嫦娥四号低频射电频谱仪降低背景噪声方法的研究
发布时间：2021-09-25 08:04
嫦娥四号着陆器将搭载低频射电频谱仪在月球背面进行低频射电天文观测,低频射电频谱仪的观测波段为0.1～40 MHz。根据着陆器在中国空间技术研究院的微波暗室进行的电磁兼容性试验结果,着陆器平台在该频段内自身存在非常强的噪声,其强度甚至淹没大部分来自太阳爆发的信号,难以探测有效信号,实现预期的科学目标。通过模拟仿真分析谱减法、维纳滤波及自适应滤波3种方法对着陆器噪声消除的效果,从而选择更为有效的噪声消除方法,为低频射电频谱仪在轨探测任务的数据处理提供依据。
【文章来源】：天文研究与技术. 2019,16(03)CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
低频射电频谱仪的4根天线［3］Fig.1Thefourantennasoftheverylowfrequencyradiospectrometer［3］［3］
天文研究与技术16卷的噪声通量密度大于普通的太阳爆发产生的通量密度，与太阳爆发峰值通量密度相当。所以不对接收到的信号进行降噪处理，难以反演出太阳爆发的真实强度。图2月球表面的电磁波通量密度［2］Fig.2Radioemissionlevelsonthesurfaceofmoon［2］2低频射电频谱仪有效信号提取方法由于低频射电频谱仪的3根主要天线A，B，C收到的目标信号都包含来自着陆器自身的噪声信号，所以在对信号进行提取之前需要通过降噪算法抑制噪声并最大限度地分离出有用的信号。用x(n)表示观测到的信号，s(n)表示有用信号，v(n)表示噪声信号。它们之间的关系表示为x(n)=s(n)+v(n)．(2)在本文的模拟仿真中，将一组强度与太阳爆发强度接近的模拟信号作为有用信号s(n)，用电磁兼容性试验测得的工况三的着陆器噪声作为噪声信号v(n)，通过谱减法、维纳滤波及自适应滤波的方法进行仿真处理。2.1谱减法谱减法是信号增强的一种常见方法，在频域上用信号加噪声的幅值减去噪声的幅值得到有用信号的幅值。文［5］于1979年改进了该方法，称为改进的谱减法。改进的谱减法在谱减的过程中使用噪声的平均功率，有效地减小剩余的“音乐噪声”。改进的谱减法用公式表示为S(n)γ=X(n)γ－aD(n);X(n)γ≥aD(n)bD(n);X(n)γ＜aD(n)，{(3)其中，D(n)为噪声的平均幅值，D(n)=1N∑Ni=1Di(n)γ，(4)413
?S(f)=VA(f)－P(f)VD(f);VA(f)≥P(f)VD(f)bP(f)VD(f);VA(f)＜P(f)VD(f){，(5)其中，VA(f)为长天线A收到的信号进行傅里叶变换后在相应频点的平均值;VD(f)为短天线D收到的信号在相应频点的平均值;γ取1;P(f)取太阳宁静时一小段时间内4个接收机接收到的信号分别算出:PA(f)=VA(f)VD(f)．(6)处理流程如图3。图3改进谱减法运算示意图Fig.3Improvedspectralsubtractiondiagram下面3种数据处理方法以天线A与天线D接收到的数据进行仿真为例，谱减法仿真结果如图4。图4展示了快速傅里叶变换后的频域信号，横轴表示频率(单位为MHz)，纵轴为幅度(单位为dBuV)。图4中黑色曲线是带有噪声的信号，蓝色曲线是经过改进谱减法处理后的信号，红色曲线是有用信号。从图4可以看出，该方法在整个波段对噪声进行了有效抑制，在10MHz以下频段内噪声幅度下降了20dB左右，在其它频段噪声降低10dB左右，且处理后的信号波形基本能还原原本的有用信号，在背景噪声较低的频段(20～40MHz)处理效果更好。2.2维纳滤波从(2)式可知，进行信号处理的目标是得到不含噪声的有用信号s(n)。但是在实际信号处理过程中，求得的有用信号并不完全等于s(n)，只是s(n)的逼近值或估计值，因此对信号的处理可以看作是对s(n)的估计，处理信号就是找到一个最佳的估计器。维纳滤波是一个寻找最佳估计器来估计信号的方法［6－7］。513
