专利名称：一种信号端点的相位域检测方法
技术领域：
本发明涉及一种信号端点的检测方法，特别地涉及一种地震勘探数据处理 与解释、语音识别以及电子信号处理技术领域的信号端点检测方法。
背景技术：
地震数据采集过程中，由于地下岩层各向异性，在不同质点发生散射，以 及人为因素与自然条件中的风、雷、电等的影响，采集的地震数据中包含了很 强的随机噪声干扰，严重影响了地震数据分析与处理。另外，长期以来信号端 点的检测仅局限于在实数域中进行，并由此出现了一些相关的方法现有技术。 在对于信噪比高而且能清晰地确定信号时，这些现有技术的检测效果都较理想， 但面对低信噪比信号，就基本不适用了。也正是因为此，在地震数据处理中， 炸药震源初至波起跳点的拾取问题一直未得到很好解决。其中，直接在实数域 中检测信号端点的最大障碍仍是噪音。噪音往往会使信号端点变得模糊不清， 并且这种问题也一直困扰着在实数域中检测信号端点的诸多技术方法。在低信 噪比条件下准确地检测信号端点，是信号处理领域的技术瓶颈之一。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于在低信噪比条件下准确地检测信号端点， 进而根据检测信号的端点(波峰点、波谷点和零点)分析信号的起跳时间、振幅、相位和频率等。
本发明的具体技术方案如下
一种信号端点的相位域检测方法，根据获得的对信号测量所得到的数据， 对信号数据进行希尔伯特变换计算分析，得到所述信号的余弦和正弦相位函数， 分别设置所述的信号波峰点的余弦相位函数值等于1、信号波谷点的余弦相位函 数值等于-1、信号正零点的正弦相位函数值等于1、信号负零点的正弦相位函数 值等于-1，其中，约定由正值到负值穿过的零点为正零点，由负值到正值穿过 的零点为负零点，由信号道的相位函数来表达和确定信号的四个信号端点，并 计算检测信号的端点。
所述的对信号数据进行计算包括以下步骤 (1 )根据希尔伯特变换公式定义以时间为参数的包含信号道函数X(t)的希尔
柳=— —
伯特变换式h(t)，其中， <formula>formula see original document page 5</formula> r为时间，x(t)为实函数，
表示巻积；
(2 )再设关于所述信号道函数x (t)和希尔伯特变换式h (t)的复函数c (t),其 中，<formula>formula see original document page 5</formula>j为虚系数；
(3)并根据所述(1)、 (2)可得到关于所述信号道函数x(t)和希尔伯特变换 式h(t)的瞬时包络a(t)和瞬时相位 ，其中，。W = Vx (0 + A W ，<formula>formula see original document page 5</formula>
(4)由步骤(3)可得，相位函数.<formula>formula see original document page 5</formula>根据所述的相位函数-
cos卿-
sin (9(0:
与振幅无关，且相位函数的数值范围均为,故，设^^ = 1为信号波峰点、 COS"0 = -1为信号波谷点、sin(9(0"为信号正零点、sin(9(/) = -1为信号负零点。
约定，由正值到负值穿过的零点为正零点，由负值到正值穿过的零点为负零点。 本发明的技术方案的原理进一步可以解释如下
首先是用公知技术的希尔伯特变换分解信号，设某一信号道柳的希尔伯特
变换定义为:
… 1 pw x(f)」 ，、
丄 7Tf
(1)
雄)称为;c(/)的希尔伯特变换，,为时间，"*"表示巻积(褶积)。 设一复函数c(,) = ;cW + yA(0 (2)
则瞬时包络 瞬时相位为
相位函数为
a(042(f) + A20)
6(0 = arccos
、W、
=arcsm
,豐、
sin,=
"(,) 里
。W
(3)
(4)
(5)然后，利用信号端点的相位域检测，根据相位函数与振幅无关，其数值范围均
为[-l, l]的特点。提出
COS0(/)= 1 x(f)波峰点
cosP(,) = —1义(/)波谷点 (6)
sin6>0)= 1 jc(O正零点 sin"(0 = —1义")负零点
这里约定，由正值到负值穿过的零点为正零点，反之为负零点。
如图l所示，我们发现，相位函数能够准确表达和确定信号的四个端点(波
峰点、波谷点、正零点和负零点)。相比之下，作为实函数的信号道函数^)的
信号振幅大小具有明显的不确定性，导致不易确定某一极值点就是信号的波峰
点或;皮谷点。
直接在信号道函数^)中检测信号端点的最大障碍是噪音。噪音会造成假波 峰(谷)现象，使信号端点变得模糊不清，这种现象困扰着在实函数中检测信
号端点的诸多算法，但是，相位函数却可轻松应对。如图2所示，噪音也会在 相位函数c。s^)中有所表现，当信噪比大于1时，它达不到波峰点或波谷点 (cos, = ±l )
长期以来，炸药震源初至波信号起跳点的拾取问题一直未得到很好解决， 原因在于起跳点通常被噪音隐没，直接拾取起跳点往往是行不通的。炸药震源 初至波起跳点与初至波峰点之间的时间差是初至波信号的3/4周期。因此，运用 本项技术求取初至波的周期是估算起跳点的关4走。
