基于改進(jìn)PGA的電離層相位污染校正算法制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于改進(jìn)PGA的電離層相位污染校正算法，首先對(duì)某一距離?方位分辨單元的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT計(jì)算，獲得其頻譜，利用自適應(yīng)滑窗帶通濾波器將展寬的強(qiáng)Bragg峰濾出，進(jìn)而對(duì)濾波器輸出的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT，然后利用此數(shù)據(jù)校正回波數(shù)據(jù)，與此同時(shí)根據(jù)此數(shù)據(jù)的均值設(shè)置門限，記錄此數(shù)據(jù)中幅值低于此門限值的位置，將回波數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)該位置的數(shù)據(jù)剔除，最后利用CS算法重構(gòu)回波數(shù)據(jù)，求得其頻譜，此時(shí)電離層相位污染已校正，海/地雜波譜峰銳化，噪聲基底降低。仿真結(jié)果表明，與PGA算法相比，雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)改進(jìn)PGA算法電離層校正后，雷達(dá)噪聲基底降低約10dB，與未加入相位污染的雷達(dá)回波信號(hào)噪聲基底一致。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于雷達(dá)技術(shù)中目標(biāo)檢測(cè)算法，具體涉及一種基于改進(jìn)PGA的電離層相位污染校正算法。
技術(shù)介紹
天波超視距雷達(dá)(OTHR)工作在高頻波段，是利用電離層對(duì)高頻段信號(hào)的反射作用而實(shí)現(xiàn)對(duì)視距以外目標(biāo)探測(cè)的雷達(dá)系統(tǒng)，已被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。然而電離層是時(shí)變的不穩(wěn)定傳輸介質(zhì)，會(huì)給OTHR的回波信號(hào)帶來(lái)一定的相位擾動(dòng)，致使海/地雜波的多普勒譜峰展寬，掩蓋其附近的弱小目標(biāo)。因此，對(duì)于提高OTHR目標(biāo)檢測(cè)能力而言，電離層相位污染校正十分重要。相位梯度算法(PGA)利用帶通濾波器將展寬的正/負(fù)Bragg峰濾出，對(duì)其進(jìn)行IFFT而獲得Bragg峰的時(shí)域數(shù)據(jù)，然后假設(shè)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的相位差為Δφ，時(shí)間間隔為Δt，則可計(jì)算其瞬時(shí)頻率為f(t)＝Δφ/2πΔt，最后利用此瞬時(shí)頻率變化便可對(duì)電離層相位進(jìn)行校正。此方法雖然非常簡(jiǎn)單和直觀，且可以計(jì)算出短時(shí)間內(nèi)Bragg峰瞬時(shí)頻率的變化，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于濾除的Bragg峰時(shí)域數(shù)據(jù)而言，如果在某一數(shù)據(jù)點(diǎn)的幅值較低，那么在該點(diǎn)上計(jì)算出的瞬時(shí)頻率相對(duì)于周圍的點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突變，增大計(jì)算誤差，進(jìn)而降低了PGA的解相位污染性能。基于以上分析，PGA算法在Bragg峰雜噪比(CNR)較低的情況下，計(jì)算出的瞬時(shí)污染相位與真實(shí)值之間具有較大偏差，我們需要尋求一種更有效的途徑，即尋找Bragg峰CNR較低的位置，并采用更為有效的方法對(duì)此位置數(shù)據(jù)進(jìn)行解相位污染。