频域盲源分离算法研究及其在高速列车噪声成分分离中的应用

【摘要】盲源分离问题研究的是如何将各个源信号从观测得到的混合信号中分离出来,所谓“盲源”,是指源信号和混合环境都未知。盲源分离技术有许多潜在的应用,例如语音增强、语音识别、脑电信号分析及核磁共振成像分析、特征提取、地质勘探、图像去噪、高光谱图像处理等。在本文中,我们主要关注的是频域盲源分离算法。由于信号在介质中的传播速率是有限的,所以在真实环境中所观测得到的信号往往是各个源信号以及它们的延时、衰减、回响的叠加,即信号是卷积混合的。频域盲源分离算法利用短时傅里叶变换(ShortTimeFourierTransform,STFT)将时域上的卷积混合转换为频域上的瞬时混合,然后利用目前研究比较成熟的瞬时盲源分离算法在各个频段上进行分离,所以,整个分离问题可以得到极大的简化。但是,频域盲源分离算法也会受到所谓的“排列歧义性”的影响：在输出最终结果之前必须将各个频段上分离好的信号重新调整为相同的输出顺序,也就是说,在各个频段分离完毕之后,频域盲源分离算法还需要一种排列算法作为后期处理步骤来解决排列歧义性。本文主要介绍了作者在对频域盲源分离算法的研究过程中所开展的四项工作,包括：1.使用核方法和谱方法解决排列问题。在频域盲源分离算法中,聚类技术被广泛用于解决排列歧义性。然而,目前的研究中仍然存在一些问题尚未解决,例如需要处理长条形分布的数据,以及需要考虑排列问题特有的限制条件等。由于核方法和谱方法在机器学习和数据挖掘中的广泛应用,所以我们尝试使用这些技术来解决排列问题。在该项工作中,我们根据排列问题特有的限制条件修改了kernelk-means方法,并且使用谱聚类的思想对核方法的原理进行了解释。另外,我们还根据排列问题的具体特点提出了几种核映射的构造方法以提高排列算法的性能。2.基于子频带和子空间非线性映射的IVA(IndependentVectorAnalysis)算法。IVA算法是近年来才提出的一种新技术,该方法的应用之一就是解决频域盲源分离问题。和传统的按频段瞬时分离加排列算法的方法相比,IVA最大的优点在于它能够在分离的过程中同时进行排列,所以IVA之后不需要再使用额外的排列算法进行后期处理。在这项工作中,我们提出了对IVA方法的两项改进：首先提出了一种新的子频带构造方法,在分离过程中IVA将以子频带为单位从高频到低频进行分离,而子频带中数据的强相关性将有利于解决排列问题；第二,为了增强算法的稳定性以及减少噪声的影响,IVA的非线性映射将在由数据的相关矩阵的最大特征值对应的特征向量张成的一维子空间上计算。这两项改进同时使用的话不但能够提升IVA算法的分离性能,而且还能增强算法的稳定性。3.频域盲源分离算法的性能评价。为了开发更好的盲源分离算法,如何对算法的分离性能进行定量评价也是一个值得深入研究的问题。在本工作中我们针对频域盲源分离算法的特点对现有的评价方法进行了改进：首先从混合和分离系统中计算出统一的信号能量传递网络,或是在频域上从源信号和分离所得的信号中估计出能量传递网络的参数。然后再根据前一步的计算结果对信号的能量进行分解,从而计算不同的评价指标。在该工作中提出的方法尤其适合于在模拟实验环境中对频域盲源分离算法进行性能评价。4.高速列车噪声成分分离。高速列车噪声是影响车内旅客舒适度和铁路沿线居民生活质量的关键因素,如何有效的降低噪声是高速列车设计者们所关心的问题之一。研究表明,高速列车噪声是由车体振动、轮轨噪声、气动噪声、设备噪声等因素混合而成的综合结果,如果能将各种噪声成分从测量得到的信号中分离出来将对列车的减振降噪设计起到一定的参考作用。由于盲源分离算法在语音分离任务中有许多成功应用的先例,而这两类问题之间又存在一定的相似性,所以我们尝试使用盲源分离技术来对高速列车噪声成分进行分离。在这项工作中一共分离了两类噪声：一是使用频响特性估计的方法实现了透射噪声和结构噪声的分离,二是使用盲源分离技术对车内噪声成分进行了分离。本文的所有工作以及本文实验中用到的所有对比算法都集成到了一个统一的实验平台中,该平台由Java语言开发,源代码可以供研究者们自由下载。
【作者】纳跃跃；
【导师】于剑；
【作者基本信息】北京交通大学，计算机科学与技术，2014，博士
【关键词】盲源分离；频域；排列歧义性；独立向量分析；高速列车噪声；

【参考文献】
[1]张学兵.城际轨道交通客运售检票模式[J].中国铁路.2005(08)
[2]张新宽.我国城市社区居家养老服务问题研究[D].山东财经大学,社会保障学,2012,硕士.
[3]徐利.现代汉语动词“随便”句的多角度考察[D].华中师范大学,汉语言文字学,2014,硕士.
[4]曹丽云,黄剑锋,张国运,杨军胜,吴建鹏,贺海燕.卫生陶瓷凝胶注模成型人工神经网络专家系统建模[J].陕西科技大学学报,2005,04:29-32.
[5]钟志文.福建省城乡社会养老保险制度衔接研究[D].福建农林大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[6]潘晨琛.Cre重组酶介导的神经元条件死亡系统的构建及应用[D].兰州大学,发育生物学,2013,硕士.
[7]曲先超.基于MODIS的海面溢油指数研究及应用[D].大连海事大学,软件工程,2014,硕士.
[8]惠骁.命题信念集非修正方法的优化策略研究[D].大连海事大学,软件工程,2014,硕士.
