本發(fā)明屬于傳感器，具體涉及一種基于修剪中值濾波的矢量傳感器脈沖干擾檢測與抑制方法。

背景技術(shù)：

1、矢量傳感器作為一種先進的水下聲音信號探測設(shè)備，能夠同時對聲場中某個特定點的聲壓和質(zhì)點速度進行同步精確測量，具有穩(wěn)定的偶極子指向特性且不受頻率影響。同振式矢量傳感器通過測量流體質(zhì)點加速度間接得到質(zhì)點速度，因其良好的低頻特性，在水聲計量與探測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而在實際應(yīng)用中，同振式矢量傳感器在水流的策動和纜繩的阻絆作用下會產(chǎn)生一系列振動，產(chǎn)生瞬時、強脈沖干擾。因此，檢測并抑制矢量傳感器輸出信號中夾雜的脈沖干擾是提高其接收性能的重要一環(huán)。

2、時頻域中短時傅里葉變換（stft）是常用的信號分析方法，該方法通過選取一個窗函數(shù)獲取局部信號的頻域特征，然后將窗函數(shù)沿時間軸滑動，從而將每一個局部時刻的信號頻譜呈現(xiàn)出來達到對信號時域和頻域的聯(lián)合分析。短時傅里葉變換窗口的長度決定了時頻分辨率。處理短脈沖信號時，對時間分辨率要求過高會導(dǎo)致頻域分辨率的下降。小波分析可以根據(jù)分解尺度的不同將分析“窗口”的大小進行改變，使得小波分析在小尺度時間分辨率更大且大尺度頻率分辨率更大，可以更好的抓取信號的特征。連續(xù)小波變換（cwt）可以對信號進行全局分析，提供完整的時頻圖，可以在任意尺度上觀察信號的變化，但是cwt需要在整個信號域上連續(xù)計算多個尺度變換，計算復(fù)雜度較高且冗余信息過多。離散小波變換（dwt）使用濾波器陣列構(gòu)造多分辨率時頻來執(zhí)行小波分解常用mallat算法。dwt通過抽樣減小了計算量，保留了信號的大部分重要特征。同時由于離散小波變換在卷積上的便利性，mallat?算法很容易用數(shù)字集成電路來實現(xiàn)，因此dwt實際應(yīng)用廣泛。

3、準(zhǔn)確檢測出脈沖干擾是抑制干擾的前提。dwt按不同尺度對信號進行分解得到各尺度的小波系數(shù)，這些系數(shù)可以用于準(zhǔn)確地重構(gòu)原始信號。實現(xiàn)脈沖干擾的檢測關(guān)鍵在于選取合適的閾值函數(shù)，將脈沖干擾對應(yīng)的小波系數(shù)篩選出來進行后續(xù)抑制處理。對脈沖等奇異信號進行小波變換并對小波系數(shù)進行中值濾波確定脈沖檢測閾值進而檢測脈沖所在是一種常用的脈沖檢測方法。然而，當(dāng)強脈沖附近有弱脈沖出現(xiàn)時，該方法對弱脈沖易發(fā)生漏檢。因此選擇合適的閾值函數(shù)對同時檢測強脈沖干擾及附近的弱脈沖至關(guān)重要。

4、在完成對脈沖干擾的檢測后，對脈沖干擾對應(yīng)的小波系數(shù)進行處理，常見的處理手段是硬軟閾值及其改進的閾值算法，即將脈沖干擾對應(yīng)的小波系數(shù)調(diào)整至設(shè)定的閾值函數(shù)規(guī)定范圍，這種方法簡單高效但存在破壞原信號統(tǒng)計屬性、失真的情況。因此，將脈沖干擾對應(yīng)的小波系數(shù)進行合適的調(diào)整，保證在達到抑制脈沖干擾的同時不會對信號原統(tǒng)計屬性造成破壞是研究的重點。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于修剪中值濾波的矢量傳感器脈沖干擾檢測與抑制方法，設(shè)計了一種比較模板，通過在脈沖干擾附近的搜索區(qū)域內(nèi)滑動比較模板，計算比較模板與當(dāng)前滑動區(qū)域內(nèi)信號的相關(guān)程度，挑選與脈沖干擾附近最相似部分的小波系數(shù)作為脈沖干擾的替換小波系數(shù)。本發(fā)明方法利用離散小波變換，在多個尺度對信號進行分解，保證了計算效率，并且基于修剪中值濾波優(yōu)化了脈沖干擾檢測的閾值函數(shù)，降低強脈沖對閾值選取的影響，提高了對弱脈沖檢測率。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

