專(zhuān)利名稱(chēng)：掃頻信號(hào)的時(shí)頻互相關(guān)檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種反射探測(cè)信號(hào)處理方法，具體地說(shuō)是一種用于從環(huán)境噪聲中檢測(cè)掃頻信號(hào)并估計(jì)其時(shí)間延遲的方法。
背景技術(shù)：
目前，掃頻信號(hào)在反射探測(cè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，如可控震源，雷達(dá)，聲納及超聲無(wú)損探傷等。它被用作源信號(hào)向被探測(cè)媒質(zhì)中發(fā)射，然后在媒質(zhì)中傳播，遇到不同的目標(biāo)后形成反射回波，然后被檢波器接收，在接收信號(hào)中含有時(shí)延不同的多個(gè)掃頻信號(hào)回波。在反射探測(cè)的信號(hào)處理中，為了估計(jì)各個(gè)目標(biāo)的距離，需要對(duì)各個(gè)回波進(jìn)行檢測(cè)并估計(jì)其時(shí)間延遲。
由于工程探測(cè)很多時(shí)候是在如礦山，公路，大壩和廠區(qū)之類(lèi)的強(qiáng)噪聲環(huán)境下進(jìn)行的，其接收信號(hào)中常常含有大量的噪聲信號(hào)，因而如何把回波從強(qiáng)噪聲中檢測(cè)出來(lái)是探測(cè)信號(hào)處理中的一個(gè)難題。另外，源信號(hào)在發(fā)射，傳播和接收過(guò)程中都會(huì)發(fā)生一定的畸變，因此接收信號(hào)中的回波波形與源信號(hào)會(huì)有一定的差別，因此要求回波檢測(cè)方法對(duì)此具有一定的適應(yīng)性。除此之外，掃頻信號(hào)在傳播過(guò)程中能量會(huì)受到不斷衰減，因此從遠(yuǎn)處傳回的回波幅值很小，因此要求檢測(cè)算法能把微弱的回波信號(hào)檢測(cè)出來(lái)以發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)。
傳統(tǒng)的掃頻信號(hào)檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)方法包括時(shí)域互相關(guān)，廣義互相關(guān)(GCC)，反卷積等方法，但這些方法對(duì)環(huán)境噪聲的壓制能力不強(qiáng)，對(duì)回波波形畸變很敏感，因此無(wú)法適應(yīng)強(qiáng)噪聲環(huán)境下的探測(cè)工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為反射探測(cè)信號(hào)處理提供一種掃頻信號(hào)的時(shí)頻互相關(guān)檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)方法，該方法壓制噪聲能力強(qiáng)，對(duì)掃頻信號(hào)波形畸變敏感性低，能有效檢測(cè)能量微弱的掃頻回波。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種掃頻信號(hào)的時(shí)頻互相關(guān)檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于它包括以下步驟①將掃頻源信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到它的時(shí)頻表示；②將接收信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到它的時(shí)頻表示；③用得到的時(shí)頻表示進(jìn)行時(shí)頻互相關(guān)，對(duì)接收信號(hào)中的回波進(jìn)行檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)。
本發(fā)明中，掃頻信號(hào)是一種線性調(diào)頻信號(hào)，也稱(chēng)之為Chirp信號(hào)，見(jiàn)圖1和圖2。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式可被表示如下s(t)=A(t)sin2π{f(0)+[f(T)-f(0)]Tt}t---(1)]]>其中t表示時(shí)間，A(t)表示掃頻信號(hào)的幅值，T表示掃頻的持續(xù)時(shí)間。f(0)和f(T)分別為掃頻的初始頻率和中止頻率。
在反射探測(cè)中得到的接收信號(hào)中包含有不同時(shí)延的回波及環(huán)境噪聲，所以建立接收信號(hào)的數(shù)學(xué)模型如下x(t)=Σi=0M-1eis(t-Di)+z(t)---(2)]]>其中x(t)指接收信號(hào)，s(t)指掃頻源信號(hào)，z(t)指環(huán)境噪聲。ei和Di分別指回波的幅值和時(shí)間延遲，而M指回波的個(gè)數(shù)。
小波變換被用于將信號(hào)轉(zhuǎn)變進(jìn)入時(shí)頻域，以得到信號(hào)的時(shí)頻表示。在信號(hào)處理中，小波變換被定義如下Whx(a,b)=1a∫-∞∞x(t)h*(t-ba)dt---(3)]]>其中Whx(a，b)指接收信號(hào)x(t)的時(shí)頻表示，a和b分別為變換中的尺度因子和時(shí)移因子，而h(t)指小波基函數(shù)。
由于小波變換是一種線性運(yùn)算，根據(jù)式(2)和(3)，對(duì)接收信號(hào)x(t)的小波變換可以被分解如下Whx(a,b)=1a∫-∞∞(Σi=0M-1eis(t-Di)+z(t))h*(t-ba)dt]]>=Σi=0M-1eiWhs(a,b-Di)+Whz(a,b)]]>(4)其中Whs(a，b)表示源信號(hào)的時(shí)頻表示，而Whz(a，b)表示環(huán)境噪聲的時(shí)頻表示。從(4)式可見(jiàn)，接收信號(hào)的時(shí)頻表示由各個(gè)回波的時(shí)頻表示與環(huán)境噪聲的時(shí)頻表示相加而成。單個(gè)的掃頻信號(hào)的時(shí)頻表示如圖3所示，包含四個(gè)回波的接收信號(hào)的時(shí)頻表示如圖4所示，其中不同的掃頻信號(hào)在時(shí)頻表示中被相互分開(kāi)。
