基于Power-Law检测器的磁性异常信号检测方法

专利名称：基于Power-Law检测器的磁性异常信号检测方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111542480.0

专利申请（专利权）人：中国人民解放军海军潜艇学院
权利人地址：山东省青岛市金水路1号

专利发明（设计）人：迟铖,王丹,于振涛,陶荣华,陈捷,程普,余路,秦锋

专利摘要：本发明公开了基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，涉及磁性目标检测领域，包括以下步骤：通过磁传感器采集目标磁场；构建磁偶极子模型，磁偶极子模型用于作为目标磁场模型提取磁偶极子场，经过离散傅里叶变换后，获取不存在磁异常信号的第一指数分布和存在磁异常信号的第二指数分布；根据第一指数分布和第二指数分布，获取对时域磁信号序列进行离散傅里叶变换后的数据点幅度的平方值；构建用于检测磁异常信号的Power‑Law检测器的表达式，根据平方值进行表达式变换，获取新的Power‑Law检测器，用于检测高斯磁背景噪声下的目标磁异常信号；本发明为磁性目标异常信号检测技术领域提供了新的技术思路。

主权利要求：
1.基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：通过磁传感器采集目标磁场，其中，所述目标磁场的背景磁场测量值在时域上为高斯白噪声，所述磁传感器距离目标的距离大于2.5倍的所述目标的特征长度；
构建磁偶极子模型，所述磁偶极子模型用于作为目标磁场模型提取磁偶极子场，经过离散傅里叶变换后，获取不存在磁异常信号的第一指数分布和存在所述磁异常信号的第二指数分布；
根据所述第一指数分布和所述第二指数分布，获取对时域磁信号序列进行离散傅里叶变换后的数据点幅度的平方值；
构建用于检测所述磁异常信号的Power‑Law检测器的表达式，根据所述平方值进行表达式变换，获取新的Power‑Law检测器，所述新的Power‑Law检测器用于检测高斯磁背景噪声下的目标磁异常信号。
2.根据权利要求1所述基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，其特征在于：在构建磁偶极子模型的过程中，所述磁偶极子模型为：‑
其中，m为目标的磁矩，r为目标到测量点的距离矢量，μ为磁导率，在空气中μ≈4π×107
Tm/A。
3.根据权利要求2所述基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，其特征在于：在获取第一指数分布的过程中，所述第一指数分布为：其中，N为DFT变换后的数据点数，μ(·)表示单位阶跃函数，Xk表示对时域磁信号序列x(t)进行DFT变换后的第k个数据点幅度的平方值。
4.根据权利要求3所述基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，其特征在于：在获取第二指数分布的过程中，所述第二指数分布为：其中，S表示目标磁异常信号所占的频带区域。
5.根据权利要求4所述基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，其特征在于：所述平方值的过程中，所述平方值的表达式为：
6.根据权利要求5所述基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，其特征在于：在构建Power‑Law检测器的表达式的过程中，所述表达式为：其中，Xk的上标v是可调整的指数项，1.5
7.根据权利要求6所述基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，其特征在于：在构建Power‑Law检测器的表达式的过程中，当v＝2.5时，所述Power‑Law检测器的效果达到最佳。
8.根据权利要求7所述基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，其特征在于：在获取新的Power‑Law检测器的过程中，根据所述平方值，获取相邻频率点相加的第一变量，以及相邻三个频率点相加的第二变量，其中，所述第一变量为：U2j＝xj‑1+Xj，j＝1，…n；所述第二变量为：U3j＝Xj‑1+Xj+Xj+1,j＝1，…n。
9.根据权利要求8所述基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，其特征在于：根据所述第一变量，获取所述新的Power‑Law检测器的表达式为：
