專利名稱：：隨機(jī)共振瞬變電磁弱信號(hào)檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及瞬變電磁檢測(cè)技術(shù)，具體為一種基于尺度變換的隨機(jī)共振瞬變電磁弱信號(hào)檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
：瞬變電磁探測(cè)法具有快速探測(cè)能力、較好的空間分辨率等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛用于礦產(chǎn)勘查和水工環(huán)勘查等領(lǐng)域。眾所周知，瞬變電磁探測(cè)的原理是瞬變電磁波在向地下傳播的過程中，受到各個(gè)地層中不同介質(zhì)的衰減，不同介質(zhì)對(duì)不同頻率的瞬變電磁波衰減值是不同的。因此，只要提取出回波信號(hào)中對(duì)應(yīng)于不同物質(zhì)的瞬變電磁信號(hào)的特征頻譜，就可反演出地層中不同物質(zhì)。但是瞬變電磁檢測(cè)接收采集到的信號(hào)是相當(dāng)微弱的，目前的瞬變電磁信號(hào)檢測(cè)大多采用傳統(tǒng)的弱信號(hào)檢測(cè)方法提取弱跳躍信號(hào)。這種方法對(duì)瞬變電磁信號(hào)的頻率有較多限制，在信噪比為-IOOdB的強(qiáng)噪聲背景下，難以提取出目標(biāo)信號(hào)，這就限制了瞬變電磁儀器的探測(cè)深度。另外傳統(tǒng)的檢測(cè)方法需要接收幾十個(gè)甚至更多個(gè)周期的原始信號(hào)進(jìn)行求均值，才能得到目標(biāo)信號(hào)，因此信號(hào)采集時(shí)間比較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)采集量比較大。隨機(jī)共振系統(tǒng)是用于弱信號(hào)檢測(cè)的方法之一。隨機(jī)共振描述了過阻尼布朗粒子隨機(jī)噪聲和周期激勵(lì)共同作用下，在非線性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中所發(fā)生的躍遷現(xiàn)象。一般以非線性朗之萬方程作為研究隨機(jī)共振的理論模型。當(dāng)外界輸入信號(hào)，并且噪聲逐漸增加時(shí)，由于信號(hào)和噪聲協(xié)同作用引發(fā)勢(shì)阱觸發(fā)，使得粒子能夠在兩個(gè)勢(shì)阱之間反復(fù)躍遷。由于雙穩(wěn)態(tài)之間的電勢(shì)差遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)的幅值，從而使輸出信號(hào)幅值大于輸入信號(hào)幅值，起到了對(duì)輸入信號(hào)有效的放大作用。同時(shí)因系統(tǒng)輸出狀態(tài)有規(guī)則的變化，能夠有效地抑制系統(tǒng)輸出狀態(tài)中的噪聲量，使系統(tǒng)輸出信噪比(SNR)得到有效提高?；谒碾ARimge-Kutta算法進(jìn)行隨機(jī)共振應(yīng)用于弱信號(hào)探測(cè)的數(shù)值計(jì)算研究，在適當(dāng)選擇系統(tǒng)參數(shù)和噪聲強(qiáng)度時(shí)，通過隨機(jī)共振可以將淹沒于強(qiáng)噪聲背景中的低頻(頻率小于0.IHz)弱信號(hào)清楚地識(shí)別出來。但是當(dāng)被探測(cè)的強(qiáng)噪聲背景下弱信號(hào)頻率較高(頻率大于0.IHz)時(shí)，直接數(shù)值計(jì)算表明無論是保持上述系統(tǒng)參數(shù)不變還是適當(dāng)改變系統(tǒng)參數(shù)及噪聲強(qiáng)度，均無法實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振，輸出狀態(tài)的時(shí)域表明布朗粒子處于單阱中振蕩。輸入信號(hào)頻率的增加導(dǎo)致產(chǎn)生隨機(jī)共振的輸入信號(hào)幅度閾值增加，需要信號(hào)輸入幅值較大，才可能在隨機(jī)共振系統(tǒng)發(fā)生隨機(jī)共振。而強(qiáng)噪聲背景下的弱信號(hào)本身的信號(hào)幅值過小，難于產(chǎn)生隨機(jī)共振；另外因?yàn)椴祭柿Ｗ釉陔p阱之間的躍遷速率跟不上大頻率的外加驅(qū)動(dòng)力，也是不能產(chǎn)生隨機(jī)共振的原因。瞬變電磁探測(cè)所得目標(biāo)信號(hào)就是在強(qiáng)噪聲背景中的弱信號(hào)，且并非只是低頻信號(hào)，現(xiàn)有的能夠有效識(shí)別弱信號(hào)的隨機(jī)共振方法對(duì)瞬變電磁探測(cè)的弱信號(hào)檢測(cè)無能為力。