本发明实施例涉及检波器技术，尤其涉及一种检波器的性能检测方法及装置。
背景技术：
现代产业的高速发展，增加了对油气资源的需求。随着油气勘探开发的不断深入和大型的油气藏被不断发现，勘探目标越来越复杂，提高勘探技术水平已经成为重中之重。检波器作为野外数据采集过程中最为关键的采集前端装备，其性能及所采集的数据质量直接关系到后期的处理与解释以及最后油气藏的发现。
为了满足勘探的需求，特别是对于低成本以及数据采集精度的要求，检波器的道数和种类也在不断增加。检波器的道数从多道上升到了几万道乃至上百万道。检波器按照工作原理划分，可以分为速度型检波器(例如：动圈式检波器、惯性式检波器、电动式检波器和磁感应式检波器等)、加速度型检波器(例如：涡流式检波器和动环式检波器等)、压敏(电)检波器(例如：水听检波器等)、数字型MEMS检波器以及数字型光纤检波器。在实际的应用中，需要对不同种类和不同型号的检波器的性能进行检测，以比较检波器性能的好坏，选择合适的检波器。用于评估检波器性能的参数有：自然频率、阻尼系数、灵敏度和失真度等。其中，自然频率是指检波器的共振频率，或当振动系统作无阻尼振动时的固有频率或自然频率。阻尼系数是指对惯性体振动过程中受阻力影响，其能量逐衰减的现象。灵敏度指的是检波器对激励的敏感程度。失真度(畸变)是指作为一个信号通路，对通过的信号所产生的失真程度，定义为输出中谐波分量的总有效值与基波分量有效值之比的百分比。失真度决定了检波器的动态分辨率，较低的失真有助于增加检波器的动态分辨率，也有了更大的动态范围。为了便于对检波器的性能进行检测，统一这些参数，现有技术中多采用传递函数分析法(Transfer Functions)和延时互相关分析法(Lagged Cross Correlation)。然而，传递函数分析法需要同时分析检波器输出的幅频特性和相频特性，涉及较多的参数比较，存在不能直观评估检波器的性能的问题。延时互相关分析法需要计算多组数字时移，存在计算量较大的问题。
技术实现要素：
本发明提供一种检波器的性能检测方法及装置，以提升检波器性能检测的直观性、全面性，以及减小检波器性能检测的计算量。
第一方面，本发明实施例提供了一种检波器的性能检测方法，该检波器的性能检测方法包括：
计算输入到至少一个检波器的参考信号的自谱密度；
计算至少一个所述检波器的输出信号的自谱密度；
计算所述参考信号和所述输出信号的交叉谱密度；
根据所述参考信号的自谱密度、所述输出信号的自谱密度和所述交叉谱密度获取检测所述检波器性能的一致性函数。
可选地，所述计算输入到至少一个检波器的参考信号的自谱密度，包括：
计算所述参考信号的自相关函数；
对所述参考信号的自相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取所述参考信号的自谱密度；
以及，所述计算至少一个所述检波器的输出信号的自谱密度，包括：
计算所述输出信号的自相关函数；
对所述输出信号的自相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取所述输出信号的自谱密度。
可选地，所述计算所述参考信号和所述输出信号的交叉谱密度，包括：
计算所述参考信号和所述输出信号的互相关函数；
对所述互相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取所述参考信号和所述输出信号的交叉谱密度。
可选地，所述根据所述参考信号的自谱密度、所述输出信号的自谱密度和所述交叉谱密度获取检测所述检波器性能的一致性函数，包括：所述一致性函数通过以下公式获得，
其中，Sx(ω),为参考信号的自谱密度，Sy(ω)为输出信号的自谱密度，Sxy(ω)为交叉谱密度。
可选地，所述根据所述参考信号的自谱密度、所述输出信号的自谱密度和所述交叉谱密度获取检测所述检波器性能的一致性函数之后，还包括：
根据所述一致性函数获取所述检波器的信噪比。
第二方面，本发明实施例还提供了一种检波器的性能检测装置，该检波器的性能检测装置包括：
参考信号计算模块，用于计算输入到至少一个检波器的参考信号的自谱密度；
输出信号计算模块，用于计算至少一个所述检波器的输出信号的自谱密度；
交叉谱密度计算模块，用于计算所述参考信号和所述输出信号的交叉谱密度；
一致性函数计算模块，用于根据所述参考信号的自谱密度、所述输出信号的自谱密度和所述交叉谱密度获取检测所述检波器性能的一致性函数。
可选地，所述参考信号计算模块具体用于：
计算所述参考信号的自相关函数；
对所述参考信号的自相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取所述参考信号的自谱密度；
以及，所述输出信号计算模块具体用于：
计算所述输出信号的自相关函数；
对所述输出信号的自相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取所述输出信号的自谱密度。
可选地，所述交叉谱密度计算模块具体用于：
