磁异常信号检测方法与流程

本发明涉及地球物理学
技术领域：
，尤其涉及一种基于目标体抛物线轨迹的正交基函数(OrthonormalBasisFunction，OBF)的磁异常信号检测方法。
背景技术：
：磁异常检测(MagneticAbnormalDetection，MAD)若干年来一直用于检测磁体目标，这使得MAD对于检测隐藏目标而且变得有吸引力。MAD通常应用于搜索系统，以例如进行水下检测，失事船只检测、矿井检测、掩埋检测等，以及警报系统，以例如进行入侵者检测，虚拟防护(基础设施保护)、防问控制(乘客访问控制、进入点监控)，医疗应用、工业控制、地球物理-EQ预测等。MAD方法通常分为两种，一种为基于目标的检测方法，另一种为基于噪声的检测方法。在基于目标的检测方法中，现有技术假设磁目标相对于磁传感器的轨迹是沿直线运动的，磁目标产生磁场B。对该磁场B进行建模，并分解为一组正交基函数。然后通过将实际检测信号与正交基函数进行匹配滤波，来检测磁目标的存在。磁传感器测量到的净磁场包括目标磁感应场、地球磁场和磁噪声。这种磁噪声包括仪器震动噪声、地磁波动(地磁场的变化)、运动引入的噪声以及浪涌引入的噪声，从而造成实际检测数据低信噪比的情况，即信号淹没在噪声当中。低信噪比通常会限制工程检测异常目标的发现，是一个难克服的问题。针对直线轨迹低信噪比下的磁信号检测问题，有些学者提出了基于直线轨迹正交基分解的方法，但其局限性在于只能检测直线轨迹的磁异常信号。因此需要一种显著提升信噪比，可以在-15dB白噪声的低信噪比下检测到磁异常信号的检测方法。技术实现要素：(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于抛物线轨迹的正交基磁异常信号检测方法，可以在-15dB白噪声的低信噪比下检测到磁异常信号，从而显著提升信噪比，(二)技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种磁异常信号检测方法，包括：构建相对于三轴磁传感器沿抛物线轨迹运动的目标体产生的磁异常信号的模型；将所述磁异常信号的模型分解为一组正交基函数；基于所述一组正交基函数，对检测信号进行匹配滤波，以得到检测信号的能量信号；以及根据检测信号的能量信号，检测磁异常信号的存在。优选地，将所述磁异常信号的模型分解为一组正交基包括：对所述磁异常信号的模型执行离散化处理，以得到所述磁异常信号的离散模型；根据所述离散模型，获得一组线性独立基函数；计算所述一组线性独立基函数的朗斯基行列式；以及使用格拉姆-施密特正交化方法对所述朗斯基行列式进行正交归一化，以获得所述一组正交基函数。优选地，对检测信号进行匹配滤波包括：基于所述一组正交基函数，获得一组匹配滤波函数，并对所述一组匹配滤波函数进行反转；将检测信号与反转后的一组匹配滤波函数进行卷积；以及对卷积结果求平方，以得到检测信号的能量信号。优选地，所述磁异常信号的模型为：并且u0为空气中的磁导率，m为目标体的磁力矩，v0为目标体水平方向的初始速度，a为目标体垂直方向的加速度，以及优选地，令u＝at/v0，w＝v02/a，λ＝a/v0，所述离散模型为：B→(n)=u04π-mxw-3myw2λn-mx(w-12w2)(λn)2+3myw2(λn)3w5(1+(λn)2)512myw-6mxw2λn-w(λn)2+6mxw2(λn)3+32myw(λn)4w5(1+(λn)2)5-mzw-mzw(λn)2w5(1+(λn)2)5]]>其中，w和u分别为抛物线轨迹的曲率。优选地，所述一组线性独立基函数为：Φ1(u)=1(u2+1)5Φ2(u)=u(u2+1)5Φ3(u)=u2(u2+1)5Φ4(u)=u3(u2+1)5Φ5(u)=u4(u2+1)5.]]>优选地，所述朗斯基行列式为：Φ1Φ2Φ3Φ4Φ5dΦ1dudΦ1dudΦ1dudΦ1dudΦ1dud2Φ1du2d2Φ2du2d2Φ3du2d2Φ4du2d2Φ5du2d3Φ1du3d3Φ2du3d3Φ3du3d3Φ4du3d3Φ5du3d4Φ1du4d4Φ2du4d4Φ3du4d4Φ4du4d4Φ5du4=288(u2+1)25≠0.]]>优选地，所述一组正交基函数为：g1(u)=6553612155π1(u2+1)5g2(u)=65536715πu(u2+1)5g3(u)=278528429π(u2(u2+1)5-117(u2+1)5)g4(u)=8192033π(u3(u2+1)5-15u(u2+1)5)g5(u)=166403π(u4(u2+1)5+165(u2+1)5-613u2(u2+1)5).]]