基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法
【专利摘要】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。
【专利说明】基于小波脊的水下声信号瞬时频率解调方法
【技术领域】
[0001] 本发明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【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 水下声源向外福射声波，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。
[0003] 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。
【发明内容】
[0004] 本发明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。
[0005] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 本发明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：
[0007] 步骤一、利用迈克尔逊激光干涉系统探测水表面；
[0008] 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；
[0009] 步骤三、对采集到的干涉信号进行频谱分析；
[0010] 步骤四、确定小波变换的观测尺度；
[0011] 步骤五、对干涉信号进行小波变换；
[0012] 步骤六、根据小波变换系数的模提取小波脊；
[0013] 步骤七、滤除噪声点；
[0014] 步骤八、确定各个时刻的小波脊中心尺度；
[0015] 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。
[0016] 本发明的有益效果是：
[0017] 1、本发明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。
[0018] 2、实验表明，本发明瞬时频率的解调精度优于100Hz。
[0019] 3、对于稳频的水下声信号频率的提取，本发明采用的方法比常规的频谱分析方法 具有更好的抗干扰性，本发明对稳频水下声信号的频率测量，精度可优于1Hz。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为典型的迈克尔逊干涉系统基本光路结构图；
[0021] 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；
[0022] 图3为本发明实验验证中，不同时刻的小波变换的脊特征示意图，其中（a)为t = t35TO时刻的小波变换的脊特征示意图，（b)为t = t_时刻的小波变换的脊特征示意图；
[0023] 图4为本发明实验验证中，小波系数模值分布图；
[0024] 图5为本发明实验验证中，小波脊分布图；
[0025] 图6为本发明实验验证中，频率变化直线拟合结果示意图；
【具体实施方式】
[0026] 结合图1、图2进一步详细说明本发明的【具体实施方式】。
【具体实施方式】 [0027] 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：
[0028] 步骤一、利用迈克尔逊激光干涉系统探测水表面；
[0029] 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；
[0030] 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；
[0031] 步骤四、确定小波变换的观测尺度；
[0032] 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。
[0033] 步骤五、对干涉信号进行小波变换；
[0034] 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。
[0035] 步骤六、根据小波变换系数的模提取小波脊；
[0036] 步骤七、滤除噪声点；
[0037] 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。
[0038] 步骤八、确定各个时刻的小波脊中心尺度；
[0039] 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。
[0040] 激光干涉法探测水下声信号介绍如下：
[0041] 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。
[0042] 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。 [0043] 根据前述测量原理，参考光的振幅分布可由下式表示：
[0044] Eb(t) = Ab sin(c〇〇t+kzb+<i)) (I)
【权利要求】
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； 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
式中，Otl为母小波的中心角频率，σ为高斯函数参数，j是虚数符号，t为时间，则对干 涉信号的小波变换系数计算公式如下：
式中，(//(^)是以Morlet小波为母小波的一个函数族，a为尺度因子，b为平移因子，a 即扒?)是通过对小波母函数的平移和伸缩得到的一个函数族，f(t)为采集到的干涉信a 号，Wf (a，b)为小波变换系数。
4. 根据权利要求3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 骤六所述的根据小波变换系数的模提取小波脊的具体过程为： 根据小波变换系数计算公式得到小波变换系数Wf (a，b)，对小波变换系数取模值，然后 利用局部模极大值算法来计算局部模极大值得到小波脊点的分布位置%)，这里的h 就是小波脊点所在时刻，％就是小波脊点所在的尺度。
5. 根据权利要求4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 骤八所述的确定各个时刻的小波脊中心尺度的具体过程为： 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。
6.根据权利要求5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 骤九所述的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的具体过程为： 假定t时刻干涉信号的小波脊中心尺度为a。，那么水下声信号t时刻的瞬时频率f计 算公式如式（13)所示，式中4为干涉信号采集模块的采样率 f = fa · fs/ac (13) 其中，4是Morlet小波的中心频率，是一个设定值。
【文档编号】G01H9/00GK104316160SQ201410668406
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】张晓琳, 张烈山, 唐文彦, 邹斌, 王军 申请人:哈尔滨工业大学