在本發(fā)明中，源信號(hào)s(t)與接收信號(hào)x(t)的時(shí)頻表示被用來(lái)進(jìn)行時(shí)頻互相關(guān)，以進(jìn)行回波檢測(cè)與時(shí)延估計(jì)，其算法可表示如下
Qsx(τ)=∫a∫bWhx(a,b)Whs(a,b-τ)dbda]]>=∫a∫b(Σi=0M-1eiWhs(a,b-Di)+Whz(a,b))Whs(a,b-τ)dbda]]>=Σi=0M-1eiQss(τ-Di)+Qsz(τ)]]>(5)其中Qsx(τ)就是s(t)和x(t)之間的時(shí)頻互相關(guān)函數(shù)。τ源信號(hào)和接收信號(hào)的時(shí)頻表示之間的時(shí)移，本發(fā)明針對(duì)每個(gè)時(shí)移給出一個(gè)時(shí)頻互相關(guān)值。在時(shí)頻互相關(guān)計(jì)算中，當(dāng)τ等于任何一個(gè)回波的時(shí)間延遲時(shí)，計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一個(gè)脈沖，這些脈沖的位置可以用來(lái)計(jì)算所探測(cè)目標(biāo)的距離。計(jì)算結(jié)果中的Qss(τ)就是s(t)的時(shí)頻自相關(guān)函數(shù)，Qsz(τ)為源信號(hào)s(t)和噪聲z(t)之間的時(shí)頻互相關(guān)，代表由環(huán)境噪聲引起的干擾。圖5給出一個(gè)包含環(huán)境噪聲和四個(gè)掃頻回波的接收信號(hào)的時(shí)頻表示，圖6給出計(jì)算結(jié)果中與回波對(duì)應(yīng)的四個(gè)檢測(cè)脈沖和噪聲造成的干擾。
本發(fā)明中，可根據(jù)各個(gè)檢測(cè)脈沖的位置而計(jì)算其相應(yīng)目標(biāo)的距離。當(dāng)接收信號(hào)被變換進(jìn)入時(shí)頻域后，不同回波被相互分開(kāi)，甚至噪聲也與回波之間相互分開(kāi)。因此在時(shí)頻互相關(guān)運(yùn)算中，只有在時(shí)間上和頻率上都與源信號(hào)重疊的噪聲成分才會(huì)造成干擾，因此跟純時(shí)域互相關(guān)相比，噪聲的干擾被大大削弱。某些噪聲成分，雖然它們所處的時(shí)間與源信號(hào)重疊，但頻段與源信號(hào)不重疊，則將被直接消除，因?yàn)樵葱盘?hào)的時(shí)頻表示中沒(méi)有信號(hào)的區(qū)域值都是零。各個(gè)回波在時(shí)頻表示中被分開(kāi)，相互之間也不會(huì)產(chǎn)生干擾。所以本發(fā)明具有很強(qiáng)的壓制噪聲的能力，能從數(shù)據(jù)中清晰檢測(cè)微弱的回波信號(hào)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下1、有很強(qiáng)的壓制噪聲能力，即能從很強(qiáng)的環(huán)境噪聲中把掃頻回波檢測(cè)出來(lái)；2、對(duì)回波的波形畸變適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)掃頻信號(hào)在發(fā)射，傳播和接收過(guò)程中發(fā)生的波形改變敏感性低；3、能檢測(cè)出能量微弱的回波，對(duì)傳播距離遠(yuǎn)而能量被嚴(yán)重衰減的回波檢測(cè)能力強(qiáng)。
四

圖1是等幅掃頻信號(hào)；圖2是兩端加錐掃頻信號(hào)；圖3是單個(gè)掃頻信號(hào)的時(shí)頻表示；
圖4是包含四個(gè)回波的接收信號(hào)的時(shí)頻表示；圖5是包含四個(gè)回波和環(huán)境噪聲的接收信號(hào)的時(shí)頻表示；圖6是對(duì)掃頻回波的檢測(cè)脈沖；圖7是對(duì)可控震源地探信號(hào)采用相關(guān)算法的計(jì)算結(jié)果；圖8是對(duì)可控震源地探信號(hào)采用時(shí)頻互相關(guān)算法的計(jì)算結(jié)果。
五具體實(shí)施例方式
一種本發(fā)明所述的掃頻信號(hào)的時(shí)頻互相關(guān)檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于它包括以下步驟①將掃頻源信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到它的時(shí)頻表示；②將接收信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到它的時(shí)頻表示；③用源信號(hào)和接收信號(hào)的時(shí)頻表示進(jìn)行時(shí)頻互相關(guān)，對(duì)接收信號(hào)中的回波進(jìn)行檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)。
本發(fā)明將掃頻源信號(hào)的時(shí)頻表示和接收信號(hào)的時(shí)頻表示進(jìn)行時(shí)頻互相關(guān)得到檢測(cè)脈沖，并根據(jù)各個(gè)檢測(cè)脈沖的位置而計(jì)算其相應(yīng)目標(biāo)的距離。
以可控震源地探信號(hào)處理為例，對(duì)傳統(tǒng)的相關(guān)算法和時(shí)頻互相關(guān)算法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，采用相關(guān)算法的計(jì)算結(jié)果如圖7所示，采用時(shí)頻互相關(guān)算法的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從圖7和圖8比較中可以得到1、本發(fā)明具有很強(qiáng)的壓制噪聲能力，即能從很強(qiáng)的環(huán)境噪聲中把掃頻回波檢測(cè)出來(lái)；2、本發(fā)明對(duì)回波的波形畸變適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)掃頻信號(hào)在發(fā)射，傳播和接收過(guò)程中發(fā)生的波形改變敏感性低；3、本發(fā)明能檢測(cè)出能量微弱的回波，對(duì)傳播距離遠(yuǎn)而能量被嚴(yán)重衰減的回波檢測(cè)能力強(qiáng)。所以本發(fā)明所述時(shí)頻互相關(guān)檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)方法的效果明顯好于相關(guān)算法。
