基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测方法及装置与流程

1.本发明涉及信号检测与识别领域，具体涉及一种基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测方法及装置。

背景技术：

2.在水中航行的航行体会由于动力装置的转动产生低频的振动信号。该振动信号的频率范围分布在0-20hz内。振动信号通过海水迅速传到海底，引起海床的软质泥沙振动，这种振动信号被称为地震波信号。在海洋强振动噪声干扰背景下，微弱的水下航行体目标的地震波信号被有噪声、高斯白噪声以及海洋生物等产生的噪声淹没，且无有效手段能成功检测。现有的主要解决方法是采用滤波方法，该方法适应于噪声干扰较小，目标信号并没有完全被噪声淹没，即能够从混合信号中辨认出目标信号的轮廓。对于信噪比较高的地震波原始信号，基于滤波原理的目标检测算法对目标检测结果具有较低的虚警率，但在信噪比较低的情况下，该算法对目标的微弱地震波信号则无法检测。由于海洋环境的复杂，在实际的微弱地震波信号探测过程中，测得数据中包含了较强的噪声干扰，且目标信号通常被噪声完全淹没。
3.因此，目前亟需一种能够在海洋中存在非高斯性强噪声背景下，检测目标微弱地震波特征信号的方法，克服在强噪声背景下无法探测到微弱的水下航行体目标地震波信号的难题。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测方法及装置，能够解决传统检测方法中不能检测强噪声背景下的低频率的微弱地震波信号的技术问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
6.一种基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测方法，包括：
7.步骤s1：基于传感器在海洋环境中探测水下航行体目标的地震波原始特征信号；
8.步骤s2：基于一阶滤波算法从所述地震波原始特征信号中截取频率段为0-20hz的目标地震波信号；
9.步骤s3：将所述目标地震波信号进行归一化，得到归一化的目标地震波信号；
10.步骤s4：建立四阶随机共振的目标地震波信号检测模型，将所述归一化的目标地震波信号输入所述目标地震波信号检测模型，得到目标信号，并输出对目标信号的检测结果，
11.具有四个层的所述目标地震波信号检测模型为：
[0012][0013]
其中，a1＝a2＝a3＝a，b1＝b2＝b3＝b，均为模型参数，且基于历史数据拟合得到；s(t)是输入的所述归一化的目标地震波信号，x1是目标地震波信号检测模型的第一层的输出及第二层的输入，x2是目标地震波信号检测模型的第二层的输出及第三层的输入，x3是目标地震波信号检测模型的第三层的输出及第四层的输入，x是目标地震波信号检测模型的输出；各个所述目标地震波信号检测模型的层对应的公式；所述目标地震波信号检测模型的各个层均使用四阶runge-kutta算法求解。
[0014]
优选地，所述传感器为三轴正交加速度传感器。
[0015]
优选地，所述一阶滤波算法为lc一阶低通滤波器。
[0016]
优选地，a1＝a2＝a3＝a＝20，b1＝b2＝b3＝b＝13。
[0017]
本发明所提供的一种基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测装置，所述装置包括：
[0018]
信号获取模块：配置为基于传感器在海洋环境中探测水下航行体目标的地震波原始特征信号；
[0019]
截取模块：配置为基于一阶滤波算法从所述地震波原始特征信号中截取频率段为0-20hz的目标地震波信号；
[0020]
归一化模块：配置为将所述目标地震波信号进行归一化，得到归一化的目标地震波信号；
[0021]
计算模块：配置为建立四阶随机共振的目标地震波信号检测模型，将所述归一化的目标地震波信号输入所述目标地震波信号检测模型，得到目标信号，并输出对目标信号的检测结果，
[0022]
具有四个层的所述目标地震波信号检测模型为：
[0023][0024]
其中，a1＝a2＝a3＝a，b1＝b2＝b3＝b，均为模型参数，且基于历史数据拟合得到；s(t)是输入的所述归一化的目标地震波信号，x1是目标地震波信号检测模型的第一层的输出及第二层的输入，x2是目标地震波信号检测模型的第二层的输出及第三层的输入，x3是目标地震波信号检测模型的第三层的输出及第四层的输入，x是目标地震波信号检测模型的输出；各个所述目标地震波信号检测模型的层对应的公式；所述目标地震波信号检测模型的各个层均使用四阶runge-kutta算法求解。
[0025]
本发明所提供的一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述方法。
[0026]
本发明所提供的一种电子设备，其特征在于，所述电子设备，包括：
[0027]
处理器，用于执行多条指令；
[0028]
存储器，用于存储多条指令；
[0029]
其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述方法。
[0030]
有益效果：
[0031]
