一種用于探測(cè)非周期微弱信號(hào)源的積累檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種用于探測(cè)非周期微弱信號(hào)源的積累檢測(cè)方法，其包括：1.利用4個(gè)采集裝置建立用于采集非周期微弱信號(hào)的4個(gè)相同的采集通道；2.利用4個(gè)采集通道同時(shí)采集非周期微弱信號(hào)并將其分別轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；3.對(duì)轉(zhuǎn)換成的4組電信號(hào)分別進(jìn)行濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，形成4組數(shù)字信號(hào)；4.將在一定時(shí)間采集并處理后的每組數(shù)字信號(hào)采用等時(shí)長(zhǎng)方式進(jìn)行分段和存儲(chǔ)；5.計(jì)算2組相應(yīng)分段數(shù)字信號(hào)之間的時(shí)差估計(jì)序列，從而得到多個(gè)時(shí)差估計(jì)序列；6.對(duì)所述多個(gè)時(shí)差估計(jì)序列進(jìn)行積累處理和提取時(shí)差信息估計(jì)值；7.根據(jù)時(shí)差定位原理計(jì)算得到非周期微弱信號(hào)源的空間三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的探測(cè)定位。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種用于探測(cè)非周期微弱信號(hào)源的積累檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信號(hào)處理方法研究領(lǐng)域，特別涉及一種用于探測(cè)非周期微弱信號(hào)源的 積累檢測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 微弱信號(hào)通常是指深埋在背景噪聲中極其微弱的有用信號(hào)，這里的微弱主要表示 有用信號(hào)能量因相對(duì)于背景噪聲能量較小而淹沒(méi)在背景噪聲中。微弱信號(hào)檢測(cè)已廣泛應(yīng)用 于通信工程、電子對(duì)抗、生物醫(yī)學(xué)、地震勘探以及故障診斷等領(lǐng)域。
[0003]目前常用的微弱信號(hào)檢測(cè)方法主要有小波去噪法、自適應(yīng)數(shù)字濾波法、傅里葉頻 域變換法等，這些方法所能達(dá)到的最低檢測(cè)信噪比大約在-10dB左右，但在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)常 常會(huì)出現(xiàn)更低信噪比的微弱信號(hào)，此時(shí)這些檢測(cè)方法就無(wú)法檢測(cè)到這些更低信噪比的微弱 信號(hào)。
[0004] 為進(jìn)一步提高微弱信號(hào)的檢測(cè)能力，一種比較常用的有效方法就是利用積累技術(shù) 來(lái)增大有用信號(hào)的能量，即通過(guò)多次觀測(cè)、長(zhǎng)時(shí)間積累來(lái)有效增加有用信號(hào)的時(shí)間增益，從 而實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測(cè)。積累檢測(cè)技術(shù)主要利用有用信號(hào)的周期相關(guān)性和噪聲信號(hào)的隨機(jī) 性來(lái)實(shí)現(xiàn)有用信號(hào)的能量增強(qiáng)、噪聲信號(hào)的能量減弱，從而提高有用信號(hào)的信噪比，實(shí)現(xiàn)微 弱信號(hào)檢測(cè)。這種積累檢測(cè)方法在雷達(dá)探測(cè)、聲吶探測(cè)以及天文觀測(cè)等領(lǐng)域已得到了廣泛 應(yīng)用，大大拓展了檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)源的探測(cè)距離。但根據(jù)積累檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)原理，該積累 檢測(cè)方法主要適用于周期性或準(zhǔn)周期性微弱信號(hào)，對(duì)于非周期信號(hào)往往并不適用。
[0005] 而在實(shí)際的工程應(yīng)用領(lǐng)域，往往還需要對(duì)大量的非周期信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，尤其是對(duì) 噪聲背景中的非周期微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，如局部放電脈沖信號(hào)、激光脈沖信號(hào)、超聲脈沖回 波信號(hào)等。
[0006] 因此，迫切需要一種能用于探測(cè)非周期微弱信號(hào)的積累檢測(cè)方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠用于探測(cè)非周期微弱信號(hào)源的積累檢測(cè)方法，以實(shí) 現(xiàn)低信噪比下非周期微弱信號(hào)源的探測(cè)定位。
[0008] 為此，本發(fā)明提供了一種用于探測(cè)非周期微弱信號(hào)源的積累檢測(cè)方法，其包括：