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于改進(jìn)PGA的電離層相位污染校正算法，克服了PGA算法在Bragg峰CNR較低的情況下，計(jì)算出的瞬時(shí)污染相位與真實(shí)值之間具有較大偏差的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)目的的技術(shù)解決方案為：一種基于改進(jìn)PGA的電離層相位污染校正算法，方法步驟如下：步驟1：利用滑窗帶通濾波器提取回波信號(hào)中能量強(qiáng)的海雜波Bragg峰，得到Bragg峰的時(shí)域數(shù)據(jù)s(n)，根據(jù)雷達(dá)發(fā)射頻率計(jì)算所述Bragg峰頻率fb，從而將s(n)搬移至零頻，計(jì)算出相位誤差εn。步驟2：根據(jù)公式(5)校正回波數(shù)據(jù)相位，并計(jì)算自適應(yīng)幅值門限T：x′＝Ψx(5)其中，在一個(gè)CIT內(nèi)，某一距離-方位分辨單元的回波數(shù)據(jù)，受到電離層相位污染后用N×1維的矢量x表示；N×1維矢量x′表示相位校正后的回波數(shù)據(jù)；N×N維矩陣Ψ表示電離層相位校正矩陣，且校正相位均在矩陣的對(duì)角線位置；自適應(yīng)幅值門限T＝meanamη，meanam表示s(n)幅度的均值，η表示滿足某一特定誤差值而設(shè)定的尺度因子，通常設(shè)置為0.6。步驟3：根據(jù)公式(6)和自適應(yīng)幅值門限T，得到剔除后的數(shù)據(jù)y。步驟4：根據(jù)公式(7)和公式(8)對(duì)剔除后的數(shù)據(jù)y進(jìn)行重構(gòu)，獲得重構(gòu)數(shù)據(jù)頻譜的計(jì)算值θ′y。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：(1)更加準(zhǔn)確地提取海雜波正/負(fù)Bragg峰。(2)在Bragg峰CNR較低的情況下，亦能對(duì)污染回波數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)的滑窗帶通濾波器的頻率-幅值圖。圖2為本專利技術(shù)采用的自適應(yīng)滑窗帶通濾波器的計(jì)算流程圖。圖3為仿真結(jié)果圖，其中圖(a)為電離層相位污染前后對(duì)比圖，圖(b)為自適應(yīng)門限檢測(cè)數(shù)據(jù)圖，圖(c)PGA計(jì)算相位與真實(shí)值對(duì)比圖，圖(d)為PGA和改進(jìn)PGA校正相位后頻譜比較圖。圖4為本專利技術(shù)基于改進(jìn)PGA的電離層相位污染校正算法的算法流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)描述。在一個(gè)CIT內(nèi)，某一距離-方位分辨單元的回波數(shù)據(jù)，受到電離層相位污染后用N×1維的矢量x表示，其中N表示一個(gè)CIT內(nèi)的脈沖數(shù)。x中包含海/地雜波、目標(biāo)和噪聲，其中海雜波的Bragg峰能量是最強(qiáng)的。假設(shè)P(f)表示x的FFT，由于受到電離層相位污染，雜波譜嚴(yán)重展寬。下面結(jié)合圖4，介紹基于改進(jìn)PGA的電離層相位污染校正算法，方法步驟如下：步驟1：利用滑窗帶通濾波器提取回波信號(hào)中能量強(qiáng)的正/負(fù)Bragg峰，得到Bragg峰的時(shí)域數(shù)據(jù)s(n)，根據(jù)雷達(dá)發(fā)射頻率計(jì)算所述Bragg峰頻率fb，從而將s(n)搬移至零頻，計(jì)算出相位誤差εn：首先確定回波數(shù)據(jù)頻譜中最大值的位置，根據(jù)最大值位置判斷提取正/負(fù)Bragg峰，下面介紹如何利用自適應(yīng)滑窗帶通濾波器提取展寬的Bragg峰，假設(shè)提取左側(cè)負(fù)Bragg峰。