專利名稱：基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態(tài)信號檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水聲信號處理領(lǐng)域，特別是涉及一種基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態(tài)信號檢測方法。
背景技術(shù)：
水聲瞬態(tài)信號可以由空投物體入水、水下航行體點火啟動或變速轉(zhuǎn)向、冰層破裂、鯨豚鳴叫等產(chǎn)生，蘊含著豐富的海洋信息，可用于目標(biāo)識別、定位、導(dǎo)航等，且多屬被動信號檢測，具有很強的研究價值和廣泛的應(yīng)用前景。
瞬態(tài)信號持續(xù)時間短，通常只有幾毫秒，屬于典型的非平穩(wěn)信號，使得經(jīng)典的信號處理方法對此失效。目前的主流方法有傳統(tǒng)能量檢測、短時相關(guān)、Power-Law等。能量檢測實現(xiàn)簡單，但其對信噪比要求較高；短時相關(guān)法通過對信號數(shù)據(jù)進行簡單的分段相關(guān)處理，依據(jù)一定的統(tǒng)計估計實現(xiàn)高正確率檢測，但“分段”破壞了其時間分辨率；PoWer-LaW檢測器是將高斯背景下的瞬態(tài)信號檢測問題歸結(jié)為N點DFT數(shù)據(jù)中任意M點信號的檢測，它不需要先驗知識，可以認(rèn)為是完全自適應(yīng)的方法，但其基于傳統(tǒng)DFT，對非平穩(wěn)信號缺乏適應(yīng)性。越來越受到學(xué)者們關(guān)注的是各種具有良好自適應(yīng)能力的、直觀的時頻分析方法或復(fù)合檢測方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種真正自適應(yīng)的、具有強降噪能力的、適用于低信噪比環(huán)境的基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態(tài)信號檢測方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，主要包括如下步驟:
( I)初始化基本參數(shù)，主要包括:寬度門限、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解終止階數(shù)、子波檢測門限倍數(shù)、能量密度門限倍數(shù)、頻率分辨率系數(shù)、一階遞歸系數(shù)；
(2)基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)子波檢測的自適應(yīng)降噪，即通過EMD子波檢測確定有效固有模態(tài)函數(shù)(頂F)，剔除其他只含噪聲的MF分量，實現(xiàn)第一重降噪；
(3)局部瞬時能量密度級降噪，即利用有效IMF分量求Hilbert譜的平方，再沿頻率軸做局部積分，得到局部瞬時能量密度級，實現(xiàn)第二重降噪；
(4)計算信號局部瞬時能量密度級包絡(luò)，將其作為檢測統(tǒng)計量，做信號有無的二元判決，構(gòu)建局部瞬時能量密度檢測器。
本發(fā)明還可以包括:
所述的基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解子波檢測的自適應(yīng)降噪的步驟是:首先針對EMD得到的IMF分量，采用滑動平均，獨立估計每階MF的功率，功率均值乘以子波檢測門限倍數(shù)作為功率門限，然后通過瞬時功率峰值檢測方法進行MF篩選，若IMF功率峰值大于功率門限則認(rèn)為此階IMF有效，否則認(rèn)為無效并剔除。
所述的局部瞬時能量密度級降噪是根據(jù)水聲瞬態(tài)信號所處中低頻段的先驗知識，對Hilbert譜平方做頻率局部積分得到的，相當(dāng)于在頻域上通過一帶通濾波器，從而濾除第一重降噪中殘留下來的干擾。
所述的局部瞬時能量密度檢測器是以局部瞬時能量密度級包絡(luò)作為檢測統(tǒng)計量，做信號有無的二元判決。
本發(fā)明的方法的主要特點是:(1)與常規(guī)的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解通過提取高階MF提高信噪比的方法相比較，本發(fā)明中子波檢測是通過瞬時功率峰值檢測方法自適應(yīng)地進行MF篩選，可實現(xiàn)第一重降噪；(2)與常規(guī)的頻率全局積分得到的瞬時能量密度級相比較，本發(fā)明中的局部瞬時能量密度級是Hilbert譜平方做頻率局部積分得到的，可實現(xiàn)第二重降噪；(3)與通常的瞬態(tài)信號檢測器相比較，本發(fā)明采用局部瞬時能量密度級包絡(luò)作為檢測統(tǒng)計量，更能體現(xiàn)瞬態(tài)信號的局部特性。


圖1為基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態(tài)信號檢測流程圖2 (a)為水聲瞬態(tài)信號圖2 (b)為加噪瞬態(tài)信號及EMD分解結(jié)果圖3為各階MF子波檢測示意圖4為局部瞬時能量密度檢測與傳統(tǒng)能量檢測檢的測統(tǒng)計量對比圖5為能量密度-寬度組合檢測流程圖6為ROC曲線性能對比圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述:
基于Hilbert-黃(希爾伯特-黃)變換雙重降噪的瞬態(tài)信號檢測流程如圖1所示，主要步驟為:
( I)初始化基本參數(shù)，所述基本參數(shù)包括:寬度門限、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解終止階數(shù)、子波檢測門限倍數(shù)、能量密度門限倍數(shù)、頻率分辨率系數(shù)、一階遞歸系數(shù)。
寬度門限:W=Ims;
經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解終止階數(shù):K=5 ；
