基于HHT变换的低频声场干涉结构降噪研究
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２ ０ １ ３ 年第 ３期
声学与电子工程
总第 １ １ １期
基于 Ｈ Ｈ Ｔ变换 的低频声场干涉结构 降噪研 究
陈浩 余赞
（ １ ． 海军驻杭 州地 区军事代表 室，杭 州，３ １ ０ ０ １ ２ ；２ ． 海军装备研 究院，北京 ，１ ０ ０ １ ６ １ ）
摘要 为提高低频声场干涉结构 的信噪 比，改善干涉条纹 的清 晰程度 ，利用 希尔伯特黄变换 （ ＨＨ Ｔ） 对干涉结构进行 经验 模态分解 （ Ｅ ＭＤ） ，选择合适 的固有模态函数组成模态域干涉 结构并求和作为声场干 涉结构的最终处理结果 。仿真研究表 明，该算法 能对 干涉 结构降噪从而提高干涉条纹 的清 晰度 ，并 能消除 传播损失对干涉条纹的影响，从而为基于干涉条纹的信号处理新方法奠定基础。 关键 词 声场干涉结构；降噪处理；希尔伯特 黄变换
“ 海 洋 波 导低频 声场 干涉 结构及 其 某种 映射 以
被表现为声强的空域分布 Ｉ （ ｒ ， ｚ ）（ 沿水平距离 和
适 应 工程 应用 ”［ ４ ］ 是 近代 水声 学及 水 声信 号 处理 的
主要 研 究方 向 。对干 涉效 应如 此感 兴趣 是 因为有 可 能从 中提 取海 洋波 导 的水文 物 理和 地球物 理特 性 ，
Ｉ （ ｚ ， ） 、波数域一 频域联合分布 Ｉ （ ｋ， ｒ ｃ ｏ ） 及时延域一 频移域联合分布 Ｉ （ ｒ ， ｃ ｏ ） 等 ，统称其为不同变换域
的干 涉结 构 ，简称干 涉 结构【 ４ ＇ ５ Ｊ 。 通常采 用 的处理 器为 Ｌ Ｏ Ｆ ＡＲ图， 该方法 依据接
峰 检测 能 力和 多 目标 分 辨等 方面 均有 应用 ［ １ ３ ， １ ４ ］ 。本 文 欲利 用 Ｈ ＨＴ 变 换 能为信 号 去噪 的特 点 ，来提 高
干 涉 结 构 的信 噪 比， 从 而 改 善干 涉 条 纹 的清 晰程 度 ，为进 一步 对干涉 结 构 的利用 提供 基础 。
收信号数据 Ｉ （ ｔ ， 厂 ）（ Ｉ表示功率或能量 ）描述声场
的干涉 结构 。 在 每一离 散的 ｔ 时刻对 接收信 号作功率
谱分 析 ， 即得 到 Ｌ ＯＦ Ａ Ｒ 图上平 行于横轴 （ 频率 厂轴 ） 的一个 切面 ，该切面 的时间历程 综合成 Ｌ Ｏ Ｆ Ａ Ｒ图。
结 构 的清 晰程 度 ，从而 影 响参数 估 计 的精 度 、各算 法 的效 能等 。 Ｈｉ ｌ ｂ ｅ ￣ 一 Ｈｕ ａ ｎ ｇ变 换［ １ ２ － １ ４ 】 （ 简称 ＨＨＴ ） 是 Ｎｏ ｒ ｄ ｅ ｎ Ｅ Ｈｕ ａ ｎ ｇ等 人针 对传 统 的时频 分布 受 Ｈ ｅ ｉ ｓ ｅ ｎ ｂ ｅ ｒ ｇ不 等 式 制 约和 小 波 变换 自适应 能力 差 的缺 点于 １ ９ ９ ８
１ 低 频 声场 干 涉 结 构
干 涉 现象 是波 动独 有 的特征 。两列 波产 生干 涉
的条 件为 ：频 率相 同，相位 差恒 定 。时域 、频 域 、
１ ３
周晓燕：一种航向传感器方位角计算方法
方位 计算 电路 的一个 附加 功 能是 良好 性 检查 。
近 通过 距离 的情 况 ， 目标 由远 及近 航行 并相对 于 水
听器较 远 。从 图 １ 可 以看 到 ，低频 声场 确 实存在 稳
定 可观 察 的 明暗相 问的干 涉条 纹 ，当 目标相 对接 收 器 有 最近通 过距 离 时 ，干涉条 纹近 似 为一族 双 曲线 条 纹 ，而 当 目标 相对接 收器 无最 近通 过距 离 ，即 目 标 在 较远距 离 处 时，干涉 条纹 近似 为一族 直 线 。
年 提 出的 ，是一种 新 的信 号分 析理 论 ，它 通过 经验
在信 噪 比较高 时 ，单水 听器就 可 以测 得干 涉条纹 较 清晰 的 Ｌ Ｏ Ｆ Ａ Ｒ 图；对 于远程 目标 ，信 噪 比较低 时 ，
