基於斜投影的極化濾波方法
2023-07-12 20:39:46 1
專利名稱：基於斜投影的極化濾波方法
技術領域：
本發明涉及一種極化濾波的算法實現，更具體的說，本發明涉及一種利用斜投影技術和極化信號處理技術實施極化濾波的方法。
背景技術：
作為時域信號處理、頻域信號處理和空域信號處理的補充形式，極化域信號處理技術越來越受到人們的關注，在雷達和通信系統中得到了較廣泛的應用。在抗幹擾技術中，極化抗幹擾有不同於頻域抗幹擾和空域抗幹擾的顯著特點，它是利用幹擾信號和目標信號在極化狀態的差別來抑制幹擾而提取信號的，因此不受幹擾頻率和空間入射方向等因素的限制。只要幹擾和目標的極化狀態存在差別，即使兩者的其他特性都相同，也能通過極化濾波技術將其分離，或者對幹擾進行抑制。
傳統極化濾波方法雖然能夠較好的抑制幹擾，但是由於它是建立在正交投影的基礎上，因此當目標和幹擾的極化狀態非正交時，抑制幹擾的同時會對目標信號的幅度和相位產生影響，期望通過直接的補償消除這些影響是十分困難的。
發明人在《電子學報》2004年9月第32卷第9期的文章「零相移瞬時極化濾波器」和《IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems》2007年10月第43卷第4期的文章「Null phase-shift polarization filtering for high-frequencyradar」2篇文章中提出了通過線性極化矢量變換(LPVT)將目標信號的極化角變換成90度，然後進行極化濾波，進而採用幅度/相位補償(A/PCD)恢復目標信號的幅度和相位信息，實現了對目標信號的準確還原。文章中利用高頻雷達的實測數據證明了該方法的有效性。這2篇文章提出的方法在目前的極化濾波方法中是比較有影響力的算法，也是一種比較成熟的算法。
此外，在目標信號和幹擾的極化角相同、極化角相差不同或者橢圓率角相同、方位角不同的條件下，現有的極化濾波(傳統極化濾波和零相移極化濾波)在抑制幹擾的同時，也抑制了目標信號，無法完成極化濾波的目的。因此，進一步完善和發展極化濾波的理論和極化濾波的設計方法是十分有必要的。
發明內容
本發明要解決的技術問題是完善和發展現有的極化濾波的設計方法，為實現上述目標，本發明提供了一種基於斜投影的極化濾波方法，並分別從笛卡爾坐標系和橢圓坐標系給出了相應的濾波算子。
本發明若採用笛卡爾坐標系描述時，這種極化狀態表示為極化角和極化角相差，為了實現上述發明目的，本發明在迪笛卡爾坐標系中的步驟為 第一步確定目標信號和幹擾的極化角和極化角相差； 第二步根據斜投影算子的理論模型，由第一步中得出的目標信號和幹擾的極化參數，建立目標信號極化子空間S和幹擾極化子空間I，分別為 T為矩陣的轉置，上述公式中εs和εi分別為確定出的目標信號的極化角和幹擾的極化角，δs和δi分別為確定出的目標信號極化角相差和幹擾極化角相差。建立這兩個極化子空間的目的在於計算相應的斜投影算子； 第三步首先計算由第二步中得到的目標信號和幹擾的極化子空間對應的斜投影算子，計算公式如下 其中E為單位矩陣，H代表矩陣的共軛轉置。
通過如下運算得到基於斜投影的極化濾波方法的濾波算子Q 其中 γ＝(cosεssinεi)2+(sinεscosεi)2+2sinεscosεssinεicosεicos(δi-δs) 第四步設定接收信號表示為y(t)，通過下式提取出目標信號s(t) s(t)＝y(t)TQ 本發明涉及的算法若採用橢圓坐標系描述時，這種極化狀態表示為極化的橢圓率角和方位角。為了實現上述發明目的，本發明在橢圓坐標系中的步驟為 第一步確定目標信號和幹擾的橢圓率角和方位角； 第二步根據斜投影算子的理論模型，由第一步中得出的目標信號和幹擾的極化參數，建立目標信號極化子空間S和幹擾極化子空間I，分別為
上述公式中τs和τi分別為確定出的目標信號的橢圓率角和幹擾的橢圓率角，
和
分別為確定出的目標信號方位角和幹擾方位角。建立這兩個極化子空間的目的在於計算相應的斜投影算子； 第三步首先計算由第二步中得到的目標信號和幹擾的極化子空間對應的斜投影算子，計算公式如下 其中E為單位矩陣，H為矩陣的共軛轉置。
通過如下運算得到基於斜投影的極化濾波方法的濾波算子Q 其中
