EEMD自适应去噪在拉曼光谱中的应用

二代小波是公认较好的降噪手段,但是降噪效果依赖于基函数、分解层数和阈值等参数设置。经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)无需参数设定,按照频率特性将信号分解成本征模函数(intrinsic mode function, IMF),对IMF滤波,实现了信号自适应去噪。拉曼光谱中信号和噪声交叠集中在极高频段,EMD产生模态混叠问题,影响去噪效果。应用总体平均经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)拉曼光谱克服了模态混叠,有效区分出高频信号和噪声,获得了与小波函数相似去噪效果。文中首先对一段非线性非平稳豆油脂拉曼光谱EMD分解,可见模态混叠,EEMD分解出清晰模态的特征分量。然后分别用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)、小波变换(Wavelet)、EMD和EEMD处理含噪光谱,信噪比、均方根误差、相关系数三个方面指标表明FFT高频去噪效果最差,其次是EMD,恰当的Wavelet同EEMD效果相当,EEMD的优势是降噪过程的自适应。最后提出光谱时频分析方法和IMF噪声属性判别准则研究趋势。     

激光雷达信号的可变间隔阈值经验模式分解去噪法

针对采用经验模式分解直接阈值(EMD-DT)和经验模式分解间隔阈值(EMD-IT)在激光雷达回波信号的去噪应用中会产生的模态混叠现象,采用一种可变间隔阈值的经验模式分解(EMD-SIT)的去噪方法。首先,对信号进行经验模式分解。然后,采用过零率方法将分解出的含有噪声的固有模态函数分离。最后,应用过零点阈值,设立一个新的可变阈值,将EMD-IT和EMD-DT有效融合对信号进行去噪。通过与多种阈值的仿真对比以及激光雷达的回波信号去噪实验,结果表明该方法可以有效地去除噪声,抑制模态混叠,较EMD-IT和EMD-DT更具有优越性,因此有着很好的应用前景。     

总体经验模态分解能量向量用于ECG能量分布的研究

总体经验模态分解(EEMD)改进了经验模态分解(EMD)存在的模态混叠问题, 依据信号自身的波动特点将信号分解, 特别适合非线性非平稳信号的分析处理. ECG信号能量分布有一定的规律, 疾病会引起能量分布的变化, 研究ECG能量分布的改变对心脏疾病的研究和临床诊断有重要意义. 本文将ECG信号通过EEMD方法分解为多个本征模态函数(IMF)分量, 观察IMF分量的波动规律, 指出了ECG信号在不同时间尺度上的波动特点和物理意义. 将IMF分量分别计算能量, 得到ECG的能量向量, 并对健康人和三种心脏疾病患者能量向量进行对比分析. 结果表明心脏疾病导致EEMD能量向量的高频分量显著降低, 尤其是p₁分量具有较好的区分度, 可以作为心脏疾病诊断的参考依据. 相比较传统的频域分析方法单纯关注频率而忽略信号自身特点和信号成分之间的相互作用, EEMD的分解结果依赖于ECG信号本身, 因此更能够反映ECG信号的真实情况, 揭示年龄和疾病对ECG能量分布的影响.     

EEMD-ICA在功能性近红外光谱特征信号提取中的应用

近年来,功能性近红外光谱技术(fNIRS)广泛应用于神经影像学领域。为解决fNIRS特征信号提取中的信噪频谱混叠问题,依据近红外光谱脑功能成像信号非线性与非平稳特点,提出一种结合集合经验模态分解法和独立成分分析的多分辨率联合信号提取方法EEMD-ICA。在脑功能成像仪器平台上采集多通道多波长脑功能成像近红外光密度信号,先对该信号进行集合经验模态分解将其按频率成分分解为多层本征模态函数,之后将独立成分分析应用于目标频率分量函数进行自适应去噪,最后将处理后的分量累加、重构获得近红外光谱脑功能成像的特征信号。将Valsalva氏实验测试数据作为研究对象进行滤噪处理,与经验模态分解法和集合经验模态分解法对fNIRS特征信号的提取效果对比。对实测数据的处理结果进行信噪比和误差参数分析,结果表明,该方法能够有效解决去噪过程中丢失原始信号有用信息及由于信噪频谱混叠不能完整去除噪声的问题,信号处理效果理想,对比另外两种信号提取方法更为优化。     

基于集合经验模态分解和奇异值分解的激光雷达信号去噪

为了提高差分光柱像运动激光雷达(DCIM雷达)探测信噪比,提出了一种基于集合经验模态分解(EEMD)和奇异值分解(SVD)的混合降噪法.由EEMD获得含噪信号多层模态分量,根据各模态分量之间互相关系数的差分量确定主要噪声并予以滤除,利用奇异值分解识别模态分量中的残余噪声并提取有用信号.利用混合降噪法EEMD-SVD和EEMD方法分别对模拟仿真信号和实测激光雷达信号进行降噪处理.结果表明,当模拟噪声标准差在0.05~0.2之间时,相比与未降噪直接反演的湍流廓线,EEMD-SVD方法降噪后反演的湍流廓线信噪比提高了2.718 7dB~6.921 5dB,相应的EEMD方法提高了1.446 1dB~3.366 1dB;两个不同时段DCIM雷达降噪前后反演廓线与探空廓线的对比发现,EEMD-SVD和EEMD两种方法降噪后反演廓线较之于未降噪的反演廓线,信噪比最大提高了2.526 5dB和2.155 6dB.EEMD-SVD的降噪效果优于EEMD,能够更有效地识别和滤除噪声,较大地提高了原始信号的信噪比,获得更准确的大气湍流廓线反演结果.     

