一种海洋环境下卫星通讯信号降噪系统及降噪方法

：本发明涉及数据安全，具体而言，涉及一种基于双向特征融合降噪自编码器的海洋环境下卫星通讯信号降噪系统及降噪方法。

背景技术

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背景技术：

1、海洋环境处于一个较为开放的状态，领域广阔且环境错综复杂，不可能轻易的掌握正确的海洋环境状况，而类似热传感器、雷达以及自动识别系统(ais)等这些目前主流的管控方案在面对中远距离海域实时管控的需求上都不够全面。卫星通信系统作为一种实现远距离通信的微波通信系统，通过以卫星作为中继站的方式将通讯覆盖范围做到远远大于一般的移动通信系统，而在轨道卫星数量需求较小，比较少的组网卫星就能够实现全球的无间隙覆盖。在类似空中、荒漠戈壁以及海洋等地面移动通信系统无法覆盖的地方，卫星通信系统也能够实现通信交互。同时，目前海洋环境上的通信行为多是依靠卫星通信系统的覆盖范围优势，无论是军事还是民用领域卫星通信系统的存在都是十分重要的。尤其是民用的手持卫星通信电话获取入网资格并不困难，所以海洋环境下卫星通信系统使用较为广泛。同时卫星通信系统作为一种通讯方法，必然具备实时性这一重要属性，在实现中远距离实时管控时尤为契合。

2、另外，海洋环境错综复杂，必然会导致通信过程中的因素错综复杂，也就是会充斥着各种影响管控目标判断的不相关噪声。海洋环境中信道噪声大致可以分为自然噪声、人为噪声以及内部噪声，自然噪声是指自然界的各种电磁波辐射，例如闪电，大气噪声以及来自太阳系和银河系等的宇宙噪声，人为噪声是指由人类活动产生的噪声，包括无线电噪声和工业噪声，例如电气开关瞬态造成的电磁波辐射，内部噪声是通信设备本身产生的噪声，例如导体中自由电子的热运动产生的热噪声。现阶段的降噪方法更新迭代很快，效果也越来越显著，但是卫星通讯设备目标管控中对特定卫星通讯设备的识别主要方法依靠的是特定射频辐射源个体识别。特定辐射源个体识别是指对接收的电磁信号进行特征测量，根据已有的先验信息确定产生信号的辐射源个体，而这个特征的测量主要来源便是辐射源个体的特征，也就是这个辐射源个体的“指纹”。但是像类似卫星手持电话这类设备都是同样的工艺来批量生产的，在编码、调制方式相同的情况下，海洋又是具备随机性和不可预测性的环境，所能找到的辐射源个体“指纹”只能从辐射源个体内部来寻找。而从工业角度上来讲，虽然同种类的辐射源个体是同一个标准甚至同一个生产线进行制造生产的，但是半导体、晶体管的硬件生产是不可能完美的，必然会存在“小瑕疵”，而这些小瑕疵在辐射源个体工作时就会展现出来，也就是辐射源个体所具备的特征。而这些“小瑕疵”的特征主要体现在内部噪声中，所以在去噪的同时，难免会去掉能够代表辐射源个体的特征，也就会影响辐射源个体识别的精确度。

3、因此，需要研究一种能够有效去除卫星通讯信号噪声的方案，既能将影响卫星通讯设备辐射源个体识别的大量无关噪声去除掉，又能够保留代表卫星通讯设备辐射源个体特征的部分内部噪声。这两方面是海洋低信噪比环境下卫星通讯信号降噪的关键技术难点，它对于保证卫星通讯设备辐射源个体识别的准确性和和有效利用有着重要的意义。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、为解决上述问题，本发明提供了一种基于双向特征融合降噪自编码器的海洋环境下的卫星通讯信号降噪系统及降噪方法。

2、所述系统包括第一特征提取器、第一编码器、第二特征提取器、第二编码器、特征嵌入器、解码器以及信号生成器；第一特征提取器和第一编码器连接，第二特征提取器与第二编码器连接，形成两个信号处理任务分支；第一特征提取器和第二特征提取器的输入作为整体系统的输入，第一编码器和第二编码器的输出作为特征嵌入器的输入，特征嵌入器的输出作为解码器的输入，解码器的输出作为信号生成器的输入，信号生成器的输出作为整个系统的输出；

3、第一特征提取器、第二特征提取器的输入为接收到的卫星通讯信号，第一特征提取器用于提取未添加噪声的卫星通讯信号特征，生成服务于卫星通讯信号生成图像去噪的单向训练任务分支所需的卫星通讯信号图像特征，第二特征提取器用于提取保留卫星通讯设备辐射源设备噪声的卫星通讯信号特征，生成保留卫星通讯信号设备噪声的单向训练任务分支所需的卫星通讯信号图像特征；

