CN108445545A - 地磁背景下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置及方法，包括磁探测器，用于探测弱磁信号数据采集卡，用于采集磁探测器的信号并传输给频谱分析仪；以及频谱分析仪，用于采集到的信号进行频谱分析和相应的信号滤波处理。本发明通过提高被探测目标与探测传感器之间相对运动速度提升磁异信号频率，使得磁异信号处于较高频段，而地磁信号处于0Hz频率附近，故通过提升目标信号的频率，在频谱上分离出弱磁信号和地磁背景场，然后采用高通滤波器滤除地磁噪声，达到噪声抑制和信号提取的目的。

Description

地磁背景下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置及方法
技术领域
本发明涉及弱磁探测技术领域，特别是一种在地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取方法。
背景技术
弱磁探测技术以具有铁磁性的物体扰动地磁场分布，产生地磁场分布异常的物理现象为基础，通过测量磁异信号的分布，提取磁异信号的特征量，并通过一定的数据处理最终得到目标相关信息。相比于光、声等探测手段，弱磁探测是一种被动探测技术，具有隐蔽性好，不受天气环境影响等优势，该技术目前广泛应用于航空探矿、导航、定位等民用，以及目标搜索、战场监控等军事领域。
由于在探测弱磁信号时，目标物体磁信号在纳特量级，而地磁场信号强度达到数十微特量级，两者相差3个数量级左右，因此对地磁的噪声抑制和信号提取变得非常困难。
现有的弱磁探测技术中，国内外主要是提高了探测器硬件方面的探测灵敏度，例如三轴磁强计、磁通门传感器、磁阻探测器、光泵磁强计、超导量子干涉仪等。其中三轴磁强计基于法拉第电磁感应原理，探测范围可以达到10-3—102T，属于一种早期的弱磁探测设备，灵敏度较低。磁通门传感器具有噪声低、频率响应高、温度性能好等特点，测量范围可以达到10-10—10-3T，灵敏度涵盖了微弱信号的亚nT量级。磁阻探测器基于磁场作用下电阻发生变化的原理，灵敏度理论上可达pT量级，此方法具备分辨力高、响应速度快、体积小、功耗低等优点，可集成化。光泵磁强计利用气体在磁场下的不稳定性来实现探测目的，探测灵敏度可达到fT量级，Geometrice公司的G-858铯光泵磁强计灵敏度达到0.01pT。超导量子干涉磁力仪(SQUID)是基于约瑟夫逊效应理论，利用超导材料制成，灵敏度达到10-15T(fT)，是目前灵敏度最高的磁探测器。虽然目前的探测设备硬件方面的灵敏度越来越高，但是地磁背景场的强度达到数十微特量级，如何从大背景场下提取出纳特、皮特甚至飞特量级磁信号是最大难点。
国际上针对抑制地磁背景场提取弱磁信号的方法主要分以下几类：(1)、通过多通道磁探测可以实现背景磁场补偿，对信号进行地磁背景场的抑制，但是工程量较大，多通道探测方法的引入造成了电信号噪声的增加，并且多通道和探头设备使得成本较高。(2)、软件滤波抑制噪声法，该方法可以在采集完信号后，对存储的数据进行后端的滤波处理，但是不能实现实时探测监控，对探测结果缺乏时效性并且被探测目标物体的磁信号频率与地磁信号频率相近，故后端信号滤波处理方法效果不佳，增大了背景磁场的抑制难度。(3)、硬件电路滤波截止法，此方法在电路设计上将地磁场的低频信号滤除，实现了对探测信息实时处理。但是未将地磁噪声信号与被探测目标磁信号进行有效的分离，滤波电路还有自身滤波特性的局限性，也未取得良好的抑制效果。(4)、基于标准正交基的OBF方法，该方法是基于磁信号的基本信号特征，通过三个标准正交基来对有特征的磁信号在地磁背景噪声中进行有效的提取，但是该方法针对白噪声背景下的特征信号提取具有可观的优势，而在地磁场下地磁背景噪声不同于白噪声，对背景噪声的抑制效果较弱。本发明提出了采用提升磁目标和弱磁探测之间的相对运动速度的方法从而增加磁信号频率，与低频地磁噪声分离，具有实时、易于分析的特点。
发明内容
本发明克服上述现有技术的不足，提出一种地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置及方法，基于弱磁探测技术和滤波技术相结合，采用提升磁目标和弱磁探测之间的相对运动速度的方法从而增加目标磁信号频率。
