專利名稱：掃頻信號的時頻互相關檢測和時延估計方法
技術領域：
本發明屬于一種反射探測信號處理方法，具體地說是一種用于從環境噪聲中檢測掃頻信號并估計其時間延遲的方法。
背景技術：
目前，掃頻信號在反射探測領域中得到廣泛應用，如可控震源，雷達，聲納及超聲無損探傷等。它被用作源信號向被探測媒質中發射，然后在媒質中傳播，遇到不同的目標后形成反射回波，然后被檢波器接收，在接收信號中含有時延不同的多個掃頻信號回波。在反射探測的信號處理中，為了估計各個目標的距離，需要對各個回波進行檢測并估計其時間延遲。
由于工程探測很多時候是在如礦山，公路，大壩和廠區之類的強噪聲環境下進行的，其接收信號中常常含有大量的噪聲信號，因而如何把回波從強噪聲中檢測出來是探測信號處理中的一個難題。另外，源信號在發射，傳播和接收過程中都會發生一定的畸變，因此接收信號中的回波波形與源信號會有一定的差別，因此要求回波檢測方法對此具有一定的適應性。除此之外，掃頻信號在傳播過程中能量會受到不斷衰減，因此從遠處傳回的回波幅值很小，因此要求檢測算法能把微弱的回波信號檢測出來以發現遠距離的目標。
傳統的掃頻信號檢測和時延估計方法包括時域互相關，廣義互相關(GCC)，反卷積等方法，但這些方法對環境噪聲的壓制能力不強，對回波波形畸變很敏感，因此無法適應強噪聲環境下的探測工作。
發明內容
本發明的目的是為反射探測信號處理提供一種掃頻信號的時頻互相關檢測和時延估計方法，該方法壓制噪聲能力強，對掃頻信號波形畸變敏感性低，能有效檢測能量微弱的掃頻回波。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種掃頻信號的時頻互相關檢測和時延估計方法，其特征在于它包括以下步驟①將掃頻源信號進行小波變換，得到它的時頻表示；②將接收信號進行小波變換，得到它的時頻表示；③用得到的時頻表示進行時頻互相關，對接收信號中的回波進行檢測和時延估計。
本發明中，掃頻信號是一種線性調頻信號，也稱之為Chirp信號，見圖1和圖2。它的數學表達式可被表示如下s(t)=A(t)sin2π{f(0)+[f(T)-f(0)]Tt}t---(1)]]>其中t表示時間，A(t)表示掃頻信號的幅值，T表示掃頻的持續時間。f(0)和f(T)分別為掃頻的初始頻率和中止頻率。
在反射探測中得到的接收信號中包含有不同時延的回波及環境噪聲，所以建立接收信號的數學模型如下x(t)=Σi=0M-1eis(t-Di)+z(t)---(2)]]>其中x(t)指接收信號，s(t)指掃頻源信號，z(t)指環境噪聲。ei和Di分別指回波的幅值和時間延遲，而M指回波的個數。
小波變換被用于將信號轉變進入時頻域，以得到信號的時頻表示。在信號處理中，小波變換被定義如下Whx(a,b)=1a∫-∞∞x(t)h*(t-ba)dt---(3)]]>其中Whx(a，b)指接收信號x(t)的時頻表示，a和b分別為變換中的尺度因子和時移因子，而h(t)指小波基函數。
由于小波變換是一種線性運算，根據式(2)和(3)，對接收信號x(t)的小波變換可以被分解如下Whx(a,b)=1a∫-∞∞(Σi=0M-1eis(t-Di)+z(t))h*(t-ba)dt]]>=Σi=0M-1eiWhs(a,b-Di)+Whz(a,b)]]>(4)其中Whs(a，b)表示源信號的時頻表示，而Whz(a，b)表示環境噪聲的時頻表示。從(4)式可見，接收信號的時頻表示由各個回波的時頻表示與環境噪聲的時頻表示相加而成。單個的掃頻信號的時頻表示如圖3所示，包含四個回波的接收信號的時頻表示如圖4所示，其中不同的掃頻信號在時頻表示中被相互分開。
在本發明中，源信號s(t)與接收信號x(t)的時頻表示被用來進行時頻互相關，以進行回波檢測與時延估計，其算法可表示如下
Qsx(τ)=∫a∫bWhx(a,b)Whs(a,b-τ)dbda]]>=∫a∫b(Σi=0M-1eiWhs(a,b-Di)+Whz(a,b))Whs(a,b-τ)dbda]]>=Σi=0M-1eiQss(τ-Di)+Qsz(τ)]]>(5)其中Qsx(τ)就是s(t)和x(t)之間的時頻互相關函數。τ源信號和接收信號的時頻表示之間的時移，本發明針對每個時移給出一個時頻互相關值。在時頻互相關計算中，當τ等于任何一個回波的時間延遲時，計算結果會出現一個脈沖，這些脈沖的位置可以用來計算所探測目標的距離。計算結果中的Qss(τ)就是s(t)的時頻自相關函數，Qsz(τ)為源信號s(t)和噪聲z(t)之間的時頻互相關，代表由環境噪聲引起的干擾。圖5給出一個包含環境噪聲和四個掃頻回波的接收信號的時頻表示，圖6給出計算結果中與回波對應的四個檢測脈沖和噪聲造成的干擾。
