一种基于多维信息融合的谐波探测物体检测算法及装置技术领域
本发明涉及谐波探测技术，尤其是一种基于多维信息融合的谐波探测物体检测算
法及装置。
背景技术
研究表明，人造金属目标和半导体目标具有非线性特性，当使用特定频率的电磁
波照射人造金属目标和半导体目标时除散射入射波以外，还会对外辐射入射波中所没有的
频率分量——谐波分量。对半导体而言其V-I特性可表达为指数形式，能产生丰富的谐波频
率，而最低频谐波的转换损耗最小，因此它的二次谐波功率最大。对于人造金属目标，其V-I
特性是一反对称曲线，所以其只能产生奇次谐波，而其中的三次谐波最强。
由于人造金属结和半导体结的谐波转换效率较低，故而谐波探测适用于近程探
测。采用特定频段的电磁波照射受检对象，通过接收二次谐波和三次谐波来发现目标。目
前，常用的谐波检测方法主要有基于瞬时无功功率理论和基于傅里叶变换的谐波检测方
法。基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法原理简单、动态响应速度快，但其检测精度受滤
波器的影响很大，同时只在时域进行变换，不利于频谱分析；基于傅里叶变换的谐波检测方
法，通过对接收信号实行傅里叶变换获得二次谐波和三次谐波的能量，基于能量的检测方
式原理简单，工程可实现性高，但该方法只能简单判决目标有无，物体分辨力较低，这严重
影响了谐波探测技术的实际运用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种基于多维信
息融合的谐波探测物体检测算法及装置。解决单纯基于能量的谐波检测方法物体分辨力
低、虚警率高的问题，通过对多路接收信号采取多种处理方式，获得多维信息，从不同的维
度联合判决，提高谐波探测物体分辨力，降低虚警概率，提高抗干扰能力，进而提高谐波探
测的实际可运用性。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于多维信息融合的谐波探测物体检测算法包括:
步骤1:将检测区域划分为N个子区域，每个区域对应一组收发通道，N路收发通道
相互独立；N个收发通道产生N个检测通道的谐波信号；
步骤2:先对N个检测通道的谐波信号进行预处理，然后提取N个检测通道检测频段
谐波信号的频谱信息，根据频谱信息判断过门限点谐波总能量不为0的通道数是否大于0；
若门限点谐波总能量不为0的检测通道数量为0；则判断为无检测目标，并输出无检测目标
结果；否则，将N个检测通道过门限点谐波总能量ESi降序排列，i＝1，flag＝0，执行步骤3：
其中i小于等于N；
步骤3：重排后谐波总能量排第i位所对应检测通道的谐波总能量是否不为0；若
是，则执行步骤4；否则，则判断为无检测目标，并输出无检测目标结果：
步骤4：根据频谱信息计算出的二次谐波过门限点总能量值、三次谐波过门限点总
能量值、二次谐波能量对总谐波能量的贡献度以及二次谐波峰态系数和三次谐波峰态系数
的关系，检测出不规则多金属结物体(如钥匙)、金属结特性为主的规则物体(如金属壳电子
设备)、半导体结特性为主的规则物体。
进一步的，所述N路收发通道工作过程是：N个平行子区域中的被检测物体受到电
磁波照射时产生谐波信号，谐波信号经过接收天线进入接收通道，在接收通道里完成分频、
滤波和下变频处理后从射频变到中频，再经过AD采样转换为数字信号；数字信号经过滤波、
下变频和抽取处理后做FFT变换，得到频谱信息，然后提取二次谐波检测频段频谱信息和三
次谐波检测频段频谱信息。
进一步的，所述统计各检测通道过门限点数通过多次试验统计确定一个固定门限
点数Threshold，统计各通道二次谐波和三次谐波检测频段过门限的点数N2i和N3i，i表示通
道号，i＝1、2…N；
计算各通道二次谐波过门限点的总能量ES2i和三次谐波过门限点的总能量ES3i；
计算各通道二次谐波信号和三次谐波信号过门限点的能量和ESi，以及各通道二
次谐波能量对谐波总能量的贡献度P2i；
计算峰态系数：峰态系数计算公式为其中Yi为样本测定值，为均
