专利名称：：随机共振瞬变电磁弱信号检测方法
技术领域：
：本发明涉及瞬变电磁检测技术，具体为一种基于尺度变换的随机共振瞬变电磁弱信号检测方法。
背景技术：
：瞬变电磁探测法具有快速探测能力、较好的空间分辨率等优点，近年来被广泛用于矿产勘查和水工环勘查等领域。众所周知，瞬变电磁探测的原理是瞬变电磁波在向地下传播的过程中，受到各个地层中不同介质的衰减，不同介质对不同频率的瞬变电磁波衰减值是不同的。因此，只要提取出回波信号中对应于不同物质的瞬变电磁信号的特征频谱，就可反演出地层中不同物质。但是瞬变电磁检测接收采集到的信号是相当微弱的，目前的瞬变电磁信号检测大多采用传统的弱信号检测方法提取弱跳跃信号。这种方法对瞬变电磁信号的频率有较多限制，在信噪比为-IOOdB的强噪声背景下，难以提取出目标信号，这就限制了瞬变电磁仪器的探测深度。另外传统的检测方法需要接收几十个甚至更多个周期的原始信号进行求均值，才能得到目标信号，因此信号采集时间比较长，数据采集量比较大。随机共振系统是用于弱信号检测的方法之一。随机共振描述了过阻尼布朗粒子随机噪声和周期激励共同作用下，在非线性双稳态系统中所发生的跃迁现象。一般以非线性朗之万方程作为研究随机共振的理论模型。当外界输入信号，并且噪声逐渐增加时，由于信号和噪声协同作用引发势阱触发，使得粒子能够在两个势阱之间反复跃迁。由于双稳态之间的电势差远大于输入信号的幅值，从而使输出信号幅值大于输入信号幅值，起到了对输入信号有效的放大作用。同时因系统输出状态有规则的变化，能够有效地抑制系统输出状态中的噪声量，使系统输出信噪比(SNR)得到有效提高。基于四阶Rimge-Kutta算法进行随机共振应用于弱信号探测的数值计算研究，在适当选择系统参数和噪声强度时，通过随机共振可以将淹没于强噪声背景中的低频(频率小于0.IHz)弱信号清楚地识别出来。但是当被探测的强噪声背景下弱信号频率较高(频率大于0.IHz)时，直接数值计算表明无论是保持上述系统参数不变还是适当改变系统参数及噪声强度，均无法实现随机共振，输出状态的时域表明布朗粒子处于单阱中振荡。输入信号频率的增加导致产生随机共振的输入信号幅度阈值增加，需要信号输入幅值较大，才可能在随机共振系统发生随机共振。而强噪声背景下的弱信号本身的信号幅值过小，难于产生随机共振；另外因为布朗粒子在双阱之间的跃迁速率跟不上大频率的外加驱动力，也是不能产生随机共振的原因。瞬变电磁探测所得目标信号就是在强噪声背景中的弱信号，且并非只是低频信号，现有的能够有效识别弱信号的随机共振方法对瞬变电磁探测的弱信号检测无能为力。
发明内容本发明的目的是提供一种随机共振瞬变电磁弱信号检测方法，采用尺度变换，将瞬变电磁检测接收的噪声中的大频率弱目标信号的频率降低若干个数量级，直至满足随机共振条件，产生共振后提高信噪比，提取时域压缩后的目标信号，再还原得到目标信号频本发明随机共振瞬变电磁弱信号检测方法，瞬变电磁探测接收信号为ns(t)，ns(t)=s(t)+n(t),s(t)为目标信号，s(t)=ΣAiCos(w,t+0为多个频率信号，其中=Ai为目标信号幅度,Wi为目标信号频率，Wi范围是IX10_43HZ的全频段，Oi为目标信号相位角。n(t)是均值为O、强度为D的高斯白噪声。所用随机共振系统以非线性朗之万方程为基石出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中V(x)表示映像对称平方势。ν{χ)=~χ2+^χΛ(2)式(1)可写为x=ax-bxi+s(t)+n(t)(3)其中，χ为系统输出，a、b为非线性系统结构参数，η(t)是均值为O、噪声强度为D的高斯分布白噪声，当s(t)=Αοο8(ω+Φ)时，输入外力为高斯噪声驱动的余弦信号，调整参数a、b，该余弦信号可在双阱之间的跃迁，实现随机共振。ω为信号频率，Φ为信号相位角，A为信号幅度，A和D的单位均为任意单位。没有信号和噪声输入时，方程(3)描述了一个有两个对称势阱的非线性系统，其底部位于xu位置，而中央势垒高度为AV=0.25a2/bo本方法对信号进行尺度变换，即令时域信号ns(t)的频域为NS(jw)，ns(mt)的频1w域为；j-，式中m为非零常数。时域信号压缩m倍，在频域中其频谱就扩展m倍，反之亦然。从而将瞬变电磁检测接收的噪声中的大频率弱目标信号的频率降低至小于0.IHz,输入随机共振系统，产生共振后，提取时域压缩后的目标信号的共振频率，再还原得到目标信号频谱。