Hilbert-Huang變換及其在目標方位估計和水聲通信中的應用研究.pdf

1、具有時變特性的非平穩(wěn)信號廣泛的存在于各個領(lǐng)域中,要想揭示非平穩(wěn)信號的本征特征需要借助于各種時頻分析方法,而Hilbert-Huang變換方法是一種新穎的時頻分析方法,它可以不利用任何先驗知識僅根據(jù)信號自身的特點自適應的將任意復雜的非平穩(wěn)信號分解為若干個本征模態(tài)函數(shù)之和,每個本征模態(tài)函數(shù)在某一時刻只含有一個振動模態(tài),因此可以得到具有物理意義的瞬時頻率。Hilbert-Huang變換方法具有自適應分解信號和時頻分辨率高的突出特點,相比與其他

2、的時頻分析方法,在非平穩(wěn)信號分析與處理中具有顯著的優(yōu)勢,Hilbert-Huang變換方法自誕生以來就引起了人們極大的關(guān)注,人們紛紛使用這種方法來處理各領(lǐng)域內(nèi)的非平穩(wěn)數(shù)據(jù),目前Hilbert-Huang變換方法已經(jīng)被廣泛的應用到了科研與工程的各個領(lǐng)域中。
　　本文對Hilbert-Huang變換算法中的均值曲線擬合、端點效應和模態(tài)混疊等問題進行了研究,并提出了相應的解決方案。論文中提出了一種利用分段高級樣條直接擬合均值曲線的方法,

3、該方法利用分段高階樣條獲得更精確的均值點,對均值點序列直接進行擬合來得到均值曲線,該方法使得使得EMD方法在篩選本征模態(tài)函數(shù)時可以獲得更為精確的均值曲線,從而實現(xiàn)準確的模態(tài)提取,同時相對于傳統(tǒng)的方法,該方法具有更快的分解速度。本文中對模態(tài)混疊問題也進行了研究,分析了產(chǎn)生模態(tài)混疊現(xiàn)象的根本原因,提出了一種基于平移不變小波變換和EMD尺度濾波的消除模態(tài)混疊的方法,利用該方法可有效的剔除信號中引起模態(tài)混疊現(xiàn)象的高頻間斷信號,從而達到克服模態(tài)混

4、疊現(xiàn)象的目的。傳統(tǒng)的Hilbert-Huang變換算法存在著運算量過大的缺點,為了使Hilbert-Huang變換算法在硬件上能夠?qū)崟r實現(xiàn),本文針對水聲信號處理中信號的特點,對Hilbert-Huang變換方法從均值曲線擬合、端點效應處理、篩選本征模態(tài)函數(shù)的終止條件、EMD分解的終止條件、計算Hilbert變換等幾個方面對其進行了算法改進,使得在保證Hilbert-Huang變換性能的基礎(chǔ)上,大大減少了Hilbert-Huang變換算法

5、的運算量。
　　針對水聲信號的特點,本文將Hilbert-Huang變換應用到水聲信號處理領(lǐng)域,發(fā)展了基于Hilbert-Huang變換的目標方位估計方法和水聲通信方法。本文將Hilbert-Huang變換方法與矢量聲信號處理技術(shù)相結(jié)合,發(fā)展了一種基于Hilbert-Huang變換的目標方位估計方法,該方法對矢量水聽器輸出的各路信號分別利用EMD方法進行分解,再利用同階本征模態(tài)函數(shù)的解析信號得到復瞬時聲能流,從而得到某一目標的瞬時

6、方位。該方法可以將矢量水聽器輸出的合成矢量信號分解為單分量信號之和,從而實現(xiàn)對不同方位目標的識別。
　　具有不同起始頻率和調(diào)頻斜率的兩個線性調(diào)頻信號在進行合成的時候由于相位變化速度的不同,合成的信號中將出現(xiàn)一些局部反相的情況,造成附近出現(xiàn)小尺度信號的情況。對這樣的合成信號利用EMD進行分解并利用Hilbert變換得到其一階本征模態(tài)函數(shù)的瞬時頻率曲線上將出現(xiàn)一些峰值,而采取一定的方法對合成后的信號進行改造會使具有峰值的地方變得平坦甚