基于信噪特征的X射线脉冲星信号去噪方法研究

【摘要】X射线脉冲星导航是一种新型的自主导航方式，可以为深空、近地轨道、地球同步轨道、椭圆轨道的航天器导航。X射线脉冲信号是导航的基础，客观地反映了脉冲星的辐射特征。事实上，由于多种因素的干扰导致X射线脉冲星的信号质量较差，如脉冲星与探测器距离遥远、宇宙背景复杂、强电磁干扰等因素。这些干扰不仅降低了X射线脉冲星信号的质量，而且严重影响了相位提取和导航参数的估计。因此，有效地滤除各种噪声干扰，提取高质量的X射线脉冲星信号是X射线脉冲星导航非常重要的工作之一，直接决定着X射线脉冲星定位、测速、测姿、计时的效率和精度。在获取X射线脉冲星信号过程中，受到各种人为或非人为的噪声干扰。由于各类噪声产生的机理不同，其统计特性和分布也有所不同，如X射线脉冲星自身周期的短期不稳定性引起的高斯噪声，光子到达的随机特性引起的泊松噪声，太阳风暴和X射线爆等现象引起的脉冲噪声等。显然，使用同一种噪声滤除方法难以滤除多种噪声的干扰。针对不同类型的噪声，利用各自不同的产生机理和分布特性分别滤除，才能达到抑制噪声干扰和提高信号质量的目的。X射线脉冲星信号的峰值、波形、脉宽等有其自身特点，X射线脉冲星的噪声滤除方法就是寻找信号和噪声的不同特征，并将其有效分开，从而实现X射线脉冲星信号的降噪。X射线脉冲星信号处理理论是一种涉及多学科的交叉的新型的研究领域，从公开文献来看，还没有利用信号与噪声的特性对X射线脉冲星信号的不同噪声采用不同方法的研究。本文在深入研究了X射线脉冲星导航原理的基础上，探讨了X射线脉冲星信号处理的必要性，探讨了X射线脉冲星探测系统中噪声源的特性，并根据噪声的机理和分布特性针对性地进行降噪方法的研究。利用RXTE卫星探测系统的实测数据，对降噪理论和方法进行了验证。论文取得的主要研究结果如下：1在分析了X射线脉冲星探测原理及工作过程的基础上，探讨在获取信号过程中由光子到达随机性和光子探测的随机性引入的泊松噪声、电子读出系统的引入的高斯噪声及电子干扰和特殊现象引入的突发脉冲噪声。通过分析各种噪声来源和特点，建立了相应的数学模型和统计特性。分析了RXTE卫星探测的X射线脉冲星信号的实测数据，深入研究了实测数据的结构、管理、数据处理和信号提取的方法，为降噪理论和方法的验证提供了可靠的数据源。2针对X射线脉冲星信号系统中产生的高斯噪声的问题，分析了噪声产生的机理和特征，通过对大量的数据分析表明仅依赖周期叠加方法难以快速的获取到高质量的光子脉冲轮廓信号，为此，提出了基于数据优化选择和Daubechies小波对X射线脉冲星信号的降噪方法，该方法针对于X射线脉冲星信号探测系统的复杂性和特殊性，预先滤除强噪声干扰导致信号无效或无意义的时间段，再对X射线脉冲星信号进行Daubechies小波分解，利用阈值策略滤除所含噪声。该方法通过将复杂问题简单化，不仅减轻了算法的负担，而且有效滤除了X射线脉冲星信号中存在的高斯噪声。为了兼顾降噪性能和计算复杂度，提出了提升小波的X射线脉冲星信号降噪方法。通过提升小波将复杂的小波变换简化为基本矩阵的运算,利用阈值化处理方法，滤除高斯噪声的干扰，快速地获取到高质量的光子脉冲轮廓。与传统方法相比，不仅能有效滤除噪声的干扰，还有利于资源受限的航天器的信号的处理。3针对X射线脉冲星信号探测系统中因光子辐射的随机性和探测器接收的随机性产生泊松噪声的问题，分析了泊松噪声产生的机理，提出了方差稳定性变换(VST)的泊松噪声抑制方法。该方法利用Haar-Fisz变换将含泊松噪声的信号进行VST变换，使得泊松噪声“漂白”为高斯白噪声，对变换后的信号阈值化处理，反变换即得到降噪后的信号。该方法间接地滤除了泊松噪声的干扰，扩展了X射线脉冲星信号的研究空间。