CN118018171B - 多通道光信号同步与干扰抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多通道光信号同步与干扰抑制方法，涉及光通信技术领域。所述方法包括：骤1：通过一组高分辨率光谱传感器采集光信号；步骤2：对自适应滤波光信号进行时频分析以获取其频谱特征；使用动力学方程进行信号同步检测，以检测不同通道之间的同步性；使用拟合算法估计时钟同步误差；步骤3：根据估计的时钟同步误差，对自适应滤波光信号进行时延补偿；步骤4：使用自适应波束成形技术抑制信号间的干扰；使用频率选择性滤波器以抑制信号自身干扰。本发明实现了对光信号的精准同步和高效干扰抑制，该方法能够有效地提高光通信系统的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及多通道光信号同步与干扰抑制方法。
背景技术
随着光通信技术的不断发展，多通道光信号的同步与干扰抑制成为了一个重要的研究方向。在光通信系统中，由于光信号的传输路径多样性以及光学设备的特性差异，导致了不同通道之间存在着时钟同步误差和信号间的干扰问题。解决这些问题对于提高光通信系统的性能和稳定性具有至关重要的意义。
在现有的光通信系统中，通常采用的是单通道光信号传输技术，通过各种方式来保证信号的同步性和抗干扰能力。然而，随着通信需求的增加和通道数目的扩展，单通道光信号传输技术已经不能满足日益增长的通信需求，因此需要引入多通道光信号传输技术来实现更高的数据传输速率和更可靠的通信连接。已有的多通道光信号传输技术中，通常采用的是固定的时钟同步方案和简单的干扰抑制技术。在时钟同步方面，常见的做法是使用硬件时钟同步器或者基于软件的时钟同步算法来保持各通道之间的同步性。然而，这些方法往往需要复杂的硬件设备或者计算资源，并且在面对通道间时钟同步误差较大或者频繁变化的情况下，难以有效解决问题。
另一方面，在干扰抑制方面，通常采用的是固定的滤波器或者简单的滤波技术来抑制信号间的干扰。然而，这些方法往往只能对特定频率范围的干扰进行抑制，对于复杂的干扰信号或者频谱变化较大的信号难以处理，导致了干扰抑制效果不佳。除此之外，在现有技术中还存在着对光信号传输特性的不充分考虑和对复杂干扰信号的处理能力不足等问题。传统的光信号处理方法往往忽视了光信号在传输过程中的动态特性，导致了在复杂环境下的光信号传输性能下降。另外，对于频率变化较大或者频谱特性复杂的干扰信号，现有技术往往无法有效地进行抑制，导致了通信系统的稳定性和可靠性受到了影响。
综上所述，尽管现有的光通信技术在单通道光信号传输方面取得了一定的成就，但在面对多通道光信号传输时仍存在诸多问题。这些问题包括时钟同步误差的处理、信号间干扰的抑制以及对动态信号特性和复杂干扰信号的处理能力不足等。因此，急需一种新的多通道光信号同步与干扰抑制方法，能够有效地解决现有技术中存在的问题，并提高光通信系统的性能和稳定性。
发明内容
鉴于此，本发明提供了多通道光信号同步与干扰抑制方法，实现了对光信号的精准同步和高效干扰抑制；该方法能够有效地提高光通信系统的稳定性和可靠性。
本发明采用的技术方案如下：
多通道光信号同步与干扰抑制方法，所述方法包括：
步骤1：通过一组高分辨率光谱传感器采集光信号；每个高分辨率光谱传感器采集一个通道的光信号；对每个通道的光信号应用一个自适应滤波器进行自适应滤波，输出自适应滤波光信号；
步骤2：对自适应滤波光信号进行时频分析以获取其频谱特征；使用动力学方程进行信号同步检测，以检测不同通道之间的同步性；在判定某个通道的光信号存在不同步时，基于频谱特征，使用拟合算法估计时钟同步误差；
步骤3：根据估计的时钟同步误差，对自适应滤波光信号进行时延补偿；
步骤4：使用自适应波束成形技术抑制信号间的干扰；使用频率选择性滤波器以抑制信号自身干扰。
进一步的，步骤1中，设每个采集到在时间的通道/>的光信号为/>；采用一个时变的自适应滤波器，其输出/>为自适应滤波光信号，通过以下公式表示：
；
其中，表示滤波器的冲击响应，/>是自适应滤波器的时间变化参数；/>为时间延迟变量。
进一步的，设置自适应时间窗口，以动态调整滤波器的工作范围，使其适应不断变化的信号特性；自适应时间窗口通过以下非线性方程进行调整：
；
其中和/>分别表示自适应时间窗口的最小尺寸和最大尺寸，/>表示自适应时间窗口的中心位置，/>是自适应时间窗口的调整速度参数；自适应滤波器的时间变化参数/>通过如下公式进行表示：
