一种磁异常检测方法、系统及存储介质与流程

1.本发明涉及磁异常检测技术领域，尤其涉及一种磁异常检测方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.磁异常检测技术通常利用能量信号作为检测值，主要以标准正交基分解 (obf)方法为代表，该方法主要是针对高斯白噪声条件下的磁偶极子目标，利用匹配滤波的思想实现提升信噪比的目的。
3.现有的标准正交基分解(obf)方法需要预先计算不同特征时间对应的3 个正交基底，虽然检测性能好，但是计算量较大。同时现有的标准正交基分解(obf)方法不能很好地适应不同条件下的目标检测。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种磁异常检测方法、系统及存储介质，用以有效提高磁异常检测的信噪比。
5.根据本发明实施例提出的一种磁异常检测方法，包括：
6.获取磁传感器的探测信号，并将所述探测信号进行离散采样获得离散信号；
7.根据所述离散信号的采样频率和积累时间确定对应的积累点数；
8.基于所述积累点数和所述离散信号对应的积累信号确定检测信号，并利用预设检测方法完成信号检测。
9.在一实施方式中，获取磁传感器的接收信号之前，所述方法还包括：
10.基于运动坐标系，分别建立磁矩矢量、地磁场对应的单位矢量；
11.基于磁偶极子模型确定的空间任一点处的磁场强度以及所述磁矩矢量、地磁场对应的单位矢量建立安德森函数形式的探测信号模型。
12.在一实施方式中，建立安德森函数形式的探测信号模型之后，所述方法还包括：基于所述安德森函数计算第一信号有效时间。
13.在一实施方式中，所述探测信号包括目标信号和环境噪声，所述将所述探测信号进行离散采样获得离散信号包括：
14.所述目标信号和所述环境噪声进行离散采样，并通过所述积累点数表述，获得离散信号。
15.在一实施方式中，所述根据所述离散信号的采样频率和积累时间确定对应的积累点数包括：
16.根据所述采样频率和积累时间的乘积确定所述积累点数。
17.在一实施方式中，基于所述积累点数和所述离散信号确定检测信号之前，所述方法还包括：
18.建立所述积累时间内的第二目标信号；
19.以所述第二目标信号的第二有效时间与所述第一有效时间的一致性，和，所述第二目标信号在所述第二有效时间内的峰值衰减最小为目标，计算所述积累时间和所述积累点数。
20.在一实施方式中，所述基于所述积累点数和所述离散信号对应的积累信号确定检测信号，并利用预设检测方法完成信号检测包括：
21.以所述积累信号的平方作为检测变量，并利用平方律检测方法求取检测门限，以完成信号检测。
22.根据本发明实施例提出的一种磁异常检测系统，包括：
23.接口，被配置为获取磁传感器的探测信号；
24.处理器，被配置为将所述探测信号进行离散采样获得离散信号，并根据所述离散信号的采样频率确定对应的积累点数；以及，
25.基于所述积累点数和所述离散信号对应的积累信号确定检测信号，并利用预设检测方法完成信号检测。
26.根据本发明实施例提出的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的磁异常检测方法的步骤。
27.本发明实施例通过根据离散信号的采样频率确定对应的积累点数；基于积累点数和离散信号对应的积累信号确定检测信号，并利用预设检测方法完成信号检测，由此有效提高了磁异常检测的信噪比。
28.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
29.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
30.图1为本实施例示意的磁异常检测方法基本流程图；
31.图2为本实施例示意的磁异常检测方法的坐标示意图；
32.图3为本实施例示意的磁异常检测方法的安德森函数仿真图形；
33.图4为本实施例示意的磁异常检测方法的λ(ωc)曲线；
34.图5为本实施例示意的磁异常检测方法的检测流程图；
35.图6为本实施例示意的磁异常检测方法的目标信号和噪声信号示意图；
36.图7为本实施例示意的磁异常检测方法的不同积累时间对应的检测量；
37.图8为本实施例示意的磁异常检测方法检测性能对比。
具体实施方式
38.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围
完整的传达给本领域的技术人员。
39.根据本发明实施例提出的一种磁异常检测方法，如图1所示，可以执行如下步骤：
40.s101、获取磁传感器的探测信号，并将所述探测信号进行离散采样获得离散信号。本实施例中假设磁传感器接收信号为：
41.x(t)＝s(t) e(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
42.其中，s(t)为目标信号，e(t)为环境噪声。环境噪声e(t)通常可以看作是近似零均值的高斯白噪声，对于离散采样，每个采样点的噪声都可以看作是独立的，如果信号是相干的，则可以通过时间积累方法提高信噪比。
43.x(t)离散后的离散信号x(n)可以表述为
44.x(n)＝s(n) e(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
45.其中，s(n)表示目标信号的离散信号，e(n)表示环境噪声的离散信号。
