CN113655529B - 一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法，包括：S1：输入磁信号探测器采集的磁信号；S2：利用消除趋势函数抑制磁信号中的背景磁场，得到抑制背景磁场后的磁信号；S3：利用数字滤波器抑制抑制背景磁场后的磁信号中的白噪声，得到抑制白噪声后的磁信号；S4：根据磁信号探测器类型对抑制白噪声后的磁信号进行分帧判断，得到候选样本；S5：利用白化滤波器抑制候选样本中的色噪声，得到磁扰动信号；S6：利用标准正交基函数对磁扰动信号进行检测，输出检测结果。与现有技术相比较，采用本发明所设计的优化提取技术后，目标识别距离和识别精度都得到了有效的提高，结果具有较高的可靠性和有效性。
Description
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法。
背景技术
近年来，随着磁探测理论和传感器技术的发展，磁梯度张量测量技术以其较高的测量精度和丰富的场量参数逐步取代了磁标量的探测手段，被用于地磁异常的观测中。与此同时，基于磁梯度张量的磁性目标探测与定位方法的研究也成为了近年来磁探测定位研究的重点。
地磁场可以等效为一个位于地心的磁偶极子产生的磁场，其分布规律可以由理论预测所求得。在此基础上，地磁场还受到地球背景噪声的影响，这些噪声来源于自然界和人工的干扰，具有一般随机噪声的特性。一般而言，目标在这样的磁环境下产生的扰动往往被涵盖在地磁场和背景噪声中，难以被准确的识别。
随着上述理论和技术的不断发展，研究高采样率的被动磁信号的优化提取技术具有重要的理论和工程意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种至少部分解决上述技术问题的一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法。
本发明实施例提供了一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法，包括：
S1：输入磁信号探测器采集的磁信号；
S2：利用消除趋势函数抑制所述磁信号中的背景磁场，得到抑制背景磁场后的所述磁信号；
S3：利用数字滤波器抑制所述抑制背景磁场后的所述磁信号中的白噪声，得到抑制白噪声后的所述磁信号；
S4：根据所述磁信号探测器类型对所述抑制白噪声后的所述磁信号进行分帧判断，得到候选样本；
S5：利用白化滤波器抑制所述候选样本中的色噪声，得到磁扰动信号；
S6：利用标准正交基函数对所述磁扰动信号进行检测，输出检测结果。
进一步地，所述步骤S3中数字滤波器通带为0.15-0.85Hz，阻带为0.01-1Hz，带外衰减为60dB。
进一步地，所述步骤S4包括：
根据所述磁信号探测器类型对所述抑制白噪声后的所述磁信号进行判断；若所述磁信号探测器为磁通门信号传感器，则对所述抑制白噪声后的所述磁信号进行预设等间隔分帧处理，得到候选样本；若所述磁信号探测器为光泵传感器，则将所述抑制白噪声后的所述磁信号作为候选样本。
进一步地，所述步骤S6包括：
S61：利用标准正交基函数计算所述磁扰动信号的时域信号；
S62：根据能量函数对所述磁扰动信号的时域信号进行匹配滤波，得到能量信号；
S63：对所述能量信号进行归一化处理，检测所述磁扰动信号的存在，输出检测结果。
进一步地，所述步骤S61具体包括：
将所述磁扰动信号分解为三个正交基函数的和，表达式为：
公式(1)中，K表示所述正交基函数的总数，且K＝3；j表示不同所述正交基函数的标号；fj(w)表示标号为j的所述正交基函数；S(w)表示时域信号；w表示时间变量；A表示未知的观测点-目标相对位置、目标大小和磁扰动强度组成的表达式；
其中，根据经典的磁探测理论，变换后的所述正交基函数为(K＝3)：
公式(2)
和