在探测过程中由于地磁信号在0-0.15Hz频率附近，通过提升目标信号的频率，使得目标信号频谱处于相对高频的位置(处于0.15Hz以上)在频谱上分离出弱磁信号和地磁背景场，然后采用高通滤波器滤除地磁噪声，达到噪声抑制和信号提取的目的。
本发明的基本原理主要基于以下几点：
1.磁信号探测原理：铁磁性物体会对周围磁场产生扰动，当一个被探测物体经过探测探头时，会对探头周围的磁场产生一定量的磁场扰动，此时探头会感应到磁场的变化强度，产生电信号作为探测结果传回后端电路显示。
2.信号滤波原理：信号滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。是根据观察某一随机过程的结果，对另一与之有关的随机过程进行估计的概率理论与方法。从含有干扰的接收信号中提取有用信号的一种技术。
3.通过增加被探测物体与探测探头之间的相对移动速度，加快磁扰动变化速度，由此实现对目标信号频谱向高频方向移动，通过提高目标信号频谱使得噪声与目标信号的频谱分离，通过滤波技术将需要的信号提取，从而抑制噪声。
本发明的技术解决方案如下：
一种地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置，其特点在于：包括磁探测器，用于探测弱磁信号；
数据采集卡，用于采集磁探测器的信号并传输给频谱分析仪；以及
频谱分析仪，用于采集到的信号进行频谱分析和相应的信号滤波处理。
所述的磁探测器与待测物体相对运动。
所述的待测物体沿X轴方向以速度V1运动，所述的磁探测器沿-X轴方向以速度V2运动，则待测物体与磁探测器之间的相对速度V＝V1+V2。
所述的X轴方向为水平方向或垂直方向。
所述的数据采集卡获得等时间间隔的弱磁信号，频谱分析仪对采集回的数据进行傅里叶变化，获得频谱数据，并对数据进行滤波处理得到待测物体的弱磁信号。
所述的磁探测器、数据采集卡和频谱分析仪依次连接并放置在移动平台上。
利用所述的地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置进行弱磁信号噪声抑制与信号提取的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：
步骤1)提升待测物体与磁探测器的相对运动速度，通过磁探测器对待测物体进行磁探测，获得弱磁信号；
步骤2)数据采集卡将采集的弱磁信号传输给频谱分析仪进行频谱分析，分离出地磁噪声干扰的低频段信号量和高频段信号量；
步骤3)对高频段信号量进行高通滤波，获得探测目标信号。
所述的低频段信号量为0～0.15Hz，高频段信号量为2～5Hz。
与在先技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)通过提高被探测目标与磁探测器间的相对速度，加快磁扰动变化速度，有效提高被探测目标信号的频率，将其与低频的地磁噪声信号在频谱上有效分离出来。通过对分离后的信号进行滤波实现地磁背景场的噪声抑制；
(2)该方法易于实现，可实时抑制地磁背景场噪声，增加弱磁探测的灵敏度和实时分析能力。
附图说明
图1是本发明地磁背景下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置的结构示意图。
图2是模拟磁探测器和探测目标相对运动时的时域和频域信号图，其中(a)为磁探测器和探测目标的相对速度为20m/s所对应的时域信号，(b)为磁探测器和探测目标的相对速度为20m/s所对应的频域信号；(c)为磁探测器和探测目标的相对运动速度为200m/s所对应的时域信号(d)为磁探测器和探测目标的相对运动速度为200m/s所对应的频域信号
图中：1-磁探测器，2-探测目标物体，3-数据采集卡，4-频谱分析仪，5-移动平台，V1-探测目标物体移动速度方向，V2-磁探测器移动速度方向
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明地磁背景下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置的结构示意图，由图可见，本发明地磁背景场下弱磁信号的噪声抑制与信号提取方法，包含探测探头1、被探测目标物体2、数据采集卡3、频谱分析仪4、移动平台5。通过提高探测目标与探测探头在运动方向上相对速度，从而实现在地磁背景场下弱磁目标信号的噪声抑制并对目标物体信号进行有效的提取。
在地磁背景场下弱磁信号的噪声抑制与信号提取方法的步骤如下：
