基于小波Fisz变换的X射线脉冲星信号降噪研究

针对X射线脉冲星信号信噪比低,难以获取精确脉冲星信号相位的问题,提出了基于WaveletFisz变换的X射线脉冲星信号的估计方法.根据X射线脉冲星信号特性建立了信号模型,推导了Wavelet-Fisz变换理论,利用该变换将X射线脉冲星信号逼近于高斯分布,对变换后的信号数据进行估计.对大量RXTE的实测数据进行分析,结果表明在Wavelet-Fisz变换下能获得较好的估计性能,且耗时小,有利于X射线脉冲星导航的工程应用.     

X射线脉冲星累积轮廓建模及信号辨识

为减少X射线脉冲星信号辨识所需的观测时间, 提出一种基于轮廓光子分布统计量的辨识算法. 用该方法分析了观测数据按不同周期累积所获轮廓的光子分布差异, 按累积周期正确与否, 对轮廓进行分类建模. 基于两类轮廓模型, 研究了光子分布统计量的性质差异, 以此进行信号辨识. 利用罗西X射线时变探测器数据进行了辨识实验, 结果表明该算法有效地减少了辨识所需的观测时间, 且不存在误检问题.     

基于TOA信息的脉冲星信号周期估计方法

针对脉冲星信号周期估计需逐步搜索、计算量大等问题,提出脉冲星信号周期直接估计算法.根据周期不确定误差对时域上脉冲到达时间(Pulse Time of Arrival,TOA)估计方法的影响,推导了基于TOA信息的脉冲星信号周期估计方法的数学模型.该方法将一组观测到的脉冲光子到达时间序列(Photon Time of Arrivals,TOAs)进行等时间间隔分段,在时域上对每段TOAs进行相位估计获得相应的TOA信息,并根据建立的TOA信息与周期误差的关系采用最小二乘原理估计脉冲星信号周期.对周期准确性的评价不同于传统的依赖折叠轮廓的好坏,而是以TOA与时间图像的斜率作为依据,这一依据更直观、易于理解.理论分析与物理、计算机仿真数据结果表明,本文所提的周期估计方法能够根据短时间脉冲光子到达时间序列获得高精度和高分辨率的脉冲信号周期,有利于X射线脉冲星导航的工程应用.     

基于TOA信息的脉冲星信号周期估计方法（英文）

针对脉冲星信号周期估计需逐步搜索、计算量大等问题,提出脉冲星信号周期直接估计算法.根据周期不确定误差对时域上脉冲到达时间(Pulse Time of Arrival,TOA)估计方法的影响,推导了基于TOA信息的脉冲星信号周期估计方法的数学模型.该方法将一组观测到的脉冲光子到达时间序列(Photon Time of Arrivals,TOAs)进行等时间间隔分段,在时域上对每段TOAs进行相位估计获得相应的TOA信息,并根据建立的TOA信息与周期误差的关系采用最小二乘原理估计脉冲星信号周期.对周期准确性的评价不同于传统的依赖折叠轮廓的好坏,而是以TOA与时间图像的斜率作为依据,这一依据更直观、易于理解.理论分析与物理、计算机仿真数据结果表明,本文所提的周期估计方法能够根据短时间脉冲光子到达时间序列获得高精度和高分辨率的脉冲信号周期,有利于X射线脉冲星导航的工程应用.     

一种脉冲星周期的时域估计新方法

脉冲星信号的周期估计在脉冲星搜索、观测以及定时研究中具有重要作用.在分析脉冲星周期频域识别方法的基础上,基于脉冲星观测信号的二阶循环平稳模型,提出了一种周期估计的时域新方法-----最大相关方差搜索法.通过对观测信号按假定周期(可变)分组,计算分组后不同时刻的相关系数,进一步得到系数的方差,然后寻找不同周期下的方差最大值,即可得到脉冲星的辐射周期估计.分别对单峰脉冲星(PSRJ0437-4715)的实测信号、双峰脉冲星(PSRB1821-24)的仿真信号以及ATNFEPN数据库中的多颗脉冲星数据进行了周期估计,均得到了令人满意的结果.对众多脉冲星的计算结果表明,与傅里叶频谱法相比,该时域方法对噪声不敏感,尤其在低信噪比情况下仍表现出较优越的性能;与双谱相干统计量方法^[6]相比,运算复杂度更低;尽管其在处理非连续观测数据时能力不足,但仍然可为微弱脉冲星的实时周期估计提供有力参考.     

