(1)
其中，表示当前传输信源信号的偏振分量，/>表示信源信号的水平偏振分量，/>表示信源信号的垂直偏振分量，/>表示h的转置；
S23：基于所述压制性强干扰源信号的偏振矢量，将干扰抑制矩阵/>的设计过程归纳为求解优化问题的过程：
(2)
其中，表示干扰抑制观测后的观测向量/>对应的等效感知字典，/>表示等效感知矩阵/>的相关性表征函数，/>表示等效感知矩阵相关性表征函数的上限值；
S24：通过求解所述优化问题，得到干扰抑制矩阵。
在本发明的一个实施例中，所述干扰抑制观测后的观测向量的获取方法为：
令观测信号为，设计压缩观测矩阵/>，对观测信号Y进一步扩展得到：
(3)
令，/>，/>为向量化函数，则所述干扰抑制观测后的观测向量/>可表示为：
(4)
其中，R表示接收信号，表示克罗内克积。
在本发明的一个实施例中，所述干扰抑制观测后的观测向量对应的等效感知字典/>的获取方法为：基于所述联合稀疏表示模型，得到干扰抑制观测后的观测向量/>对应的等效感知字典/>为：
(5)
其中，表示向量化接收信号的矢量表示r的过完备字典，/>表示压缩观测矩阵，所述等效感知矩阵/>的相关性表征函数/>的表达式为：
(6)。
在本发明的一个实施例中，所述联合稀疏表示模型的构建方法为：
将接收信号的H、V两路偏振分量进行分离联合处理，令接收信号R为一个N×2的矩阵，其中N为信号采样长度，即：
(7)
其中，r H、r V分别表示接收信号R的H、V两路偏振分量；
令、/>分别表示发射信号矢量的H、V两路偏振分量，/>、/>分别表示压制性强干扰源信号的垂直偏振与水平偏振分量，则得到接收信号R的矩阵关系表达式：
(8)
其中，X表示传输信号，，/>是/>的转置，/>，表示压制性强干扰源信号的偏振矢量，/>为目标回波/>的极化散射矩阵，/>表示发射水平极化，接收水平极化状态下，目标的等效散射系数；/>表示发射水平极化，接收垂直极化状态下，目标的等效散射系数；/>表示发射垂直极化，接收水平极化状态下，目标的等效散射系数；/>表示发射垂直极化，接收垂直极化状态下，目标的等效散射系数；
根据式(8)，将式(7)中无噪声与干扰情况下H、V两路接收偏振分量r H 和r V 分别表示为：
(9)
(10)
定义H路偏振分量r H 的基向量为：
(11)
则H路偏振分量r H 对应的稀疏基表示为：
(12)
同理，定义V路偏振分量r V 的基向量为：
(13)
则V路偏振分量r V 对应的稀疏基表示为：
(14)
其中，τ 1表示字典原子对应的第1个时延网格，v 1表示字典原子对应的第1个多普勒频移网格，τ n表示字典原子对应的第n个时延网格，v q表示字典原子对应的第q个多普勒频移网格，τ N表示字典原子对应的第N个时延网格，v Q表示字典原子对应的第Q个多普勒频移网格；
因此，向量化接收信号的矢量表示r具有以下的过完备字典：
(15)
其中，表示将矩阵/>与/>按照对角线进行放置；
最终得到向量化接收信号的矢量表示r的联合稀疏表示模型为：
(16)
其中，，/>为向量化函数，/>表示稀疏系数。
在本发明的一个实施例中，所述传输信号X表示为：
(17)
其中，表示信源信号，/>表示当前传输信源信号的偏振分量，/>表示信源信号的水平偏振分量，/>表示信源信号的垂直偏振分量。
在本发明的一个实施例中，所述压制性强干扰源信号表示为：
(18)
其中，为干扰信号的等效强度，/>为压制性强干扰的源信号，/>表示当前压制性强干扰信号的偏振矢量，/>，/>，/>表示压制性强干扰的源信号的水平偏振分量，/>表示压制性强干扰的源信号的垂直偏振分量。
在本发明的一个实施例中，所述目标回波的表达式为：
(19)
其中，为目标回波等效幅度，/>为目标的极化散射矩阵，τ表示延迟时间，v表示多普勒频率。
基于同一发明构思，本发明还提供一种光纤通信强干扰抑制系统，该系统包括以下模块：
稀疏表示模型构建模块，用于基于传输信号的偏振分量，构建接收信号的联合稀疏表示模型；
干扰抑制观测矩阵设计模块，用于基于所述联合稀疏表示模型，设计干扰抑制观测矩阵；
