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%。

新型极低频信号遥测系统的研制

针对钻井勘探系统自身特点和极低频理论的要求,设计了一种基于极低频信号技术的遥测系统,并重点介绍了其中接收机部分的结构与实现方法。试验表明,所研制的新型极低频信号遥测系统性能好、可靠性高,具有良好的工程应用价值。

极低频信号的无线传输技术与应用

频率低于30KHz的通信,由于技术难度大而极少采用。本文介绍了极低频信息传输的特点及其在石油工业的特殊应用;探讨了极低频信号接收的关键及解决途径;特别研究了滤除50Hz工频干扰的双T陷波器的实际问题,给出了极低频接收机的组成框图。

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。

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。

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。

基于相关检测的磁定位清管器智能跟踪定位研究

清管器在油气管道运输领域扮演着重要角色,清管器发生堵塞时不及时解决会对油气管道作业造成严重安全隐患,但准确找到清管器的位置目前存在一定难度。相关检测在弱信号检测方面具有很强的优势,将相关检测与清管器定位相结合的检测方式对清管器定位具有重要意义。研究基于相关检测的磁定位方法,清管器搭载磁信号发射机在管道运行时持续发射极低频磁信号,管道上方预设定位接收机用来判断清管器信号和发送位置信息;清管器经过预设定位接收机时,定位接收机接收判断清管器的信号,判断是否为清管器,然后将清管器通过时间、位置信息通过4G网络发送至数据分析中心,通过上位机显示。当清管器堵塞时,上位机通过堵塞报警提醒工作人员。研究结果表明,该方法能在复杂强干扰环境中准确检测到清管器,能够精准检测20 m范围内的清管器信号。本研究成功实现了基于相关检测的清管器定位,杜绝了目前清管器检测漏报、误报严重的情况,实现真正意义上的无人值守。

基于正弦高斯混合模型的磁目标通用快速检测

在诸如潜艇等磁目标的探测问题中,被测磁目标信号可能表现出参数待定的磁异信号或极低频磁信号的特征。提出了一种可同时检测参数待定的微弱磁异信号和微弱极低频磁信号的通用快速检测方法。通过抓住磁异信号和极低频磁信号在统计上共同具有的分段类正弦特征,建立了正弦高斯混合模型,实现了对参数待定的磁异信号和极低频磁信号的通用建模。基于正弦高斯混合模型和序贯检测理论构建了一种累积和检测器,实现了对微弱磁异信号和微弱极低频磁信号的通用快速检测,给出了未知模型参数的确定方法,分析了所构建检测器的序贯检测性能。并进一步研究了所构建检测器对不同的微弱磁异信号和微弱极低频磁信号的检测性能。在以地磁为背景的磁目标探测系统实验中,验证了所构建检测器对微弱磁异信号和微弱极低频磁信号的通用性和快速性。实验表明,所构建检测器的信噪比可低至-8 dB,计算量相比于传统检测方法降低4个量级。