基于AUV多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法及系统

本发明属于湍流去噪，涉及一种基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法及系统。

背景技术：

1、湍流是海洋能量与水体交换的研究基础，对大洋环流、全球气候变化以及海洋循环具有重要的调节作用。受限于动态非结构化的海洋环境，对湍流混合特性的研究主要依赖于实际海洋观测所获取的物理量。自主水下航行器（autonomous underwater vehicle ,auv）因其不受海域时空范围限制且机动灵活的观测优势，成为获取时空多尺度海洋湍流信息的高效观测手段。真实可靠的湍流数据是auv移动海洋观测的核心，准确的观测信息在解释海洋湍流时空演化机理中起到了至关重要的作用。但是，在观测过程中，auv内部机械振动所产生的噪声不可避免的对湍流剪切信号造成污染。因此，对观测平台噪声进行检测去噪，对提高复杂海洋背景下湍流观测信号的准确性有着重要的意义。经研究发现auv平台对湍流剪切信号的噪声污染具有频带多样性，在传统的分解方法当中，面对多组分信号的去噪工作，通常从频带划分工作着手，将多组分的混杂信号转换成单一分量进行去噪处理，如电机故障检测或特征识别。因此对频带进行合理有效的分割是进行信号高效分解与去噪工作的先决条件。

2、在实际应用过程中，大部分的信号分解算法很难合理的将原始信号分解成特征信息集中的信号分量模态，并且微弱电机所产生的振动信号极易被强振动信号掩盖，难以达到全面剔除的目标。例如，传统的经验模式分解算法（emd）在信号分解的过程中具有极强的自适应性，并且广泛应用于非线性系统信号分解，例如大气信号、海洋信号、声信号，但emd算法在应用过程中会伴随出现极强模态混叠的现象，污染并干扰后续的分信号特征分析；小波分解算法在应用的过程中能够有效的完成对非平稳突变信号的挖掘分解，但是分解的结果一定程度受到小波基选择的影响，同时边缘信号在与小波卷积的过程中的强制补零措施使得信号失真，出现边缘效应，影响数据分解质量。与emd算法类似，变分模态分解（vmd）虽然能够一定程度上实现信号自适应的分解，但是自适应分解获得的模态数量受到参数尺度α的调控，而其所分解的模态并不能完全匹配所需固定振动的频率与特征信息。

3、因此，亟待一种更加适合auv多源噪声的分解去噪方法，这将对复杂环境海洋信号的精准获取以及推动后续海洋演化机理研究准确性的提升有着重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法，该方法基于多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方式，以消除auv多源振动噪声的影响，实现海洋湍流数据准确有效观测，从而满足对复杂海洋环境背景下高效海洋信息观测的科学需求。

2、本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

3、一种基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法，包括如下步骤：

4、步骤1. 通过auv搭载湍流仪采集海洋环境中的湍流信息，进而得到auv仪器在下潜、水平航行与上浮期间观测得到的原始振动加速度信号与原始剪切信号；

5、步骤2. 依据先验固有噪声频率序列，对测量得到的原始剪切信号与原始振动加速度信号进行多尺度定频分解，得到待去噪的窄带剪切模态分量、窄带振动加速度模态分量，以及无需去噪的残余宽带剪切模态分量与残余宽带振动加速度模态分量。

6、步骤3. 将与固有振动噪声特征频率一一对应的振动加速度模态分量与剪切模态分量进行单一频带内的交叉谱去噪，得到噪声剔除后的剪切模态分量；

7、步骤4. 将去噪后的剪切模态分量与残余宽带剪切模态分量数据进行重构。

8、在基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法的基础上，本发明还提出了一种与之相对应的基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪系统，其采用如下技术方案：

9、一种基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪系统，包括如下步骤：

10、多尺度定频分解模块，依据先验固有噪声频率序列，对测量得到的原始剪切信号与原始振动加速度信号进行多尺度定频分解，得到待去噪的窄带剪切模态分量、窄带振动加速度模态分量，以及无需去噪的残余宽带剪切模态分量与残余宽带振动加速度模态分量；

11、交叉谱去噪模块，用于将与固有振动噪声特征频率一一对应的振动加速度模态分量与剪切模态分量进行单一频带内的交叉谱去噪，得到噪声剔除后的剪切模态分量；

12、以及重构模块，用于将去噪后的剪切模态分量与残余宽带剪切模态分量数据进行重构。

13、此外，在基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法的基础上，本发明还提出了一种用于实现上述基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法的计算机设备。

14、该计算机设备包括存储器和处理器，存储器中存储有可执行代码，处理器执行所述可执行代码时，用于实现上面述及的基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法的步骤。

15、此外，在基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法的基础上，本发明还提出了一种用于实现上述基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法的计算机可读存储介质。

16、该计算机可读存储介质，其上存储有程序，当该程序被处理器执行时，用于实现上面述及的基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法的步骤。

17、本发明具有如下优点：

18、如上所述，本发明述及了一种基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法及系统。本发明方法采用多频带分解去噪策略，搭建auv多源振动频带先验识别平台实现多特征信号划分，联合交叉谱方法去除聚焦频带内噪声扰动，克服了现有去噪技术能力局限性，同时推动对海洋湍流演化的充分认知以及对海洋观测仪器优化发展的支撑。本发明能够很好地实现原始信号的特征性分割，完成了多源混杂信号向特定振动频带信号的分解，根据聚焦频带针对性特征进行噪声弱化工作，提升了auv搭载湍流仪获取数据的准确性，降低了观测平台对湍流观测数据的影响，对湍流演化机理研究准确性的进一步提升起到了推动作用。

技术特征：

1.基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法，其特征在于，

3.如权利要求1所述的基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法，其特征在于，

4.如权利要求3所述的基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法，其特征在于，

5.如权利要求3所述的基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法，其特征在于，

6.如权利要求3所述的基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法，其特征在于，

7.如权利要求6所述的基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法，其特征在于，

8.如权利要求6所述的基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法，其特征在于，

9.如权利要求6所述的基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法，其特征在于，

10.一种基于auv多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明属于湍流去噪技术领域，公开了一种基于AUV多尺度定频分解的交叉谱湍流去噪方法及系统。本发明方法采用多频带分解去噪策略，搭建AUV多源振动频带先验识别平台实现多特征信号划分，联合交叉谱方法去除聚焦频带内噪声扰动。本发明方法能够很好地实现原始剪切信号的特征性分割，完成了多源混杂信号向特定振动频带信号的分解，根据聚焦频带针对性特征进行噪声弱化工作，提升了AUV搭载湍流仪获取剪切数据的准确性，降低了观测平台对剪切观测数据的影响，对湍流演化机理研究准确性的提升起到推动作用。

技术研发人员：杨华,毛蓓蓓,张馨睿,郑雨轩,朱小宇
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15