10.根据权利要求8所述基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，其特征在于：根据所述第二变量，获取所述新的Power‑Law检测器的表达式为： 说明书 : 基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法技术领域[0001] 本发明涉及磁性目标检测领域，特别涉及基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法。背景技术[0002] 舰船等铁磁性目标在地磁场的作用下不可避免的会发生磁化，磁化后的磁性目标产生磁异常进而会影响原地磁场的分布，目标磁异常信号可作为目标探测的一种重要的信号源。前人的研究证明当磁场传感器距离目标的距离大于其特征长度的2.5倍时，目标的磁场可近似利用磁偶极子模型来近似，根据磁偶极子模型，目标磁场随着距离的三次方衰减，因此通常情况下目标的磁异常强度为几十pT到几十nT之间，而地磁场的强度在40000nT到60000nT之间，并且测量的磁异常受到传感器测量噪声、地质异常场、地磁日变等影响，因此通常情况下测量的目标磁异常完全淹没在磁场噪声中，目标磁异常检测是一种低信噪比条件下微弱信号检测问题。[0003] 目前常见的磁异常信号检测方法主要分为两类，一类是基于目标信号特征的信号检测方法，如正交基检测方法(OBF)；另一类是基于背景噪声与信号的统计特征不同的检测方法，如高阶过零检测法、信息熵检测法等。正交基检测方法假设目标按照直线运动，当不满足假定条件时，正交基的检测性能会下降，而基于背景噪声与信号的统计特征不同的检测方法不需要对目标信号的特征形式进行假设，该方法是利用目标磁场出现时会改变原背景磁场的统计特征来实现对目标磁异常的检测，因此鲁棒性好。本发明根据背景噪声与信号的统计特征不同的思路设计了一种基于Power‑Law检测器的磁异常信号检测方法，Power‑Law检测器是一种非参数瞬态信号检测器，该检测器鲁棒性好，因其具有对瞬态信号的信号波形特征、到达时间、持续时间等特征不明显的特点应用于水声瞬态信号检测中，检测效果好，同时在语音信号、雷达信号、医学信号等领域也有着广泛应用。目标磁异常信号在时域上持续时间短暂，通常情况下只有几s到十几s，且目标磁异常信号具有频域聚集性的特点，因此可以利用基于Power‑Law检测器实现对目标磁异常的检测。发明内容[0004] 为了针对低信噪比条件下目标微弱磁异常信号的检测问题，本发明的目的是提出了一种基于Power‑Law检测器的磁异常信号检测方法。[0005] 为了实现上述技术目的，本申请提供了基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，包括以下步骤：[0006] 通过磁传感器采集目标磁场，其中，目标磁场的背景磁场测量值在时域上为高斯白噪声，磁传感器距离目标的距离大于2.5倍的目标的特征长度；[0007] 构建磁偶极子模型，磁偶极子模型用于作为目标磁场模型提取磁偶极子场，经过离散傅里叶变换后，获取不存在磁异常信号的第一指数分布和存在磁异常信号的第二指数分布；[0008] 根据第一指数分布和第二指数分布，获取对时域磁信号序列进行离散傅里叶变换后的数据点幅度的平方值；[0009] 构建用于检测磁异常信号的Power‑Law检测器的表达式，根据平方值进行表达式变换，获取新的Power‑Law检测器，新的Power‑Law检测器用于检测高斯磁背景噪声下的目标磁异常信号。[0010] 优选地，在构建磁偶极子模型的过程中，磁偶极子模型为：[0011][0012] 其中，m为目标的磁矩，r为目标到测量点的距离矢量，μ为磁导率，在空气中μ≈4π‑7×10 Tm/A。[0013] 优选地，在获取第一指数分布的过程中，第一指数分布为：[0014][0015] 其中，N为DFT变换后的数据点数，μ(·)表示单位阶跃函数，Xk表示对时域磁信号序列x(t)进行DFT变换后的第k个数据点幅度的平方值。[0016] 优选地，在获取第二指数分布的过程中，第二指数分布为：[0017][0018] 其中，S表示目标磁异常信号所占的频带区域。[0019] 优选地，平方值的过程中，平方值的表达式为：[0020][0021] 优选地，在构建Power‑Law检测器的表达式的过程中，表达式为：[0022][0023] 其中，Xk的上标v是可调整的指数项，1.5[0024] 优选地，在构建Power‑Law检测器的表达式的过程中，当v＝2.5时，Power‑Law检测器的效果达到最佳。