楊光兵，呂連港

（1.國家海洋局 海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬重點實驗室，山東 青島 266061；2.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061）

在海洋工程中，無論是航道整治還是碼頭選址以及海底物探都需要進行海底地質(zhì)勘探。淺地層剖面儀因其靈敏度和分辨率高、連續(xù)性好并且能夠快速準確探測識別不同沉積層結(jié)構(gòu)而廣泛應(yīng)用于港口、航道、堤壩、護岸及海底管道施工等需要海底底質(zhì)調(diào)查的工程中［1－2］。淺地層剖面儀有聲參量陣式、壓電陶瓷式、電磁式、電火花式等。C－BOOM淺剖是一種新型的電磁式剖面儀，它采用低電壓技術(shù)，其最大的好處是輕便，適于淺海、近岸和小型船只使用［3］。

目前，國內(nèi)外針對淺剖信號有淺剖測量模擬［4］以及淺剖信號包絡(luò)對淺剖性能的影響等的研究［5］。傅立葉變換在信號分析領(lǐng)域具有重要地位，它能夠?qū)r域信號變換到頻域，從而讓人們對信號有多方面的認識。然而，對于分析如C－BOOM淺剖信號等非線性、非穩(wěn)態(tài)信號，基于傅立葉變換原理的快速傅立葉變換、短時傅立葉變換等信號分析方法具有很大的局限性。1998年提出的HHT［6］方法具有自適應(yīng)、高分辨率等諸多優(yōu)點，能夠很好的分析非線性、非穩(wěn)態(tài)信號。目前，在聲學領(lǐng)域有針對海洋生物聲信號分析［7］，海底目標回聲分析等方面的應(yīng)用［8］。在地質(zhì)勘探方面，EMD和HHT被應(yīng)用于分析和處理地震反射波數(shù)據(jù)，抑制拖纜振動噪聲，從而提高信號的信噪比［9］。

本研究利用HHT方法分析C－BOOM淺剖信號，得到了信號的頻域特征，并在未知信號頻域參數(shù)的情況下對信號進行了濾波，從原始信號中分離得到了淺剖信號部分和噪聲部分。

1 C－BOOM淺剖信號及其特征

C－BOOM淺剖是一種電磁式淺剖。電磁式淺剖通常為不同名稱的Boomer或Bubble，傳統(tǒng)的Boomer系統(tǒng)使用的電磁式換能器，一般由金屬線圈及鋁制極板組成。換能器上的線圈通電時產(chǎn)生強磁場，放電時磁場迅速衰減從而推動極板產(chǎn)生高能量的聲波。圖1為在大連三山島、小山島附近海域?qū)嶒灚@得的三段淺剖信號，實驗地點水深36m左右，實驗采用雙船作業(yè)，其中一條船布設(shè)淺剖，另一條船布設(shè)水聽器垂直陣和聲學記錄儀。從圖1中可見，C－BOOM淺剖信號的特點是它產(chǎn)生的是一個極短的脈沖，波峰和波谷相差0.4 ms左右。這個脈沖迅速產(chǎn)生并迅速衰減類似于一個白噪聲信號或者說類似于一個沖擊函數(shù)，它的頻帶從幾十赫茲一直到兩千赫茲左右，而且低頻成分比較豐富，和環(huán)境噪聲的頻率重疊。另外從圖1中還可以看出C－BOOM淺剖信號具有電磁式淺剖信號的共性即其重復(fù)性較差，三段信號時域波形及其頻譜都有一定差別。從圖1可見三段信號的波峰和波谷分別相隔0.54ms，0.42ms和0.38ms，頻譜的峰值分別位于421.9 Hz，890.6Hz和984.4Hz。考慮到這三段信號均未進行濾波去噪，但從頻域圖中無法辨別信號與噪聲，因此也無法確定針對C－BOOM淺剖信號的濾波參數(shù)。

圖1 三段C－BOOM淺剖信號的時域波形和對應(yīng)的頻譜圖Fig.1 The time－domain waveforms of three sections of signal from C－BOOM subbottom profiler and their corresponding frequency spectrograms

