传统的系统级标定方法是将温箱压缩机、转台电机等环境引起的随机噪声视为白噪声，而实际过程中输出信号具有非平稳和非线性特征。最小二乘拟合法是一种线性回归方法，利用该方法求解的误差系数成为制约光纤捷联惯导系统实现高精度的关键因素之一。针对上述问题，该文提出了一种基于希尔伯特-黄变换的捷联惯导系统级标定改进算法。通过希尔伯特-黄变换去除惯性仪表原始输出信号中的高频随机噪声，再利用系统级标定法计算惯性测量单元(IMU)误差参数。经多组试验证明，该方法能够有效提高IMU误差参数辨识的准确性，1 h的动态导航位置误差相对减少约10%。
光纤惯导 系统级标定 希尔伯特-黄变换 惯性测量单元 FOG SINS system-level calibration method Hilbert-Huang Transform (HHT) inertial measure unit (IMU)
五邑大学 智能制造学部, 广东 江门 529000
零频分量在离轴全息图中分布广且不携带物体的相位信息, 该分量的存在会显著降低全息图的信噪比从而影响重建精度。现有的零频分量抑制方法需要记录多张全息图或手动调节全息图的小波分解层数才能达到最佳效果, 虽然拉普拉斯算子也可用于抑制零频分量, 但难以提取+1级像。为了克服这些问题, 提出了一种基于希尔伯特-黄变换的零频抑制方法, 只需记录一张全息图且避免了手动调整分解层数。为了验证所提出方法的有效性, 将所提出方法处理后的全息图频谱与未零频抑制的全息图频谱、采用Haar小波变换和采用Laplace算子处理后的全息图频谱进行了对比, 还比较了三个随机选取的对比区域的标准偏差和截面图。实验结果表明所提出的方法不仅可以有效地抑制零频分量并且性能优于其他两种方法。
数字全息 希尔伯特-黄变换 零频抑制 相位重构 解析信号 digital holography Hilbert-Huang transformation zero-frequency suppression phase reconstruction analytical signal
齿轮箱的振动信号当中包含齿轮运转过程中的所有特征信息，通过采集分析振动信号即可掌握设备当前运转状态。采集齿轮箱振动信号的方法有很多，利用激光自混合干涉原理实现的非接触式测量手段具有极其独特的优势：一是该方法能采集到齿轮箱故障早期的特征信号，以便及时采取对应措施；二是该方法在测量过程中无需破坏齿轮箱箱体表面即可得到检测所需的特征信息；三是相比于安装加速度传感器，该方法对箱体附着的反光镜片产生的影响很微小，可忽略不计。在实验过程中，人为制作行星轮磨损故障并采集故障特征信号，然后使用希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang transform，HHT）信号处理方法对采集到的行星轮的故障振动信号进行提取，并分析HHT所得到的各阶固有模态函数（IMF）分量以及希尔伯特谱。从希尔伯特谱中能够分析得出齿轮磨损故障的周期，所得结果与理论值对比吻合良好，说明该方法能够有效地检测齿轮箱振动故障。
仪器、测量与计量 振动信号 故障诊断 自混合干涉技术 希尔伯特-黄变换 激光与光电子学进展
2022, 59(23): 2312002
1 山东大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266237
2 山东省激光技术与应用重点实验室，山东 青岛 266237
3 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室，山东 青岛 266237
双马赫-曾德(M-Z)干涉仪系统因其光路简单、灵敏度高、频率响应宽等独特优势受到了广泛的关注及应用，但由于其非常容易受到外界环境噪声的影响，直接采取互相关计算方法获取扰动信号位置会导致较大的测量误差。本文提出了一种基于希尔伯特-黄变换(HHT)的数据信号处理方案用于实现高精度的分布式光纤振动定位检测。通过对接收到的两路光信号进行经验模态分解得到本征模函数，并对所有本征模函数进行希尔伯特变换叠加得到希尔伯特谱，从而可以清晰直观地提取到由振动信号引起的高相似度光信号信息，再通过互相关计算由振动信号引起的时间延迟，从而准确计算振动位置信息。相比于传统的直接互相关计算方法，本方法可以有效识别及提取双M-Z干涉仪系统中振动信号引起的特征信息，从而可以有效降低外界环境噪声对系统的影响，减小定位误差。本文对所提出的方法进行了相关理论分析，并搭建了双M-Z干涉仪系统进行相关实验验证。实验结果表明，与传统直接互相关方法相比，本方法可以有效减少互相关数据的计算量，同时该方法可以有效提高振动位置的定位精度，在2 km的传感光纤长度、10 MHz采样率下，定位精度可达10 m。本文提出的基于双马赫-曾德干涉仪系统的分布式光纤传感技术具有较高的实际应用价值。
光纤传感 希尔伯特-黄变换 双马赫-曾德干涉仪 定位方法 端点检测 optical fiber sensing Hilbert-Huang transform dual Mach-Zehnder interferometer positioning method endpoint detection 强激光与粒子束
2021, 33(7): 076003
1 南京理工大学机械工程学院, 江苏南京 210094
2 埃因霍温理工大学机械工程系, 埃因霍温 5600MB 荷兰