脉冲星脉冲轮廓累积的最小熵方法

获取脉冲星辐射信号累积轮廓的传统方法是先识别信号周期,再按周期对信号进行折叠累加,这种方法依赖于周期识别的准确性,对累积轮廓质量也无评价标准.本文分析了脉冲星累积轮廓和周期的强相关性,提出了周期未知时直接进行轮廓累积的最小熵方法,并对其进行证明,在此基础上,讨论了该方法在周期识别中的作用.利用仿真数据和RXTE卫星的实测数据实验验证了该方法的有效性. 关键词： 脉冲星 最小熵 累积轮廓 周期识别     

基于循环平稳信号相干统计量的脉冲星周期估计新方法

讨论了脉冲星的周期估计在脉冲星搜索中的重要性.将脉冲星观测信号建模为二阶循环平稳模型,仿真验证了其合理性.在此基础上,提出了一种基于双谱相干统计量的周期估计新方法,并给出了稳健有效的周期搜索策略以消除其对数据量的敏感性.分别对单脉冲脉冲星(PSR J0437-4715)的实测信号和双脉冲脉冲星(PSR B1821-24)的仿真信号进行了周期估计,实验表明,相比较于常用的傅里叶频谱法,该时域方法直观、有效,在低信噪比情况下仍具有很好的性能,且适用于非连续观测数据.尽管方法运算量较大,但仍然可为微弱脉冲星的周 关键词： 脉冲星 脉冲星搜索 周期估计 循环平稳信号     

基于X射线脉冲星导航的模拟调制仿真源研究

为实现X射线脉冲星导航系统在地面的演示验证, 提出并设计了一种高精度X射线脉冲星仿真源. 该仿真源由模拟调制信号发生器和栅控X射线球管组成. 模拟调制信号发生器根据脉冲星标准脉冲轮廓数据和栅控球管特性曲线, 利用直接数字频率合成技术产生模拟调制信号, 加载在X射线球管控制栅极, 从而控制轰击阳极靶的高速电子数目来实现X射线的调制, 产生与脉冲星标准脉冲轮廓高吻合度的X射线光子统计分布. 在X射线脉冲星地面仿真系统中对Crab脉冲星仿真源的性能进行测试, 测试结果为: 采集脉冲轮廓与标准脉冲轮廓时域相关度和频率相关度分别达到0.9774和0.9853, 辐射流量为1. 90 ph·cm^-2·s^-1, 脉冲辐射流量与总辐射流量之比为76.15%, 脉冲半宽度为1.879 ms. 结果表明: 该仿真源具有符合度高, 成本低, 操作简单灵活, 对X 射线脉冲星导航关键技术的攻关具有重要的意义. 关键词： X射线脉冲星导航 仿真源 栅控X射线球管 直接数字频率合成     

提升小波的X射线脉冲星信号降噪EI北大核心CSCD

对于短时间内X射线脉冲星信号形成的脉冲轮廓的信噪比低,提出基于提升小波的X射线脉冲星信号的降噪方法。分析了基于提升小波的信号降噪理论模型。在周期叠加的基础上,利用探测设备及空间环境的先验信息建立预降噪模型,并对X射线脉冲星的脉冲轮廓做降噪预处理。通过选择小波和自适应的阈值函数,利用提升小波对脉冲轮廓降噪。通过对多组罗西X射线计时探测器(RXTE)卫星探测的实测X射线脉冲星数据的仿真分析,结果表明,降噪后的脉冲轮廓信噪比得到提高,且算法有更快的处理速度。     

X射线脉冲星累积脉冲轮廓泊松噪声去除的研究

论述了X射线脉冲星辐射光子探测与累积脉冲轮廓构造模型,分析了通过光子计数获取的累积脉冲轮廓的噪声特点,提出了基于非归一化Haar小波的消噪算法,推导了基于Haar小波消噪的阈值函数的最佳参数计算公式.在X射线脉冲星导航地面模拟系统上进行了实验研究,结果表明,消噪后的累积脉冲轮廓峰值信噪比提高2 dB以上.通过蒙特卡罗模...     