子波檢測門限倍數(shù):0=4;
能量密度門限倍數(shù):T_timeS=9 ；
HHT頻率分辨率系數(shù):N=1000 ；
一階遞歸系數(shù):信號系數(shù)Ml=50，門限系數(shù)M2=2000。
(2)基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解子波檢測的自適應(yīng)降噪，即通過EMD子波檢測確定有效MF分量，剔除其他只含噪聲的MF分量，實現(xiàn)第一重降噪。
①對輸入信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，具體的:
a)插值采用三次樣條插值；
b)分解終止條件設(shè)置為:余量的幅度小于原信號幅度的10,;余量的極點數(shù)小于等于2 ；IMF階數(shù)大于分解上限；
c)分量終止條件設(shè)置為:共有三個門限值sdl，sd2和tol，其中sdl < sd2，三個值都介于0和I之間。計算:
sx (k) = 2 I men (k) / (uen (k)-den (k)) I (I)
其中men (k)，uen (k)，den (k)分別為信號的包絡(luò)均值、上包絡(luò)和下包絡(luò)。
以下三個條件滿足其中之一時篩選終止:sx(k)中的任意一點的值都小于sd2，SX(k)中超過sdl的比例不大于tol，并且極值點和過零點的數(shù)目相差不大于I ;少于3個極點剩余；篩選次數(shù)大于最大篩選次數(shù)門限；
d)邊界處理采用鏡像法。
圖2給出了水聲瞬態(tài)信號及加噪后EMD分解結(jié)果。
②EMD子波檢測采用瞬時功率峰值檢測方法:
從功率的角度分析，若第I階IMF沒有信號存在，設(shè)信號長度為M，則其功率可表示為:
Ni (k) = Pni (k), k = 0, I,..., M-1 (2)
若第i階IMF有信號存在，則其功率可表示為:
Ni (k) = Pni (k) +Psi (k)，k = 0，1，…，M-1 (3)
Pni (k)為第i階MF中噪聲在k時刻的功率，Psi (k)為第i階MF中信號在k時刻的功率，則有以下判定:
權(quán)利要求
1.一種基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態(tài)信號檢測方法，其特征在于包括以下步驟: (1)初始化基本參數(shù)，主要包括:寬度門限、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解終止階數(shù)、子波檢測門限倍數(shù)、能量密度門限倍數(shù)、頻率分辨率系數(shù)、一階遞歸系數(shù)； (2)基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解子波檢測的自適應(yīng)降噪，即通過EMD子波檢測確定有效固有模態(tài)函數(shù)，剔除其他只含噪聲的IMF分量，實現(xiàn)第一重降噪； (3)局部瞬時能量密度級降噪，即利用有效IMF分量求Hilbert譜的平方，再沿頻率軸做局部積分，得到局部瞬時能量密度級，實現(xiàn)第二重降噪； (4)將計算信號局部瞬時能量密度級包絡(luò)作為檢測統(tǒng)計量，做信號有無的二元判決，構(gòu)建局部瞬時能量密度檢測器。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態(tài)信號檢測方法，其特征是:所述的基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解子波檢測的自適應(yīng)降噪的步驟是:首先針對EMD得到的MF分量，采用滑動平均，獨立估計每階IMF的功率，功率均值乘以子波檢測門限倍數(shù)作為功率門限，然后通過瞬時功率峰值檢測方法進行IMF篩選，若IMF功率峰值大于功率門限則認(rèn)為此階MF有效，否則認(rèn)為無效并剔除。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態(tài)信號檢測方法，其特征是:所述的局部瞬時能量密度級降噪是根據(jù)水聲瞬態(tài)信號所處中低頻段的先驗知識，對Hilbert譜平方做頻率局部積分得到的，相當(dāng)于在頻域上通過一帶通濾波器，從而濾除第一重降噪中殘留下來的干擾。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態(tài)信號檢測方法，其特征是:所述的局部瞬時能量密度檢測器是以局部瞬時能量密度級包絡(luò)作為檢測統(tǒng)計量，做信號有無的二元判決。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態(tài)信號檢測方法。包括以下步驟初始化基本參數(shù)寬度門限、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解終止階數(shù)、子波檢測門限倍數(shù)、能量密度門限倍數(shù)、頻率分辨率系數(shù)、一階遞歸系數(shù)；通過EMD子波檢測確定有效固有模態(tài)函數(shù)，剔除其他只含噪聲的IMF分量，實現(xiàn)第一重降噪；利用有效IMF分量求Hilbert譜的平方，再沿頻率軸做局部積分，得到局部瞬時能量密度級，實現(xiàn)第二重降噪；計算信號局部瞬時能量密度級包絡(luò)，將其作為檢測統(tǒng)計量，做信號有無的二元判決，構(gòu)建局部瞬時能量密度檢測器。本發(fā)明提供一種真正自適應(yīng)的、具有強降噪能力的、適用于低信噪比環(huán)境的信號檢測方法。
文檔編號G10L21/02GK103209036SQ20131006789
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者付進, 王燕, 鄒男, 梁國龍, 范展, 王逸林, 張光普 申請人:哈爾濱工程大學(xué)