如图3所示，由于^)丄^)、 cos,丄si,,相位差为90。，时间差则是1/4 周期。在获得初至波信号波峰点(c。s^)-l )的位置后，再沿时间轴方向搜索正 零点(sin^)=l),两点之间的时差Ar为初至波的l"周期。
如图4所示，从co"(0的波峰点后移(逆时间轴方向移动)3Ar，或者sin外)的正零点后移4Ar，就是估算的炸药震源初至波信号起跳点。
在图4中估算的起跳点与视起跳点是吻合的。但在图5中却出现另一种情
况，估算的起跳点与视起跳点之间存在较大差异，很明显，这是噪音引起的，
噪音扰乱了人的视线。炸药震源初至波前的随机噪音通常会隐没起跳点，当干
扰严重时，初至波谷也不能幸免。
获得初至波信号周期和起跳点后，可从信号道中提取初至波信号，这有益
于分析初至波信号周期(频率)变化规律。如图6所示，图6是实际地震勘探 炮点记录的初至波信号起跳点图。图7是对图6自动提取的一个周期的初至波 信号图，图中可见，复杂地表对初至波信号周期(频率)的影响。
对震波端点的相位域检测，在确定初至波的端点时，通过将表示四个端点 的相位函数，约定由正值到负值穿过的零点为正零点，反之为负零点，其中的 正弦函数和余弦函数分别定义为正负1，以便实现明确检测端点的目的。进而实 现检测震波的目的。
在实际应用本发明的方法进行信号端点的检测时，并不局限仅应用于以 Windows2000/XP为操作系统、且利用Borland C++Builder 6等编程语言而实现 本发明所述的方法。即，本发明提供的只是对信号端点的相位域检测方法，与 编程语言和操作系统无关。
综上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技 术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发 明所述的权利要求的保护范围。
权利要求
1一种信号端点的相位域检测方法，根据获得的对信号测量所得到的数据，对信号数据进行希尔伯特变换计算分析，得到所述信号的余弦和正弦相位函数；其特征在于，分别设置所述信号波峰点的余弦相位函数值等于1、信号波谷点的余弦相位函数值等于-1、信号正零点的正弦相位函数值等于1、信号负零点的正弦相位函数值等于-1；其中，约定由正值到负值穿过的零点为正零点，由负值到正值穿过的零点为负零点，由信号的相位函数来表达和确定信号的四个信号端点，并计算检测信号的端点；方法用于在低信噪比条件下准确地检测信号端点，进而根据检测信号的端点分析信号的起跳时间、振幅、相位和频率等。
2.根据权利要求1所述信号端点的相位域检测方法，其特征在于，所述的对信 号数据进行计算包括以下步骤(1) 根据希尔伯特变换公式定义以时间为参数的包含信号道函数x (t)的<formula>formula see original document page 0</formula>希尔伯特变换式h(t)，其中， t " j为时间，x(t)为实函数，"*"表示巻积；(2) 再设关于所述信号道函数x(t)和希尔伯特变换式h(t)的复函数 c(t),其中，cW = ^) + _/W)， j为虛系数；(3) 并根据所述(1)、 (2)可得到关于所述信号道函数x(t)和希尔伯特变换式h (t)的瞬时包络a (t)和瞬时相位,其中，<formula>formula see original document page 3</formula>(4)由步骤(3)可得，相位函数.<formula>formula see original document page 3</formula>
3.根据权利要求2所述的信号端点的相位域检测方法，其特征在于，根据所述柳的相位函数.<formula>formula see original document page 3</formula>与振幅无关，且相位函数的数值范围均为[-l， l]，设: 柳<formula>formula see original document page 3</formula>其中，约定由正值到负值穿过的零点为正零点，由负值sine(0 = —1 x(f)负零点到正值穿过的零点为负零点，
4.根据权利要求l所述信号端点的相位域检测方法，其特征在于，在检测信号 端点过程中噪音也会在相位函数中有所表现，当信噪比大于1时，噪音达不到 波峰点或波谷点。
全文摘要
本发明涉及对信号端点的检测方法。首先用希尔伯特变换分解信号道x(t)，获得其相位函数cosθ(t)和sinθ(t)；再根据相位函数与振幅无关，其数值范围均为[-1，1]的特点，提出cosθ(t)＝1为信号波峰点、cosθ(t)＝-1为信号波谷点、sinθ(t)＝1为信号正零点、sinθ(t)＝-1为信号负零点的信号端点的检测方法。信号道x(t)的相位函数能够准确表达和确定信号的四个端点波峰点、波谷点、正零点和负零点。本发明提供了一种简单实用且抗干扰能力较强的对信号端点的检测方法。
文档编号G01H17/00GK101598595SQ20081011464
公开日2009年12月9日 申请日期2008年6月5日 优先权日2008年6月5日
发明者刘志成, 孙开峰, 杨勤勇 申请人:中国石油化工股份有限公司;中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院