CN113640888B - 基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法及系统，便携式近地表频率域电磁法观测仪器的发射线圈向浅地层发射探测信号；接收线圈接收二次场信号，并对二次场信号与发射信号进行频域互相关操作，进而得到接收信号频域互相关结果；参考线圈接收一次场信号，并对一次场信号与发射信号进行频域互相关操作，进而得到参考信号频域互相关结果；基于接收信号频域互相关结果和参考信号频域互相关结果，得到便携式近地表频率域电磁法观测仪器进行存储与显示所需的基本数据源。通过对发射信号和接收信号进行频域互相关运算，提高两个信号之间相关部分的功率，消除两个信号之间的不相关部分，增强其抗干扰能力，有效提升异常目标探测能力。
Description
技术领域
本发明涉及外部噪声抑制技术领域，特别是涉及基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
便携式近地表频率域电磁法(FDEM)观测系统相较其它近地表观测系统具有更快速、更便捷等优势，因此被广泛应用于地下矿藏、地下管线、地下水及地下未爆炸地雷等近地表异常目标探测。然而大部分探测区域均存在较强的外界电磁干扰，不仅对便携式近地表FDEM观测系统的信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR)影响非常大，而且常常导致其无法获得有效探测数据。
便携式近地表频率域电磁法(FDEM)观测系统通过其自带的小型发射线圈，向地下发射特定频率的单频或者多频率合成电磁波，利用参考线圈与接收线圈的等效面积以及和发射线圈的距离关系，根据其感应电动势的方向性来消除接收线圈的一次场信号，获得二次场信号，消除参考线圈的二次场信号，获得一次场信号，进而获取目标地层的电磁波响应信息。
从信号来源上来看，FDEM观测系统可分为天然电磁场源、可控人工源以及电磁干扰源。如果所处环境中存在较强的电磁干扰信号，将极大的影响到观测系统的信噪比和无杂散动态范围等性能指标，严重限制了观测系统对近地表异常目标探测的应用。
而互相关正是一种可以有效的检测弱信号、减弱噪声干扰影响的方法，通过对两个通道内信号进行互相关，即共轭相乘，来达到提高系统信噪比的目标，而且互相关也具有计算方法简单、占用硬件资源较少等诸多优点，因此被广泛地应用于弱信号检测、提高系统信噪比等诸多场合，并取得了较好的效果。
中国发明专利，专利名称：利用小波互相关进行虚拟源去噪，专利公开号CN110178056B；从计算机数据存储器接收地震炮集数据以进行处理。将接收的地震炮集数据分离为下行和上行波场，形成包括多个时间-频率(t-f)片的时间-频率-波数(t-f-k)三维(3D)数据立方体。将下行波场从时间(t)域小波变换到t-f域，并且将上行波场从t域小波变换到t-f域。在t-f域中的下行波场和t-f-k域中的上行波场之间执行小波互相关，以生成小波互相关数据。对所述时间-频率-波数(t-f-k)三维(3D)数据立方体的每个t-f片执行软阈值滤波。执行逆小波变换，以将小波互相关数据从t-f-k域变换回时间-接收器(t-x)域。对接收的地震炮集数据的所有地震炮进行循环，并且将小波互相关数据叠加为虚拟源集。
中国发明专利，专利名称：天基外辐射源雷达的地杂波干扰实时抑制方法，专利公开号：CN 105182300A；本发明涉及一种天基外辐射源雷达的地杂波干扰实时抑制方法,其中根据对系统射频信号的收发时序要求,完成天基外辐射源雷达系统的关键参数设计分析天基雷达平台与外辐射源的空间位置和运动关系,建立天基外辐射源雷达地杂波数学模型利用直达波信号构造参考信号,与双通道回波天线接收到的目标信号进行互相关处理一通道第一帧信号的相关结果与二通道第一帧信号的相关结果采用双脉冲对消器消除地杂波干扰重复互相关处理及双脉冲对消步骤将杂波抑制处理后的帧信号沿速度维作傅里叶变换实现相参积累,采用恒虚警准则实现目标检测。本发明能较好地抑制地杂波干扰,同时降低算法复杂度,便于实现天基平台的实时数据处理。
近年来，常见的抑噪技术主要有采用统计规律的滤噪方法、基于经验模态分解法与小波变换的长周期大地电磁信号时域去噪、基于FastICA(快速独立向量分析)和小波阈值的联合算法对瞬变电磁信号的降噪方法，这些降噪方法虽然在一定程度上达到抑制噪声的目的，但是却存在着算法复杂度高、占用硬件资源多、实时性不高以及在强干扰的环境下无法达到理想的抑噪要求等不足之处。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法及系统；旨在通过对观测系统的发射信号和接收信号进行频域互相关运算，提高两个信号之间相关部分的功率，消除两个信号之间的不相关部分，例如外界引入的电磁干扰，使观测系统噪声抑制能力进一步提升，增强其抗干扰能力，有效提升异常目标探测能力，提高观测系统SNR和SFDR等性能指标。
