[发明专利]地磁背景下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置及方法

说明书

一种地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置及方法，包括磁探测器，用于探测弱磁信号数据采集卡，用于采集磁探测器的信号并传输给频谱分析仪；以及频谱分析仪，用于采集到的信号进行频谱分析和相应的信号滤波处理。本发明通过提高被探测目标与探测传感器之间相对运动速度提升磁异信号频率，使得磁异信号处于较高频段，而地磁信号处于0Hz频率附近，故通过提升目标信号的频率，在频谱上分离出弱磁信号和地磁背景场，然后采用高通滤波器滤除地磁噪声，达到噪声抑制和信号提取的目的。

技术领域

本发明涉及弱磁探测技术领域，特别是一种在地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取方法。

背景技术

弱磁探测技术以具有铁磁性的物体扰动地磁场分布，产生地磁场分布异常的物理现象为基础，通过测量磁异信号的分布，提取磁异信号的特征量，并通过一定的数据处理最终得到目标相关信息。相比于光、声等探测手段，弱磁探测是一种被动探测技术，具有隐蔽性好，不受天气环境影响等优势，该技术目前广泛应用于航空探矿、导航、定位等民用，以及目标搜索、战场监控等军事领域。

由于在探测弱磁信号时，目标物体磁信号在纳特量级，而地磁场信号强度达到数十微特量级，两者相差3个数量级左右，因此对地磁的噪声抑制和信号提取变得非常困难。

现有的弱磁探测技术中，国内外主要是提高了探测器硬件方面的探测灵敏度，例如三轴磁强计、磁通门传感器、磁阻探测器、光泵磁强计、超导量子干涉仪等。其中三轴磁强计基于法拉第电磁感应原理，探测范围可以达到10^-3—10²T，属于一种早期的弱磁探测设备，灵敏度较低。磁通门传感器具有噪声低、频率响应高、温度性能好等特点，测量范围可以达到10^-10—10^-3T，灵敏度涵盖了微弱信号的亚nT量级。磁阻探测器基于磁场作用下电阻发生变化的原理，灵敏度理论上可达pT量级，此方法具备分辨力高、响应速度快、体积小、功耗低等优点，可集成化。光泵磁强计利用气体在磁场下的不稳定性来实现探测目的，探测灵敏度可达到fT量级，Geometrice公司的G-858铯光泵磁强计灵敏度达到0.01pT。超导量子干涉磁力仪(SQUID)是基于约瑟夫逊效应理论，利用超导材料制成，灵敏度达到10^-15T(fT)，是目前灵敏度最高的磁探测器。虽然目前的探测设备硬件方面的灵敏度越来越高，但是地磁背景场的强度达到数十微特量级，如何从大背景场下提取出纳特、皮特甚至飞特量级磁信号是最大难点。

国际上针对抑制地磁背景场提取弱磁信号的方法主要分以下几类：(1)、通过多通道磁探测可以实现背景磁场补偿，对信号进行地磁背景场的抑制，但是工程量较大，多通道探测方法的引入造成了电信号噪声的增加，并且多通道和探头设备使得成本较高。(2)、软件滤波抑制噪声法，该方法可以在采集完信号后，对存储的数据进行后端的滤波处理，但是不能实现实时探测监控，对探测结果缺乏时效性并且被探测目标物体的磁信号频率与地磁信号频率相近，故后端信号滤波处理方法效果不佳，增大了背景磁场的抑制难度。(3)、硬件电路滤波截止法，此方法在电路设计上将地磁场的低频信号滤除，实现了对探测信息实时处理。但是未将地磁噪声信号与被探测目标磁信号进行有效的分离，滤波电路还有自身滤波特性的局限性，也未取得良好的抑制效果。(4)、基于标准正交基的OBF方法，该方法是基于磁信号的基本信号特征，通过三个标准正交基来对有特征的磁信号在地磁背景噪声中进行有效的提取，但是该方法针对白噪声背景下的特征信号提取具有可观的优势，而在地磁场下地磁背景噪声不同于白噪声，对背景噪声的抑制效果较弱。本发明提出了采用提升磁目标和弱磁探测之间的相对运动速度的方法从而增加磁信号频率，与低频地磁噪声分离，具有实时、易于分析的特点。

发明内容

本发明克服上述现有技术的不足，提出一种地磁背景场下弱磁信号噪声抑制与信号提取装置及方法，基于弱磁探测技术和滤波技术相结合，采用提升磁目标和弱磁探测之间的相对运动速度的方法从而增加目标磁信号频率。