计算所述参考信号和所述输出信号的互相关函数；
对所述互相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取所述参考信号和所述输出信号的交叉谱密度。
可选地，所述一致性函数计算模块具体用于：所述一致性函数通过以下公式获得，
其中，Sx(ω),为参考信号的自谱密度，Sy(ω)为输出信号的自谱密度，Sxy(ω)为交叉谱密度。
可选地，所述检波器的性能检测装置还包括：
信噪比计算模块，用于根据所述一致性函数获取所述检波器的信噪比。
本发明通过根据参考信号的自谱密度、输出信号的自谱密度和交叉谱密度获取检测检波器性能的一致性函数，解决了现有检波器的性能检测装置存在的参数比较复杂和计算量大的问题。一致性函数将多个待分析变量统一为一个变量，综合分析，计算方法简单明了，减小了检波器性能检测的计算量，且在频率域根据对参考信号和输出信号每单位变化时相似程度的判断，提升了检波器性能检测的直观性和全面性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种检波器的性能检测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种检波器的性能检测方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的又一种检波器的性能检测方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的一种速度型检波器和加速度型检波器的一致性函数检测结果对比图；
图5是本发明实施例提供的一种速度型检波器和加速度型检波器的信噪比检测结果对比图；
图6为本发明实施例提供的一种检波器的性能检测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供了一种检波器的性能检测方法。该方法可以通过可控震源向检波器提供一个标准的参考信号，检波器采集该参考信号并进行处理，获取检波器的输出信号。根据参考信号和输出信号的波形数据计算出的一致性函数评估该检波器的性能。该检波器的性能检测方法可以应用于一个检波器，采用一致性函数可以评估该检波器的整体性能。该检波器的性能检测方法还可以应用于多个检波器，在对多个检波器的性能进行检测时，分别向多个检波器输入相同的参考信号，然后分别获取多个检波器的输出信号。根据参考信号和多个输出信号的波形数据分别计算出多个检波器的一致性函数，通过比较多个一致性函数的值可以得到多个检波器性能的优劣。
图1为本发明实施例提供的一种检波器的性能检测方法的流程图。本发明实施例提供的检波器的性能检测方法可以由检波器的性能检测装置执行，所述装置有硬件和/或软件实现。参见图1，该检波器的性能检测方法具体包括如下步骤：
步骤110、计算输入到至少一个检波器的参考信号的自谱密度。
其中，参考信号是指已知波形数据的波形信号。自谱密度表示每赫兹的功率或者每赫兹的能量。
步骤120、计算至少一个检波器的输出信号的自谱密度。
其中，输出信号是指参考信号经检波器处理后的波形信号，由于不同检波器的性能差异，输入相同的参考信号，不同检波器的输出信号的波形可能不同。
步骤130、计算参考信号和输出信号的交叉谱密度。
其中，交叉谱密度反映参考信号和输出信号在频率域变化上的相互关系。
步骤140、根据参考信号的自谱密度、输出信号的自谱密度和交叉谱密度获取检测检波器性能的一致性函数。
该检波器的性能检测方法的工作原理为，检波器的性能会受到制造公差、环境温度和环境湿度的影响，其输出信号与参考信号相比会存在多种变化。其中，待分析的变量包括振幅失真、相位失真和噪声等。一致性函数基于在频率域分析参考信号以及经过检波器的输出信号的变化程度，将多个待分析变量统一为一个变量，综合分析。另外，一致性函数消除了参考信号和输出信号的变化幅度的影响，只是单纯在频率域反映两个信号每单位变化时的相似程度。
本实施例的技术方案，通过根据参考信号的自谱密度、输出信号的自谱密度和交叉谱密度获取检测检波器性能的一致性函数，解决了现有检波器的性能检测方法参数比较复杂和计算量大的问题。一致性函数将多个待分析变量统一为一个变量，综合分析，计算方法简单明了，减小了检波器性能检测的计算量，且在频率域根据对参考信号和输出信号每单位变化时相似程度的判断，提升了检波器性能检测的直观性和全面性。
在上述各技术方案的基础上，步骤110、计算输入到至少一个检波器的参考信号的自谱密度，还可以包括：计算参考信号的自相关函数；对参考信号的自相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取参考信号的自谱密度。
其中，自相关函数表示一个信号和它的多径信号的相似程度，一个信号经过类似于反射、折射等其它情况的延时后的副本信号与原信号的相似程度。离散时间傅里叶变换(Discrete-time Fourier Transform，DTFT)是傅里叶变换的一种。它将以离散时间nT(其中，T为采样间隔)作为变量的函数(离散时间信号)变换到连续的频域，即产生这个离散时间信号的连续频谱。
