專利名稱：一種信號端點的相位域檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信號端點的檢測方法，特別地涉及一種地震勘探數(shù)據(jù)處理 與解釋、語音識別以及電子信號處理技術(shù)領(lǐng)域的信號端點檢測方法。
背景技術(shù)：
地震數(shù)據(jù)采集過程中，由于地下巖層各向異性，在不同質(zhì)點發(fā)生散射，以 及人為因素與自然條件中的風(fēng)、雷、電等的影響，采集的地震數(shù)據(jù)中包含了很 強的隨機噪聲干擾，嚴(yán)重影響了地震數(shù)據(jù)分析與處理。另外，長期以來信號端 點的檢測僅局限于在實數(shù)域中進行，并由此出現(xiàn)了一些相關(guān)的方法現(xiàn)有技術(shù)。 在對于信噪比高而且能清晰地確定信號時，這些現(xiàn)有技術(shù)的檢測效果都較理想， 但面對低信噪比信號，就基本不適用了。也正是因為此，在地震數(shù)據(jù)處理中， 炸藥震源初至波起跳點的拾取問題一直未得到很好解決。其中，直接在實數(shù)域 中檢測信號端點的最大障礙仍是噪音。噪音往往會使信號端點變得模糊不清， 并且這種問題也一直困擾著在實數(shù)域中檢測信號端點的諸多技術(shù)方法。在低信 噪比條件下準(zhǔn)確地檢測信號端點，是信號處理領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸之一。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的在于在低信噪比條件下準(zhǔn)確地檢測信號端點， 進而根據(jù)檢測信號的端點(波峰點、波谷點和零點)分析信號的起跳時間、振幅、相位和頻率等。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下
一種信號端點的相位域檢測方法，根據(jù)獲得的對信號測量所得到的數(shù)據(jù)， 對信號數(shù)據(jù)進行希爾伯特變換計算分析，得到所述信號的余弦和正弦相位函數(shù)， 分別設(shè)置所述的信號波峰點的余弦相位函數(shù)值等于1、信號波谷點的余弦相位函 數(shù)值等于-1、信號正零點的正弦相位函數(shù)值等于1、信號負(fù)零點的正弦相位函數(shù) 值等于-1，其中，約定由正值到負(fù)值穿過的零點為正零點，由負(fù)值到正值穿過 的零點為負(fù)零點，由信號道的相位函數(shù)來表達和確定信號的四個信號端點，并 計算檢測信號的端點。
所述的對信號數(shù)據(jù)進行計算包括以下步驟 (1 )根據(jù)希爾伯特變換公式定義以時間為參數(shù)的包含信號道函數(shù)X(t)的希爾
柳=— —
伯特變換式h(t)，其中， <formula>formula see original document page 5</formula> r為時間，x(t)為實函數(shù)，
表示巻積；
(2 )再設(shè)關(guān)于所述信號道函數(shù)x (t)和希爾伯特變換式h (t)的復(fù)函數(shù)c (t),其 中，<formula>formula see original document page 5</formula>j為虛系數(shù)；
(3)并根據(jù)所述(1)、 (2)可得到關(guān)于所述信號道函數(shù)x(t)和希爾伯特變換 式h(t)的瞬時包絡(luò)a(t)和瞬時相位 ，其中，。W = Vx (0 + A W ，<formula>formula see original document page 5</formula>
(4)由步驟(3)可得，相位函數(shù).<formula>formula see original document page 5</formula>根據(jù)所述的相位函數(shù)-
cos卿-
sin (9(0:
與振幅無關(guān)，且相位函數(shù)的數(shù)值范圍均為,故，設(shè)^^ = 1為信號波峰點、 COS"0 = -1為信號波谷點、sin(9(0"為信號正零點、sin(9(/) = -1為信號負(fù)零點。
約定，由正值到負(fù)值穿過的零點為正零點，由負(fù)值到正值穿過的零點為負(fù)零點。 本發(fā)明的技術(shù)方案的原理進一步可以解釋如下
