Hilbert-Huang变换与ELF信号处理

Hilbert-uang变换(HHT)是近年出现的一种自适应的非平稳、非线性信号处理方法,该方法迄今已在许多非线性、非平稳信号处理的研究领域得到了很好的应用.本文简要介绍了Hilbert-Huang变换的基本实现原理与算法基础,通过仿真信号验证了该方法的有效性,并以实际数据为例,探讨了它在极低频(ELF)信号处理及噪声压制方面的应用.利用Hilberr-Huang变换对ELF信号进行频率域滤波,可以对噪声进行有效压制,从而提取已知频率的电磁信号,极大地提高信号质量.

SLF/ELF电磁接收机研究及观测试验

大功率、人工源的超低频/极低频电磁波技术已经成为当今国际地球物理学界瞩目的一个新兴研究领域,采用此方法计算获得的地下介质电性结构具有很高的精度和稳定性,特别适用于地震预测等需要精确观测数据的研究。在中国,从20世纪90年代末开始,开展了基于大功率人工源超低频/极低频技术的方法研究,也开展了该方法在地震监测领域的应用研究,然而对于适用于地震监测应用的观测系统的研究进展比较缓慢。文中介绍了专门用于地震监测应用的超低频/极低频电磁接收机的研发,详细说明了仪器的硬件系统组成、主要技术指标及其关键技术。试验观测结果表明该仪器能满足目前0.1～300Hz频段人工源电磁信号观测的需求。

ELF电磁波穿透海底管道最佳频率研究

针对海底遥控封堵隔离系统对极低频（ELF）电磁波的要求，采用材料为16Mn、规格为φ06mm×8．7mm的管道以及CD200W硅钢铁心，制作一绕组为180匝、另一绕组为400匝的自感线圈，并利用自制TDA2030低频功率放大电路，进行实验室模拟实验。结果表明，ELF电磁波频率在10～30Hz之间时，能够很好地磁化穿透管道，且在20Hz时感应电动势有最大值，为最佳穿透频率，通过示波器观察，曲线波形较稳定。

铁磁管道用极低频磁发射机的逆向优化设计

极低频磁信号对金属管道、岩石等高磁导率介质穿透力极强,在石油、天然气管道检测工程中常作为移动机器人跟踪与定位用的磁场源。在管道移动机器人跟踪与定位实践中,不同类型的管道,其尺寸、壁厚等有较大差异且管道埋深也不尽相同,这就需要不同功率的极低频磁发射机。将管道环境下极低频磁信号的传播规律和信号发射接收工程应用相结合,提出一整套极低频磁发射机的逆向优化设计方法。首先,根据极低频信号接收机中所用检测算法的检测概率与信噪比之间的关系得到某一检测概率下的接收机需要的最低信噪比,继而得到接收机前端的最小磁感应强度。然后以接收机前端的最小磁感应强度为基点,反推管道内极低频磁发射机需要产生的最小磁感应强度,由此设计出满足磁场与几何尺寸约束的发射机线圈结构与电路拓扑。由该方法得出的设计结果,既能满足接收机对磁感应强度的要求,又能保证发射机供电电源的使用寿命远远超过要求的连续工作时长;同时当工况参数在一定范围内变化时,接收机前端的磁感应强度仍满足以高检测概率检测到极低频信号的要求。

基于反相双峰指数模型的微弱瞬态极低频信号的估计与检测

在铁磁管道环境下,同频窄带噪声中的微弱瞬态极低频信号的估计与检测问题是管道机器人跟踪定位中最为重要的科学问题之一。为实现窄带噪声中的微弱瞬态信号的有效检测,分析了接收线圈在不同空间姿态下的信号特点,针对信号与窄带噪声相位上的区别以及信号包络的形态,建立了相位反相的双峰指数函数数学模型;应用非线性最小二乘估计,实现了该数学模型和真实信号之间的拟合;通过仿真和实验验证了该数学模型与真实信号的高度匹配性,并应用蒙特卡洛仿真分析了该模型参数估计的性能;使用所建立的数学模型,构建了平均功率检测器和瞬时最大功率检测器,通过分析比较极低频发射机在不同移动速度和接收信噪比条件下的检测性能,得出了两种检测器的特点和适用范围,并指出在现有工程背景下平均功率检测器的优势。实验证明,相位反相信息对同频窄带噪声中的信号检测非常重要,平均功率检测器在低信噪比条件下的检测性能良好。在信噪比为0.05 d B、虚警概率设为1%时,该检测器的检测概率达98.8%。

铁磁管道环境下极低频微弱磁场的分布及检测

极低频信号对金属管道、土壤等介质具有良好的穿透性能,可以应用于管道中的目标定位。实现这个目标包括2方面的内容:一是认识极低频磁场在管道环境下的分布;二是对接收的混有噪声的极低频信号进行检测与判决。其中极低频磁场的分布特性是信号检测、判决与系统设计的基础。首先建立了管道环境下极低频磁场的对称模型,推导了管道内外各层介质中极低频磁场的解析表达式并给出数值计算结果,通过ANSYS软件建模仿真进行验证。在此基础上,得到了接收天线上感应磁场随距离的变化曲线,通过对信号与噪声的比较,设计了接收系统的整体方案。针对接收信号的特性,选择最小二乘法进行实时检测和判决。通过分析核心判决统计量与归一化自相关系数的关系,采用深度叠接相加预处理技术,明显地改善了系统的接收效果,扩展了叠接相加法的应用范围。

