基于EMD与三阶累积量的水声瞬态信号检测

　　0 引言

　　水下目标在航行时发生的噪声可以分成2 类: 一类是连续重复产生的，另一类是瞬态变化的。随着隐身技术的发展，水下目标的辐射噪声越来越低，无源检测和识别水下目标越来越困难。潜艇、鱼雷等目标由于机械设备的运行状态、工况等变化，不可避免地会发出瞬态信号，利用这些突发性的瞬态信号，则可发现目标甚至识别目标[1]。但由于瞬态信号的突发性和强烈的不稳定性，设计1个宽容性的检测器非常困难，特别是对水下复杂背景环境下瞬态信号的检测和识别。近年来，该项研究受到了国内外学者的重视，美国NUWC设立了多项相关研究课题，研究成果在多篇文献中均有体现[2]。国内学者王燕麟、吴国清、邢军等均对水声瞬态信号的检测进行了相关的研究，方法有双谱能量检测和短时谱分析等。

　　现有的瞬态信号检测方法在干扰有色噪声时检测性能都将受到很大影响，文献[3 -5]提出了将检测到的信号通过一滤波器组，使信号在频域上分离，选择输出能量较大的1 组子频带信号近似给出信号的时频描述。该方法需要预先设计好1 组满足重构条件的滤波器。本文运用EMD方法的滤波器特性，取代滤波器组对采集到的信号进行降噪处理，选择能量较大的几组IMF进行高阶累积量分析，计算其三阶累积量对角切片的短时估计并构造检测统计量。最后根据检测统计量的包络特性判断有无目标信号存在。

　　1 EMD与三阶累积量

　　EMD方法是由美国华裔科学家N.Huang 提出的一种处理非线性、非平稳信号的分析方法[6]。这一方法创造性地提出了本征模态函数(Intrinsic ModeFunction，IMF)概念以及将任意信号分解为多个IMF的方法，即EMD方法。任何复杂信号都可以经过一定的步骤分解成有限个IMF的和，且各个IMF分量信号都是平稳的窄带信号。对于高斯白噪声，EMD相当于1组窄带滤波器，EMD对数据处理相当于对数据进行二值滤波[7]，EMD的滤波器特性如图1所示。本文正是运用EMD的滤波器来将信号在频域内进行分离。

　　高阶累积量方法因其对多种噪声都有很好的抑制作用逐渐成为信号处理的新热点，是近年来发展较快的现代信号处理方法之一。它不仅对未知自相关的加性噪声不敏感，而且对另外一类非歪斜的非高斯有色噪声(如均匀分布和任何对称分布噪声)也不敏感，因此在非高斯性、非线性、非因果性、非最小相位、非平稳性、高斯有色噪声或盲信号处理中发挥了重要的作用。三阶累积量及其对角切片的计算方法参见文献[8]。

　　2 检测方法

　　基于EMD的三阶累积量检测过程为: 首先将检测信号进行EMD滤波处理，对信号在频域上进行分离，选择能量较大的1组子频带信号近似给出信号的时频描述，然后在各个选中的子频带内单独计算三阶累积量对角切片的短时估计，抑制各个子频带内的噪声，通过构造的检测函数给出信号的特征包络，具体