；
其中，是时间变化参数的最大变化率；/>是设定的时间变化周期；/>为求信号幅度的运算。
进一步的，步骤2中，通过如下公式，对自适应滤波光信号进行时频分析以获取其频谱特征：
；
其中，为自适应滤波光信号的频率；/>为虚数符号；/>是多尺度核函数，使用如下公式进行表示：
；
其中，为尺度的总数；/>是尺度/>下的频率/>相关的振幅系数，用于调节多尺度核函数在不同频率下的振幅大小；/>是尺度/>下的频率/>下的波数，与多尺度核函数的频率相关，反映了自适应滤波光信号的相位信息；/>是尺度/>，频率/>下的多尺度核函数的标准差，它描述了多尺度核函数在时间上的宽度，影响着自适应滤波光信号在时间上的分布范围。
进一步的，步骤2中的动力学方程使用如下公式进行表示：
；
其中，代表通道/>的同步状态变量；/>是第一非线性参数，用于调节状态变量/>的增长率，影响光信号的增长速度或衰减速度；/>是第二非线性参数，用于调节状态变量/>的二阶导数对状态变量的影响，其影响光信号的动态行为，包括调节信号的振荡或阻尼；是耦合参数，表示不同通道之间的相互作用强度，它影响了通道/>的状态变量/>受到其他通道状态变量/>影响的程度；/>是噪声项，表示来自环境或系统的随机干扰；通过求解动力学方程，得到通道/>的同步状态变量/>；计算所有通道的同步状态变量的标准差，作为判定值；将判定值与预设的判定阈值进行比较，若超过设定的判定阈值，则判断不同步，否则判断不同步；在判断不同步的情况下，通过所有通道的同步状态变量的标准差，筛选出不同步的同步状态变量/>，以此找到对应的通道和该通道下的光信号；所述不同步的同步状态变量/>定义为与所有通道的同步状态变量的均值的差值的绝对值最大的同步状态变量。
进一步的，第一非线性参数使用如下公式进行表示：
；
其中，为基准增长率，为设定值，表示状态变量/>的初始增长速度；/>为求导阶数。
进一步的，第二非线性参数使用如下公式进行表示：
；
其中，表示时间/>下的相位。
进一步的，步骤2中，通过如下公式，使用拟合算法估计时钟同步误差：
；
其中，为通道/>的光信号的时钟同步误差；/>为时间变化量；/>为尺度/>下的频率；/>表示通道/>的光信号在尺度/>下的频谱特征；/>表示与通道/>的同步状态变量/>的差值的绝对值最小的通道/>的光信号在尺度/>下的频谱特征；/>表示求2阶L范数。
进一步的，步骤3中，通过如下公式，对自适应滤波光信号进行时延补偿：
；
其中，为进行时延补偿后的自适应滤波光信号；/>为通道/>的时间衰减函数，使用如下公式进行表示：
。
采用以上技术方案，本发明产生了以下有益效果：首先，本发明采用了自适应滤波器对光信号进行处理，在步骤1中，每个通道的光信号都经过自适应滤波器处理，这使得系统能够更有效地抑制信号中的噪声和干扰。相比于传统的固定滤波器，自适应滤波器能够根据信号的特性动态调整滤波参数，从而提高了信号处理的精度和效率。这样一来，系统在面对复杂的信号环境时，能够更好地保持信号的清晰度和准确性，有助于提高通信系统的稳定性和可靠性。其次，本发明引入了动力学方程进行信号同步检测，在步骤2中，通过动力学方程对信号进行同步检测，能够更准确地判断不同通道之间的同步性。相比于传统的硬件时钟同步器或者简单的软件同步算法，动力学方程能够更灵活地适应不同通道间时钟同步误差的变化，并且能够在更短的时间内完成同步检测，提高了系统的实时性和准确性。此外，本发明采用了自适应波束成形技术和频率选择性滤波器进行干扰抑制，在步骤4中，通过自适应波束成形技术和频率选择性滤波器，能够更有效地抑制信号间的干扰和自身干扰。自适应波束成形技术能够根据信号的传输路径和环境特性动态调整波束形状，从而最大限度地提高信号的接收质量。而频率选择性滤波器则能够有针对性地过滤掉干扰信号中的特定频率成分，使得系统在面对复杂的干扰信号时，能够更有效地保持信号的清晰度和稳定性。此外，本发明还引入了自适应时间窗口和非线性参数调整等技术，在步骤3和步骤6中，自适应时间窗口技术能够根据信号的动态特性调整滤波器的工作范围，从而更好地适应信号的变化。而非线性参数调整技术则能够根据信号的实时变化调整滤波器的参数，使得系统能够更有效地处理信号的非线性特性，提高了系统对复杂信号的处理能力。
附图说明
