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弹性波Chirp信号检测与时延估计研究

蒋忠进  
【摘要】:Chirp弹性波(机械波)反射探测是很多科研与工程领域中的一种重要探测方法,如雷达探测,可控震源对地探测地层结构,声纳探测水下目标等,已深入到很多高科技领域。反射探测水平取决于探测人员素质,探测设备精度,数据处理水平,三者缺一不可,而怎样压制环境噪声,尤其是车辆等机械运动造成的机动噪声,则是数据处理方面的重要问题。 传统的反射信号检测方法是相关算法,用发射信号与接收信号做互相关运算,运算结果中在有反射信号的位置将出现相关脉冲。当前越来越多的探测工作都是在强机动噪声环境下进行的,如市区,工厂,矿山等等,探测接收信号受到强机动噪声的严重污染。相关算法是应用很广泛的信号检测算法之一,它方便实用,简单快速,但该方法在很多情况下压制噪声的能力不够理想,信号检测的分辨率不高。 在对城市环境下采集的实际机动噪声的分析中,发现许多样本的概率分布是非高斯的。从理论上可以证明,确知信号检测中的相关运算等同于高斯噪声下的信号检测,因此相关运算适合于压制高斯噪声。高阶统计量是一种功能很强的新数学工具,它不但可以用于压制非高斯有色噪声,而且可以自动抑制高斯有色噪声,因此适于用于压制城市机动噪声的尝试。 相关算法与三阶统计量算法在平稳随机信号分析方面发展得已经很完善,而短时傅立叶变换,小波变换基于时频分布,适于进行非平稳信号分析。但在自然界中并没有理想的平稳信号,即非平稳是绝对的,平稳是相对或近似的,平稳是非平稳的简化。有很多随机信号,既可以从平稳随机信号分析的角度去研究它,也可以从非平稳随机信号分析的角度去研究它,因此本论文中也尝试用小波分析算法进行城市机动噪声下的Chirp信号检测和时延估计。 论文共分八章,研究了相关,三阶累积量,三阶谱,连续小波变换,离散小波变换,小波包变换等算法,将其用于Chirp信号检测和时间延迟估计,使用实际采集的城市机动噪声,通过数值实验来研究比较其压制噪声水平,检测分辨率等性能。 第一章阐述了Chirp信号的特点以及Chirp反射探测的原理,并简述了Chirp信号检测的发展历史与现状。 第二章分析了数值实验中所使用的噪声数据,即实际的城市机动噪声,研究其频率分布,概率分布和衰减特性,为Chirp信号检测和时间延迟估计提供 WP=143 重要的参考。对实际采集的城市机动噪声进行分析,发现其频率多分布在50Hz以下的低频段,很多噪声的概率分布呈现不同程度的高斯性近似,但有的则明显不是高斯分布。 第三章讨论了在平稳随机信号分析中所要用到的数学理论基础,包括随机变量和随机过程,高阶统计量的定义和相关性质,高斯随机过程的统计特征等。从数学上给出了高斯随机过程的概率特征可以由二阶以下的统计量完全描述,而且其高阶统计量为零的证明,从理论上说,二阶统计量是高斯随机过程的主要数学分析工具,而高阶统计量则是非高斯随机过程的主要数学分析工具。 第四章讨论了传统的相关方法在Chirp信号检测与时间延迟估计中的应用原理。讨论了常用信号检测判决准则并分析其原理,以及高斯随机过程中的信号检测似然比等效于相关运算,推导了在Chirp信号反射探测信号处理中,如何进行多回波相关检测和时延估计,并确定其检测门限的方法。然后讨论了信号检测的匹配滤波和广义匹配滤波,研究并给出Chirp信号探测多回波检测的匹配滤波和广义匹配滤波原理。 第五章研究了三阶统计量算法,包括接收信号的三阶自累积量方法,发射信号和接收信号的三阶互累积量方法和以及发射信号和接收信号的三阶互谱(互双谱)方法。 接收信号的三阶自累积量方法只适用于单个回波信号检测,对本方法只作了理论上的可行性探讨。作接收信号的自三阶累积量,推导可知该累积量中包括回波的自三阶累积量,噪声的自三阶累积量,以及这两个加性分量之间的交叉项。根据三阶累积量对角线的起点值是否为零即可判断接收信号中是否包含回波 。 在发射信号和接收信号的三阶互累积量方法中,把Chirp探测接收信号视为发射信号按各个时间延迟的叠加,然后与发射信号作互累积量,把互累积量基于发射信号的自累积量作线性分解,可以得到一组线性方程,然后通过Y—W方程的解法求解,可以得到各个时刻反射信号的权值。在针对三阶累积量算法的数值实验中,使用的就是这种方法。 也可利用三阶互累积量的对角线进行回波检测和时延估计。根据各回波的时间延迟,发射信号与接收信号中各个回波的三阶互累积量的中心峰值也沿着接收信号累积量的对角线移动。然后进一步用发射信号的三阶累积量与该三阶互累积量作二维相关,在相关结果的对角线上将出现与各个回波时间延迟对应的的中心峰值。 在发射信号和接收信号的三阶互谱方法中,接收信号的数学模型依然是发射信号按各个时间延迟的叠加。先求出发射信号与接收信号的互双谱,然后基于发射信号的自双谱进行线性分解,然后从互双谱中提出与各个回波时间延迟相对应的相位信息,进行二维傅立叶反变换,回到时域,计算结果是一个脉冲信号序列,各个脉冲对应接收信号中各个回波的存在和时间延迟。 在数值实验中,用实际采集的城市机动噪声作为噪声数据,比较三阶统计


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