信号干扰抑制模块，用于基于所述干扰抑制观测矩阵，求得观测信号，通过所述观测信号降低压制性强干扰信号的观测后强度。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述的光纤通信强干扰抑制方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一项所述的光纤通信强干扰抑制方法的指令。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明从传输信号的偏振分量着手，通过构造垂直与水平偏振分量的联合稀疏表示模型，并基于上述稀疏表示模型设计干扰抑制矩阵，利用干扰抑制矩阵实现对压制性强干扰的等效偏振滤波，降低压制性强干扰的观测后强度，提高光纤系统的通信可靠性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明所述光纤通信强干扰抑制方法的流程图；
图2是本发明所述接收信号R的矩阵关系示意图；
图3是本发明所述光纤通信强干扰抑制系统的结构图；
说明书附图标记说明：100、稀疏表示模型构建模块；200、干扰抑制观测矩阵设计模块；300、信号干扰抑制模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
参照图1所示，本发明提供一种光纤通信强干扰抑制方法，该方法包括以下步骤：
S1：基于传输信号的偏振分量，构建接收信号的联合稀疏表示模型；
S2：基于所述联合稀疏表示模型，设计干扰抑制观测矩阵；
S3：基于所述干扰抑制观测矩阵，求得观测信号，通过所述观测信号降低压制性强干扰信号的观测后强度；
具体地，在S2中，所述干扰抑制观测矩阵的设计步骤包括：
S21：在信道非通信工作期间，对信道的背景噪声进行采样，得到通信间歇采样信号；
S22：利用所述通信间歇采样信号来估计压制性强干扰源信号的偏振矢量/>：
(1)
其中，表示当前传输信源信号的偏振分量，/>表示信源信号的水平偏振分量，/>表示信源信号的垂直偏振分量，/>表示h的转置；
S23：基于所述压制性强干扰源信号的偏振矢量，将干扰抑制矩阵/>的设计过程归纳为求解优化问题的过程：
(2)
其中，表示干扰抑制观测后的观测向量/>对应的等效感知字典，/>表示等效感知矩阵/>的相关性表征函数，/>表示等效感知矩阵相关性表征函数的上限值；
S24：通过求解所述优化问题，得到干扰抑制矩阵。
在本实施例中，所述干扰抑制观测后的观测向量的获取方法为：
利用干扰抑制矩阵观测观测接收信号R的过程用观测信号表示，令观测信号为，设计压缩观测矩阵/>，对观测信号Y进一步扩展得到：
(3)
令，/>，/>为向量化函数，则所述干扰抑制观测后的观测向量/>可表示为：
(4)
其中，R表示接收信号，表示克罗内克积。
所述干扰抑制观测后的观测向量对应的等效感知字典/>的获取方法为：基于所述联合稀疏表示模型，得到干扰抑制观测后的观测向量/>对应的等效感知字典/>为：
(5)
其中，表示向量化接收信号的矢量表示r的过完备字典，/>表示压缩观测矩阵。
本发明将压制性强干扰抑制观测矩阵设计的问题进一步扩展，在对压制性强干扰进行极化域抑制的同时，将降低式(5)中的等效感知字典的相关性作为干扰抑制矩阵设计问题的另一个约束条件。令/>表示等效感知矩阵相关性表征函数，其表达式为：
(6)。
在本实施例中，所述联合稀疏表示模型的构建方法为：
将接收信号的H、V两路偏振分量进行分离联合处理，令接收信号R为一个N×2的矩阵，其中N为信号采样长度，即：
(7)
其中，r H、r V分别表示接收信号R的H、V两路偏振分量；
令、/>分别表示发射信号矢量的H、V两路偏振分量，/>、/>分别表示压制性强干扰源信号的垂直偏振与水平偏振分量，如图2所示，则得到接收信号R的矩阵关系表达式：
(8)
其中，X表示传输信号，，/>是/>的转置，/>，表示压制性强干扰源信号的偏振矢量，/>为目标回波/>的极化散射矩阵，/>表示发射水平（H）极化，接收水平（H）极化状态下，目标的等效散射系数；表示发射水平（H）极化，接收垂直（V）极化状态下，目标的等效散射系数；/>表示发射垂直（V）极化，接收水平（H）极化状态下，目标的等效散射系数；/>表示发射垂直（V）极化，接收垂直（V）极化状态下，目标的等效散射系数；
根据式(8)，将式(7)中无噪声与干扰情况下H、V两路接收偏振分量r H 和r V 分别表示为：
(9)
(10)
定义H路偏振分量r H 的基向量为：
(11)
则H路偏振分量r H 对应的稀疏基表示为：
