基于三分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電子信息技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于=分岔決策樹的極低頻信號檢 測與速度估計(jì)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在管道檢測工業(yè)中，通常采用極低頻磁信號的發(fā)射與接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管內(nèi)機(jī)器人的 管外跟蹤?；跇O低頻磁信號的管外跟蹤原理是通過安裝在管道機(jī)器人上的磁管道機(jī)器人 在發(fā)射線圈上激勵出極低頻磁信號，當(dāng)機(jī)器人通過放置在地表的接收機(jī)下方時，接收機(jī)首 先對感應(yīng)線圈上的輸出信號進(jìn)行窄帶濾波與放大得到調(diào)理后的接收信號，其次根據(jù)調(diào)理后 的接收信號實(shí)時判定是否有管道機(jī)器人通過，同時估計(jì)管道機(jī)器人的移動速度、接收信號 f目噪比等關(guān)鍵f目息。
[0003] 其中，調(diào)理后的接收信號沿管道平行方向上的強(qiáng)度最大，其包絡(luò)呈明顯的單峰對 稱性。為提升油氣的輸送效率，目前普遍采用加壓提速措施。隨著油氣管道傳輸速率的不 斷提升，裝在管道機(jī)器人上的磁管道機(jī)器人移動速度也不斷提高，例如從原來的2m/s-5m/s 提高到5m/s-15m/s，導(dǎo)致接收信號的持續(xù)時間縮短，信號包絡(luò)的波峰寬度變窄，呈現(xiàn)明顯的 瞬態(tài)性，并且為提升油氣的輸送總量，新建管道普遍采用大管徑、厚壁厚的鐵磁性管道，導(dǎo) 致信號穿越管道及掩埋介質(zhì)過程中受到更大的傳輸衰減，同時為保證運(yùn)行時長，磁管道機(jī) 器人的發(fā)射功率有限，因此接收信號為含噪的微弱信號。因此，上述跟蹤與在線監(jiān)測問題歸 結(jié)為地面上的接收機(jī)對管道內(nèi)磁管道機(jī)器人發(fā)出的極低頻磁信號進(jìn)行實(shí)時處理問題，其本 質(zhì)是對窄帶噪聲中含有未知參數(shù)的瞬態(tài)微弱確定性信號進(jìn)行實(shí)時估計(jì)與檢測。
[0004]目前現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是；現(xiàn)有的極低頻跟蹤系統(tǒng)的接收機(jī)主要基于信號的幅值與 持續(xù)時間進(jìn)行檢測，其在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會出現(xiàn)誤報和漏報，且無法檢測快速移動的管道 機(jī)器人，也無法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的在線監(jiān)測功能，無法滿足管道機(jī)器人的實(shí)時、在線跟蹤與監(jiān) 測要求，因此有待改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0006] 為此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于=分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估 計(jì)裝置，該裝置可W實(shí)現(xiàn)極低頻瞬態(tài)微弱信號的實(shí)時跟蹤與關(guān)鍵參數(shù)的在線監(jiān)測，結(jié)構(gòu)簡 單。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種基于S分岔決策樹的極低頻信號檢測 與速度估計(jì)裝置，包括；模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)于Morlet小波包絡(luò)建立信號模型，W通過 所述信號模型將極低頻信號的瞬態(tài)特性W包絡(luò)衰減速率表示；結(jié)構(gòu)建立模塊，用于根據(jù)所 述包絡(luò)衰減速率建立具有迭代特征的=分岔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；決策方法生成模塊，用于根據(jù)所述 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所述最小二乘準(zhǔn)則生成決策方法；信號能量估計(jì)模塊，用于根據(jù)所述決策方法 得到所述極低頻信號的能量估計(jì)量；停止條件生成模塊，用于根據(jù)信號相似度生成迭代停 止條件，w確定所述=分岔決策樹的迭代停止時刻，其中，所述信號相似度由所述能量估計(jì) 量和接收信號能量之比得到；估計(jì)模塊，用于根據(jù)所述信號模型、所述=分岔決策樹拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)、所述決策方法和所述迭代停止條件生成極低頻信號源的移動速度和接收信噪比的估計(jì) 方法，W對所述極低頻信號進(jìn)行參數(shù)估計(jì)；W及檢測模塊，用于根據(jù)所述信號模型、所述= 分岔決策樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、所述決策方法、所述迭代停止條件和所述能量估計(jì)量獲取檢測統(tǒng)計(jì) 量，W對所述極低頻信號進(jìn)行信號檢測。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的基于=分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置， 通過S分岔決策樹包括基于Morlet小波包絡(luò)的信號模型、S分岔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、快速決策算法 和迭代停止條件，W在Morlet小波包絡(luò)信號模型中，采用包絡(luò)衰減速率表征極低頻信號的 瞬態(tài)特性，并根據(jù)包絡(luò)衰減速率建立具有迭代特征的=分岔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而實(shí)時捜索和估 計(jì)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，并提取被噪聲淹沒的微弱信號，并實(shí)時估計(jì)出極低頻信號源的移動速度， 迭代過程由基于最小二乘準(zhǔn)則的快速決策算法進(jìn)行，最后由基于信號相似度的迭代停止條 件決定的=分岔決策樹的迭代停止時刻，具有迭代計(jì)算量少，收斂速度快、估計(jì)的關(guān)鍵參數(shù) 準(zhǔn)確且有效，提取微弱信號能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，提高了對極低頻信號的估計(jì)性能和檢測性能，提 高了估計(jì)的精確度，保證檢測的實(shí)時性，從而實(shí)現(xiàn)極低頻瞬態(tài)微弱信號的實(shí)時跟蹤與關(guān)鍵 參數(shù)的在線監(jiān)測。