第一方面，本发明提供了基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法；
基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法，包括：
便携式近地表频率域电磁法观测仪器的发射线圈向浅地层发射探测信号；
便携式近地表频率域电磁法观测仪器的接收线圈接收二次场信号，并对二次场信号与发射信号进行频域互相关操作，进而得到接收信号频域互相关结果；
便携式近地表频率域电磁法观测仪器的参考线圈接收一次场信号，并对一次场信号与发射信号进行频域互相关操作，进而得到参考信号频域互相关结果；
基于接收信号频域互相关结果和参考信号频域互相关结果，得到便携式近地表频率域电磁法观测仪器进行存储与显示所需的基本数据源。
第二方面，本发明提供了基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制系统；
基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制系统，包括：脉冲信号发生源和处理器，所述脉冲信号发生源通过滤波器、功率放大器与发射线圈连接；
所述处理器通过第一模数转换电路与接收线圈连接；
所述处理器通过第二模数转换电路与参考线圈连接；
所述处理器，被配置为：
控制脉冲信号发生源，向发射线圈向浅地层发射探测信号；
接收接收线圈采集的二次场信号，对二次场信号与发射信号进行频域互相关操作，得到接收信号频域互相关结果；
接收参考线圈采集的一次场信号，对一次场信号与发射信号进行频域互相关操作，得到参考信号频域互相关结果；
基于接收信号频域互相关结果和参考信号频域互相关结果，得到便携式近地表频率域电磁法观测仪器进行存储与显示所需的基本数据源。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用伪随机序列生成脉冲信号及对收发信号进行频域互相关，进一步提升了系统外部噪声抑制能力、整体抗干扰能力及异常目标探测能力，提高了系统的SNR、SFDR和动态范围等性能指标以及在强干扰环境下探测弱信号的准确性。计算方法简单、占用硬件资源较少。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为第一个实施例的便携式近地表FDEM观测系统频域互相关流程图；
图2为第一个实施例的发射信号i时域图；
图3为第一个实施例的发射信号i频谱；
图4为第一个实施例的接收信号u时域图；
图5为第一个实施例的接收信号u频谱；
图6为第一个实施例的发射信号i的共轭和接收信号u互相关后的频谱；
图7为第一个实施例的参考信号c时域图；
图8为第一个实施例的参考信号c频谱；
图9为第一个实施例的发射信号i的共轭和参考信号c互相关后的频谱。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例所有数据的获取都在符合法律法规和用户同意的基础上，对数据的合法应用。
实施例一
本实施例提供了基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法；
基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法，包括：
S101：便携式近地表频率域电磁法观测仪器的发射线圈向浅地层发射探测信号；
S102：便携式近地表频率域电磁法观测仪器的接收线圈接收二次场信号，并对二次场信号与发射信号进行频域互相关操作，进而得到接收信号频域互相关结果；
S103：便携式近地表频率域电磁法观测仪器的参考线圈接收一次场信号，并对一次场信号与发射信号进行频域互相关操作，进而得到参考信号频域互相关结果；
S104：对接收信号频域互相关结果和参考信号频域互相关结果进行数字滤波、背景相减等数字化运算，得到便携式近地表频率域电磁法观测仪器进行存储与显示所需的基本数据源。
进一步地，所述便携式近地表频率域电磁法观测仪器的发射线圈向浅地层发射探测信号；具体包括：
所述便携式近地表频率域电磁法观测仪器的脉冲信号发射源发射出脉冲信号，脉冲信号经过滤波、功率放大等处理后，浅地层发射探测信号。