本文编号：3409395
【文章来源】：天文研究与技术. 2019,16(03)CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
低频射电频谱仪的4根天线［3］Fig.1Thefourantennasoftheverylowfrequencyradiospectrometer［3］［3］
天文研究与技术16卷的噪声通量密度大于普通的太阳爆发产生的通量密度，与太阳爆发峰值通量密度相当。所以不对接收到的信号进行降噪处理，难以反演出太阳爆发的真实强度。图2月球表面的电磁波通量密度［2］Fig.2Radioemissionlevelsonthesurfaceofmoon［2］2低频射电频谱仪有效信号提取方法由于低频射电频谱仪的3根主要天线A，B，C收到的目标信号都包含来自着陆器自身的噪声信号，所以在对信号进行提取之前需要通过降噪算法抑制噪声并最大限度地分离出有用的信号。用x(n)表示观测到的信号，s(n)表示有用信号，v(n)表示噪声信号。它们之间的关系表示为x(n)=s(n)+v(n)．(2)在本文的模拟仿真中，将一组强度与太阳爆发强度接近的模拟信号作为有用信号s(n)，用电磁兼容性试验测得的工况三的着陆器噪声作为噪声信号v(n)，通过谱减法、维纳滤波及自适应滤波的方法进行仿真处理。2.1谱减法谱减法是信号增强的一种常见方法，在频域上用信号加噪声的幅值减去噪声的幅值得到有用信号的幅值。文［5］于1979年改进了该方法，称为改进的谱减法。改进的谱减法在谱减的过程中使用噪声的平均功率，有效地减小剩余的“音乐噪声”。改进的谱减法用公式表示为S(n)γ=X(n)γ－aD(n);X(n)γ≥aD(n)bD(n);X(n)γ＜aD(n)，{(3)其中，D(n)为噪声的平均幅值，D(n)=1N∑Ni=1Di(n)γ，(4)413
?S(f)=VA(f)－P(f)VD(f);VA(f)≥P(f)VD(f)bP(f)VD(f);VA(f)＜P(f)VD(f){，(5)其中，VA(f)为长天线A收到的信号进行傅里叶变换后在相应频点的平均值;VD(f)为短天线D收到的信号在相应频点的平均值;γ取1;P(f)取太阳宁静时一小段时间内4个接收机接收到的信号分别算出:PA(f)=VA(f)VD(f)．(6)处理流程如图3。图3改进谱减法运算示意图Fig.3Improvedspectralsubtractiondiagram下面3种数据处理方法以天线A与天线D接收到的数据进行仿真为例，谱减法仿真结果如图4。图4展示了快速傅里叶变换后的频域信号，横轴表示频率(单位为MHz)，纵轴为幅度(单位为dBuV)。图4中黑色曲线是带有噪声的信号，蓝色曲线是经过改进谱减法处理后的信号，红色曲线是有用信号。从图4可以看出，该方法在整个波段对噪声进行了有效抑制，在10MHz以下频段内噪声幅度下降了20dB左右，在其它频段噪声降低10dB左右，且处理后的信号波形基本能还原原本的有用信号，在背景噪声较低的频段(20～40MHz)处理效果更好。2.2维纳滤波从(2)式可知，进行信号处理的目标是得到不含噪声的有用信号s(n)。但是在实际信号处理过程中，求得的有用信号并不完全等于s(n)，只是s(n)的逼近值或估计值，因此对信号的处理可以看作是对s(n)的估计，处理信号就是找到一个最佳的估计器。维纳滤波是一个寻找最佳估计器来估计信号的方法［6－7］。513
本文编号：3409395
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