图1是本发明实施例中多通道光信号同步与干扰抑制方法的方法流程示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1：参考图1，多通道光信号同步与干扰抑制方法，所述方法包括：
步骤1：通过一组高分辨率光谱传感器采集光信号；每个高分辨率光谱传感器采集一个通道的光信号；对每个通道的光信号应用一个自适应滤波器进行自适应滤波，输出自适应滤波光信号；
这些传感器用于采集光信号。光信号是在不同波长（频率）上的光能量的表示，而高分辨率传感器可以以高精度和高分辨率获取这些光信号。通常，这些传感器可以包括光谱仪或光谱相机，能够捕获广泛的光谱范围，并提供波长分辨率高的光谱数据。在采集到原始光信号之后，为了处理其中的噪声、干扰以及其他不必要的成分，采用自适应滤波器进行滤波。自适应滤波器的原理是根据输入信号的特性自动调整其滤波器系数，以使输出信号满足某种性能指标，例如最小化输出误差或最大化信噪比。这样的滤波器可以更好地适应信号的动态变化，提高信号处理的效率和质量。自适应滤波的过程通常基于一些适应性算法，比如最小均方（LMS）算法或者最小均方误差（LMSE）算法。这些算法会根据输入信号的实时变化，动态地更新滤波器的系数。具体来说，每个通道的光信号会被送入自适应滤波器中，滤波器将对信号进行处理，使得输出信号更接近于所需的理想信号。自适应滤波器的调整过程可以根据当前信号的性质，对滤波器的参数进行实时调整，以适应不同信号条件下的最佳滤波效果。经过自适应滤波器处理后的信号被称为输出自适应滤波光信号。这些信号已经经过优化处理，以消除或减少原始信号中存在的干扰、噪声和其他不必要的成分，从而提高了信号的质量和可用性。
步骤2：对自适应滤波光信号进行时频分析以获取其频谱特征；使用动力学方程进行信号同步检测，以检测不同通道之间的同步性；在判定某个通道的光信号存在不同步时，基于频谱特征，使用拟合算法估计时钟同步误差；
时频分析是一种信号处理技术，用于分析信号在时间和频率域上的特征。在这个步骤中，时频分析用于获取自适应滤波光信号的频谱特征。频谱特征包括信号在不同频率上的能量分布情况，可以通过傅里叶变换或者小波变换等技术来实现。这些频谱特征对于后续的信号同步检测和时钟同步误差估计非常重要。动力学方程是描述系统随时间变化的规律的数学方程。在这个步骤中，动力学方程被用于信号同步检测。具体来说，这些方程可以描述信号的演变过程，包括信号的变化速度、加速度等。通过分析不同通道之间信号的动态变化，可以检测出是否存在同步性问题。基于动力学方程对信号进行同步检测是一种常见的方法。通过比较不同通道的信号特征，如相位、频率等，可以确定它们之间的同步性。如果检测到某个通道的光信号存在不同步，就需要进一步处理来校正同步误差，以确保所有通道的信号处于同步状态。在判定某个通道的光信号存在不同步时，根据频谱特征，使用拟合算法估计时钟同步误差。这是通过分析信号的频谱特征，例如频率偏移、相位差等来实现的。估计时钟同步误差的目的是为了进一步的校正，以确保所有通道的信号能够在同一时间点进行比较和分析。
步骤3：根据估计的时钟同步误差，对自适应滤波光信号进行时延补偿；
在步骤2中，利用频谱特征和拟合算法对信号进行分析，估计不同通道之间的时钟同步误差。时钟同步误差是指不同通道的时钟在时间上的偏移，导致信号在不同通道之间存在时延差异。这个误差是由于不同通道的时钟存在微小的漂移或偏移所引起的。一旦估计得到了不同通道之间的时钟同步误差，就需要对信号进行时延补偿，以校正这些时钟同步误差。时延补偿的目的是使得不同通道的信号在时间上对齐，从而确保它们能够在相同的时间点进行比较和分析。时延补偿可以通过不同的方法来实现，其中一种常见的方法是通过延迟线或者数字信号处理技术来实现。具体来说，可以根据估计的时钟同步误差，对每个通道的信号进行相应的延迟或提前调整，使得所有通道的信号在时间上达到一致。值得注意的是，时延补偿过程需要具有一定的自适应性，以适应不同通道之间的时钟同步误差的变化。因为时钟同步误差可能会随着时间的推移或者环境条件的变化而发生变化，所以时延补偿算法需要能够实时地根据最新的时钟同步误差来调整延迟量，保持信号的同步性。
步骤4：使用自适应波束成形技术抑制信号间的干扰；使用频率选择性滤波器以抑制信号自身干扰。