權(quán)利要求
1.一種掃頻信號(hào)的時(shí)頻互相關(guān)檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于它包括以下步驟①將掃頻源信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到它的時(shí)頻表示；②將接收信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到它的時(shí)頻表示；③用得到的時(shí)頻表示進(jìn)行時(shí)頻互相關(guān)，對(duì)接收信號(hào)中的回波進(jìn)行檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃頻信號(hào)的時(shí)頻互相關(guān)檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于步驟①中，所述掃頻源信號(hào)是一種線性調(diào)頻信號(hào)，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下s(t)=A(t)sin2π{f(0)+[f(T)-f(0)]Tt}t]]>其中t表示時(shí)間，A(t)表示掃頻信號(hào)的幅值，T表示掃頻的持續(xù)時(shí)間，f(0)和f(T)分別為掃頻的初始頻率和中止頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃頻信號(hào)的時(shí)頻互相關(guān)檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于步驟②中，接收信號(hào)中包含有不同時(shí)延的回波及環(huán)境噪聲，建立接收信號(hào)的數(shù)學(xué)模型如下x(t)=Σi=0M-1eis(t-Di)+z(t)]]>其中x(t)指接收信號(hào)，s(t)指掃頻源信號(hào)，z(t)指環(huán)境噪聲，ei和Di分別指回波的幅值和時(shí)間延遲，M指回波的個(gè)數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃頻信號(hào)的時(shí)頻互相關(guān)檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于步驟①和②中，所述小波變換被定義如下Whx(a,b)=1a∫-∞∞x(t)h*(t-ba)dt]]>其中Whx(a，b)指接收信號(hào)x(t)的時(shí)頻表示，a和b分別為變換中的尺度因子和時(shí)移因子，h(t)指小波基函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃頻信號(hào)的時(shí)頻互相關(guān)檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于步驟③中，所提供的掃頻回波檢測(cè)與時(shí)延估計(jì)算法如下Qsx(τ)=∫a∫bWhx(a,b)Whs(a,b-τ)dbda]]>=∫a∫b(Σi=0M-1eiWhs(a,b-Di)+Whz(a,b))Whs(a,b-τ)dbda]]>=Σi=0M-1eiQss(τ-Di)+Qsz(τ)]]>其中Whs(a，b)指源信號(hào)s(t)的時(shí)頻表示，Qsx(τ)就是s(t)和x(t)之間的時(shí)頻互相關(guān)函數(shù)，Qss(τ)就是s(t)的時(shí)頻自相關(guān)函數(shù)，Qsz(τ)為源信號(hào)s(t)和噪聲z(t)之間的時(shí)頻互相關(guān)函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種反射探測(cè)中的掃頻信號(hào)的時(shí)頻互相關(guān)檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)方法，它包括以下步驟首先將掃頻源信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到它的時(shí)頻表示；將接收信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到它的時(shí)頻表示；然后將它們的時(shí)頻表示進(jìn)行時(shí)頻互相關(guān)，對(duì)接收信號(hào)中的回波進(jìn)行檢測(cè)和時(shí)延估計(jì)，得到檢測(cè)脈沖，并根據(jù)各個(gè)檢測(cè)脈沖的位置而計(jì)算其相應(yīng)目標(biāo)的距離。本發(fā)明有很強(qiáng)的壓制噪聲能力，對(duì)回波的波形畸變適應(yīng)能力強(qiáng)，能檢測(cè)出能量微弱的回波。本發(fā)明特別適用于環(huán)境噪聲大、傳播距離遠(yuǎn)且能量衰減嚴(yán)重的回波檢測(cè)中，具有極大的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01S7/486GK1815264SQ200610038480
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2006年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月24日
發(fā)明者蔣忠進(jìn), 邱小軍 申請(qǐng)人:南京大學(xué)