一种基于小波域熵滤波的磁异常检测方法和系统

本发明涉及磁性异常目标探测领域，特别涉及一种基于小波域熵滤波的磁异常检测方法。

背景技术：

1、磁异常探测是指应用磁强计进行磁场数据采集，进行磁场信号处理，分辨出是否有磁异常信号存在，从而判断是否存在磁性目标。磁异常探测广泛应用在地球资源勘探、陆地或海底的磁性目标探测领域。其原理是铁磁性目标受地磁场磁化产生静磁场反过来改变地磁场的分布，通过测量磁场信号异常实现对目标的探测。常见的用于检测磁异常的磁强计主要有光泵磁力仪、磁通门磁强计、质子磁力仪、超导量子干涉仪和磁电传感器等。

2、常见的磁异常检测方法根据原理不同主要分为两大类，一种是根据目标信号特征的检测方法，比较有代表性的就是标准正交基函数检测方法。另一种是根据噪声统计特征的检测算法，如最小熵滤波方法、高阶过零检测方法及随机共振检测方法等。

3、最经典的标准正交基函数检测方法假设目标沿着直线运动且目标检测的特征时间已知，受限检测条件较多，适用性差，且计算量大耗时长，实时检测困难。最小熵滤波检测方法不需要目标先验信息，且计算量小，但是传统的最小熵滤波检测方法是基于地磁噪声是高斯噪声假设，但是实际地磁噪声通常是有色噪声，导致最小熵滤波检测方法在实际应用时性能下降。且传统的最小熵滤波检测方法在信噪比较低的时候性能也会下降。

技术实现思路

1、为了针对传统最小熵滤波检测方法存在的非高斯噪声背景及信噪比低情况下检测性能下降的问题，本发明的目的是提出一种基于小波域熵滤波的磁异常检测方法，该检测方法首先采用平稳小波变换分解将有色噪声进行预高斯化处理，然后对高斯化后的磁场信号求取熵值，进而实现对磁异常目标的检测。

2、为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种基于小波域熵滤波的磁异常检测方法，包括：

4、采集磁场数据，所述磁场数据的背景噪声为非高斯分布的有色噪声；

5、将磁场数据进行j层平稳小波变换分解，提取第j层小波分解的低频分量作为高斯化后的磁场数据；

6、计算高斯化后的磁场数据的信息熵值，若信息熵值低于阈值，则该磁场数据内含磁异常信号，否则该磁场数据内不含磁异常信号。

7、进一步地，所述的j层平稳小波变换分解的公式如下：

8、

9、其中，lj(n)为第j层低通滤波器，aj)n)为第j层低频分量序列，b(n)为含有色噪声的磁场数据。

10、进一步地，3≤j≤5，优选j＝3。

11、进一步地，所述的计算高斯化后的磁场数据的信息熵值，包括：

12、计算第j层低频分量序列的均值和方差；

13、根据均值和方差计算概率密度函数和概率；

14、根据概率，计算第j层低频分量序列的信息熵值，即高斯化后的磁场数据的信息熵值。

15、进一步地，计算第j层低频分量序列的信息熵时，磁异常检测的滑动窗口的长度为l，步长为1，滑动窗口内的信息熵值为：

16、

17、其中，e(i)为第i个滑动窗口内的信息熵值，aj(n)为高斯化后的磁场数据，p(aj(n))表示高斯化后的磁场数据的概率值，n为磁场数据的长度。

18、进一步地，当任一个滑动窗口内的信息熵值低于阈值，则含磁异常信号，否则不含磁异常信号。

19、第二方面，本发明提供了一种基于小波域熵滤波的磁异常检测系统，用于实现上述方法。

20、本发明的有益效果是：

21、本发明提供的方法中，平稳小波变换分解可以有效将背景有色噪声高斯化，其次，信息熵值表示信号的有序程度，信号越有序其熵值越小，反之信号越无序其熵值越大，噪声的熵值大于磁异常信号的熵值，故有磁异常信号出现时，熵值会减小，因此可以实现对目标磁异常的检测，且本发明可改善传统最小熵检测算法在检测非高斯有色噪声条件下检测效果下降和在信号信噪比较低的情况下检测效果下降的问题。

技术特征：

1.一种基于小波域熵滤波的磁异常检测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于小波域熵滤波的磁异常检测方法，其特征在于，所述的j层平稳小波变换分解的公式如下：

3.根据权利要求1或2所述的基于小波域熵滤波的磁异常检测方法，其特征在于，3≤j≤5。

4.根据权利要求1所述的基于小波域熵滤波的磁异常检测方法，其特征在于，所述的计算高斯化后的磁场数据的信息熵值，包括：

5.根据权利要求4所述的基于小波域熵滤波的磁异常检测方法，其特征在于，计算第j层低频分量序列的信息熵时，磁异常检测的滑动窗口的长度为l，步长为1，滑动窗口内的信息熵值为：

6.根据权利要求5所述的基于小波域熵滤波的磁异常检测方法，其特征在于，当任一个滑动窗口内的信息熵值低于阈值，则含磁异常信号，否则不含磁异常信号。

7.一种基于小波域熵滤波的磁异常检测系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的基于小波域熵滤波的磁异常检测系统，其特征在于，所述的数据预处理模块中的j层平稳小波变换分解的公式如下：

9.根据权利要求7所述的基于小波域熵滤波的磁异常检测系统，其特征在于，所述的磁异常信号检测模块包括：

10.根据权利要求9所述的基于小波域熵滤波的磁异常检测系统，其特征在于，所述的信息熵值计算单元的公式如下：

技术总结
本发明公开了一种基于小波域熵滤波的磁异常检测方法，涉及磁性异常目标探测领域，包括以下步骤：采集磁场数据，所述磁场数据的背景噪声为非高斯分布的有色噪声；将磁场数据进行J层平稳小波变换分解，提取第J层小波分解的低频分量作为高斯化后的磁场数据；计算高斯化后的磁场数据的信息熵值，若信息熵值低于阈值，则该磁场数据内含磁异常信号，否则该磁场数据内不含磁异常信号。本发明改善了原始的最小熵滤波检测算法在信号低信噪比以及在非高斯噪声时检测效果下降的问题。

技术研发人员：张登伟,田浩楠,冀翔
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4