CN114325846B - 一种利用时间相干性抑噪的磁异常检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用时间相干性抑制背景噪声的磁异常检测方法。该方法利用地磁背景噪声在间隔比较近的时间段内具有较强的的相干性的特点，针对同一传感器采集的不同时间段的信号，在频域自适应地计算地磁背景噪声在时间上的传递函数，利用传递函数消除目标信号中的地磁背景噪声，提高磁异信号的信噪比，以便检测到磁异常目标。本发明可以提高磁异常信号的信噪比，有助于找到磁性目标。

Description

一种利用时间相干性抑噪的磁异常检测方法
技术领域
本发明涉及电子行业雷达技术领域，涉及信号去噪、目标检测技术，属于微弱信号去噪技术。
背景技术
人们称地球产生的磁场为地磁场，铁磁物体在地球上会影响自身周围的磁场分布。因为这个特性，磁异常探测技术被开发并不断发展，已有几十年的历史。由于磁场测量受的影响因素少，且磁场能穿透大部分固体和液体，磁异常探测技术被广泛应用于各种领域。如水下潜艇探测、目标车辆检测、地质资源勘探等。
自适应相干抑噪技术是前人利用地磁背景噪声的空间相干性而提出的一种抑噪技术。这种抑噪技术需要两组传感器分别放在两处相隔较远的位置。由于地磁背景噪声和磁异常目标信号的相干性极低，于是利用两处传感器采集的背景信号之间的相干性，可以从采集信号中估算出磁异常信号。由于不同采集卡、传感器之间存在不一致性问题，抑制噪声的工作会因此受到影响，偏离预期效果。
磁异常探测技术一般可以分为两大类，其中一类揭示了磁背景的性质，前面提到的自适应相干抑噪就属于这一类。另一类技术是利用目标信号的典型特征进行分析，这类方法中较为典型的方法是标准正交基函数(OBF)分解算法。标准正交基函数分解算法常常能在磁异常检测中提供重要的帮助，但是当信噪比过低的时候，标准正交基函数分解算法检测磁异常的能力受到限制。
发明内容
本发明提供了一种利用时间相干性抑制背景噪声并探测磁异常的方法
根据本发明的一个方面，提供了一种利用时间相干性抑制背景噪声的磁异常探测方法。该探测方法包括：
步骤1：利用磁传感器与采集卡采集得到磁信号数据y(n)；
步骤2：分别设置两个长度均为L的移动窗Wt、Wb，使两个窗口分别在信号上移动，得到Wb、Wt窗口截取的信号；
步骤3：将Wt窗内的信号作为目标信号，Wb窗内的信号作为背景信号，分别令为x(n,k)和x(n,k+Δk)，对目标信号x(n,k)和背景信号x(n,k+Δk)分别去均值，然后进行傅里叶变换，得到对应的频域信号X(ω,k)和X(ω,k+Δk)，其中，k表示窗口序数，ω表示频率；
步骤4：通过对两窗内信号的运算，即求信号x(n,k)和信号x(n,k+Δk)的互谱
Figure BDA0003360648110000011
以及窗Wb内信号x(n,k+Δk)的自谱/>
Figure BDA0003360648110000012
可以得到目标信号窗Wt与背景信号窗Wb中的背景噪声在时间轴上的传递函数Hk+Δk,k(ω,k)；
步骤5：在频域中，利用背景信号以及步骤4得到的传递函数估计目标信号中的背景噪声，即通过Hk+Δk,k(ω,k)×X(ω,k+Δk)估计窗Wt中信号的背景噪声，并用目标信号减去估计得到的背景噪声，得到抑噪后的目标频域信号，即用公式T(ω,k)＝X(ω,k)-Hk+Δk,k(ω,k)×X(ω,k+Δk)计算得到抑噪后的目标频域信号；
步骤6：对步骤5得到的目标频域信号进行傅里叶逆变换，得到抑噪后的目标时域信号t(n,k)；
步骤7：对步骤6得到的目标信号t(n,k)进行标准正交基函数分解，得到这段信号的能量E；
步骤8：保持目标信号窗口Wt位置固定不变，将背景信号窗Wb向右平移mb长度；
步骤9：重复步骤3～步骤8，直到背景信号窗Wb平移至信号的末尾，将信号从头到尾完整地遍历一遍；
步骤10：累加每次循环计算的能量E，然后求平均值，得到Wt窗口所截取的信号段的E_aver；
步骤11：将目标信号窗口Wt位置向右平移mt，然后重复步骤步骤3～步骤10，直到目标信号窗Wt平移至信号的末尾，将信号从头到尾完整地遍历一遍；