值，S为标准方差，N为样本数。分别计算二次谐波峰态系数Pk2i和三次谐波峰态系数Pk3i。
进一步的，所述步骤4具体过程是：
步骤41：判断某一检测通道的二次谐波过门限点总能量以及三次谐波过门限总能
量是否均不为0；若均不为0，执行步骤43；否则，判断该检测通道二次谐波过门限总能量是
否等于0，执行步骤42；
步骤42:当该检测通道二次谐波过门限总能量等于0时,表示被检测物体是金属结
特性为主的规则物体,i＝i+1，然后执行步骤3；否则,该检测通道二次谐波过门限总能量不
等于0,表示被检测物体是不规则多金属物体,i＝i+1，然后执行步骤3；
步骤43:判断该检测通道二次谐波过门限点数与三次谐波过门限点数之和是否大
于P；当大于P时，则判断二次谐波过门限点总能量是否小于三次谐波过门限总能量，执行步
骤44；否则，i＝i+1，然后执行步骤3；P大于等于4；
步骤44：当该检测通道二次谐波过门限点总能量小于三次谐波过门限总能量时，
则判断该检测通道二次谐波对总谐波能量贡献度是否小于M且该检测通道及相邻通道三次
谐波和二次谐波峰态系数均大于H，执行步骤47；否则，执行步骤45；M∈0.3到0.5，H∈80到
100
步骤45：判断flag是否为1；当flag等于1时，判断该检测通道二次谐波对总谐波能
量贡献度是否大于S，执行步骤46；否则，被检测物体为半导体结特性为主的规则物体，i＝i
+1，然后执行步骤3；S属于0.6到0.8
步骤46：当该检测通道二次谐波对总谐波能量贡献度大于S时，则该被检测物体为
半导体结特性为主的规则物体，i＝i+1，然后执行步骤3；否则，i＝i+1，然后执行步骤3；
步骤47：当该检测通道二次谐波能量对总能量贡献度小于M且该检测通道及相邻
通道三次谐波和二次谐波峰态系数均大于H时，则该检测通道检测结果为不规则多金属结
物体，flag＝1；否则，判断flag是否为1，执行步骤48；
步骤48：当flag为1时，则i＝i+1，然后执行步骤3；否则，该检测通道被检测物体为
金属结特性为主的规则物体，i＝i+1，然后执行步骤3。
一种基于多维信息融合的谐波探测物体检测装置包括:
信号预处理模块，用于将检测区域划分为N个子区域，每个区域对应一组收发通
道，N路收发通道相互独立；N个收发通道产生N个检测通道的谐波信号；N个收发通道产生N
个检测通道的谐波信号；先对N个检测通道的谐波信号进行预处理，然后提取N个检测通道
检测频段谐波信号的频谱信息，根据频谱信息判断过门限点谐波总能量不为0的通道数是
否大于0；若门限点谐波总能量不为0的检测通道数量为0；则判断为无检测目标，并输出无
检测目标结果；否则，将N个检测通道过门限点谐波总能量ESi降序排列，i＝1，flag＝0，然
后通过谐波探测物体检测模块进行处理，其中i小于等于N；
谐波探测物体检测模块，用于重排后谐波总能量排第i位所对应检测通道的谐波
总能量是否不为0；若是，则根据频谱信息计算出的二次谐波过门限点总能量值、三次谐波
过门限点总能量值、二次谐波能量对总谐波能量的贡献度以及二次谐波峰态系数和三次谐
波峰态系数的关系，检测出不规则多金属结物体(如钥匙)、金属结特性为主的规则物体(如
金属壳电子设备)、半导体结特性为主的规则物体；否则，则判断为无检测目标，并输出无检
测目标结果。
进一步的，所述N路收发通道工作过程是：N个平行子区域中的被检测物体受到电
磁波照射时产生谐波信号，谐波信号经过接收天线进入接收通道，在接收通道里完成分频、
滤波和下变频处理后从射频变到中频，再经过AD采样转换为数字信号；数字信号经过滤波、
下变频和抽取处理后做FFT变换，得到频谱信息，然后提取二次谐波检测频段频谱信息和三
次谐波检测频段频谱信息。
进一步的，所述统计各检测通道过门限点数通过多次试验统计确定一个固定门限
点数Threshold，统计各通道二次谐波和三次谐波检测频段过门限的点数N2i和N3i，i表示通
道号，i＝1、2…N；
计算各通道二次谐波过门限点的总能量ES2i和三次谐波过门限点的总能量ES3i；
计算各通道二次谐波信号和三次谐波信号过门限点的能量和ESi，以及各通道二