基于希尔伯特黄变换的自适应相位提取法

提出了一种基于希尔伯特黄变换的自适应相位提取法。该方法通过对条纹图信号进行经验模态分解得到一系列本征模函数(IMF)。对每个IMF进行希尔伯特谱分析,提出准则用以确定噪声IMF并判断是否存在模式混叠问题。若存在,根据该噪声IMF自适应设计新的“噪声”并将其添加到原信号中,然后对所形成的新信号再次分解,重复进行该过程直到相应的模式混叠问题不再存在。将最后一次分解所得的噪声IMF和背景分量从信号中去除,对所得的基频分量做希尔伯特变换即可得到条纹图的包裹相位分布。所提方法可有效克服模式混叠问题,可在有效去除噪声和背景分量的同时尽量保留细节相位信息,有较好的自适应性及稳健性,测量精度高。     

随机噪声对经验模态分解非线性信号的影响

采用Monte-Carlo随机模拟方法来研究外部噪声对经验模态分解非线性信号的影响.结果表明:噪声对低阶特征模态函数(IMF)影响较为明显,对高阶IMF影响较小;白噪声强度系数越大,分解出的IMF纯噪声分量阶数越多;用含噪声信号减去经验模态分解后的主要IMF噪声分量,可较为明显地削弱噪声的影响;含噪声响应的最大Lyapunov指数比不含噪声响应的最大Lyapunov指数小     

EMD阈值滤波在光纤陀螺漂移信号去噪中的应用

光纤陀螺(FOG)的漂移输出经常淹没在噪声中,直接建模补偿漂移信号非常困难,提出基于经验模态分解(EMD)的阈值滤波方法(EMD-T)对漂移信号预处理。为了提高EMD分解的精确度,基于噪声传播模型引入一种有界噪声辅助分析的方法,将漂移信号中幅值小、频率高的噪声信息压缩至低阶本征模态函数中。为了验证算法的有效性,采集一款干涉型FOG的静态漂移输出作为测试信号,将EMD-T与基于小波包变换(WPT)和常规EMD(CEMD)的阈值滤波方法进行了对比分析。仿真结果及Allan方差分析表明,EMD-T较WPT和CEMD滤波性能有显著的改善,经EMD-T处理后,漂移信号的量化噪声(Q)和角度随机游走(N)分别由0.7862μrad和4.58×10-3(°)·h-1/2下降至0.1340μrad和9.03×10-4(°)·h-1/2。     

基于独立成分分析和经验模态分解的混沌信号降噪

基于经验模态分解和独立成分分析去噪的特点,提出了一种联合独立成分分析和经验模态分解的混沌信号降噪方法. 利用经验模态分解对混沌信号进行分解,根据平移不变经验模态分解的思想构造多维输入向量, 通过所构造的多维输入向量和独立成分分析对混沌信号的各层内蕴模态函数进行自适应去噪处理; 将处理后的所有内蕴模态函数进行累加重构,从而得到降噪后的混沌信号. 仿真实验中分别对叠加不同强度高斯噪声的Lorenz混沌信号及实际观测的月太阳黑子混沌序列进行了研究, 结果表明本文方法能够对混沌信号进行有效的降噪,而且能够较好地校正相空间中点的位置, 逼近真实的混沌吸引子轨迹. 关键词： 独立成分分析 经验模态分解 混沌信号 降噪     

噪声模态单元预判的经验模态分解脉冲星信号消噪

为了改善脉冲星辐射脉冲信号的消噪效果, 提出了一种基于噪声模态单元预判的经验模态分解(EMD) 消噪声方法. 该方法首先利用EMD将含噪辐射脉冲信号分解为一组内蕴模态函数(IMF), 根据IMF系数的统计特性采用局部均方误差准则进行噪声模态单元预判, 并将噪声模态单元置零; 然后对噪声模态单元预判处理后的IMF以模态单元为基本单位进行最优比例萎缩消噪, 从而达到抑制噪声、保留信号的目的. 实验结果表明: 与Sure Shrink小波阈值法、Bayes Shrink小波阈值法和EMD模态单元比例萎缩法相比, 基于噪声模态单元预判的EMD消噪方法可以更有效地去除脉冲辐射信号中的噪声, 同时更好地保留信号突变处的细节信息特征, 在信噪比、 均方误差、峰值相对误差、峰位误差和相位误差等方面都有一定程度的改善. 关键词： 脉冲星信号消噪 经验模态分解 噪声模态单元预判 局部均方误差     

