利用经验模态分解的高频水声信号滤波方法*

研究了一种高频水声信号的滤波问题,提出了一种改进的经验模态分解加小波阈值滤波方法。首先对信号进行带通滤波处理,再进行经验模态分解,将分解得到的各个模态转换为频域信号,采用小波软阈值方法对这些频域信号进行滤波,最后对信号进行重构,并转换为时域信号。经数值仿真与试验数据验证表明此方法是可行有效的,与原基于经验模态分解的小波阈值滤波方法相比,本方法滤波效果较好:对不同输入信噪比的仿真信号进行滤波后,本方法的输出信噪比最大提高17.41 d B,滤波后所得信号与加噪前纯信号的相关系数最大提高0.90;对实验数据进行滤波后,不同时间段信号的相关系数最大提高0.62。     

基于经验模态分解的SO_2浓度检测信号处理方法

荧光法测量SO2浓度是大气监测中常用的检测手段.双光路技术可以消除光源和光路的噪音干扰,但光电转换器件在激发光照射下产生的背景噪音也会影响定量分析的准确度.本文采用经验模态分解滤波算法降低检测中存在的各种噪音,在实现有效降噪的基础上较好地保存了有用的原始信号.仿真结果表明,针对SO2浓度检测系统,利用经验模态分解去噪后信号的信噪比达到204.273 6,均方误差为0.007 0.与小波去噪法相比,经验模态分解检测效果更佳.最后将经两组不同方法处理后的信号应用于气体检测系统中,实验数据的线性关系更好地验证了经验模态分解方法应用到浓度检测系统的可行性.     

基于独立成分分析和经验模态分解的混沌信号降噪

基于经验模态分解和独立成分分析去噪的特点,提出了一种联合独立成分分析和经验模态分解的混沌信号降噪方法. 利用经验模态分解对混沌信号进行分解,根据平移不变经验模态分解的思想构造多维输入向量, 通过所构造的多维输入向量和独立成分分析对混沌信号的各层内蕴模态函数进行自适应去噪处理; 将处理后的所有内蕴模态函数进行累加重构,从而得到降噪后的混沌信号. 仿真实验中分别对叠加不同强度高斯噪声的Lorenz混沌信号及实际观测的月太阳黑子混沌序列进行了研究, 结果表明本文方法能够对混沌信号进行有效的降噪,而且能够较好地校正相空间中点的位置, 逼近真实的混沌吸引子轨迹. 关键词： 独立成分分析 经验模态分解 混沌信号 降噪     

基于经验模态分解和小波阈值的冲击信号去噪

冲击信号是非线性的并且容易受到噪声污染。为研究冲击信号去噪的问题,本文针对经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)去噪和小波阈值去噪方法存在的不足,提出了基于EMD的小波阈值去噪方法。单纯的EMD去噪方法会在去除高频噪声的同时压制高频的有效信息。本文将EMD与小波阈值去噪相结合,利用连续均方误差准则确定含噪较多的高频固有模态函数(Intrinsic Mode Function, IMF),对高频IMF分量进行小波阈值去噪,以分离并保留这些分量中的有效信息,同时保持低频IMF分量不变。对模拟数据和实际冲击信号进行去噪处理,结果表明,基于EMD的小波阈值去噪方法的去噪效果优于单纯的EMD去噪方法和小波阈值去噪方法。     

基于EEMD-MRA方法的LIBS信号处理研究

LIBS技术优点众多,但由于光谱噪声干扰和基体效应等因素,影响了分析的准确度^[1]; EEMD方法能清晰的将LIBS信号中的不同特征成分自适应的分解开来。MRA方法能够补偿元素信号之间的互干扰,可进一步提高LIBS信号的准确性。通过自行搭建的测试系统获得了标准样品的原始信号,使用EEMD-MRA方法进行处理后,元素浓度曲线的决定系数R²得到了极大的提高,大大的提高数据的准确性,为LIBS信号的处理提供了一种全新的方式。     