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種隨機(jī)共振瞬變電磁弱信號(hào)檢測(cè)方法，采用尺度變換，將瞬變電磁檢測(cè)接收的噪聲中的大頻率弱目標(biāo)信號(hào)的頻率降低若干個(gè)數(shù)量級(jí)，直至滿足隨機(jī)共振條件，產(chǎn)生共振后提高信噪比，提取時(shí)域壓縮后的目標(biāo)信號(hào)，再還原得到目標(biāo)信號(hào)頻本發(fā)明隨機(jī)共振瞬變電磁弱信號(hào)檢測(cè)方法，瞬變電磁探測(cè)接收信號(hào)為ns(t)，ns(t)=s(t)+n(t),s(t)為目標(biāo)信號(hào)，s(t)=ΣAiCos(w,t+0為多個(gè)頻率信號(hào)，其中=Ai為目標(biāo)信號(hào)幅度,Wi為目標(biāo)信號(hào)頻率，Wi范圍是IX10_43HZ的全頻段，Oi為目標(biāo)信號(hào)相位角。n(t)是均值為O、強(qiáng)度為D的高斯白噪聲。所用隨機(jī)共振系統(tǒng)以非線性朗之萬方程為基石出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中V(x)表示映像對(duì)稱平方勢(shì)。ν{χ)=~χ2+^χΛ(2)式(1)可寫為x=ax-bxi+s(t)+n(t)(3)其中，χ為系統(tǒng)輸出，a、b為非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，η(t)是均值為O、噪聲強(qiáng)度為D的高斯分布白噪聲，當(dāng)s(t)=Αοο8(ω+Φ)時(shí)，輸入外力為高斯噪聲驅(qū)動(dòng)的余弦信號(hào)，調(diào)整參數(shù)a、b，該余弦信號(hào)可在雙阱之間的躍遷，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)共振。ω為信號(hào)頻率，Φ為信號(hào)相位角，A為信號(hào)幅度，A和D的單位均為任意單位。沒有信號(hào)和噪聲輸入時(shí)，方程(3)描述了一個(gè)有兩個(gè)對(duì)稱勢(shì)阱的非線性系統(tǒng)，其底部位于xu位置，而中央勢(shì)壘高度為AV=0.25a2/bo本方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行尺度變換，即令時(shí)域信號(hào)ns(t)的頻域?yàn)镹S(jw)，ns(mt)的頻1w域?yàn)?；j-，式中m為非零常數(shù)。時(shí)域信號(hào)壓縮m倍，在頻域中其頻譜就擴(kuò)展m倍，反之亦然。從而將瞬變電磁檢測(cè)接收的噪聲中的大頻率弱目標(biāo)信號(hào)的頻率降低至小于0.IHz,輸入隨機(jī)共振系統(tǒng)，產(chǎn)生共振后，提取時(shí)域壓縮后的目標(biāo)信號(hào)的共振頻率，再還原得到目標(biāo)信號(hào)頻譜。本瞬變電磁弱信號(hào)隨機(jī)共振檢測(cè)方法具體實(shí)施步驟如下步驟I將信號(hào)ns(t)輸入隨機(jī)共振系統(tǒng)；步驟II判斷系統(tǒng)是否共振，若發(fā)生共振，則保存引起共振的頻率&；否則，跳轉(zhuǎn)到步驟IV；判斷系統(tǒng)是否共振的方法首先，將噪聲n(t)輸入隨機(jī)共振系統(tǒng)，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)，得到噪聲平均功率譜強(qiáng)度pn;n(t)通過普遍采用的矩陣實(shí)驗(yàn)室(MATLAB)軟件自帶的庫函數(shù)生成；然后，將信號(hào)ns(t)輸入共振系統(tǒng)，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)，當(dāng)輸出信號(hào)的功率譜中檢測(cè)到有滿足功率譜強(qiáng)度々>300x乃的頻率fp即為發(fā)生了共振，共振頻率為&。步驟III在ns(t)中，濾除步驟II中檢測(cè)到的所有共振頻率fi，得到新的ns(t)，跳轉(zhuǎn)到步驟I；步驟IV令m為記錄壓縮倍數(shù)的標(biāo)記，初值為l，m=mXN，N為正整數(shù)，一般選擇N=10。