磁场传感器网络的噪声抑制方法技术

本发明专利技术提供了一种磁场传感器网络的噪声抑制方法。该噪声抑制方法中，利用磁场传感器阵列，通过干扰源和信号源在传感器网络节点产生信号的特点，利用球谐函数将传感器网络节点测的磁场信号分解成多个调和函数的叠加，形成具有线性独立的矢量信号基，利用该信号基分解测量的磁场信号，分离出信号源和噪声源对应的信号幅度，舍弃噪声源对应的信号幅度，以抑制磁场噪声源产生的噪声。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁场传感器及传感器网络
，尤其涉及一种磁场传感器网络的噪声抑制方法。
技术介绍
近年来，传感器网络凭借其强大的数据获取能力在军事安全、环境监测、生物医疗、工业生产等领域得到了广泛的应用。水下磁传感器网络作为监测重要港口、水域网络系统，具有探测无源性、定位精度高、执行时间短、受浅海复杂环境影响小和隐蔽性等特点，对维护国家海洋安全具有重要意义。在实际磁场测量中，复杂的电磁环境会对磁传感器网络探测效果，限制水下目标探测距离。目前主要噪声抑制方法为：最小均方算法、正交基函数匹配法、主分量分析法、神经网络、小波分解、自适应滤波、自回归模型、最小熵滤波器、高阶交叉法等。但上述方法都是基于单个磁场传感器噪声抑制，在SNR＜＜1的情况下，上述方法探测效果不佳。另外很多学者利用参考传感器，梯度方法抑制环境磁场噪声，但是对于某些噪声(如地质噪声)，噪声抑制能力差，影响入侵目标检测率。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种磁场传感器网络的噪声抑制方法，以提高噪声抑制能力，提升探测效果。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种磁场传感器网络的噪声抑制方法。该噪声抑制方法包括：步骤A：在球坐标系下，提供K个排列规则的矢量磁场传感器组成的球面的磁场传感器网络，每一矢量磁场传感器作为一网络节点，将磁源A包围在磁场传感器网络凹面内，噪声源B位于凸面区域外，K＞20；步骤B：磁场传感器网络中的各个矢量磁场传感器同步采集磁源A和噪声源B辐射的磁场信号；步骤C：对于第k个矢量磁场传感器在第m个采样时刻测量的原始磁场信号进行预处理，得到磁场信号其中，k＝1～K：步骤D：将K个矢量磁场传感器测量在第m个采样时刻测量的磁场信号组成列向量其中，步骤E1：对于第k个矢量磁场传感器，根据其在球坐标系下的坐标位置，获取磁源A在该磁场传感器位置处所产生的三方向-r方向、θ方向、方向磁场对应的基函数及对应的系数-αk，r、αk，θ、其中，k＝1～K；步骤E2：将K个矢量磁场传感器在第j个方向的磁源A对应的基函数和对应的系数组成矩阵，表示为：αj＝[α1，j；…；αK，j]，步骤F1：对于第k个矢量磁场传感器，根据其在球坐标系下的坐标位置，获取噪声源B在该磁场传感器位置处所产生的三方向-r方向、θ方向、方向磁场对应的基函数和及对应的系数-βk，r、βk，θ、步骤F2：将K个矢量磁场传感器第j个方向的噪声源B对应的基函数和对应的系数组成矩阵，表示为：βj＝[β1，j；…；βK，j]，步骤G：将三个方向-r方向、θ方向、方向的基矩阵和分别合成矩阵作为磁场信号的基，其中，步骤H：对矩阵Sj分别作伪逆运算，得到其对应的伪逆矩阵其中，步骤I：将矩阵与其对应的伪逆矩阵相乘，获得矩阵其中，步骤J：将矩阵中与磁源A有关的列合成矩阵aj，将矩阵中与噪声源B有关的列合成矩阵βj，其中，步骤K：根据获得的磁场信号幅度，利用步骤E中已知的重建磁源A和噪声源B在第k个磁场传感器处第m个采样时刻时产生的三方向磁场分量：和依次舍弃噪声源产生的三个方向