具体的，自适应波束成形是一种信号处理技术，旨在使接收天线在特定方向上增强期望信号的能力，同时抑制来自其他方向的干扰信号。这是通过调整天线的权重来实现的，使得在期望信号方向上形成一个波束，而在其他方向上形成波束的能量衰减。这样可以提高系统对期望信号的接收性能，同时减少对干扰信号的敏感度。首先，需要在接收端配置具有多个天线的阵列。每个天线的输出信号经过一定的权重调节后，被组合起来形成一个波束。这些权重是根据系统的设计和信号环境来确定的。理想情况下，通过调整权重，使得在期望信号的方向上形成一个波束，从而最大化期望信号的接收功率。同时，尽可能降低在其他方向上的信号接收功率，以抑制干扰信号。权重的调整通常采用自适应算法来实现，例如最小均方误差（LMS）算法或最小均方（LSM）算法。这些算法根据接收到的信号和预期的目标，自动地调整权重，以使得波束在期望方向上最大化信号功率，同时最小化干扰方向上的信号功率。由于信号环境可能随时间和空间的变化而变化，因此自适应波束成形系统通常需要具有一定的实时性能调整能力。这意味着系统需要能够快速地检测到信号环境的变化，并相应地调整天线权重，以适应新的信号环境，确保持续的有效性能。通过使用自适应波束成形技术，系统可以在一定程度上抑制信号间的干扰，提高信号的接收质量和抗干扰能力。这种技术尤其适用于复杂的信号环境下，如多径传播或者多用户干扰的情况下。
频率选择性滤波器是一种可以选择性地通过或者阻塞特定频率范围内的信号的滤波器。它的原理是基于信号的频域特性，根据频率的不同，选择性地对信号进行滤波处理。这种滤波器可以帮助去除信号中的不需要的频率分量，从而减少信号自身的干扰。首先，需要确定需要滤除的频率范围。这个频率范围通常是通过对信号进行频谱分析来确定的，可以识别出信号中存在的干扰频率。根据系统的需求和设计，选择需要滤除的频率范围，以减少信号自身干扰对系统性能的影响。根据确定的频率范围，设计频率选择性滤波器。这个滤波器通常是根据系统的需求和频率范围来选择合适的滤波器类型，例如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。设计的目标是在指定的频率范围内滤除不需要的信号成分，保留需要的信号成分。
实施例2：步骤1中，设每个采集到在时间的通道/>的光信号为/>；采用一个时变的自适应滤波器，其输出/>为自适应滤波光信号，通过以下公式表示：
；
其中，表示滤波器的冲击响应，/>是自适应滤波器的时间变化参数；为时间延迟变量。
具体的，自适应滤波器是一种能够根据输入信号的特性动态调整其参数以实现最佳滤波效果的滤波器。在这个公式中，考虑了一个时变的自适应滤波器，其输出是对通道/>的光信号/>进行滤波后的结果。让逐步分析公式的每一部分：输入信号/>代表了在时间/>采集到的通道/>的原始光信号。这些信号可能包含了各种噪声、干扰以及所需信号。自适应滤波器的冲击响应/>描述了滤波器对单位冲激信号的响应。它表现了滤波器在不同时间延迟下对输入信号的响应情况。在公式中，/>表示在时间/>时刻对单位冲激信号的响应。时间变化参数/>是自适应滤波器的一个关键参数，描述了滤波器的时间动态性。在不同的时间点/>，该参数可能会有不同的取值。它用于调整滤波器的行为以适应信号的变化。/>这部分表示了对输入信号/>和滤波器的冲击响应/>进行卷积操作，并乘以一个时间变化系数。这个操作考虑了滤波器的动态性，即滤波器的响应可能随时间而变化。卷积操作在时域上将两个信号相乘，并对结果进行积分，得到滤波器的输出。这个公式描述了自适应滤波器对光信号进行处理的过程。它考虑了滤波器的动态性和时间变化参数，通过卷积操作将输入信号和滤波器的冲击响应相乘，并考虑了时间变化系数，得到了滤波器的输出。这样的处理可以有效地滤除信号中的噪声和干扰，提高信号的质量和可用性。
实施例3：设置自适应时间窗口，以动态调整滤波器的工作范围，使其适应不断变化的信号特性；自适应时间窗口通过以下非线性方程进行调整：
；
公式中使用了双曲正切函数，其输入为/>，表示时间/>相对于中心位置/>的偏移量，除以调整速度参数/>进行标准化。/>函数的输出范围在之间，它的作用是将输入映射到一个介于/>和/>之间的区间。整个公式的含义是，根据当前时刻/>和中心位置/>之间的偏移量，以及调整速度参数/>，动态地调整自适应时间窗口的大小。具体来说：当/>接近/>时，/>接近/>，此时/> 接近/>，自适应时间窗口的大小接近/>。当/>偏离/>较远时，/>的绝对值较大，/> 接近/>，自适应时间窗口的大小逐渐从/>增加到/>，在/> 时达到最大值。因此，这个公式实现了一个动态的自适应时间窗口，能够根据当前时间和中心位置的偏移量来调整自适应时间窗口的大小，以适应不同的信号特性。这样可以确保滤波器能够根据信号的变化情况进行灵活的调整，从而提高信号处理的效率和质量。
