[發明專利]基于動態卡爾曼濾波的極低頻海洋電磁信號探測方法

在審

• 申請號: 202210215648.5
• 申請日: 2022-03-07
• 公開（公告）號: CN114578436A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 王士剛;李斌;宋文華;劉奇;秦珮
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01V3/08
• 分類號: G01V3/08;G01V3/38;G06F17/14
• 代理公司: 西安鼎邁知識產權代理事務所(普通合伙) 61263
• 代理人: 李振瑞

本發明公開了基于動態卡爾曼濾波的極低頻海洋電磁信號探測方法，包括：獲取含噪極低頻海洋電磁信號時間序列；將含噪極低頻海洋電磁信號時間序列輸入動態卡爾曼濾波器，獲得濾波后的電磁信號時間序列；對濾波后的電磁信號時間序列進行短時傅里葉變換，獲得相應的去噪時頻譜；提取去噪時頻譜中極低頻海洋電磁信號的特征參數。本發明將歷史狀態信息引入濾波器之中，可以有效抑制包括海浪感應噪聲和低頻隨機噪聲在內的典型噪聲干擾，極大地提升了在極低頻段海洋電磁數據的整體信噪比，并基于時頻域特征關聯分析對目標極低頻信號基頻實現了增強探測，在海洋遙感信息感知領域具有廣闊的應用前景和價值。

技術領域

本發明涉及信號檢測技術領域，特別涉及基于動態卡爾曼濾波的極低頻海洋電磁信號探測方法。

背景技術

為抵御海水的腐蝕，艦艇通常都會加裝陰極保護措施，由此產生的保護電流被螺旋槳調制而形成以螺旋槳的旋轉頻率為基頻的時諧交變電流，繼而形成具有顯著諧波特征的目標極低頻電磁場。作為一種艦艇目標的固有物理屬性，極低頻電磁場在海水中具有良好的穿透性、傳播衰減較慢，并且攜帶有明顯的目標運動信號特征，可作為海洋目標遠距離探測、識別的重要依據。

雖然極低頻電磁信號傳播衰減較慢，但是在實際海洋環境下包含各種類型的電磁噪聲干擾，致使所獲實測數據的信噪比嚴重降低，給極低頻信號的遠距離探測帶來了很大的困難。作為對極低頻電磁信號探測影響較大的主要噪聲源，海浪感應噪聲和低頻隨機噪聲都具有時變和隨機特點，其產生機理和信號域特征各不相同。

鑒于海浪感應噪聲和低頻隨機噪聲對極低頻電磁信號探測帶來的影響，需要從信號處理角度來抑制噪聲以提升數據的信噪比，為目標極低頻電磁信號的遠距離探測提供行之有效的方法。已有海洋電磁噪聲的抑制技術大多基于噪聲和信號在頻域的特征差異來實現對噪聲的過濾，在很多問題中取得了較為理想的信號探測效果。然而，現有方法的前提是基于噪聲和信號在頻域特征的可分性，很難直接用于對極低頻信號的探測問題。海浪感應噪聲的頻譜為寬帶譜，與低頻隨機噪聲的頻譜類似，都覆蓋了目標信號所在的極低頻段，通過頻域濾波技術很難將目標信號和噪聲有效分離。因此，有必要針對極低頻電磁信號和海洋環境噪聲的特點提出有效的去噪算法，提升在低信噪比條件下對極低頻電磁信號的探測能力。

發明內容

本發明實施例提供了基于動態卡爾曼濾波的極低頻海洋電磁信號探測方法，用以解決現有去噪技術基于噪聲和信號在頻域特征的可分性，很難直接用于對極低頻信號的探測問題。

一方面，本發明實施例提供了基于動態卡爾曼濾波的極低頻海洋電磁信號探測方法，包括：

獲取含噪極低頻海洋電磁信號時間序列；

將含噪極低頻海洋電磁信號時間序列輸入動態卡爾曼濾波器，獲得濾波后的電磁信號時間序列；

對濾波后的電磁信號時間序列進行短時傅里葉變換，獲得相應的去噪時頻譜；

提取去噪時頻譜中極低頻海洋電磁信號的特征參數；

其中，動態卡爾曼濾波器對含噪極低頻海洋電磁信號時間序列的濾波處理包括：

利用動態卡爾曼濾波器對含噪極低頻海洋電磁信號時間序列進行系統狀態和協方差更新；

根據更新后的系統狀態和協方差確定當前狀態的最優估計值；

更新與最優估計值對應的協方差。

本發明中的基于動態卡爾曼濾波的極低頻海洋電磁信號探測方法，具有以下優點：

1、本發明聯合信號的時域和時頻域分析方法，對海洋電磁噪聲的特性進行了研究，并挖掘了海洋電磁噪聲和極低頻電磁信號的可分離屬性，基于此提出了基于卡爾曼模型的電磁噪聲動態濾波算法，為在時頻特征混疊情況下的微弱信號增強探測問題提供了新思路。