步骤12：累加并整理每次循环计算的能量E_aver，然后求平均值，得到整个信号段的全局平均值E_aver_all，对E_aver_all进行析并设定阈值，判断是否存在磁异常以及磁异常出现的时刻。
本发明的优点是：
1、本发明通过利用背景噪声的时间相干性抑噪，只需要使用一组采集卡和传感器设备，相比传统的抑噪方法，实验所需的设备更少，节约了实验的成本。
2、本发明由于只使用一组采集卡和传感器，引入的干扰来源更少，相比传统的抑噪的方法，不会受多组采集卡传感器设备带来的信号不一致性的影响。
3、本发明利用时间相干性抑噪，由于数据由同一组传感器采集卡获取，所以在去噪过程中，不仅能对地磁背景噪声进行抑制，还对设备产生的噪声有一定的抑制效果。
4、本发明通过将目标信号与多组背景信号分别使用算法运算，最后取平均值，降低了过程中可能出现的误判概率。
附图说明
图1为利用时间相干性自适应抑噪检测磁异常方法的流程图；
图2为设备摆放示意图；
图3为窗口移动示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的，技术方案和优点更加清晰明了，下面将结合具体实例，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较高的时间相干性，自适应地滤除背景噪声。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种利用时间相干性抑制地磁背景噪声的磁异常探测方法。图1为根据本发明实例利用时间相干性自适应抑噪探测磁异常方法的流程图。如图1所示，本实例利用时间相干性自适应抑噪探测磁异常方法包括：
步骤1：设置磁传感器，使传感器的探测范围覆盖磁性目标所在区域。
图2为传感器等设备的摆放示意图。按照图2中的方式摆放设备，确保在磁性目标经过传感器正前方的时候，传感器的探测范围能够覆盖磁性目标。
利用磁传感器与采集卡采集得到磁信号数据y(n)；
步骤2：分别设置两个长度均为L的移动窗Wt、Wb，使两个窗口分别在信号y(n)上移动，得到Wb、Wt窗口截取的信号；
步骤3：将Wt窗内的信号作为目标信号，Wb窗内的信号作为背景信号，并将其分别表示为x(n,k)和x(n,k+Δk)，两组信号具体可以写成如下形式：
x(n,k)＝t(n,k)+e(n,k) (1)
x(n,k+Δk)＝t(n,k+Δk)+e(n,k+Δk) (2)
其中e(n,k)与e(n,k+Δk)是背景噪声，包括地磁背景噪声和传感器噪声。根据背景噪声的性质，可以将背景噪声表示为：
e(n,k)＝hk+Δk,k(n)*e(n,k+Δk) (3)
然后对x(n,k)和x(n,k+Δk)使用傅里叶变换，得到对应的频域信号表达式：
X(ω,k)＝T(ω,k)+E(ω,k) (4)
X(ω,k+Δk)＝T(ω,k+Δk)+E(ω,k+Δk) (5)
并且E(ω,k)＝Hk+Δk,k(ω,k)×E(ω,k+Δk)；
步骤4：求目标信号x(n,k)和背景信号x(n,k+Δk)的互谱
Figure BDA0003360648110000031
以及背景信号x(n,k+Δk)的自谱/>
Figure BDA0003360648110000032
Figure BDA0003360648110000033
Figure BDA0003360648110000034
由于
Figure BDA0003360648110000035
且
Figure BDA0003360648110000041
可以推出：
Figure BDA0003360648110000042
于是传递函数可以由(9)式计算出：
Figure BDA0003360648110000043
步骤5：得到传递函数Hk+Δk,k(ω,k)之后，通过Hk+Δk,k(ω,k)×X(ω,k+Δk)估计目标信号中的背景噪声，并用信号X(ω,k)减去估计得到的背景噪声，即由(10)式可以得到抑噪后的目标频域信号
T(ω,k)＝X(ω,k)-Hk+Δk,k(ω,k)×X(ω,k+Δk)； (10)
步骤6：对步骤5得到的目标频域信号进行傅里叶逆变换，得到抑噪后的目标时域信号t(n,k)；
步骤7：对步骤6得到的目标信号t(n,k)进行标准正交基函数分解，得到这段信号的能量E；
步骤8：保持目标信号窗口Wt位置固定不变，将背景信号窗Wb向右平移mb长度；