次谐波能量对谐波总能量的贡献度P2i；
计算峰态系数：峰态系数计算公式为其中Yi为样本测定值，为均
值，S为标准方差，N为样本数。分别计算二次谐波峰态系数Pk2i和三次谐波峰态系数Pk3i。
进一步的，所述根据频谱信息计算出的二次谐波过门限点总能量值、三次谐波过
门限点总能量值、二次谐波能量对总谐波能量的贡献度以及二次谐波峰态系数和三次谐波
峰态系数的关系，检测出不规则多金属结物体(如钥匙)、金属结特性为主的规则物体(如金
属壳电子设备)、半导体结特性为主的规则物体具体过程是：
步骤41：判断某一检测通道的二次谐波过门限点总能量以及三次谐波过门限总能
量是否均不为0；若均不为0，执行步骤43；否则，判断该检测通道二次谐波过门限总能量是
否等于0，执行步骤42；
步骤42:当该检测通道二次谐波过门限总能量等于0时,表示被检测物体是金属结
特性为主的规则物体,i＝i+1，然后执行步骤3；否则,该检测通道二次谐波过门限总能量不
等于0,表示被检测物体是不规则多金属物体,i＝i+1，然后执行步骤3；
步骤43:判断该检测通道二次谐波过门限点数与三次谐波过门限点数之和是否大
于P；当大于P时，则判断二次谐波过门限点总能量是否小于三次谐波过门限总能量，执行步
骤44；否则，i＝i+1，然后执行步骤3；P大于等于4；
步骤44：当该检测通道二次谐波过门限点总能量小于三次谐波过门限总能量时，
则判断该检测通道二次谐波对总谐波能量贡献度是否小于M且该检测通道及相邻通道三次
谐波和二次谐波峰态系数均大于H，执行步骤47；否则，执行步骤45；M∈0.3到0.5，H∈80到
100
步骤45：判断flag是否为1；当flag等于1时，判断该检测通道二次谐波对总谐波能
量贡献度是否大于S，执行步骤46；否则，被检测物体为半导体结特性为主的规则物体，i＝i
+1，然后执行步骤3；S属于0.6到0.8
步骤46：当该检测通道二次谐波对总谐波能量贡献度大于S时，则该被检测物体为
半导体结特性为主的规则物体，i＝i+1，然后执行步骤3；否则，i＝i+1，然后执行步骤3；
步骤47：当该检测通道二次谐波能量对总能量贡献度小于M且该检测通道及相邻
通道三次谐波和二次谐波峰态系数均大于H时，则该检测通道检测结果为不规则多金属结
物体，flag＝1；否则，判断flag是否为1，执行步骤48；
步骤48：当flag为1时，则i＝i+1，然后执行步骤3；否则，该检测通道被检测物体为
金属结特性为主的规则物体，i＝i+1，然后执行步骤3。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明采用多维信息融合的方法实现谐波探测，根据不同类型物体的非线性特性
所存在的差异，从不同维度实现物体的检测和识别。与传统单纯基于能量的谐波探测方法
相比，本发明具有更高的物体分辨能力，能有效排除如钥匙等不规则多金属结物体带来的
干扰，并能识别出检出物体的类别，方便后续处理，适合运用于对检测虚警率要求较高的运
用场所。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明流程图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥
的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的
替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子
而已。
形状不规则的人造多金属结物体在受到一定频率和能量的电磁波照射时，散射的
谐波信号会出现频谱展宽的现象，故而整个频谱变化会比较平缓，并且既包含奇次谐波又
包含偶次谐波；而一般人造金属结物体和半导体结物体在受到相同频率和能量的电磁波照
射时频谱展宽现象不明显，频谱变化更加陡峭。峰态系数是表征概率密度分布曲线在平均
值处峰值高低的特征数。直观看来，峰态系数反映了尾部的厚度。峰态系数越大，分布就有