第四步設定接收信號表示為y(t)，通過下式提取出目標信號s(t) s(t)＝y(t)TQ 與現有的極化濾波方法相比，本發明具有以下優點1、不需要對接收信號進行極化矢量變換；2、不需要進行補償即可保持目標信號的幅度和相位特性；3、在目標信號和幹擾的極化角相同、極化角相差不同或者橢圓率角相同、方位角不同的條件下也能進行極化濾波，方便的實現目標信號和幹擾的分離，或者幹擾的抑制。實現了目標信號的準確恢復，並具有計算量小、簡單、實用的優點。
圖1是本發明的步驟流程； 圖2是不同方法對目標信號相位影響的比較； 圖3是本發明方法處理前後信號的時域波形。
具體實施例方式 本發明能在笛卡爾坐標系和橢圓坐標系兩種坐標系條件下實施，由圖1可知本發明公開的方法的具體實施方式
包含四個步驟。兩種坐標系下實施的步驟相同，但對應的具體實施方式
不同。
實施方式1本發明若採用笛卡爾坐標系描述時，這種極化狀態表示為極化角和極化角相差，在笛卡爾坐標系條件下的具體實施方式
為 第一步確定目標信號和幹擾的極化角和極化角相差； 第二步根據斜投影算子的理論模型，由第一步中得出的目標信號和幹擾的極化參數，建立目標信號極化子空間S和幹擾極化子空間I，分別為 T為矩陣的轉置，上述公式中εs和εi分別為確定出的目標信號的極化角和幹擾的極化角，δs和δi分別為確定出的目標信號極化角相差和幹擾極化角相差。建立這兩個極化子空間的目的在於計算相應的斜投影算子； 第三步首先計算由第二步中得到的目標信號和幹擾的極化子空間對應的斜投影算子，計算公式如下 其中E為單位矩陣，H為矩陣的共軛轉置； 通過如下運算得到基於斜投影的極化濾波方法的濾波算子Q 其中 γ＝(cosεssinεi)2+(sinεscosεi)2+2sinεscosεssinεi cosεicos(δi-δs) 第四步設定接收信號表示為y(t)，則可通過下式提取出目標信號s(t) s(t)＝y(t)TQ 實施方式2本發明若採用橢圓坐標系描述時，這種極化狀態表示為極化的橢圓率角和方位角，在橢圓坐標系條件下的具體實施方式
為 第一步確定目標信號和幹擾的橢圓率角和方位角； 第二步根據斜投影算子的理論模型，由第一步中得出的目標信號和幹擾的極化參數，建立目標信號極化子空間S和幹擾極化子空間I，分別為
上述公式中τs和τi分別為確定出的目標信號的橢圓率角和幹擾的橢圓率角，
和
分別為確定出的目標信號方位角和幹擾方位角。建立這兩個極化子空間的目的在於計算相應的斜投影算子； 第三步首先計算由第二步中得到的目標信號和幹擾的極化子空間對應的斜投影算子，計算公式如下 其中E為單位矩陣，H為矩陣的共軛轉置。
通過如下運算得到基於斜投影的極化濾波方法的濾波算子Q 其中
第四步設定接收信號表示為y(t)，則可通過下式提取出目標信號s(t) s(t)＝y(t)TQ 圖2是本發明公開的基於斜投影的極化濾波方法與傳統極化濾波方法對目標信號相位影響的比較。圖中橫坐標對應時間，縱坐標對應信號的相位。實線對應於真實的目標相位，虛線對應於本發明方法濾波結果的相位，點劃線對應於普通極化濾波器輸出信號的相位。從圖中可以明顯看到，普通的極化濾波器對目標(有用)信號的相位造成了影響，使得信號相位發生變化；而本發明對應的濾波結果能保持目標(有用)信號的相位，在不考慮噪聲影響的情況下，濾波器輸出信號的相位與原始信號相位完全相同。該結果表明，本發明公開的基於斜投影的極化濾波方法具有零相移極化濾波的優點，可以保持濾波結果中有用信號的原始相位，便於應用在相參系統中。
圖3是本發明公開的基於斜投影的極化濾波方法的濾波輸出波形與原始混合信號波形的比較。圖3中對應的目標信號與幹擾的極化角相同、極化角相差不同、信噪比為10dB。圖中橫坐標為時間，縱坐標為信號的幅度。實線對應為使用本發明方法的濾波結果，虛線為信號、幹擾和噪聲疊加在一起的混合信號。其中目標信號在時間為5ms和7ms處存在兩個脈衝，其幅度分別對應為18dB和12dB。
從圖3中可以明顯看出，濾波前的混合信號中含有較強的幹擾分量，導致目標信號完全淹沒在幹擾和噪聲中，無法分辨5ms和7ms處存在的兩個脈衝；而在使用本發明的方法進行濾波後，這兩個脈衝可以清晰的分辨出來，且保持原始的幅度和相位關係。圖3中濾波結果曲線上沒有脈衝輸出部分的毛刺對應於信號中的噪聲。
與現有的極化濾波方法相比，本發明具有以下優點 1、不需要對接收信號進行極化矢量變換； 2、不需要進行補償即可保持目標信號的幅度和相位特性； 3、在目標信號和幹擾的極化角相同、極化角相差不同或者橢圓率角相同、方位角不同的條件下也能進行極化濾波，方便的實現目標信號和幹擾的分離，或者幹擾的抑制。實現了目標信號的準確恢復； 4、具有計算量小、簡單、實用的優點。