必须 经过 阵信号处理 ， 对跟 踪波束输 出作 Ｌ Ｏ Ｆ Ａ Ｒ 分
析 ，才能得 到较清 晰 的 Ｌ Ｏ Ｆ Ａ Ｒ 图。 图 １为仿真 得到 的单 水 听器接 收运 动 目标 的干 涉 结构 图，未考 虑本地 噪 声 的影 响 。其 中， 图 （ ａ ）
海 洋 波 导 的 重 要 特 点 是 低 频 声 场 具 有 时 空 相
干 性 ， 亦 即 低 频 声 场 存 在稳 定 可 观 察 的干 涉 结 构
［ １ － ５ ］
。
空 域 、波束 域 及波数 域等 多域 别 的联合 处理 是声 呐 信 号 处理 的重要 方 向， 因此 ，干涉 效应 将很 自然 地
将其 应 用 到地 声 参 数 的反 演【 ６ ］ 、运 动 参数 估 计 Ｌ ７ Ｊ 、 目标 定位 ［ ， ， 刚 、抗 干扰 、混 响抑 制 ［ 刚 、提 高声 场
的相 干 性【 ｌ ｌ Ｊ 等 方 面பைடு நூலகம்，取得 了较 大 的进展 。干 涉 结构 被 成 功 应 用 的前 提 是 通 过 时频 分 析 手 段 获 得 较 清 晰 的干涉 条 纹 ，但 实 际 中，噪声 的存 在会 污染 干涉
为 有最 近通 过距 离 的情 况 ，即 目标 相对 于水 听器 由 远 及 近 、又 由近 及 远 等深 航 行 ，而 图 （ ｂ ）为无 最
模 态分 解 （ Ｅ ＭＤ）将信 号分 解成 有 限数 目的固有模
态 函数 （ Ｉ ＭＦ ） 。Ｈ ＨＴ 能够突 出信 号 的局 部特 征 、 实 现 多分量 信 号 的分离 ，在信 号 去噪 、提 高 互相 关
深度ｚ） 、 空频域分布ｌ （ ｒ ， ｃ ｏ ） 和ｌ （ ｚ ， ｃ ｏ ）（ 沿相应的
空 间坐 标 和 角 频 率 ） 、空 时 域 分布 Ｉ （ ｒ ， ） 和
并且 ，为 水声 探测 设备 发展 新 的检测 、估 计 、识 别 技术 提供 物理 基础 。
国 内外 学者对 干涉 结 构进行 了广泛 的研 究 ，并
声学与电子工程
总第 １ １ １期
基于 Ｈ Ｈ Ｔ变换 的低频声场干涉结构 降噪研 究
陈浩 余赞
（ １ ． 海军驻杭 州地 区军事代表 室，杭 州，３ １ ０ ０ １ ２ ；２ ． 海军装备研 究院，北京 ，１ ０ ０ １ ６ １ ）
摘要 为提高低频声场干涉结构 的信噪 比，改善干涉条纹 的清 晰程度 ，利用 希尔伯特黄变换 （ ＨＨ Ｔ） 对干涉结构进行 经验 模态分解 （ Ｅ ＭＤ） ，选择合适 的固有模态函数组成模态域干涉 结构并求和作为声场干 涉结构的最终处理结果 。仿真研究表 明，该算法 能对 干涉 结构降噪从而提高干涉条纹 的清 晰度 ，并 能消除 传播损失对干涉条纹的影响，从而为基于干涉条纹的信号处理新方法奠定基础。 关键 词 声场干涉结构；降噪处理；希尔伯特 黄变换
“ 海 洋 波 导低频 声场 干涉 结构及 其 某种 映射 以
被表现为声强的空域分布 Ｉ （ ｒ ， ｚ ）（ 沿水平距离 和
适 应 工程 应用 ”［ ４ ］ 是 近代 水声 学及 水 声信 号 处理 的
主要 研 究方 向 。对干 涉效 应如 此感 兴趣 是 因为有 可 能从 中提 取海 洋波 导 的水文 物 理和 地球物 理特 性 ，
Ｉ （ ｚ ， ） 、波数域一 频域联合分布 Ｉ （ ｋ， ｒ ｃ ｏ ） 及时延域一 频移域联合分布 Ｉ （ ｒ ， ｃ ｏ ） 等 ，统称其为不同变换域
的干 涉结 构 ，简称干 涉 结构【 ４ ＇ ５ Ｊ 。 通常采 用 的处理 器为 Ｌ Ｏ Ｆ ＡＲ图， 该方法 依据接
峰 检测 能 力和 多 目标 分 辨等 方面 均有 应用 ［ １ ３ ， １ ４ ］ 。本 文 欲利 用 Ｈ ＨＴ 变 换 能为信 号 去噪 的特 点 ，来提 高
干 涉 结 构 的信 噪 比， 从 而 改 善干 涉 条 纹 的清 晰程 度 ，为进 一步 对干涉 结 构 的利用 提供 基础 。