另外，针对于方差稳定性变换不利于低强度的X射线脉冲星信号的问题，提出了一种利用Bayesian多尺度模型对X射线脉冲星信号估计的方法，该方法不需做变换直接地X射线脉冲星信号进行估计达到抑制噪声的目的。4针对X射线脉冲星探测系统中存在突发的脉冲噪声的问题，提出了一种基于局部的小波包变换去除脉冲噪声的新方法。根据脉冲噪声的非连续性、幅度大、不规则的特点，检测出受污染的脉冲噪声信号。在小波包域内对不同的脉冲噪声区间分别计算阈值进行降噪处理，而没被检测出脉冲噪声的信号则不做任何处理。针对在滤除脉冲噪声过程中丢失了部分X射线光子的时刻信息的问题，提出了对降噪后的脉冲噪声信号进行插值来增加各区间内光子到达的时间分辨率方法，从而实现了高质量的X射线脉冲轮廓的恢复。
【作者】刘秀平；
【导师】李小平；
【作者基本信息】西安电子科技大学，测试计量技术及仪器，2014，博士
【关键词】X射线脉冲星信号；降噪；信噪特性；小波；VST变换；峰值信噪比；

【参考文献】
[1]满栎.城市公园湖泊型滨水植物景观审美评价研究[D].西南大学,花卉学,2013,硕士.
[2]稽海荣.紫瑛公司网络运维管理系统设计与实现[D].大连理工大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[3]黄训达.消费主义影响下大学生道德理想弱化问题研究[D].河北师范大学,伦理学,2012,硕士.
[4]王卓然.一维二氧化钛纳米材料合成及应用[D].华中科技大学,物理电子学,2013,硕士.
[5]陆明.某陆基转管炮发射动力学研究[D].中北大学,兵器发射理论与技术,2014,硕士.
[6]王恩平,王朝珠.广义离散随机线性系统的最优递推滤波方法(Ⅰ)[J].自动化学报,1988,06:409-415.
[7]陈伟,包蕴斌,陈川辉,柏杨,叶旭初.单辊旋淬法制备含Ti的Fe基形状记忆合金的组织与性能[J].功能材料,2015,03:127-130+134.
[8]张鑫.我国对外直接投资区域选择的决定因素研究[D].首都经济贸易大学,国际商务（专业学位）,2014,硕士.
[9]王宇.低聚壳聚糖的制备及其在广式月饼保鲜中的应用研究[D].广东海洋大学,食品工程（专业学位）,2013,硕士.
[10]胡芳.知识观转型与教师角色变迁[D].浙江师范大学,课程与教学论,2004,硕士.
[11]丁磊,潘贞存,王宾.分散电源并网对供电可靠性的影响分析[J].电力系统自动化,2007,20:89-93.
[12]李璟.论我国刑法对食品安全犯罪的规制与完善[D].山东大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[13]杨春叶.合作学习在中学英语教学中的运用[D].湖南师范大学,学科教学,2003,硕士.
[14]康于庆.盐酸戊乙奎醚通过抑制自噬减轻肢体缺血再灌注诱发小肠自噬的实验研究[D].南方医科大学,麻醉学（专业学位）,2014,博士.
[15]金天鹏.高填充导热硅橡胶复合体系设计及影响规律的研究[D].北京化工大学,材料科学与工程,2013,硕士.
[16]胡文越.电力数据综合分析展示平台的设计与实现[D].厦门大学,软件工程,2014,硕士.
[17]冯永财.碎石桩与塑料排水板加固山区软弱路基比较研究[D].成都理工大学,岩土工程,2013,硕士.
[18]尹传晔.基于MapReduce的Web链接结构分析算法研究[D].兰州理工大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[19]王鹏.空间参照体系和角色选择对心理旋转的影响[D].陕西师范大学,基础心理学,2004,硕士.
[20]邓佳楠.ZnO/TiO_2异质纤维的制备及其传感特性的研究[D].吉林大学,集成电路工程,2013,硕士.