46.信号对应的积累信号确定检测信号，并利用预设检测方法完成信号检测。
47.本示例中可以设积累信号xc(k)为：
48.xc(k)＝sc(k) ec(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
49.其中，sc(k)、ec(k)分别为目标信号的积累信号和环境噪声的积累信号，且满足nc表示积累点数， k表示积累信号的离散时间点。通过求取积累点数nc的值确定积累信号xc(k)，由此可以利用预设检测方法完成磁异常检测。
50.s102、根据所述离散信号的采样频率和积累时间确定对应的积累点数。根据前述离散信号，可以求取积累点数nc的值。
51.s103、基于所述积累点数和所述离散信号对应的积累信号确定检测信号，并利用预设检测方法完成信号检测。本示例中通过根据离散信号的采样频率和积累时间确定对应的积累点数；基于积累点数和离散信号对应的积累信号确定检测信号，并利用预设检测方法完成信号检测，由此有效提高了磁异常检测的信噪比。
52.在一实施方式中，获取磁传感器的接收信号之前，所述方法还包括：
53.基于运动坐标系，分别建立磁矩矢量、地磁场对应的单位矢量；
54.基于磁偶极子模型确定的空间任一点处的磁场强度以及所述磁矩矢量、地磁场对应的单位矢量建立安德森函数形式的探测信号模型。
55.本示例中，首先建立目标信号模型
56.假设平台以速度v直线匀速航行，航行时间为t。建立运动坐标系，定义目标处为原点，平台运动方向为x轴，磁偶极子到飞行轨迹的垂线为z轴， y轴符合右手定则，运动坐标系如图2所示。
57.飞行轨迹上的点在运动坐标系中的坐标为：x＝vt，y＝0，z＝r0，r0是磁偶极子在最近距离点(cpa)的斜距(cpa前为负，后为正)，则在运动坐标系中平台到目标的距离矢量为r＝i'
·
(vt)
·
k'r0。
58.让lm、mm、nm表示磁矩矢量m在运动坐标系中的方向余弦，le、me、 ne表示地磁场be在运动坐标系中的方向余弦。定义i、j、k为运动坐标系中三个坐标轴的单位矢量，则有：
[0059][0060][0061]
则磁矩单位矢量和地磁单位矢量表示如下：
[0062]
m/|m|＝i
·
lm j
·mm
k
·
nmꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0063]
be/|be|＝i
·
le j
·
me k
·
neꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0064]
由磁偶极子模型可知，空间任一点处的磁场强度为：
[0065][0066]
其中，μ0是真空中的磁导率，r为距离矢量r模值。
[0067]
在运动坐标系中，磁矩矢量m和距离矢量r的夹角余弦为： cosθ＝lm·
(vt/r) nm·
(r0/r)，可以得到：
[0068][0069]
其中，m为磁矩矢量m模值。
[0070]
则探测得到的标量信号s＝bs
·
be/|be|，可以得到探测信号为：
[0071][0072]
令r＝[(vt)2 r
02
]
1/2
和ω＝vt/r0，s可以重写如下
[0073][0074]
其中，
[0075][0076]fi
(ω)＝ωi/(1 ω2)
2.5
,i＝0,1,2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0077]
式(13)称之为安德森函，图形如图3所示，其中3a、3b、3c分别为f0(ω)、 f1(ω)、f2(ω)的图形。
[0078]
在一实施方式中，可以在建立安德森函数形式的探测信号模型之后，基于所述安德森函数计算第一信号有效时间。本实施例中，可以根据公式(13)可以求解出三个安德森函数的最值分别为：
[0079][0080]
显然，f0(ω)在三个安德森函数中占主导地位。因此，定义磁异常信号有效时间t0满足如下条件：取f0(ω)的值衰减到其最大值的1/α时对应的ω值，记为ω＝ω
t
，利用ω＝vt/r0，计算得到的时间为信号有效时间。
[0081]
可以得到信号有效时间t0为：
[0082]
t0＝ω
t
r0/v
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0083]
可见，目标信号有效时间是和r0/v有关的量，并且可以看出，固定速度下，r0越大，信号有效时间越大；固定r0下，v越大，信号有效时间越小。
[0084]
在一实施方式中，所述探测信号包括目标信号和环境噪声，所述将所述探测信号进行离散采样获得离散信号包括：所述目标信号和所述环境噪声进行离散采样，并通过所述积累点数表述，获得离散信号。所获得的离散信号 x(n)满足公式(2)，积累信号满足公式(3)。
[0085]
在一实施方式中，所述根据所述信号的采样频率和积累时间确定对应的积累点数包括：
[0086]
根据所述采样频率和积累时间的乘积确定所述积累点数。
[0087]
本实施例本实施例中，基于离散积累信号x(k)，nc表示积累点数，给定采样频率为fs，则积累点数nc和积累时间tc的关系为：
[0088]
nc＝tcfsꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0089]
对于高斯白噪声，通常，nc越大，ec(k)越接近零，因此，积累点数nc的选取原则主要取决于目标信号。
