一种用于探测非周期微弱信号源的积累检测方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于探测非周期微弱信号源的积累检测方法，其包括：1.利用4个采集装置建立用于采集非周期微弱信号的4个相同的采集通道；2.利用4个采集通道同时采集非周期微弱信号并将其分别转换为电信号；3.对转换成的4组电信号分别进行滤波、放大和模数转换处理，形成4组数字信号；4.将在一定时间采集并处理后的每组数字信号采用等时长方式进行分段和存储；5.计算2组相应分段数字信号之间的时差估计序列，从而得到多个时差估计序列；6.对所述多个时差估计序列进行积累处理和提取时差信息估计值；7.根据时差定位原理计算得到非周期微弱信号源的空间三维坐标，实现对其的探测定位。
【专利说明】-种用于探测非周期微弱信号源的积累检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信号处理方法研究领域，特别涉及一种用于探测非周期微弱信号源的 积累检测方法。
【背景技术】
[0002] 微弱信号通常是指深埋在背景噪声中极其微弱的有用信号，这里的微弱主要表示 有用信号能量因相对于背景噪声能量较小而淹没在背景噪声中。微弱信号检测已广泛应用 于通信工程、电子对抗、生物医学、地震勘探以及故障诊断等领域。
[0003]目前常用的微弱信号检测方法主要有小波去噪法、自适应数字滤波法、傅里叶频 域变换法等，这些方法所能达到的最低检测信噪比大约在-10dB左右，但在现场检测时常 常会出现更低信噪比的微弱信号，此时这些检测方法就无法检测到这些更低信噪比的微弱 信号。
[0004] 为进一步提高微弱信号的检测能力，一种比较常用的有效方法就是利用积累技术 来增大有用信号的能量，即通过多次观测、长时间积累来有效增加有用信号的时间增益，从 而实现微弱信号的检测。积累检测技术主要利用有用信号的周期相关性和噪声信号的随机 性来实现有用信号的能量增强、噪声信号的能量减弱，从而提高有用信号的信噪比，实现微 弱信号检测。这种积累检测方法在雷达探测、声呐探测以及天文观测等领域已得到了广泛 应用，大大拓展了检测系统对微弱信号源的探测距离。但根据积累检测的实现原理，该积累 检测方法主要适用于周期性或准周期性微弱信号，对于非周期信号往往并不适用。
[0005] 而在实际的工程应用领域，往往还需要对大量的非周期信号进行检测，尤其是对 噪声背景中的非周期微弱信号进行检测，如局部放电脉冲信号、激光脉冲信号、超声脉冲回 波信号等。
[0006] 因此，迫切需要一种能用于探测非周期微弱信号的积累检测方法。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种能够用于探测非周期微弱信号源的积累检测方法，以实 现低信噪比下非周期微弱信号源的探测定位。
[0008] 为此，本发明提供了一种用于探测非周期微弱信号源的积累检测方法，其包括：
[0009] 第一步：利用4个具有相同结构的采集装置建立用于采集非周期微弱信号的4个 相同的采集通道，其中一个采集通道用作为参考采集通道，其它3个采集通道分别与该参 考采集通道组合成双采集通道，从而形成3组双采集通道；
[0010] 第二步：利用这3组双采集通道同时采集非周期微弱信号，从而共采集4组非周期 微弱信号，并将这4组非周期微弱信号分别转换为电信号；
[0011] 第三步：对转换成的4组电信号分别进行滤波、放大和模数转换处理，形成4组数 字信号；
[0012] 第四步：将在一定时间采集并处理后的每组数字信号采用等时长方式进行分段和 存储；
[0013] 第五步：使用广义互相关时延估计法来计算通过每组双采集通道采集后的2组相 应分段数字信号之间的时差估计序列，从而得到多个时差估计序列；
[0014] 第六步：对所述多个时差估计序列进行积累处理和提取时差信息估计值；
[0015] 第七步：结合所得的3个时差信息估计结果和所述4个采集装置的位置坐标，根据 时差定位原理计算得到非周期微弱信号源的空间三维坐标，实现对其的探测定位。
[0016] 本发明的有益效果是：通过将非周期微弱信号转换为具有周期特征的时差估计序 列进行积累检测，从而解决了非周期微弱信号的长时间积累检测问题，可以有效提高测试 系统对非周期微弱信号源的探测能力，有利于在复杂背景噪声干扰下或远距离测试条件下 实现对非周期微弱信号源的探测。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是利用4个采集装置建立4组双采集通道对非周期微弱信号进行采集和处理 的原理框图；
[0018] 图2是利用双采集通道对非周期微弱信号进行采集和处理的原理框图；
[0019] 图3是低信噪比条件下利用两个采集装置得到的双通道时域波形；
[0020] 图4是基于互相关对图3中所示数据进行时差估计的结果；