1)被探测目标为铁磁性物体，运动时的位置距磁探测器的位置垂直距离为100M；
2)探测开始时，探测目标沿X轴方向以10m/s运动,探测探头沿-X轴方向以10m/s运动，相对速度为20m/s，对目标物体进行弱磁信号采集；再另探测目标沿X轴方向以10m/s运动，探测探头沿-X轴方向以190m/s运动，相对速度为200m/s，对目标物体再次进行弱磁信号采集；
3)针对探测探头传回的数据信号进行频谱分析，分出0-0.15Hz的地磁噪声干扰信号量和相对高频段的0.15Hz以上探测目标信号量；
4)通过滤波技术对分析后的信号进行高通滤波，取大于0.3Hz的高通滤波器将高频段的探测目标信号分离出来，获得探测目标信号。
通过模拟步骤2)、3)对被探测物体与磁探测器相对运动速度增加10倍前后的信号频谱做对比，得到如图2所示，可见通过我们提出的增加相对速度方法，当相对速度大于200m/s才可以将目标信号在频谱上从地磁信号中分离出来
5)故探测目标为铁磁性物体时，沿X轴方向以0m/s运动,探测探头沿-X轴方向以200m/s运动，相对速度为200m/s，对目标物体进行弱磁信号采集；再另探测目标沿X轴方向以200m/s运动，探测探头沿-X轴方向以0m/s运动，相对速度为200m/s，对目标物体进行弱磁信号采集。如此，当探测相对速度超过200m/s时，可将目标信号频谱提高，从地磁噪声的0-0.15Hz频段分出，提取出目标信号。
本发明具有在地磁背景场下对弱磁信号的噪声抑制优点，可以对目标信号进行有效的提取的优势，方便系统集成，快速高效的特点。

Claims (8)

1.一种地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置，其特征在于：包括磁探测器(2)，用于探测弱磁信号；
数据采集卡(3)，用于采集磁探测器(2)的信号并传输给频谱分析仪(4)；以及
频谱分析仪(4)，用于采集到的信号进行频谱分析和相应的信号滤波处理。
2.根据权利要求1所述的地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置，其特征在于：所述的磁探测器(2)与待测物体(1)相对运动。
3.根据权利要求2所述的地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置，其特征在于：所述的待测物体(1)沿X轴方向以速度V1运动，所述的磁探测器(2)沿-X轴方向以速度V2运动，则待测物体(1)与磁探测器(2)之间的相对速度V＝V1+V2。
4.根据权利要求3所述的地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置，其特征在于：所述的X轴方向为水平方向或垂直方向。
5.根据权利要求1所述的地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置，其特征在于：所述的数据采集卡(3)获得等时间间隔的弱磁信号，频谱分析仪(4)对采集回的数据进行傅里叶变化，获得频谱数据，并对数据进行滤波处理得到待测物体的弱磁信号。
6.根据权利要求1所述的地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置，其特征在于：所述的磁探测器(2)、数据采集卡(3)和频谱分析仪(4)依次连接并放置在移动平台上。
7.利用权利要求1所述的地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置进行弱磁信号噪声抑制与信号提取的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
步骤1)提升待测物体(1)与磁探测器(2)的相对运动速度，通过磁探测器(2)对待测物体(1)进行磁探测，获得弱磁信号；
步骤2)数据采集卡(3)将采集的弱磁信号传输给频谱分析仪(4)进行频谱分析，分离出地磁噪声干扰的低频段信号量和高频段信号量；
步骤3)对高频段信号量进行高通滤波，获得探测目标信号。
8.根据权利要求7所述的弱磁信号噪声抑制与信号提取的方法，其特征在于，所述的低频段信号量为0～0.15Hz，高频段信号量为2～5Hz。
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