以及，步骤120、计算至少一个检波器的输出信号的自谱密度，还可以包括：计算输出信号的自相关函数；对输出信号的自相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取输出信号的自谱密度。
在上述各技术方案的基础上，步骤130、计算参考信号和输出信号的交叉谱密度，还可以包括：计算参考信号和输出信号的互相关函数；对互相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取参考信号和输出信号的交叉谱密度。
其中，互相关函数表示的是两个时间序列之间的相关程度，即描述两个信号在任意两个不同时刻t1，t2的取值之间的相关程度。
从统计学上分析本技术方案提供的一致性函数，用x(t)表示参考信号，y(t)表示输出信号，Rx(t)表示x(t)的自相关函数，Ry(t)表示y(t)的自相关函数，Rxy(t)表示x(t)和y(t)的互相关函数，Sx(ω)表示变量X的自谱密度，Sy(ω)表示变量Y的自谱密度，Sxy(ω)表示变量X,Y的交叉谱密度。
如维纳-辛钦公式所示(以连续信号为例)：
由此可知，Sxy(ω)和Rxy(t)为傅里叶变换对，Sx(ω)和Rx(t)为傅里叶变换对，Sy(ω)和Ry(t)为傅里叶变换对。交叉谱密度Sxy(ω)能够在频率域描述两个信号，包括参考信号以及经过检波器的输出信号的相关性，自谱密度Sx(ω)和Sy(ω)是在频率域描述同一个信号自身的相关性。一致性函数反映了参考信号和输出信号的变化程度，计算方法简单明了，提升了检波器性能检测的直观性和全面性。
图2为本发明实施例提供的另一种检波器的性能检测方法的流程图。参见图2，在上述各技术方案的基础上，该检波器的性能检测方法具体包括：
步骤111、计算参考信号的自相关函数；
步骤112、对参考信号的自相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取参考信号的自谱密度
步骤121、计算输出信号的自相关函数；
步骤122、对输出信号的自相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取输出信号的自谱密度；
步骤131、计算参考信号和输出信号的互相关函数；
步骤132、对互相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取参考信号和输出信号的交叉谱密度；
步骤140、根据参考信号的自谱密度、输出信号的自谱密度和交叉谱密度获取检测检波器性能的一致性函数。
在本技术方案中，一致性函数反映了参考信号和输出信号的变化程度，计算方法简单明了，提升了检波器性能检测的直观性和全面性。
在上述各技术方案的基础上，根据参考信号的自谱密度、输出信号的自谱密度和交叉谱密度获取检测检波器性能的一致性函数，还可以包括：一致性函数通过以下公式获得，
其中，为一致性函数，Sx(ω)为参考信号的自谱密度，Sy(ω)为输出信号的自谱密度，Sxy(ω)为交叉谱密度。
由前述分析可知，交叉谱密度Sxy(ω)能够在频率域描述两个信号，包括参考信号以及经过检波器的输出信号的相关性，交叉谱密度Sxy(ω)是复数。自谱密度Sx(ω)和Sy(ω)是在频率域描述同一个信号自身的相关性，自谱密度是实数。上述公式在数学意义上是交叉谱密度Sxy(ω)的模，取值范围是[0,1]。当时，表示参考信号与经过检波器的输出信号存在着完美的线性关系，检波器性能良好；当时，可能存在三种情况，其一是检波器系统是非线性的，其二是噪声的干扰，其三是波长频散(或者信号的内调制影响)。在实际检测中，检波器的一致性函数介于0和1之间，且不等于0或1，一致性函数的值越大，表明检波器的性能越好。一致性函数反映了参考信号x(t)和输出信号y(t)的变化程度，且消除了变化幅度的影响，只是单纯在频率域反映两个信号每单位变化时的相似程度，即根据对参考信号和输出信号的相似程度的评估检波器性能，直观而简明。
图3是本发明实施例提供的又一种检波器的性能检测方法的流程图。参见图3，在上述各技术方案的基础上，步骤140、根据参考信号的自谱密度、输出信号的自谱密度和交叉谱密度获取检测检波器性能的一致性函数之后，还可以包括：步骤150、根据一致性函数获取检波器的信噪比。
具体地，定义检波器的信噪比(SNR)为：
因此，可以利用一致性函数去量化评估不同检波器的信噪比，表示检波器性能的不理想程度。
下面，对一致性函数在谱分析中的重要性和检测检波器性能的有效性进行分析和论证。
以输入输出是单频sine函数为例，Pearson相关系数是最早由统计学家卡尔·皮尔逊设计的统计指标，是研究变量之间线性相关程度的量，简称为皮尔逊相关系数(Pearson Correlation Coefficient)。Pearson相关系数使用两个变量的协方差和标准差来定义：
其中，cov表示协方差，σ表示标准差。