3、步驟1：脈沖干擾檢測；

4、步驟1-1：離散小波變換；

5、設(shè)一維連續(xù)時間信號為,是實數(shù)集上平方可積函數(shù)構(gòu)成的函數(shù)空間，即：

6、（1）

7、式中，表示連續(xù)時間變量，對應(yīng)的連續(xù)小波變換公式為：

8、（2）

9、式中，由母小波經(jīng)過伸縮平移得到，稱為小波序列；，為尺度因子，為平移因子；是的復(fù)共軛；

10、將連續(xù)小波的尺度因子和平移因子沿二進制序列，進行離散化采樣得到離散小波變換：

11、（3）

12、其中，表示分解尺度，表示離散時間點，表示尺度因子和平移因子離散化采樣后的小波序列；

13、mallat算法由式（4）給出：

14、（4）

15、式中，和分別為低通濾波器和高通濾波器的響應(yīng)，表示小波分解的總尺度數(shù)，表示濾波器的索引，為濾波器的長度，和分別代表第尺度下離散小波分解的近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)；和分別代表第尺度下離散小波分解的近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)；

16、步驟1-2：修剪中值濾波；

17、設(shè)定一個閾值函數(shù)用于檢測脈沖干擾，該閾值函數(shù)與小波系數(shù)絕對值的平滑包絡(luò)成比例，但同時不受脈沖干擾的影響；該閾值函數(shù)定義為：

18、（5）

19、式中，為不受脈沖干擾影響的信號平滑包絡(luò)，是一個根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置的可調(diào)因子；

20、如果某個位置小波系數(shù)絕對值大于設(shè)定的閾值，則判定此位置處為脈沖干擾，得到所有脈沖干擾的位置索引，記為：

21、（6）

22、基于修剪中值濾波的閾值函數(shù)為：

23、（7）

24、式中是一個可調(diào)因子；表示對小波系數(shù)絕對值執(zhí)行中值濾波，為單個脈沖干擾的樣本點數(shù)；

25、對dwt分解后各個尺度的小波系數(shù)利用修剪中值濾波計算的閾值函數(shù)實現(xiàn)脈沖干擾檢測，得到各個分解尺度的檢測結(jié)果，表示檢測到脈沖干擾，表示未檢測到脈沖干擾；

26、步驟1-3：多尺度聯(lián)合確定脈沖干擾；

27、對檢測到的脈沖干擾索引做差分運算：

28、（8）

29、其中，為差分運算后的結(jié)果，相鄰的和的索引記為第尺度的第個脈沖干擾的起始點和終點；如果第尺度小波系數(shù)的長度記為，那么第尺度小波系數(shù)的長度記為；

30、將各尺度的小波系數(shù)如式（9）進行線性插值使得所有尺度小波系數(shù)長度與尺度的小波系數(shù)的長度相同；各尺度插值后的檢測結(jié)果記為：，起始點和終點索引記為：，；

31、（9）

32、合并所有尺度的檢測結(jié)果，進行投票統(tǒng)計，記為，則：

33、（10）

34、設(shè)定閾值，若投票結(jié)果，則判定離散時間點n有脈沖干擾發(fā)生；設(shè)定表示至少有一半的尺度數(shù)檢測到此處存在脈沖則為有效脈沖干擾，最終各尺度綜合判定的檢測結(jié)果為：

35、（11）

36、綜合判定結(jié)果中脈沖干擾的起始和終點索引為：，；將綜合判決結(jié)果進行降采樣，使得各尺度小波系數(shù)長度與初始各尺度小波系數(shù)的長度相同；更新后各尺度的檢測結(jié)果記為，與各尺度綜合判定的檢測結(jié)果之間的關(guān)系為：

