基于信噪特征的X射線脈沖星信號去噪方法研究.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射線脈沖信號是導(dǎo)航的基礎(chǔ),客觀地反映了脈沖星的輻射特征。事實上,由于多種因素的干擾導(dǎo)致 X射線脈沖星的信號質(zhì)量較差,如脈沖星與探測器距離遙遠(yuǎn)、宇宙背景復(fù)雜、強電磁干擾等因素。這些干擾不僅降低了X射線脈沖星信號的質(zhì)量,而且嚴(yán)重影響了相位提取和導(dǎo)航參數(shù)的估計。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、測速、測姿、計時的效率和精度。
　　在獲取 X射線脈沖星信號過程中,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質(zhì)量的目的。X射線脈沖星信號的峰值、波形、脈寬等有其自身特點,X射線脈沖星的噪聲濾除方法就是尋找信號和噪聲的不同特征,并將其有效分開,從而實現(xiàn) X射線脈沖星信號的降噪。X射線脈沖星信號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,從公開文獻(xiàn)來看,還沒有利用信號與噪聲的特性對 X射線脈沖星信號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、信號處理的必要性,探討了X射線脈沖星探測系統(tǒng)中噪聲源的特性,并根據(jù)噪聲的機(jī)理和分布特性針對性地進(jìn)行降噪方法的研究。利用RXTE衛(wèi)星探測系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù),對降噪理論和方法進(jìn)行了驗證。論文取得的主要研究結(jié)果如下:
　　1在分析了X射線脈沖星探測原理及工作過程的基礎(chǔ)上,探討在獲取信號過程中由光子到達(dá)隨機(jī)性和光子探測的隨機(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。通過分析各種噪聲來源和特點,建立了

5、相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計特性。分析了RXTE衛(wèi)星探測的X射線脈沖星信號的實測數(shù)據(jù),深入研究了實測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、管理、數(shù)據(jù)處理和信號提取的方法,為降噪理論和方法的驗證提供了可靠的數(shù)據(jù)源。
　　2針對X射線脈沖星信號系統(tǒng)中產(chǎn)生的高斯噪聲的問題,分析了噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和特征,通過對大量的數(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,為此,提出了基于數(shù)據(jù)優(yōu)化選擇和Daubechies小波對X射線脈沖星信號的降噪方法,該方

6、法針對于X射線脈沖星信號探測系統(tǒng)的復(fù)雜性和特殊性,預(yù)先濾除強噪聲干擾導(dǎo)致信號無效或無意義的時間段,再對 X射線脈沖星信號進(jìn)行 Daubechies小波分解,利用閾值策略濾除所含噪聲。該方法通過將復(fù)雜問題簡單化,不僅減輕了算法的負(fù)擔(dān),而且有效濾除了X射線脈沖星信號中存在的高斯噪聲。為了兼顧降噪性能和計算復(fù)雜度,提出了提升小波的X射線脈沖星信號降噪方法。通過提升小波將復(fù)雜的小波變換簡化為基本矩陣的運算,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的處理。
　　3針對 X射線脈沖星信號探測系統(tǒng)中因光子輻射的隨機(jī)性和探測器接收的隨機(jī)性產(chǎn)生泊松噪聲的問題,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進(jìn)行VST變換,使得泊松噪聲“漂白”為高斯白噪聲,對變換后的信號閾值化處理,反變換即得到降噪后

8、的信號。該方法間接地濾除了泊松噪聲的干擾,擴(kuò)展了X射線脈沖星信號的研究空間。另外,針對于方差穩(wěn)定性變換不利于低強度的X射線脈沖星信號的問題,提出了一種利用Bayesian多尺度模型對X射線脈沖星信號估計的方法,該方法不需做變換直接地 X射線脈沖星信號進(jìn)行估計達(dá)到抑制噪聲的目的。
　　4針對X射線脈沖星探測系統(tǒng)中存在突發(fā)的脈沖噪聲的問題,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