其中和/>分别表示自适应时间窗口的最小尺寸和最大尺寸，/>表示自适应时间窗口的中心位置，/>是自适应时间窗口的调整速度参数；自适应滤波器的时间变化参数/>通过如下公式进行表示：
；其中，/>是时间变化参数的最大变化率；/>是设定的时间变化周期；/>为求信号幅度的运算。
具体的，这个公式描述了自适应滤波器中时间变化参数随时间的变化规律。这个参数是自适应滤波器的一个重要参数，影响着滤波器对信号的处理方式。让深入解释这个公式的原理。
首先，公式中的第一部分考虑了输入信号的振幅对时间变化参数的影响。这部分利用了信号在时域上的积分结果，经过正弦函数处理，并取其平方。正弦函数的作用是将输入信号的积分结果转换为一个介于/>和/>之间的值，表示信号的振幅对时间变化参数的影响程度。振幅较大的信号将导致时间变化参数的变化率增加，从而使得滤波器对信号的调整更为敏感。第二部分/>则描述了自适应时间窗口对时间变化参数的影响。这部分的核心是一个sigmoid函数，其输入是输入信号/>和滤波器的输出信号/>的差异。这个函数的导数描述了自适应时间窗口变化率对时间变化参数的影响。sigmoid函数的作用是根据输入信号和滤波器输出信号之间的差异来调整时间变化参数的变化率。如果输入信号和滤波器输出信号之间的差异较大，那么时间变化参数的变化率将增加，从而使得滤波器更快地适应信号的变化。整个公式综合了两部分因素，即输入信号的振幅和自适应时间窗口的变化率，来动态调整时间变化参数/>。这种动态调整能够使得滤波器对信号的变化更为灵活和敏感，从而提高了滤波器对信号的适应能力和处理效率。这对于处理不断变化的信号特性非常重要，能够保证滤波器在各种情况下都能够有效地工作。
实施例4：步骤2中，通过如下公式，对自适应滤波光信号进行时频分析以获取其频谱特征：
；
具体的，公式中的代表了自适应滤波器的输出信号，即经过滤波器处理后的光信号。而/>则是一个多尺度核函数，用于描述信号在频域和时域上的特征。这个核函数具有多个尺度，每个尺度下都有不同的振幅系数/>、波数/>和标准差/>，使其能够适应不同频率和时域下的信号变化。在公式中，对自适应滤波器的输出信号/>和多尺度核函数/>进行了卷积运算，并乘以复指数函数/>，表示了信号在频域上的变化。然后，对整个时间域进行积分，从/>到/>，得到了自适应滤波光信号在频域上的特征/>。这个特征描述了自适应滤波光信号在不同频率和时域下的能量分布情况。通过分析这个特征，可以了解信号的频谱特性，包括频率成分的强弱、频谱的宽度和分布等信息。这对于理解信号的频域特性以及进行后续的信号处理和分析非常重要。
其中，为自适应滤波光信号的频率；/>为虚数符号；/>是多尺度核函数，使用如下公式进行表示：
；
其中，为尺度的总数；/>是尺度/>下的频率/>相关的振幅系数，用于调节多尺度核函数在不同频率下的振幅大小；/>是尺度/>下的频率/>下的波数，与多尺度核函数的频率相关，反映了自适应滤波光信号的相位信息；/>是尺度/>，频率/>下的多尺度核函数的标准差，它描述了多尺度核函数在时间上的宽度，影响着自适应滤波光信号在时间上的分布范围。
公式中的表示对多个尺度的核函数进行求和。这些核函数具有不同的振幅系数/>、波数/>和标准差/>，代表了在不同频率/>下的多个尺度上的特征。在公式中，第一部分/>描述了频率/>下的尺度/>对应的相位信息，其中/>是与频率/>相关的波数，/>是光速，/>表示时间延迟。指数部分/>表示了相位随时间延迟的变化情况，它随着时间的增加而周期性地变化，反映了信号的相位特性。第二部分/>描述了频率/>下的尺度/>对应的核函数在时间上的分布情况。这部分通过高斯函数来描述，在时间延迟/>处取得最大值，随着时间的增加或减小，函数值逐渐减小。参数/>表示了核函数在时间上的宽度，影响着函数在时间上的分布范围。因此，整个多尺度核函数/>综合了频率和时间域上的信息，反映了自适应滤波光信号在不同频率和时间下的特征。通过调节不同尺度下的振幅系数、波数和标准差，可以实现对信号特征的灵活调节，以适应不同的信号变化情况。
实施例5：步骤2中的动力学方程使用如下公式进行表示：
；