本瞬变电磁弱信号随机共振检测方法具体实施步骤如下步骤I将信号ns(t)输入随机共振系统；步骤II判断系统是否共振，若发生共振，则保存引起共振的频率&；否则，跳转到步骤IV；判断系统是否共振的方法首先，将噪声n(t)输入随机共振系统，对输出信号进行功率谱估计，得到噪声平均功率谱强度pn;n(t)通过普遍采用的矩阵实验室(MATLAB)软件自带的库函数生成；然后，将信号ns(t)输入共振系统，对输出信号进行功率谱估计，当输出信号的功率谱中检测到有满足功率谱强度々>300x乃的频率fp即为发生了共振，共振频率为&。步骤III在ns(t)中，滤除步骤II中检测到的所有共振频率fi，得到新的ns(t)，跳转到步骤I；步骤IV令m为记录压缩倍数的标记，初值为l，m=mXN，N为正整数，一般选择N=10。如果m小于目标信号最高频率的10100倍，用尺度变换将信号ns(t)频域压缩m倍，得到新的ns(t)，之后跳转到步骤I；如果m大于或等于目标信号最高频率的10100倍，跳转到步骤V；针对具体的应用领域，可以估计待测的目标信号的频率范围，为了保证把目标信号全部提取出来，将估计的待测目标信号的最高频率扩大10100倍，作为m的上限值。步骤V对各共振频率&进行还原，即各共振频率&分别乘以获得该共振频率时的m值，得到目标信号的真实频率。本发明瞬变电磁弱信号随机共振检测方法的优点为1、针对传统随机共振系统只适用于低频信号的局限，引入尺度变换，消除随机共振系统对待检瞬变电磁信号的频率限制，准确检测得到其中的弱目标信号；2、本法能在信噪比为-IOOdB的强噪声背景下，提取出目标信号，为提取深层目标信号提供了可能，从而使瞬变电磁探测仪器的探测深度加大，探测精度提高，且效果稳定；可用于工程勘探和环境勘探，探测良导性矿体埋深和产状，探测蕴矿构造；3、数据采集时间短，采用本法只需接收4到8个周期的原始信号就能准确的提取目标信号，在提取相同精度的目标信号情况下，本算法数据采集量和采集时间都缩小了数十倍；4、本法对水层回波信号敏感，故特别适用于在地面探测含水层，断层含水性，煤层结构和陷落区；在井下探测采区内部和外围以及掘进头前方的储水结构；探测老窑及其含水性。图1为本瞬变电磁弱信号随机共振检测方法实施例的流程图；图2为本瞬变电磁弱信号随机共振检测方法实施例中接收原始信号时域图；图3为本瞬变电磁弱信号随机共振检测方法实施例中从原始信号中提取的目标信号时域图；图4为本瞬变电磁弱信号随机共振检测方法实施例中提取的目标信号反演效果图。具体实施例方式本随机共振瞬变电磁弱信号检测方法实施例为某地地质实地勘测中使用情况，瞬变电磁探测接收信号为ns(t)，ns(t)=s(t)+n(t)，s⑴为目标信号，s(t)=ΣAiCos(w,t)为多个频率信号，其中=Ai为目标信号幅度，其大小对系统影响很小，不作考虑，Wi为目标信号频率，Wi范围是IHz100000Hz。n(t)是强度为D48.5的高斯白噪声，由于从瞬变电磁探测接收信号是强噪声背景下的含噪信号，相对噪声来说目标信号能量很小，所以噪声强度用接收的含噪信号的强度近似，本例含噪信号强度为48.5。所用随机共振系统为x^ax-bxi+s{t)+n(t)其中，χ为系统输出，a、b为非线性系统结构参数，η(t)是均值为0、噪声强度为D的高斯分布白噪声，当s(t)=Αοο8(ω+Φ)时，输入外力为高斯噪声驱动的余弦信号，ω为信号频率，Φ为信号相位角，A为信号幅度，A和D的单位均为任意单位。根据噪声强度D调整a、b使得随机系统产生共振，本例a=0.1，b=1。本瞬变电磁弱信号随机共振检测方法实施步骤如图1所示，具体如下步骤I将信号ns(t)输入随机共振系统；步骤II判断系统是否共振，若发生共振，则保存引起共振的频率&；否则，跳转到步骤IV；判断系统是否共振的方法首先，将噪声输入随机共振系统，对输出信号进行功率谱估计，得到噪声平均功率谱强度Pn;然后，将信号ns(t)输入共振系统，对输出信号进行功率谱估计，当输出信号的功率谱中检测到有满足功率谱强度A>300χΡ的频率fi，即为发生了共振，共振频率为&。步骤III在ns(t)中，滤除步骤II中检测到的所有共振频率fi，得到新的ns(t)，跳转到步骤I；步骤IV令m为记录压缩倍数的标记，初值为1，m=mX10，当m小于目标信号的最高频率fm=100000的100倍，S卩小于107，用尺度变换将信号ns(t)频域压缩m倍，本例共进行了6次压缩，6次得到新的ns(t)后跳转到步骤I；当第7次进入本步骤m=10000000，等于目标信号最高频率的100倍，不再进行压缩，跳转到步骤V；步骤V对各次压缩得到的共振频率进行还原，即各共振频率&分别乘以获得该共振频率时的m值，得到目标信号的真实频率。