目标触底瞬态地震波信号的检测
余 靖,赵治平
(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所,湖北 宜昌 443003)
摘 要 目标触底过程中通常会产生强烈的瞬态地震波信号,通过对此类地震波信号的监测、处理和分析,能够帮助判断该信号的产生是否是由异常活动产生的,并且能够根据信号分析相关信息,实现早期预警,从而做出快速响应。由于双谱检测具有很好的抗高斯干扰能力,对高斯平稳随机过程和试验模拟目标触底瞬态地震波信号的双谱特性进行了分析,并在高斯背景中对试验采集的瞬态信号进行了检测仿真,仿真试验结果表明:在高斯背景的干扰下,双谱检测能够有效实现对瞬态信号的检测[1]。
关键词 触底信号;瞬态信号;信号检测;双谱检测
0 引言
目标触底是一个较为复杂的过程,目标触底时,与地面发生冲击,目标的动能转换为目标的弹性势能和海床底土的弹性势能,且发生回弹,通过多次冲击,目标的动能转换为海床底土的弹性势能和小部分的摩擦热能,绝大部分的能量以地震波的形式向远处传播,地震波的幅度和频率与目标的密度、尺度、目标的弹性系数以及海床地质等因素有关。通过研究目标触底地震波信号的传播特性,对地震波信号进行监测、处理和分析,能够帮助判断异常信号的产生是否是由敏感活动引起的,并判断出敏感活动的位置,从而提升监测效率[2]。
基于高阶累积量的信号分析可便于研究和分析信号更进一步的统计特性。利用高阶统计量可以在信号检测、参数估计、信号重构问题中抑制未知谱特征的高斯噪声,而且高阶谱可以用来检测时间序列的非线性结构,是辨识一个系统的非线性特征的有力工具。本文采用的双谱检测方法就是一种利用高阶累积量进行检测的方法,其理论基础在于:平稳高斯噪声的3阶以上的高阶谱能量为0,而非高斯信号其高阶谱不为0。据此可以完成在高斯背景噪声环境中检测低信噪比非高斯信号的工作[3]。
抽取市售豆奶饮料30批次，配料表明示均以大豆为主要原料。取豆奶饮料40 mL置于50 mL离心管中，10000 r/min离心5 min，弃上清，取沉淀80 mg于2mL离心管中，按照试剂盒说明书操作提取基因组DNA。若单次离心沉淀较少，再次取样，重复离心1～2次。以提取的DNA为模板，分别进行RT-PCR和ddPCR反应，检测CaMV35s、NOS、Lectin基因。
1 双谱检测理论
1.1 双谱的定义
k 阶谱定义为随机过程{(x )}的k 阶累积量的k -1维离散时间傅立叶变换,即:
高阶谱又被称为多谱或累积量谱。特别地,我们称三阶谱S 3ω (ω 1,ω 2)叫做双谱,习惯上记为Bx (ω 1,ω 2);称四阶谱S 4ω (ω 1,ω 2,ω 3)为三谱,习惯上记为Tx (ω 1,ω 2,ω 3)。在高阶谱分析中双谱分析应用最为广泛。根据高阶累积量的性质,我们可得:当加性噪声是高斯有色噪声时,高阶累积量在理论上可完全抑制噪声的影响[4-5]。
1.2 基于双谱的有色高斯噪声信号检测
假定有如下二元随机信号检测问题:
4）男单项目的动力性力量难度动作技术发展水平高于其他项目，女子动力性力量相对薄弱，与男运动员存在明显差异。
薪酬作为企业人力资源开发与利用的重要手段，对于确保企业的稳定经营与快速发展有着十分重要的作用。科学合理、全面有效的薪酬管理能够为企业留住和吸引核心员工，激励员工的工作热情进而提升企业整体的运作效率，以高度集中的人力资源优势来完成企业发展的战略目标，提升企业的经营效益。在目前的企业运行管理过程中，人力资源薪酬管理制度的制定和实施的重点主要落在了怎样制定和运用科学、合理、有效的薪酬激励机制来提升员工的工作热情和积极性，这也是现代企业实现生存与发展的关键所在。
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总之，在小学信息技术教学中，教师要依据小学生的认知特点，制定人际交互能力的培养策略，提高学生的表达、交流的能力。
则可得,当信噪比下降时,信号的检测能力将明显下降,虚警概率将明显增大。
其中,
若采用双谱估计方法, 则有:
若采用传统的功率谱估计方法, 则有:
从上式可以看出,只要信号的双谱信息足够丰富,即使在信噪比很小的情况下,随机信号经过双谱处理后,其信噪比也将大大提高,因此有利于信号的检测[6]。
2 双谱估计信号检测
已知非高斯信号在某些频率对(ωm ,ωn )上的双谱不为0, 因此,当Bx (ωm ,ωn )≡0时判决为H 0,即无信号;当Bx (ωm ,ωn )≠0时判决为H 1,即检测到有信号,于是上述检测须排除H 0的判决。在纽曼-皮尔森准则下,与判决相关的门限常数由虚警概率决定,检测性能由判据选择决定。相应的试验统计量与阈门值和设定的虚警概率α 的关系,可在Hinich-Wilson检测准则[7]及其相关前提条件来判断。
P 为频率对点上的双谱平均估计值,当P 较大且门限值固定不变时,检测概率为下面的递增函数:
门限由虚警概率决定
●If finding frost in the morning, spread ashes of yak dung and firewood directly on crops.