①采用下式計(jì)算回波數(shù)據(jù)噪聲功率均值。其中表示噪聲功率均值；P(f)表示回波數(shù)據(jù)的頻譜；[fu,fd]表示頻域積分計(jì)算區(qū)間，通常選擇高頻端的無(wú)雜波和目標(biāo)區(qū)域。②設(shè)計(jì)一組矩形濾波器。第一個(gè)濾波器的中心頻率點(diǎn)為f1，起始和截止頻率分別為f1-mΔf和f1+mΔf，其中m是一個(gè)正整數(shù)，表示濾波器窗的大小，Δf表示頻域采樣間隔。采用此濾波器從負(fù)頻率段最左側(cè)開始提取回波數(shù)據(jù)的頻譜，提取頻譜部分的總功率P1為進(jìn)而在此頻段的雜波總功率P′1可由下式計(jì)算第二個(gè)濾波器的中心頻率為f2＝f1+Δf，起始和截止頻率分別為f2-mΔf和f2+mΔf，采用式(2)和式(3)相同的計(jì)算方法可得P′2，進(jìn)而其他的P′i(i＝3,4,…,N/2-2m)以同樣的方式可以計(jì)算得到，其中N是回波數(shù)據(jù)總采樣點(diǎn)數(shù)(一個(gè)CIT內(nèi)的脈沖數(shù))。窗口滑動(dòng)的截止頻率點(diǎn)為頻譜中心點(diǎn)0Hz，具體情況如圖1所示。通過(guò)窗口的滑動(dòng)可得到一組雜波總功率，搜尋這組雜波總功率中的最大值，并用L1代表它，且記錄最大值對(duì)應(yīng)的中心頻率點(diǎn)，記為fmid1。③變換滑窗寬度，設(shè)m＝m+λ，其中λ是正整數(shù)，進(jìn)而計(jì)算雜波總功率最大值L2，且記錄最大值對(duì)應(yīng)的中心頻率點(diǎn)，記為fmid2。④如果L2/L1≤δ滿足(δ是一個(gè)判決門限，通常小于1.1)，濾波的窗口寬度m是最優(yōu)的，即此窗口寬度與擴(kuò)展的海雜波Bragg峰相當(dāng)，相反，如果L2/L1>δ，則L1＝L2，重復(fù)上述第3步計(jì)算，自適應(yīng)滑窗帶通濾波器的計(jì)算流程如圖2所示。根據(jù)上述的Bragg峰提取方法提取Bragg峰，進(jìn)而提取Bragg峰的時(shí)域數(shù)據(jù)表示為其中s(n)表示Bragg峰的時(shí)域數(shù)據(jù)；j表示虛數(shù)單位；εn表示相位誤差；κn、φ和fb分別表示幅值、初始相位和Bragg峰頻率；-表示滑窗帶通濾波器濾除左側(cè)的Bragg峰，+表示滑窗帶通濾波器濾除右側(cè)Bragg峰；Δt表示時(shí)域采樣間隔；v(n)表示噪聲，且假設(shè)此種噪聲是高斯白噪聲；n表示第nth個(gè)采樣數(shù)，N表示總采樣點(diǎn)數(shù)(即一個(gè)CIT內(nèi)的脈沖數(shù))。從公式(4)可以看出，s(n)中僅包含單個(gè)Bragg峰，因此采用PGA計(jì)算s(n)中的相位誤差，并用計(jì)算出的相位誤差對(duì)x進(jìn)行相位校正，即根據(jù)發(fā)射載頻計(jì)算出Bragg峰的頻率fb，從而將s(n)搬移至零頻，便可計(jì)算出相位誤差εn。步驟2：根據(jù)公式(5)校正回波數(shù)據(jù)相位，計(jì)算自適應(yīng)幅值門限T。計(jì)算出相位誤差εn可以對(duì)x進(jìn)行相位校正，具體的校正公式如下x′＝Ψx(5)其中N×1維矢量x′表示相位校正后的回波數(shù)據(jù)；N×N維矩陣Ψ表示電離層相位校正矩陣，且校正相位均在矩陣的對(duì)角線位置。當(dāng)Bragg峰的CNR較大時(shí)，噪聲對(duì)PGA的影響可以忽略，從而較準(zhǔn)確地計(jì)算出相位誤差εn，而Bragg峰的CNR較小時(shí)，噪聲對(duì)PGA的影響不可忽略，相位誤差εn無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，進(jìn)而導(dǎo)致雜波譜峰擴(kuò)展，噪聲基底抬高。