[0025] 优选地，在获取新的Power‑Law检测器的过程中，根据平方值，获取相邻频率点相加的第一变量，以及相邻三个频率点相加的第二变量，其中，第一变量为：U2j＝Xj‑1+Xj，j＝1，…n；第二变量为：U3j＝Xj‑1+Xj+Xj+1，j＝1，…n。[0026] 优选地，根据第一变量，获取新的Power‑Law检测器的表达式为：[0027][0028] 优选地，根据第二变量，获取新的Power‑Law检测器的表达式为：[0029][0030] 本发明公开了以下技术效果：[0031] 本发明利用Power‑Law检测器实现了对高斯磁背景噪声下的目标磁异常信号进行检测，并根据磁异常的信号特点选择不同的Power‑Law检测器，为磁性目标异常信号检测技术领域提供了新的技术思路。附图说明[0032] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0033] 图1是本发明所述的流程示意图；[0034] 图2是本发明所述的测量磁场的时域图；[0035] 图3是本发明所述的测量磁场的Power‑Law检测结果图；[0036] 图4是本发明所述的相邻频率点相加的Power‑Law检测结果图；[0037] 图5是本发明所述的相邻三个频率点相加的Power‑Law检测结果图。具体实施方式[0038] 下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。[0039] 如图1‑5所示，本发明提供了基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测方法，包括以下步骤：[0040] 通过磁传感器采集目标磁场，其中，目标磁场的背景磁场测量值在时域上为高斯白噪声，磁传感器距离目标的距离大于2.5倍的目标的特征长度；[0041] 构建磁偶极子模型，磁偶极子模型用于作为目标磁场模型提取磁偶极子场，经过离散傅里叶变换后，获取不存在磁异常信号的第一指数分布和存在磁异常信号的第二指数分布；[0042] 根据第一指数分布和第二指数分布，获取对时域磁信号序列进行离散傅里叶变换后的数据点幅度的平方值；[0043] 构建用于检测磁异常信号的Power‑Law检测器的表达式，根据平方值进行表达式变换，获取新的Power‑Law检测器，新的Power‑Law检测器用于检测高斯磁背景噪声下的目标磁异常信号。[0044] 进一步优选地，在构建磁偶极子模型的过程中，磁偶极子模型为：[0045][0046] 其中，m为目标的磁矩，r为目标到测量点的距离矢量，μ为磁导率，在空气中μ≈4π‑7×10 Tm/A。[0047] 进一步优选地，在获取第一指数分布的过程中，第一指数分布为：[0048][0049] 其中，N为DFT变换后的数据点数，μ(·)表示单位阶跃函数，Xk表示对时域磁信号序列x(t)进行DFT变换后的第k个数据点幅度的平方值。[0050] 进一步优选地，在获取第二指数分布的过程中，第二指数分布为：[0051][0052] 其中，S表示目标磁异常信号所占的频带区域。[0053] 进一步优选地，平方值的过程中，平方值的表达式为：[0054][0055] 进一步优选地，在构建Power‑Law检测器的表达式的过程中，表达式为：[0056][0057] 其中，Xk的上标v是可调整的指数项，1.5[0058] 进一步优选地，在构建Power‑Law检测器的表达式的过程中，当v＝2.5时，Power‑Law检测器的效果达到最佳。[0059] 进一步优选地，在获取新的Power‑Law检测器的过程中，根据平方值，获取相邻频率点相加的第一变量，以及相邻三个频率点相加的第二变量，其中，第一变量为：U2j＝Xj‑1+Xj，j＝1，…n；第二变量为：U3j＝Xj‑1+Xj+Xj+1，j＝1，…n。[0060] 进一步优选地，根据第一变量，获取新的Power‑Law检测器的表达式为：[0061][0062] 进一步优选地，根据第二变量，获取新的Power‑Law检测器的表达式为：[0063][0064] 本发明还公开了一种基于Power‑Law检测器的磁性异常信号检测系统，包括：[0065] 数据采集模块，用于通过磁传感器采集目标磁场，其中，目标磁场的背景磁场测量值在时域上为高斯白噪声，磁传感器距离目标的距离大于2.5倍的目标的特征长度；[0066] 数据处理模块，用于构建磁偶极子模型，磁偶极子模型用于作为目标磁场模型提取磁偶极子场，经过离散傅里叶变换后，获取不存在磁异常信号的第一指数分布和存在磁异常信号的第二指数分布，并根据第一指数分布和第二指数分布，获取对时域磁信号序列进行离散傅里叶变换后的数据点幅度的平方值；[0067] 数据变换选择模块，用于构建用于检测磁异常信号的Power‑Law检测器的表达式，根据平方值进行表达式变换，获取新的Power‑Law检测器，新的Power‑Law检测器用于检测高斯磁背景噪声下的目标磁异常信号。