基于形态滤波的短波信号检测算法

基 于形 态 滤 波 的短 波 信 号检 测 算 法
王 权 ， 江 桦 ， 陈含 欣
（ 放 军 信 息 工程 学 院 ， 河南 郑 州 ４ ０ ０ ） 解 ５ ０ ２
摘 要 ：针对 短波信 号检 测 中色噪 声干扰 导致信 号检 测概 率低 的 问题 ，通过研 究实 际短波信 道 特 性和信 号 的频谱特 征 ，提 出一种 将信 号频谱 图作 为 一维灰度 图像进 行形 态学 滤波 的预 处理 算 法 ，应 用联 合形 态学 滤波估 计信 号 噪声基底 ，利 用 改进 的顶 帽变换进行 白化滤波 ，最后依 据高斯 白噪声 环境 下 的门 限估 计理 论进行 信 号检测 。 实验结果 表 明 ，该 算法 能在复 杂 的短 波信道 环境下 较 好地 抑制色 噪声干扰 ，对 弱信号 的有效检 测率可 提高 １％～ ０ ０ ２ ％。 关键 词 ：短波信 号检 测 ；形态 学滤波 ；顶 帽变换 ；预处 理
合 适 的 固定 门 限 来 实 现 准 确 、有 效 的 检 测 。
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在信 号检测方 面 ，目前 的研 究热 点是 自适应 电扫描方法 ，即通过搜 索频谱 、测定能量 确定在某 频率上是 否存
在信号 ，在无 先验 知识 的条 件下 ，为提高 信号 的截获概 率 ，通 常需要 在一段频 带 内重 复扫描 ，将 每个频点 的电平 值与设 置 的门限进 行 比较 。一 般情况 下 ， 检测 门限通 常根据 理想高斯 白噪声 环境下 的信号检测 理论来确 定 ， 是 但 在 电磁 环境 复杂 的短波信道 中进行 信号 检测要 面临很 多实际 问题 ：由于信道传输 途径 的特殊性 ， 波频段 的信 号 短 基底不 平坦 ，导致理想 状态下 的 门限计算理论 在实 际应用 中效果欠 佳 ，往往会 造成漏警 或虚警 。图 １ 是某短波频
则 ４种 基 本 的一 维 灰 度 形 态 变 换 定 义 为 ：
ｆ（） 于 ｂ ｘ关 的膨 胀 ： （ 厂０６（） ｍａｘ ） ＝
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…
｛ ＋ ） 厂 ） 厂 ｍ＋ （ ）
ｎ ０ …， ＝ ， Ⅳ一 １ ＝， Ｊ ０１ ｖ— …，
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中 图 分 类 号 ： Ｔ ７ Ｎ９ １ 文 献 标 识 码 ：Ａ
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短波 通信具 有传输距 离远 、机动重 建性好 、抗毁 性好等 特点 ，随着短波 通信技术 的发展 ， 波通信不 仅成为 短 种 必备 的通信 方式 ，还是诸 兵种 合成部 队协 同作战 的主要远 程战术通 信手段 。但 是 ，短波信道 为典型 时变色散 信道 ，具 有多径 时延 、衰落 、多普勒频 移等特 性…，而且信道 存在 大量 冲击 噪声干扰 ，导致信 号动态 范围较大 ，
