CN112200037B - 一种微弱信号检测方法、终端和计算机可读存储介质 - Google Patents

一种微弱信号检测方法、终端和计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微弱信号检测方法，包括以下步骤：对信号序列进行滑窗，每滑动一次窗口得到一个信号检测区间；分别统计信号检测区间的相对能量与拐点计数；计算统计得到的相对能量与拐点计数的比值；将获得的比值与设定的检测阈值进行比较，当比值大于设定的检测阈值时，表示信号序列中检出目标信号。本发明还涉及一种终端和计算机可读存储介质。本发明可以用极低运算量、极少存储空间、极低硬件成本实现极强微弱信号检出能力。

Description

一种微弱信号检测方法、终端和计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及数字信号处理技术领域，特别是涉及一种微弱信号检测方法、终端和计算机可读存储介质。
背景技术
随着MEMS传感技术的不断成熟与完善，微型化传感器系统已走进人们的视野，应用越来越广泛，系统的低功耗、低复杂度等典型特征促使用户对系统的高集成度、便携性与布设简捷等需求日益提高。常用的微弱信号目标检测方法包括：1.幅值检测2.能量检测3.过零检测4.双谱检测5.峰度检测6.频谱检测7.小波多分辨分析检测等，其中幅值检测、能量检测和过零检测计算量较小、实时性较高，对系统资源要求较少，其稳定性和鲁棒性较差，环境噪声及电路状态的改变将使其检测性能急剧下降；双谱检测、峰度检测和频谱检测均为信号频率或统计检测方法，计算量较大，实时性略差，由于频谱和统计特征的计算均需要一定长度的信号，其对远距离目标微弱信号的检测能力较差；小波多分辨分析检测计算量大，实时性差，对远距离弱信号的检测能力有所提高，但仍无法满足高性能传感系统对探测性能日益提高的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种微弱信号检测方法、终端和计算机可读存储介质，可以用极低运算量、极少存储空间、极低硬件成本实现极强微弱信号检出能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微弱信号检测方法，包括以下步骤：
(1)对信号序列进行滑窗，其中，窗口长度不变，窗口滑动步长小于或等于窗口长度，窗口每滑动一次得到一个信号检测区间；
(2)分别统计信号检测区间的相对能量与拐点计数，其中，所述相对能量的计算以信号检测区间的最小值或最大值作为基准；
(3)计算统计得到的相对能量与拐点计数的比值；
(4)将获得的比值与设定的检测阈值进行比较，当比值大于设定的检测阈值时，表示信号序列中检出目标信号。
所述步骤(1)具体为：信号序列为X0,X1,X2,…,XN，定义信号序列长度为N，窗口长度为M，窗口滑动步长为S，选取信号序列第一个信号数据X0作为第1个信号检测区间DZ1的上一个信号检测区间第S个信号数据，则第1个信号检测区间DZ1的信号序列为X1,X2,…,XM，滑窗一次后得到第2个信号检测区间DZ2，其信号序列为XS+1,XS+2,…,XS+M，依次进行滑窗操作，每滑窗一次会得到一个信号检测区间，经k-1次滑窗后得到的信号检测区间DZk信号序列为X(k-1)S+1,X(k-1)S+2,…,X(k-1)S+M。
所述步骤(1)中的窗口长度为窗口滑动步长的整数倍。
所述步骤(2)中统计信号检测区间的相对能量时，定义经k-1次滑窗后得到的信号检测区间DZk的最小值或最大值为X(k-1)S+J，J∈[1,M]，统计得到的信号检测区间相对能量为其中，M为窗口长度，S为窗口滑动步长。
所述步骤(2)中统计信号检测区间的拐点计数时需将上一个信号检测区间第S个信号数据X(k-1)S考虑在内，包括以下子步骤：
(21)统计经k-1次滑窗后得到的信号检测区间DZk的拐点计数所用信号序列为X(k-1)S,X(k-1)S+1,X(k-1)S+2,…,X(k-1)S+M，序列长度为M+1；
(22)对信号序列X(k-1)S,X(k-1)S+1,X(k-1)S+2,…,X(k-1)S+M做一阶差分，得到差分序列D(k-1)S+1,D(k-1)S+2,…,D(k-1)S+M，其中，D(k-1)S+i＝X(k-1)S+i-X(k-1)S+i-1，1≤i≤M；
(23)定义序列Z为根据差分序列D(k-1)S+1,D(k-1)S+2,…,D(k-1)S+M得到Z(k-1)S+1,Z(k-1)S+2,…,Z(k-1)S+M，根据该序列计算拐点计数需将上一个信号检测区间第S个信号数据X(k-1)S对应的Z(k-1)S考虑在内，则拐点计数所用信号序列为Z(k-1)S,Z(k-1)S+1,Z(k-1)S+2,…,Z(k-1)S+M，序列长度为M+1；
(24)统计得到的信号检测区间拐点计数为
所述步骤(4)中检测阈值确定方法为：对固定时长的一个时间段内不含运动目标的噪声信号序列执行所述步骤(1)-(3)，得到不含运动目标的噪声序列信号检测区间统计数据的比值序列，根据该比值序列来设定检测阈值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的微弱信号检测程序，所述微弱信号检测程序被所述处理器执行时实现上述的微弱信号检测方法的步骤。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有微弱信号检测程序，所述微弱信号检测程序被处理器执行时实现上述的微弱信号检测方法的步骤。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过对滑窗形成的固定长度信号检测区间内相对能量与拐点计数分别进行统计，计算两个统计数据的比值，然后与设定的检测阈值进行比较，当比值大于设定的检测阈值时，判定宽带随机信号中检出目标信号。本发明采用相对能量替代能量进行信号检测值计算，其能有效拉开信号与噪声在信号检测空间中的空间距离，相对能量不用计算信号序列的均值，可规避信号系统中常见的计算信号均值与实际信号均值不一致的问题，并可以用极低运算量、极少存储空间、极低硬件成本实现极强微弱信号检出能力。
