[發明專利]基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態信號檢測方法

有效

• 申請號: 201310067896.0
• 申請日: 2013-04-22
• 公開（公告）號: CN103209036A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 付進;王燕;鄒男;梁國龍;范展;王逸林;張光普
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: H04B17/00
• 分類號: H04B17/00;G10L25/78;G10L21/02
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技術領域

本發明涉及的是一種水聲信號處理領域，特別是涉及一種基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態信號檢測方法。

背景技術

水聲瞬態信號可以由空投物體入水、水下航行體點火啟動或變速轉向、冰層破裂、鯨豚鳴叫等產生，蘊含著豐富的海洋信息，可用于目標識別、定位、導航等，且多屬被動信號檢測，具有很強的研究價值和廣泛的應用前景。

瞬態信號持續時間短，通常只有幾毫秒，屬于典型的非平穩信號，使得經典的信號處理方法對此失效。目前的主流方法有傳統能量檢測、短時相關、Power-Law等。能量檢測實現簡單，但其對信噪比要求較高；短時相關法通過對信號數據進行簡單的分段相關處理，依據一定的統計估計實現高正確率檢測，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信號檢測問題歸結為N點DFT數據中任意M點信號的檢測，它不需要先驗知識，可以認為是完全自適應的方法，但其基于傳統DFT，對非平穩信號缺乏適應性。越來越受到學者們關注的是各種具有良好自適應能力的、直觀的時頻分析方法或復合檢測方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種真正自適應的、具有強降噪能力的、適用于低信噪比環境的基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態信號檢測方法。

本發明的目的是這樣實現的，主要包括如下步驟：

（1）初始化基本參數，主要包括：寬度門限、經驗模態分解終止階數、子波檢測門限倍數、能量密度門限倍數、頻率分辨率系數、一階遞歸系數；

（2）基于經驗模態分解（EMD）子波檢測的自適應降噪，即通過EMD子波檢測確定有效固有模態函數（IMF），剔除其他只含噪聲的IMF分量，實現第一重降噪；

（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，實現第二重降噪；

（4）計算信號局部瞬時能量密度級包絡，將其作為檢測統計量，做信號有無的二元判決，構建局部瞬時能量密度檢測器。

本發明還可以包括：

所述的基于經驗模態分解子波檢測的自適應降噪的步驟是：首先針對EMD得到的IMF分量，采用滑動平均，獨立估計每階IMF的功率，功率均值乘以子波檢測門限倍數作為功率門限，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為此階IMF有效，否則認為無效并剔除。

所述的局部瞬時能量密度級降噪是根據水聲瞬態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作為檢測統計量，做信號有無的二元判決。

本發明的方法的主要特點是：（1）與常規的經驗模態分解通過提取高階IMF提高信噪比的方法相比較，本發明中子波檢測是通過瞬時功率峰值檢測方法自適應地進行IMF篩選，可實現第一重降噪；（2）與常規的頻率全局積分得到的瞬時能量密度級相比較，本發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，可實現第二重降噪；（3）與通常的瞬態信號檢測器相比較，本發明采用局部瞬時能量密度級包絡作為檢測統計量，更能體現瞬態信號的局部特性。

附圖說明

圖1為基于Hilbert-黃變換雙重降噪的瞬態信號檢測流程圖；

圖2（a）為水聲瞬態信號圖；

圖2（b）為加噪瞬態信號及EMD分解結果圖；

圖3為各階IMF子波檢測示意圖；

圖4為局部瞬時能量密度檢測與傳統能量檢測檢的測統計量對比圖；

圖5為能量密度-寬度組合檢測流程圖；

圖6為ROC曲線性能對比圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述：

基于Hilbert-黃（希爾伯特-黃）變換雙重降噪的瞬態信號檢測流程如圖1所示，主要步驟為：

（1）初始化基本參數，所述基本參數包括：寬度門限、經驗模態分解終止階數、子波檢測門限倍數、能量密度門限倍數、頻率分辨率系數、一階遞歸系數。

寬度門限：W=1ms；

經驗模態分解終止階數：K=5；

子波檢測門限倍數：σ=4；

能量密度門限倍數：T_times=9；

HHT頻率分辨率系數：N=1000；

一階遞歸系數：信號系數M1=50，門限系數M2=2000。