如图1所示，以逆重复m序列为脉冲序列产生工具，生成的伪随机脉冲序列经调理、运放等处理后，通过发射线圈向浅地层发射频率为100MHz的探测信号，利用脉冲信号对地层的穿透性，激发地下异常体产生回波信号，再通过其自带的接收装置接收该回波信号。其中，脉冲信号的时域图与频谱如图2和图3所示。(信号时域图及频谱均为Matlab仿真结果)。
便携式近地表FDEM观测系统具有两路信号接收，分别针对参考线圈通道和接收线圈通道，在实际描述时只用接收线圈一路描述。
接收线圈接收到由异常体反射的回波信号，并经过调理、滤波后，根据其感应电动势的方向性来消除一次场信号，获得二次场信号，然后输出二次场信号至高精度ADC，将模拟信号转换为数字信号，并传输至FPGA进行截位与FFT等数字化处理。其中，截位指的是在计算精度允许的范围内，对数据进行截位，只计算其中的若干位，对数据进行近似计算的方法，可以有效的降低硬件运算资源占用；FFT用于将时域信号转换为频域信号，进行频谱显示。
进一步地，所述便携式近地表频率域电磁法观测仪器的接收线圈接收二次场信号步骤之后，所述对二次场信号进行频域互相关操作步骤之前，还包括：
将二次场信号由模拟信号转换为数字信号，并对二次场信号进行数字化处理。
进一步地，对二次场信号进行数字化处理，具体包括：
对二次场信号进行截位处理和傅里叶变换处理。
进一步地，对二次场信号与发射信号进行频域互相关操作，进而得到接收信号频域互相关结果；其中，接收信号频域互相关结果等于发射信号的共轭表示与接收信号复数表示的乘积。
其中，
为发射信号i的共轭表示，Zu(ω)为接收信号u复数表示，Ri,u(ω)为发射信号i的共轭和接收信号u的互相关后的结果。
应理解的，为了实现便携式近地表FDEM观测系统外部噪声抑制，将发射信号和接收信号经FFT变换之后的频域数据进行互相关运算，以消除不相关的噪声，提高相关信号的功率。
当浅地层存在探测目标时，接收信号u的时域图与频谱如图4和图5所示，发射信号i的共轭和接收信号u互相关后的频谱如图6所示。
进一步地，所述便携式近地表频率域电磁法观测仪器的参考线圈接收一次场信号步骤之后，所述对一次场信号进行频域互相关操作步骤之前，还包括：
将一次场信号由模拟信号转换为数字信号，并对一次场信号进行数字化处理。
进一步地，对一次场信号进行数字化处理，具体包括：
对一次场信号进行截位处理和傅里叶变换处理。
进一步地，所述对一次场信号与发射信号进行频域互相关操作，进而得到参考信号频域互相关结果；其中，参考信号频域互相关结果，等于发射信号的共轭表示与参考信号的复数表示的乘积。
其中，
为发射信号i的共轭表示，Zc(ω)为参考信号c复数表示，Ri,c(ω)为发射信号i的共轭和接收信号c的互相关后的结果。
当浅地层存在探测目标时，参考信号c的时域图与频谱，如图7和图8所示，发射信号i的共轭和接收信号c互相关后的频谱，如图9所示。
运算得到Ri,u(ω)和Ri,c(ω)之后，再对其在FPGA中进行数字滤波、背景相减等数字化运算，得到便携式近地表FDEM观测系统后续进行存储与显示所需的基本数据源。
通过以上仿真可以得到，对便携式近地表FDEM观测系统的接收信号和发射信号、参考信号和发射信号采用频域互相关处理过程，不仅可以有效的抑制来自外界的干扰噪声、传感器线圈的噪声以及传输路径上的不相关噪声，增强了目标信号的功率，降低了噪声信号的功率，进而提高了观测系统的整体抗干扰能力，而且还一定程度上提升了系统的SNR和SFDR等性能指标及系统异常目标探测能力，使其获得更好的数据质量。
实施例二
本实施例提供了基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制系统；
基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制系统，包括：脉冲信号发生源和处理器，所述脉冲信号发生源通过功率放大器与发射线圈连接；
所述处理器通过第一模数转换电路与接收线圈连接；
所述处理器通过第二模数转换电路与参考线圈连接；
所述处理器，被配置为：
控制脉冲信号发生源，向发射线圈向浅地层发射探测信号；
接收接收线圈采集的第一回波信号，对第一回波信号进行频域互相关操作，得到第一频域互相关结果；
接收参考线圈采集的第二回波信号，对第二回波信号进行频域互相关操作，得到第二频域互相关结果；
对第一频域互相关结果和第二频域互相关结果，进行频域互相关操作，最后输出处理后的信号。
所述处理器为ARM和FPGA。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法，其特征是，包括：