附图说明
图1是本发明实施方式中涉及的硬件运行环境的终端结构示意图；
图2是本发明实施方式的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种微弱信号检测方法，图1所示的是本实施方式中涉及的硬件运行环境的终端结构示意图。本实施方式的终端可以是嵌入式系统、智能手机、平板电脑、PC端等终端设备。
该终端包括：处理器(例如CPU)，通信总线，用户接口，网络接口和存储器。其中，通信总线用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口可以包括用于连接输入设备和输出设备的接口。网络接口可以包括标准的有线接口和无线接口。存储器可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器，例如磁盘存储器。存储器还可以是独立于处理器的存储装置。
作为一种计算机可读存储介质的存储器中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及微弱信号检测程序。其中，操作系统是管理和控制终端与软件资源的程序，支持网络通信模块、用户接口模块、微弱信号检测程序以及其他程序或软件的运行；网络通信模块用于管理和控制网络接口；用户接口模块用于管理和控制用户接口。
在该终端中，网络接口主要用于连接服务器或外接设备，与服务器或外界设备进行数据通信；用户接口主要用于连接终端界面；所述终端通过处理器调用存储器中存储的微弱信号检测程序，以实现如图2所示的以下步骤：
对信号序列进行滑窗，窗口长度不变，窗口滑动步长小于或等于窗口长度，每滑动一次得到一个信号检测区间；分别统计信号检测区间的相对能量与拐点计数，与能量计算的区别在于，相对能量的计算以信号检测区间的最小值(或最大值)作为基准；计算统计得到的相对能量与拐点计数的比值；将获得的比值与设定的检测阈值进行比较，当比值大于设定的检测阈值时，表示信号序列中检出目标信号。其中，包括信号序列的信号检测区间DZk计算、信号序列在信号检测区间内相对能量REk计算、信号序列在信号检测区间内拐点计数CNk计算、相对能量与拐点计数的比值Rk计算、检测阈值DTk比较，最后得出目标检测结果。
下面通过一个具体的实施例来进一步说明本发明。该实施例中采用地震动信号作为研究对象，针对地震动信号序列SX0,SX1,SX2,…,SXN，其中N的数值大小由地震动传感器的采样率与工作时长共同决定，考虑到信号检测区间拐点计数需将上一个信号检测区间第S个信号数据考虑在内，选取信号序列第一个信号数据SX0作为第一个信号检测区间的上一个信号检测区间第S个信号数据。设定窗口长度M＝416，窗口滑动步长S＝32，此处说明一下，窗口长度M设置为窗口滑动步长S的整数倍是基于显著压缩计算量的快速化算法实现考虑出发的。对信号序列进行滑窗操作，每滑窗一次得到一个信号检测区间，计算第k个信号检测区间的检测值，并与检测阈值进行比较，其具体实施方式和步骤如下：
(1)定义SDZSX0为第k-1个信号检测区间第32个信号数据，第k个信号检测区间SDZ的信号序列为SDZSX1,SDZSX2,…,SDZSX416。
(2)定义第k个信号检测区间SDZ最小值(或最大值)为SDZSXJ(J∈[1,416])，计算信号检测区间相对能量为
(3)对信号序列SDZSX0,SDZSX1,SDZSX2,…,SDZSX416做一阶差分，得到差分序列D1,D2,…,D416，其中Di＝SDZSXi-SDZSXi-1(1≤i≤416)。
(4)定义序列Z为根据差分序列D1,D2,…,D416可得到Z1,Z2,…,Z416，根据该序列计算拐点计数需将SDZSX0对应的Z0考虑在内，则拐点计数所用信号序列为Z0,Z1,Z2,…,Z416，序列长度为417，计算第k个信号检测区间拐点计数为
(5)计算相对能量与拐点计数的比值Rk＝REk/CNk。
(6)在相对能量与拐点计数的比值Rk大于设定的检测阈值DTk条件满足的情况下，检测算法在地震动信号序列第k个信号检测区间位置检出目标信号。其中，检测阈值通过以下方法确定：对固定时长的一个时间段内不含运动目标的噪声信号序列执行信号检测运算，得到不含运动目标的噪声序列信号检测区间统计数据的比值序列，根据该比值序列来设定检测阈值DTk，且DTk可随环境噪声变化而进行自适应调整。
不难发现，本发明通过对滑窗形成的固定长度信号检测区间内相对能量与拐点计数分别进行统计，计算两个统计数据的比值，然后与设定的检测阈值进行比较，当比值大于设定的检测阈值时，判定宽带随机信号中检出目标信号。本发明采用相对能量替代能量进行信号检测值计算，能有效拉开信号与噪声在信号检测空间中的空间距离，相对能量不用计算信号序列的均值，可规避信号系统中常见的计算信号均值与实际信号均值不一致的问题，并可以用极低运算量、极少存储空间、极低硬件成本实现极强微弱信号检出能力。

