本發(fā)明屬于電波傳播領(lǐng)域，涉及陸基定位信號處理和電波傳播交叉應(yīng)用學(xué)科，具體涉及一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在實際航海環(huán)境中，船舶移動和海面環(huán)境都是實時變化的，這使得多徑衰落信號的信道環(huán)境變得極其復(fù)雜，很難找到合適的數(shù)學(xué)方法對其進行準(zhǔn)確地分析研究和處理。傳統(tǒng)的傳播模型不僅真實性不高，而且在不同的環(huán)境條件下，需要使用不同的模型，這種模型間的相互切換對接收機的設(shè)計要求較高，并且在快衰落和衰落深度較大的情況下，只能估算信道參數(shù)，導(dǎo)致利用接收到的VHF信號進行定位測距的準(zhǔn)確度較差，所以需要一種新的信號測量處理方法解決這一問題。分形理論的發(fā)展為描述那些具有不規(guī)則的幾何特征、高度無序的自然現(xiàn)象提供了新的工具，它可以兼顧大范圍有序和小范圍無序的特點，這一特點符合海洋的表面狀態(tài)，所以將分形理論應(yīng)用在航海環(huán)境中是可行的。本發(fā)明利用分形理論分析VHF多徑衰落信號特點，提出一種更準(zhǔn)確處理實際VHF信號的新方法并基于該方法構(gòu)造信號測量處理系統(tǒng)來減少VHF信號測距誤差，提高定位精度。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提出一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)以及基于該系統(tǒng)測量VHF多徑信號的方法，它適用于AIS船舶自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)以提高定位精度。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供技術(shù)方案如下：
一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)，包括接收信號時序分解重構(gòu)模塊，用于對VHF信號進行時序分解和重構(gòu)、分形維數(shù)計算模塊1、2和3，用于對重構(gòu)后的接收信號進行分形維數(shù)的計算、分形噪聲重構(gòu)模塊，用于重構(gòu)分形噪聲信號、分形噪聲剝離模塊，用于對重構(gòu)的分形噪聲信號進行分形噪聲剝離計算、VHF信號重構(gòu)模塊，對剝離分形噪聲后的VHF信號進行重構(gòu)、分形維數(shù)分析計算模塊，用于對分形維數(shù)進行分析計算處理、VHF信號小波重構(gòu)模塊，用于對接受的VHF信號進行小波重構(gòu)，具體處理步驟如下：
(1)天線接收到AIS基站發(fā)射的VHF信號，該VHF信號經(jīng)過海面反射和散射后為多徑衰落信號和噪聲信號的疊加，經(jīng)過信號時序分解重構(gòu)模塊對接收到的VHF信號進行時序分解和重構(gòu)；
(2)通過分形維數(shù)計算模塊2對重構(gòu)后的接收信號進行分形維數(shù)的計算，為了更好地恢復(fù)和重構(gòu)VHF真實信號，對得到的分形維數(shù)進行兩路分析處理：
1)①利用已得的維形參數(shù)，在分形噪聲重構(gòu)模塊中重構(gòu)出分形噪聲信號；
②經(jīng)過分形噪聲剝離模塊對重構(gòu)后的分形噪聲信號進行分形噪聲剝離計算，即在原接收信號的基礎(chǔ)上減去分形噪聲信號，得到不含分形噪聲的VHF信號；
③步驟②得到的不含分形噪聲的VHF信號經(jīng)過VHF信號重構(gòu)模塊進行重構(gòu)，并在分形維數(shù)計算模塊2中得到重構(gòu)后的VHF信號的分形維數(shù)；
2)在VHF信號小波重構(gòu)模塊中，利用步驟(2)中得到的分形維數(shù)對接收的VHF信號直接進行小波重構(gòu)，并在分形維數(shù)計算模塊3中得到小波重構(gòu)后的VHF信號的分形維數(shù)；
因為分形信號具有標(biāo)度不變性，所以步驟2)中得到的分形維數(shù)與沒有噪聲疊加的VHF真實信號分形維數(shù)相近。雖然標(biāo)度越小，重構(gòu)得到的信號越能準(zhǔn)確描述分形信號，但由于標(biāo)度變小造成標(biāo)度范圍擴大，導(dǎo)致更多的噪聲也被包括進來，所以需對得到的分形維數(shù)進行處理以減少恢復(fù)出信號的誤差，使其更接近真實信號。