表示j取标号分别为1、2、和3时的基函数；f1(w)、f2(w)和f3(w)分别表示j取标号分别为1、2、和3时，单位化所述基函数后对应的所述正交基函数及其系数。
进一步地，所述能量信号包括：根据所述正交基函数计算所述时域信号，其中能量信号表达式为：
公式(8)中，aj(wm)表示不同离散信号变量的能量信号；i表示当前加窗样本中点的标号；wmin表示当前加窗样本中标号最小的点；wmax表示当前加窗样本中标号最大的点；wm表示第m窗样本；wm+i表示第m窗样本的第i个点；Δw表示第m-1窗与第m窗窗长的变化量。
进一步地，所述能量函数为：
公式(10)中，E表示采集所述时域信号的扰动能量；a1、a2、a3分别表示不同所述正交基函数对应的所述能量信号。
本发明实施例提供的一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法，通过控制高采样率的磁探测器采样频率、和窗函数长度，实现了高采样率磁探测器探测被动磁信号的优化提取。
现有技术中，常用的磁传感器所测信号主要针对大型磁性目标，且作用距离较近；对距离较远、目标较小的目标信号提取后识别精度不高，效果较差。与现有技术相比较，采用本发明所设计的优化提取技术后，目标识别距离和识别精度都得到了有效的提高，结果具有较高的可靠性和有效性。
相较于原始提取信号，上述提取后所得到的信号信噪比提高了20dB以上。为实现磁信号定位等应用场景提供了重要的技术支持，具有重要的军事和民用价值。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法框图；
图2为本发明实施例提供的一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法流程框图；
图3为本发明实施例提供的数字滤波器截止频率和带宽示意图；
图4为本发明实施例提供的数字滤波器数据处理结果对比示意图；
图5为本发明实施例提供的色噪声的概率密度函数示意图；
图6为本发明实施例提供的色噪声的自相关函数示意图；
图7为本发明实施例提供的色噪声的功率谱示意图；
图8为本发明实施例提供的高斯信号和包含噪声的高斯信号对比图；
图9为本发明实施例提供的正交基函数示意图；
图10为本发明实施例提供的归一化处理示意图；
图11为本发明实施例提供的修正标准正交基函数示意图；
图12为本发明实施例提供的高斯信号检测效果示意图；
图13为本发明实施例提供的另一时刻高斯信号检测效果示意图；
图14为本发明实施例提供的对于机动目标在50米高度检测效果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“内接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供的一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法，如图1和图2所示，包括：
S1：输入磁信号探测器采集的磁信号；
S2：利用消除趋势函数抑制磁信号中的背景磁场，得到抑制背景磁场后的磁信号；
S3：利用数字滤波器抑制抑制背景磁场后的磁信号中的白噪声，得到抑制白噪声后的磁信号；
S4：根据磁信号探测器类型对抑制白噪声后的磁信号进行分帧判断，得到候选样本；
S5：利用白化滤波器抑制候选样本中的色噪声，得到磁扰动信号；
S6：利用标准正交基函数对磁扰动信号进行检测，输出检测结果。
其中，检测结果显示为目标能量信号强度。检测结果为扰动能量检测信号，检测信号幅值高于信号均值时认为目标存在。
根据磁信号探测器类型对抑制白噪声后的磁信号进行判断；若磁信号探测器为磁通门信号传感器，则对抑制白噪声后的磁信号进行预设等间隔分帧处理，得到候选样本；若磁信号探测器为光泵传感器，则将抑制白噪声后的磁信号作为候选样本。
