CN104076404B - 运用多通道相干抑制地磁背景噪声的磁异常探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种运用多通道相干抑制地磁背景噪声的磁异常探测方法。该探测方法利用地磁背景噪声和目标信号的不相关性以及地磁背景噪声高度相关性，计算空间两测量地点的背景磁场噪声转移函数，通过转移函数可以求得探测地点地磁背景噪声，进而可以滤除地磁背景噪声从而获到目标磁场信号，通过目标磁场信号判断目标的存在。试验结果表明，本发明可以显著提高信噪比，可以使系统探测的准确性和可靠性大大增强。

Description

运用多通道相干抑制地磁背景噪声的磁异常探测方法

技术领域

本发明涉及电子行业雷达技术领域，尤其涉及一种运用多通道相干抑制地磁背景噪声的磁异常探测方法。

背景技术

磁异常探测(Magnetic Anomaly Detection，简称MAD)技术是近年来随着磁探测技术不断发展和磁场传感器的测量精度不断提高而新兴起的一种磁性目标探测技术。地磁场作为地球固有的物理场，任何磁性物体都会受到地磁场的磁化作用以及本身的磁特性影响，物体周围会表现出与地球磁场截然不同的磁场特性。该技术以铁磁性物质扰动地磁场分布为物理基础，通过测量磁异常信号，提取信号的特征量，并通过一定的数据处理技术最终获得目标相关信息。该技术广泛用于航磁测量、资源勘探和水中磁性目标探测等领域，因其可靠性高、隐蔽性强、探测范围广等特点为各国学者研究热点。

在实际应用中，由于目标信号会受到地磁噪声(功率谱密度为1/f^α,0<α<2)的干扰，实测信号的信噪比通常都小于1，难以探测微弱的目标磁场信号，需要有效的提取方法。而目前文献提出的正交基函数匹配法、最小二乘法、最小均方法、归一化最小均方法、有限脉冲滤波等方法进行信号提取，但在SNR<1的情况下，上述方法提取的信号失真严重。频域相减滤波法在低信噪比时，探测效果较好，但是该算法假设不同地点地磁背景噪声严格一致，探测虚警概率大，给实际探测带来不便。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种运用多通道相干抑制地磁背景噪声进行磁异常探测的方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种运用多通道相干抑制地磁背景噪声的磁异常探测方法。该探测方法包括：步骤A，提供两磁场传感器，两者的探测方向相同，其中之一的参考传感器远离磁性探测目标，其中另一探测传感器的探测范围覆盖磁性目标所在区域；步骤B，参考传感器和探测传感器同时进行探测，分别得到信号y₁(n)和y₂(n)；步骤C，利用窗函数将信号y₁(n)和y₂(n)截断分成若干段，应用短时傅里叶变换，分别得到频域信号Y₁(ω,k)和Y₂(ω,k)，其中，k为数据窗口序数，ω代表信号频率。步骤D，计算信号y₁(n)和y₂(n)的互功率谱以及y₁(n)的自功率谱步骤E，利用互功率谱以及自功率谱求取地磁背景噪声转移函数H(ω,k)；步骤F，利用下式由转移函数H(ω,k)求得地磁背景噪声E_T(ω,k)：E_T(ω,k)＝H(ω,k)E(ω,k)；步骤G，从探测传感器探测得到的信号Y₂(ω,k)减去地磁背景噪声E_T(ω,k)，从而获得目标磁场信号B(ω,k)：B(ω,k)＝Y₂(ω,k)-E_T(ω,k)；步骤H，对目标磁场信号B(ω,k)利用逆傅里叶变换获取分段的目标时域信号：b(n,k)＝F^-1(B(ω,k))；步骤I，对分段的目标时域信号b(n,k)采用交叠相加的方法获取整段磁异常信号b(n)；以及步骤J，根据磁异常信号b(n)判断磁性目标是否存在。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明运用多通道相干抑制地磁背景噪声的磁异常探测方法具有以下有益效果：

(1)探测系统结构简单，无需复杂的硬件，方法简便快捷、效率高；

(2)能计算探测传感器和参考传感器处的转移函数，可以获得探测传感器处的地磁背景噪声，从而对目标探测、定位及跟踪提供数据支持；

(3)显著提高信噪比，大大增强系统探测的准确度和可靠性；

(4)采用多通道相干自适应滤波可以使系统覆盖范围更广，大大提高了探测效率。

附图说明

图1为根据本发明实例运用多通道相干抑制地磁背景噪声的磁异常探测方法的流程图；

图2为图1所示探测方法中两磁场传感器布置方位的示意图；

图3为探测磁场和参考磁场数据；

图4为磁性目标信号；

图5为磁性目标信号频谱；

图6为滤波后恢复的目标信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘出或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明利用地磁背景噪声具有空间高度相关性的特性，滤除背景噪声，对于未知的时变信号可以提供最优的滤波效果。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种运用多通道相干抑制地磁背景噪声的磁异常探测方法。图1为根据本发明实例运用多通道相干抑制地磁背景噪声的磁异常探测方法的流程图。如图1所示，本实例运用多通道相干抑制地磁背景噪声的磁异常探测方法包括：