首先是用公知技術(shù)的希爾伯特變換分解信號，設(shè)某一信號道柳的希爾伯特
變換定義為:
… 1 pw x(f)」 ，、
丄 7Tf
(1)
雄)稱為;c(/)的希爾伯特變換，,為時間，"*"表示巻積(褶積)。 設(shè)一復(fù)函數(shù)c(,) = ;cW + yA(0 (2)
則瞬時包絡(luò) 瞬時相位為
相位函數(shù)為
a(042(f) + A20)
6(0 = arccos
、W、
=arcsm
,豐、
sin,=
"(,) 里
。W
(3)
(4)
(5)然后，利用信號端點的相位域檢測，根據(jù)相位函數(shù)與振幅無關(guān)，其數(shù)值范圍均
為[-l, l]的特點。提出
COS0(/)= 1 x(f)波峰點
cosP(,) = —1義(/)波谷點 (6)
sin6>0)= 1 jc(O正零點 sin"(0 = —1義")負(fù)零點
這里約定，由正值到負(fù)值穿過的零點為正零點，反之為負(fù)零點。
如圖l所示，我們發(fā)現(xiàn)，相位函數(shù)能夠準(zhǔn)確表達和確定信號的四個端點(波
峰點、波谷點、正零點和負(fù)零點)。相比之下，作為實函數(shù)的信號道函數(shù)^)的
信號振幅大小具有明顯的不確定性，導(dǎo)致不易確定某一極值點就是信號的波峰
點或;皮谷點。
直接在信號道函數(shù)^)中檢測信號端點的最大障礙是噪音。噪音會造成假波 峰(谷)現(xiàn)象，使信號端點變得模糊不清，這種現(xiàn)象困擾著在實函數(shù)中檢測信
號端點的諸多算法，但是，相位函數(shù)卻可輕松應(yīng)對。如圖2所示，噪音也會在 相位函數(shù)c。s^)中有所表現(xiàn)，當(dāng)信噪比大于1時，它達不到波峰點或波谷點 (cos, = ±l )
長期以來，炸藥震源初至波信號起跳點的拾取問題一直未得到很好解決， 原因在于起跳點通常被噪音隱沒，直接拾取起跳點往往是行不通的。炸藥震源 初至波起跳點與初至波峰點之間的時間差是初至波信號的3/4周期。因此，運用 本項技術(shù)求取初至波的周期是估算起跳點的關(guān)4走。
如圖3所示，由于^)丄^)、 cos,丄si,,相位差為90。，時間差則是1/4 周期。在獲得初至波信號波峰點(c。s^)-l )的位置后，再沿時間軸方向搜索正 零點(sin^)=l),兩點之間的時差A(yù)r為初至波的l"周期。
如圖4所示，從co"(0的波峰點后移(逆時間軸方向移動)3Ar，或者sin外)的正零點后移4Ar，就是估算的炸藥震源初至波信號起跳點。
在圖4中估算的起跳點與視起跳點是吻合的。但在圖5中卻出現(xiàn)另一種情
況，估算的起跳點與視起跳點之間存在較大差異，很明顯，這是噪音引起的，
噪音擾亂了人的視線。炸藥震源初至波前的隨機噪音通常會隱沒起跳點，當(dāng)干
擾嚴(yán)重時，初至波谷也不能幸免。
獲得初至波信號周期和起跳點后，可從信號道中提取初至波信號，這有益
于分析初至波信號周期(頻率)變化規(guī)律。如圖6所示，圖6是實際地震勘探 炮點記錄的初至波信號起跳點圖。圖7是對圖6自動提取的一個周期的初至波 信號圖，圖中可見，復(fù)雜地表對初至波信號周期(頻率)的影響。
對震波端點的相位域檢測，在確定初至波的端點時，通過將表示四個端點 的相位函數(shù)，約定由正值到負(fù)值穿過的零點為正零點，反之為負(fù)零點，其中的 正弦函數(shù)和余弦函數(shù)分別定義為正負(fù)1，以便實現(xiàn)明確檢測端點的目的。進而實 現(xiàn)檢測震波的目的。
在實際應(yīng)用本發(fā)明的方法進行信號端點的檢測時，并不局限僅應(yīng)用于以 Windows2000/XP為操作系統(tǒng)、且利用Borland C++Builder 6等編程語言而實現(xiàn) 本發(fā)明所述的方法。即，本發(fā)明提供的只是對信號端點的相位域檢測方法，與 編程語言和操作系統(tǒng)無關(guān)。
