嫦娥四號著陸器將搭載低頻射電頻譜儀在月球背面進(jìn)行低頻射電天文觀測,低頻射電頻譜儀的觀測波段為0.1～40 MHz。根據(jù)著陸器在中國空間技術(shù)研究院的微波暗室進(jìn)行的電磁兼容性試驗結(jié)果,著陸器平臺在該頻段內(nèi)自身存在非常強(qiáng)的噪聲,其強(qiáng)度甚至淹沒大部分來自太陽爆發(fā)的信號,難以探測有效信號,實現(xiàn)預(yù)期的科學(xué)目標(biāo)。通過模擬仿真分析譜減法、維納濾波及自適應(yīng)濾波3種方法對著陸器噪聲消除的效果,從而選擇更為有效的噪聲消除方法,為低頻射電頻譜儀在軌探測任務(wù)的數(shù)據(jù)處理提供依據(jù)。 

【文章來源】：天文研究與技術(shù). 2019,16(03)CSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

低頻射電頻譜儀的4根天線［3］Fig.1Thefourantennasoftheverylowfrequencyradiospectrometer［3］［3］

天文研究與技術(shù)16卷的噪聲通量密度大于普通的太陽爆發(fā)產(chǎn)生的通量密度，與太陽爆發(fā)峰值通量密度相當(dāng)。所以不對接收到的信號進(jìn)行降噪處理，難以反演出太陽爆發(fā)的真實強(qiáng)度。圖2月球表面的電磁波通量密度［2］Fig.2Radioemissionlevelsonthesurfaceofmoon［2］2低頻射電頻譜儀有效信號提取方法由于低頻射電頻譜儀的3根主要天線A，B，C收到的目標(biāo)信號都包含來自著陸器自身的噪聲信號，所以在對信號進(jìn)行提取之前需要通過降噪算法抑制噪聲并最大限度地分離出有用的信號。用x(n)表示觀測到的信號，s(n)表示有用信號，v(n)表示噪聲信號。它們之間的關(guān)系表示為x(n)=s(n)+v(n)．(2)在本文的模擬仿真中，將一組強(qiáng)度與太陽爆發(fā)強(qiáng)度接近的模擬信號作為有用信號s(n)，用電磁兼容性試驗測得的工況三的著陸器噪聲作為噪聲信號v(n)，通過譜減法、維納濾波及自適應(yīng)濾波的方法進(jìn)行仿真處理。2.1譜減法譜減法是信號增強(qiáng)的一種常見方法，在頻域上用信號加噪聲的幅值減去噪聲的幅值得到有用信號的幅值。文［5］于1979年改進(jìn)了該方法，稱為改進(jìn)的譜減法。改進(jìn)的譜減法在譜減的過程中使用噪聲的平均功率，有效地減小剩余的“音樂噪聲”。改進(jìn)的譜減法用公式表示為S(n)γ=X(n)γ－aD(n);X(n)γ≥aD(n)bD(n);X(n)γ＜aD(n)，{(3)其中，D(n)為噪聲的平均幅值，D(n)=1N∑Ni=1Di(n)γ，(4)413

?S(f)=VA(f)－P(f)VD(f);VA(f)≥P(f)VD(f)bP(f)VD(f);VA(f)＜P(f)VD(f){，(5)其中，VA(f)為長天線A收到的信號進(jìn)行傅里葉變換后在相應(yīng)頻點的平均值;VD(f)為短天線D收到的信號在相應(yīng)頻點的平均值;γ取1;P(f)取太陽寧靜時一小段時間內(nèi)4個接收機(jī)接收到的信號分別算出:PA(f)=VA(f)VD(f)．(6)處理流程如圖3。圖3改進(jìn)譜減法運(yùn)算示意圖Fig.3Improvedspectralsubtractiondiagram下面3種數(shù)據(jù)處理方法以天線A與天線D接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真為例，譜減法仿真結(jié)果如圖4。圖4展示了快速傅里葉變換后的頻域信號，橫軸表示頻率(單位為MHz)，縱軸為幅度(單位為dBuV)。圖4中黑色曲線是帶有噪聲的信號，藍(lán)色曲線是經(jīng)過改進(jìn)譜減法處理后的信號，紅色曲線是有用信號。從圖4可以看出，該方法在整個波段對噪聲進(jìn)行了有效抑制，在10MHz以下頻段內(nèi)噪聲幅度下降了20dB左右，在其它頻段噪聲降低10dB左右，且處理后的信號波形基本能還原原本的有用信號，在背景噪聲較低的頻段(20～40MHz)處理效果更好。2.2維納濾波從(2)式可知，進(jìn)行信號處理的目標(biāo)是得到不含噪聲的有用信號s(n)。但是在實際信號處理過程中，求得的有用信號并不完全等于s(n)，只是s(n)的逼近值或估計值，因此對信號的處理可以看作是對s(n)的估計，處理信號就是找到一個最佳的估計器。維納濾波是一個尋找最佳估計器來估計信號的方法［6－7］。513


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