本发明实施例提供的一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法，相比于传统针对高采样率的被动磁信号提取技术具有针对磁通门、光泵两种磁信号传感器，分别采用分帧和不分帧处理均可实现检测扰动信号效果，很大程度上提高了所提取信号的信噪比，使得被动信号的探测距离得到了较大的提升，在实现高采样率磁探测器磁信号提取过程中具有重要价值。
下面将结合图文对本发明实施例提供的一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法，进行详细描述。
首先通过磁通门传感器对磁信号进行采集，由于地球背景磁场和噪声的存在，所采集到的磁信号为地球背景磁场和噪声还有目标磁扰动信号的叠加，因此需要抑制地球背景场对采集信号的影响，使用matlab中的消除趋势函数来达到消除背景场的目的。
当探测目标沿直线做小幅度机动时本发明的试验原理为，本发明中所测物理量之间必然满足一下数值关系：
Hc(w)＝HL(w)+H0(w)+s(w) (1)
其中Hc(w)为测量的总磁场，其中HL(w)为探测目标沿直航向飞行时的背景噪声磁场，其中H0(w)为地磁场，s(w)为目标机动引起的磁场变化量即为磁扰动信号，以Hd(w)表示探测目标的总背景噪声，那么在该航向上：
Hd(w)＝HL(w)+s(w) (2)
由于背景磁场Hd(w)相对较强，因此需要合适的数值滤波器f来提取有用信号s(w)，即：
s(w)＝f(Hc(w)) (3)
具有4个传感器的三轴磁通门可以获取探测目标的各个方向的信息，当目标沿直线做小幅度机动时，三轴探测器实际的输出H(w)可以表示为：
上式中，h(w)为目标机动引起的地磁分量变化(即扰动)，Hb(w)为探测目标在安装点产生的背景磁场噪声矢量，H0(w)为地磁场矢量。
而对于地磁这种慢变场，可认为其模型是一种短时内的稳态场进行处理，在mawlab中使用消除趋势函数，完成抑制地磁背景场的影响。
进一步地，对于白噪声的抑制，通过使用数字滤波器对白噪声进行抑制，选取的数字滤波器为通带为0.15-0.85Hz，阻带为0.01-1Hz，带外衰减为60dB的带通滤波器；滤波器示意和对数据处理结果展示如图3和图4所示。
除此之外，采集到的信号还存在色噪声的干扰，需要对色噪声进行抑制，这里考虑到样本大小和计算机处理时间，选取1min，10s等间隔作为样本间隔，具体参照计算机计算的速度，本发明使用的计算机大约处理1min数据需要大约1min左右，所以将预设样本的大小规定为1min，进行分帧来设计白化滤波器抑制色噪声，如图5、图6和图7所示。通过图7可知扰动信号能量主要集中分布于极低频范围内。
最后由于提取出的信号仍是微弱的磁扰动信号，需要对提取出的数据引入标准正交基函数进行检测，以达到微弱磁扰动信号的检测。
采用经典的三正交基函数展开法，可以有效的提升观测信号的信噪比。其基本原理为将一个含有有用信号的噪声观测数据(即本发明中的磁扰动信号)分解为三个正交基函数的和，即：
公式(5)中，K表示所述正交基函数的总数，且K＝3；j表示不同正交基函数的标号；aj表示标号为j的正交基函数系数；fj(w)表示标号为j的正交基函数；S(w)表示时域信号；w表示时间变量；A表示未知的观测点-目标相对位置、目标大小和磁扰动强度组成的表达式。由于原始文献均采用了大量假定的观测条件，得到了系数A的表达式。而本次观测的观测点-目标相对位置、目标大小、磁扰动强度均不知道，所以直接用系数A来表示。
在经典的磁探测理论中，所采用的基函数为(K＝3)：
式中w为无量纲的值，用于描述基函数的取值范围，一般取-3＜w＜3，其与时域波形的采样窗直接相关。系数的值含有目标-观测点相对位置关系等丰富的信息，由具体的方案设置确定。
和
表示正交基函数，f1(w)、f2(w)和f3(w)分别表示单位化后对应的所述正交基函数及其系数，
由
和
计算得出。在此过程选取标准正交基函数处理时，选取w的范围为[-3，3]，间隔为3/w窗长进行处理。根据确定的w和公式(6)～(12)确定的相关正交基函数后，可以对选定窗长的短时内的信号能量进行计算。
