運(yùn)用多通道相干抑制地磁背景噪聲的磁異常探測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種運(yùn)用多通道相干抑制地磁背景噪聲的磁異常探測(cè)方法。該探測(cè)方法利用地磁背景噪聲和目標(biāo)信號(hào)的不相關(guān)性以及地磁背景噪聲高度相關(guān)性，計(jì)算空間兩測(cè)量地點(diǎn)的背景磁場(chǎng)噪聲轉(zhuǎn)移函數(shù)，通過(guò)轉(zhuǎn)移函數(shù)可以求得探測(cè)地點(diǎn)地磁背景噪聲，進(jìn)而可以濾除地磁背景噪聲從而獲到目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)判斷目標(biāo)的存在。試驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明可以顯著提高信噪比，可以使系統(tǒng)探測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性大大增強(qiáng)。
【專利說(shuō)明】運(yùn)用多通道相干抑制地磁背景噪聲的磁異常探測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子行業(yè)雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種運(yùn)用多通道相干抑制地磁背景噪聲的磁異常探測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]磁異常探測(cè)(Magnetic Anomaly Detect1n,簡(jiǎn)稱MAD)技術(shù)是近年來(lái)隨著磁探測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展和磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量精度不斷提高而新興起的一種磁性目標(biāo)探測(cè)技術(shù)。地磁場(chǎng)作為地球固有的物理場(chǎng)，任何磁性物體都會(huì)受到地磁場(chǎng)的磁化作用以及本身的磁特性影響，物體周圍會(huì)表現(xiàn)出與地球磁場(chǎng)截然不同的磁場(chǎng)特性。該技術(shù)以鐵磁性物質(zhì)擾動(dòng)地磁場(chǎng)分布為物理基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量磁異常信號(hào)，提取信號(hào)的特征量，并通過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理技術(shù)最終獲得目標(biāo)相關(guān)信息。該技術(shù)廣泛用于航磁測(cè)量、資源勘探和水中磁性目標(biāo)探測(cè)等領(lǐng)域，因其可靠性高、隱蔽性強(qiáng)、探測(cè)范圍廣等特點(diǎn)為各國(guó)學(xué)者研究熱點(diǎn)。
[0003]在實(shí)際應(yīng)用中，由于目標(biāo)信號(hào)會(huì)受到地磁噪聲(功率譜密度為l/f'0< α <2)的干擾，實(shí)測(cè)信號(hào)的信噪比通常都小于1，難以探測(cè)微弱的目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)，需要有效的提取方法。而目前文獻(xiàn)提出的正交基函數(shù)匹配法、最小二乘法、最小均方法、歸一化最小均方法、有限脈沖濾波等方法進(jìn)行信號(hào)提取，但在SNR < I的情況下，上述方法提取的信號(hào)失真嚴(yán)重。頻域相減濾波法在下低信噪比時(shí)，探測(cè)效果較好，但是該算法假設(shè)不同地點(diǎn)地磁背景噪聲嚴(yán)格一致，探測(cè)虛警概率大，給實(shí)際探測(cè)帶來(lái)不便。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0005]鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種運(yùn)用多通道相干抑制地磁背景噪聲進(jìn)行磁異常探測(cè)的方法。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種運(yùn)用多通道相干抑制地磁背景噪聲的磁異常探測(cè)方法。該探測(cè)方法包括:步驟Α，提供兩磁場(chǎng)傳感器，兩者的探測(cè)方向相同，其中之一的參考傳感器遠(yuǎn)離磁性探測(cè)目標(biāo)，其中另一探測(cè)傳感器的探測(cè)范圍覆蓋磁性目標(biāo)所在區(qū)域；步驟B，參考傳感器和探測(cè)傳感器同時(shí)進(jìn)行探測(cè)，分別得到信號(hào)71 (n) y2 (η);步驟C，利用窗函數(shù)將信號(hào)yi (η)和y2(n)截?cái)喾殖扇舾啥?，?yīng)用短時(shí)傅里葉變換，分別得到頻域信