[0021] 图5是低信噪比条件下利用互相关积累进行时差估计的结果；
[0022] 其中：1_第一采集装置；2-第二采集装置；3-第三采集装置；4-第四采集装置； 5-带通滤波器；6-低噪声放大器；7-模数转换器；8-互相关估计模块；9-时差信息积累与 提取模块；10-时差定位处理模块；11-信号源；12-非周期微弱信号；13-第一采集装置采 集的实测信号；14-第二采集装置采集的实测信号。
【具体实施方式】
[0023] 正如【背景技术】中所介绍的，非周期微弱信号的信噪比比较低，甚至出现有用信号 被完全淹没在背景噪声中的现象，无法直接利用长时间的积累检测提高非周期微弱信号的 信噪比。本申请的发明人设计了一种使用双采集装置方式采集2组非周期微弱信号，根据 时差估计理论，当信号源、第一采集装置和第二采集装置之间的位置相对固定时，信号源到 第一采集装置和到第二采集装置之间的光程差就可以看作是固定不变的，这时通过双采集 装置得到的2组非周期微弱信号之间的时差信息就是固定不变的，且该时差信息在不同的 测试时间段具有可重复性，即有周期特征，从而将非周期微弱信号转换为具有稳定周期特 征的时差估计序列并进行积累，实现了对信号源的定位。
[0024] 为使本
【发明内容】
更加清楚易懂，以下结合说明书附图1-5,对本发明作进一步说 明。图1是利用4个采集装置建立4组双采集通道对非周期微弱信号进行采集和处理的原 理框图，图2是利用双采集通道对非周期微弱信号进行采集和处理的原理框图。图3是低 信噪比条件下利用两个采集装置得到的双通道时域波形图；图4是基于互相关对图3中所 示数据进行时差估计结果的示意图；图5是低信噪比条件下利用互相关积累进行时差估计 结果的示意图。
[0025] 本发明的用于探测非周期微弱信号源的积累检测方法的步骤如下：
[0026] 第一步：利用4个具有相同结构的采集装置建立用于采集非周期微弱信号的4个 相同的采集通道，其中一个采集通道用作为参考采集通道，其它3个采集通道分别与该参 考采集通道组合成双采集通道，从而形成3组双采集通道。
[0027] 举例来说，对于非周期信号为电磁波信号来说，利用4个具有相同结构的接收天 线作为采集装置，组成4元阵列的采集模式；对于非周期信号为声波信号来说，利用4个具 有相同结构的声压传感器作为采集装置，组成4元阵列的采集模式；其中第一采集装置为 共享的参考采集通道，第二采集装置、第三采集装置和第四采集装置分别和第一采集装置 组成双采集通道，从而建立了 3组双采集通道，其中第一采集装置作为参考采集通道而被 其它3个采集装置所共享，正如图1所示那样。
[0028] 第二步：利用这3组双采集通道同时采集非周期微弱信号，从而共采集4组非周期 微弱信号，并将这4组非周期微弱信号分别转换为电信号。
[0029] 在这里，电信号为电压信号。但本领域的技术人员都知道，也可以转换为电流信 号。
[0030] 这里需要再次说明一下，虽然这里称为3组双采集通道，但是在建立过程中为4个 相同的采集通道，其中一个采集通道为共享的参考采集通道，因此采集的非周期微弱信号 为4组。
[0031] 第三步：对转换成的4组电信号分别进行滤波、放大和模数转换处理，形成4组数 字信号。
[0032] 其中：滤波处理主要是将有用信号以外的噪声或干扰信号滤除掉。一般做法是采 用带通滤波器5进行带通滤波，频带范围可根据有用信号的先验知识来确定。
[0033] 放大处理是提高被测信号的信噪比。可以采用低噪声放大器6来执行。
[0034] 将模拟信号转换成数字信号以便于后续的进一步处理。可以采用模数转换器7来 执行。
[0035] 第四步：将在一定时间采集并处理后的每组数字信号采用等时长方式进行分段和 存储。
[0036] 例如，对Is时间的采集并处理后的每组数字信号数据以每隔0. 1ms进行一次分 段，共分成10000段数据，并存储。换句话说，采用等时长方式分段就是将一定时间内采集 的数据按照采集时间分段，如将每〇. lms采集的数据分成一段数据。通常都是按照数组形 式存储的。对在一定时间采集的信号数据进行等时长分段有利于提高后期数据处理的速 度。
[0037] 第五步：使用广义互相关时延估计法来计算通过每组双采集通道采集后的2组相 应分段数字信号之间的时差估计序列，从而得到多个时差估计序列。
[0038] 这里所使用的广义互相关时延估计法属于公知方法。计算时差信息的基本方法是 互相关时延估计法，可以参见《无线电定位理论与技术》的第184页到185页，国防工业出 版社，2011年出版，田孝华等著。利用该互相关时延估计法对每两组数据之间进行一次互相 关时延估计，会得到一个互相关函数，该函数就是一个时差估计序列，该序列中的最大值对 应的就是时差信息的估计值。
[0039] 广义互相关时延估计法就是在该互相关时延估计法的基础上进行改进而得到的， 目前关于广义互相关时延估计法的论著也有很多发表或出版，属于公知技术。
