一种多通道电磁信号处理方法及系统与流程

本发明涉及电磁信号处理领域，特别涉及一种多通道电磁信号处理方法及系统。

背景技术：

1、在当今信息化的时代下，随着通信基础设施、信号塔台、变电站、雷达等的建设，空间中的电磁信号呈现信号种类多、信源数目多、信号特征变化快等发展趋势，使得当前空间的电磁环境日益复杂。复杂的电磁环境无疑增加了电磁信号处理分析的难度，如何从复杂的电磁信号中获取重要的信息则成为研究的重点。

2、电磁信号处理技术是一种对电磁信号进行转化、处理、分析、信息提取的技术。随着科技的不断发展，已经被广泛应用于通信、医疗、军事等领域，应用的领域主要包括信号压缩、异常检测、图像增强、信号恢复、信号分析等。复杂的电磁环境中，信号纵横交叉、连续交错、密集重叠、功率分布参差不齐，而且往往会涉及到多通道信号的处理，那么如何从复杂重叠的信号中获取准确的信息，源信号的分离恢复是至关重要的。

3、源信号的分离技术，即盲信号处理主要是指未知源信号和传输通道参数的情况下，仅有观测信号检测分离逼近源信号模型的一种信号处理技术。典型的盲源分离算法可分为自适应算法、快速算法和基于累积张量的算法。自适应算法可随着数据的陆续到来而逐步更新参数，使信号分离结果逐步趋向于真实源信号，便于在线实现；快速独立分量分析算法(fastica)已被广泛应用，属于批处理方法，适用于任何非高斯性信号，缺点是当高斯分布信号数量多于1个或信号非平稳时分离效果不好；基于累积张量算法推广主成分分析算法原理，利用高阶累积张量使分离数据相互独立，从而达到源信号分离的目的，但运算量大，所需存储空间较大，对非高斯性较弱信号分离效果不佳。

技术实现思路

1、针对多通道的电磁信号处理，本发明的目的在于提出一种新的多通道电磁信号处理方法及系统，能够有效的将多通道重叠信号分离为多个源信号，甚至对于噪声信号与源信号的分离也可有较好的效果。

2、为实现上述目的，本发明提供一种多通道电磁信号处理方法，所述方法包括以下步骤：

3、s1.多通道时域电磁信号仿真；仿真电磁信号波形参数，生成n个源信号，然后随机生成n*m的混叠矩阵，其中源信号数目为n，通道数为m；通过混叠矩阵将n个信号混叠生成m个通道的混叠电磁信号；

4、s2.时域信号变换为频域信号；设计窗类型以及窗函数，根据窗大小及帧偏移量对每个通道的时域信号进行短时傅里叶变换，得到频域信号；

5、s3.频域信号数据预处理；对多通道每一帧的矩阵信号数据求其协方差矩阵，然后对协方差矩阵作奇异值分解，通过分解得到的特征向量矩阵及特征值矩阵对变换后的频域信号进行白化预处理；

6、s4.低秩矩阵分析分离混叠的多通道信号；将白化预处理后的频域信号数据进行低秩矩阵分析，通过对方差矩阵进行非负矩阵分解，然后计算解混权重矩阵，直到迭代收敛或者达到设置的最大迭代次数，然后通过权重矩阵及输入的混叠频域信号矩阵计算得到分离信号；

7、s5.分离信号幅度尺度恢复；根据输入的混叠频域信号数据或迭代得到的权重矩阵，通过反投影技术恢复分离信号的幅度尺度，其尺度与低秩矩阵分析输入的频域信号尺度相匹配；

8、s6.频域信号逆变换为时域信号；对尺度恢复的分离信号作快速傅里叶逆变换得到时域信号数据，然后基于最小失真原理计算最佳合成窗，通过最佳合成窗加权处理后得到分离的源时域信号。

