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希尔伯特黄变换在矢量信号处理中的应用研究

作　者: 王逸林
导　师: 蔡平
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 水声工程矢量信号处理希尔伯特黄变换矢量希尔伯特黄变换并行信号处理
分类号: TN911.7
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

希尔伯特—黄变换(HHT)是上世纪末Huang等人首次提出的一种新的信号分析理论。它通过EMD分解将信号分解成有限数目的IMF信号并对每个IMF进行Hilbert变换就可以获得有意义的瞬时频率，从而给出频率变化的精确表达。HHT自适应地利用了信号的局部信息，获得信号某一时刻的瞬时状态。矢量传感器由声压传感器与直接或间接测量振速的传感器以不同方式同心复合而成，是可以空间共点、同步测量水下声场的标量(声压)和矢量(声压梯度、质点振速、加速度、位移等)的声接收换能器。与传统的声压传感器相比，矢量传感阵可测得更全面的声场信息，更多的信息必然带来更大的处理空间，也必将给水声信号处理和声呐技术的发展带来新的活力。本文在回顾希尔伯特—黄变换和矢量信号处理的研究概况基础上，建立了将二者结合在一起的矢量希尔伯特—黄变换理论。利用希尔伯特—黄变换获取信号的瞬时信息的特点，结合矢量信号处理的特点提出了瞬时方位的概念，在此基础上发展了矢量希尔伯特—黄变换的理论框架，基本概念和基本方法。其中包括固有模态(IMF)概念、经验模态分解(EMD)分解法、希尔伯特谱、边际谱、希尔伯特方位谱和希尔伯特方位边际谱等内容。详细的讨论了矢量希尔伯特—黄变换方法的各种性质，其中包括矢量希尔伯特—黄变换的多维表示、指向性与电子旋转、增益分析、频率分辨率及方位分辨率分析等内容。结合水声信号处理的特点，特别是矢量信号处理的特点讨论了矢量希尔伯特—黄变换计算过程中遇到的若干问题：曲线拟合、边界处理、终止条件、瞬时频率和瞬时方位的计算、以及模态混叠和模态对齐等问题，针对水声信号的特点提出了解决或改进的方法。本文将矢量希尔伯特—黄变换的理论运用到以下两个方面：瞬态信号的检测和方位估计以及多目标分辨和方位估计。用三种方法处理了大量实验数据，分别是：互谱法测向、平均声强器测向和矢量希尔伯特—黄变换。跟据处理实验数据的结果得出以下结论：

全文目录

第1章绪论  13-31
  1.1 立题背景和意义  13-14
  1.2 矢量信号处理  14-19
    1.2.1 矢量传感器的发展  14-15
    1.2.2 矢量信号处理的发展  15-16
    1.2.3 单矢量传感器方位估计  16-19
  1.3 时频分析和希尔伯特黄变换  19-25
    1.3.1 傅立叶变换及其局限性  19
    1.3.2 时频分析回顾  19-24
    1.3.3 HHT的提出和研究现状  24-25
  1.4 并行数字信号处理机  25-29
    1.4.1 数字信号处理器(DSP)  25-27
    1.4.2 并行数字信号处理机概述  27-29
  1.5 论文的研究内容  29-31
第2章矢量 HHT的基本概念和方法  31-91
  2.1 希尔伯特黄变换(HHT)的理论基础  31-41
    2.1.1 瞬时频率  31-34
    2.1.2 HHT的提出和内容  34-41
  2.2 矢量信号处理的基础理论  41-51
    2.2.1 矢量信号处理一般概念  41-42
    2.2.2 矢量传感器的指向性  42-46
    2.2.3 矢量信号处理增益分析  46-51
  2.3 矢量 HHT的理论基础  51-79
    2.3.1 瞬时方位  51-53
    2.3.2 Hilbert方位谱和方位边际谱  53-54
    2.3.3 矢量 HHT的多维表示  54-56
    2.3.4 矢量 HHT的指向性与电子旋转  56-62
    2.3.5 矢量 HHT的增益分析  62-68
    2.3.6 矢量 HHT的频率分辨率  68-78
    2.3.7 矢量 HHT的方位分辨率  78-79
  2.4 矢量 HHT中的若干问题  79-89
    2.4.1 曲线拟合  79-81
    2.4.2 边界处理  81-82
    2.4.3 终止条件  82-84
    2.4.4 瞬时频率的计算  84-87
    2.4.5 瞬时方位的计算  87
    2.4.6 模态混叠和模态对齐问题  87-89
  2.5 本章小结  89-91
第3章实验数据处理  91-109
  3.1 矢量 HHT瞬态信号处理  91-99
    3.1.1 矢量 HHT的频率域瞬态分析  91-92
    3.1.2 矢量 HHT的方位域瞬态分析  92-93
    3.1.3 实验结果分析  93-99
  3.2 矢量 HHT多目标方位估计  99-107
    3.2.1 仿真分析  99-100
    3.2.2 实验结果分析  100-107
  3.3 本章小结  107-109
第4章矢量 HHT的实时运算  109-130
  4.1 并行数字信号处理机  109-120
    4.1.1 概述  109-111
    4.1.2 TMS320C64x DSP介绍  111-112
    4.1.3 Virtex II FPGA介绍  112-113
    4.1.4 C64x信号处理板  113-115
    4.1.5 数据传输链路  115-118
    4.1.6 可靠性和自检  118-119
    4.1.7 软件开发环境  119-120
  4.2 矢量 HHT算法及改进  120-125
    4.2.1 筛选法的改进  120-121
    4.2.2 曲线拟合  121
    4.2.3 边界处理  121-122
    4.2.4 终止条件  122-123
    4.2.5 改进后的算法框图  123-125
  4.3 矢量 HHT算法的实现  125-129
    4.3.1 矢量 HHT算法计算量分析  125-127
    4.3.2 矢量 HHT算法存储量分析  127-128
    4.3.3 矢量 HHT算法任务分配及数据流程  128-129
  4.4 本章小结  129-130
结论  130-133
  研究成果  130
  展望与设想  130-133
参考文献  133-139
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  139-140
致谢  140-141
附录系统设备近照  141

希尔伯特黄变换在矢量信号处理中的应用研究

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