綜上所述，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案和技 術(shù)構(gòu)思作出其他各種相應(yīng)的改變和變形，而所有這些改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā) 明所述的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1一種信號端點的相位域檢測方法，根據(jù)獲得的對信號測量所得到的數(shù)據(jù)，對信號數(shù)據(jù)進行希爾伯特變換計算分析，得到所述信號的余弦和正弦相位函數(shù)；其特征在于，分別設(shè)置所述信號波峰點的余弦相位函數(shù)值等于1、信號波谷點的余弦相位函數(shù)值等于-1、信號正零點的正弦相位函數(shù)值等于1、信號負(fù)零點的正弦相位函數(shù)值等于-1；其中，約定由正值到負(fù)值穿過的零點為正零點，由負(fù)值到正值穿過的零點為負(fù)零點，由信號的相位函數(shù)來表達和確定信號的四個信號端點，并計算檢測信號的端點；方法用于在低信噪比條件下準(zhǔn)確地檢測信號端點，進而根據(jù)檢測信號的端點分析信號的起跳時間、振幅、相位和頻率等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述信號端點的相位域檢測方法，其特征在于，所述的對信 號數(shù)據(jù)進行計算包括以下步驟(1) 根據(jù)希爾伯特變換公式定義以時間為參數(shù)的包含信號道函數(shù)x (t)的<formula>formula see original document page 0</formula>希爾伯特變換式h(t)，其中， t " j為時間，x(t)為實函數(shù)，"*"表示巻積；(2) 再設(shè)關(guān)于所述信號道函數(shù)x(t)和希爾伯特變換式h(t)的復(fù)函數(shù) c(t),其中，cW = ^) + _/W)， j為虛系數(shù)；(3) 并根據(jù)所述(1)、 (2)可得到關(guān)于所述信號道函數(shù)x(t)和希爾伯特變換式h (t)的瞬時包絡(luò)a (t)和瞬時相位,其中，<formula>formula see original document page 3</formula>(4)由步驟(3)可得，相位函數(shù).<formula>formula see original document page 3</formula>
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的信號端點的相位域檢測方法，其特征在于，根據(jù)所述柳的相位函數(shù).<formula>formula see original document page 3</formula>與振幅無關(guān)，且相位函數(shù)的數(shù)值范圍均為[-l， l]，設(shè): 柳<formula>formula see original document page 3</formula>其中，約定由正值到負(fù)值穿過的零點為正零點，由負(fù)值sine(0 = —1 x(f)負(fù)零點到正值穿過的零點為負(fù)零點，
4.根據(jù)權(quán)利要求l所述信號端點的相位域檢測方法，其特征在于，在檢測信號 端點過程中噪音也會在相位函數(shù)中有所表現(xiàn)，當(dāng)信噪比大于1時，噪音達不到 波峰點或波谷點。
全文摘要
本發(fā)明涉及對信號端點的檢測方法。首先用希爾伯特變換分解信號道x(t)，獲得其相位函數(shù)cosθ(t)和sinθ(t)；再根據(jù)相位函數(shù)與振幅無關(guān)，其數(shù)值范圍均為[-1，1]的特點，提出cosθ(t)＝1為信號波峰點、cosθ(t)＝-1為信號波谷點、sinθ(t)＝1為信號正零點、sinθ(t)＝-1為信號負(fù)零點的信號端點的檢測方法。信號道x(t)的相位函數(shù)能夠準(zhǔn)確表達和確定信號的四個端點波峰點、波谷點、正零點和負(fù)零點。本發(fā)明提供了一種簡單實用且抗干擾能力較強的對信號端點的檢測方法。
文檔編號G01H17/00GK101598595SQ20081011464
公開日2009年12月9日 申請日期2008年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者劉志成, 孫開峰, 楊勤勇 申請人:中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院