Ag/AgCl电极水中电场探测的幅频响应特性

采用固态粉压型Ag／AgCl电极对参数已知的水下低频交流电场进行探测。通过改变水中电场信号的特征参数进行对比实验，以检测电极对信号频率和幅值的响应特性。实验结果表明：发射信号在0～4Hz、15-35mV的范围内时，Ag／AgCl电极的探测灵敏度随发射信号幅值的增加而增强，并且探测信号能够真实地反映发射信号的频率特征。最后，提出了电场探测电极的响应性能的表征参数。

油气管道中智能机器人跟踪定位关键技术综述

国民经济的持续快速发展对于油气供给提出了更大的需求。油气资源主要依靠管道进行运输,为保证管道运输安全可靠,需定期使用智能机器人对其进行检测。检测过程中要对智能机器人进行跟踪定位以确保知道管道内机器人的实时位置、状态,特别是发生故障如卡堵时的位置。油气管道通常为长距离管道,跟踪定位方式只能采用无缆或无线方式,其中极低频信号对于金属介质等具有良好穿透能力的特点特别适合于管道内智能机器人的跟踪定位。基于极低频磁技术的跟踪定位问题,本质上可以归纳为微弱磁信号的高分辨率探测和微弱瞬态磁信号的实时(快速)检测这两方面的问题。本文总结了油气管道中智能机器人的跟踪定位技术,介绍了国内外基于极低频技术的智能机器人跟踪定位装置;重点阐述了高分辨率磁传感器、微弱瞬态信号实时检测算法两项关键技术的研究现状,并介绍了基于极低频磁信号发射与接收的智能机器人跟踪定位系统的现有工作及未来展望。

水下极低频电磁信号探测中的海流感应电磁噪声压制

水下极低频电磁信号探测在深远海探测领域应用前景广阔,然而极低频电磁信号易受海流运动感应电磁噪声影响,为了拓展极低频电磁探测在海洋中的应用,需要通过信号处理的方式压制噪声,提高信号信噪比。小波分析具有多分辨率分析及时频局部化的优势,适于处理海水运动感应电磁噪声等非平稳信号,本文将海流感应电磁场特征引入小波分析中,基于正演模拟及小波系数分析确定阈值的小波阈值去噪方法压制噪声,利用合成的包含大地电磁信号、海流感应电磁噪声的极低频信号进行实验,并利用南黄海海域电磁信号探测试验数据进行验证。研究结果表明,噪声压制后的极低频信号信噪比明显提高,信号在时频域识别能力得到改善。

管道电流测绘系统中发射电路的设计与仿真

管道电流测绘系统(Pipeline Current Mapper)是一种用于地下管道外防腐层破损检测的装置,通过向地下管道发射一种用于管道检测的甚低频电流信号(接近直流)进行检测。针对检测的原理,开发出一种PCM发射电路。该发射电路采用超高运行速度的单片机和D/A转换器编程产生甚低频正弦波信号,再经有源低通滤波器滤波和OCL功率放大电路的调整,最终输出频率可调的甚低频正弦波信号。最后,将设计的发射电路放在Proteus7.4仿真软件中进行仿真,通过仿真得到的结果,分析得出该发射电路能非常精确地产生PCM系统所需的信号。

PCM系统中数字相敏检波器的设计与仿真

在PCM(埋地管道电流测绘)系统中,实际的信号采集需要解决在非常恶劣的环境中对ELF(甚低频)信号的精确测量的问题。传统的方法一般都采用APSD(模拟相敏检波器)来实现,然而在实际的电路中用模拟相敏检波器效果并不是很理想,结果存在严重的误差。针对目前模拟相敏检波器存在的问题,设计一种DPSD(数字相敏检波器)实现消除PCM系统中ELF信号中工频干扰的目的。该检波器能有效的克服模拟相敏检波器的缺点,更精确的进行微弱信号的检测,最后使用MATLAB仿真软件对模拟和数字相敏检波器进行了仿真比较。

极低频发射系统关键技术的研究与实现

[目的]发射可覆盖我国领土和主要领海的高信噪比极低频信号可为开展地下资源探测和地震预报等探索性研究及工程试验研究提供辐射信号服务。[方法]论述水平低架天线辐射极低频信号的基本原理,介绍极低频发射系统的组成,研究极低频大功率放大、水平天线调谐、强电磁场集散检测控制等关键技术,研制构建世界首个民用极低频发射台,并开展数千公里远距离场强测试。[结果]结果表明,极低频信号可覆盖我国国土和主要领海,比天然源信号高出10~20 dB,探测深度可达10 km。[结论]研制的极低频发射台可为地质探测、地震预测跨学科研究提供新的公用性、开放性服务平台,将推动我国低频无线电、空间物理和地球物理等基础学科的发展。