[21]赵丹青.NF-kB通路核心分子在外周T细胞淋巴瘤及弥漫大B细胞淋巴瘤中的预后研究[D].北京协和医学院,临床医学,2014,博士.
[22]朱爱娇.三峡水库蓄水后坝前段枝角类生态学研究[D].杭州师范大学,动物学,2007,硕士.
[23]姚琮.商业银行客户经理工作平台的设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[24]姚帅.Ghrelin表达水平在慢性心衰中意义的探讨[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[25]王琦.基于SNA的工业化建造技术协同创新关系研究[D].哈尔滨工业大学,管理科学与工程,2014,硕士.
[26]张斌.陶瓷制造业产品网络化销售系统的研究及应用[D].重庆大学,2002.
[27]何宝宏,田慧蓉.P2P自组织性带来的挑战[J].电信网技术.2007(07)
[28]顾向飞.文蛤不同壳色花纹品系生长性状和营养成分的差异分析[D].宁波大学,农业推广（专业学位）,2014,硕士.
[29]魏刚.传统体育养生思想史研究[D].苏州大学,体育教育训练学,2013,博士.
[30]谭巧.德沃夏克钢琴作品《斯拉夫舞曲》（Op.46，Arr.Robert Keller改编独奏版）之探究[D].西南大学,音乐学,2013,硕士.
[31]杨乔松.FIDIC合同模式与我国国际工程承包法律模式的比较研究[D].华东政法学院,法律,2004,硕士.
[32]桑云霞.商务英语还盘信函的人际意义分析[D].西安外国语大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[33]张豪英.2型糖尿病患者心外膜脂肪特点[D].山东大学,内科学,2013,硕士.
[34]邢涛.基于组态软件方式实现的造纸生产线速度链嵌入式控制系统的设计与研究[D].辽宁工程技术大学,电力电子与电力传动,2004,硕士.
[35]许亚洲.基于最小二乘支持向量机的数控机床热误差建模的研究[D].浙江大学,2006.
[36]林全.航空紧固件企业基于供应链的协同制造模式的研究与应用[D].重庆大学,工业工程,2014,硕士.
[37]杜淑英.黑龙江国有林区全面建设小康社会的研究[D].东北林业大学,2004.
[38]张艳宏,刘保延,谢琪,张润顺,周雪忠,王斌,赵玉凤,刘岩.结局管理及其在真实世界中医临床研究中的应用[J].中医杂志,2014,11:901-904.
[39]陆学敏.沥青接枝马来酸酐型增容剂的制备及应用研究[D].湖北大学,材料学,2011,硕士.
[40]王磊.基于茶树基因组信息的SSR分子标记的筛选及其初步应用[D].安徽农业大学,茶学,2012,硕士.
[41]陈露.鲤鱼鱼鳞胶原蛋白肽的制备工艺和分析[D].内蒙古农业大学,生物工程,2013,硕士.
[42]戴晓慧.列宁党内批评思想研究[D].湖南师范大学,马克思主义基本原理,2013,硕士.
[43]白倩.SNL大鼠鞘内注射利多卡因镇痛的实验研究[D].郑州大学,麻醉学,2013,硕士.
[44]马莉洮.我国农村房屋流转制度探析[D].长安大学,经济法学,2013,硕士.
[45]蒋许林.对外汉语临时名量词教学研究[D].安徽大学,汉语国际教育,2014,硕士.
[46]伍春辉.从洪武到嘉靖：明朝军队控制制度的变化研究[D].湖南师范大学,中外政治制度,2013,硕士.
[47]江帆,陈维平,何华,刘堂红.列车气动试验数据的知识化研究[J].中国铁道科学,2004,03:13-16.
[48]朱正杰.规模化养猪场处理污水小麦田利用研究[D].扬州大学,生态学,2011,硕士.
[49]刘洋,刘财,王典,李勤学,冯晅,王建民.时变中值滤波技术在地震随机噪声衰减中的应用[J].石油地球物理勘探,2008,03:327-332+370+24.
[50]刘必红,符红光.快速发现任意形状的聚类[J].计算机应用,2002,04:22-24.