便携式近地表频率域电磁法观测仪器的发射线圈向浅地层发射探测信号；
所述便携式近地表频率域电磁法观测仪器，以逆重复m序列为脉冲序列产生工具，生成的伪随机脉冲序列经调理、运放处理后，通过发射线圈向浅地层发射探测信号；
便携式近地表频率域电磁法观测仪器的接收线圈接收二次场信号，并对二次场信号与发射信号进行频域互相关操作，进而得到接收信号频域互相关结果；
其中，接收信号频域互相关结果等于发射信号的共轭表示与二次场信号复数表示的乘积；
便携式近地表频率域电磁法观测仪器的参考线圈接收一次场信号，并对一次场信号与发射信号进行频域互相关操作，进而得到参考信号频域互相关结果；
其中，参考信号频域互相关结果，等于发射信号的共轭表示与参考信号的复数表示的乘积；
基于接收信号频域互相关结果和参考信号频域互相关结果，得到便携式近地表频率域电磁法观测仪器进行存储与显示所需的基本数据源。
2.如权利要求1所述的基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法，其特征是，所述便携式近地表频率域电磁法观测仪器的发射线圈向浅地层发射探测信号；具体包括：
所述便携式近地表频率域电磁法观测仪器的脉冲信号发射源发射出脉冲信号，脉冲信号经过滤波和功率放大处理后，向浅地层发射探测信号。
3.如权利要求1所述的基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法，其特征是，所述便携式近地表频率域电磁法观测仪器的接收线圈接收二次场信号步骤之后，所述对二次场信号与发射信号进行频域互相关操作步骤之前，还包括：
将二次场信号由模拟信号转换为数字信号，并对二次场信号进行数字化处理。
4.如权利要求3所述的基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法，其特征是，对二次场信号进行数字化处理，具体包括：
对二次场信号进行截位处理和傅里叶变换处理。
5.如权利要求1所述的基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法，其特征是，所述便携式近地表频率域电磁法观测仪器的参考线圈接收一次场信号步骤之后，所述对一次场信号与发射信号进行频域互相关操作步骤之前，还包括：
将一次场信号由模拟信号转换为数字信号，对一次场信号进行数字化处理。
6.如权利要求5所述的基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制方法，其特征是，对一次场信号进行数字化处理，具体包括：
对一次场信号进行截位处理和傅里叶变换处理。
7.基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制系统，其特征是，包括：脉冲信号发生源和处理器，所述脉冲信号发生源通过滤波器、功率放大器与发射线圈连接；
所述处理器通过第一模数转换电路与接收线圈连接；
所述处理器通过第二模数转换电路与参考线圈连接；
所述处理器，被配置为：
控制脉冲信号发生源，通过 发射线圈向浅地层发射探测信号；
所述控制脉冲信号发生源，以逆重复m序列为脉冲序列产生工具，生成的伪随机脉冲序列经调理、运放处理后，通过发射线圈向浅地层发射探测信号；
接收接收线圈采集的二次场信号，对二次场信号与发射信号进行频域互相关操作，得到接收信号频域互相关结果；
其中，接收信号频域互相关结果等于发射信号的共轭表示与二次场信号复数表示的乘积；
接收参考线圈采集的一次场信号，对一次场信号与发射信号进行频域互相关操作，得到参考信号频域互相关结果；
其中，参考信号频域互相关结果，等于发射信号的共轭表示与参考信号的复数表示的乘积；
基于接收信号频域互相关结果和参考信号频域互相关结果，得到便携式近地表频率域电磁法观测仪器进行存储与显示所需的基本数据源。
8.如权利要求7所述的基于收发信号频域互相关的外部噪声抑制系统，其特征是，所述处理器为ARM和FPGA。
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2021
- 2021-09-24 CN CN202111120455.3A patent/CN113640888B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113640888A (zh) | 2021-11-12 |
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