为有效截取直达声分量以分析真实的水下爆炸声源特性, 提出一种利用局部相关峰进行直达信号辨识的标记算法, 并建立起算法结果的评价函数, 然后结合浅水区水下爆炸实验, 对比射线理论计算所得直达声分量的数目, 初步验证了算法合理性, 最后对所捕获的最优直达声片段(宽度约 1.8 ms)进行希尔伯特-黄变换 (HHT), 分析频谱特性。结果表明: 直达声压级时间序列具有良好的自相关性, 且在近程条件下, 其相对排列特征能近似保持稳定; 该算法可以获得较高的局部相关峰, 使得直达声片段能够被清晰地标记出来, 尤其是在超近程条件下, 相关峰可达 0.9以上; 爆炸声源的主频带稳定在 0~10 kHz, 且峰值频率约 1 kHz, 但是当传播距离较远时, 其形状会明显受到声速剖面影响。
水下爆炸 直达声 时间序列 相关函数 希尔伯特-黄变换 频谱 underwater explosion direct sound time sequence correlation function Hilbert-Huang Transform frequency spectrum 太赫兹科学与电子信息学报
2018, 16(3): 501
1 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院, 北京 100083
2 北京航天宏图信息技术股份有限公司, 北京 100195
土壤中不同浓度Cu2+含量映射到土壤光谱上的信息量十分微弱, 并且这些高光谱数据中也存在着难以避免的噪声, 因而本研究的关键是如何在土壤光谱复杂的噪声环境中提取微弱Cu2+信息。 经验模态分解算法(EMD)能够有效去除高光谱数据中的噪声, 且EMD是Hilbert变换对“非线性非稳定”信号时频分析的前提, 当引入Huang变换后, 可利用Hilbert-Huang变换(HHT)模型时频分析高光谱数据以实现降噪处理与信息提取。 通过时频的HHT分析不同浓度Cu2+污染下的土壤光谱, 完成从原始光谱经EMD分解出各本征模态函数(IMF)分量的包络线、 调制信号和频谱等曲线中挖掘土壤光谱的Cu2+污染信息。 研究结果表明, 相同浓度Cu2+污染时的土壤光谱HHT时频分析结果相同, 不同浓度时则不同, 所以也可依据IMF分量反演土壤Cu2+含量。 因此, 高光谱数据的HHT时频分析能为土壤光谱的信息挖掘、 光谱诊断和Cu2+含量反演等提供一种新的方法和思路。
重金属铜污染 土壤光谱 经验模态分解 希尔伯特-黄变换 弱信息探测 时频分析 Heavy metal copper pollution Soil spectra Empirical mode decomposition Hilbert-Huang transform Weak information detection Time-frequency analysis
华中科技大学 光学与电子信息学院, 武汉 430074
为了提高光纤安防系统的准确预警能力, 采用希尔伯特-黄变换法对光纤振动传感器信号产生原理和典型的光纤振动信号进行了分析, 获得了传感器不同状态下信号的时频谱, 并与通过连续小波变换得到的时频谱进行了对比分析。结果表明, 希尔伯特-黄变换在光纤安防系统的时频分析中具有重要价值。
光通信 光纤安防 希尔伯特-黄变换 连续小波变换 光纤振动信号 optical communication optical fiber security Hilbert-Huang transform continuous wavelet transform fiber vibration signal
华南师范大学物理与电信工程学院, 广东 广州 510006
激光多普勒电泳光散射法是测量胶体溶液中纳米颗粒表面Zeta电位的标准方法之一, 然而该技术的测量准确度往往受低频噪声分量以及自相关函数自身误差的影响。为了提高该技术的测量准确度和重复性, 采用基于希尔伯特-黄变换的分析方法。该方法对散射光强自相关信号进行经验模式分解, 剔除低频噪声以及自相关函数自身误差的干扰, 再对信号进行重构。仿真结果和实验结果均验证了该方法是可行和有效的。
散射 激光多普勒电泳法 准确度 希尔伯特-黄变换 Zeta电位 纳米颗粒 激光与光电子学进展
2017, 54(1): 012901
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了提高编码器的测速精度, 研究了基于希尔伯特-黄变换的光电编码器单莫尔条纹测速方法。首先, 利用AD采集编码器的单路莫尔条纹光电信号, 并将信号序列通过EMD变换, 滤除直流分量; 然后, 利用希尔伯特变换求出信号的相位变化, 并通过差分运算求取信号的瞬时频率; 最后, 结合编码器的具体参数求取编码器的转速。实验结果表明：对某21位编码器进行测速实验, 测速误差均方差由0022 4 rad/s降低到0013 4 rad/s。此方法测速稳定性高, 抗干扰能力强, 可用于速度精度要求较高的测速场合。
测速 光电轴角编码器 单莫尔条纹 高精度测速 希尔伯特-黄变换 velocity measurement photoelectric angle encoder single Moiré fringe precise velocity measurement Hilbert-Huang transform