[0009] 第一步：利用4個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的采集裝置建立用于采集非周期微弱信號(hào)的4個(gè) 相同的采集通道，其中一個(gè)采集通道用作為參考采集通道，其它3個(gè)采集通道分別與該參 考采集通道組合成雙采集通道，從而形成3組雙采集通道；
[0010] 第二步：利用這3組雙采集通道同時(shí)采集非周期微弱信號(hào)，從而共采集4組非周期 微弱信號(hào)，并將這4組非周期微弱信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
[0011] 第三步：對(duì)轉(zhuǎn)換成的4組電信號(hào)分別進(jìn)行濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，形成4組數(shù) 字信號(hào)；
[0012] 第四步：將在一定時(shí)間采集并處理后的每組數(shù)字信號(hào)采用等時(shí)長(zhǎng)方式進(jìn)行分段和 存儲(chǔ)；
[0013] 第五步：使用廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法來(lái)計(jì)算通過(guò)每組雙采集通道采集后的2組相 應(yīng)分段數(shù)字信號(hào)之間的時(shí)差估計(jì)序列，從而得到多個(gè)時(shí)差估計(jì)序列；
[0014] 第六步：對(duì)所述多個(gè)時(shí)差估計(jì)序列進(jìn)行積累處理和提取時(shí)差信息估計(jì)值；
[0015] 第七步：結(jié)合所得的3個(gè)時(shí)差信息估計(jì)結(jié)果和所述4個(gè)采集裝置的位置坐標(biāo)，根據(jù) 時(shí)差定位原理計(jì)算得到非周期微弱信號(hào)源的空間三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的探測(cè)定位。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)將非周期微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有周期特征的時(shí)差估計(jì)序 列進(jìn)行積累檢測(cè)，從而解決了非周期微弱信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間積累檢測(cè)問(wèn)題，可以有效提高測(cè)試 系統(tǒng)對(duì)非周期微弱信號(hào)源的探測(cè)能力，有利于在復(fù)雜背景噪聲干擾下或遠(yuǎn)距離測(cè)試條件下 實(shí)現(xiàn)對(duì)非周期微弱信號(hào)源的探測(cè)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是利用4個(gè)采集裝置建立4組雙采集通道對(duì)非周期微弱信號(hào)進(jìn)行采集和處理 的原理框圖；
[0018] 圖2是利用雙采集通道對(duì)非周期微弱信號(hào)進(jìn)行采集和處理的原理框圖；
[0019] 圖3是低信噪比條件下利用兩個(gè)采集裝置得到的雙通道時(shí)域波形；
[0020] 圖4是基于互相關(guān)對(duì)圖3中所示數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)差估計(jì)的結(jié)果；
[0021] 圖5是低信噪比條件下利用互相關(guān)積累進(jìn)行時(shí)差估計(jì)的結(jié)果；
[0022] 其中：1_第一采集裝置；2-第二采集裝置；3-第三采集裝置；4-第四采集裝置； 5-帶通濾波器；6-低噪聲放大器；7-模數(shù)轉(zhuǎn)換器；8-互相關(guān)估計(jì)模塊；9-時(shí)差信息積累與 提取模塊；10-時(shí)差定位處理模塊；11-信號(hào)源；12-非周期微弱信號(hào)；13-第一采集裝置采 集的實(shí)測(cè)信號(hào)；14-第二采集裝置采集的實(shí)測(cè)信號(hào)。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 正如【背景技術(shù)】中所介紹的，非周期微弱信號(hào)的信噪比比較低，甚至出現(xiàn)有用信號(hào) 被完全淹沒(méi)在背景噪聲中的現(xiàn)象，無(wú)法直接利用長(zhǎng)時(shí)間的積累檢測(cè)提高非周期微弱信號(hào)的 信噪比。本申請(qǐng)的發(fā)明人設(shè)計(jì)了一種使用雙采集裝置方式采集2組非周期微弱信號(hào)，根據(jù) 時(shí)差估計(jì)理論，當(dāng)信號(hào)源、第一采集裝置和第二采集裝置之間的位置相對(duì)固定時(shí)，信號(hào)源到 第一采集裝置和到第二采集裝置之間的光程差就可以看作是固定不變的，這時(shí)通過(guò)雙采集 裝置得到的2組非周期微弱信號(hào)之間的時(shí)差信息就是固定不變的，且該時(shí)差信息在不同的 測(cè)試時(shí)間段具有可重復(fù)性，即有周期特征，從而將非周期微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有穩(wěn)定周期特 征的時(shí)差估計(jì)序列并進(jìn)行積累，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)源的定位。