權利要求
1.基於斜投影的極化濾波方法，其特徵在於在笛卡爾坐標系下，包含四個步驟
第一步確定目標信號和幹擾的極化角和極化角相差；
第二步根據斜投影算子的理論模型，由第一步中得出的目標信號和幹擾的極化參數，建立目標信號極化子空間S和幹擾極化子空間I，分別為
T為矩陣的轉置，上述公式中εs和εi分別為確定出的目標信號的極化角和幹擾的極化角，δs和δi分別為確定出的目標信號極化角相差和幹擾極化角相差；
第三步首先計算由第二步中得到的目標信號和幹擾的極化子空間對應的斜投影算子，計算公式如下
其中E為單位矩陣，H代表矩陣的共軛轉置；
通過如下運算得到基於斜投影的極化濾波方法的濾波算子Q
其中
γ＝(cosεssinεi)2+(sinεscosεi)2+2sinεscosεssinεicosεi cos(δi-δs)
第四步驟設定接收信號表示為y(t)，通過下式提取出目標信號s(t)
s(t)＝y(t)TQ。
2.根據權利要求1所述的基於斜投影的極化濾波方法，其特徵在於它使用上述的笛卡爾坐標系描述極化狀態時，建立的目標信號極化子空間S和幹擾極化子空間I，分別為
上述公式中τs和τi分別為確定出的目標信號的橢圓率角和幹擾的橢圓率角，
和
分別為確定出的目標信號方位角和幹擾方位角。
3.根據權利要求1所述的基於斜投影的極化濾波方法，其特徵在於它利用笛卡爾坐標系進行描述的第三步中接收信號為具有水平分量和垂直分量的二維信號，通過極化濾波後信號變為只有一個分量的一維信號，經過斜投影算子ESI操作後信號仍為一個具有水平分量和垂直分量的二維信號，需要再經過一次投影將這一信號變為只有一個分量的一維信號，該投影算子R為
R＝[cosεs，sinεs]T。
4.基於斜投影的極化濾波方法，其特徵在於在橢圓坐標系下，包含四個步驟
第一步確定目標信號和幹擾的橢圓率角和方位角；
第二步根據斜投影算子的理論模型，由第一步中得出的目標信號和幹擾的極化參數，建立目標信號極化子空間S和幹擾極化子空間I，分別為
上述公式中τs和τi分別為確定出的目標信號的橢圓率角和幹擾的橢圓率角，
和
分別為確定出的目標信號方位角和幹擾方位角；
第三步首先計算由第二步中得到的目標信號和幹擾的極化子空間對應的斜投影算子，計算公式如下
其中E為單位矩陣，H為矩陣的共軛轉置；
通過如下運算得到基於斜投影的極化濾波方法的濾波算子Q
其中
第四步設定接收信號表示為y(t)，通過下式提取出目標信號s(t)
s(t)＝y(t)TQ。
5.根據權利要求4所述的基於斜投影的極化濾波方法，其特徵在於它使用橢圓坐標系描述極化狀態時，建立的目標信號極化子空間S和幹擾極化子空間I，分別為
上述公式中τs和τi分別為確定出的目標信號的橢圓率角和幹擾的橢圓率角，
和
分別為確定出的目標信號方位角和幹擾方位角。
6.根據權利要求4所述的基於斜投影的極化濾波方法，其特徵在於它利用橢圓坐標系進行描述的第三步中接收信號為具有水平分量和垂直分量的二維信號，通過極化濾波後信號變為只有一個分量的一維信號，經過斜投影算子ESI操作後信號仍為一個具有水平分量和垂直分量的二維信號，需要再經過一次投影將這一信號變為只有一個分量的一維信號，該投影算子R為
全文摘要
基於斜投影的極化濾波方法，它涉及極化信號處理及抗幹擾領域。當目標信號和幹擾的極化狀態不正交時，傳統極化濾波對目標信號幅度和相位有影響，零相移極化濾波通過變換和補償來消除目標信號幅度和相位的影響。此外，在目標信號和幹擾的極化角相同、極化角相差不同或橢圓率角相同、方位角不同時，現有的極化濾波在抑制幹擾的同時也抑制了目標信號。本發明要解決的技術問題是完善和發展極化濾波的方法，能實現目標信號的準確恢復，並具有計算量小、簡單、實用的優點。它主要包含四步第一步估計目標和幹擾的極化狀態；第二步分別建立目標信號和幹擾的極化子空間；第三步根據建立的子空間，計算出本發明的濾波算子；第四步提取目標信號。本方法實現了現有的極化濾波方法的補充和完善。
文檔編號G06K9/00GK101339611SQ200810138858
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月4日 優先權日2008年8月4日
發明者毛興鵬, 張欽宇 申請人:哈爾濱工業大學(威海)