收信号数据 Ｉ （ ｔ ， 厂 ）（ Ｉ表示功率或能量 ）描述声场
的干涉 结构 。 在 每一离 散的 ｔ 时刻对 接收信 号作功率
谱分 析 ， 即得 到 Ｌ ＯＦ Ａ Ｒ 图上平 行于横轴 （ 频率 厂轴 ） 的一个 切面 ，该切面 的时间历程 综合成 Ｌ Ｏ Ｆ Ａ Ｒ图。
结 构 的清 晰程 度 ，从而 影 响参数 估 计 的精 度 、各算 法 的效 能等 。 Ｈｉ ｌ ｂ ｅ ￣ 一 Ｈｕ ａ ｎ ｇ变 换［ １ ２ － １ ４ 】 （ 简称 ＨＨＴ ） 是 Ｎｏ ｒ ｄ ｅ ｎ Ｅ Ｈｕ ａ ｎ ｇ等 人针 对传 统 的时频 分布 受 Ｈ ｅ ｉ ｓ ｅ ｎ ｂ ｅ ｒ ｇ不 等 式 制 约和 小 波 变换 自适应 能力 差 的缺 点于 １ ９ ９ ８
１ 低 频 声场 干 涉 结 构
干 涉 现象 是波 动独 有 的特征 。两列 波产 生干 涉
的条 件为 ：频 率相 同，相位 差恒 定 。时域 、频 域 、
１ ３
周晓燕：一种航向传感器方位角计算方法
方位 计算 电路 的一个 附加 功 能是 良好 性 检查 。
近 通过 距离 的情 况 ， 目标 由远 及近 航行 并相对 于 水
听器较 远 。从 图 １ 可 以看 到 ，低频 声场 确 实存在 稳
定 可观 察 的 明暗相 问的干 涉条 纹 ，当 目标相 对接 收 器 有 最近通 过距 离 时 ，干涉条 纹近 似 为一族 双 曲线 条 纹 ，而 当 目标 相对接 收器 无最 近通 过距 离 ，即 目 标 在 较远距 离 处 时，干涉 条纹 近似 为一族 直 线 。
年 提 出的 ，是一种 新 的信 号分 析理 论 ，它 通过 经验
在信 噪 比较高 时 ，单水 听器就 可 以测 得干 涉条纹 较 清晰 的 Ｌ Ｏ Ｆ Ａ Ｒ 图；对 于远程 目标 ，信 噪 比较低 时 ，
必须 经过 阵信号处理 ， 对跟 踪波束输 出作 Ｌ Ｏ Ｆ Ａ Ｒ 分
析 ，才能得 到较清 晰 的 Ｌ Ｏ Ｆ Ａ Ｒ 图。 图 １为仿真 得到 的单 水 听器接 收运 动 目标 的干 涉 结构 图，未考 虑本地 噪 声 的影 响 。其 中， 图 （ ａ ）
海 洋 波 导 的 重 要 特 点 是 低 频 声 场 具 有 时 空 相
干 性 ， 亦 即 低 频 声 场 存 在稳 定 可 观 察 的干 涉 结 构
［ １ － ５ ］
。
空 域 、波束 域 及波数 域等 多域 别 的联合 处理 是声 呐 信 号 处理 的重要 方 向， 因此 ，干涉 效应 将很 自然 地
将其 应 用 到地 声 参 数 的反 演【 ６ ］ 、运 动 参数 估 计 Ｌ ７ Ｊ 、 目标 定位 ［ ， ， 刚 、抗 干扰 、混 响抑 制 ［ 刚 、提 高声 场
的相 干 性【 ｌ ｌ Ｊ 等 方 面பைடு நூலகம்，取得 了较 大 的进展 。干 涉 结构 被 成 功 应 用 的前 提 是 通 过 时频 分 析 手 段 获 得 较 清 晰 的干涉 条 纹 ，但 实 际 中，噪声 的存 在会 污染 干涉
为 有最 近通 过距 离 的情 况 ，即 目标 相对 于水 听器 由 远 及 近 、又 由近 及 远 等深 航 行 ，而 图 （ ｂ ）为无 最
模 态分 解 （ Ｅ ＭＤ）将信 号分 解成 有 限数 目的固有模
态 函数 （ Ｉ ＭＦ ） 。Ｈ ＨＴ 能够突 出信 号 的局 部特 征 、 实 现 多分量 信 号 的分离 ，在信 号 去噪 、提 高 互相 关
深度ｚ） 、 空频域分布ｌ （ ｒ ， ｃ ｏ ） 和ｌ （ ｚ ， ｃ ｏ ）（ 沿相应的
空 间坐 标 和 角 频 率 ） 、空 时 域 分布 Ｉ （ ｒ ， ） 和
并且 ，为 水声 探测 设备 发展 新 的检测 、估 计 、识 别 技术 提供 物理 基础 。
国 内外 学者对 干涉 结 构进行 了广泛 的研 究 ，并