本例实测结果如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>瞬变电磁仪接收机采用了本发明的基于尺度变换的随机共振瞬变电磁弱信号检测方法编制的软件，在广西右江矿务局的里拉矿进行实地勘测验证。图2为瞬变电磁仪接收机接收的原始信号时域图，图中纵坐标为接收信号的电压值、单位为微伏，横坐标为时间、单位为秒，图3为采用本发明方法在接收的原始信号中提取的目标信号时域图，纵横坐标与图2相同；图4为对本发明方法提取的目标信号进行反演并用地质绘图软件(SURFER软件)绘制的效果图，图中显示测线上测点80至240所在位置地下100米至200米之间有低阻异常，实地情况为测点80至240所在位置地下100米至200米之间有个水仓，反演结果与实地情况很好的吻合。上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。权利要求随机共振瞬变电磁弱信号检测方法，瞬变电磁探测接收信号为ns(t)，ns(t)＝s(t)+n(t)，s(t)为目标信号，s(t)＝∑Aicos(wit+Φi)为多个频率信号，其中Ai为目标信号幅度，wi为目标信号频率，wi范围是1×10-4～3Hz的全频段，Φi为目标信号相位角；n(t)是均值为0、强度为D的高斯白噪声；所用随机共振系统以非线性朗之万方程为基础<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为系统输出，a、b为非线性系统结构参数，当s(t)＝Acos(ωt+φ)时，输入外力为高斯噪声驱动的余弦信号，ω为信号频率，φ为信号相位角，A为信号幅度，A和D的单位均为任意单位；其特征在于对瞬变电磁探测接收信号进行尺度变换，即令时域信号ns(t)的频域为NS(jw)，ns(mt)的频域为式中m为非零常数，时域信号压缩m倍，在频域中其频谱就扩展m倍，从而将瞬变电磁检测接收的噪声中的大频率弱目标信号的频率降低至小于0.1Hz输入随机共振系统，产生共振后，提取时域压缩后的目标信号的共振频率，再还原得到目标信号频谱。FSA00000121480700012.tif2.根据权利要求1所述的随机共振瞬变电磁弱信号检测方法，其特征在于具体实施步骤如下步骤I将信号ns(t)输入随机共振系统；步骤II判断系统是否共振，若发生共振，则保存引起共振的频率；否则，跳转到步骤IV；步骤III在ns(t)中，滤除步骤II中检测到的所有共振频率fi，得到新的ns(t)，跳转到步骤I；步骤IV令m为记录压缩倍数的标记，初值为1，m=mXN，N为正整数，如果m小于目标信号最高频率的10100倍，用尺度变换将信号ns(t)频域压缩m倍，得到新的ns(t)，之后跳转到步骤I；如果m大于或等于目标信号最高频率的10100倍，跳转到步骤V；步骤V对各共振频率A进行还原，即各共振频率A分别乘以获得该共振频率时的m值，得到目标信号的真实频率。3.根据权利要求2所述的随机共振瞬变电磁弱信号检测方法，其特征在于所述步骤II中判断系统是否共振的方法如下首先，将噪声η(t)输入随机共振系统，对输出信号进行功率谱估计，得到噪声平均功率谱强度Pn；然后，将信号ns(t)输入共振系统，对输出信号进行功率谱估计，当输出信号的功率谱中检测到有满足功率谱强度A>300x忍的频率fp即为发生了共振，共振频率为&。4.根据权利要求1或2所述的随机共振瞬变电磁弱信号检测方法，其特征在于所述步骤IV中N=10。全文摘要本发明为随机共振瞬变电磁弱信号检测方法，瞬变电磁探测接收信号为ns(t)，ns(t)＝s(t)+n(t)，s(t)为目标信号，本方法对信号进行尺度变换，即令时域信号ns(t)的频域为NS(jw)，ns(mt)的频域为式中m为非零常数。时域信号压缩m倍，在频域中其频谱就扩展m倍。从而将瞬变电磁检测接收的噪声中的大频率弱目标信号的频率降低至小于0.1Hz，输入随机共振系统，产生共振后提取时域压缩后的目标信号，再还原得到目标信号频谱。先将噪声输入随机共振系统，得到噪声平均功率谱强度Pn；然后，将信号输入共振系统，当输出信号的功率谱中满足功率谱强度的频率fi为共振频率。对各共振频率fi进行还原，得到目标信号的真实频率。本法消除随机共振系统对待检瞬变电磁信号的频率限制，准确检得弱目标信号。文档编号G01R29/08GK101825665SQ20101018708公开日2010年9月8日申请日期2010年5月28日优先权日2010年5月28日发明者叶金才,张发全,张海如,欧阳缮,王国富申请人:桂林电子科技大学