因此，針對(duì)上述問(wèn)題提出了自適應(yīng)幅值門限T，查找s(n)中Bragg峰CNR較小的位置(即Bragg峰幅值較小的位置)，其中自適應(yīng)幅值本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于改進(jìn)PGA的電離層相位污染校正算法，其特征在于，方法步驟如下：步驟1：利用滑窗帶通濾波器提取回波信號(hào)中能量強(qiáng)的海雜波Bragg峰，得到Bragg峰的時(shí)域數(shù)據(jù)s(n)，根據(jù)雷達(dá)發(fā)射頻率計(jì)算所述Bragg峰頻率fb，從而將s(n)搬移至零頻，計(jì)算出相位誤差εn；步驟2：根據(jù)公式(5)校正回波數(shù)據(jù)相位，并計(jì)算自適應(yīng)幅值門限T：x′＝Ψx???(5)其中，在一個(gè)CIT內(nèi)，某一距離?方位分辨單元的回波數(shù)據(jù)，受到電離層相位污染后用N×1維的矢量x表示；N×1維矢量x′表示相位校正后的回波數(shù)據(jù)；N×N維矩陣Ψ表示電離層相位校正矩陣，且校正相位均在矩陣的對(duì)角線位置；自適應(yīng)幅值門限T＝meanamη，meanam表示s(n)幅度的均值，η表示滿足某一特定誤差值而設(shè)定的尺度因子，通常設(shè)置為0.6；步驟3：根據(jù)公式(6)和自適應(yīng)幅值門限T，得到剔除后的數(shù)據(jù)y；步驟4：根據(jù)公式(7)和公式(8)對(duì)剔除后的數(shù)據(jù)y進(jìn)行重構(gòu)，獲得重構(gòu)數(shù)據(jù)頻譜的計(jì)算值θ′y。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于改進(jìn)PGA的電離層相位污染校正算法，其特征在于，方法步驟如下：步驟1：利用滑窗帶通濾波器提取回波信號(hào)中能量強(qiáng)的海雜波Bragg峰，得到Bragg峰的時(shí)域數(shù)據(jù)s(n)，根據(jù)雷達(dá)發(fā)射頻率計(jì)算所述Bragg峰頻率fb，從而將s(n)搬移至零頻，計(jì)算出相位誤差εn；步驟2：根據(jù)公式(5)校正回波數(shù)據(jù)相位，并計(jì)算自適應(yīng)幅值門限T：x′＝Ψx(5)其中，在一個(gè)CIT內(nèi)，某一距離-方位分辨單元的回波數(shù)據(jù)，受到電離層相位污染后用N×1維的矢量x表示；N×1維矢量x′表示相位校正后的回波數(shù)據(jù)；N×N維矩陣Ψ表示電離層相位校正矩陣，且校正相位均在矩陣的對(duì)角線位置；自適應(yīng)幅值門限T＝meanamη，meanam表示s(n)幅度的均值，η表示滿足某一特定誤差值而設(shè)定的尺度因子，通常設(shè)置為0.6；步驟3：根據(jù)公式(6)和自適應(yīng)幅值門限T，得到剔除后的數(shù)據(jù)y；步驟4：根據(jù)公式(7)和公式(8)對(duì)剔除后的數(shù)據(jù)y進(jìn)行重構(gòu)，獲得重構(gòu)數(shù)據(jù)頻譜的計(jì)算值θ′y。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)PGA的電離層相位污染校正算法，其特征在于：上述步驟3中，步驟如下...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：薄超，寧勇，徐青，冀貞海，吳昊，李文魁，高許崗，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)航天科工集團(tuán)八五一一研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：江蘇;32