的磁场从而得到抑制干扰噪声源B产生磁场后的信号，其中(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术磁场传感器网络的噪声抑制方法具有以下有益效果：(1)物理意义明确，简便快捷、效率高，可以实现快速的噪声抑制；(2)充分网络信息分离同频信号，噪声抑制能力强，可用于磁异常探测等领域，应用前景广阔。附图说明图1为根据本专利技术实施例磁场传感器网络的噪声抑制方法的示意图；图2为专利技术实例磁场传感器网络的噪声抑制方法示例图；图3为图2对应的传感器网络立体结构图；图4为图2专利技术实例传感器节点处仿真磁场信号；图5为该专利技术发方法处理滤波后传感器X方向磁场结果；图6为该专利技术发方法处理滤波后传感器X方向磁场结果；图7为该专利技术发方法处理滤波后传感器Z方向磁场结果。具体实施方式本专利技术需要一定数量排列规则的磁场传感器，通过干扰源和信号源在传感器网络节点产生信号的特点，利用球谐函数将传感器网络节点测的磁场信号分解成多个调和函数的叠加，形成具有线性独立的矢量信号基，利用该信号基分解测量的磁场信号，分离出信号源和噪声源对应的信号幅度，舍弃噪声源对应的信号幅度，以抑制磁场噪声源产生的噪声。在本专利技术的一个示例性实施例中，提供了一种磁场传感器网络的噪声抑制方法。图1为根据本专利技术实施例磁场传感器网络的噪声抑制方法的示意图。如图1所示，本实例磁场传感器网络的噪声抑制方法包括：步骤A：在球坐标系下，提供100个矢量磁场传感器组成的球面的磁场传感器网络，每一矢量磁场传感器作为一网络节点，将磁源A包围在磁场传感器网络凹面内，噪声源B位于凸面区域外；磁场传感器网络的剖面如图2所示。本实施例中，磁场传感器网络由100个矢量磁场传感器组成，呈八分之一椭球形(坐标范围)，如图3所示。关于磁场传感器网络中矢量磁场传感器的个数，本领域技术人员可以根据需要合理选择，满足噪声抑制要求。此外，磁场传感器网络可依据探测地势等因素，排列为球、椭球、半椭球、四分之一椭球或等形状。一般情况下，磁场传感器网络中矢量磁场传感器的个数K大于20个，优选地，K大于50。本步骤中，矢量磁场传感器可以采用感应式磁场传感器、磁通门、超导磁力计等磁场传感器，要求磁场传感器的自身噪声远小于测量外界环境的磁场信号。步骤B：磁场传感器网络中的各个矢量磁场传感器同步采集磁源A和噪声源B辐射的磁场信号；X方向磁场大小如图4所示，其中子图Bin-X和Bout-X分别表示某采样时刻磁源A和噪声源B在磁场传感器网络上产生的X方向磁场信号；B-X子图表示在该采样时刻磁源A和噪声源B在磁场传感器网络上产生的X方向磁场信号之和。步骤C：对于第k个矢量磁场传感器在第m个采样时刻测量的三个方向-r方向、θ方向、方向的原始磁场信号进行预处理，得到磁场信号其中，k＝1～100；本步骤中，预处理主要是指对信号实施去线性趋势、低通滤波处理，根据信号频带范围滤除信号频带外噪声，例如磁异常信号频率一般低于1Hz，舰船等目标产生的轴频信号频率多为1～7Hz。其中，为第m个采样时刻磁场传感器网络测量的r方向的磁场信号值，为第m个采样时刻磁场传感器网络测量的θ方向的磁场信号值，为第m个采样时刻磁场传感器网络测量的方向的磁场信号值。步骤D：将100个矢量磁场传感器测量在第m个采样时刻测量的三个方向-r方向、θ方向、方向的磁场信号组成列向量，表示为：其中，k＝1～100；步骤E1：对于第k(k＝1～100)个矢量磁场传感器，根据其在球坐标系下的坐标位置，分别获取磁源A和噪声源B在该磁场传感器位置处所产生的三方向-r方向、θ方向、方向磁场对应的基函数其中，k＝1～K；对于第k(k＝1～100)个矢量磁场传感器，该矢量磁场传感器所测量到的磁场Bk为磁源A在该位置产生的三分量磁场和噪声源B在该位置产生的三分量磁场之和，即：Bk=Bink+Boutk---(1)]]>其中，磁源A在该位置所产生的三分量磁场的表达式如下：为了便于计算，取有限项来进行处理，即上述简化为：其中，上式中求取梯度公式项如下：其中，i为虚数单位，为单位坐标向量，第k个磁场传感器的磁场扩展阶数可以根据具体干扰源位置、强度等选择，一般介于2-