其中，代表通道/>的同步状态变量；/>是第一非线性参数，用于调节状态变量/>的增长率，影响光信号的增长速度或衰减速度；/>是第二非线性参数，用于调节状态变量/>的二阶导数对状态变量的影响，其影响光信号的动态行为，包括调节信号的振荡或阻尼；是耦合参数，表示不同通道之间的相互作用强度，它影响了通道/>的状态变量/>受到其他通道状态变量/>影响的程度；/>是噪声项，表示来自环境或系统的随机干扰；通过求解动力学方程，得到通道/>的同步状态变量/>；计算所有通道的同步状态变量的标准差，作为判定值；将判定值与预设的判定阈值进行比较，若超过设定的判定阈值，则判断不同步，否则判断不同步；在判断不同步的情况下，通过所有通道的同步状态变量的标准差，筛选出不同步的同步状态变量/>，以此找到对应的通道和该通道下的光信号；所述不同步的同步状态变量/>定义为与所有通道的同步状态变量的均值的差值的绝对值最大的同步状态变量。
实施例6：第一非线性参数使用如下公式进行表示：
；
其中，为基准增长率，为设定值，表示状态变量/>的初始增长速度；/>为求导阶数。
具体的，首先，公式中的表示了基准增长率，它是一个设定值，用于表示状态变量/>在初始时刻的增长速度。这个值可以根据系统的特性或者实验数据进行设定，是模型中的一个重要参数。
接着，公式中的描述了输入信号/>和输出信号/>之间的差异。这部分代表了状态变量的输入输出关系，通过计算输入输出差异的平方根的倒数，可以得到一个关于输入输出差异的量度。在实际应用中，这个差异可能代表了系统的误差或者偏差，对状态变量的增长速度产生影响。然后，公式中的/>表示对输入输出差异进行/>阶导数的结果。这部分考虑了输入输出差异的变化率对状态变量增长速度的影响。通过计算不同阶数的导数，可以得到输入输出差异的变化情况对状态变量增长速度的高阶影响。最后，公式中的/>表示了输入信号的周期性成分对状态变量增长速度的影响。这部分通过对输入信号的周期性成分进行积分，得到了输入信号在时间上的累积效应。周期性成分可能会对状态变量的增长速度产生周期性的影响，通过积分可以考虑这种周期性影响的累积效应。因此，整个公式综合考虑了基准增长率、输入输出差异的变化率以及输入信号的周期性成分，来计算状态变量的增长速度。这样设计的目的是尽可能全面地考虑各种因素对状态变量增长速度的影响，以提高模型的准确性和可靠性。
实施例7：第二非线性参数使用如下公式进行表示：
；
其中，表示时间/>下的相位。
具体的，首先，公式中的表示了时间/>下的相位/>对/>的归一化。相位是描述周期性信号相对于原点的偏移量，通过将相位除以/>，可以将其归一化到一个周期内的范围。接着，公式中的/>表示了对输入信号/>和输出信号/>之间差异的综合影响。在这部分中，/>表示信号的频率，/>和/>表示了状态变量的输入和输出信号。通过计算输入输出差异的绝对值的平方根的倒数乘以频率/>在时间/>的积分，得到了对输入输出差异的综合影响。这个综合影响考虑了输入输出差异在不同时间点的变化情况，并通过积分得到了在整个时间域内的累积效应。因此，整个公式的含义是，第二非线性参数/>是时间/>下的相位/>对/>的归一化值，乘以对输入输出差异的综合影响。这样设计的目的是综合考虑了相位的影响以及输入输出差异的综合影响，从而得到了状态变量/>的另一方面特征。
实施例8：步骤2中，通过如下公式，使用拟合算法估计时钟同步误差：
；
其中，为通道/>的光信号的时钟同步误差；/>为时间变化量；/>为尺度/>下的频率；/>表示通道/>的光信号在尺度/>下的频谱特征；/>表示与通道/>的同步状态变量/>的差值的绝对值最小的通道/>的光信号在尺度/>下的频谱特征；/>表示求2阶L范数。
具体的，首先，表示通道/>的光信号的时钟同步误差的估计值。时钟同步误差是指在多通道光信号传输中，由于不同通道之间的时钟偏差导致的信号接收时间与实际发送时间之间的差异。这个值的估计对于恢复原始信号的时空特性至关重要。在公式中，通过寻找使得括号中的表达式最小化的时间变化量/>来估计时钟同步误差。这个表达式包含两部分：一部分是通道/>的光信号在所有尺度/>下的频谱特征的平均值/>，另一部分是在通道/>上，使用估计的时间同步误差/>后的频谱特征/>。对于第一部分，通过求取所有尺度/>下的频谱特征的平均值，来得到通道/>的光信号在整个频谱范围内的平均表现。这个平均特征能够较好地代表通道/>的光信号的整体特性。