本發明中，可根據各個檢測脈沖的位置而計算其相應目標的距離。當接收信號被變換進入時頻域后，不同回波被相互分開，甚至噪聲也與回波之間相互分開。因此在時頻互相關運算中，只有在時間上和頻率上都與源信號重疊的噪聲成分才會造成干擾，因此跟純時域互相關相比，噪聲的干擾被大大削弱。某些噪聲成分，雖然它們所處的時間與源信號重疊，但頻段與源信號不重疊，則將被直接消除，因為源信號的時頻表示中沒有信號的區域值都是零。各個回波在時頻表示中被分開，相互之間也不會產生干擾。所以本發明具有很強的壓制噪聲的能力，能從數據中清晰檢測微弱的回波信號。
與現有技術相比，本發明的優點如下1、有很強的壓制噪聲能力，即能從很強的環境噪聲中把掃頻回波檢測出來；2、對回波的波形畸變適應能力強，對掃頻信號在發射，傳播和接收過程中發生的波形改變敏感性低；3、能檢測出能量微弱的回波，對傳播距離遠而能量被嚴重衰減的回波檢測能力強。
四
圖1是等幅掃頻信號；圖2是兩端加錐掃頻信號；圖3是單個掃頻信號的時頻表示；
圖4是包含四個回波的接收信號的時頻表示；圖5是包含四個回波和環境噪聲的接收信號的時頻表示；圖6是對掃頻回波的檢測脈沖；圖7是對可控震源地探信號采用相關算法的計算結果；圖8是對可控震源地探信號采用時頻互相關算法的計算結果。
五具體實施例方式
一種本發明所述的掃頻信號的時頻互相關檢測和時延估計方法，其特征在于它包括以下步驟①將掃頻源信號進行小波變換，得到它的時頻表示；②將接收信號進行小波變換，得到它的時頻表示；③用源信號和接收信號的時頻表示進行時頻互相關，對接收信號中的回波進行檢測和時延估計。
本發明將掃頻源信號的時頻表示和接收信號的時頻表示進行時頻互相關得到檢測脈沖，并根據各個檢測脈沖的位置而計算其相應目標的距離。
以可控震源地探信號處理為例，對傳統的相關算法和時頻互相關算法的計算結果進行比較，采用相關算法的計算結果如圖7所示，采用時頻互相關算法的計算結果如圖8所示。從圖7和圖8比較中可以得到1、本發明具有很強的壓制噪聲能力，即能從很強的環境噪聲中把掃頻回波檢測出來；2、本發明對回波的波形畸變適應能力強，對掃頻信號在發射，傳播和接收過程中發生的波形改變敏感性低；3、本發明能檢測出能量微弱的回波，對傳播距離遠而能量被嚴重衰減的回波檢測能力強。所以本發明所述時頻互相關檢測和時延估計方法的效果明顯好于相關算法。
權利要求
1.一種掃頻信號的時頻互相關檢測和時延估計方法，其特征在于它包括以下步驟①將掃頻源信號進行小波變換，得到它的時頻表示；②將接收信號進行小波變換，得到它的時頻表示；③用得到的時頻表示進行時頻互相關，對接收信號中的回波進行檢測和時延估計。
2.根據權利要求1所述的掃頻信號的時頻互相關檢測和時延估計方法，其特征在于步驟①中，所述掃頻源信號是一種線性調頻信號，它的數學表達式如下s(t)=A(t)sin2π{f(0)+[f(T)-f(0)]Tt}t]]>其中t表示時間，A(t)表示掃頻信號的幅值，T表示掃頻的持續時間，f(0)和f(T)分別為掃頻的初始頻率和中止頻率。
3.根據權利要求1所述的掃頻信號的時頻互相關檢測和時延估計方法，其特征在于步驟②中，接收信號中包含有不同時延的回波及環境噪聲，建立接收信號的數學模型如下x(t)=Σi=0M-1eis(t-Di)+z(t)]]>其中x(t)指接收信號，s(t)指掃頻源信號，z(t)指環境噪聲，ei和Di分別指回波的幅值和時間延遲，M指回波的個數。
4.根據權利要求1所述的掃頻信號的時頻互相關檢測和時延估計方法，其特征在于步驟①和②中，所述小波變換被定義如下Whx(a,b)=1a∫-∞∞x(t)h*(t-ba)dt]]>其中Whx(a，b)指接收信號x(t)的時頻表示，a和b分別為變換中的尺度因子和時移因子，h(t)指小波基函數。
5.根據權利要求1所述的掃頻信號的時頻互相關檢測和時延估計方法，其特征在于步驟③中，所提供的掃頻回波檢測與時延估計算法如下Qsx(τ)=∫a∫bWhx(a,b)Whs(a,b-τ)dbda]]>=∫a∫b(Σi=0M-1eiWhs(a,b-Di)+Whz(a,b))Whs(a,b-τ)dbda]]>=Σi=0M-1eiQss(τ-Di)+Qsz(τ)]]>其中Whs(a，b)指源信號s(t)的時頻表示，Qsx(τ)就是s(t)和x(t)之間的時頻互相關函數，Qss(τ)就是s(t)的時頻自相關函數，Qsz(τ)為源信號s(t)和噪聲z(t)之間的時頻互相關函數。
全文摘要
本發明公開了一種反射探測中的掃頻信號的時頻互相關檢測和時延估計方法，它包括以下步驟首先將掃頻源信號進行小波變換，得到它的時頻表示；將接收信號進行小波變換，得到它的時頻表示；然后將它們的時頻表示進行時頻互相關，對接收信號中的回波進行檢測和時延估計，得到檢測脈沖，并根據各個檢測脈沖的位置而計算其相應目標的距離。本發明有很強的壓制噪聲能力，對回波的波形畸變適應能力強，能檢測出能量微弱的回波。本發明特別適用于環境噪聲大、傳播距離遠且能量衰減嚴重的回波檢測中，具有極大的實用價值。
文檔編號G01S7/486GK1815264SQ200610038480
公開日2006年8月9日 申請日期2006年2月24日 優先權日2006年2月24日
發明者蔣忠進, 邱小軍 申請人:南京大學