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一种提取垂直探测电离图描迹的方法

范文

张长亮+朱启强+柴慧斯

摘要：本文针对垂直探测电离图的复杂性和特殊性，提出了一种提取垂直探测电离图描迹的方法。该算法先去干扰，然后进行OS-CFAR检测，最后去虚警点。通过对实测数据的处理，表明这种方法能够有效去除干扰并保留电离层信息，并且可移植度高，适合工程应用。

关键词：垂直探测；描迹提取；去虚警点

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）15-0207-03

Abstract：In this paper， the complexity and specificity of detecting vertical ionization diagram is proposed a method for extracting a vertical ionization detection trace of FIG. The algorithm go to interference， then OS-CFAR detector， and finally to false alarm points. By processing the measured data， it shows that this method can effectively remove the interference and retain ionosphere information， and may be high transplant， suitable for engineering applications..

Key words： Oblique ionogram； Trace extraction； OS-CFAR

由于电离层垂直探测所工作的频段为短波段，它是通过发射点垂直向上发射脉冲信号，通过扫频的方式，接收设备在发射频率上接收到由电离层反射的信号，通过信号处理，最终得到电离层的传播时间以及频高图，根据对频高图的度量分析和反演，可以获得电离层特征参数，以及探测点上空峰值高度以下电子密度随高度的分布，但一套完备的电离层垂直探测系统在探测过程中被其他信号干扰，就很难提供实时准确的电离层信息，因此，能够有效的去除干扰，对提供电离层虚高、电离图描迹作用明显。目前，影响电离层描迹提取的干扰包括短波电台、短波通信、大气噪声以及低频段的未知同频信号等。

目前国内外虽有一些关于垂直探测电离图描迹提取的文章，但以往电离图描迹提取是在图像域进行，这类方法在去除同频干扰阶段信号损失严重。部分文献给出了一些关于电离图描迹提取的方法，但大多方法计算步骤繁琐，可操作性很低。本文提供的方法中，在进行恒虚警描迹之前先进行了频域去干扰。然后根据需要的电离层特征信息，通过数据积累和信号处理方法有效去除离散在电离图上的虚警点。此种方法大大简化了计算步骤，并且处理结果表明该方法切实有效并且适合工程应用。

1 提取垂测电离图描迹

1.1 去干扰

在垂直探测接收的回波信号中，信号形式为脉冲信号，实际接收信号中混叠的噪声和干扰可看做人工电台产生的窄带干扰和空间环境中的高斯噪声，其中，窄带干扰信号可以视为多个单频正弦波干扰叠加而成，且干扰幅度比较大，通过合理设置幅度阙值，能够分离出干扰信号，进而去除或者抑制干扰信号。

目前， N-sigma 算法和最大似然估计法是对门限选取的常用方法，但这两算法都对于环境自适应性不强。基于FFT插值方法原理，本文的方法如下。

设回波信号中的一个单频正弦干扰为：

利用式（8），构造出干扰数字序列

接收垂测回波信号中，扣除式（9）描述的干扰序列，即实现了干扰消除，考虑一个带通滤波器内存在多个频率干扰的问题，循环处理的步骤如下：

1）使用FFT，在信号带宽内，计算单次回波所有谱线的平均幅度，找出最大值，幅度最大值与平均值的比值大于阙值时，如下继续进行去干扰步骤，否则结束。

2）构造干扰序列，实现从回波信号中去除干扰。

3）循环次数未达到预设次数，重复以上步骤。

1.2 OS-CFAR检测

垂测电离图复杂多变，由于垂测电离层回波信号为合作源发射的扫频脉冲信号，具有相关性，因此，可以考虑滑窗的方式进行检测，滑窗内的每一个杂波样本可被看做参考单元，参考单元可用于估计滑窗内背景杂波功率，利用参考滑窗对相邻未知的杂波样本进行功率估计。

下图1展示了一个CFAR检测器原理框图，分量I和分量Q通过平方律检波，构成的序列称为杂波序列，该杂波序列串行进入移位寄存器，在长度为的移位寄存器中，形成了参考滑窗，该滑窗是由前后窗各的杂波序列形成的，检测单元可表示为，CFAR检测器通过这两个前后窗杂波序列形成滑窗，共N个杂波样本，估算出滑窗内的背景杂波功率，用此种方法来确定检测门限，最终形成了检测单元内是否存在目标的CFAR判决。

虚警概率可以通过式（10）计算得到：

其中标识Z的概率密度函数（PDF），为随机变量Z的矩母函数（MGF），矩母函数具有随机变量和的矩母函数等于各随机变量矩母函数之积的性质。

常用的CFAR检测包括，最小（SO），最大（GO），单元平均（CA），加权平均（WCA）CFAR的均值类（ML）CFAR以及包括有序量（OS），广义有序统计量（GOS）等OS类CFAR两大类【10】；在本文中，选取了OS-CFAR检测方法，此种方法主要体现在抗脉冲类干扰的能力显著，相比于其他均值类检测器，它的抗干扰能力最好，同时考虑到在均匀杂波背景下其性能下降也在接受范围内，因此折中考虑选择此种检测策略。

1.3 去虚警点

同频干扰和底噪声滤除后，还有许多无规律杂散的噪声点存在于垂测电离图中，对于此类噪声，可以采用中值滤波的方法，但是对于其他类型的残余噪声则效果较弱，通过对电离层回波信号的处理可以发现，多种噪声及电离层信号混杂在一起很难区分，因此，为了能够更多的保留有效的电离层数据，去除无用的虚警点，可以采用连通域的方法。

在数字图像处理中，像素间的基本关系即为邻接。不考虑图像边缘，每个像素都有8个自然邻点，在处理技术中，有4邻接和8邻接两种定义【8】，为了尽量多地保留电离层信号，本文采用后种方法。

具体的滤波算法步骤为：

1）对图像中的各连通域对象进行标记，将数字图像标记。

2）通过对垂测电离层回波数据的统计来对门限值进行反复测试，最终设定出合理的连通域尺寸门限。

3）针对步骤2设置的门限值，如果相邻连通域对象尺寸小于该门限值，则进行去虚警点处理。

2 垂测数据的分析与处理

本文所有垂直探测数据均由中国电子科技集团公司第二十二研究所提供。

图2为去干扰前的垂测电离图，图中某些频段有强干扰，已经看不出垂测信号，有些信号完全淹没在噪声中，很难提取出有效的电离层信息。

图3为去干扰后的垂测电离图。从图中可以看出，许多强的同频干扰特别是8M到15M区间的干扰信号得到了有效抑制，并且在去除干扰的同时垂测的回波信号显露了出来，淹没在噪声中的信号也得到了部分保留，说明此种方法在去干扰方面有效果。

图4为经过恒虚警后的垂测电离层描迹图，与恒虚警前相比，很好的提取了许多人工难以识别的信号，使电离层描迹连续起来，只是虚警点还有很多，不能满足需求，需要进一步进行去虚警点处理。

图5为经过去虚警点后的垂测电离层描迹图，和未去虚警点的电离图相比，许多虚警点已经被去除，垂测电离图描迹与图4相比没有损失。

3结论

本文通过对垂直探测电离层数据的大量分析统计，提出了一种提取电离层垂直探测描迹的方法，该方法通过先去干扰，然后进行OS-CFAR检测，最后去虚警点，最后，结合电离层本身特性，对大量数据处理结果表明，此种方法能够有效的去除干扰，提取垂测电离层信息，在实际工程应用中有进一步开发和研究的价值，虽然未达到实际应用的标准，但此方法为后续工程化和集成化提供了算法保证。

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