(3)將上述步驟1)③和步驟2)得到的分形維數(shù)分別輸入分形維數(shù)分析計算模塊中進行分析計算處理，計算結(jié)果用于控制接收信號時序分解重構(gòu)模塊中對接收信號進行小波重構(gòu)的級數(shù)；
(4)當(dāng)步驟1)③和步驟2)得到的分形維數(shù)值相同時，調(diào)整過程結(jié)束，此時得到的分形維數(shù)可以更加準(zhǔn)確地估計出AIS基站實際發(fā)射的VHF信號，VHF信號經(jīng)過接收信號時序分解重構(gòu)模塊、分形維數(shù)計算模塊1、分形噪聲重構(gòu)模塊、分形噪聲剝離模塊傳遞至VHF信號重構(gòu)模塊后輸出。
一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)，所述步驟(1)中VHF信號時序分解和重構(gòu)方法為：
VHF信號經(jīng)過海面反射和散射后達到船站，接收到的信號為：
根據(jù)分形基本理論之一的合并原理，Sr(t)的分形特征可由p(t)和q(t)的分形特征來描述。λ為任意實數(shù)，H為p(t)分形參數(shù)，ω(a,b)為p(t)小波函數(shù)，Hq為q(t)分形參數(shù)，ωq(a,b)為q(t)小波函數(shù)。
一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)，所述的步驟(2)中分形參數(shù)與分形維數(shù)的計算方法為：
下面研究單個分量p(t)的分形特征，因為p服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，所以假設(shè)時間尺度由t變?yōu)棣甩觼碛^察單個分量p(t)，其期望和方差為：
E[p(λτ)]＝0 (b)
σ[p(λτ)]＝|cosωcλτ| (c)
可見，無論如何改變多徑衰落信號的時間分辨率，p(t)的期望和方差都有相同的表達式，這說明即使時間尺度發(fā)生變化，p(t)的觀察結(jié)果在統(tǒng)計意義上是一樣的，所以p(t)在時間上滿足統(tǒng)計的標(biāo)度不變性，p(t)可看作是時間序列。同理可得，q(t)也有相同的結(jié)果。
利用分布函數(shù)求分形維數(shù)的方法，分布函數(shù)與分形維數(shù)的關(guān)系滿足：
p(t)∝t-D (d)
其中D就是分形維數(shù)，p(t)的分形維數(shù)記為d1。按照上述方法計算出q(t)的分形維數(shù)d2，根據(jù)合并原理得出Sr(t)的分形維數(shù)dr，dr＝d1+d2。
一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)，所述的步驟1)①分形噪聲重構(gòu)的方法為：
由于以時間間隔τ觀察的多徑衰落信號Sr(t)為時間序列，那么△Si＝Sr(t+iτ)-Sr[t+(i-1)]則為噪聲序列，其也為分形時間序列。對于分形噪聲，Mandelbrot得出以下公式：
其中，為高斯白噪聲，H為分形參數(shù)。
根據(jù)VHF多徑衰落信號時間序列的接收值先計算出分形參數(shù)H，再利用式分形參數(shù)與分形維數(shù)之間的關(guān)系算出分形維數(shù)，之后就可以對分形噪聲信號進行剝離處理，剝離處理后計算和重構(gòu)VHF信號。
一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)，所述步驟1)③對剝離分形噪聲后的VHF信號分形維數(shù)計算方法為：
不含分形噪聲的VHF信號為：
△r(t)＝Sr(t)-△S(t) (f)
利用時序信號功率譜密度的漸進無偏估計G(f)來計算其分形維數(shù)。
根據(jù)頻譜求分形維數(shù)的方法，頻譜與分形維數(shù)的關(guān)系滿足：
G(f)∝f-D (h)
其中D就是分形維數(shù)，△r(t)的分形維數(shù)記為d′r。
一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)，所述步驟(2)中VHF信號小波重構(gòu)方法為：
由于VHF信號經(jīng)過海面的反射和散射后顯現(xiàn)出極為復(fù)雜的不規(guī)則形和較強的非線性，且其多徑衰落信號具有分形特性，因具有分形結(jié)構(gòu)的信號其小波變換在一定尺度內(nèi)具有標(biāo)度不變性，所以可利用這一特點將分形信號用S.Mallat推導(dǎo)的小波函數(shù)表示：