因为cov可以表示为：
cov(X,Y)＝E[(X-μX)(Y-μY)],
所以，Pearson相关系数可以最终表示为：
Pearson相关系数的绝对值越大，相关性越强：相关系数越接近于1或-1，相关度越强，相关系数越接近于0，相关度越弱。同理，对于一致性函数，其取值范围是[0,1]，当时，表示参考信号x(t)与经过检波器的输出信号y(t)存在着完美的线性关系，检波器性能良好。当时，可能存在三种情况，其一是检波器系统是非线性的，其二是噪声的干扰，其三是波长频散(或者信号的内调制影响)。由此，一致性函数与时间域的Pearson相关系数有相同的统计学意义，以及一致性函数在谱分析中有着十分重要的作用。
图4是本发明实施例提供的一种速度型检波器和加速度型检波器的一致性函数检测结果对比图，图5是本发明实施例提供的一种速度型检波器和加速度型检波器的信噪比检测结果对比图。参见图4和图5，设定检波器参数为：ξ＝0.7(1-0.025),，ω0＝2π10(1-0.025)。以Ricker子波为参考信号，记为X，经过检波器的输出结果记为Y，构建一致性函数和信噪比。加速度型检波器的输出信号的一致性函数为谱线210和速度型检波器的输出信号的一致性函数为谱线220，加速度型检波器的输出信号的信噪比为谱线230和速度型检波器的输出信号的信噪比为谱线240。如果速度型检波器有公差存在，其输出信号的一致性函数谱线220一直低于加速度型检波器的输出信号的一致性函数谱线210，直到频率为150Hz左右。在频率为150Hz左右处，速度型检波器的输出信号的噪声水平与参考信号Ricker子波相同。在低频部分，特别是在频率为1Hz以上，速度型检波器的输出信号的一致性函数谱线220存在一个尖锐的下降。在中部的频段范围，速度型检波器的输出信号的一致性函数谱线220要明显低于加速度型检波器的输出信号的一致性函数谱线220。而在频率为150Hz以上，噪音占据主导地位，通过一致性函数谱线和信噪比谱线的对比，可以得出两种类型的检波器的性能并没有什么不同。
本发明还提供了一种检波器的性能检测装置。该装置可集成于检测仪器中，图6为本发明实施例提供的一种检波器的性能检测装置的结构示意图。参见图6，该检波器的性能检测装置包括：参考信号计算模块310、输出信号计算模块320、交叉谱密度计算模块330和一致性函数计算模块340。
参考信号计算模块310用于计算输入到至少一个检波器的参考信号的自谱密度。输出信号计算模块320用于计算至少一个检波器的输出信号的自谱密度。交叉谱密度计算模块330用于计算参考信号和输出信号的交叉谱密度。一致性函数计算模块340用于根据参考信号的自谱密度、输出信号的自谱密度和交叉谱密度获取检测检波器性能的一致性函数。
本实施例提供的检波器的性能检测装置，通过根据参考信号的自谱密度、输出信号的自谱密度和交叉谱密度获取检测检波器性能的一致性函数，解决了现有检波器的性能检测装置的参数比较复杂和计算量大的问题。一致性函数将多个待分析变量统一为一个变量，综合分析，计算方法简单明了，减小了检波器性能检测的计算量，且在频率域根据对参考信号和输出信号每单位变化时相似程度的判断，提升了检波器性能检测的直观性和全面性。
在上述各技术方案的基础上，参考信号计算模块310还可以具体用于：计算参考信号的自相关函数；对参考信号的自相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取参考信号的自谱密度。以及，输出信号计算模块320还可以具体用于：计算输出信号的自相关函数；对输出信号的自相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取输出信号的自谱密度。参考信号计算模块310和输出信号计算模块320这样设置可以根据对参考信号和输出信号的相似程度的评估检波器性能，直观而简明。
在上述各技术方案的基础上，交叉谱密度计算模块330还可以具体用于：计算参考信号和输出信号的互相关函数；对互相关函数进行离散时间傅里叶变换，获取参考信号和输出信号的交叉谱密度。交叉谱密度计算模块330这样设置可以根据对参考信号和输出信号的相似程度的评估检波器性能，直观而简明。
在上述各技术方案的基础上，一致性函数计算模块340还可以具体用于：一致性函数通过以下公式获得，
其中，Sx(ω)为参考信号的自谱密度，Sy(ω)为输出信号的自谱密度，Sxy(ω)为交叉谱密度。一致性函数反映了参考信号x(t)和输出信号y(t)的变化程度，且消除了变化幅度的影响，只是单纯在频率域反映两个信号每单位变化时的相似程度，即根据对参考信号和输出信号的相似程度的评估检波器性能，直观而简明。
在上述各技术方案的基础上，检波器的性能检测装置还可以包括信噪比计算模块350。信噪比计算模块350用于根据一致性函数获取检波器的信噪比，以利用一致性函数去量化评估不同检波器的信噪比，表示检波器性能的不理想程度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。