[0040] 举例来说，在第4步中将每组数字信号数据按相等的采集时间分成了 10000段数 据，则这里对经由每组双采集通道的2组分段数据，这2组分段数据对应的分别是来自双采 集通道的分段数据，每组有10000个分段数据，使用广义互相关时延估计法来计算这2组相 应分段数字信号之间的时差估计序列，可以相应地得到10000个时差估计序列。
[0041] 对于非周期微弱信号来说，其信噪比较低，甚至出现有用信号被完全淹没在背景 噪声中的现象，这样就无法获得准确的时差估计结果，比如由图3中的2组数据得到图4的 时差估计序列，从图4中可以看出，无法获得准确的时差估计结果。需要对该时差估计序列 进行进一步的处理。
[0042] 第六步：对所述多个时差估计序列进行积累处理和提取时差信息估计值。
[0043] 如上所述，对于信噪比较低的信号来说，从每一个时差估计序列提取时差信息值 可能都是不正确的，但由于是对2组的每段数字信号数据计算时差估计序列，从而得到了 多个时差估计序列，对该多个时差估计序列进行积累处理，具体说，进行累加后再求平均处 理，即先累加多个时差估计序列再除以累加的次数。以上面的具体例子继续进行说明，由于 得到了 10000个时差估计序列，对这10000个时差估计序列进行累加后求平均值，最终得到 1个累加平均后的时差估计序列。从这个最终时差估计序列中提取到的最大值作为时差信 息估计值。图5就是在对时差估计序列进行5000次积累处理的输出结果，从图5中可以看 出提取出的时差信息估计值得到了明显的凸现。由此可见，本步骤执行的积累处理有效提 高了低信噪比条件下微弱信号的时差信息估计值的精度。
[0044] 第七步：结合所得的3个时差信息估计结果和所述4个采集装置的位置坐标，根据 时差定位原理计算得到微弱信号源的空间三维坐标，实现对其的探测定位。
[0045] 这里所提到的时差定位原理是一种公知原理，可以参见例如教科书《空间电子侦 察定位原理》，国防工业出版社，2012年出版，郭福成等著，其第191页到198页描述了多平 台时差定位原理。因此说，根据时差定位原理计算得到微弱信号源的空间三维坐标来实现 对其的探测定位是一个成熟的、公知的定位方法，这里就不再赘述。所述3个时差信息估计 结果是因为对3组双采集通道的时差估计序列分别进行积累处理和提取的结果。
[0046] 虽然本发明已以具体实例进行了描述，但所述实施例仅为了便于说明而举例，并 非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下做进行的各种 修改和替换都涵盖在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种用于探测非周期微弱信号源的积累检测方法，其包括： 第一步：利用4个具有相同结构的采集装置建立用于采集非周期微弱信号的4个相同 的采集通道，其中一个采集通道用作为参考采集通道，其它3个采集通道分别与该参考采 集通道组合成双采集通道，从而形成3组双采集通道； 第二步：利用这3组双采集通道同时采集非周期微弱信号，从而共采集4组非周期微弱 信号，并将这4组非周期微弱信号分别转换为电信号； 第三步：对转换成的4组电信号分别进行滤波、放大和模数转换处理，形成4组数字信 号； 第四步：将在一定时间采集并处理后的每组数字信号采用等时长方式进行分段和存 储； 第五步：使用广义互相关时延估计法来计算通过每组双采集通道采集后的2组相应分 段数字信号之间的时差估计序列，从而得到多个时差估计序列； 第六步：对所述多个时差估计序列进行积累处理和提取时差信息估计值； 第七步：结合所得的3个时差信息估计结果和所述4个采集装置的位置坐标，根据时差 定位原理计算得到非周期微弱信号源的空间三维坐标，实现对其的探测定位。
2. 根据权利要求1所述的积累检测方法，其中所述采集装置是接收天线或者声压传感 器。
3. 根据权利要求1所述的积累检测方法，其中所述电信号是电压信号。
4. 根据权利要求1所述的积累检测方法，其中所述滤波处理是采用带通滤波器进行带 通滤波。
5. 根据权利要求1所述的积累检测方法，其中在第四步中，所述一定时间为1秒。
6. 根据权利要求1所述的积累检测方法，其中在第六步中，所述积累处理就是先对多 个时差估计序列进行累加，然后再求平均处理。
7. 根据权利要求1所述的积累检测方法，其中在第六步中，所述提取时差信息估计值 就是从经积累处理后得到的时差估计序列中提取最大值。
【文档编号】H03K5/19GK104143970SQ201410369241
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】刘卫东, 刘尚合, 胡小锋, 魏明, 樊高辉, 张悦, 王雷 申请人:中国人民解放军军械工程学院