利用標(biāo)度不變性：
λ為任意實數(shù)，H為分形參數(shù)，根據(jù)分形參數(shù)與分形維數(shù)的關(guān)系計算出分形維數(shù)D，記p(t)的分形維數(shù)為同理求得q(t)的分形維數(shù)為那么Sr(t)的分形維數(shù)為并用來控制接收信號時序分解重構(gòu)模塊的小波重構(gòu)級數(shù)，直到△dr≈0為止。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：利用本發(fā)明能夠有效地克服傳統(tǒng)VHF信號多徑衰落模型不能靈活適應(yīng)復(fù)雜信道環(huán)境的缺點，為接收端能夠準(zhǔn)確地重構(gòu)信號提供了實驗基礎(chǔ)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
其中，1.接收信號時序分解重構(gòu)模塊、2.分形維數(shù)計算模塊1、3.分形噪聲重構(gòu)模塊、4.分形噪聲剝離模塊、5.VHF信號重構(gòu)模塊、6.分形維數(shù)計算模塊2、7.分形維數(shù)分析計算模塊、8.分形維數(shù)計算模塊3、9.VHF信號小波重構(gòu)模塊。
具體實施方式
結(jié)合說明書附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。
一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)，包括接收信號時序分解重構(gòu)模塊，用于對VHF信號進行時序分解和重構(gòu)、分形維數(shù)計算模塊1、2和3，用于對重構(gòu)后的接收信號進行分形維數(shù)的計算、分形噪聲重構(gòu)模塊，用于重構(gòu)分形噪聲信號、分形噪聲剝離模塊，用于對重構(gòu)的分形噪聲信號進行分形噪聲剝離計算、VHF信號重構(gòu)模塊，對VHF信號進行重構(gòu)、分形維數(shù)分析計算模塊，用于對分形維數(shù)進行分析計算處理、VHF信號小波重構(gòu)模塊，用于對接收的VHF信號進行小波重構(gòu)，具體處理步驟如下：
(1)天線接收到AIS基站發(fā)射的VHF信號，該VHF信號經(jīng)過海面反射和散射后為多徑衰落信號和噪聲信號的疊加，經(jīng)過信號時序分解重構(gòu)模塊對接收到的VHF信號進行時序分解和重構(gòu)；
(2)通過分形維數(shù)計算模塊1對重構(gòu)后的接收信號進行分形維數(shù)的計算，為了更好地恢復(fù)和重構(gòu)VHF真實信號，對得到的分形維數(shù)進行兩路分析處理：
1)①利用已得的分形維數(shù)，在分形噪聲重構(gòu)模塊中重構(gòu)出分形噪聲信號；
②經(jīng)過分形噪聲剝離模塊對重構(gòu)后的分形噪聲信號進行分形噪聲剝離計算，噪聲剝離計算即在原接收信號的基礎(chǔ)上減去分形噪聲信號，得到不含分形噪聲的VHF信號；
③步驟②得到的不含分形噪聲的VHF信號經(jīng)過VHF信號重構(gòu)模塊進行重構(gòu)，并在分形維數(shù)計算模塊2中得到重構(gòu)后的VHF信號的分形維數(shù)；
2)在VHF信號小波重構(gòu)模塊中，利用步驟(2)中得到的分形維數(shù)對接收的VHF信號直接進行小波重構(gòu)，并在分形維數(shù)計算模塊3中得到小波重構(gòu)后的VHF信號的分形維數(shù)；
因為分形信號具有標(biāo)度不變性，所以步驟2)中得到的分形維數(shù)與沒有噪聲疊加的VHF真實信號分形維數(shù)相近。雖然標(biāo)度越小，重構(gòu)得到的信號越能準(zhǔn)確描述分形信號，但由于標(biāo)度變小造成標(biāo)度范圍擴大，導(dǎo)致更多的噪聲也被包括進來，所以需對得到的分形維數(shù)進行處理以減少恢復(fù)出信號的誤差，使其更接近真實信號。
(3)將上述步驟1)③和步驟2)得到的分形維數(shù)分別輸入分形維數(shù)分析計算模塊中進行分析計算處理，計算結(jié)果用于控制接收信號時序分解重構(gòu)模塊中對接收信號進行小波重構(gòu)的級數(shù)；
(4)當(dāng)步驟1)③和步驟2)得到的分形維數(shù)值相同時，調(diào)整過程結(jié)束，此時得到的分形維數(shù)可以更加準(zhǔn)確地估計出AIS基站實際發(fā)射的VHF信號，VHF信號經(jīng)過接收信號時序分解重構(gòu)模塊、分形維數(shù)計算模塊1、分形噪聲重構(gòu)模塊、分形噪聲剝離模塊傳遞至VHF信號重構(gòu)模塊后輸出。