[9]颜东方.马铃薯淀粉废水生产微生物絮凝剂的条件优化及絮凝机理[D].甘肃农业大学,食品科学,2013,硕士.
[10]兰扬.X射线检测装置采集传输系统的研究[D].重庆大学,控制科学与工程,2014,硕士.
[11]王金淑,田恬,刘伟,赖陈,周帆,赵雷.铼掺杂对含钪阴极性能与微观结构的影响[J].北京工业大学学报,2015,04:481-485.
[12]项红珍.沼液湿地处理中的植物筛选与参数优化[D].西南大学,环境工程,2013,硕士.
[13]张莉,毛文娟.我国食品安全人文社科研究基地状况调查[J].食品研究与开发,2014,18:212-215.
[14]师延强.公路安全生产责任体系研究[D].长安大学,交通运输工程（专业学位）,2014,硕士.
[15]本报记者杨萌.江海股份证券代表“信口开河”惹祸股价被炒后着急澄清[N].证券日报,2013-03-07C03.
[16]余涛.基于安卓浏览器的交互式网络电视实现技术研究[D].华中科技大学,计算机技术,2013,硕士.
[17]孙世民.用手征幺正法研究无味标量介子[D].广西师范大学,理论物理,2013,硕士.
[18]王宝忠,王伟.大模数铸钢齿轮沿齿沟中频淬火[J].一重技术.1994(02)
[19]葛夕羽.陕西省耕地资源生态安全评价研究[D].长安大学,农业资源利用（专业学位）,2014,硕士.
[20]刘敦楠,武亚光,姜晓亮,何光宇,张化清,邵滨,陈雪青,周双喜.安全约束对区域电力市场的影响[J].电力系统自动化,2005,21:9-13.
[21]孙忠耘.离婚损害赔偿制度在审判实践中若干问题研究[D].华东政法学院,民商法,2003,硕士.
[22]许名松.基于WPKI的LTE/SAE系统认证协议的研究[D].湖南大学,信息与通信工程,2011,硕士.
[23]李晓岚.寒冷地区绿色场地设计研究[D].郑州大学,建筑与土木工程（专业学位）,2013,硕士.
[24]樊雯.基于切换系统方法的卫星姿态容错控制技术研究[D].南京航空航天大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[25]何沐丹.上市公司破产重整中中小股东权益让渡研究[D].上海交通大学,商法,2013,硕士.
[26]薛刚.微细电火花加工主轴部件研制及铣削工艺研究[D].哈尔滨工业大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[27]潘玉军.促红细胞生成素对SD大鼠坐骨神经损伤后Caspase-3和GAP-43表达及神经修复的影响[D].福建医科大学,外科学,2014,硕士.
[28]康雪.上隅角瓦斯治理及采空区漏风流场模拟研究[D].辽宁工程技术大学,采矿工程,2012,硕士.
[29]骆晨钟,邵惠鹤.采用混沌变异的进化算法[J].控制与决策,2000,05:557-560.
[30]刘婷.家蚕微孢子虫单克隆抗体G9靶蛋白的鉴定[D].西南大学,微生物学,2013,硕士.
[31]张贺.海上风力发电项目社会评价研究[D].大连理工大学,土木工程管理,2013,硕士.
[32]张希娴.女性主义视角下的《杀死一只知更鸟》汉译本研究[D].河北师范大学,英语语言文学,2014,硕士.
[33]姜爱锋.天津市动漫产业发展问题研究[D].天津财经大学,产业经济学,2012,硕士.
[34]方佳军.重庆市自然灾害特征及防灾减灾研究[D].重庆大学,建筑与土木工程,2003,硕士.
[35]李德军.小孔振动钻削难加工材料的断屑技术研究[D].东北大学,机械制造及其自动化,2010,硕士.
[36]马二瑞.光学窗口气动加热与结构耦合分析[D].哈尔滨工业大学,工程热物理,2013,硕士.
[37]梁泰刚.肺宝三效片的质量标准研究[D].山西医科大学,药物化学,2003,硕士.
[38]郭建华.浦发银行税务管理改进研究[D].兰州大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[39]马兰.论托妮·莫里森小说中的死亡主题[D].兰州大学,英语语言文学,2012,硕士.
[40]涂军明.长江流域早稻稻瘟病抗性分子改良育种[D].中国农业科学院,作物（专业学位）,2012,硕士.
[41]钟飞.多层次不确知性融合模型及其在SST监测中的应用[D].上海大学,计算机应用技术,2014,博士.
[42]洪妍.当代中国农村题材电视纪录片研究[D].辽宁大学,广播电视艺术学,2012,硕士.
[43]彭子明.强力旋压工艺分析软件及旋压力和偏载力研究[D].燕山大学,材料加工工程,2004,硕士.
[44]陈永真.穿心莲内酯对人前列腺癌DU145细胞增殖、侵袭及IL-6表达的影响[D].河北医科大学,外科学,2013,硕士.
[45]贾胜颖.基于XML文档相似度与聚类相结合的代码抄袭检测研究[D].内蒙古师范大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[46]袁晓春.中小企业发展基金制度研究[D].暨南大学,法律,2013,硕士.
[47]江宇雷.胶束色谱过程的数学理论与模拟方法[D].浙江大学,化学工程,2004,硕士.
[48]秦红波,李望云,李勋平,张新平.BGA结构无铅微焊点的低周疲劳行为研究[J].机械工程学报.
[49]段晓峰.网站日志的数据挖掘[D].重庆大学,计算机系统结构,2003,硕士.
[50]王建辉.永川城区主要绿地的植物群落组成及滞尘、吸硫能力研究[D].西南大学,园林植物与观赏园艺,2012,硕士.