基于去噪处理的实测海杂波建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种建模方法，特别涉及一种基于去噪处理的实测海杂波建模方法， 属于雷达技术领域。
【背景技术】
[0002] 在整个雷达系统设计中，对海杂波特性的研究至关重要。在雷达目标检测环节，能 否从雷达回波中对消杂波决定了目标检测的精确度，而对消杂波的一种方法就是研究海杂 波的特性，并对其进行建模。研究表明，实测海杂波数据中往往存在外部噪声。外部噪声主 要包含测量噪声和动态噪声，因此，有效的去除外部噪声是对海杂波进行精确建模的必要 前提。海杂波通常表现出非高斯性、非平稳性、非线性和多重分形等复杂特性，在非线性滤 波技术领域，应用较广泛的方法主要有：滑动平均滤波、中值滤波、小波去噪和EMD算法去 噪。
[0003] 基于海杂波的多重分形等复杂特性，采用多重分形理论对海杂波进行建模显得尤 为重要。以往常规的海杂波多重分形时域建模方法主要分为两类：一是采用加权组合的方 法仿真具有多重分形特征的海杂波，二是基于复合的分式Brown运动产生一个近似多重分 形的随机过程。这两类方法均未考虑实测海杂波中含有外部噪声这一干扰，在统计特性上 不相似。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于去噪处理的实测海杂波 建模方法，解决现有技术基于加权组合的海杂波多重分形模型需要多次判决寻优，且现有 海杂波多重分形模型在统计特性上不相似的技术问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：基于去噪处理的实测海杂波 建模方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤一：采用小波去噪法计算并去除实测海杂X的外部噪声Nx，同时计算出纯海 杂波父-。和杂噪比Rcn;
[0007] 步骤二：分析去除的外部噪声Nx的统计特性，根据Nx的统计特性，采用与Nx统计 特性吻合的统计模型生成一个仿真外部噪声Nz，并保证其杂噪比依然为Rcn;
[0008] 步骤三：采用MF-DFA计算纯海杂波Xden。的多重分形参数，包括q阶广义Hurst指 数h(q)、质量指数t(q)、奇异指数a(q)和多重分形谱f(a)，其中：q表示阶数；
[0009] 步骤四：从计算出的多重分形参数中提取q>0部分的h(q)以及其对应的f(a)， 记作h'（q)，f'（a);
[0010] 步骤五：将纯海杂波Xden。划分为n个分形小区域，其中：n=length(h'（q))，并计 算出不同分形子集中元素的个数1 =nXf'（a)。
[0011] 步骤六：根据h'（q)产生相应的单一分形子集Fi={fd，其中：i= 1，2,......，n， j= 1，2, . . .，M，M为仿真数据的长度；
[0012] 步骤七：根据模型的数学表达形式
导到仿真纯海杂波数据zd_，叠加 仿真外部噪声Nz，得到仿真海杂波数据Z=Zd_+Nz。
[0013] 步骤一中去除实测海杂X的外部噪声队的具体方法如下：
[0014] 步骤1-1)对实测海杂波进行小波分解，采用db2小波基构造小波，分解层数为5 ;
[0015] 步骤1-2)对小波分解得到的噪声部分进行HeurSure阈值处理；
[0016] 步骤1-3)依据小波分解后得到的第5层低频系数和阈值处理后得到的1~5高 频系数，对步骤1-1)用于分解实测海杂波的小波进行重构，利用重构得到的小波完成对实 测海杂波的去噪处理。
[0017] 步骤三中采用MF-DFA计算纯海杂波Xd_的多重分形参数的计算方法如下：
[0018] 步骤3-1)任意参数q= -20:1:20,采用MF-DFA计算去噪后实测海杂波的q阶起 伏函数：
[0019]
[0020] 步骤3-2)根据已有的研究设定尺度r的取值范围为4彡r彡N/8,确定每个q对应 的起伏函数与尺度的幂律关系Fq(r) 对该式两边取对数得到logFq(r) =h(q)?log r+const，对双对数图ln(Fq(r))~ln(r)上的点进行直线拟合，估计出直线的斜率，S卩为广 义Hurst指数h(q);
[0021] 步骤3-3)在广义Hurst指数h(q)已求出的基础上，根据以下公式求出下列多 重分形参数：质量指数t(q) =qh(q)_l，奇异指数，《糾=____4_，多重分形谱指f(a)= f qa-X(q) 〇
[0022] 步骤六中单一分形子集的计算方法如下：
[0023] 步骤6-1)采用Weiestrass函数法产生n个参数为h'（q(i))的简单fbm信号ffi;
[0024] 步骤6-2)对信号ff^进行分段采集得到单一分形子集的元素f^，每段采集的信号 长度为M。
[0025] 与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