一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)，所述步驟(1)中VHF信號時序分解和重構(gòu)方法為：
VHF信號經(jīng)過海面反射和散射后達到船站，接收到的信號為：
根據(jù)分形基本理論之一的合并原理，Sr(t)的分形特征可由p(t)和q(t)的分形特征來描述。λ為任意實數(shù)，H為p(t)分形參數(shù)，ω(a,b)為p(t)小波函數(shù)，Hq為q(t)分形參數(shù)，ωq(a,b)為q(t)小波函數(shù)。
一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)，所述的步驟(2)中分形參數(shù)與分形維數(shù)的計算方法為：
下面研究單個分量p(t)的分形特征，因為p服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，所以假設(shè)時間尺度由t變?yōu)棣甩觼碛^察單個分量p(t)，其期望和方差為：
E[p(λτ)]＝0 (b)
σ[p(λτ)]＝|cosωcλτ| (c)
可見，無論如何改變多徑衰落信號的時間分辨率，p(t)的期望和方差都有相同的表達式，這說明即使時間尺度發(fā)生變化，p(t)的觀察結(jié)果在統(tǒng)計意義上是一樣的，所以p(t)在時間上滿足統(tǒng)計的標(biāo)度不變性，p(t)可看作是時間序列。同理可得，q(t)也有相同的結(jié)果。
利用分布函數(shù)求分形維數(shù)的方法，分布函數(shù)與分形維數(shù)的關(guān)系滿足：
p(t)∝t-D (d)
其中D就是分形維數(shù)，p(t)的分形維數(shù)記為d1。按照上述方法計算出q(t)的分形維數(shù)d2，根據(jù)合并原理得出Sr(t)的分形維數(shù)dr，dr＝d1+d2。
一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)，所述的步驟1)①分形噪聲重構(gòu)的方法為：
由于以時間間隔τ觀察的多徑衰落信號Sr(t)為時間序列，那么△Si＝Sr(t+iτ)-Sr[t+(i-1)]則為噪聲序列，其也為分形時間序列。對于分形噪聲，Mandelbrot得出以下公式：
其中，為高斯白噪聲，H為分形參數(shù)。
根據(jù)VHF多徑衰落信號時間序列的接收值先計算出分形參數(shù)H，再利用式分形參數(shù)與分形維數(shù)之間的關(guān)系算出分形維數(shù)，之后就可以對分形噪聲信號進行剝離處理，剝離處理后計算和重構(gòu)VHF信號。
一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)，所述步驟1)③對剝離分形噪聲后的VHF信號分形維數(shù)計算方法為：
不含分形噪聲的VHF信號為：
△r(t)＝Sr(t)-△S(t) (f)
利用時序信號功率譜密度的漸進無偏估計G(f)來計算其分形維數(shù)。
根據(jù)頻譜求分形維數(shù)的方法，頻譜與分形維數(shù)的關(guān)系滿足：
G(f)∝f-D (h)
其中D就是分形維數(shù)，△r(t)的分形維數(shù)記為d′r。
一種基于分形理論的VHF多徑信號測量處理系統(tǒng)，所述步驟(2)中VHF信號小波重構(gòu)方法為：
由于VHF信號經(jīng)過海面的反射和散射后顯現(xiàn)出極為復(fù)雜的不規(guī)則形和較強的非線性，且其多徑衰落信號具有分形特性，因具有分形結(jié)構(gòu)的信號其小波變換在一定尺度內(nèi)具有標(biāo)度不變性，所以可利用這一特點將分形信號用S.Mallat推導(dǎo)的小波函數(shù)表示：
利用標(biāo)度不變性：
λ為任意實數(shù)，H為分形參數(shù)，根據(jù)分形參數(shù)與分形維數(shù)的關(guān)系計算出分形維數(shù)D，記p(t)的分形維數(shù)為同理求得q(t)的分形維數(shù)為那么Sr(t)的分形維數(shù)為并用來控制接收信號時序分解重構(gòu)模塊的小波重構(gòu)級數(shù)，直到△dr≈0為止。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。