一种新的X射线脉冲星信号模拟方法

由于无法在地面直接观测到X射线脉冲星信号, 且空间飞行探测耗时长, 成本高, 模拟具有真实物理特征的X射线脉冲星信号对X射线脉冲星信号处理方法及导航方案的验证具有重要意义. 本文提出了一种利用太阳系质心处脉冲星信号模型和航天器轨道信息, 建立航天器处实时光子到达速率函数, 再利用尺度变换法产生光子到达时间序列的脉冲星信号模拟新方法. 该方法真实还原了脉冲星信号的频率缓变特性, 考虑了动态探测环境下的相对论效应, 且避免了现有模拟航天器处光子序列方法中的迭代过程, 产生非齐次泊松光子到达时间序列的运算量也低于常用的齐次泊松过程筛选法和反函数递推法. 数值仿真从频率特性、流量特性、轮廓相似度及与实测数据的接近程度四个方面验证了该模拟方法的正确性.     

一种脉冲星信号模拟新方法

在脉冲星导航地面实验中,为解决地面无法接收脉冲星辐射的X射线信号的问题,必须在实验系统中模拟脉冲星辐射信号. 本文提出两种全新脉冲星信号模拟方法. 第一种方法基于统计物理模型,该方法克服了常用泊松模型模拟方法中仿真适应性窄、仿真速度慢和时间分辨率低等不足,实现了对任意随机过程的脉冲信号进行快速高时间分辨率的仿真;第二种方法基于优化统计模型,该方法针对非齐次泊松过程信号的特性进行优化,仿真速度比常用泊松模型模拟方法提高至少30 倍,对于低流量脉冲星,甚至提高4个数量级,可实现纳秒级时间分辨率仿真. 关键词： 脉冲星导航 非齐次泊松过程 X射线光子信号     

地面核磁偏共振响应特征与复包络反演方法

地面核磁共振(surface nuclear magnetic resonance,SNMR)方法在地下水探测领域具有直接、定量和解释唯一等优势,但是由于地磁场存在不均匀、随时间变化和易受噪声影响等难以确定的问题,导致偏共振激发,严重影响反演结果的准确性.本文基于地面核磁偏共振(surface nuclear magnetic off-resonance,SNMOR)模型和相应的核函数表达式,讨论了频率偏量对偏共振信号的影响,并提出了基于系统相位自动搜索和信号实部与虚部同时参与的复包络反演方法.通过仿真模型和反演结果对比得到:偏共振信号相位随频率的增加而增大,仿真模型中的信号幅度最大提高了65.9%;当频率偏量大于2 Hz时,利用SNMOR核函数的反演结果的准确度明显优于SNMR核函数的结果;当噪声较大时,复包络方法充分利用测量数据的有用信息,比常规幅度反演具有更高的稳定性和可靠性.最后,通过野外实测数据和反演结果,验证了本文提出的SNMOR模型和复包络反演方法的有效性和准确性,为地下水探测领域提供了新的技术手段.     

X-ray Pulsar Signal Denoising Based on Variational Mode Decomposition

Pulsars, especially X-ray pulsars detectable for small-size detectors, are highly accurate natural clocks suggesting potential applications such as interplanetary navigation control. Due to various complex cosmic background noise, the original pulsar signals, namely photon sequences, observed by detectors have low signal-to-noise ratios (SNRs) that obstruct the practical uses. This paper presents the pulsar denoising strategy developed based on the variational mode decomposition (VMD) approach. It is actually the initial work of our interplanetary navigation control research. The original pulsar signals are decomposed into intrinsic mode functions (IMFs) via VMD, by which the Gaussian noise contaminating the pulsar signals can be attenuated because of the filtering effect during signal decomposition and reconstruction. Comparison experiments based on both simulation and HEASARC-archived X-ray pulsar signals are carried out to validate the effectiveness of the proposed pulsar denoising strategy.     