>优选地，所述一组匹配滤波器函数为：g1(n)=6553612155π1(λ2n2+1)5g2(n)=65536715πλn(λ2n2+1)5g3(n)=278528429π(λ2n2(λ2n2+1)5-117(λ2n2+1)5)g4(n)=8192033π(λ3n3(λ2n2+1)5-15λn(λ2n2+1)5)g5(n)=166403π(λ4n4(λ2n2+1)5-613λ2n2(λ2n2+1)5+165(λ2n2+1)5).]]>优选地，检测磁异常信号的存在包括：如果检测信号的能量信号中的峰值大于预定阈值，则判断存在目标体，其中，所述预定阈值为能量信号的总能量的90％。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明抛物线轨迹正交基磁异常信号检测方法具有以下有益效果：(1)根据所建立的沿抛物线轨迹的磁偶极子的磁感应强度表达式得到抛物线轨迹下的匹配滤波函数；以及(2)相比于其他的磁异常信号检测方法，显著提升信噪比，可以在-15dB白噪声的低信噪比下检测到磁异常信号。附图说明图1示出了目标体相对于磁传感器沿抛物线轨迹运动的示意图；图2是根据本发明第一示例实施例的基于抛物线轨迹的正交基磁异常信号检测方法的流程图；图3是根据本发明第二示例实施例的基于抛物线轨迹的正交基磁异常信号检测方法的流程图；图4是根据本发明第三示例实施例的基于抛物线轨迹的正交基磁异常信号检测方法的流程图；图5示出了未受噪声干扰的磁异常信号的时域图；图6示出了受噪声干扰信号的磁异常信号的时域图；图7示出了根据本发明实施例的基于抛物线轨迹的正交基磁异常信号检测方法的检测结果。具体实施方式本发明提出了一种基于抛物线轨迹的正交基磁异常信号检测方法，对抛物线轨迹运动的磁异常目标的磁信号进行建模，获得一组匹配滤波函数，以对检测到的信号进行匹配滤波，而后求平方和得到信号检测结果，从而显著提升信噪比。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。图1示出了目标体相对于磁传感器沿抛物线轨迹运动的示意图；图2是根据本发明第一示例实施例的基于抛物线轨迹的正交基磁异常信号检测方法的流程图。如图1所示，考虑磁信号检测系统包括三轴磁传感器，磁传感器可以是但不限于，磁通门磁力仪，线圈，光泵磁力计等能够测量磁场数据的仪器。磁目标产生磁场在磁传感器与磁目标之间的最近距离R0超过磁目标最大尺寸的情况下，通常认为磁场由点磁偶极子产生。这里假定磁目标相对于磁传感器沿抛物线轨迹(如图1中的虚线所示)运动。在图1中，M为磁目标的磁矩(三个方向的分量分别为Mx，My和Mz)，a为磁目标垂直运动方向的加速度，v为磁目标水平运动方向的速度。参照图2，根据本发明第一实施例的基于抛物线轨迹的正交基的磁异常信号检测方法200包括：在步骤201，构建相对于三轴磁传感器沿抛物线轨迹运动的磁目标产生的磁异常信号的模型，即构建沿抛物线轨迹运动的磁偶极子的磁感应强度的表达式；在步骤202，将磁异常信号的模型分解为一组正交基函数；在步骤203，基于所述一组正交基函数，对检测信号进行匹配滤波，以得到检测信号的能量信号；以及在步骤204，根据检测信号的能量信号，检测磁异常信号的存在。图3是根据本发明第二示例实施例的基于抛物线轨迹的正交基磁异常信号检测方法的流程图。如图3所示，图2中的步骤202包括：在步骤2021，对磁异常信号的模型执行离散化处理，以得到所述磁异常信号的离散模型；在步骤2022，根据离散模型，获得一组线性独立基函数；在步骤2023，计算该一组线性独立基函数的朗斯基行列式；以及在步骤2024，使用格拉姆-施密特正交化方法对朗斯基行列式进行正交归一化，以获得一组正交基函数。另外，图2中的步骤203包括：在步骤2031，基于该组正交基函数，获得一组匹配滤波函数，并对该组一组匹配滤波函数进行反转；在步骤2032，将检测信号与反转后的一组匹配滤波函数进行卷积；以及在步骤2033，对卷积结果求平方，以得到检测信号的能量信号。在本发明实施例中，通过对抛物线轨迹运动的磁异常目标的磁信号进行建模，获得一组匹配滤波函数以对检测到的信号进行匹配滤波，而后求平方和得到信号检测结果，从而显著提升信噪比。下面参照图4，对根据本发明第三示例实施例的基于抛物线轨迹的正交基磁异常信号检测方法的流程图进行详细描述。假设磁目标沿着如图1中虚线所示的抛物线轨迹运动，磁传感器位于抛物线焦点的位置。