而对于第二部分，则是通过估计的时间同步误差/>来调整同步状态变量/>的频谱特征，使其与通道/>的光信号尽可能接近。这个调整过程考虑了时间同步误差对频谱特征的影响，通过将同步状态变量/>的频谱特征向前或向后移动相应的时间量/>，以期望得到与通道/>的光信号最为接近的特征。在整个公式中，采用了2阶L范数来衡量两个信号之间的差异，通过最小化这个范数，找到了使得通道/>的光信号的频谱特征与估计的同步状态变量/>在尺度/>下的频谱特征最接近的时间同步误差/>。因此，这个公式的原理是通过拟合算法来估计使得通道的光信号与同步状态变量最为接近的时间同步误差。通过考虑频谱特征的差异和时间同步误差的影响，能够更准确地恢复原始信号的时空特性，从而提高信号处理的准确性和可靠性。
实施例9：步骤3中，通过如下公式，对自适应滤波光信号进行时延补偿：
；
首先，表示进行时延补偿后的自适应滤波光信号。这个信号经过处理后，旨在消除由于信号传输引起的时间延迟，使得各通道的光信号能够在同一时间点上被准确地处理和分析。在公式中，/>表示对原始的自适应滤波信号/>进行时间延迟补偿，其中/>是通过拟合算法估计得到的通道/>的光信号的时钟同步误差。通过将信号向后延迟/>，实现了对时间延迟的补偿，以确保各通道的信号能够在统一的时间点上进行分析和比较。其次，公式中引入了时间衰减函数/>，它描述了信号在传输过程中的衰减情况。这个函数是通过对通道/>的输入信号/>和输出信号/>在整个时间域上的一阶导数之和进行积分来计算的。时间衰减函数/>反映了信号在传输过程中因噪声、衰减等因素而逐渐损失的能量，它的引入能够更真实地反映信号在传输过程中的实际情况。因此，的计算过程可以分为两步：首先，通过/>进行时间延迟补偿，将信号同步到统一的时间点；然后，通过时间衰减函数/>对补偿后的信号进行衰减，以考虑信号在传输过程中的衰减情况。最终得到的/>是经过时延补偿和衰减调整后的自适应滤波光信号，能够更准确地反映原始信号的时空特性。整个公式的目的是消除信号传输过程中的时间延迟，并考虑信号在传输过程中的衰减情况，从而得到更准确的自适应滤波光信号。这样的处理方式能够提高信号处理的准确性和可靠性，为后续的数据分析和应用提供更可靠的基础。
其中，为进行时延补偿后的自适应滤波光信号；/>为通道/>的时间衰减函数，使用如下公式进行表示：
。
时间衰减函数的目的是描述信号在传输过程中的衰减情况。在光信号处理中，由于光学系统的特性以及信号传输路径的不同，信号会受到噪声、衰减等因素的影响，导致信号的强度逐渐减弱。因此，衡量信号衰减情况的时间衰减函数对于准确恢复原始信号非常重要。在公式中，通过对输入信号/>和输出信号/>的一阶导数之和进行积分来计算时间衰减函数。这里的一阶导数反映了信号在时间上的变化率，即信号的斜率。通过对斜率的变化进行积分，能够得到在整个时间域上对信号衰减的综合评估。具体来说，公式中的表示输入信号/>在时间上的变化率，而/>表示输出信号/>在时间上的变化率。通过对这两者的一阶导数之和进行积分，得到了信号在传输过程中的综合衰减情况，即时间衰减函数/>。因此，/>的计算过程实质上是对信号的变化率进行积分，以评估信号在传输过程中的衰减情况。这个衰减情况反映了光信号在传输过程中所受到的各种因素的影响，包括光学系统的特性、信号传输路径的长度和噪声等。通过对衰减情况的评估，能够更准确地了解信号的传输特性，从而为后续的信号处理和分析提供可靠的基础。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (4)
1.多通道光信号同步与干扰抑制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：通过一组高分辨率光谱传感器采集光信号；每个高分辨率光谱传感器采集一个通道的光信号；对每个通道的光信号应用一个自适应滤波器进行自适应滤波，输出自适应滤波光信号；
步骤1中，设每个采集到在时间t的通道i的光信号为xi(t)；采用一个时变的自适应滤波器，其输出yi(t)为自适应滤波光信号，通过以下公式表示：
其中，hi(t-τ)表示滤波器的冲击响应，αi(τ)是自适应滤波器的时间变化参数；τ为时间延迟变量；
步骤2：对自适应滤波光信号进行时频分析以获取其频谱特征；使用动力学方程进行信号同步检测，以检测不同通道之间的同步性；在判定某个通道的光信号存在不同步时，基于频谱特征，使用拟合算法估计时钟同步误差；