为了详细说明无量纲量w的参量组成，这里补充说明组成w的基础参量：
首先建立空间O-XYZ直角坐标系，v表示飞行机动目标的速度，短时内认为其速度为匀速运动，延X方向飞行，两个仪器对其进行轨迹检测；Δr为两个测试仪器之间的矢量距离，方向以仪器A指向仪器B；T表示地磁场，M表示铁磁目标磁矩，R0表示铁磁目标到仪器A的检测轨迹最近的距离(CPA，即最小会遇距离)；vm，vw分别表示目标磁矩M和地磁场T与Z轴正方向的夹角，即磁倾角；φm和φw分别表示磁矩M与地磁场T在xy平面上的投影与x轴正方向的夹角，即磁偏角。
其中定义ρ为两个仪器之间的恒定距离，仪器之间的单位矢量距离为：
则仪器之间的矢量距离为：
铁磁目标的单位磁矩表示为：
铁磁目标的磁矩的幅值为m，磁矩M的完整表达式为：
地磁场单位矢量表示为：
飞行机动目标检测轨迹沿x轴正方向，以检测轨迹与CPA交点处为X轴的零点，飞行的距离为x，正负号表示正负轴。同时，x＝v*t，时间t零点在x轴零点处，正负表示滞后或超前。则w为与目标的检测距离和CPA有关的变量，具体定义为：
其中，
为特征时间，所以w表示目标检测距离与CPA的比值，经过公式替换变换后也等于当前时间与特征时间的比值，即与时间有关的变量。
仪器A到目标的矢量距离为：
针对观测到的时域信号，通过公式(13)来求得。
公式(13)中，aj(wm)表示第m窗离散信号变量的能量信号；i表示当前加窗样本中点的标号；wmin表示当前加窗样本中标号最小的点；wmax表示当前加窗样本中标号最大的点；wm表示第m窗样本，m表示加窗样本的标号；wm+i表示第m窗样本的第i个点；Δw表示第m-1窗与第m窗窗长的变化量。
针对本发明提取的探测磁扰动信号数据普遍存在的较低信噪比的特点，所求得的信号中将含有大量的噪声分量，所以直接分析其信号意义不大。因此，这里首先仅从提高信噪比的角度来对信号进行展开与分析。提出能量函数：
作为信号提取的标准，来判断异常信号的存在。E表示采集所述时域信号的扰动能量；a1、a2、a3分别表示j取1、2、3时，不同所述正交基函数对应的所述能量信号。
在一具体实施例中本发明提供的一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法，下面以一个含有高斯噪声、信噪比较低的时域信号为例来验证算法的可行性。
假设，设计一个高斯脉冲作为有用信号，其幅度为0.5，脉冲宽度小于1s。将其加载到方差为1的随机噪声中(服从高斯分布)，则由于背景噪声的幅度远大于信号峰值幅度，信号被完全淹没在噪声中。如图8所示
可以看出，加载的有用信号被完全淹没在了噪声中，其信噪比约为：
图8中的信噪比为0.246，约为-6dB。采用上述基函数，并取时间窗为0.032s，时间步长0.0004s，得到的三个基函数如图9所示：
采用分帧标准正交基分析方式对含有有用信号的数据进行分析，并求其能量函数，归一化后的处理结果如图10所示：
可以看出，有用信号被成功提取出来，其信噪比约为147.6(21.7dB)。成功实现了信号的提取。
本发明使用白化滤波器对磁力仪采集的信号的色噪声进行白化，对磁异常梯度信号也会有影响，目标信号经过白化滤波器会发生变形或扭曲。所以，需要对检测的正交基函数预先进行白化，即在白噪声滤波后，为了突出磁扰动信号，以提高信噪比，需要在上述标准正交基函数前进行白化处理，具体方法为：
Fi(w)＝h(w)×fi(w)，i＝1，2，3 (16)
信号输入经过h(w)白化滤波器，再通过修正标准正交基函数输出检测结果如图11、图12和图13所示。其中i--1、2、3、4；Fi(w)表示为修正标准正交基函数；在图11中，e(w)表示为三组正交基函数能量总和，，即公式(14)中的E，进行求和运算。
在一具体实施例中本发明提供的一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法，还对幅值为50米的高斯信号使用上述步骤进行了验证，验证结果如图14。