和￥2(?，k)，其中，k為數(shù)據(jù)窗口序數(shù)，ω代表信號(hào)頻率。步驟D，計(jì)算信號(hào)Y1 (η)和y2 (η)的互功率譜(?,Α)，以及yi (n)的白功率譜{a,k);步驟E，利用互功率譜&% (隊(duì)0以及白功率譜\71 (隊(duì)巧求取地磁背景噪聲轉(zhuǎn)移函數(shù)Η(ωΛ);步驟F，利用下式由轉(zhuǎn)移函數(shù)H(co，k)求得地磁背景噪聲Ετ(ω，k):Ετ(ω, k) = Η(ω，k)E(co，k);步驟G，從探測(cè)傳感器探測(cè)得到的信號(hào)Y2 (ω，k)減去地磁背景噪聲Et (ω，k)，從而獲得目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)Β(ωΛ):Β(ωΛ) = Y2 (ω，k) _ΕΤ (ω，k);步驟H，對(duì)目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)B (ω，k)利用逆傅里葉變換獲取分段的目標(biāo)時(shí)域信號(hào):b(n，k) =F-1(B(?,k));步驟I，對(duì)分段的目標(biāo)時(shí)域信號(hào)b(n，k)采用交疊相加的方法獲取整段磁異常信號(hào)b (n);以及步驟J，根據(jù)磁異常信號(hào)b(n)判斷磁性目標(biāo)是否存在。
[0008](三)有益效果
[0009]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明運(yùn)用多通道相干抑制地磁背景噪聲的磁異常探測(cè)方法具有以下有益效果:
[0010](I)探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的硬件，方法簡(jiǎn)便快捷、效率高；
[0011](2)能計(jì)算探測(cè)傳感器和參考傳感器處的轉(zhuǎn)移函數(shù)，可以獲得探測(cè)傳感器處的地磁背景噪聲，從而對(duì)目標(biāo)探測(cè)、定位及跟蹤提供數(shù)據(jù)支持；
[0012](3)顯著提高信噪比，大大增強(qiáng)系統(tǒng)探測(cè)的準(zhǔn)確度和可靠性；
[0013](4)采用多通道相干白適應(yīng)濾波可以使系統(tǒng)覆蓋范圍更廣，大大提高了探測(cè)效率。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)例運(yùn)用多通道相干抑制地磁背景噪聲的磁異常探測(cè)方法的流程圖；
[0015]圖2為圖1所示探測(cè)方法中兩磁場(chǎng)傳感器布置方位的示意圖；
[0016]圖3為探測(cè)磁場(chǎng)和參考磁場(chǎng)數(shù)據(jù)；
[0017]圖4為磁性目標(biāo)信號(hào)；
[0018]圖5為磁性目標(biāo)信號(hào)頻譜；
[0019]圖6為濾波后恢復(fù)的目標(biāo)信號(hào)。

【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪出或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0021]本發(fā)明利用地磁背景噪聲具有空間高度相關(guān)性的特性，濾除背景噪聲，對(duì)于未知的時(shí)變信號(hào)可以提供最優(yōu)的濾波效果。
[0022]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種運(yùn)用多通道相干抑制地磁背景噪聲的磁異常探測(cè)方法。圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)例運(yùn)用多通道相干抑制地磁背景噪聲的磁異常探測(cè)方法的流程圖。如圖1所示，本實(shí)例運(yùn)用多通道相干抑制地磁背景噪聲的磁異常探測(cè)方法包括:
[0023]步驟A，提供兩磁場(chǎng)傳感器，兩者的探測(cè)方向相同，其中之一的參考傳感器遠(yuǎn)離磁性探測(cè)目標(biāo)，其中另一的探測(cè)傳感器的探測(cè)范圍覆蓋磁性探測(cè)目標(biāo)所在區(qū)域；
[0024]圖2為圖1所示方法中兩磁場(chǎng)傳感器布置方位的示意圖。如圖2所示，要保證參考傳感器遠(yuǎn)離磁性探測(cè)目標(biāo)，則該參考傳感器與磁性目標(biāo)的距離應(yīng)根據(jù)擬探測(cè)目標(biāo)的信號(hào)大小確定，以保證目標(biāo)在參考傳感器處產(chǎn)生的信號(hào)的小于參考傳感器的自身噪聲，即傳感器只探測(cè)到地磁背景噪聲。其中，參考傳感器和探測(cè)傳感器處的磁背景噪聲具有線性關(guān)系。
[0025]步驟B，參考傳感器和探測(cè)傳感器同時(shí)進(jìn)行探測(cè)，得到探測(cè)信號(hào)yi (η)和y2 (η)；
[0026]參見(jiàn)圖2，鐵磁性目標(biāo)以lm/s的速度勻速經(jīng)過(guò)磁異常探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)傳感器，傳感器陣列同步記錄周圍磁場(chǎng)，但是參考傳感器探測(cè)目標(biāo)信號(hào)可以忽略，將采集到的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到去直流磁場(chǎng)，參見(jiàn)圖2。兩個(gè)傳感器的輸出表示如下:
[0027]Y1(n) = e (η)(I)
[0028]y2 (η) = b (η) +h (η) *e (η)(2)
[0029]其中η代表采樣序列，yi (η)和~⑷分別代表由參考傳感器和探測(cè)傳感器探測(cè)得到的信號(hào)。探測(cè)傳感器探測(cè)得到的信號(hào)y2(η)除了包含磁異常信號(hào)b(n)之外，還會(huì)包含地磁場(chǎng)背景噪聲，而參考傳感器探測(cè)得到的信號(hào)Y1 (η)中僅包含地磁場(chǎng)背景噪聲e (η)，如圖3所示。h(n)為地磁背景噪聲傳輸函數(shù)，表征探測(cè)傳感器和參考傳感器位置處的地磁背景噪聲的線性關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)磁異常信號(hào)的時(shí)域、頻域波形可參見(jiàn)圖3和圖4。