15之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁场传感器网络的噪声抑制方法，其特征在于，包括：步骤A：在球坐标系下，提供K个排列规则的矢量磁场传感器组成的球面的磁场传感器网络，每一矢量磁场传感器作为一网络节点，将磁源A包围在磁场传感器网络凹面内，噪声源B位于凸面区域外，K＞20；步骤B：磁场传感器网络中的各个矢量磁场传感器同步采集磁源A和噪声源B辐射的磁场信号；步骤C：对于第k个矢量磁场传感器在第m个采样时刻测量的原始磁场信号进行预处理，得到磁场信号其中，k＝1‑K：步骤D：将K个矢量磁场传感器测量在第m个采样时刻测量的磁场信号组成列向量其中，步骤E1：对于第k个矢量磁场传感器，根据其在球坐标系下的坐标位置，获取磁源A在该磁场传感器位置处所产生的三方向‑r方向、θ方向、方向磁场对应的基函数及对应的系数‑αk，r、αk，θ、其中，k＝1‑K；步骤E2：将K个矢量磁场传感器在第j个方向的磁源A对应的基函数和对应的系数组成矩阵，表示为：步骤F1：对于第k个矢量磁场传感器，根据其在球坐标系下的坐标位置，获取噪声源B在该磁场传感器位置处所产生的三方向‑r方向、θ方向、方向磁场对应的基函数和及对应的系数‑βk，r、βk，θ、步骤F2：将K个矢量磁场传感器第j个方向的噪声源B对应的基函数和对应的系数组成矩阵，表示为：步骤G：将三个方向‑r方向、θ方向、方向的基矩阵和分别合成矩阵作为磁场信号的基，其中，步骤H：对矩阵Sj分别作伪逆运算，得到其对应的伪逆矩阵其中，步骤I：将矩阵与其对应的伪逆矩阵相乘，获得矩阵其中，步骤J：将矩阵中与磁源A有关的列合成矩阵aj，将矩阵中与噪声源B有关的列合成矩阵βj，其中，步骤K：根据获得的磁场信号幅度，利用步骤E中已知的重建磁源A和噪声源B在第k个磁场传感器处第m个采样时刻时产生的三方向磁场分量：和依次舍弃噪声源产生的三个方向的磁场从而得到抑制干扰噪声源B产生磁场后的信号，其中...

【技术特征摘要】
1.一种磁场传感器网络的噪声抑制方法，其特征在于，包括：步骤A：在球坐标系下，提供K个排列规则的矢量磁场传感器组成的球面的磁场传感器网络，每一矢量磁场传感器作为一网络节点，将磁源A包围在磁场传感器网络凹面内，噪声源B位于凸面区域外，K＞20；步骤B：磁场传感器网络中的各个矢量磁场传感器同步采集磁源A和噪声源B辐射的磁场信号；步骤C：对于第k个矢量磁场传感器在第m个采样时刻测量的原始磁场信号进行预处理，得到磁场信号其中，k＝1-K：步骤D：将K个矢量磁场传感器测量在第m个采样时刻测量的磁场信号组成列向量其中，步骤E1：对于第k个矢量磁场传感器，根据其在球坐标系下的坐标位置，获取磁源A在该磁场传感器位置处所产生的三方向-r方向、θ方向、方向磁场对应的基函数及对应的系数-αk，r、αk，θ、其中，k＝1-K；步骤E2：将K个矢量磁场传感器在第j个方向的磁源A对应的基函数和对应的系数组成矩阵，表示为：步骤F1：对于第k个矢量磁场传感器，根据其在球坐标系下的坐标位置，获取噪声源B在该磁场传感器位置处所产生的三方向-r方向、θ方向、方向磁场对应的基函数和及对应的系数-βk，r、βk，θ、步骤F2：将K个矢量磁场传感器第j个方向的噪声源B对应的基函数和对应的系数组成矩阵，表示为：步骤G：将三个方向-r方向、θ方向、方向的基矩阵和分别合成矩阵作为磁场信号的基，其中，步骤H：对矩阵Sj分别作伪逆运算，得到其对应的伪逆矩阵其中，步骤I：将矩阵与其对应的伪逆矩阵相乘，获得矩阵其中，步骤J：将矩阵中与磁源A有关的列合成矩阵aj，将矩阵中与噪声源B有关的列合成矩阵βj，其中，步骤K：根据获得的磁场信号幅度，利用步骤E中已知的重建磁源...

【专利技术属性】
技术研发人员：方广有，刘敦歌，许鑫，朱万华，刘小军，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11