基于频带分解和距离加权的单矢量水听器浅海被动测距方法研究

本文针对浅海环境下中低频宽带脉冲声源被动测距问题, 提出了一种声压和水平振速联合处理的被动测距方法. 在浅海波导中, 声压和质点振速的自相关函数卷绕(warping)谱具有稳定的频率特征. 声压和水平振速的自相关卷绕谱具有相同的准线谱特征, 垂直振速自相关卷绕谱具有宽谱叠加线谱的特征, 与声压自相关卷绕谱相比, 其尖峰个数比更多, 且尖峰宽度更宽. 利用引导源, 本文提出了基于频带分解和距离加权的声压和水平振速联合被动测距方法. 利用该方法对2008年冬季青岛海域综合实验中单矢量水听器接收的气枪信号进行处理, 结果表明, 该方法能够实现气枪声源的有效测距. 与传统单声压水听器被动测距方法相比, 该方法可以有效减小代价函数的主瓣宽度、提高测距精度.     

用垂直阵确定浅海波导特性

本文介绍利用声场复简正波近似确定浅海波导特性的方法。该方法的优点在于:(1)对环境参数的依赖程度大大降低。(2)在对海底介质结构(诸如层的数量、层的厚度、纵波和横波的速度和衰减等)知之不多或根本不了解的情况下,可同时获得波导特性参数(k_m,β_m)。(3)确定波导海底界面平面波的反射系数V(k)。数值结果显示:对海底是单层或两层软固态的波导,用90M长、18阵元组成的垂直接收阵,接收频率分别为250Hz、150Hz的声信号,(1)获得的简正波水平波数k_m的精度均在10^-5以上;简正波衰减系数β_m的相对误差绝大部分在20%以内,其中前几号都在10%范围内,且简正波号数越低,误差越小。(2)基本反映海底在小掠角的反射相移和反射损失。本文在数值仿真的基础上,重点分析声场复简正波近似对93年冬季海上实验数据的处理结果。     

浅海水声信道响应的盲估计

在难以得到发射源信号的水下声场环境中,利用单水听器或单个波束的接收数据可以进行浅海信道响应的盲估计。首先运用径向高斯核时频分析方法进行源信号重构,再利用接收数据和所重构的源信号,通过高精度时延估计的WRELAX算法,估计出水声信道响应。所提出的盲估计方法经过海洋实验数据验证,估计结果准确,表明这种方法在水声领域具有广泛的应用前景。     

Blind estimation of shallow water acoustic channel

This paper proposed a method for blind estimation of underwater channels in shallow water environment by using received data at a single hydrophone or from single beam. First,the received signal is used for source signal reconstruction by means of signal-dependent TF(Time-Frequency)distribution,in association with instantaneous frequency estimation and TF inversion.Then the shallow-water channel estimation is achieved via WRELAX technique by use of the received signal and the estimated source signal.Finally,the results of numerical simulation and experimental test from real data taken in South China Sea trial have proved satisfactory.It is shown that the proposed method is useful for underwater channel estimation.     

浅海低频声场中目标深度分类方法研究

分析了浅海甚低频声场中的垂直双水听器的互谱特性,尤其关注了声场中只存在两阶简正波时声压互谱的有功分量.数值计算表明：当两个水听器的深度布放合理时,声压互谱有功分量的正负号分布与水平距离无关,选择合适的水听器深度布放组合,可以用于水面目标、水下目标的双择判决;声速分布对该方法的使用影响不大,海底存在吸收将影响算法的作用距离,但在有效作用距离内,该算法仍有较好的稳健性.运用Pekeris波导有效深度的概念建立了声压互谱有功分量正负号分布特性的近似理论分析并可预报双水听器合理的布放深度.理论分析揭示了双水听器布放深度之和应等于波导有效深度,并且在有效深度限制的波导范围内,整个声场的声压互谱有功分量的正负号分布被分为三个水平区域.理论分析加深了对浅海低频声场特性的理解,对该算法的实际使用有指导意义. 关键词： 目标深度分类 浅海低频声场 声压互谱 有功分量     