2 利用HHT方法分析C－BOOM淺剖信號

對信號進行HHT分析的第一步就是將信號展成幾個本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，IMF）和一個趨勢項之和，這一步稱為本征模態(tài)展開（Empirical Mode Decomposition，EMD）。得到的IMF的中心頻率一般為較低一階IMF中心頻率的2倍。但是有的時候分解得到的IMF具有其他頻率成分，則稱發(fā)生了模態(tài)混疊（mode mixing）。目前解決模態(tài)混疊最好的辦法是EEMD［10］，本研究也將利用EEMD進行信號分析。但是需要注意的是，用EEMD展開后得到的并不是IMF，只能稱之為信號分量。

首先，用EEMD將信號展開，一共得到8個信號分量，分別用c1～c8表示。

從圖2中可見，8個信號分量的波形變化速度依次減慢，即頻率逐漸降低。各個信號分量中c2幅值最大，c6的幅值最小。各個信號分量之間基本沒有模態(tài)混疊。對其作希爾伯特變換得到希爾伯特譜并對時間積分得到邊際譜（Marginal Spectrum）。

從圖3中可以很清晰的看出信號能量的時頻變化關(guān)系，信號的時頻譜由幾條隨時間變化的線譜構(gòu)成，希爾伯特譜非常高的時頻分辨率是其他基于積分變換原理的時頻分析方法所無法實現(xiàn)的。另外，從圖3b可見邊際譜較傅立葉譜具有更尖銳的譜峰。

將各個信號分量分別畫出其希爾伯特譜，見圖4。

從圖2和圖4中可見c1幅值較小，并且從圖3的邊際譜和傅立葉譜中均可見c1所在的頻段能量較小。c2分量瞬時能量最大，而且在時頻關(guān)系圖中可以明顯看出由于信號的產(chǎn)生出現(xiàn)了原來沒有的頻率成分。c3和c2類似，在信號出現(xiàn)的時刻開始有了原來沒有的頻率成分。對于c4雖然在時頻譜的整個時間長度內(nèi)都有500Hz左右的頻率存在，但是在6ms位置信號分量能量顯著增大，可知環(huán)境噪聲和C－BOOM淺剖信號中都有這一頻段的成分，但是噪聲較信號的強度小很多。對于c5和c6的情況和c4類似。從c7開始，能量強度隨時間變化不明顯，因此可以認為在這些分量中大多都是噪聲成分，而淺剖信號的成分較少。綜上分析，我們可以將其中的c7和c8分量作為噪聲成分，由于c1較小可將其去掉，而c2～c6即為信號的主要成分。

通過對信號的各個分量分析篩選，合成去掉噪聲成分的信號，其時頻圖中個頻率的產(chǎn)生和信號發(fā)生的時間吻合很好。從邊際譜中也可見低頻成分——實際上主要是噪聲成分，在信號頻帶不明確的情況下——已經(jīng)被濾掉。因此，現(xiàn)在可以結(jié)合圖5中a和b兩個圖得到信號的頻帶為260～1370Hz以及中心頻率為815Hz。

圖6 真實噪聲和噪聲分量的頻譜對比Fig.6 Comparison of frequency spectrum between the real noise and the noise component

對于其中的c7和c8，將其合成為噪聲成分。并從信號附近截取一段噪聲（即2個淺剖發(fā)射脈沖之間的信號，可以認為此時淺剖信號已經(jīng)幾乎衰減殆盡）。將兩者分別做傅立葉譜和邊際譜并比較。從圖6中可見，兩者譜線接近，噪聲頻率主要在100Hz以下，一般認為這個頻段的噪聲主要是船、工業(yè)活動噪聲［11］，考慮到信號記錄時，淺剖所在的調(diào)查船是航行的，因此認為環(huán)境噪聲主要為船噪聲，c7和c8兩個信號分量構(gòu)成的成分的確為噪聲成分。

3 結(jié) 語

析了C－BOOM淺剖信號的時域和頻域特點，并利用HHT方法分析C－BOOM淺剖信號，通過分析篩選由EEMD方法分離得到的信號分量，得到了信號的頻帶和中心頻率等頻域參數(shù)，并在未知信號頻帶的情況下完成了對信號的濾波。通過比較發(fā)現(xiàn)分離得到的噪聲分量和環(huán)境噪聲的頻譜符合得很好，即準確的從原始信號中將信號成分和噪聲成分分離，對其他電磁式以及電火花式聲源的信號分析均有一定借鑒意義。

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