Claims (7)

1.一种微弱信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对信号序列进行滑窗，其中，窗口长度不变，窗口滑动步长小于或等于窗口长度，窗口每滑动一次得到一个信号检测区间；
(2)分别统计信号检测区间的相对能量与拐点计数，其中，所述相对能量的计算以信号检测区间的最小值或最大值作为基准；其中，统计信号检测区间的拐点计数时需将上一个信号检测区间第S个信号数据X(k-1)S考虑在内，包括以下子步骤：
(21)统计经k-1次滑窗后得到的信号检测区间DZk的拐点计数所用信号序列为X(k-1)S,X(k-1)S+1,X(k-1)S+2,…,X(k-1)S+M，序列长度为M+1；
(22)对信号序列X(k-1)S,X(k-1)S+1,X(k-1)S+2,…,X(k-1)S+M做一阶差分，得到差分序列
D(k-1)S+1,D(k-1)S+2,…,D(k-1)S+M，其中，D(k-1)S+i＝X(k-1)S+i-X(k-1)S+i-1，1≤i≤M；
(23)定义序列Z为根据差分序列
D(k-1)S+1,D(k-1)S+2,…,D(k-1)S+M得到Z(k-1)S+1,Z(k-1)S+2,…,Z(k-1)S+M，根据该序列计算拐点计数需将上一个信号检测区间第S个信号数据X(k-1)S对应的Z(k-1)S考虑在内，则拐点计数所用信号序列为Z(k-1)S,Z(k-1)S+1,Z(k-1)S+2,…,Z(k-1)S+M，序列长度为M+1；
(24)统计得到的信号检测区间拐点计数为
(3)计算统计得到的相对能量与拐点计数的比值；
(4)将获得的比值与设定的检测阈值进行比较，当比值大于设定的检测阈值时，表示信号序列中检出目标信号。
2.根据权利要求1所述的微弱信号检测方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：信号序列为X0,X1,X2,…,XN，定义信号序列长度为N，窗口长度为M，窗口滑动步长为S，选取信号序列第一个信号数据X0作为第1个信号检测区间DZ1的上一个信号检测区间第S个信号数据，则第1个信号检测区间DZ1的信号序列为X1,X2,…,XM，滑窗一次后得到第2个信号检测区间DZ2，其信号序列为XS+1,XS+2,…,XS+M，依次进行滑窗操作，每滑窗一次会得到一个信号检测区间，经k-1次滑窗后得到的信号检测区间DZk信号序列为X(k-1)S+1,X(k-1)S+2,…,X(k-1)S+M。
3.根据权利要求1所述的微弱信号检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中的窗口长度为窗口滑动步长的整数倍。
4.根据权利要求1所述的微弱信号检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中统计信号检测区间的相对能量时，定义经k-1次滑窗后得到的信号检测区间DZk的最小值或最大值为X(k-1)S+J，J∈[1,M]，统计得到的信号检测区间相对能量为 其中，M为窗口长度，S为窗口滑动步长。
5.根据权利要求1所述的微弱信号检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中检测阈值确定方法为：对固定时长的一个时间段内不含运动目标的噪声信号序列执行所述步骤(1)-(3)，得到不含运动目标的噪声序列信号检测区间统计数据的比值序列，根据该比值序列来设定检测阈值。
6.一种终端，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的微弱信号检测程序，所述微弱信号检测程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-5中任一所述的微弱信号检测方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有微弱信号检测程序，所述微弱信号检测程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一所述的微弱信号检测方法的步骤。
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