步骤A，提供两磁场传感器，两者的探测方向相同，其中之一的参考传感器远离磁性探测目标，其中另一的探测传感器的探测范围覆盖磁性探测目标所在区域；

图2为图1所示方法中两磁场传感器布置方位的示意图。如图2所示，要保证参考传感器远离磁性探测目标，则该参考传感器与磁性目标的距离应根据拟探测目标的信号大小确定，以保证目标在参考传感器处产生的信号的小于参考传感器的自身噪声，即传感器只探测到地磁背景噪声。其中，参考传感器和探测传感器处的磁背景噪声具有线性关系。

步骤B，参考传感器和探测传感器同时进行探测，得到探测信号y₁(n)和y₂(n)；

参见图2，铁磁性目标以1m/s的速度匀速经过磁异常探测系统的探测传感器，传感器阵列同步记录周围磁场，但是参考传感器探测目标信号可以忽略，将采集到的磁场数据进行预处理，得到去直流磁场，参见图2。两个传感器的输出表示如下：

y₁(n)＝e(n) (1)

y₂(n)＝b(n)+h(n)*e(n) (2)

其中n代表采样序列，y₁(n)和y₂(n)分别代表由参考传感器和探测传感器探测得到的信号。探测传感器探测得到的信号y₂(n)除了包含磁异常信号b(n)之外，还会包含地磁场背景噪声，而参考传感器探测得到的信号y₁(n)中仅包含地磁场背景噪声e(n)，如图3所示。h(n)为地磁背景噪声传输函数，表征探测传感器和参考传感器位置处的地磁背景噪声的线性关系。本实验磁异常信号的时域、频域波形可参见图3和图4。

步骤C，利用窗函数(一般选择汉宁窗)将信号y₁(n)和y₂(n)截断分成若干段，应用短时傅里叶变换，得到频域信号表达如下：

Y₁(ω,k)＝E(ω,k) (3)

Y₂(ω,k)＝B(ω,k)+H(ω,k)E(ω,k) (4)

其中，k为数据窗口序数,ω代表信号频率。

步骤D，计算探测信号y₁(n)和y₂(n)的互功率谱以及y₁(n)的自功率谱为：

$S_{Y_1{Y}_2}(\mathrm{\&omega;},k)=Y_1^{*}(\mathrm{\&omega;},k)Y_2(\mathrm{\&omega;},k)---\left(5\right)$

$S_{Y_1{Y}_1}(\mathrm{\&omega;},k)=S_{EE}(\mathrm{\&omega;},k)=Y_1^{*}(\mathrm{\&omega;},k)Y_1(\mathrm{\&omega;},k)---\left(6\right)$

步骤E，根据式(5)和(6)求取空间两测量地点的地磁背景噪声转移函数：

$S_{Y_1{Y}_2}(\mathrm{\&omega;},k)=S_{BE}(\mathrm{\&omega;},k)+H(\mathrm{\&omega;},k)S_{EE}(\mathrm{\&omega;},k)---\left(7\right)$

$\begin{array}{cc}=H(\mathrm{\&omega;},k)S_{EE}(\mathrm{\&omega;},k)& \left(8\right)\\ =H(\mathrm{\&omega;},k)S_{Y_1{Y}_1}(\mathrm{\&omega;},k)& \left(9\right)\end{array}$

通过(9)式可得转移函数：

$H(\mathrm{\&omega;},k)=\frac{S_{Y_1{Y}_2}(\mathrm{\&omega;},k)}{S_{Y_1{Y}_1}(\mathrm{\&omega;},k)}---\left(10\right)$

步骤F，由转移函数H(ω,k)可以求得探测地点地磁背景噪声：

E_T(ω,k)＝H(ω,k)E(ω,k) (11)

步骤G，从探测传感器探测得到的信号Y₂(ω,k)减去探测地点地磁背景噪声E_T(ω,k)获得目标磁场信号：

B(ω,k)＝Y₂(ω,k)-E_T(ω,k) (12)

