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一種煙霧環(huán)境中FMCW激光定距系統(tǒng)差頻信號(hào)提取方法與流程

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一種煙霧環(huán)境中FMCW激光定距系統(tǒng)差頻信號(hào)提取方法與流程

本發(fā)明涉及到fmcw激光定距系統(tǒng)抗煙霧干擾技術(shù)領(lǐng)域,具體地說(shuō),是一種煙霧環(huán)境中基于emd-dt閾值去噪與spearman相關(guān)判斷的fmcw激光定距系統(tǒng)差頻信號(hào)提取方法。



背景技術(shù):

fmcw激光定距技術(shù)從fmcw雷達(dá)技術(shù)發(fā)展而來(lái),已經(jīng)在民用和軍用高精度目標(biāo)測(cè)距中得到廣泛應(yīng)用,激光具有單色性好、發(fā)射波束窄、測(cè)距精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),但易受自然環(huán)境中煙霧干擾。

為了提高fmcw激光定距系統(tǒng)抗煙霧干擾性能,就必須對(duì)fmcw系統(tǒng)中差頻信號(hào)進(jìn)行有效處理,提取煙霧環(huán)境中fmcw激光定距系統(tǒng)差頻信號(hào)中目標(biāo)回波對(duì)應(yīng)的有用信息,濾除低頻處后向散射干擾和高頻處隨機(jī)噪聲。傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法大都是以目標(biāo)回波為線性平穩(wěn)作為假設(shè)條件的,而實(shí)際煙霧環(huán)境中fmcw激光定距系統(tǒng)中差頻信號(hào)包含了大量的環(huán)境干擾信號(hào)和噪聲,造成了非線性、非平穩(wěn)的,其統(tǒng)計(jì)特性也是時(shí)變函數(shù)。

美國(guó)國(guó)家宇航局nordene.huang等人于1998年提出了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(empiricalmodedecoposition,emd),它是一種新型的自適應(yīng)信號(hào)時(shí)頻處理方法。目前基于emd分解的信號(hào)處理主要有兩種思路,第一種借鑒小波閾值去噪的算法,其中代表性的算法有emd-dt(emddirectthresholding),借鑒小波閾值去噪原理,在含噪聲的imf分量中,根據(jù)噪聲類型設(shè)定閾值,imf分量中所有幅度值低于該閾值的被直接濾除,反之則保留,最后將閾值去噪后的imf重構(gòu)得到去噪后信號(hào)。針對(duì)emd分解的另一種信號(hào)處理思路為部分imf分量重構(gòu),可以對(duì)分解得到的imf分量進(jìn)行判斷,將干擾和噪聲占主導(dǎo)的imf分量在重構(gòu)過(guò)程中去除,保留有用信號(hào)主導(dǎo)的imf分量,這樣重構(gòu)后對(duì)原始信號(hào)達(dá)到自適應(yīng)濾波效果。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明的目的是提供一種煙霧環(huán)境中fmcw激光定距系統(tǒng)差頻信號(hào)提取方法,該方法具有良好的自適應(yīng)性,能夠有效的提取煙霧環(huán)境中fmcw激光定距系統(tǒng)差頻信號(hào)中目標(biāo)回波對(duì)應(yīng)的有用信息,濾除低頻處后向散射干擾和高頻處隨機(jī)噪聲,提高fmcw激光定距系統(tǒng)抗煙霧干擾能力。

為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:

一種煙霧環(huán)境中fmcw激光定距系統(tǒng)差頻信號(hào)提取方法,包括以下步驟:

步驟1、采用emd分解對(duì)煙霧環(huán)境中fmcw激光定距系統(tǒng)差頻信號(hào)進(jìn)行處理,得到l階imf分量:首先將原始含噪聲差頻信號(hào)x(n)進(jìn)行emd分解,emd分解后信號(hào)為:其中hi(n)為第i階本征模態(tài)函數(shù)imf,r(n)為余項(xiàng),l為imf分量個(gè)數(shù);

步驟2、采用emd-dt對(duì)所有imf分量進(jìn)行初步閾值去噪:對(duì)所述hi(n)進(jìn)行emd-dt閾值去噪得到hi(n),則其中x(n)表示對(duì)x(n)進(jìn)行emd-dt閾值去噪后的信號(hào);

步驟3、采用spearman相關(guān)系數(shù)對(duì)emd-dt處理后的imf分量與原差頻信號(hào)去噪后信號(hào)x(n)進(jìn)行相似性判斷:隨m增大依次計(jì)算spearman相關(guān)系數(shù)ρ(m)=spearman{x(n),xm(n)},其中xm(n)=hm(n),m=1...l;

步驟4、對(duì)特定imf分量進(jìn)行重構(gòu)后得到濾除噪聲后的差頻信號(hào):設(shè)定部分imf函數(shù)重構(gòu)的判斷條件為其中c選擇0.7,表示m從小到大過(guò)程中第一個(gè)使得ρ(m)≥c成立的m值,由于差頻信號(hào)頻譜的單頻特性,選取重構(gòu)分量imfk~imfk+1,最后得到去噪后信號(hào)為

本發(fā)明的有益效果:

本發(fā)明首先將煙霧環(huán)境中fmcw激光差頻信號(hào)分解為若干imf分量,采用emd-dt對(duì)每個(gè)imf分量進(jìn)行初步閾值去噪處理,然后采用spearman相關(guān)系數(shù)判斷去噪后的imf分量與原信號(hào)的相關(guān)性,根據(jù)設(shè)定的相關(guān)性閾值確定有用信號(hào)占主導(dǎo)的imf分量起始階數(shù),之后對(duì)特定的imf分量進(jìn)行重構(gòu),最后完成對(duì)差頻信號(hào)自適應(yīng)濾波。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:充分結(jié)合了emd-dt閾值去噪和基于spearman相關(guān)系數(shù)的imf分量重構(gòu)兩者的優(yōu)勢(shì),能有效提取煙霧環(huán)境中差頻信號(hào)中目標(biāo)回波對(duì)應(yīng)的有用信息,濾除低頻處后向散射干擾和高頻處隨機(jī)噪聲,大幅度提高fmcw激光定距系統(tǒng)抗煙霧干擾能力。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的算法流程圖;

圖2是本發(fā)明對(duì)fmcw激光定距系統(tǒng)煙霧環(huán)境中差頻信號(hào)濾波處理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖,對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例?;诒景l(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明,但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣,因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式以及工作原理做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

參見附圖1,一種煙霧環(huán)境中fmcw激光定距系統(tǒng)差頻信號(hào)提取方法,按照以下步驟進(jìn)行:

首先進(jìn)行步驟1:本實(shí)施中fmcw激光定距系統(tǒng)距離目標(biāo)距離8m,發(fā)射信號(hào)采用三角波調(diào)頻體制,為10m~110mhz線性調(diào)制信號(hào),調(diào)制周期tm為200us,其中上下掃頻時(shí)間均為100us。ad采樣頻率為3mhz,在實(shí)時(shí)采樣過(guò)程中將長(zhǎng)度為2tm的差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)485串口直接傳輸?shù)诫娔X上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理,對(duì)差頻信號(hào)x(n)進(jìn)行emd分解后,emd分解后信號(hào)為:其中hi(n)為第i階本征模態(tài)函數(shù)imf,r(n)為余項(xiàng),imf分量個(gè)數(shù)為10。

然后進(jìn)入步驟2:采用emd-dt閾值去噪對(duì)所有imf分量進(jìn)行初步濾波過(guò)程按照以下步驟進(jìn)行:

對(duì)hi(n)進(jìn)行emd-dt閾值去噪得到hi(n),則

其中hi(n)表示第i階imf分量,ti為hi(n)的閾值。其中閾值其中n表示數(shù)據(jù)采集長(zhǎng)度,σi為噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差。

對(duì)于原始信號(hào)中包含加性高斯白噪聲,emd分解后得到的imf分量中,除了第一階主要由噪聲構(gòu)成,其他imf中所含白噪聲仍服從高斯分布,并且能量譜函數(shù)保持了自相似性。每個(gè)imf中噪聲能量ei按imf階數(shù)指數(shù)遞減,表達(dá)式如下,

其中e1為第一階imf能量,β和ρ兩個(gè)參數(shù)由大量獨(dú)立實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出,本發(fā)明取β=0.719,ρ=2.01,根據(jù)ei和σi關(guān)系,ti可表示如下:

然后進(jìn)入步驟3:采用spearman相關(guān)系數(shù)對(duì)emd-dt處理后的imf分量與原差頻信號(hào)進(jìn)行相似性判斷過(guò)程按照以下步驟進(jìn)行:

隨m增大依次計(jì)算spearman相關(guān)系數(shù)ρ(m)=spearman{x(n),xm(n)},其中xm(n)=hi(n)。設(shè)定部分imf函數(shù)重構(gòu)的判斷條件為其中c選擇0.7,由于差頻信號(hào)頻譜的單頻特性,選取重構(gòu)分量imfk~imfk+1,最后得到去噪后信號(hào)為從左至右分別為煙霧環(huán)境中后向散射干擾信號(hào),頻譜峰值對(duì)應(yīng)的目標(biāo)回波信號(hào),以及高頻隨機(jī)干擾噪聲,此時(shí)后向散射干擾對(duì)應(yīng)的頻譜幅度峰值大于目標(biāo)對(duì)應(yīng)的頻譜幅度峰值,采用常規(guī)的峰值提取獲得目標(biāo)距離信息將受到嚴(yán)重干擾。

根據(jù)本發(fā)明計(jì)算結(jié)果提取得到的imf5~imf6分量重構(gòu)后的信號(hào)頻譜峰值處對(duì)應(yīng)的頻率與原始差頻信號(hào)頻譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率相同,為52.73khz,計(jì)算目標(biāo)距離為7.90m(實(shí)際目標(biāo)距離為8m),由此可知重構(gòu)分量imf5~imf6可以有效提取目標(biāo)信息。驗(yàn)證了本發(fā)明濾波算法可以濾除差頻信號(hào)中頻譜峰值左側(cè)低頻處的后向散射干擾,以及高頻處的隨機(jī)噪聲。如果對(duì)濾除的高階imf7~imf10分量進(jìn)行重構(gòu)可以看出,基本可以還原了原始差頻信號(hào)中的后向散射干擾。

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