如果m小于目標(biāo)信號(hào)最高頻率的10100倍，用尺度變換將信號(hào)ns(t)頻域壓縮m倍，得到新的ns(t)，之后跳轉(zhuǎn)到步驟I；如果m大于或等于目標(biāo)信號(hào)最高頻率的10100倍，跳轉(zhuǎn)到步驟V；針對(duì)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，可以估計(jì)待測(cè)的目標(biāo)信號(hào)的頻率范圍，為了保證把目標(biāo)信號(hào)全部提取出來，將估計(jì)的待測(cè)目標(biāo)信號(hào)的最高頻率擴(kuò)大10100倍，作為m的上限值。步驟V對(duì)各共振頻率&進(jìn)行還原，即各共振頻率&分別乘以獲得該共振頻率時(shí)的m值，得到目標(biāo)信號(hào)的真實(shí)頻率。本發(fā)明瞬變電磁弱信號(hào)隨機(jī)共振檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)為1、針對(duì)傳統(tǒng)隨機(jī)共振系統(tǒng)只適用于低頻信號(hào)的局限，引入尺度變換，消除隨機(jī)共振系統(tǒng)對(duì)待檢瞬變電磁信號(hào)的頻率限制，準(zhǔn)確檢測(cè)得到其中的弱目標(biāo)信號(hào)；2、本法能在信噪比為-IOOdB的強(qiáng)噪聲背景下，提取出目標(biāo)信號(hào)，為提取深層目標(biāo)信號(hào)提供了可能，從而使瞬變電磁探測(cè)儀器的探測(cè)深度加大，探測(cè)精度提高，且效果穩(wěn)定；可用于工程勘探和環(huán)境勘探，探測(cè)良導(dǎo)性礦體埋深和產(chǎn)狀，探測(cè)蘊(yùn)礦構(gòu)造；3、數(shù)據(jù)采集時(shí)間短，采用本法只需接收4到8個(gè)周期的原始信號(hào)就能準(zhǔn)確的提取目標(biāo)信號(hào)，在提取相同精度的目標(biāo)信號(hào)情況下，本算法數(shù)據(jù)采集量和采集時(shí)間都縮小了數(shù)十倍；4、本法對(duì)水層回波信號(hào)敏感，故特別適用于在地面探測(cè)含水層，斷層含水性，煤層結(jié)構(gòu)和陷落區(qū)；在井下探測(cè)采區(qū)內(nèi)部和外圍以及掘進(jìn)頭前方的儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)；探測(cè)老窯及其含水性。圖1為本瞬變電磁弱信號(hào)隨機(jī)共振檢測(cè)方法實(shí)施例的流程圖；圖2為本瞬變電磁弱信號(hào)隨機(jī)共振檢測(cè)方法實(shí)施例中接收原始信號(hào)時(shí)域圖；圖3為本瞬變電磁弱信號(hào)隨機(jī)共振檢測(cè)方法實(shí)施例中從原始信號(hào)中提取的目標(biāo)信號(hào)時(shí)域圖；圖4為本瞬變電磁弱信號(hào)隨機(jī)共振檢測(cè)方法實(shí)施例中提取的目標(biāo)信號(hào)反演效果圖。具體實(shí)施例方式本隨機(jī)共振瞬變電磁弱信號(hào)檢測(cè)方法實(shí)施例為某地地質(zhì)實(shí)地勘測(cè)中使用情況，瞬變電磁探測(cè)接收信號(hào)為ns(t)，ns(t)=s(t)+n(t)，s⑴為目標(biāo)信號(hào)，s(t)=ΣAiCos(w,t)為多個(gè)頻率信號(hào)，其中=Ai為目標(biāo)信號(hào)幅度，其大小對(duì)系統(tǒng)影響很小，不作考慮，Wi為目標(biāo)信號(hào)頻率，Wi范圍是IHz100000Hz。n(t)是強(qiáng)度為D48.5的高斯白噪聲，由于從瞬變電磁探測(cè)接收信號(hào)是強(qiáng)噪聲背景下的含噪信號(hào)，相對(duì)噪聲來說目標(biāo)信號(hào)能量很小，所以噪聲強(qiáng)度用接收的含噪信號(hào)的強(qiáng)度近似，本例含噪信號(hào)強(qiáng)度為48.5。所用隨機(jī)共振系統(tǒng)為x^ax-bxi+s{t)+n(t)其中，χ為系統(tǒng)輸出，a、b為非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，η(t)是均值為0、噪聲強(qiáng)度為D的高斯分布白噪聲，當(dāng)s(t)=Αοο8(ω+Φ)時(shí)，輸入外力為高斯噪聲驅(qū)動(dòng)的余弦信號(hào)，ω為信號(hào)頻率，Φ為信號(hào)相位角，A為信號(hào)幅度，A和D的單位均為任意單位。根據(jù)噪聲強(qiáng)度D調(diào)整a、b使得隨機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生共振，本例a=0.1，b=1。