具有多物理特性的X射线脉冲星导航地面验证系统

导航地面验证是X射线脉冲星导航研究必不可少的环节.针对导航算法验证需要真实连续的脉冲星信号的需求,同时避免X射线调制及探测难度大、成本高的问题,提出了一种基于可见光源的X射线脉冲星导航地面验证系统.该系统利用太阳系质心处脉冲星信号模型和航天器轨道信息,建立航天器处实时光子到达速率函数,再通过硬件系统转换成电压信号,利用该电压控制线性光源输出,最后经衰减、探测及甄别后获得航天器处的实时光子到达时间序列.该时间序列不仅具有导航脉冲星的轮廓特性、自转特性,还包括空间传播时间效应及宇宙X射线背景.本系统利用半物理装置对可见光进行调制及衰减,实时判断轨道各位置处导航脉冲星的可见性,实现X射线脉冲星信号传播过程的模拟.该系统提供四路可控输出信号,支持多种导航模式的验证.仿真系统的性能分析和功能验证结果表明,该系统具有良好的性能,可提供真实便捷的地面验证环境.     

多谐波脉冲星信号时延估计方法

针对脉冲星导航技术中延时估计这一关键问题, 提出了频域上直接使用脉冲星信号测量到达时间集合进行时延估计的方法——多谐波脉冲星信号时延估计(MHSPE)方法. 该方法建立在频域上相位时延的极大似然估计的基础上, 通过高次谐波对脉冲星观测信号提取出各谐波相位的极大似然估计, 然后取频谱上各谐波的幅值进行归一化作为各谐波相位的权值, 最后取各谐波相位的加权平均作为该时刻的相位估计. 理论上证得MHSPE算法对相位的估计是无偏、一致的, 相比于频域上一次谐波的极大似然估计, MHSPE方法的信噪比随谐波数m的增加而增加, 当各谐波幅值相同时, 信噪比可提高m_1/2倍; 与脉冲星信号时延的克拉美罗界比较, 脉冲星信号时域的导数在频域上的反映就是各谐波分量的数量, 因此随着谐波次数的增加脉冲星信号时延估计可极大趋近克拉美罗界. 采用RXTE航天器对Crab脉冲星的实测数据检验MHSPE方法的性能, 实验结果表明, 针对低信噪比的脉冲星信号, MHSPE可获得高精度的相位估计, 随观测时间增加, 估计精度快速收敛于克拉美罗界.     

X射线脉冲星导航半物理仿真实验系统研究

由于费用巨大,X射线脉冲星导航初步研究阶段不可能进行空间搭载实验.为此,文章设计了一种X射线脉冲星导航半物理仿真实验系统.该系统由脉冲星信号模拟部分和导航参数解算部分组成.模拟部分采用非齐次泊松过程对光子到达太阳系质心的时间建模,时间转换后,模拟X射线探测器观测脉冲星时输出的脉冲信号.导航参数解算部分利用Delta-Correction方法解算模拟信号中蕴含的导航信息.该系统可同时模拟4颗脉冲星信号,成本低,精度高,可对脉冲星导航的信号处理和参数解算过程进行光子级仿真研究,并为后续空间搭载实验中原理样机的设计提供一定的参考. 关键词： X射线脉冲星 导航 仿真实验系统 非齐次泊松过程     

一种基于广义Duffing振子的水中弱目标检测方法

海洋环境中,在水下目标的线谱频率未知或者目标辐射噪声的连续谱很弱时,很难实现水中弱目标的准确检测,本文提出基于广义Duffing振子检测系统的水下目标辐射噪声检测方法.通过对传统周期扰动的Duffing振子信号检测系统的分析和推广,提出了一种可输入非周期、非平稳信号的广义Duffing振子检测系统,可检测输入的无先验信息目标信号.为实现广义Duffing振子系统运动状态的精确、有效判断,提出了一种相空间图形的离散分布列计算方法,通过类网格函数实现了利用统计复杂度对系统输出的嵌入式表征,从而实现了无先验信息时的水中弱目标的嵌入式检测.相同条件下与传统检测方法仿真对比可知,本文提出的方法可以检测到更低信噪比下的目标,并能满足水中检测实时性要求.