其中(ωm ,ωn )位于主域内,故:
从而:
相应的令:
设判决门限常数为
,在Hinich-Wilson准则下的判决因子为
,则排除H 0假设时有
在判决H 1假设时,判决因子T 2c 服从一定参数下的非中心Fisher分布,从而可得:
3 双谱估计信号特征
3.1 高斯带限噪声双谱估计
利用MATLAB产生白噪声序列,将产生的噪声通过低通滤波器得到带限高斯噪声如图1,对带限高斯信号进行直接双谱估计,得到其双谱平面图2和三维图3。
式中:t =1,2,…,N ,s (t )为实际信号,且为非高斯的平稳信号;n (t )为高斯噪声,且信号s (t )与噪声n (t )是相互独立的。
图1 带限高斯噪声波形图
Fig.1 Band-limited Gaussian noise waveform
图2 噪声双谱估计平面图
Fig.2 Noise bispectral estimation plan
图3 噪声双谱估计三维图
Fig.3 Noise bispectral estimation 3D diagram
3.2 目标下落高度为0.67 m时瞬态信号双谱估计
以试验采集到的模拟目标触底信号为数据样本,将以上数据样本简记为t 067,截取其9.15～9.4 s的数据样本进行双谱估计:图3-4为采集到的信号波形,得到其双谱平面图3-5和三维图3-6。
图4 瞬态信号波形图
Fig.4 Instantaneous signal waveform
图5 瞬态信号双谱估计平面图
Fig.5 Instantaneous signal bispectral estimation plan
图6 瞬态信号双谱估计三维图
Fig.6 Instantaneous signal bispectral estimation 3D diagram
目标触底产生的瞬态信号混合高斯带限噪声的波形如图7所示,其双谱估计平面图和三维图分别如图8-9所示。
图7 混合信号波形图
Fig.7 Mixed signal waveform
图8 混合信号双谱平面图
Fig.8 Mixed signal bispectral plan
图9 混合信号双谱三维图
Fig.9 Mixed signal bispectral 3D diagram
同时,对目标下落高度为1.50 m时的波形(对此段数据记为t 150)也进行了上述分析,所得的双谱分析图与上述图类似。从信号双谱估计结果可以看出,瞬态脉冲噪声与连续平稳带限高斯噪声相比,在双谱估计值上具有明显的特征区别:首先,带限髙斯噪声的双谱估计值并不完全等于理论值0,而是具有相对均匀分布的双谱量,与理论分析有差别,但是其双谱值在量级上比较小。而在信噪比够大的情况下,瞬态信号的双谱估计值在双谱域坐标零点附近具有峰值,而在其他地方的双谱值非常小,即输出具有非常高的信噪比。这一特征与带限高斯噪声信号的特征差别非常明显,可以作为信号检测的一个判别标志,从而利用双谱估计从高斯噪声中检测出瞬态脉冲信号的存在[8]。
4 双谱估计检测仿真
基于高斯噪声和瞬态脉冲信号的特征差别,完全可以利用信号序列的双谱估计来实现高斯噪声背景中检测非高斯非平稳性瞬态脉冲信号的目的。高斯噪声理论上双谱为0,瞬态信号的双谱为非零。从估计结果来看,带限高斯噪声的实际双谱估计并不是完全等于0,从而导致信号检测性能受瞬态信号信噪比的影响。与瞬态信号双谱估计结果相比较,在频率接近坐标原点的位置上,目标触底瞬态地震波信号双谱估计值具有非常明显的谱线,可以很好地利用这一特点对目标触底瞬态地震波信号进行有效的检测。
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4.1t 067瞬态信号双谱估计检测仿真
图10 截取数据段波形图
Fig.10 Data section waveform
将输入信噪比设为0,噪声背景以上文所述带限高斯噪声为背景噪声,设置的噪声幅值为8.5倍的信号幅值,以达到对信号数据的完全覆盖,对数据t 067进行双谱检测,其全时段波形如图4。从触底产生的一系列信号中提取有用数据段,如图10。目标触底瞬态地震波信号双谱结果假定条件:ω 1=ω 2＞0,则得到如图11所示结果。
图11w 1=w 2时截取数据段双谱值
Fig.11 Data section's bispectral values(ω 1=ω 2)
4.2 瞬态信号双谱估计检测仿真
将输入信噪比设为0,噪声背景以上文所述带限高斯噪声为背景噪声,设置的噪声幅值为9.4倍的信号幅值,以达到对信号数据的完全覆盖,对数据t 150进行双谱检测,其全时段波形如图12。
图12 瞬态信号波形图
Fig.12 Instantaneous signal waveform
图13 截取数据段波形图