9、进一步，步骤s1中，所述源信号通过matlab仿真工具生成。

10、进一步，步骤s2中，所述时域信号变换为频域信号时，设计窗函数为可调形状的窗进行信号截取，具体设计的窗函数公式为：

11、

12、其中，，为窗大小，为大于0的极小的数，。

13、进一步，步骤s3中，所述白化预处理的具体计算步骤如下：

14、s3.1.针对每一帧的多通道信号矩阵求解其协方差矩阵a；

15、s3.2.记，迭代求解，k=1,2,…n；

16、s3.3.初始化特征向量矩阵u为单位矩阵；

17、s3.4.在矩阵的上三角元素中找模值最大的元素；

18、s3.5若，则停止迭代，此时的对角线元素，i=1,2,…,n；为特征值,矩阵u的第i列为对应的特征向量；否则继续下一步；

19、s3.6.求解旋转正交矩阵r；

20、s3.7迭代求解及，，。

21、进一步，步骤s4中所述的低秩矩阵分析分离多通道的混叠信号，通过求解解混矩阵而求得分离信号，分离信号可表示为：

22、，

23、其中，，，；；；分别为频率箱、时间帧、信号源和信道；低秩矩阵分析方法中。

24、进一步，低秩矩阵分析的具体过程为：

25、s4.1.初始化权重矩阵为单位矩阵，初始化，为元素为（0,1）均匀分布的随机矩阵；

26、s4.2.计算方差矩阵；计算功率谱矩阵；

27、s4.3.迭代进行低秩矩阵分析，不断更新权重矩阵，直到达到设置的最大迭代次数。

28、进一步，步骤s5中所述的分离信号幅度尺度恢复,通过解混矩阵的逆矩阵进行尺度恢复，公式如下：

29、

30、其中，为解混矩阵，即权重矩阵，表示第n个元素为1的向量，表示分离信号，表示分离后的尺度恢复信号，表示哈达玛积。

31、进一步，步骤s5中所述的分离信号幅度尺度恢复,通过输入的混叠频域信号进行尺度恢复，公式如下：

32、

33、其中，，是分离源信号数据，是步骤s4中输入的1×j混叠频域信号数据，是j*m的切片矩阵,是1×m或1×n的向量，这里m=n。

34、进一步，步骤s6中所述的频域信号逆变换为时域信号时，首先对步骤s5尺度恢复后的频域信号作快速傅里叶逆变换，然后对分离信号的每一帧频域信号进行最佳合成窗加权处理得到最终的分离信号结果。

35、另一方面，本发明提供一种多通道电磁信号处理系统，用于实现根据本发明的多通道电磁信号处理方法。

36、本发明的有益效果在于：

37、本发明的基于低秩矩阵分析的多通道电磁信号处理方法及系统，能够有效处理多通道的混叠信号。该方法具有完整的信号处理流程，即时频域信号变换、数据预处理、低秩矩阵分析分离多通道频域信号、分离信号的尺度恢复、频域信号逆变换为时域信号。整个处理流程能够有效的将实时采集的多通道混叠时域信号恢复为单个的源信号，并且可以做到有效分离，即恢复的源信号形状接近混叠前的信号模型，调制方式及信号的脉宽、pri参数特征都可以有效恢复，进而有利于对信号的进一步分析处理，从而获得信号的准确信息。

技术特征：

1.一种多通道电磁信号处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的多通道电磁信号处理方法，其特征在于，步骤s1中，所述源信号通过matlab仿真工具生成。

3.根据权利要求1所述的多通道电磁信号处理方法，其特征在于，步骤s2中，所述时域信号变换为频域信号时，设计窗函数为可调形状的窗进行信号截取，具体设计的窗函数公式为：

4.根据权利要求1所述的多通道电磁信号处理方法，其特征在于，步骤s3中，所述白化预处理的具体计算步骤如下：

5.根据权利要求1所述的多通道电磁信号处理方法，其特征在于，步骤s4中所述的低秩矩阵分析分离多通道的混叠信号，通过求解解混矩阵而求得分离信号，分离信号可表示为：

6.根据权利要求1所述的多通道电磁信号处理方法，其特征在于，低秩矩阵分析的具体过程为：

7.根据权利要求1所述的多通道电磁信号处理方法，其特征在于，步骤s5中所述的分离信号幅度尺度恢复,通过解混矩阵的逆矩阵进行尺度恢复，公式如下：

8.根据权利要求1所述的多通道电磁信号处理方法，其特征在于，步骤s5中所述的分离信号幅度尺度恢复,通过输入的混叠频域信号进行尺度恢复，公式如下：

9.根据权利要求1所述的多通道电磁信号处理方法，其特征在于，步骤s6中所述的频域信号逆变换为时域信号时，首先对步骤s5尺度恢复后的频域信号作快速傅里叶逆变换，然后对分离信号的每一帧频域信号进行最佳合成窗加权处理得到最终的分离信号结果。

10.一种多通道电磁信号处理系统，其特征在于，所述系统用于实现根据权利要求1-9任一项所述的多通道电磁信号处理方法。

技术总结
本发明公开了一种多通道电磁信号处理方法及系统，所述方法包括以下步骤：步骤S1.多通道时域电磁信号仿真；S2.时域信号变换为频域信号；S3.频域信号数据预处理；S4.低秩矩阵分析分离混叠的多通道信号；S5.分离信号幅度尺度恢复；S6.频域信号逆变换为时域信号。所述方法及系统能够有效处理多通道的混叠信号，做到有效分离，调制方式及信号的脉宽、PRI参数特征都可以有效恢复，进而有利于对信号的进一步分析处理，从而获得信号的准确信息。

技术研发人员：张博,李晓蕾,秦姗
受保护的技术使用者：中国人民解放军32806部队
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16