4、第一编码器、第二编码器分别用于将第一特征提取器的输出信号、第二特征提取器的输出信号映射为数值编码，输出若干个正态分布的均值和标准差，然后采样得到最终编码；

5、特征嵌入器用于将卫星通讯设备辐射源设备噪声特征嵌入到最终的卫星通讯信号去噪结果中；

6、解码器用于对特征嵌入器输出结果进行解码；

7、信号生成器用于解码器的输出进行重构获得所需的卫星通讯信号。

8、进一步的，第一特征提取器、第二特征提取器的结构相同，均包含6个处理单元、2个池化层；信号传输顺序依次为第一处理单元、第二处理单元、第一池化层、第三处理单元、第四处理单元、第二池化层、第五处理单元、第六处理单元；每个处理单元均包含卷积层、归一化层、激活函数层，信号在每个处理单元内的传输顺序为：卷积层、归一化层、激活函数层。

9、进一步的，第一特征提取器、第二特征提取器的算法式子分别为：

10、f1＝ffeo(nsf)

11、f2＝ffee(nsf)

12、其中ffeo、ffee分别是第一特征提取器、第二特征提取器的参数表示，nsf是输入的所接收到的卫星通讯信号；f1为服务于卫星通讯信号生成图像去噪的单向训练任务分支所需的卫星通讯信号图像特征，f2是实现保留卫星通讯信号设备噪声的单向训练任务分支所需的卫星通讯信号图像特征。

13、进一步的，卫星通讯信号设备噪声包括电阻热噪声以及1/f噪声。

14、进一步的，第一编码器的输出如下所示：

15、

16、x1是第一特征提取器的输出，x1＝f11,f12,…,f1n；fen()为函数结构，它输出的是n个正态分布的均值标准差

17、第二编码器的输出如下所示：

18、

19、其中x2代表第二特征提取器的输出，x2＝f21,f22,…,f2n；fen()输出n个正态分布的均值标准差

20、进一步的，特征嵌入器内的运算式如下所示：

21、

22、zi为隐藏向量，zi∈(z1,(z2,…,zn)。

23、进一步的，解码器由全连接层和矩阵重塑层构成，解码器的输出为：

24、

25、其中z为输入的隐藏向量，fde()是解码器函数，为解码器的输出；隐藏向量输入全连接层。

26、进一步的，信号生成器输出如下所示：

27、

28、其中，是输入的去噪后卫星通讯信号的特征，ftfe是信号生成器函数，sf是最后生成的去噪后卫星通讯信号。

29、进一步的，解码器包括六个输出信号处理单元及两个上采样层；六个输出信号处理单元分别为第一输出信号处理单元、第二输出信号处理单元、第三输出信号处理单元、第四输出信号处理单元、第五输出信号处理单元、第六输出信号处理单元；各个输出信号处理单元均含有一个反卷积层和激活函数层。

30、降噪方法包括如下步骤：

31、步骤一：第一特征提取器、第二特征提取器同时接收到卫星通讯信号，其中，

32、第一特征提取器提取未添加卫星通讯设备辐射源设备噪声的卫星通讯信号特征，生成去噪的卫星通讯信号图像特征；

33、第二特征提取器提取保留卫星通讯设备辐射源设备噪声的卫星通讯信号特征，生成保留卫星通讯信号设备噪声的卫星通讯信号图像特征；

34、步骤二：第一编码器、第二编码器分别将第一特征提取器的输出信号、第二特征提取器的输出信号映射为数值编码，输出若干个正态分布的均值和标准差，然后采样得到最终编码；

35、步骤三：特征嵌入器将卫星通讯设备辐射源设备噪声特征嵌入到最终的卫星通讯信号去噪结果中，输出隐藏向量；

36、步骤四：解码器对隐藏向量进行解码，输出预定尺寸的矩阵；

37、步骤五：信号生成器将解码器的输出进行重构获得所需的卫星通讯信号。

38、本发明的有益效果为：

39、本发明设计了基于双向特征融合降噪自编码器模型，通过双向同结构不同操作的方式来保证去噪信号和设备特征信息的获取；还设计了特征嵌入器的结构，通过特征相互嵌入的模式来保证去噪后海洋通讯信号依旧可用于辐射源个体识别。

40、本发明在保留了海洋卫星通讯设备辐射源个体特征主体部分—设备噪声的前提下，保证卫星通讯设备能够更明显的被识别出来，同时极大程度的实现海洋环境下的卫星通讯信号去噪，去除与卫星通讯信号无关的部分，减少噪声对海洋卫星通讯设备辐射源个体识别的干扰。

41、本发明的方案可以将海洋低信噪比环境下的卫星通讯信号处理成为更干净更能代表卫星通讯设备辐射源个体的卫星通讯信号，同时保证了卫星通讯设备辐射源个体识别的准确率。