大數(shù)據(jù)異步傳輸環(huán)境下艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)增強(qiáng)處理

邵芬紅，王 芳，李麗芬

(燕京理工學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065201)

0 引 言

激光網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤、檢測(cè)和識(shí)別[1]，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中[2]，回波信號(hào)極易受到噪聲或遮擋等因素影響，不利于信息的提取[3]。因此激光網(wǎng)絡(luò)回波信息增強(qiáng)方法的研究對(duì)于激光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具有重要意義。

山雨等[4]在研究回波信號(hào)增強(qiáng)問(wèn)題過(guò)程中，利用貝葉斯因子分析模型的參數(shù)求解問(wèn)題取代信號(hào)增強(qiáng)過(guò)程，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行求解。張濤等[5]在研究回波信號(hào)增強(qiáng)問(wèn)題時(shí)，針對(duì)信號(hào)頻譜擴(kuò)散問(wèn)題進(jìn)行加權(quán)補(bǔ)償，通過(guò)目標(biāo)周邊多幀信號(hào)實(shí)施聯(lián)合處理，由此實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)目的。但它樣均未考慮信號(hào)的異步傳輸問(wèn)題，由此造成最終的增強(qiáng)效果受到一定影響，為此提出大數(shù)據(jù)異步傳輸環(huán)境下艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)增強(qiáng)處理方法，在回波信號(hào)中獲取更多有用的信息。

1 艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)增強(qiáng)處理方法

1.1 基于信號(hào)累積增強(qiáng)的激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)采集

信號(hào)累積增強(qiáng)即將艦船激光網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的若干個(gè)回波信號(hào)積累在一起，由此形成一個(gè)高強(qiáng)度的回波信號(hào)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)。激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)積累則增強(qiáng)過(guò)程描述如下：以f，U和E分別表示激光網(wǎng)絡(luò)脈沖重復(fù)頻率、作用距離和脈沖周期，對(duì)E實(shí)施分割量化，以 Δt和ΔU分別表示時(shí)間單元和單元距離，依照激光網(wǎng)絡(luò)測(cè)距理論，每分割一個(gè) Δt就對(duì)應(yīng)著作用距離內(nèi)的一個(gè)，也就是時(shí)間量化和距離量化具有一致性。在整個(gè)艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)周期中，等間隔劃分時(shí)間E，由此確定劃分單元整數(shù)和距離單元：

式中，c為光速。

艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)被劃分成N個(gè)部分，為完成M個(gè)回波信號(hào)的累積增強(qiáng)，就要通過(guò)加法設(shè)定信號(hào)累積標(biāo)準(zhǔn)。由此將M個(gè)艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)相對(duì)應(yīng)的N個(gè)部分依次輸入至M個(gè)累加器，由此完成艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)的M次累積。S表示艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)，Xi=[x0,x1,x2,···,xS] 和ξi=[ε0,ε1,ε2,···,εS]分別表示單一艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)系列和噪聲序列，那么回波信號(hào)與噪聲信號(hào)能量為：

由此得到功率信噪比，公式描述如下：

n2DR和nDξ分別為通過(guò)n次累積處理后的累積信號(hào)與噪聲的功率，由此得到信噪比：

通過(guò)n次信號(hào)累積處理后，艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)噪聲功率與幅值分別得以提升，通過(guò)信號(hào)累積技術(shù)能夠提升艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)的信噪比。

1.2 大數(shù)據(jù)異步傳輸環(huán)境下的異常回波信號(hào)清除

由于艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)采集過(guò)程中，采用信號(hào)累積增強(qiáng)的方式，將多個(gè)回波信號(hào)積累成一個(gè)高強(qiáng)度的回波信號(hào)，這一過(guò)程中將產(chǎn)生異步傳輸特性，而信號(hào)的異步傳輸將導(dǎo)致異常信號(hào)產(chǎn)生，因此在采用信號(hào)累積增強(qiáng)方式對(duì)艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)實(shí)施增強(qiáng)處理過(guò)程中，需通過(guò)分形特征法清除回波信號(hào)異步傳輸條件下產(chǎn)生的異常信號(hào)。異常信號(hào)清除過(guò)程中，將盒維數(shù)作為艦船激光網(wǎng)絡(luò)異步傳輸過(guò)程中的連接分形維數(shù)。S(k)和分別表示離散處理后艦船激光網(wǎng)絡(luò)異步傳輸下的網(wǎng)絡(luò)連接和采樣間隔，利用寬度為的盒子覆蓋S(k)，由此確定盒子數(shù)量Lt～；若采樣間隔為，那么覆蓋S(k)后盒子數(shù)量為L(zhǎng)kt～。若設(shè)定隨機(jī)采樣間隔，，則大數(shù)據(jù)異步傳輸條件下，艦船激光網(wǎng)絡(luò)不確定異常信號(hào)點(diǎn)集 φ盒維數(shù)為：

式中：k1=k2；?為和式次數(shù)。

根據(jù)式(7)可獲取時(shí)刻ti盒 維數(shù)：

利用式(8)可獲取異步傳輸條件下艦船激光網(wǎng)絡(luò)連接于不同時(shí)刻盒維數(shù)。非異常狀態(tài)下，檢出激光網(wǎng)絡(luò)連接分形維數(shù)趨于恒值，可通過(guò)hn表示，則hc(i)可表示hn對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)艦船激光網(wǎng)絡(luò)連接于不同時(shí)刻ti的分形維數(shù)，則利用式(9)計(jì)算hn與hc(i)間的差異值：

設(shè)定閾值 ?，若p(i)大于 ?，那么說(shuō)明異步傳輸狀態(tài)下，ti時(shí)刻的艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)為異常狀態(tài)，需清除該數(shù)據(jù)。