步骤H，利用逆傅里叶变换获取分段的目标时域信号：

b(n,k)＝F^-1(B(ω,k)) (13)

步骤I，对分段的目标时域信号b(n,k)采用交叠相加的方法(OLA[·])获取整段磁异常信号：

b(n)＝OLA[b(n,k)] (14)

步骤J，根据获取的磁异常信号b(n)判断目标是否存在。

根据磁异常信号判断目标是否存在的方法在现有技术中已经有了相关说明，此处不再进行详细说明。

运用本实施例多通道相干抑制地磁背景噪声抑制的磁异常探测方法获取到的目标信号参见图6，可以明显看出有磁性目标经过。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明运用多通道相干的地磁背景噪声抑制磁异常探测的方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)步骤C中的窗函数根据不同的环境还可以采用矩形窗、三角窗、海明窗、高斯窗等形式；

(2)步骤D求自(互)功率谱可以先信号计算出自(互)相关函数再对自(互)相关函数作傅立叶变换来代替本实施例方法。

综上所述，本发明采用传感器阵列被动接收信号，并且信号中的地磁背景噪声具有高度相关性，这种相关性对噪声抑制处理带来很大益处，可以显著提高信号质量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种运用多通道相干抑制地磁背景噪声的磁异常探测方法，其特征在于，包括：

步骤A，提供两磁场传感器，两者的探测方向相同，其中之一的参考传感器远离磁性目标，其中另一探测传感器的探测范围覆盖磁性目标所在区域；

步骤B，参考传感器和探测传感器同时进行探测，分别得到信号y₁(n)和y₂(n)；

步骤C，利用窗函数将信号y₁(n)和y₂(n)截断分成若干段，应用短时傅里叶变换，分别得到频域信号Y₁(ω,k)和Y₂(ω,k)，其中，k为数据窗口序数，ω代表信号频率；

步骤D，计算信号y₁(n)和y₂(n)的互功率谱以及y₁(n)的自功率谱

步骤E，利用互功率谱以及自功率谱求取地磁背景噪声转移函数H(ω,k)；

步骤F，利用转移函数H(ω,k)求得探测传感器处地磁背景噪声E_T(ω,k)：

E_T(ω,k)＝H(ω,k)E(ω,k)，其中，E(ω,k)＝Y₁(ω,k)

步骤G，从探测传感器探测得到的信号Y₂(ω,k)减去地磁背景噪声E_T(ω,k)，从而获得目标磁场信号B(ω,k)：

B(ω,k)＝Y₂(ω,k)-E_T(ω,k)

步骤H，对目标磁场信号B(ω,k)利用逆傅里叶变换获取分段的目标时域信号b(n,k)：

b(n,k)＝F^-1(B(ω,k))

步骤I，对分段的目标时域信号b(n,k)采用交叠相加的方法获取整段磁异常信号b(n)；

步骤J，根据磁异常信号b(n)判断磁性目标是否存在。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中由参考传感器得到的探测信号y₁(n)和由探测传感器得到的探测信号y₂(n)分别为：

y₁(n)＝e(n)

y₂(n)＝b(n)+h(n)*e(n)

其中，n代表采样序列，所述探测信号y₂(n)包含磁异常信号b(n)和地磁场背景噪声e(n)，所述探测信号y₁(n)仅包含地磁场背景噪声e(n)，h(n)为地磁背景噪声传输函数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤C中频域信号Y₁(ω,k)和Y₂(ω,k)分别表示为：

Y₁(ω,k)＝E(ω,k)

Y₂(ω,k)＝B(ω,k)+H(ω,k)E(ω,k)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中，按照下式来计算y₁(n)和y₂(n)的互功率谱以及y₁(n)的自功率谱

$S_{Y_1{Y}_2}(\mathrm{\&omega;},k)=Y_1^{*}(\mathrm{\&omega;},k)Y_2(\mathrm{\&omega;},k)$

$S_{Y_1{Y}_1}(\mathrm{\&omega;},k)=S_{EE}(\mathrm{\&omega;},k)=Y_1^{*}(\mathrm{\&omega;},k)Y_1(\mathrm{\&omega;},k).$

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤E中，按照下式来计算地磁背景噪声转移函数：

$H(\mathrm{\&omega;},k)=\frac{S_{Y_1{Y}_2}(\mathrm{\&omega;},k)}{S_{Y_1{Y}_1}(\mathrm{\&omega;},k)}.$

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤C中的窗函数为汉明窗、矩形窗、三角窗、海明窗或高斯窗。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考传感器所处的位置满足：磁性探测目标在该位置所产生的信号小于该参考传感器的自身噪声。