(1)本发明在海洋复杂的非高斯性强噪声背景下，选用lc一阶低通滤波器来截取由三轴加速度传感器探测的0-20hz内的目标地震波与海洋振动噪声混合的原始信号。利用归一化算法将0-20hz内的原始信号归一化为(0,1)范围内，即将原始信号标准化。归一化的信号中，目标信号为低频的微弱信号，频率低，幅值小。通过以上算法处理后，依然不能确定目标信号的幅值以及频率等相关信息。本发明克服了这一缺点，将归一化处理后的额原始信号输入到基于四阶随机共振的检测目标地震波信号检测模型，能准确检测出强噪声干扰下的目标信号的分布趋势，即能够输出目标信号的波形。因此本发明能够实现对强噪声干扰下，对微弱的目标地震波信号的波形进行提取。
[0032]
(2)本发明在复杂的强海洋振动噪声背景下，能够检测0-20hz频率内微振幅的目标地震波信号，完成对水下航行体目标地震波信号进行充分的提取。
[0033]
(3)本发明识别准确率高。
[0034]
(4)本发明易于实现。
附图说明
[0035]
图1为本发明提供的基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测方法流程示意图；
[0036]
图2为本发明提供的基于四阶随机共振算法目标地震波信号检测示意图；
[0037]
图3为本发明提供的目标地震波信号x轴分量原始信号示意图；
[0038]
图4为本发明提供的滤波后的目标地震波信号x轴分量原始信号示意图；
[0039]
图5为本发明提供的归一化后目标地震波信号x轴分量与噪声的混合信号示意图；
[0040]
图6为本发明提供的检测到信号的波形输出示意图；
[0041]
图7为本发明提供的基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测装置结构示意图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
[0043]
如图1-图2所示，本发明提出了一种基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测方法，包括如下步骤：
[0044]
步骤s1：基于传感器在海洋环境中探测水下航行体目标的地震波原始特征信号；
[0045]
步骤s2：基于一阶滤波算法从所述地震波原始特征信号中截取频率段为0-20hz的目标地震波信号；
[0046]
步骤s3：将所述目标地震波信号进行归一化，得到归一化的目标地震波信号；
[0047]
步骤s4：建立四阶随机共振的目标地震波信号检测模型，将所述归一化的目标地震波信号输入所述目标地震波信号检测模型，得到目标信号，并输出对目标信号的检测结果，
[0048]
具有四个层的所述目标地震波信号检测模型为：
[0049][0050]
其中，a1＝a2＝a3＝a，b1＝b2＝b3＝b，均为模型参数，且基于历史数据拟合得到；s(t)是输入的所述归一化的目标地震波信号，x1是目标地震波信号检测模型的第一层的输出及第二层的输入，x2是目标地震波信号检测模型的第二层的输出及第三层的输入，x3是目标地震波信号检测模型的第三层的输出及第四层的输入，x是目标地震波信号检测模型的输出；各个所述目标地震波信号检测模型的层对应的公式；所述目标地震波信号检测模型的各个层均使用四阶runge-kutta算法求解。
[0051]
进一步地，所述传感器为三轴正交加速度传感器。
[0052]
进一步地，所述一阶滤波算法为lc一阶低通滤波器。
[0053]
进一步地，a1＝a2＝a3＝a＝20，b1＝b2＝b3＝b＝13。
[0054]
本发明提供了基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测方法的实施例，所述基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测方法包括：
[0055]
步骤一、利用传感器在海洋环境中探测目标地震波信号，形成原始目标地震波信号样本集，如图3所示。本发明实施例中，由三个单轴加速度传感器组成为三轴正交加速度传感器。
[0056]
步骤二、利用lc一阶低通滤波器选取频率范围为(0-20)hz内的目标地震波信号，如图4所示。本发明实施例中，lc一阶低通滤波器的表达式为
[0057]
y(n)＝αx(n)+(1-α)y(n-1)，参数为α＝5。
[0058]
步骤三、利用归一化算法对截取的频率段为0-20hz的目标地震波信号进行归一化，如图5所示。本发明实施例中，归一化算法表达式为
[0059]
步骤四、对四阶随机共振算法的参数进行初始化。本发明实施例中，步骤四中四阶随机共振算法的初始化参数值为a1＝a2＝a3＝a＝20，b1＝b2＝b3＝b＝13。
[0060]
步骤五、利用四阶随机共振算法对归一化的水下航行体目标的地震波信号进行检测，系统输出光滑的目标信号，如图6所示。
[0061]
本发明的另一实施例中，目标原始信号为三轴正交加速度传感器x轴的分量数据，数据样本大小为2万个采样点，信号采样频率为500hz，目标为在海洋背景中行驶的大型商船。
[0062]
第一步、原始数据为图3所示，对该图中的信号利用lc一阶低通滤波算法进行滤波
后，去除高频噪声干扰，并获得在低频段的待测目标信号，如图4的所示。待测目标信号的频率段范围是(0，20)hz。
[0063]
第二步、利用归一化算法对截取的频率段为0-20hz的目标地震波信号进行归一化，如图5所示。
[0064]
第三步、取初始a1＝a2＝a3＝a＝20，b1＝b2＝b3＝b＝13。
[0065]
第四步、将待测目标地震波信号带入下述公式中利用四阶runge-kutta算法求解系统输出x(t)，x(t)的波形则为目标地震波信号的波形。
[0066][0067]
本发明还提供了一种基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测装置，如图7所示，该装置包括：