[0090]
在一实施方式中，基于所述积累点数和所述离散信号确定检测信号之前，所述方法还包括：
[0091]
建立所述积累时间内的第二目标信号；
[0092]
以所述第二目标信号的第二有效时间与所述第一有效时间的一致性，和，所述第二目标信号在所述第二有效时间内的峰值衰减最小为目标，计算所述积累时间和所述积累点数。
[0093]
在前述积累时间tc的基础上，积累时间tc的目标信号sc(t)可以表示为：
[0094][0095]
基于前述信号建模过程，本示例中以f0(ω)作为分析对象，并将积累时间 tc转换为对应的ωc，即
[0096]
ωc＝vtc/r0ꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0097]
得到f0(ω)积累后形成的第二目标信号为：
[0098][0099]
本示例中，为了确定合适的积累时间，设置如下约束条件：
[0100]
a、尽量保证积累后的信号和原始目标信号有效时间的一致性。
[0101]
b、尽量减小积累后的信号在有效时间内的峰峰值衰减。
[0102]
由此可以计算信号积累时间：
[0103]
基于积累时间的选取原则，本示例中先确定积累信号φ1(ω)的有效时间。由于公式(19)中的φ1(ω)是关于ω＝-ωc/2对称的，本示例中为了便于分析，将φ1(ω)改写为关于ω＝0对称的形式，如下所示：
[0104][0105]
基于信号有效时间一致性原则，令φ1(ω)的有效时间满足ω＝ω
t
，此时对应的值为φ1(ω
t
)，φ1(ω
t
)是关于ωc的函数。
[0106]
对公式(20)求导，可知函数φ1(ω)最大值满足如下关系：
[0107][0108]
则积累后的信号φ1(ω)在有效时间内的峰峰值衰减比可以表示为：
[0109][0110]
根据信号有效时间的定义，λ(ωc)要求ωc满足φ1(ω)在信号有效时间对应ω
t
的条件下，φ1(ω)的值衰减到其最大值的ε/α，即λ(ωc)满足：
[0111]
λ(ωc)＝ε/α
ꢀꢀꢀ
(23)
[0112]
当ε＝1时，ωc＝0，因此可以取1＜ε＜2，以满足尽量减小积累后的信号在有效时间内的峰峰值衰减原则。由此绘制出λ(ωc)的曲线，如图4所示。
[0113]
根据ε,α确定λ(ωc)对应的值，在曲线中找出对应的ωc，例如ε＝1.5,α＝500 时对应的ωc＝1.25；再根据式(18)计算出积累时间tc，从而根据式(16)计算出对应的积累点数nc＝ωcfsr0/v。
[0114]
在一实施方式中，所述基于所述积累点数和所述离散信号对应的积累信号确定检测信号，并利用预设检测方法完成信号检测包括：
[0115]
以所述积累信号的平方作为检测变量，并利用平方律检测方法求取检测门限，以完成信号检测。
[0116]
本示例中计算积累信号的检测变量，可以利用积累信号的平方作为检测变量，即
[0117][0118]
利用平方律检测方法求取检测门限，进行信号检测，具体的检测流程可以如图5所
示。
[0119]
本实施例进一步提出一种磁异常检测方法的实施案例，目标信号为 r0/v＝4，采样频率为fs＝10hz条件下的仿真信号；噪声为均值μ＝0，方差σ2＝0.0032的高斯白噪声，探测信号的仿真结果如图6所示，显然从图6中无法分辨出是否存在目标信号。
[0120]
根据本发明实施例方法取α＝500，计算得ω
t
＝3.32，则目标信号的有效时间为13.28s。图7(a)-7(d)给出了ε＝1.5条件下积累时间分别为0s，5s，10s，15s 不同积累时间对应的检测变量。通过对比4个不同积累时间的检测变量，可以看出，在积累时间为5s时，检测变量对应的信噪比最大，也验证了本发明方法有效性。
[0121]
图8给出了4个积累时间下的检测性能曲线，可以看出，不同虚警概率下，积累时间为5s时的检测概率最大，换而言之，通过时间积累的方法可以有效提高检测性能，且合理地选择积累时间可以获得更佳的检测性能。
[0122]
综上本发明方法推导获得基于磁偶极子模型的目标信号有效时间的计算方法，并且利用信号积累准则，计算信号积累时间，以保证最小化目标信号损失的前提下，提升信噪比。本发明方法利用积累后信号的平方值作为检测变量，可以有效提升检测性能。
[0123]
根据本发明实施例提出的一种磁异常检测系统，包括：
[0124]
接口，被配置为获取磁传感器的探测信号；
[0125]
处理器，被配置为将所述探测信号进行离散采样获得离散信号，并根据所述离散信号的采样频率确定对应的积累点数；以及，
[0126]
基于所述积累点数和所述离散信号对应的积累信号确定检测信号，并利用预设检测方法完成信号检测。
[0127]
根据本发明实施例提出的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的磁异常检测方法的步骤。
[0128]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0129]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0130]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0131]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。