基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法技术

基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法，涉及水下声信号瞬时频率的解调，属于水下声信号探测技术领域。本发明专利技术解决了现有的常规的信号解调方法是频谱分析方法，频谱分析方法不能确定水下声信号的瞬时频率；计算水下声信号的频率时，对频率的探测精度依赖于频谱阈值的设定，常常出现粗大误差的问题。本发明专利技术的技术方案为：对信号小波变换得到小波变换系数；根据局部模极大值方法得到各个时刻小波脊点的分布位置；根据小波脊点的分布位置计算出各个时刻的小波脊中心尺度；根据小波中心尺度反求各个时刻的瞬时频率。本发明专利技术的适用领域：水下发声目标发声频率的探测、液体表面声波频率探测、微小振幅机械振动频率的测量。

【技术实现步骤摘要】
基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法
本专利技术涉及水下声信号瞬时频率的解调，尤其涉及一种基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法，属于水下声信号探测

技术介绍
水下声源向外辐射声波，能在水表面形成横向传播的水表面声波，水表面声波的振动频率与水下声源的发声频率一致，因此水表面声波携带了水下声信号的相关信息。因此，由于水下目标探测的需要，越来越重视对水表面声波的探测和利用。激光干涉方法能够从动态水表面中获取水下声信号的频率信息，利用激光干涉来探测水表面声波以获得水下声信号的信息逐渐成为研究热点。目前利用激光多普勒效应探测水下声信号已成为获取水下声信号的重要手段之一。然而当前利用激光干涉方法的水下声信号探测仅限于对稳频信号的探测上，实际应用中，水下声信号的发声频率往往是时变的，常规的信号解调方法是频谱分析方法，该方法不能确定水下声信号的瞬时频率；不仅如此，通过频谱分析方法计算水下声信号的频率时，这种方法对频率的探测精度依赖于频谱阈值的设定，常常出现粗大误差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法，以解决针对现有的常规的信号解调方法是频谱分析方法，频谱分析方法不能确定水下声信号的瞬时频率；计算水下声信号的频率时，对频率的探测精度依赖于频谱阈值的设定，常常出现粗大误差的问题。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：本专利技术所述的一种基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法，是按照以下步骤实现的：步骤一、利用迈克尔逊激光干涉系统探测水表面；步骤二、采集激光干涉信号，所述采集过程为：干涉信号被光电探测器接收，并将其转化为电信号，该电信号通过数据采集卡采集后，传送给上位机；步骤三、对采集到的干涉信号进行频谱分析；步骤四、确定小波变换的观测尺度；步骤五、对干涉信号进行小波变换；步骤六、根据小波变换系数的模提取小波脊；步骤七、滤除噪声点；步骤八、确定各个时刻的小波脊中心尺度；步骤九、根据小波脊中心尺度计算出各个时刻水下声信号瞬时频率。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术能够实现水下声信号瞬时频率的提取，即能够实现变频水下声信号的探测，解决了常规不能解调瞬时频率的缺点。2、实验表明，本专利技术瞬时频率的解调精度优于100Hz。3、对于稳频的水下声信号频率的提取，本专利技术采用的方法比常规的频谱分析方法具有更好的抗干扰性，本专利技术对稳频水下声信号的频率测量，精度可优于1Hz。附图说明图1为典型的迈克尔逊干涉系统基本光路结构图；图2为具体实施方式一中，小波脊方法确定水下声信号瞬时频率的一般步骤示意图；图3为本专利技术实验验证中，不同时刻的小波变换的脊特征示意图，其中(a)为t＝t3500时刻的小波变换的脊特征示意图，(b)为t＝t3600时刻的小波变换的脊特征示意图；图4为本专利技术实验验证中，小波系数模值分布图；图5为本专利技术实验验证中，小波脊分布图；图6为本专利技术实验验证中，频率变化直线拟合结果示意图；具体实施方式结合图1、图2进一步详细说明本专利技术的具体实施方式。具体实施方式一：本实施方式所述的一种基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法，包括以下步骤：步骤一、利用迈克尔逊激光干涉系统探测水表面；步骤二、采集激光干涉信号，所述采集过程为：干涉信号被光电探测器接收，并将其转化为电信号，该电信号通过数据采集卡采集后，传送给上位机；步骤三、对采集到的干涉信号进行频谱分析，用于确定水下声信号的频率分布范围；步骤四、确定小波变换的观测尺度；经过步骤三后，就可以知道信号谱的频率范围，根据这一范围结合母小波中心频率、采样频率即可确定小波变换的观测尺度。步骤五、对干涉信号进行小波变换；步骤三所述的频谱分析是为了确定尺度范围，不是对信号本身处理的必要程序。这里的干涉信号就是指数据采集卡采集到的信号。步骤六、根据小波变换系数的模提取小波脊；步骤七、滤除噪声点；就是通过设定阈值的方法来滤除，就是对小波脊对应的小波系数的模的最小值有一个设定，只有当小波脊对应的小波系数的模大于该值，该脊点才被认为是有效的。步骤八、确定各个时刻的小波脊中心尺度；步骤九、根据小波脊中心尺度计算出各个时刻水下声信号瞬时频率。激光干涉法探测水下声信号介绍如下：水下声源发出声信号会引起水表面横向传播的表面声波，通常采用零差干涉光路原理对水表面进行探测，典型的零差干涉法光路如图1所示。激光干涉探测水下声信号都通过探测水表面声波的方式来实现，对于零差干涉法探测系统光路通过分光镜将激光束分为探测光和参考光，探测光入射到水表面，受到水表面声波调制后返回与参考光束相遇发生干涉，干涉信号被光电探测器接收，由光电探测器接收干涉信号，并将其转化为电信号，该电信号通过数据采集卡和采集程序可被上位机读取，被上位机读取的干涉信号做进一步处理可解调出水下声源的频率，例如做FFT变换。根据前述测量原理，参考光的振幅分布可由下式表示：Eb(t)＝Absin(ω0t+kzb+φ)(1)式中，ω0——参考光角频率，k——波数，Ф——激光束的初始相位。测量光的振幅分布可有下式表述：Em(t)＝Amsin(ω0t+kzm+φ)(2)两束光汇合后的合振幅由下式表述：E(t)＝Eb(t)+Em(t)＝Amsin(ω0t+kzm+φ)+Absin(ω0t+kzb+φ)(3)因此干涉光强可由下式表述：光强由光电探测器接收，探测器不对前3个高频项响应(即转变为直流信号)，因此，去除直流分量接收到的光强信号可由下式表述：Id＝KAmAbcos[k(zm-zb)]＝Adcos[k(zm-zb)](5)式中，K——光电探测器放大倍率。由上式可知，光电探测器接收的信号是关于参考光和测量光光程差的调制信号，两束激光的光程差由两个臂的初始长度和水表面振动幅度有关，光程差zm-zb可由下式表示：式中，为自然水表面的振动，Assin(2πfst+φs)为水下声源引起的水表面振动，(L1-L2)为水面静止时两路光的初始光程差，记为ΔL。因此光电探测器接收到的光强信号可由式(7)表述，对该信号进行频谱分析即可得到水表面声波的频率，即水下声信号的发声频率。基于小波脊的水下声信号激光干涉探测方法基本原理如下：针对频谱分析方法不能实时地确定水下声信号频率这一缺点，研究利用小波变换的方法处理干涉信号。不失一般性地假定水表面的自然波动为Ansin(2πfnt+φn)，那么根据三角函数的和差化积公式，以及贝塞尔恒等式可将式(7)进一步分解为fn和fs的整数倍谐波项以及它们的和频项和差频项之和，如式(8)所示，式中，x1＝2kAn，x2＝2kAs。观察分解后的干涉信号表达式可知：由于自然水表面的波动为低频波动，干涉信号的频谱分布出现了一个非常重要的特点，即在以fs为中心的一个频带内出现较密集的谱线，且谱线的分布呈现严格的对称性。各谱线对应的频率为fs±2nfn或fs±(2n-1)fn，n∈N+。它们的幅值应分别正比于2Adsin(2k△L)J2n(x1)J1(x2)和2Adcos(2k△L)J2n-1(x1)J1(x2)，而fs处谱线的幅值则正比于2Adsin(2k△L)J0(x1)J1(x2)。根据上述特点可知，在该频带内频谱峰值的位置可能有两种情况，视贝塞尔函数值J0(x1)以及初始相位差2kΔL的正余弦值而定，或位于f＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：步骤一、利用迈克尔逊激光干涉系统探测水表面；步骤二、采集激光干涉信号，所述采集过程为：干涉信号被光电探测器接收，并将其转化为电信号，该电信号通过数据采集卡采集后，传送给上位机；步骤三、对采集到的干涉信号进行频谱分析；步骤四、确定小波变换的观测尺度；步骤五、对干涉信号进行小波变换；步骤六、根据小波变换系数的模提取小波脊；步骤七、滤除噪声点；步骤八、确定各个时刻的小波脊中心尺度；步骤九、根据小波脊中心尺度计算出各个时刻水下声信号瞬时频率。