Extraction of acoustic normal mode depth functions using vertical line array data

A method for extracting the normal modes of acoustic propagation in the shallow ocean from sound recorded on a vertical line array (VLA) of hydrophones as a source travels nearby is presented. The mode extraction is accomplished by performing a singular value decomposition (SVD) of individual frequency components of the signal's temporally averaged, spatial cross-spectral density matrix. The SVD produces a matrix containing a mutually orthogonal set of basis functions, which are proportional to the depth-dependent normal modes, and a diagonal matrix containing the singular values, which are proportional to the modal source excitations and mode eigenvalues. The conditions under which the method is expected to work are found to be (1) sufficient depth sampling of the propagating modes by the VLA receivers; (2) sufficient source-VLA range sampling, and (3) sufficient range interval traversed by the source. The mode extraction method is applied to data from the Area Characterization Test II, conducted in September 1993 in the Hudson Canyon Area off the New Jersey coast. Modes are successfully extracted from cw tones recorded while (1) the source traveled along a range-independent track with constant bathymetry and (2) the source traveled up-slope with gradual changes in bathymetry. In addition, modes are successfully extracted at multiple frequencies from ambient noise.     

Excitation of low-mode-number acoustic signals by a vertical array in shallow sea in the presence of underwater flows

We study the features of formation of low-mode-number acoustic signals in shallow sea by a vertical array matched to the hydroacoustic waveguide structure in the presence of drowned flows that cause the array bending and deflection from the vertical. For other given parameters of the waveguide and the flows, the efficiency of excitation of the low-mode-number signals is shown to be determined by the array position and length. It is demonstrated that the flow-induced array bending and deflection from the vertical introduces inhomogeneity in the structure of the excited low-mode-number fields. In particular, spatial modulation of the radiated signals can appear in the horizontal plane. Possibilities of reduction of the field inhomogeneity are discussed. __________ Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 49, No. 11, pp. 925–941, November 2006.     

浅海低频垂直相控阵多模声场聚焦研究*

为了提高低频垂直相控阵声场聚焦的环境适应性,增强环境失配情况下的声场聚焦效果,提出一种多模声场聚焦方法。该方法利用环境失配对低阶模态影响相对较小的特点,只利用前3阶模态进行发射权系数的计算。仿真结果表明,多模声场具有较大的聚焦跨度,在环境失配情况下仍能在期望的聚焦位置实现良好的聚焦效果。进一步地,根据巴斯微扰理论计算分析了多模声场的混响特性。由于多模声场聚焦将能量集中到了掠射角较小的低阶模态中,因此比最优权系数聚焦具有更低的混响平均强度。多模聚焦对聚焦深度进行扫描可以实现目标的深度分辨,这在水下目标探测方面具有较高的应用前景。     

Optimization of mode composition of the acoustic field excited by a vertical antenna array in a shallow sea

The problem statement is described, and the solution to the problem of optical tuning of the radiating antenna array providing for the optimal mode composition of the field radiated to a waveguide is determined. Matlab software is developed based on the proposed algorithms, and the optimal fields for shallow sea waveguides are calculated.     

基于经验模态分解滤波的低频振荡Prony分析

传统Prony法在分析低频振荡时对输入信号要求较高,存在着对噪声敏感的弱点.因此提出一种经验模态分解滤波和改进Prony法相结合的低频振荡分析方法.该方法先用经验模态分解对低频振荡信号进行自适应滤波,再用改进Prony法对滤波后的信号进行分析.其中,改进Prony法有效阶数用归一化奇异值法确定.将该方法分别用于分析试验信号和IEEE 4机系统振荡信号,并与基于低通滤波器的Prony分析进行比较.结果表明,在较大噪声环境下,该方法仍然能相对准确的辨识出低频振荡主导模式,验证了其有效性. 关键词： 低频振荡 经验模态分解 改进Prony法 归一化奇异值法