数据变换选择模块还用于根据平方值，对Power‑Law检测器进行改进，获取对高斯磁背景噪声下的目标磁异常信号进行检测的新的Power‑Law检测器。[0068] 实施例1：针对低信噪比条件下目标微弱磁异常信号的检测问题，提出了一种基于Power‑Law检测器的磁异常信号检测方法，该方法假设背景磁场测量值在时域上为高斯白噪声，假设磁传感器距离目标的距离大于2.5倍的目标特征长度，目标磁场模型可用磁偶极子模型来表示，磁偶极子模型的公式如下所示：[0069][0070] 式中，m为目标的磁矩，r为目标到测量点的距离矢量，μ为磁导率，在空气中μ≈4π‑7×10 Tm/A。[0071] 由公式(1)可得，磁偶极子场随着距离的三次方衰减，因此衰减较快，可以视为一个瞬态信号，当没有磁性目标出现时磁场背景测量数据为高斯白噪声，经过离散傅里叶(DFT)变换后的幅度的平方值服从独立且相同分布的指数分布，假设不存在目标磁异常信号的情况为H0，存在目标磁异常信号的情况为H1，该情况下DFT变换后幅度的平方值不再服从独立且相同分布的指数分布：[0072][0073] 式中，N为DFT变换后的数据点数，S表示目标磁异常信号所占的频带区域，μ(·)表示单位阶跃函数，Xk表示对时域磁信号序列x(t)进行DFT变换后的第k个数据点幅度的平方值，表达式如下所示：[0074][0075] 则用于磁异常信号检测的Power‑Law检测器表示如下：[0076][0077] 式中，Xk的上标v是可调整的指数项，当v＝1时就是传统的能量检测器，当目标磁异常信号所占频率点数M与DFT变换后的数据点数N相等时达到最佳，而通常情况下M小于N，经过研究发现当1.5[0078] 则根据公式(4)可得，当设定检测阈值λ时，则有[0079][0080] 考虑到磁异常信号在时域以及频域上都具有连续性，因此目标磁异常信号所占的频率点数M是连续的，因此可以对原始的Power‑Law检测器公式(4)进行修正得到相邻频率点相加的新变量U2j＝Xj‑1+Xj,j＝1,…n以及相邻三个频率点相加的新变量U3j＝Xj‑1+Xj+Xj+1,j＝1,…n，从而形成新的Power‑Law检测器，表达式如下所示：[0081][0082][0083] 上述的Power‑Law检测器均可实现对高斯磁背景噪声下的目标磁异常信号进行检测，可根据磁异常的信号特点选择不同的Power‑Law检测器以及不同的上标v值。[0084] 实施例2：假定目标的磁矩为m＝(100000,‑10000,10000)Am2，假设标量磁力仪放置于海底固定，磁力仪的采样率为10Hz，目标以速度为10m/s的速度沿直线平动，目标距离标量磁力仪最近点的水平距离为300m，垂直距离为30m，假设采样时间为2000s，则假设标量2磁力仪测量的背景磁场噪声信号为均值为0nT、方差为0.48nT 的高斯白噪声，则通过磁偶极子公式(1)计算得到目标的磁异常信号，叠加上背景磁场噪声后得到标量磁力仪实际测量磁场，时域图如图2所示，由时域图可以看出，目标的磁异常信号完全淹没在磁场背景噪声中，下式为信噪比计算公式[0085][0086] 式中， Pnoise为背景磁场噪声的方差，经过计算得到时域磁场信号的信噪比为‑14.8dB。[0087] 假设磁场检测的滑动窗口的测量点数量为1024，对滑动窗口内的时域磁信号序列x(t)进行DFT变换后得到频域点，然后求频域点模的平方得到Xk，选取可调整的指数项v＝2.5，再求取 并对滑动窗口内的数据求和即可得到Power‑Law检测统计量，同时对相邻频率点相加的新变量U2j＝Xj‑1+Xj,j＝1,…n以及相邻三个频率点相加的新变量U3j＝Xj‑1+Xj+Xj+1,j＝1,…n，后对新的变量进行求取 或者 并对滑动窗口内的数据求和，便可得到新的Power‑Law检测统计量，根据Power‑Law检测器得到不同的检测统计量结果可得，传统的Power‑Law检测统计量(如图3所示)可提升目标磁异常的信噪比到29.1dB，相邻频率点相加的新变量的Power‑Law检测统计量(如图4所示)的信噪比为27dB，相邻三个频率点相加的新变量的Power‑Law检测统计量(如图5所示)的信噪比为24.9dB，则根据结果可得三个检测统计量均能大幅提高目标磁异常的信噪比，均可实现磁异常信号检测，且传统的Power‑Law检测效果更好。

专利地区：山东

专利申请日期：2021-12-14

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114252921B