Fig.13 Data section waveform
图14ω 1=ω 2时截取数据段双谱值
Fig.14 Data section's bispectral values(ω 1=ω 2)
从触底产生的一系列信号中提取有用数据段,如图13。目标触底瞬态地震波信号双谱结果假定条件:ω 1=ω 2＞0,则得到如图14所示结果。
经过对2组数据的分析,可得频率靠近零点附近,双谱值出现峰值,设定判决区域为试验全频率采样范围,来进行目标触底瞬态地震波信号脉冲信号的检测。
进一步地以不同的信噪比对两组数据进行仿真试验,每种不同的信噪比进行仿真试验不低于50次。
通过具体数据分析,在虚警概率小于3% 的条件下,双谱估计值必须满足
即双谱估计达到上式可判定为有信号。
据此可以判定出在数据时间段内存在模拟目标触底瞬态地震波信号。
5 结束语
通过仿真试验与结果分析,我们得出了与理论分析较一致的结论:双谱检测作为一种检测瞬态信号的手段,具有很好的抗高斯噪声干扰的能力,在不同的信噪比下,能够有效地检测出高斯背景下瞬态信号的存在。后续的学习与探索中可以尝试将双谱检测与其他的检测方法进一步地相结合,以达到更有效的检测瞬态信号的目的。
最终边坡角有两种定义方式。一种是露天采矿方法的定义，按经济合理剥采比来确定最终边坡角；另一种是矿山岩石力学的定义，按增陡1°时台阶坡面上所产生的受拉区的加固费用与减缓1°所增加的剥离费用的比较来确定经济合理的最终边坡角[1-2]。现场生产管理实践中，一些生产技术管理人员往往混淆上述概念来管理露天边坡，导致所留置的最终边坡角大于矿山岩石力学所确定的最终边坡角，因而常常诱发边坡滑坡；或者所留置的最终边坡角远小于矿山岩石力学所确定的最终边坡角，因而严重增加了剥离费用。上述两类错误，在金堆城露天钼矿仍时有发生。
参考文献
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Detection of Instantaneous Seismic Wave Signals of Target Hitting Bottom
YU Jing, ZHAO Zhiping
(No.710 R ＆ D Institute, CSIC, Yichang 443003, China)
Abstract In the process of the target hitting the bottom, strong instantaneous signals are generated.Monitoring, processing and analyzing these signals can help to determine whether the signal is from abnormal activities or not, and analyzes relevant information according to signal to realize early warning and quick response.Since bispectrum detection has a good capability in depressing Gaussian interference, stationary Gaussian random processes and bispectrum characteristics of simulating instantaneous seismic wave signals produced by bottoming experiments are analyzed in this paper.Instantaneous signals acquired by test are detected and simulated in the Gaussian background, and results show that bispectrum detection can effectively detect the instantaneous signals under background with Gaussian interference [1].
Key words bottoming signal; instantaneous signal; signal detection; bispectrum detection
中图分类号 TJ430
文献标识码 A
收稿日期: 2018-11-05
作者简介: 余靖(1990-),男,硕士生,助理工程师,主要从事装备总体技术研究。
标签：触底信号论文; 瞬态信号论文; 信号检测论文; 双谱检测论文; 中国船舶重工集团公司第七一〇研究所论文;