37、（12）

38、脈沖的起始點和終點索引分別記為：和；

39、步驟2：脈沖干擾抑制；

40、步驟2-1：脈沖干擾小波系數(shù)處理；

41、在原始信號小波系數(shù)中減去脈沖干擾處的小波系數(shù)，得到不含脈沖干擾成分的小波系數(shù)，即：

42、（13）

43、計算去除脈沖干擾的信號包絡(luò)，記為：

44、（14）

45、其中：

46、（15）

47、同理計算脈沖干擾的信號包絡(luò)，記為；

48、對脈沖干擾及脈沖干擾附近的小波系數(shù)作以下處理，得到脈沖干擾區(qū)域小波系數(shù)的處理模板：

49、（16）

50、將處理模板與原始信號小波系數(shù)相乘，達到脈沖干擾處小波系數(shù)置零，脈沖干擾附近的小波系數(shù)按比例重置：

51、（17）

52、步驟2-2：脈沖干擾系數(shù)的替換；

53、下面脈沖干擾的起始點和終點不再區(qū)分具體分解尺度，符號中刪去，記第尺度第個脈沖干擾的起始點為，終點為；

54、（a）設(shè)計一個當(dāng)前脈沖干擾的比較模板，比較模板的起始范圍與處理模板的長度相同，均為；表示脈沖干擾起始點和終點向兩側(cè)延伸的距離，用于規(guī)定比較模板與處理模板的范圍；

55、（b）劃定一個搜索區(qū)域，搜索區(qū)域的起始范圍為，且處理模板在搜索區(qū)域內(nèi)滑動，與當(dāng)前的小波系數(shù)做乘積后計算該區(qū)域內(nèi)的能量；表示脈沖干擾起始點和終點向兩側(cè)延伸的距離，用于規(guī)定搜索區(qū)域的范圍；

56、通過（a）和（b），得到比較模板計算的當(dāng)前脈沖干擾區(qū)域內(nèi)的能量值，記為，為常數(shù)；使用處理模板在搜索區(qū)域內(nèi)滑動并計算當(dāng)前模板內(nèi)能量值，記為；比較和相似程度，相似度計算公式為：

57、（18）

58、其中：

59、（19）

60、（20）

61、（21）

62、式中為當(dāng)前搜索窗口的能量；為比較模板的能量，對于第個脈沖干擾為常數(shù)；是滑動窗口的第個點，是脈沖所在比較模板的第個點，是比較模板的樣本點數(shù)；

63、完成上述相似度計算后，得到相似度最大搜索窗口起始的索引，那么脈沖干擾需替換的起始位置索引和為：

64、（22）

65、其中，表示最佳搜索窗口的起始點；

66、在替換部分兩側(cè)延長了個樣本點且，則替換部分新的區(qū)域為：

67、（23）

68、針對式（16）中的處理模板，尋找最小值，記第一個點的索引為，最后一個點的索引為，那么此時的替換平滑模板為：

69、（24）

70、式中

71、（25）

72、最終脈沖干擾抑制后的各尺度小波系數(shù)為：

73、（26）。

74、優(yōu)選地，所述利用中值濾波器實現(xiàn)。

75、優(yōu)選地，所述中值濾波器計算定義為：

76、；

77、中值濾波器的長度需滿足：

78、。

79、一種計算機程序，所述計算機程序使得計算機執(zhí)行上述傳感器脈沖自噪聲檢測與抑制方法。

80、一種電子設(shè)備，包括：處理器及存儲器；所述存儲器用于存儲計算機程序，所述處理器用于執(zhí)行所述存儲器存儲的計算機程序，以使所述電子設(shè)備執(zhí)行上述傳感器脈沖自噪聲檢測與抑制方法。

81、一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，該計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述傳感器脈沖自噪聲檢測與抑制方法。

82、一種芯片，包括：處理器，用于從存儲器中調(diào)用并運行計算機程序，使得安裝有所述芯片的設(shè)備執(zhí)行上述傳感器脈沖自噪聲檢測與抑制方法。

83、一種計算機程序產(chǎn)品，所述計算機程序產(chǎn)品包括計算機存儲介質(zhì)，所述計算機存儲介質(zhì)存儲計算機程序，所述計算機程序包括能夠由至少一個處理器執(zhí)行的指令，當(dāng)所述指令由所述至少一個處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述傳感器脈沖自噪聲檢測與抑制方法。

84、本發(fā)明的有益效果如下：

85、本發(fā)明方法利用離散小波變換，在多個尺度對信號進行分解，保證了計算效率，并且基于修剪中值濾波優(yōu)化了脈沖干擾檢測的閾值函數(shù)，降低強脈沖對閾值選取的影響，提高了對弱脈沖檢測率。