本瞬變電磁弱信號(hào)隨機(jī)共振檢測(cè)方法實(shí)施步驟如圖1所示，具體如下步驟I將信號(hào)ns(t)輸入隨機(jī)共振系統(tǒng)；步驟II判斷系統(tǒng)是否共振，若發(fā)生共振，則保存引起共振的頻率&；否則，跳轉(zhuǎn)到步驟IV；判斷系統(tǒng)是否共振的方法首先，將噪聲輸入隨機(jī)共振系統(tǒng)，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)，得到噪聲平均功率譜強(qiáng)度Pn;然后，將信號(hào)ns(t)輸入共振系統(tǒng)，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)，當(dāng)輸出信號(hào)的功率譜中檢測(cè)到有滿足功率譜強(qiáng)度A>300χΡ的頻率fi，即為發(fā)生了共振，共振頻率為&。步驟III在ns(t)中，濾除步驟II中檢測(cè)到的所有共振頻率fi，得到新的ns(t)，跳轉(zhuǎn)到步驟I；步驟IV令m為記錄壓縮倍數(shù)的標(biāo)記，初值為1，m=mX10，當(dāng)m小于目標(biāo)信號(hào)的最高頻率fm=100000的100倍，S卩小于107，用尺度變換將信號(hào)ns(t)頻域壓縮m倍，本例共進(jìn)行了6次壓縮，6次得到新的ns(t)后跳轉(zhuǎn)到步驟I；當(dāng)?shù)?次進(jìn)入本步驟m=10000000，等于目標(biāo)信號(hào)最高頻率的100倍，不再進(jìn)行壓縮，跳轉(zhuǎn)到步驟V；步驟V對(duì)各次壓縮得到的共振頻率進(jìn)行還原，即各共振頻率&分別乘以獲得該共振頻率時(shí)的m值，得到目標(biāo)信號(hào)的真實(shí)頻率。本例實(shí)測(cè)結(jié)果如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>瞬變電磁儀接收機(jī)采用了本發(fā)明的基于尺度變換的隨機(jī)共振瞬變電磁弱信號(hào)檢測(cè)方法編制的軟件，在廣西右江礦務(wù)局的里拉礦進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)驗(yàn)證。圖2為瞬變電磁儀接收機(jī)接收的原始信號(hào)時(shí)域圖，圖中縱坐標(biāo)為接收信號(hào)的電壓值、單位為微伏，橫坐標(biāo)為時(shí)間、單位為秒，圖3為采用本發(fā)明方法在接收的原始信號(hào)中提取的目標(biāo)信號(hào)時(shí)域圖，縱橫坐標(biāo)與圖2相同；圖4為對(duì)本發(fā)明方法提取的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行反演并用地質(zhì)繪圖軟件(SURFER軟件)繪制的效果圖，圖中顯示測(cè)線上測(cè)點(diǎn)80至240所在位置地下100米至200米之間有低阻異常，實(shí)地情況為測(cè)點(diǎn)80至240所在位置地下100米至200米之間有個(gè)水倉，反演結(jié)果與實(shí)地情況很好的吻合。上述實(shí)施例，僅為對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說明的具體個(gè)例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求隨機(jī)共振瞬變電磁弱信號(hào)檢測(cè)方法，瞬變電磁探測(cè)接收信號(hào)為ns(t)，ns(t)＝s(t)+n(t)，s(t)為目標(biāo)信號(hào)，s(t)＝∑Aicos(wit+Φi)為多個(gè)頻率信號(hào)，其中Ai為目標(biāo)信號(hào)幅度，wi為目標(biāo)信號(hào)頻率，wi范圍是1×10-4～3Hz的全頻段，Φi為目標(biāo)信號(hào)相位角；n(t)是均值為0、強(qiáng)度為D的高斯白噪聲；所用隨機(jī)共振系統(tǒng)以非線性朗之萬方程為基礎(chǔ)<mrow><mover><mi>x</mi><mo>&OverBar;</mo></mover><mo>=</mo><mi>ax</mi><mo>-</mo><msup><mi>bx</mi><mn>3</mn></msup><mo>+</mo><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>其中，x為系統(tǒng)輸出，a、b為非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)s(t)＝Acos(ωt+φ)時(shí)，輸入外力為高斯噪聲驅(qū)動(dòng)的余弦信號(hào)，ω為信號(hào)頻率，φ為信號(hào)相位角，A為信號(hào)幅度，A和D的單位均為任意單位；其特征在于對(duì)瞬變電磁探測(cè)接收信號(hào)進(jìn)行尺度變換，即令時(shí)域信號(hào)ns(t)的頻域?yàn)镹S(jw)，ns(mt)的頻域?yàn)槭街衜為非零常數(shù)，時(shí)域信號(hào)壓縮m倍，在頻域中其頻譜就擴(kuò)展m倍，從而將瞬變電磁檢測(cè)接收的噪聲中的大頻率弱目標(biāo)信號(hào)的頻率降低至小于0.1Hz輸入隨機(jī)共振系統(tǒng)，產(chǎn)生共振后，提取時(shí)域壓縮后的目標(biāo)信號(hào)的共振頻率，再還原得到目標(biāo)信號(hào)頻譜。