[0068]
信号获取模块：配置为基于传感器在海洋环境中探测水下航行体目标的地震波原始特征信号；
[0069]
截取模块：配置为基于一阶滤波算法从所述地震波原始特征信号中截取频率段为0-20hz的目标地震波信号；
[0070]
归一化模块：配置为将所述目标地震波信号进行归一化，得到归一化的目标地震波信号；
[0071]
计算模块：配置为建立四阶随机共振的目标地震波信号检测模型，将所述归一化的目标地震波信号输入所述目标地震波信号检测模型，得到目标信号，并输出对目标信号的检测结果，
[0072]
具有四个层的所述目标地震波信号检测模型为：
[0073][0074]
其中，a1＝a2＝a3＝a，b1＝b2＝b3＝b，均为模型参数，且基于历史数据拟合得到；s(t)是输入的所述归一化的目标地震波信号，x1是目标地震波信号检测模型的第一层的输出及第二层的输入，x2是目标地震波信号检测模型的第二层的输出及第三层的输入，x3是目标地震波信号检测模型的第三层的输出及第四层的输入，x是目标地震波信号检测模型的输出；各个所述目标地震波信号检测模型的层对应的公式；所述目标地震波信号检测模型的各个层均使用四阶runge-kutta算法求解。
[0075]
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改
或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1：基于传感器在海洋环境中探测水下航行体目标的地震波原始特征信号；步骤s2：基于一阶滤波算法从所述地震波原始特征信号中截取频率段为0-20hz的目标地震波信号；步骤s3：将所述目标地震波信号进行归一化，得到归一化的目标地震波信号；步骤s4：建立四阶随机共振的目标地震波信号检测模型，将所述归一化的目标地震波信号输入所述目标地震波信号检测模型，得到目标信号，并输出对目标信号的检测结果，具有四个层的所述目标地震波信号检测模型为：其中，a1＝a2＝a3＝a，b1＝b2＝b3＝b，均为模型参数，且基于历史数据拟合得到；s(t)是输入的所述归一化的目标地震波信号，x1是目标地震波信号检测模型的第一层的输出及第二层的输入，x2是目标地震波信号检测模型的第二层的输出及第三层的输入，x3是目标地震波信号检测模型的第三层的输出及第四层的输入，x是目标地震波信号检测系统的输出；各个所述目标地震波信号检测模型的层对应的公式；所述目标地震波信号检测模型的各个层均使用四阶runge-kutta算法求解。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器为三轴正交加速度传感器。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一阶滤波算法为lc一阶低通滤波器。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，a1＝a2＝a3＝a＝20，b1＝b2＝b3＝b＝13。5.一种基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测装置，其特征在于，所述装置包括：信号获取模块：配置为基于传感器在海洋环境中探测水下航行体目标的地震波原始特征信号；截取模块：配置为基于一阶滤波算法从所述地震波原始特征信号中截取频率段为0-20hz的目标地震波信号；归一化模块：配置为将所述目标地震波信号进行归一化，得到归一化的目标地震波信号；计算模块：配置为建立四阶随机共振的目标地震波信号检测模型，将所述归一化的目标地震波信号输入所述目标地震波信号检测模型，得到目标信号，并输出对目标信号的检测结果，具有四个层的所述目标地震波信号检测模型为：
其中，a1＝a2＝a3＝a，b1＝b2＝b3＝b，均为模型参数，且基于历史数据拟合得到；s(t)是输入的所述归一化的目标地震波信号，x1是目标地震波信号检测模型的第一层的输出及第二层的输入，x2是目标地震波信号检测模型的第二层的输出及第三层的输入，x3是目标地震波信号检测模型的第三层的输出及第四层的输入，x是目标地震波信号检测系统的输出；各个所述目标地震波信号检测模型的层对应的公式；所述目标地震波信号检测模型的各个层均使用四阶runge-kutta算法求解。6.一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如权利要求1-4中任一项所述方法。7.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备，包括：处理器，用于执行多条指令；存储器，用于存储多条指令；其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如权利要求1-4中任一项所述方法。

技术总结

本发明公开了一种基于四阶随机共振的目标微弱地震波信号检测方法及装置，所述方法包括：基于传感器在海洋环境中探测水下航行体目标的地震波原始特征信号；基于一阶滤波算法从所述地震波原始特征信号中截取频率段为0-20Hz的目标地震波信号；将所述目标地震波信号进行归一化，得到归一化的目标地震波信号；建立四阶随机共振的目标地震波信号检测模型，将所述归一化的目标地震波信号输入所述目标地震波信号检测模型，得到目标信号，并输出对目标信号的检测结果。本发明的方法，能够实现对强噪声干扰下，对微弱的目标地震波信号的波形进行提取。进行提取。进行提取。