【技术特征摘要】
1.一种基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：步骤一、利用迈克尔逊激光干涉系统探测水表面；步骤二、采集激光干涉信号，所述采集过程为：干涉信号被光电探测器接收，并将其转化为电信号，该电信号通过数据采集卡采集后，传送给上位机；步骤三、对采集到的干涉信号进行频谱分析；步骤四、确定小波变换的观测尺度；步骤五、对干涉信号进行小波变换；步骤六、根据小波变换系数的模提取小波脊；步骤七、滤除噪声点；步骤八、确定各个时刻的小波脊中心尺度，具体过程为：对于只有一个脊点的时刻，该脊点所在尺度即为小波脊中心尺度；对于有两个脊点的时刻，则这两个脊点的中点所在尺度为小波脊中心尺度，小波脊中心尺度对应的频率为该时刻的瞬时频率；步骤九、根据小波脊中心尺度计算出各个时刻水下声信号瞬时频率。2.根据权利要求1所述的基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法，其特征在于步骤三所述的频谱分析，是指对采集到的干涉信号采用快速傅里叶变换算法，即FFT算法。3.根据权利要求2所述的基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法，其特征在于步骤五所述的小波变换的具体过程为：选择Morlet小波为母小波，其近似数学表达式为

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓琳，张烈山，唐文彦，邹斌，王军，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23