[0024] 為使本
【發(fā)明內(nèi)容】
更加清楚易懂，以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖1-5,對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō) 明。圖1是利用4個(gè)采集裝置建立4組雙采集通道對(duì)非周期微弱信號(hào)進(jìn)行采集和處理的原 理框圖，圖2是利用雙采集通道對(duì)非周期微弱信號(hào)進(jìn)行采集和處理的原理框圖。圖3是低 信噪比條件下利用兩個(gè)采集裝置得到的雙通道時(shí)域波形圖；圖4是基于互相關(guān)對(duì)圖3中所 示數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)差估計(jì)結(jié)果的示意圖；圖5是低信噪比條件下利用互相關(guān)積累進(jìn)行時(shí)差估計(jì) 結(jié)果的示意圖。
[0025] 本發(fā)明的用于探測(cè)非周期微弱信號(hào)源的積累檢測(cè)方法的步驟如下：
[0026] 第一步：利用4個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的采集裝置建立用于采集非周期微弱信號(hào)的4個(gè) 相同的采集通道，其中一個(gè)采集通道用作為參考采集通道，其它3個(gè)采集通道分別與該參 考采集通道組合成雙采集通道，從而形成3組雙采集通道。
[0027] 舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于非周期信號(hào)為電磁波信號(hào)來(lái)說(shuō)，利用4個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的接收天 線作為采集裝置，組成4元陣列的采集模式；對(duì)于非周期信號(hào)為聲波信號(hào)來(lái)說(shuō)，利用4個(gè)具 有相同結(jié)構(gòu)的聲壓傳感器作為采集裝置，組成4元陣列的采集模式；其中第一采集裝置為 共享的參考采集通道，第二采集裝置、第三采集裝置和第四采集裝置分別和第一采集裝置 組成雙采集通道，從而建立了 3組雙采集通道，其中第一采集裝置作為參考采集通道而被 其它3個(gè)采集裝置所共享，正如圖1所示那樣。
[0028] 第二步：利用這3組雙采集通道同時(shí)采集非周期微弱信號(hào)，從而共采集4組非周期 微弱信號(hào)，并將這4組非周期微弱信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
[0029] 在這里，電信號(hào)為電壓信號(hào)。但本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，也可以轉(zhuǎn)換為電流信 號(hào)。
[0030] 這里需要再次說(shuō)明一下，雖然這里稱(chēng)為3組雙采集通道，但是在建立過(guò)程中為4個(gè) 相同的采集通道，其中一個(gè)采集通道為共享的參考采集通道，因此采集的非周期微弱信號(hào) 為4組。
[0031] 第三步：對(duì)轉(zhuǎn)換成的4組電信號(hào)分別進(jìn)行濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，形成4組數(shù) 字信號(hào)。
[0032] 其中：濾波處理主要是將有用信號(hào)以外的噪聲或干擾信號(hào)濾除掉。一般做法是采 用帶通濾波器5進(jìn)行帶通濾波，頻帶范圍可根據(jù)有用信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)來(lái)確定。
[0033] 放大處理是提高被測(cè)信號(hào)的信噪比?？梢圆捎玫驮肼暦糯笃?來(lái)執(zhí)行。
[0034] 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以便于后續(xù)的進(jìn)一步處理?？梢圆捎媚?shù)轉(zhuǎn)換器7來(lái) 執(zhí)行。
[0035] 第四步：將在一定時(shí)間采集并處理后的每組數(shù)字信號(hào)采用等時(shí)長(zhǎng)方式進(jìn)行分段和 存儲(chǔ)。
[0036] 例如，對(duì)Is時(shí)間的采集并處理后的每組數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)以每隔0. 1ms進(jìn)行一次分 段，共分成10000段數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)。換句話說(shuō)，采用等時(shí)長(zhǎng)方式分段就是將一定時(shí)間內(nèi)采集 的數(shù)據(jù)按照采集時(shí)間分段，如將每〇. lms采集的數(shù)據(jù)分成一段數(shù)據(jù)。通常都是按照數(shù)組形 式存儲(chǔ)的。對(duì)在一定時(shí)間采集的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行等時(shí)長(zhǎng)分段有利于提高后期數(shù)據(jù)處理的速 度。