厂 关 于６ （） 的腐 蚀 ：（ Ｏ ） ） ｍｉ ｛ 一 ） 厂 ｝ ｆ ｂ（ ＝ ｘ ｎ ｍ 一 （）
…
根 据式（） 式（） 关于 ｂ的开运算 和闭运算分 别为 ： １ 和 ２ ，厂
（） （ｏ ） 厂 ＝ ｆ ｂ０ｂ （ ） 厂０ｂＯ 厂 ＿ ＝（ ）ｂ （） ３ （） ４
削 弱 强 信 号 ，补 偿 弱 信 号 。本 文 提 出 了一 种 基 于 形 态 学 滤 波 的 噪 声 基 底 估 计 方 法 ，经 仿 真 证 明 ： 过 噪 声 基 底 估 通
计后 的预处理 ，有效 地抑制 了短 波信号 检测 中的漏警 问题 。
ｌ 短 波信 号 检 测 中面 临的 几 个 问题
第９ 卷 第 ６ 期
２１年 １ ０１ ２月
信 息 与 电 子 工 程
Ｉ ＮＦＯＲＭＡＴＩ ＯＮ ＡＮＤ ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩ Ｃ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
ＶＯ１ ９． ． ＮＯ． ６
Ｄｅ ．， ０１ ｃ ２ １
文 章 编 号 ： １７ ．８ ２２ １）６０ ３ ．６ ６ ２２ ９ （０ ０ ．７ ３０ １
如果对 信号 的频 谱 图作 一维灰度形 态学运算 ， 膨胀运算会 减小信号 频谱 的谷 值 ，扩展峰顶 ； 则 而腐 蚀运算 则 会 减小信 号的谱 峰 ，加宽谷 域 。开运 算是非 扩张 的，小 于结构元 素的部分会 被 “ 掉” 开 ，所 以开运算 可以抑制信 号 的尖峰 ，如突发 、毛刺 等 ；闭运算 是扩张 的 ，小 于结 构元素 的部分会被膨胀 填充 ，所 以闭运算 可 以抑制 信号 的 波谷 。开 、闭运 算所能滤 除的正 、负脉冲宽度 取决于运算 所使用 的结构元素 ｂ的宽度 ， 取大于噪声 宽度 的结 选 构 元素 ， 可以利用 开 、 闭运算去 除信号 中的噪声 。 上述 基本运算 的不 同组合 构成 的滤 波器可滤 除不 同类 型的噪声 ， 实现信号平 滑处理 。
针对 以上 问题 ， 国内专家做 了较 多研究 ，文献 ［］ ’ ４采用分段 比较 频谱均值 ，进行 噪声基 底估计 ，通过差 值抑 制处 理后 完成信 号搜索 ；文献 ［］ ５采用小 波多分辨 力分 析的方法 估计信 道个数 ，并 自适 应调节 阈值 ，实现短 波信 道盲 分离 ；文献 ［］ ６利用 分段检测 频谱最 小值 ，做 开运算 后插值 来检测 噪声基 底 ，实 现短波信 道信 号的盲检 测 ； 文 献【］ 过对含 噪信号 小波分解 后 的每 一层高 频系数 进行 阈值 量化 ，达到 了较好 的消噪效果 。但这 些方法 在实 ７通 际应用 中都 有缺 陷 ：文献 ［】 ４较好地 抑制 了色噪声 ，但 在信道 环境复 杂 ，动态 范围增 大时效果会 减弱 ；文献【］ ５算 法 复杂 ，计算量 太大 ；文献 ［】 ６由于分段 选取 、插值运 算和采 取平顶 型结构 元素运算 导致 噪声基底估 计不精 确 ， 文献 ［］ ７仅适用 于生物 医学信号 ，推广 到其他领 域应用 局 限性 较大 。鉴于此 ，本文 提 出了基 于形态 学滤波 的短波 信 号检测算 法 ，利用 改进 的形 态学顶 帽变换进行信 号预处理 ，解决 了色噪声 干扰 导致 的信 号检测不 准确问题 。