1.3 缺失回波信息恢復(fù)

清除異常信號(hào)后，艦船激光網(wǎng)絡(luò)ti時(shí)刻的回波信號(hào)將處于缺失狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致艦船激光網(wǎng)絡(luò)通信性能的下降，針對(duì)這一問(wèn)題，采用貝葉斯因子分析模型恢復(fù)缺失的回波信號(hào)，并對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行去噪處理。貝葉斯因子分析模型以模型參數(shù)求解過(guò)程替代艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)缺失信號(hào)恢復(fù)過(guò)程，通過(guò)變分貝葉斯期望最大算法求解模型參數(shù)，通過(guò)求解過(guò)程確定不同參數(shù)的后驗(yàn)概率分布。

1）因子加載矩陣的后驗(yàn)概率滿足高斯分布

式中：mk,和 Σk分別為均值與協(xié)方差矩陣，兩者的迭代公式如下：

式中，＜＞和diag()表示求期望運(yùn)算和對(duì)角矩陣。

2）s的后驗(yàn)概率滿足高斯分布

均值?與協(xié)方差矩陣M的迭代過(guò)程為：

3）參數(shù)ak的后驗(yàn)概率滿足伽馬分布標(biāo)準(zhǔn)

其中：

依照伽馬分布標(biāo)準(zhǔn)，ak的后驗(yàn)概率分布均值計(jì)算公式如下：

4）參數(shù) υ的后驗(yàn)概率滿足伽馬分布標(biāo)準(zhǔn)

其中：

式中，tr()為求跡運(yùn)算。

依照伽馬分布標(biāo)準(zhǔn)，υ后驗(yàn)概率分布均值為：

在滿足迭代次數(shù)上限或接連兩次迭代參數(shù)波動(dòng)低于設(shè)定閾值的條件下即可終止迭代過(guò)程。

由此獲取完成噪聲抑制與缺失數(shù)據(jù)復(fù)原等增強(qiáng)過(guò)程的艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試對(duì)象波長(zhǎng)與輸出功率分別為910 mm 和65 mW，所輸出的信號(hào)功率經(jīng)由分?jǐn)?shù)器分為兩部分，分別是本振光與信號(hào)光，分別占輸出功率的5%和95%。研究對(duì)象回波信號(hào)光直接投射至目標(biāo)上，并通過(guò)投射望遠(yuǎn)鏡接收回波信號(hào)，利用保偏光纖耦合器對(duì)本振光與接收光進(jìn)行耦合處理，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換采集器采集后傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)施增強(qiáng)處理。

2.1 異步傳輸環(huán)境下異常數(shù)據(jù)漏檢率與誤檢率

為驗(yàn)證清除回波信號(hào)中異常數(shù)據(jù)應(yīng)用性能，以漏檢率與誤檢率為性能分析指標(biāo)，結(jié)果如圖1 所示。分析圖1 得到，隨著待清除異常回波信號(hào)量的提升，回波信號(hào)中的異常信號(hào)漏檢率整體表現(xiàn)出提升趨勢(shì)，但整體控制在2%以下。而回波信號(hào)中異常信號(hào)的誤檢率隨著待清除異常回波信號(hào)量的提升表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性，但始終低于2%。以上數(shù)據(jù)充分說(shuō)明本文方法在異步傳輸環(huán)境下的異常回波信號(hào)清除過(guò)程具有較高的準(zhǔn)確率。

圖1 異步傳輸環(huán)境下異常數(shù)據(jù)漏檢率與誤檢率Fig.1 Abnormal data leak rate and false detection rate under asynchronous transmission environment

2.2 回波信號(hào)噪聲抑制

通過(guò)在所采集回波信號(hào)內(nèi)引入高斯白噪聲的方式測(cè)試本文方法的增強(qiáng)效果。圖2 和圖3 分別為信噪比0 dB 時(shí)激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)和本文方法的去噪性能。由圖2 和圖3 能夠得到，所采集回波信號(hào)在噪聲污染狀態(tài)下，周期性變?nèi)酰诖诵盘?hào)內(nèi)提取有用信息較為困難。采用本文方法對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)處理，能夠徹底抑制信號(hào)內(nèi)的噪聲分量，較好地保留所采集信號(hào)內(nèi)的有用信息。

圖2 信噪比為0 dB 條件下的回波信號(hào)Fig.2 Echo signal with SNR of 0 dB

圖3 回波信號(hào)噪聲抑制結(jié)果Fig.3 Echo signal noise suppression results

2.3 缺失回波信號(hào)恢復(fù)

圖4 和圖5 分別為缺失率為25%條件下的回波數(shù)據(jù)和本文方法缺失數(shù)據(jù)恢復(fù)結(jié)果。分析圖4 和圖5 能夠得到，采用本文方法進(jìn)行缺失信號(hào)恢復(fù)時(shí)，恢復(fù)結(jié)果中不同采樣點(diǎn)的殘差波動(dòng)較為微弱，這表明本文方法具有較好的信號(hào)恢復(fù)精度。

圖4 缺失率為25%條件下的回波信號(hào)Fig.4 Echo data with a missing rate of 25%

圖5 回波信號(hào)恢復(fù)結(jié)果Fig.5 Echo signal recovery results

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了大數(shù)據(jù)異步傳輸環(huán)境下艦船激光網(wǎng)絡(luò)回波信號(hào)增強(qiáng)處理方法，通過(guò)信號(hào)累積增強(qiáng)、異常信號(hào)清除與缺失信號(hào)恢復(fù)等過(guò)程實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)增強(qiáng)的目的，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性。