本发明实施例提供的一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法，通过控制高采样率的磁探测器采样频率、和窗函数长度，实现了高采样率磁探测器探测被动磁信号的优化提取。
现有技术中，常用的磁传感器所测信号主要针对大型磁性目标，且作用距离较近；对距离较远、目标较小的目标信号提取后识别精度不高，效果较差。与现有技术相比较，采用本发明所设计的优化提取技术后，目标识别距离和识别精度都得到了有效的提高，结果具有较高的可靠性和有效性。
相较于原始提取信号，上述提取后所得到的信号信噪比提高了20dB以上。为实现磁信号定位等应用场景提供了重要的技术支持，具有重要的军事和民用价值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法，其特征在于，包括：
S1：输入磁信号探测器采集的磁信号；
S2：利用消除趋势函数抑制所述磁信号中的背景磁场，得到抑制背景磁场后的所述磁信号；
S3：利用数字滤波器抑制所述抑制背景磁场后的所述磁信号中的白噪声，得到抑制白噪声后的所述磁信号；
S4：根据所述磁信号探测器类型对所述抑制白噪声后的所述磁信号进行分帧判断，得到候选样本；
S5：利用白化滤波器抑制所述候选样本中的色噪声，得到磁扰动信号；
S6：利用标准正交基函数对所述磁扰动信号进行检测，输出检测结果；
所述步骤S4包括：
根据所述磁信号探测器类型对所述抑制白噪声后的所述磁信号进行判断；若所述磁信号探测器为磁通门信号传感器，则对所述抑制白噪声后的所述磁信号进行预设等间隔分帧处理，得到候选样本；若所述磁信号探测器为光泵传感器，则将所述抑制白噪声后的所述磁信号作为候选样本；
所述步骤S6包括：
S61：利用标准正交基函数计算所述磁扰动信号的时域信号；
S62：根据所述磁扰动信号的时域信号，计算得到能量信号；并根据能量函数对所述磁扰动信号的时域信号进行匹配滤波；
S63：对所述能量信号进行归一化处理，检测所述磁扰动信号的存在，输出检测结果；
所述步骤S61具体包括：
将所述磁扰动信号分解为三个正交基函数的和，表达式为：
公式(1)中，K表示所述正交基函数的总数，且K＝3；j表示不同所述正交基函数的标号；fj(w)表示标号为j的所述正交基函数；S(w)表示时域信号；w表示时间变量；A表示由未知的观测点-目标相对位置、目标大小和磁扰动强度组成的表达式；
其中，根据经典的磁探测理论，变换后的所述正交基函数为：
公式(2)- （ 7 ）中，
和
表示j取标号分别为1、2、3时的基函数；f1(w)、f2(w)和f3(w)分别表示j取标号为1、2、3时对应的正交基函数；
所述能量信号表达式为：
公式(8)中，aj(wm)表示不同离散信号变量的能量信号；i表示当前加窗样本中点的标号；wmin表示当前加窗样本中标号最小的点；wmax表示当前加窗样本中标号最大的点；wm表示第m窗样本；wm+i表示第m窗样本的第i个点；fj(wm+i)代表标号为j的第m窗样本的第i个点的正交基函数，j表示不同正交基函数的标号，j＝1,2,3；S(wm+i)代表第m窗样本的第i个点的时域信号；Δw表示第m-1窗与第m窗窗长的变化量。
2.根据权利要求1所述的一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法，其特征在于：所述步骤S3中数字滤波器通带为fp1＝0.15Hz,fp2＝0.85Hz，阻带为fs1＝0.01Hz,fs2＝1Hz，带外衰减为60dB。
3.根据权利要求1所述的一种针对高采样率的被动磁信号优化提取和检测方法，其特征在于：所述能量函数为：
公式(9)中，E表示采集所述时域信号的扰动能量；a1、a2、a3分别表示不同所述正交基函数对应的所述能量信号。
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