[0009] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的基于=分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì) 裝置還可W具有如下附加的技術(shù)特征：
[0010] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述信號模型為：
[0011]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于三分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置，其特征在于，包括： 模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)于Morlet小波包絡(luò)建立信號模型，以通過所述信號模型將極 低頻信號的瞬態(tài)特性以包絡(luò)衰減速率表示； 結(jié)構(gòu)建立模塊，用于根據(jù)所述包絡(luò)衰減速率建立具有迭代特征的三分岔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 決策方法生成模塊，用于根據(jù)所述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所述最小二乘準(zhǔn)則生成決策方法； 信號能量估計(jì)模塊，用于根據(jù)所述決策方法得到所述極低頻信號的能量估計(jì)量； 停止條件生成模塊，用于根據(jù)信號相似度生成迭代停止條件，以確定所述三分岔決策 樹的迭代停止時刻，其中，所述信號相似度由所述能量估計(jì)量和接收信號能量之比得到； 估計(jì)模塊，用于根據(jù)所述信號模型、所述三分岔決策樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、所述決策方法和所述 迭代停止條件生成極低頻信號源的移動速度和接收信噪比的估計(jì)方法，以對所述極低頻信 號進(jìn)行參數(shù)估計(jì)；以及 檢測模塊，用于根據(jù)所述信號模型、所述三分岔決策樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、所述決策方法、所述 迭代停止條件和所述能量估計(jì)量獲取檢測統(tǒng)計(jì)量，以對所述極低頻信號進(jìn)行信號檢測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置，其特 征在于，所述信號模型為：
其中，η為正弦函數(shù)的窗口變量，COtl為信號的角頻率，f ^為信號頻率，f s為采樣頻率，A 為信號包絡(luò)的幅值，β為信號主瓣波形的包絡(luò)衰減速率，N為采樣窗口長度，％為初相位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于三分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置，其特 征在于，還包括： 觀測矩陣建立模塊，在對于所述接收信號采用所述最小二乘準(zhǔn)則使誤差函數(shù)最小時， 用于建立觀測矩陣，以降低所述能量估計(jì)量與所述接收信號能量之間誤差。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于三分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置，其特 征在于，所述觀測矩陣為：
在對于所述接收信號采用所述最小二乘準(zhǔn)則使誤差函數(shù)最小時，等效于以下公式最 大，所述公式為：
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置，其特 征在于，對所述三分岔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的每一個節(jié)點(diǎn)采用根據(jù)最小二乘準(zhǔn)則的決策方法計(jì)算所 述能量估計(jì)量，并以三個子節(jié)點(diǎn)信號相似度中最大值的節(jié)點(diǎn)為決策方向。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于三分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置，其特 征在于，所述接收信噪比的估計(jì)公式為：
其中，6為輸入信號中同頻窄帶噪聲的方差。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于三分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置，其特 征在于，所述檢測模塊還用于根據(jù)所述能量估計(jì)量建立檢測判決的假設(shè)檢驗(yàn)問題。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于三分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置，其特 征在于，所述假設(shè)檢驗(yàn)問題為：
其中，f為判決門限，戶為能量估計(jì)值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于三分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置，其特 征在于，當(dāng)#大于等于f時，判決信號存在，假設(shè)H 1成立；反之判決信號不存在，假設(shè)H ^成 立。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置，其 特征在于，所述結(jié)構(gòu)建立模塊還用于將所述包絡(luò)衰減速率進(jìn)行三等分處理。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三分岔決策樹的極低頻信號檢測與速度估計(jì)裝置，包括：模型構(gòu)建模塊，建立信號模型；結(jié)構(gòu)建立模塊，建立具三分岔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；決策方法生成模塊，生成決策方法；信號能量估計(jì)模塊，得到極低頻信號的能量估計(jì)量；停止條件生成模塊，生成迭代停止條件；估計(jì)模塊，對極低頻信號進(jìn)行參數(shù)估計(jì)；檢測模塊，對極低頻信號進(jìn)行信號檢測。本發(fā)明實(shí)施例的裝置可以提高對極低頻信號的估計(jì)性能和檢測性能，提高估計(jì)的精確度，保證檢測的實(shí)時性，從而實(shí)現(xiàn)極低頻瞬態(tài)微弱信號的實(shí)時跟蹤與關(guān)鍵參數(shù)的在線監(jiān)測。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104866661
【申請?zhí)枴緾N201510247062
【發(fā)明人】郭靜波, 樸冠宇
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月14日