基于信噪特征的X射線脈沖星信號(hào)去噪方法研究.pdf

1、X射線脈沖星導(dǎo)航是一種新型的自主導(dǎo)航方式,可以為深空、近地軌道、地球同步軌道、橢圓軌道的航天器導(dǎo)航。X射線脈沖信號(hào)是導(dǎo)航的基礎(chǔ),客觀地反映了脈沖星的輻射特征。事實(shí)上,由于多種因素的干擾導(dǎo)致 X射線脈沖星的信號(hào)質(zhì)量較差,如脈沖星與探測(cè)器距離遙遠(yuǎn)、宇宙背景復(fù)雜、強(qiáng)電磁干擾等因素。這些干擾不僅降低了X射線脈沖星信號(hào)的質(zhì)量,而且嚴(yán)重影響了相位提取和導(dǎo)航參數(shù)的估計(jì)。因此,有效地濾除各種噪聲干擾,提取高質(zhì)量的X射線脈沖星信號(hào)是X射線脈沖星導(dǎo)航非常重

2、要的工作之一,直接決定著 X射線脈沖星定位、測(cè)速、測(cè)姿、計(jì)時(shí)的效率和精度。
　　在獲取 X射線脈沖星信號(hào)過(guò)程中,受到各種人為或非人為的噪聲干擾。由于各類噪聲產(chǎn)生的機(jī)理不同,其統(tǒng)計(jì)特性和分布也有所不同,如 X射線脈沖星自身周期的短期不穩(wěn)定性引起的高斯噪聲,光子到達(dá)的隨機(jī)特性引起的泊松噪聲,太陽(yáng)風(fēng)暴和X射線爆等現(xiàn)象引起的脈沖噪聲等。顯然,使用同一種噪聲濾除方法難以濾除多種噪聲的干擾。針對(duì)不同類型的噪聲,利用各自不同的產(chǎn)生機(jī)理和分布特性

3、分別濾除,才能達(dá)到抑制噪聲干擾和提高信號(hào)質(zhì)量的目的。X射線脈沖星信號(hào)的峰值、波形、脈寬等有其自身特點(diǎn),X射線脈沖星的噪聲濾除方法就是尋找信號(hào)和噪聲的不同特征,并將其有效分開(kāi),從而實(shí)現(xiàn) X射線脈沖星信號(hào)的降噪。X射線脈沖星信號(hào)處理理論是一種涉及多學(xué)科的交叉的新型的研究領(lǐng)域,從公開(kāi)文獻(xiàn)來(lái)看,還沒(méi)有利用信號(hào)與噪聲的特性對(duì) X射線脈沖星信號(hào)的不同噪聲采用不同方法的研究。
　　本文在深入研究了X射線脈沖星導(dǎo)航原理的基礎(chǔ)上,探討了X射線脈沖星

4、信號(hào)處理的必要性,探討了X射線脈沖星探測(cè)系統(tǒng)中噪聲源的特性,并根據(jù)噪聲的機(jī)理和分布特性針對(duì)性地進(jìn)行降噪方法的研究。利用RXTE衛(wèi)星探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)降噪理論和方法進(jìn)行了驗(yàn)證。論文取得的主要研究結(jié)果如下:
　　1在分析了X射線脈沖星探測(cè)原理及工作過(guò)程的基礎(chǔ)上,探討在獲取信號(hào)過(guò)程中由光子到達(dá)隨機(jī)性和光子探測(cè)的隨機(jī)性引入的泊松噪聲、電子讀出系統(tǒng)的引入的高斯噪聲及電子干擾和特殊現(xiàn)象引入的突發(fā)脈沖噪聲。通過(guò)分析各種噪聲來(lái)源和特點(diǎn),建立了

5、相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計(jì)特性。分析了RXTE衛(wèi)星探測(cè)的X射線脈沖星信號(hào)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),深入研究了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、管理、數(shù)據(jù)處理和信號(hào)提取的方法,為降噪理論和方法的驗(yàn)證提供了可靠的數(shù)據(jù)源。
　　2針對(duì)X射線脈沖星信號(hào)系統(tǒng)中產(chǎn)生的高斯噪聲的問(wèn)題,分析了噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和特征,通過(guò)對(duì)大量的數(shù)據(jù)分析表明僅依賴周期疊加方法難以快速的獲取到高質(zhì)量的光子脈沖輪廓信號(hào),為此,提出了基于數(shù)據(jù)優(yōu)化選擇和Daubechies小波對(duì)X射線脈沖星信號(hào)的降噪方法,該方

6、法針對(duì)于X射線脈沖星信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和特殊性,預(yù)先濾除強(qiáng)噪聲干擾導(dǎo)致信號(hào)無(wú)效或無(wú)意義的時(shí)間段,再對(duì) X射線脈沖星信號(hào)進(jìn)行 Daubechies小波分解,利用閾值策略濾除所含噪聲。該方法通過(guò)將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化,不僅減輕了算法的負(fù)擔(dān),而且有效濾除了X射線脈沖星信號(hào)中存在的高斯噪聲。為了兼顧降噪性能和計(jì)算復(fù)雜度,提出了提升小波的X射線脈沖星信號(hào)降噪方法。通過(guò)提升小波將復(fù)雜的小波變換簡(jiǎn)化為基本矩陣的運(yùn)算,利用閾值化處理方法,濾除高斯噪聲的干擾

7、,快速地獲取到高質(zhì)量的光子脈沖輪廓。與傳統(tǒng)方法相比,不僅能有效濾除噪聲的干擾,還有利于資源受限的航天器的信號(hào)的處理。
　　3針對(duì) X射線脈沖星信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)中因光子輻射的隨機(jī)性和探測(cè)器接收的隨機(jī)性產(chǎn)生泊松噪聲的問(wèn)題,分析了泊松噪聲產(chǎn)生的機(jī)理,提出了方差穩(wěn)定性變換(VST)的泊松噪聲抑制方法。該方法利用Haar-Fisz變換將含泊松噪聲的信號(hào)進(jìn)行VST變換,使得泊松噪聲“漂白”為高斯白噪聲,對(duì)變換后的信號(hào)閾值化處理,反變換即得到降噪后

8、的信號(hào)。該方法間接地濾除了泊松噪聲的干擾,擴(kuò)展了X射線脈沖星信號(hào)的研究空間。另外,針對(duì)于方差穩(wěn)定性變換不利于低強(qiáng)度的X射線脈沖星信號(hào)的問(wèn)題,提出了一種利用Bayesian多尺度模型對(duì)X射線脈沖星信號(hào)估計(jì)的方法,該方法不需做變換直接地 X射線脈沖星信號(hào)進(jìn)行估計(jì)達(dá)到抑制噪聲的目的。
　　4針對(duì)X射線脈沖星探測(cè)系統(tǒng)中存在突發(fā)的脈沖噪聲的問(wèn)題,提出了一種基于局部的小波包變換去除脈沖噪聲的新方法。根據(jù)脈沖噪聲的非連續(xù)性、幅度大、不規(guī)則的特點(diǎn)