首先，磁目标产生的磁异常信号的模型可以表示为：B→(t)=u04π[3*(mxv0t+myq)*(v0t,q,0)p5-(mxp,myp,mzp)p5]---(1)]]>其中，u0为空气中的磁导率，m为磁目标的磁力矩，v0为磁目标水平方向的初始速度，a为磁目标垂直方向的加速度，以及接着，令u＝at/v0，w＝v02/a得到：B→(t)=u04π-mxw-3myw2u-mx(w-12w2)u2+3myw2u3w5(1+u2)512myw-6mxw2u-wu2+6mxw2u3+32mywu4w5(1+u2)5-mzw-mzwu2w5(1+u2)5---(2)]]>接着，对于公式(2)中的磁异常信号模型将其进行离散化处理得到B→(n)=u04π-mxw-3myw2λn-mx(w-12w2)(λn)2+3myw2(λn)3w5(1+(λn)2)512myw-6mxw2λn-w(λn)2+6mxw2(λn)3+32myw(λn)4w5(1+(λn)2)5-mzw-mzw(λn)2w5(1+(λn)2)5---(3)]]>其中，λ＝a/v0，w和u分别为抛物线轨迹的曲率。接着，由于公式(3)中最高次项是n的四次方项，并且按其幂次递减，因此得到5个线性独立基函数：Φ1(u)=1(u2+1)5Φ2(u)=u(u2+1)5Φ3(u)=u2(u2+1)5Φ4(u)=u3(u2+1)5Φ5(u)=u4(u2+1)5---(4)]]>接着，计算5个线性独立基函数的朗斯基行列式，计算得到的朗斯基行列式为：Φ1Φ2Φ3Φ4Φ5dΦ1dudΦ1dudΦ1dudΦ1dudΦ1dud2Φ1du2d2Φ2du2d2Φ3du2d2Φ4du2d2Φ5du2d3Φ1du3d3Φ2du3d3Φ3du3d3Φ4du3d3Φ5du3d4Φ1du4d4Φ2du4d4Φ3du4d4Φ4du4d4Φ5du4=288(u2+1)25≠0---(5)]]>使用格拉姆-施密特正交化方法对公式(5)进行正交归一化，以得到一组正交基函数为：g1(u)=6553612155π1(u2+1)5g2(u)=65536715πu(u2+1)5g3(u)=278528429π(u2(u2+1)5-117(u2+1)5)g4(u)=8192033π(u3(u2+1)5-15u(u2+1)5)g5(u)=166403π(u4(u2+1)5+165(u2+1)5-613u2(u2+1)5)---(6)]]>接着，令u2＝λ2n2，并代入公式(6)中的，以获得匹配滤波函数：g1(n)=6553612155π1(λ2n2+1)5g2(n)=65536715πλn(λ2n2+1)5g3(n)=278528429π(λ2n2(λ2n2+1)5-117(λ2n2+1)5)g4(n)=8192033π(λ3n3(λ2n2+1)5-15λn(λ2n2+1)5)g5(n)=166403π(λ4n4(λ2n2+1)5-613λ2n2(λ2n2+1)5+165(λ2n2+1)5)---(7)]]>不同于其他类型的匹配滤波函数，该匹配滤波函数更符合磁性目标探测实际应用，因此，利用该匹配滤波函数对磁异常信号进行匹配滤波时噪声抑制效果好，信噪比显著提高。接着，将匹配滤波函数进行反转，并将检测信号x(n)与反转后的匹配滤波函数gi(-n)，i＝1，2，3，4，5作卷积(即，对检测信号进行匹配滤波)，得出卷积结果hi(n)，i＝1，2，3，4，5。接着，卷积结果hi(n)，i＝1，2，3，4，5求平方和，得到检测信号能量：E(n)=Σi=15hi2(n)---(8)]]>最后，利用E(n)检测磁异常目标是否存在。具体地，如果检测信号的能量信号中的峰值大于预定阈值，则判断存在磁异常目标。在示例实施例中，预定阈值为能量信号的总能量的90％。为了便于比较，图5示出了未受噪声干扰的磁异常信号的时域图；图6示出了受噪声干扰信号的磁异常信号的时域图；以及图7示出了根据本发明实施例的基于抛物线轨迹的正交基磁异常信号检测方法的检测结果。参照图7，采用本实施例的方法，相比于其他的磁异常信号检测方法，可以显著提升信噪比，能够在-15dB白噪声低信噪比下检测到磁异常信号。至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明运用抛物线轨迹磁异常探测方法有了清楚的认识。综上所述，本发明利用磁异常目标等效为磁偶极子的抛物线轨迹进行建模，求得了抛物线轨迹下磁异常信号的模型，并在正交基分解的基础上得到匹配滤波函数，利用该匹配滤波函数对磁异常信号进行匹配滤波，而后求平方和得到信号检测结果，可以显著提升信噪比，同时具有稳定性好的优点。本发明非常适合工程的普遍应用，并且对于其他噪声消除技术具有良好的借鉴性。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，以上所述仅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围之内。当前第1页1 2 3