(12)
同理，定义V路偏振分量r V 的基向量为：
(13)
则V路偏振分量r V 对应的稀疏基表示为：
(14)
其中，τ 1表示字典原子对应的第1个时延网格，v 1表示字典原子对应的第1个多普勒频移网格，τ n表示字典原子对应的第n个时延网格，v q表示字典原子对应的第q个多普勒频移网格，τ N表示字典原子对应的第N个时延网格，v Q表示字典原子对应的第Q个多普勒频移网格；
因此，向量化接收信号的矢量表示r具有以下的过完备字典：
(15)
其中，表示将矩阵/>与/>按照对角线进行放置；
最终得到向量化接收信号的矢量表示r的联合稀疏表示模型为：
(16)
上式的稀疏表示实际上是接收信号H、V两路偏振分量的联合稀疏表示，并且稀疏向量具有块稀疏特性。其中，，/>为向量化函数，/>表示稀疏系数。
在本实施例中，所述传输信号表示为：
(17)
其中，表示信源信号，/>表示当前传输信源信号的偏振分量，/>表示信源信号的水平偏振分量，/>表示信源信号的垂直偏振分量。
在本实施例中，所述压制性强干扰源信号表示为：
(18)
其中，为干扰信号的等效强度，/>为压制性强干扰的源信号，/>表示当前压制性强干扰信号的偏振矢量，/>，/>，/>表示压制性强干扰的源信号的水平偏振分量，/>表示压制性强干扰的源信号的垂直偏振分量。
当不存在干扰的情况下，接收信号矢量为所述目标回波，所述目标回波的表达式为：
(19)
其中，为目标回波等效幅度，/>为目标的极化散射矩阵，τ表示延迟时间，v表示多普勒频率。
在存在压制性强干扰的情况下，采样得到的接收信号矢量r可以表示为：
(20)。
在本实施例中，S3中，利用所述干扰抑制观测矩阵降低压制性强干扰信号的观测后强度的方法包括：基于所述干扰抑制观测矩阵，利用公式(3)求得观测信号Y，通过所述观测信号Y降低压制性强干扰信号的观测后强度，经过抑制后的压制性强干扰信号E p 可表示为：
(21)。
实施例二
基于与实施例一同样的发明构思，如图3所示，本发明还提供一种光纤通信强干扰抑制系统，该系统包括以下模块：
稀疏表示模型构建模块100，用于基于传输信号的偏振分量，构建接收信号的联合稀疏表示模型；
干扰抑制观测矩阵设计模块200，用于基于所述联合稀疏表示模型，设计干扰抑制观测矩阵；
信号干扰抑制模块300，用于基于所述干扰抑制观测矩阵，求得观测信号，通过所述观测信号降低压制性强干扰信号的观测后强度。
实施例三
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项实施例一中所述的光纤通信强干扰抑制方法。
实施例四
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一项实施例一中所述的光纤通信强干扰抑制方法的指令。
综上，本发明从传输信号的偏振分量着手，通过构造垂直与水平偏振分量的联合稀疏表示模型，并基于上述稀疏表示模型设计干扰抑制矩阵，利用干扰抑制矩阵实现对压制性强干扰的等效偏振滤波，降低压制性强干扰的观测后强度，从而提高光纤系统的通信可靠性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种光纤通信强干扰抑制方法，其特征在于，包括：
S1：基于传输信号的偏振分量，构建接收信号的联合稀疏表示模型；
S2：基于所述联合稀疏表示模型，设计干扰抑制观测矩阵；
S3：基于所述干扰抑制观测矩阵，求得观测信号，通过所述观测信号降低压制性强干扰信号的观测后强度；
其中，所述干扰抑制观测矩阵的设计步骤包括：
S21：在信道非通信工作期间，对信道的背景噪声进行采样，得到通信间歇采样信号；
S22：利用所述通信间歇采样信号来估计压制性强干扰源信号的偏振矢量/>：
(1)
其中，表示当前传输信源信号的偏振分量，/>表示信源信号的水平偏振分量，/>表示信源信号的垂直偏振分量，/>表示h的转置；
S23：基于所述压制性强干扰源信号的偏振矢量，将干扰抑制矩阵/>的设计过程归纳为求解优化问题的过程：
(2)
其中，表示干扰抑制观测后的观测向量/>对应的等效感知字典，/>表示等效感知矩阵/>的相关性表征函数，/>表示等效感知矩阵相关性表征函数的上限值；
S24：通过求解所述优化问题，得到干扰抑制矩阵。