[0030]步驟C，利用窗函數(shù)(一般選擇漢寧窗)將信號(hào)yi(n)和~⑷截?cái)喾殖扇舾啥?，?yīng)用短時(shí)傅里葉變換，得到頻域信號(hào)表達(dá)如下:
[0031]Y1 ( ω，k) = E ( ω，k)(3)
[0032]Y2 (ω , k) = B (ω，k) +H (ω，k) E (ω，k) (4)
[0033]其中，k為數(shù)據(jù)窗口序數(shù)，ω代表信號(hào)頻率。
[0034]步驟D，計(jì)算探測(cè)信號(hào)yi (η)和乃⑷的互功率譜\,):(仏/0，以及71(11)的白功率譜、'山(俗人)為:
[0035]& (隊(duì)”0./0丫:(吠左)(5)
[0036].SV1J1 (ojJ) = Λ',,,,(ojJ) = y\ {(O^k)Y1 (ω,k)(6)
[0037]步驟E，根據(jù)式(5)和(6)求取空間兩測(cè)量地點(diǎn)的地磁背景噪聲轉(zhuǎn)移函數(shù):
[0038]((0,k) = S1,,.((Oj) + H ((VJ)S1.,.((Vj<)(7)
[0039]= H ( ω，k) See ( ω，k)(8)
[0040]二 //(ojJ)( 9)
[0041]通過(guò)(9)式可得轉(zhuǎn)移函數(shù):
[0042]

【權(quán)利要求】
1.一種運(yùn)用多通道相干抑制地磁背景噪聲的磁異常探測(cè)方法，其特征在于，包括:步驟A，提供兩磁場(chǎng)傳感器，兩者的探測(cè)方向相同，其中之一的參考傳感器遠(yuǎn)離磁性目標(biāo)，其中另一探測(cè)傳感器的探測(cè)范圍覆蓋磁性目標(biāo)所在區(qū)域； 步驟B，參考傳感器和探測(cè)傳感器同時(shí)進(jìn)行探測(cè)，分別得到信號(hào)71 (n) y2 (η)； 步驟C，利用窗函數(shù)將信號(hào)yi (η)和y2(n)截?cái)喾殖扇舾啥?，?yīng)用短時(shí)傅里葉變換，分別得到頻域信號(hào)Yi(?，k)和￥2(?，10，其中，1^為數(shù)據(jù)窗口序數(shù)，ω代表信號(hào)頻率。 步驟D，計(jì)算信號(hào)71(11)和乃⑷的互功率譜&以及yi(n)的白功率譜^r1Y1 (ω,眾)； 步驟Ε，利用互功率譜以及白功率譜Siw (叭0求取地磁背景噪聲轉(zhuǎn)移函數(shù)Η(ω, k)； 步驟F，利用轉(zhuǎn)移函數(shù)Η(ω，10求得探測(cè)傳感器處地磁背景噪聲Ετ(ω，10:
Et (ω , k) = H (ω，k) E (ω，k) 步驟G，從探測(cè)傳感器探測(cè)得到的信號(hào)Υ2(ω，k)減去地磁背景噪聲Ετ(ω，k)，從而獲得目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)B (ω，k):
B (ω , k) = Y2 (ω , k) -Et (ω , k)步驟H，對(duì)目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)Β(ω，k)利用逆傅里葉變換獲取分段的目標(biāo)時(shí)域信號(hào)b(n，k):
b(n, k) = F-1 (B (ω , k)) 步驟I，對(duì)分段的目標(biāo)時(shí)域信號(hào)b(n，k)采用交疊相加的方法獲取整段磁異常信號(hào)b(n)； 步驟J，根據(jù)磁異常信號(hào)b (η)判斷磁性目標(biāo)是否存在。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟B中由參考傳感器得到的探測(cè)信號(hào)乂工⑷和由探測(cè)傳感器得到的探測(cè)信號(hào)y2(n)分別為:
Yi (n) = e (η)
I2 (η) = b (n) +h (η) *e (η) 其中，η代表采樣序列，所述探測(cè)信號(hào)^ (η)包含磁異常信號(hào)b(n)和地磁場(chǎng)背景噪聲e (η)，所述探測(cè)信號(hào)yi (η)僅包含地磁場(chǎng)背景噪聲e (n)，h (η)為地磁背景噪聲傳輸函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟C中頻域信號(hào)Y1(ω，k)和Y2 (ω，k)分別表示為:
Y1 (ω，k) = E (ω , k)
Y2 (ω , k) = B (ω , k) +H (ω , k) E (ω , k) ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟D中，按照下式來(lái)計(jì)算yi(n)和Y2 (η)的互功率譜^^(￡?，^:)，以及yi(n)的白功率譜*V1O^):
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟E中，按照下式來(lái)計(jì)算地磁背景噪聲轉(zhuǎn)移函數(shù):"M)織。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述步驟C中的窗函數(shù)為漢明窗、矩形窗、三角窗、海明窗或高斯窗。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述參考傳感器所處的位置滿足:磁性探 測(cè)目標(biāo)在該位置所產(chǎn)生的信號(hào)小于該參考傳感器的自身噪聲。
【文檔編號(hào)】G01V3/38GK104076404SQ201410312950
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】許鑫, 劉敦歌, 黃玲, 朱萬(wàn)華, 方廣有 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所