[0037] 第五步：使用廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法來(lái)計(jì)算通過(guò)每組雙采集通道采集后的2組相 應(yīng)分段數(shù)字信號(hào)之間的時(shí)差估計(jì)序列，從而得到多個(gè)時(shí)差估計(jì)序列。
[0038] 這里所使用的廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法屬于公知方法。計(jì)算時(shí)差信息的基本方法是 互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法，可以參見(jiàn)《無(wú)線電定位理論與技術(shù)》的第184頁(yè)到185頁(yè)，國(guó)防工業(yè)出 版社，2011年出版，田孝華等著。利用該互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法對(duì)每?jī)山M數(shù)據(jù)之間進(jìn)行一次互相 關(guān)時(shí)延估計(jì)，會(huì)得到一個(gè)互相關(guān)函數(shù)，該函數(shù)就是一個(gè)時(shí)差估計(jì)序列，該序列中的最大值對(duì) 應(yīng)的就是時(shí)差信息的估計(jì)值。
[0039] 廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法就是在該互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而得到的， 目前關(guān)于廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法的論著也有很多發(fā)表或出版，屬于公知技術(shù)。
[0040] 舉例來(lái)說(shuō)，在第4步中將每組數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)按相等的采集時(shí)間分成了 10000段數(shù) 據(jù)，則這里對(duì)經(jīng)由每組雙采集通道的2組分段數(shù)據(jù)，這2組分段數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的分別是來(lái)自雙采 集通道的分段數(shù)據(jù)，每組有10000個(gè)分段數(shù)據(jù)，使用廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法來(lái)計(jì)算這2組相 應(yīng)分段數(shù)字信號(hào)之間的時(shí)差估計(jì)序列，可以相應(yīng)地得到10000個(gè)時(shí)差估計(jì)序列。
[0041] 對(duì)于非周期微弱信號(hào)來(lái)說(shuō)，其信噪比較低，甚至出現(xiàn)有用信號(hào)被完全淹沒(méi)在背景 噪聲中的現(xiàn)象，這樣就無(wú)法獲得準(zhǔn)確的時(shí)差估計(jì)結(jié)果，比如由圖3中的2組數(shù)據(jù)得到圖4的 時(shí)差估計(jì)序列，從圖4中可以看出，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的時(shí)差估計(jì)結(jié)果。需要對(duì)該時(shí)差估計(jì)序列 進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
[0042] 第六步：對(duì)所述多個(gè)時(shí)差估計(jì)序列進(jìn)行積累處理和提取時(shí)差信息估計(jì)值。
[0043] 如上所述，對(duì)于信噪比較低的信號(hào)來(lái)說(shuō)，從每一個(gè)時(shí)差估計(jì)序列提取時(shí)差信息值 可能都是不正確的，但由于是對(duì)2組的每段數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)差估計(jì)序列，從而得到了 多個(gè)時(shí)差估計(jì)序列，對(duì)該多個(gè)時(shí)差估計(jì)序列進(jìn)行積累處理，具體說(shuō)，進(jìn)行累加后再求平均處 理，即先累加多個(gè)時(shí)差估計(jì)序列再除以累加的次數(shù)。以上面的具體例子繼續(xù)進(jìn)行說(shuō)明，由于 得到了 10000個(gè)時(shí)差估計(jì)序列，對(duì)這10000個(gè)時(shí)差估計(jì)序列進(jìn)行累加后求平均值，最終得到 1個(gè)累加平均后的時(shí)差估計(jì)序列。從這個(gè)最終時(shí)差估計(jì)序列中提取到的最大值作為時(shí)差信 息估計(jì)值。圖5就是在對(duì)時(shí)差估計(jì)序列進(jìn)行5000次積累處理的輸出結(jié)果，從圖5中可以看 出提取出的時(shí)差信息估計(jì)值得到了明顯的凸現(xiàn)。由此可見(jiàn)，本步驟執(zhí)行的積累處理有效提 高了低信噪比條件下微弱信號(hào)的時(shí)差信息估計(jì)值的精度。