FSA00000121480700012.tif2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機(jī)共振瞬變電磁弱信號(hào)檢測(cè)方法，其特征在于具體實(shí)施步驟如下步驟I將信號(hào)ns(t)輸入隨機(jī)共振系統(tǒng)；步驟II判斷系統(tǒng)是否共振，若發(fā)生共振，則保存引起共振的頻率；否則，跳轉(zhuǎn)到步驟IV；步驟III在ns(t)中，濾除步驟II中檢測(cè)到的所有共振頻率fi，得到新的ns(t)，跳轉(zhuǎn)到步驟I；步驟IV令m為記錄壓縮倍數(shù)的標(biāo)記，初值為1，m=mXN，N為正整數(shù)，如果m小于目標(biāo)信號(hào)最高頻率的10100倍，用尺度變換將信號(hào)ns(t)頻域壓縮m倍，得到新的ns(t)，之后跳轉(zhuǎn)到步驟I；如果m大于或等于目標(biāo)信號(hào)最高頻率的10100倍，跳轉(zhuǎn)到步驟V；步驟V對(duì)各共振頻率A進(jìn)行還原，即各共振頻率A分別乘以獲得該共振頻率時(shí)的m值，得到目標(biāo)信號(hào)的真實(shí)頻率。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的隨機(jī)共振瞬變電磁弱信號(hào)檢測(cè)方法，其特征在于所述步驟II中判斷系統(tǒng)是否共振的方法如下首先，將噪聲η(t)輸入隨機(jī)共振系統(tǒng)，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)，得到噪聲平均功率譜強(qiáng)度Pn；然后，將信號(hào)ns(t)輸入共振系統(tǒng)，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)，當(dāng)輸出信號(hào)的功率譜中檢測(cè)到有滿足功率譜強(qiáng)度A>300x忍的頻率fp即為發(fā)生了共振，共振頻率為&。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的隨機(jī)共振瞬變電磁弱信號(hào)檢測(cè)方法，其特征在于所述步驟IV中N=10。全文摘要本發(fā)明為隨機(jī)共振瞬變電磁弱信號(hào)檢測(cè)方法，瞬變電磁探測(cè)接收信號(hào)為ns(t)，ns(t)＝s(t)+n(t)，s(t)為目標(biāo)信號(hào)，本方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行尺度變換，即令時(shí)域信號(hào)ns(t)的頻域?yàn)镹S(jw)，ns(mt)的頻域?yàn)槭街衜為非零常數(shù)。時(shí)域信號(hào)壓縮m倍，在頻域中其頻譜就擴(kuò)展m倍。從而將瞬變電磁檢測(cè)接收的噪聲中的大頻率弱目標(biāo)信號(hào)的頻率降低至小于0.1Hz，輸入隨機(jī)共振系統(tǒng)，產(chǎn)生共振后提取時(shí)域壓縮后的目標(biāo)信號(hào)，再還原得到目標(biāo)信號(hào)頻譜。先將噪聲輸入隨機(jī)共振系統(tǒng)，得到噪聲平均功率譜強(qiáng)度Pn；然后，將信號(hào)輸入共振系統(tǒng)，當(dāng)輸出信號(hào)的功率譜中滿足功率譜強(qiáng)度的頻率fi為共振頻率。對(duì)各共振頻率fi進(jìn)行還原，得到目標(biāo)信號(hào)的真實(shí)頻率。本法消除隨機(jī)共振系統(tǒng)對(duì)待檢瞬變電磁信號(hào)的頻率限制，準(zhǔn)確檢得弱目標(biāo)信號(hào)。文檔編號(hào)G01R29/08GK101825665SQ20101018708公開日2010年9月8日申請(qǐng)日期2010年5月28日優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日發(fā)明者葉金才,張發(fā)全,張海如,歐陽繕,王國(guó)富申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)