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图 １ 某频段 实际短波信号
（ Ｌ ｎｏｍａｉｎＴ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｔ ｕｅ ｈ ｎ ｚ ｏ ｎ ｎ４ ０ ０ Ｐ Ａ Ｉｆｒ ｔ ｅ ｈ ｏｏ ｙＩｓｉ ｔ ，Ｚ ｅ ｇｈ ｕＨｅ ａ ５ ０ ２， Ｃ ｉａ ｏ ｔ ｈｎ ）
Ａｂｓ ｒ ｃ ： Ａｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｒ ｂ ｅ ｔａ ｔ ｍｉ ｇ ｔ ｈ ｐ ｏ ｌｍ ｏ ｌｗ ｓｇ ａ ｄ ｔｃ ｉｎ ｒ ｂ ｂｉ ｔ ｃ ｕｓ ｄ ｙ ｏｏ ｅ ｎ ｉｅ ｆ ｏ ｉｎ ｌ ｅ ｅ ｔｏ ｐ ｏ ａ ｌ ｙ ａ ｅ ｂ ｃ ｌ ｒ ｄ ｏ ｓ ｉ ｉ ｔｒｅ ｅ ｃ ｎ ｓｇ ａ ｅｅ ｔｏ ａｐ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｒ ｈ ｌ ｇｃ ｌｆｌｅ ｉ ｇａｇ ｒｔ ｍ ｓｐ ｏ ｏ ｅ ｆｅ ｔｄ ｉ ｇ ｎ ｅ ｆｒ ｎ ｅｉ ｉｎ ｌｄ ｔｃ ｉｎ， ｒ － ｒ ｃ ｓ ｉ ｇｍｏ ｐ ｏｏ ｉ ａ ｉｔｒｎ ｌ ｏ ｉ ｈ ｉ ｒ ｐ ｓ ｄ ａｔｒｓｕ ｙ ｎ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｔｅ ｆｔ ｅ ａ ｔａ ｈ ｎ ｅ ｎ ｈｅ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓ ｏ ｈ ｉｎ ｌｓ ｅ ｔｕ ｈ ｒ ｐ ｒｉｓ ｏ ｈ ｃｕ ｌＨＦ ｃ ａ ｎ ｌａ ｄ ｔ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｆｔ ｅ ｓｇ ａ ｐ ｃｒ ｍ．Ｉ ａ ｔｎ ｈ ｏ ｓ ｔｆ ｔｅ ｓ ｔｅ ｎ ｉｅ ｌ ｌ ｏ ｙ ｍｏ ｐ ｏｏ ｉ ａ ｉｔ ｉ ｇ ｔ ｅ ｒ ｎｄ ｒ ａｉ ｓ ｗｈ ｔ ｉ ｇ ｆｈｅ ｙ Ｔｏ － ｔ ｔａ ｆ ｒ ｆｏ ｒ ｂ ｒ ｈ ｌ ｇｃ ｌ ｆｌ ｒｎ ｈ ｏ ｙ ａ ｅ ｌ ｅ ｉ ｎ ｎ ｉ ｒ ｂ ｐ Ｈａ ｒｎｓｏ ｍ ．Ｔｈ ｉｎ ｌｉ ｅ ｚ ｅ ｅ ｓｇ ａ ｓ ｄ ｔ ｃｅ ａ ｃ ｒ ｉｇ ｏ ｈ ｔ ｒ ｓ ｏｄ ｅ ｔｍａｉ ｎ ｈ ｏ ｙ ｎ ｅ ｔ ｅ ｅｅ ｔ ｄ ｃ ｏ ｄｎ ｔ ｔ ｅ ｈ ｅ ｈ ｌ ｓｉ ｔｏ ｔ ｅ ｒ ｕ ｄ ｒ ｈ Ｇａ ｓ ｉｎ ｕ ｓａ ｗｈ ｔ ｎ ｉｅ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔ ｉｅ ｏ ｓ ｅ ｖｒ ｎ ｎ ． Ｓ ｍｕ ａｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｈｅｃ ｌ ｒｎｏｓ ｎ ｅｆ ｒ ｎ ｅ ｃ ｎ ｂ ｕ ｐｒｓ ｅ ｎ ｅ ｈ ｏ ｌｘ ｅ ｖ ｒ ｎ ｎ ｉ ｌｔｏ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｏｏ ｉｅ ｉ ｔｒｅｅ ｃ ａ ｅ ｓ ｐ ｅ ｓ ｄ ｕ ｄ ｒｔ ｅ ｃ ｍｐ ｅ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔ ｏ ｈ ｒ— ｖ ｈ ｎ ｅ ， ｎ ｈ ｅｅ ｔｏ ｒ ｂ ｂｉ ｔ ｆ ｈ ａ ｉ ｎ ｌ ｓｉ ｒ ｖ ｄｂ ０％－２ ％ ． ｆｓ ｏ ｔｗａ ｅｃ ａ ｎ ｌ ａ ｄｔ ｅ ｄ ｔｃ ｉｎ ｐ ｏ ａ ｌ ｙｏ ｅｗｅ ｋｓｇ ａ ｓｉ ｍｐ ｏ ｅ ｙ １ ｉ ｔ ０ Ｋｅ ｒ ｓ ｄ ｔｃ ｉ ｎ ｏ ｉｎ ｌ ｍ ｏ ｐ ｏ ｏ ｉａ ｉｔｒｎ ｙｗｏ ｄ ： ｅ ｅ ｔｏ ｆＨＦ ｓｇ ａ ； ｒ ｈ ｌ ｇ ｃ ｌ ｌｅ ｉ ｇ； Ｔ ｐ Ｈａ ｒ ｎ ｆ ｒ ； ｐ ｅ ｒ ｃ ｓ ｉｇ ｆ ｏ — ｔｔａ ｓｏ ｍ ｒ ｐ ｏ ｅ ｓｎ
２ 基 于 形 态 学 滤 波 的 预 处 理
２ １ 形 态 学 滤 波 ．
基 于数 学形态学 理论 ， 态学滤波提 供 了一种 基于形状 的非线性 变换理论 和方法［ ， 数字信号处 理 中有着 形 ８ 在 】
重要 的作 用 。该 理论运用结 构元素 修改信号 局部特征 ，得到信 号更本质 的形态［。其一维离 散情况下 的多值形态 ９ 】 变换 ，对 信号频谱 中 的峰值 （ 正脉 冲） 噪声 、低谷 （ 负脉 冲） 噪声 以及 白噪声有很好 的抑制效 果 。 们 设信 号 厂 为定 义在 Ｆ＝ ０ ， １上 的离散 函数 ， ｛ Ｎ一 ｝ １一 结构 元素 ｂ为 Ｂ＝｛ １一Ｍ 一 ｝ 的离 散 函数 ， 有 Ｎ＞Ｍ ， ０ ， １上 且
段频谱 图 ，可 见该段信 号底部 电平起伏 较 大 ，在对该频 段进行 检测 时 ，若采用 门限 １ ，则 信号 ４ 被漏检 ，发生 会
收 稿 日期 ：２ １－１１ ；修回 日期 ：２ １—２２ ０ １０ －２ ０ １０ －１
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信 息 与 电 子 工 程
第９ 卷
漏警 ；如果采用 门限 ２ ，则噪声会被 判定为信 号 ，发生虚警 。因此 ，面对 噪声基底起伏 大 的短 波频段 ，难 以设 置
一
再加 上实 际接收 机 由于模 拟前端 受到器 件非线性 特性 或者 阻抗 失 配的影响 【， ２ 导致实 际输 出 的信 号噪声基底 起伏 】 较大 。而常规 的信号 检测方 法是通 过搜索 监视频谱 ，并与某 个 门限值 比较来 确定信 号 的存在 性 ，此 门限值 通常 由
高斯 白噪声 环境 下的信号 检测理 论确定 ［。由于短波 信道 的特殊性 ，若信 号位 于频 谱 的噪声 较低处 ，利用 常规信 ３ 】 号检测 方法会 造成 弱信号 漏检 。 因此需要 在检测 之前对 短波信 号进行 预处理 ： 计噪声 基底 ， 估 降低 信号动态 范围 ，