2.根据权利要求1所述的光纤通信强干扰抑制方法，其特征在于：所述干扰抑制观测后的观测向量的获取方法为：
令观测信号为，设计压缩观测矩阵/>，对观测信号Y进一步扩展得到：
(3)
令，/>，/>为向量化函数，则所述干扰抑制观测后的观测向量/>可表示为：
(4)
其中，R表示接收信号，表示克罗内克积。
3.根据权利要求1所述的光纤通信强干扰抑制方法，其特征在于：所述干扰抑制观测后的观测向量对应的等效感知字典/>的获取方法为：基于所述联合稀疏表示模型，得到干扰抑制观测后的观测向量/>对应的等效感知字典/>为：
(5)
其中，表示向量化接收信号的矢量表示r的过完备字典，/>表示压缩观测矩阵，所述等效感知矩阵/>的相关性表征函数/>的表达式为：
(6)。
4.根据权利要求3所述的光纤通信强干扰抑制方法，其特征在于：所述联合稀疏表示模型的构建方法为：
将接收信号的H、V两路偏振分量进行分离联合处理，令接收信号R为一个N×2的矩阵，其中N为信号采样长度，即：
(7)
其中，r H、r V分别表示接收信号R的H、V两路偏振分量；
令、/>分别表示发射信号矢量的H、V两路偏振分量，/>、/>分别表示压制性强干扰源信号的垂直偏振与水平偏振分量，则得到接收信号R的矩阵关系表达式：
(8)
其中，X表示传输信号，，/>是/>的转置，/>，/>表示压制性强干扰源信号的偏振矢量，/>为目标回波/>的极化散射矩阵，/>表示发射水平极化，接收水平极化状态下，目标的等效散射系数；/>表示发射水平极化，接收垂直极化状态下，目标的等效散射系数；/>表示发射垂直极化，接收水平极化状态下，目标的等效散射系数；/>表示发射垂直极化，接收垂直极化状态下，目标的等效散射系数；
根据式(8)，将式(7)中无噪声与干扰情况下H、V两路接收偏振分量r H 和r V 分别表示为：
(9)
(10)
定义H路偏振分量r H 的基向量为：
(11)
则H路偏振分量r H 对应的稀疏基表示为：
(12)
同理，定义V路偏振分量r V 的基向量为：
(13)
则V路偏振分量r V 对应的稀疏基表示为：
(14)
其中，τ 1表示字典原子对应的第1个时延网格，v 1表示字典原子对应的第1个多普勒频移网格，τ n表示字典原子对应的第n个时延网格，v q表示字典原子对应的第q个多普勒频移网格，τ N表示字典原子对应的第N个时延网格，v Q表示字典原子对应的第Q个多普勒频移网格；
因此，向量化接收信号的矢量表示r具有以下的过完备字典：
(15)
其中，表示将矩阵/>与/>按照对角线进行放置；
最终得到向量化接收信号的矢量表示r的联合稀疏表示模型为：
(16)
其中，，/>为向量化函数，/>表示稀疏系数。
5.根据权利要求4所述的光纤通信强干扰抑制方法，其特征在于：所述传输信号X表示为：
(17)
其中，表示信源信号，/>表示当前传输信源信号的偏振分量，表示信源信号的水平偏振分量，/>表示信源信号的垂直偏振分量。
6.根据权利要求4所述的光纤通信强干扰抑制方法，其特征在于：所述压制性强干扰源信号表示为：
(18)
其中，为干扰信号的等效强度，/>为压制性强干扰的源信号，/>表示当前压制性强干扰信号的偏振矢量，/>，/>，/>表示压制性强干扰的源信号的水平偏振分量，/>表示压制性强干扰的源信号的垂直偏振分量。
7.根据权利要求4所述的光纤通信强干扰抑制方法，其特征在于：所述目标回波的表达式为：
(19)
其中，为目标回波等效幅度，/>为目标的极化散射矩阵，τ表示延迟时间，v表示多普勒频率。
8.一种光纤通信强干扰抑制系统，其特征在于，包括以下模块：
稀疏表示模型构建模块，用于基于传输信号的偏振分量，构建接收信号的联合稀疏表示模型；
干扰抑制观测矩阵设计模块，用于基于所述联合稀疏表示模型，设计干扰抑制观测矩阵；
信号干扰抑制模块，用于基于所述干扰抑制观测矩阵，求得观测信号，通过所述观测信号降低压制性强干扰信号的观测后强度。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1~7任一项所述光纤通信强干扰抑制方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1~7任一项所述光纤通信强干扰抑制方法的指令。
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