步骤9：重复步骤3～步骤8，直到背景信号窗Wb平移至信号的末尾，将信号从头到尾完整地遍历一遍；
步骤10：累加每次循环计算的能量E，然后求平均值，得到Wt窗口所截取的信号段的E_aver；
步骤11：将目标信号窗口Wt位置向右平移mt，然后重复步骤步骤3～步骤10，直到目标信号窗Wt平移至信号的末尾，将信号从头到尾完整地遍历一遍；
步骤12：累加并整理每次循环计算的能量E_aver，然后求平均值，得到整个信号段的全局平均值E_aver_all，对E_aver_all进行分析并设定阈值，判断是否存在磁异常以及磁异常出现的时刻。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细的描述，依据上述描述，本领域技术人员应当对本发明利用时间相干性的自适应抑噪磁异常探测方法有了较为清晰的认识。
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:
步骤6求得抑噪后的目标时域信号，可以对信号进行一些其他处理，如对于使用较高采样频率采集的信号t(n,k)，可以对信号使用小波包分解重构，得到一个滤波后的信号，再使用标准正交基分解算法求其能量。
综上所述,本发明采用单传感器采集信号，并充分利用信号的时间相干性,既比传统的自适应相干抑噪方法减少了设备需求，降低了实验成本,又因为只使用单个传感器而避免了同步性和一致性问题带来的干扰，可以有效的寻找磁异常信号。
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,以上所述仪为本发明的具体实施例而己,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出之内。

Claims (3)

1.一种利用时间相干性抑噪的磁异常检测方法，其特征在于实现步骤如下：
步骤1：利用磁传感器与采集卡采集得到磁信号数据y(n)；
步骤2：分别设置两个长度均为L的移动窗Wt、Wb，使两个窗口分别在信号y(n)上移动，得到Wb、Wt窗口截取的信号；
步骤3：将Wt窗内的信号作为目标信号，Wb窗内的信号作为背景信号，对目标信号和背景信号分别去均值，然后进行傅里叶变换，得到对应的频域信号；
步骤4：分别计算目标信号与背景信号的互谱，计算背景信号的自谱，然后求目标信号和背景信号中的背景噪声在时间轴上的传递函数；
步骤5：在频域中，利用背景信号以及步骤4得到的传递函数估计目标信号中的背景噪声，并用目标信号减去估计得到的背景噪声，得到抑噪后的目标频域信号；
步骤6：对步骤5得到的目标频域抑噪信号进行傅里叶逆变换，得到抑噪后的目标时域信号t(n,k)；
步骤7：对步骤6得到的目标信号t(n,k)进行标准正交基函数分解，得到这段信号的能量E；
步骤8：保持目标信号窗Wt位置固定不变，将背景信号窗Wb向右平移mb长度；
步骤9：重复步骤3～步骤8，直到背景信号窗Wb平移至信号的末尾，将信号从头到尾完整地遍历一遍；
步骤10：累加每次循环计算的能量E，然后求平均值，得到Wt窗口所截取的信号段的E_aver；
步骤11：将目标信号窗Wt位置向右平移mt长度，然后重复步骤3～步骤10，直到目标信号窗Wt平移至信号的末尾，将信号从头到尾完整地遍历一遍；
步骤12：累加并整理每次循环计算的能量E_aver，然后求平均值，得到整个信号段的全局平均值E_aver_all，对E_aver_all进行分析并设定阈值，判断是否存在磁异常以及磁异常出现的时刻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，背景信号和目标信号取自同一传感器，利用同一传感器所采集的信号在不同时间段内的背景噪声具有较高相干性的特点，将信号变换到频域，采用相干法去除目标信号中的背景噪声，提高信噪比。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中，若两个窗在信号上重合，则背景窗Wb向右平移m个点，保证目标信号窗Wt与背景信号窗Wb不完全重合。
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