更多的极端值，那么其余值必然要更加集中在众数周围，其能量分布必然就更加陡峭。反
之，能量分布更加平缓。本发明通过计算谐波频谱分布的峰态系数结合谐波过门限点数、过
门限点能量和以及二次谐波对谐波总能量的贡献度来检测和分辨物体。
1)获取检测频段的频谱信息
对回波信号做傅里叶变换，得到二次谐波信号和三次谐波信号的频谱分布，根据
二次谐波信号和三次谐波信号的频率和带宽选择特定频段作为检测频段；
2)多维信息计算
分别计算二次谐波和三次谐波检测频段的峰态系数。通过试验确定一固定门限，
分别统计二次谐波检测频段和三次谐波检测频段过门限点数、过门限点总能量，计算二次
谐波信号对总谐波信号能量的贡献度。
3)多维信息融合判决
通过谐波过门限点总能量判断是否检测到目标；如果检测到目标则结合多维信息
对目标类型进行分辨；根据具体应用场景选择性报警。
图1是多维信息融合谐波检测和物体分辨流程图，以N路检测通道为例，各通道谐
波信号先进行预处理和FFT变换，然后提取检测频段，统计多维信息。各通道检测结果初始
值赋0，表示无检测目标。判决时，首先判断有无检测目标，若无则判决结束，否则按各通道
过门限点谐波总能量降序依次对过门限点谐波总能量不为0的通道进行判决。图中分支1判
决检测目标是否为不规则多金属结物体，检测结果赋1。分支2中，当二次谐波过门限总能量
等于0时表示检测物体是金属结特性为主的规则物体，检测结果赋3，否则为半导体结特性
为主的规则物体，检测结果赋2。分支3是半导体特性强于金属结特性的通道判决，若flag＝
0则表示无通道检测出不规则多金属结物体，检测结果赋2；否则表示有通道检测出不规则
多金属结物体，若二次谐波对总谐波能量贡献大于0.7则表示此通道半导体特性强，检测结
果赋2，否则认为该通道无检测目标，检测出的谐波信号是受其他通道不规则多金属结物体
的影响。分支4是金属结特性强于半导体结特性但又不属于不规则多金属结物体通道的判
决，若flag＝1，则认为该通道的谐波信号是受其他通道不规则多金属结物体的影响，检测
结果赋0；否则认为是金属结特性为主的规则物体，检测结果赋3。
实施例一：
步骤1：频谱信息提取；
本系统将整个检测区域划分为N个子区域，每个区域对应一组收发通道，N路收发
通道相互独立，按一定的扫描顺序轮流工作。系统工作时，金属结或半导体结受到特定频率
的电磁波照射，从而散射出二次谐波信号和三次谐波信号，谐波信号经接收天线进入射频
端接收通道，在接收通道里完成分频、滤波和下变频处理后从射频变换到中频，再经过AD采
样变为数字信号。数字信号进入数控板，在数控板内实现滤波、下变频以及抽取处理，从而
降低数据量和吞吐率，然后做FFT变换，得到频谱信息。提取二次谐波和三次谐波检测频段，
留存备用。
步骤二：多维信息计算
1)统计各检测通道过门限点数。通过多次试验统计确定一个固定门限Threshold，
统计各通道二次谐波和三次谐波检测频段过门限的点数N2i和N3i，i表示通道号，i＝1、2…
N；
2)计算各通道二次谐波过门限点的总能量ES2i和三次谐波过门限点的总能量
ES3i；
3)计算各通道二次谐波信号和三次谐波信号过门限点的能量和ESi，以及各通道
二次谐波能量对谐波总能量的贡献度P2i；
4)计算峰态系数。峰态系数计算公式为其中Yi为样本测定值，为
均值，S为标准方差，N为样本数。分别计算二次谐波峰态系数Pk2i和三次谐波峰态系数Pk3i。
步骤三：多维信息融合，物体检测和识别。
将各通道过门限点谐波总能量ESi进行降序排列。根据图1的判决流程，按照ESi降
序排列后的通道顺序依次对各通道进行判决。判决结果将被检测物体划分为三大类，分别
为不规则多金属结物体(如钥匙)、金属结特性为主的规则物体(如金属壳电子设备)、半导
体结特性为主的规则物体(如塑料壳电子设备)。最后根据实际运用场景对检测结果作出相
应处理。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的
新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。