[0044] 第七步：結(jié)合所得的3個(gè)時(shí)差信息估計(jì)結(jié)果和所述4個(gè)采集裝置的位置坐標(biāo)，根據(jù) 時(shí)差定位原理計(jì)算得到微弱信號(hào)源的空間三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的探測(cè)定位。
[0045] 這里所提到的時(shí)差定位原理是一種公知原理，可以參見(jiàn)例如教科書(shū)《空間電子偵 察定位原理》，國(guó)防工業(yè)出版社，2012年出版，郭福成等著，其第191頁(yè)到198頁(yè)描述了多平 臺(tái)時(shí)差定位原理。因此說(shuō)，根據(jù)時(shí)差定位原理計(jì)算得到微弱信號(hào)源的空間三維坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)其的探測(cè)定位是一個(gè)成熟的、公知的定位方法，這里就不再贅述。所述3個(gè)時(shí)差信息估計(jì) 結(jié)果是因?yàn)閷?duì)3組雙采集通道的時(shí)差估計(jì)序列分別進(jìn)行積累處理和提取的結(jié)果。
[0046] 雖然本發(fā)明已以具體實(shí)例進(jìn)行了描述，但所述實(shí)施例僅為了便于說(shuō)明而舉例，并 非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下做進(jìn)行的各種 修改和替換都涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于探測(cè)非周期微弱信號(hào)源的積累檢測(cè)方法，其包括： 第一步：利用4個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的采集裝置建立用于采集非周期微弱信號(hào)的4個(gè)相同 的采集通道，其中一個(gè)采集通道用作為參考采集通道，其它3個(gè)采集通道分別與該參考采 集通道組合成雙采集通道，從而形成3組雙采集通道； 第二步：利用這3組雙采集通道同時(shí)采集非周期微弱信號(hào)，從而共采集4組非周期微弱 信號(hào)，并將這4組非周期微弱信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； 第三步：對(duì)轉(zhuǎn)換成的4組電信號(hào)分別進(jìn)行濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，形成4組數(shù)字信 號(hào)； 第四步：將在一定時(shí)間采集并處理后的每組數(shù)字信號(hào)采用等時(shí)長(zhǎng)方式進(jìn)行分段和存 儲(chǔ)； 第五步：使用廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法來(lái)計(jì)算通過(guò)每組雙采集通道采集后的2組相應(yīng)分 段數(shù)字信號(hào)之間的時(shí)差估計(jì)序列，從而得到多個(gè)時(shí)差估計(jì)序列； 第六步：對(duì)所述多個(gè)時(shí)差估計(jì)序列進(jìn)行積累處理和提取時(shí)差信息估計(jì)值； 第七步：結(jié)合所得的3個(gè)時(shí)差信息估計(jì)結(jié)果和所述4個(gè)采集裝置的位置坐標(biāo)，根據(jù)時(shí)差 定位原理計(jì)算得到非周期微弱信號(hào)源的空間三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的探測(cè)定位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的積累檢測(cè)方法，其中所述采集裝置是接收天線或者聲壓傳感 器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的積累檢測(cè)方法，其中所述電信號(hào)是電壓信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的積累檢測(cè)方法，其中所述濾波處理是采用帶通濾波器進(jìn)行帶 通濾波。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的積累檢測(cè)方法，其中在第四步中，所述一定時(shí)間為1秒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的積累檢測(cè)方法，其中在第六步中，所述積累處理就是先對(duì)多 個(gè)時(shí)差估計(jì)序列進(jìn)行累加，然后再求平均處理。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的積累檢測(cè)方法，其中在第六步中，所述提取時(shí)差信息估計(jì)值 就是從經(jīng)積累處理后得到的時(shí)差估計(jì)序列中提取最大值。
【文檔編號(hào)】H03K5/19GK104143970SQ201410369241
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】劉衛(wèi)東, 劉尚合, 胡小鋒, 魏明, 樊高輝, 張悅, 王雷 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍軍械工程學(xué)院