步骤2中，通过如下公式，对自适应滤波光信号进行时频分析以获取其频谱特征Xi(fi,τ)：
其中，fi为自适应滤波光信号的频率；j为虚数符号；是多尺度核函数，使用如下公式进行表示：
其中，K为尺度的总数；Ak(fi)是尺度k下的频率fi相关的振幅系数，用于调节多尺度核函数在不同频率下的振幅大小；ωk(fi)是尺度k下的频率fi下的波数，与多尺度核函数的频率相关，反映了自适应滤波光信号的相位信息；σk(fi)是尺度k，频率fi下的多尺度核函数的标准差，它描述了多尺度核函数在时间上的宽度，影响着自适应滤波光信号在时间上的分布范围；
步骤2中的动力学方程使用如下公式进行表示：
其中，Si代表通道i的同步状态变量；αi是第一非线性参数，用于调节状态变量Si的增长率，影响光信号的增长速度或衰减速度；βi是第二非线性参数，用于调节状态变量Si的二阶导数对状态变量的影响，其影响光信号的动态行为，包括调节信号的振荡或阻尼；γij是耦合参数，表示不同通道之间的相互作用强度，它影响了通道i的状态变量Si受到其他通道状态变量Sj影响的程度；ηi(t)是噪声项，表示来自环境或系统的随机干扰；通过求解动力学方程，得到通道i的同步状态变量Si；计算所有通道的同步状态变量的标准差，作为判定值；将判定值与预设的判定阈值进行比较，若超过设定的判定阈值，则判断不同步，否则判断不同步；在判断不同步的情况下，通过所有通道的同步状态变量的标准差，筛选出不同步的同步状态变量Si，以此找到对应的通道和该通道下的光信号；所述不同步的同步状态变量Si定义为与所有通道的同步状态变量的均值的差值的绝对值最大的同步状态变量；
步骤2中，通过如下公式，使用拟合算法估计时钟同步误差：
其中，为通道i的光信号的时钟同步误差；Δt为时间变化量；fk为尺度k下的频率；Xi(fk,τk)表示通道i的光信号在尺度k下的频谱特征；Xj(fk,τk)表示与通道i的同步状态变量Si的差值的绝对值最小的通道j的光信号在尺度k下的频谱特征；∥·∥2表示求2阶L范数；
步骤3：根据估计的时钟同步误差，对自适应滤波光信号进行时延补偿；
步骤3中，通过如下公式，对自适应滤波光信号进行时延补偿：
其中，xi,rebur(t)为进行时延补偿后的自适应滤波光信号；μi(t)为通道i的时间衰减函数，使用如下公式进行表示：
步骤4：使用自适应波束成形技术抑制信号间的干扰；使用频率选择性滤波器以抑制信号自身干扰。
2.如权利要求1所述的多通道光信号同步与干扰抑制方法，其特征在于，设置自适应时间窗口，以动态调整滤波器的工作范围，使其适应不断变化的信号特性；自适应时间窗口Wi(t)通过以下非线性方程进行调整：
其中Wmin和Wmax分别表示自适应时间窗口的最小尺寸和最大尺寸，tcenter表示自适应时间窗口的中心位置，σ是自适应时间窗口的调整速度参数；自适应滤波器的时间变化参数αi(τ)通过如下公式进行表示：
其中，αmax是时间变化参数的最大变化率；t是设定的时间变化周期；||为求信号幅度的运算。
3.如权利要求2所述的多通道光信号同步与干扰抑制方法，其特征在于，第一非线性参数αi使用如下公式进行表示：
其中，α0i为基准增长率，为设定值，表示状态变量Si的初始增长速度；n为求导阶数。
4.如权利要求3所述的多通道光信号同步与干扰抑制方法，其特征在于，第二非线性参数βi使用如下公式进行表示：
其中，ωi(t)表示时间t下的相位。
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| CN115549709A (zh) * | 2022-11-29 | 2022-12-30 | 富景慧智(北京)科技有限公司 | 一种用于抑制多通道互干扰的卫星通信系统和方法 |
| CN117728892A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-19 | 深圳市光为光通信科技有限公司 | 1.6t lpo或cpo光模块的光信号弹性自适应处理方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 扫频干涉测距光频率非线性阶次跟踪抑制方法;刘哲;刘志刚;邓忠文;陶龙;;光学学报;20160110(第01期);全文 * |
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