噪声背景下盲源分离算法在易燃液体检测中的应用与实现

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近年来,随着经济全球化的日益加深,以及当前国际环境和形势的不断变化,公共场所的安全问题变得日益突出。为了保障人民群众在公共场所的生命财产安全,国家在公共安全上投入了大量的人力物力,以防止公共安全事故的发生。而当前在公共场所安检中较为常用的安检设备主要都是基于X射线成像原理来获取乘客携带物的信息,对于易燃液体的相关检测技术还不成熟,大多安检场所还是使用气味检测和试喝的方法,检查工作不仅繁琐而且也会给人们的出行带来不便。面对这种情况,如果能提出一种安全高效的安检方法用于易燃液体检测,这不仅能进一步保障公共安全,还是对现有安检技术的重要补充,因此具有较高的研究意义与价值。所以,本文从信号处理的角度出发,以易燃液体检测为研究对象并结合盲源分离算法,提出在常见噪声背景下将盲源分离算法应用在易燃液体检测中,为如何安全高效地对易燃液体进行检测提供了新的思路和方法。为了能在噪声背景下将盲源分离算法应用在易燃液体检测中,本文结合前人的研究设计了一套波束聚焦系统用来对多种易燃液体的样本S参数进行采集,并建立起相应的样本S参数数据库。然后在常见噪声背景下通过盲源分离算法对观测信号进行处理,将源信号从观测信号中分离出来,之后通过分离信号与样本数据库之间进行匹配,从而实现对易燃液体类型的判断。主要研究内容如下:(1)首先,研究了超宽带厘米波对易燃液体的检测原理,结合实际和理论要求设计了一套满足实验要求的波束聚焦系统,重点对波束聚焦系统的天线和透镜进行了设计,并对该系统的聚焦性能和电磁参数进行了仿真和验证。之后利用波束聚焦系统和矢量网络分析仪测量出汽油、酒精和水在8GHz-18GHz频段内的S参数,并对所采集的S参数数据进行整理和清洗,建立相应的样本S参数数据库。最后对常见的噪声和含噪观测信号进行分析,并提出常见的含噪观测信号可以通过无噪声模型的盲源分离方法来进行处理。(2)其次,在对基于负熵的Fast ICA算法进行研究的基础上,针对基本的Fast ICA算法收敛速度较慢的问题,本文采用了一种新的五阶收敛的牛顿迭代法,并在此基础上对基于负熵的Fast ICA算法进行改进以提高其收敛速度。然后通过使用采集的数据进行仿真实验,仿真结果证明了含常见噪声的观测信号可以通过无噪声模型的盲源分离方法来进行分离,也验证了改进算法的有效性。(3)最后,针对传统的盲源分离算法存在运算量大和收敛速度与分离效果彼此制约的问题。本文在对自然梯度准则下的盲源分离算法研究之后,结合变步长的思想,对自然梯度盲源分离算法进行改进,该方法通过分离信号之间的相关系数来判断信号的分离阶段,并根据分离阶段来控制步长因子,同时在算法中引入动量项。仿真实验结果表明,改进算法能够较好地对含噪观测信号进行分离,与传统算法相比具有更好的收敛速度和分离性能。
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