[0026] (1)将仿真外部噪声队叠加在模型的仿真纯海杂波上，使得仿真出的海杂波数据 与实测海杂波数据在统计特性上相似，解决了以往海杂波多重分形模型因忽视实测海杂波 中存在外部噪声这一因素导致仿真数据与实测数据在统计特性上不相似的问题；
[0027] (2)依据海杂波的多重分形谱f(a)可以看作依广义Hurst指数划分的不同分形 区域的概率分布，直接由多重分形谱值f(a)和分形小区域的个数n确定加权组合的权系 数，解决了以往加权组合的海杂波多重分形模型需要多次判别寻优的问题；
[0028] (3)对单一分形序列进行分块随机采样得到具有相同维数的单一分形子集，将进 行加权组合的单一分形序列替换为具有相同维数的单一分形子集，解决了原有加权组合的 海杂波多重分形模型仿真出的海杂波数据多重分形特性偏弱的问题。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的实现流程图。
[0030] 图2为高海清实测海杂波数据hi. zip的时域波形图。
[0031] 图3为高海清实测海杂波数据hi.zip基于AR模型的功率谱密度图。
[0032] 图4为本发明中去噪前后实测海杂波数据的功率谱密度比较图。
[0033] 图5为去噪前后实测海杂波的质量指数t(q)~q比较图。
[0034] 图6为去噪前后实测海杂波的广义Hurst指数h(q)~q比较图。
[0035] 图7为去噪后的实测海杂波与仿真数据的质量指数t(q)~q比较图。
[0036] 图8为去噪后的实测海杂波与仿真数据的多重分形谱f(a)~a的比较图。
[0037] 图9为外加噪声与高斯噪声⑶F比较图。
[0038] 图10为去噪后实测海杂波和叠加噪声后的仿真数据统计特性图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0040] 如图1所示，是本发明的实现流程图，基于去噪处理的实测海杂波建模方法，包括 如下步骤：
[0041] 步骤一：采用小波去噪法计算并去除实测海杂X的外部噪声Nx，同时计算出纯海 杂波父-。和杂噪比rcn;
[0042] 小波去噪的效果主要由小波基和阈值这2个因素决定。为了使信号与噪声的重叠 性尽可能的小，应选取与信号相关性最好的小波基；而合理地选择阈值可以使信号和噪声 的小波系数有效的分开。另外，在实际应用中，还需要确定信号分解的层数。本发明采用db2 小波基构造的小波在HeurSure阈值下对实测海杂波进行分解以达到纯海杂波与噪声的有 效分离，其分解层数为5。
[0043] 去除实测海杂X的外部噪声队的具体方法如下：
[0044] 步骤1-1)对实测海杂波进行小波分解，采用db2小波基构造小波，分解层数为5 ;
[0045] 步骤1-2)对小波分解得到的噪声部分进行HeurSure阈值处理；
[0046] 步骤1-3)依据小波分解后得到的第5层低频系数和阈值处理后得到的1~5高 频系数，对步骤1-1)用于分解实测海杂波的小波进行重构，利用重构得到的小波完成对实 测海杂波的去噪处理。
[0047] 步骤二：分析去除的外部噪声Nx的统计特性，根据Nx的统计特性，采用与其统计特 性吻合的统计模型生成一个仿真外部噪声Nz，并保证其杂噪比依然为Rcn;
[0048] 步骤三：采用MF-DFA计算纯海杂波Xden。的多重分形参数，包括q阶广义Hurst指 数h(q)、质量指数t(q)、奇异指数a(q)和多重分形谱f(a)，其中：q表示阶数；
[0049] 纯海杂波Xd_的多重分形参数的计算方法如下：
[0050] 步骤3-1)任意参数q= -20:1:20,采用MF-DFA计算去噪后实测海杂波的q阶起 伏函数：
[0051]
[0052] 步骤3-2)根据已有的研究设定尺度r的取值范围为4彡r彡N/8,确定每个q对应 的起伏函数与尺度的幂律关系Fq(r) 对该式两边取对数得到logFq(r) =h(q)?log r+const，对双对数图ln(Fq(r))~ln(r)上的点进行直线拟合，估计出直线的斜率，S卩为广 义Hurst指数h(q);
[0053] 步骤3-3)在广义Hurst指数h(q)已求出的基础上，根据以下公式求出下列多 重分形参数：质量指数t(q) =qh(q)_l，奇异指多重分形谱指f(a)= g qa-X(q) 〇
[0054] 步骤四：从计算出的多重分形参数中，提取q>0部分的h(q)以及其对应的f(a)， 记作h'（q)，f(a);这样提取建模参数的意义如下：
[0055] 采用MF-DFA算出的实测海杂波的起伏函数Fq(r)，在q〈0部分Fq(r)主要表征小 的序列即噪声的起伏特征。而已有研究表明实测海杂波中的外部噪声不具有分形特性，但 MF-DFA方法计算多重分形参数时依然是将外部噪声看作多重分形序列进行处理的，因此 MF-DFA方法在q〈0部分计算出的多重复分形参数h"(q)存在错误。又由起伏函数Fq(r)在 q>〇部分主要表征大的序列即纯海杂波的起伏特征，而此时噪声的起伏函数Fq(r)可忽略不 计，因此提取q>〇部分的多重分形参数h'（q)及对应的f'（a)作为建模参数可以很好的反 映纯海杂波的多重分形特性。
[0056] 步骤五