脉冲星信号的经验模态分解模态单元比例萎缩消噪算法

针对脉冲星信号的消噪问题, 提出了一种基于模态单元比例萎缩的经验模态分解(EMD)消噪方法. 利用经验模态分解将含噪脉冲星信号分解为一组内蕴模态函数(IMF), 将IMF中两个过零点间的部分定义为模态单元, 以模态单元为基本单位构造最优比例萎缩因子, 对IMF中的每个模态单元进行比例萎缩去噪, 进而建立基于模态单元比例萎缩的脉冲星信号滤波模型.对含噪脉冲星信号进行了消噪实验分析, 实验结果表明, 与小波硬阈值消噪法、比例萎缩小波消噪法和基于模态单元阈值的EMD消噪法相比, 该方法可以更有效地去除脉冲星信号中的噪声, 同时更好地保留了原信号中的有用细节信息. 关键词： 经验模态分解 脉冲星信号 模态单元比例萎缩 消噪     

仿生鳍条姿态测量及其误差分析

在复杂环境下齿轮箱信号往往会淹没在噪声信号中,特征向量难以提取。为了有效的进行故障诊断,提出了基于最大相关反褶积(MCKD)总体平均经验模态分解(EEMD)近似熵和双子支持向量机(TWSVM)的齿轮箱故障诊断方法。首先采用MCKD方法对强噪声信号进行滤波处理,在采用EEMD方法对齿轮箱信号进行分解,分解后得到本征模函数(IMF)分量进行近似熵求解,得到齿轮特征向量,最后将其输入到TWSVM分类器中进行故障识别。仿真实验表明,采用MCKD-EEMD方法能够有效的提取原始信号,与其他分类器相比,TWSVM的计算时间短,分类效果好等优点。     

闪电回击场多尺度分析

利用聚合经验模式分解(EEMD)方法对闪电负地闪回击电场波形进行了分析并得到一系列具有物理意义的内禀模态函数 (IMF)。 结果表明,IMF1是高频噪声项,趋势项R主要是静电场作用的结果。 IMF2~IMF11表现出闪电通道的不同尺度放电特征。通过计算IMF分形维数,发现越高阶的IMF对应着越大的分形维数,表明越高阶的IMF对应着越曲折的闪电放电通道。相比于基于经验模式分解（EMD）的希尔伯特-黄变换（HHT）谱和小波谱,基于EEMD的HHT谱能改善模态混叠现象,EEMD更适合于观察像闪电这种非平稳非线性信号。     

基于MCKD-EEMD近似熵和TWSVM的齿轮箱故障诊断

在复杂环境下齿轮箱信号往往会淹没在噪声信号中,特征向量难以提取;为了有效地进行故障诊断,提出了基于最大相关反褶积(MCKD)总体平均经验模态分解(EEMD)近似熵和双子支持向量机(TWSVM)的齿轮箱故障诊断方法;首先采用MCKD方法对强噪声信号进行滤波处理,在采用EEMD方法对齿轮箱信号进行分解,分解后得到本征模函数(IMF)分量进行近似熵求解,得到齿轮特征向量,最后将其输入到TWSVM分类器中进行故障识别;仿真实验表明,采用MCKD-EEMD方法能够有效地提取原始信号,与其他分类器相比,TWSVM的计算时间短,分类效果好等优点。     

基于经验模态分解的高光谱遥感数据去噪方法

经验模态分解(EMD)是一种新的时频分析方法,经EMD分解后的各个固有模态函数(IMF)突出了原始信号的局部特征,从而可以区分噪声和有用信号。基于此,结合高光谱遥感数据的光谱变化特征,提出了一种基于经验模态分解的高光谱遥感数据去噪方法。通过对理论数据的实验表明,数据中的噪声无论是高斯分布还是均匀分布,数据经EMD分解后,噪声都主要集中在前几个特定的IMF,对相应的IMF进行滤波处理后并与其他IMF分量进行重构就可得到去噪信号,与小波去噪结果相比较,这种方法效果更好。最后把该去噪方法应用于野外实测的油膜高光谱数据去噪,实验结果表明,该方法能准确、有效地去除高光谱遥感数据的噪声。     

CEEMDAN联合小波阈值算法在水下激光雷达中抑制散射杂波的应用

水下激光雷达回波信号中往往含有大量散射噪声.为了能够有效抑制散射噪声,提高水下激光雷达测距精度,提出了基于自适应完备噪声经验模态分解(CEEMDAN)与小波阈值相结合的去噪新方法.首先通过相关系数法对自适应完备噪声经验模态分解得到的本征模态函数(IMF)进行筛选;然后对筛选后的本征模态函数进行小波阈值去噪,进一步去除本征模态函数中的噪声成分;最后将去噪后的本征模态函数进行信号重构得到去噪后信号.将该方法应用到不同衰减系数水体的强度调制连续光水下测距实验,使用白色聚氯乙烯(PVC)反射板为探测目标,在3.75个衰减长度时,直接采用相关极值确定延时,测距误差达到19.2 cm;应用该方法处理后,测距误差减小到6.2 cm,有效提高测距精度.     

基于CEEMD特征提取的无绝缘轨道电路补偿电容故障诊断

本文利用电路网络理论和传输线理论构建ZPW-2000A轨道电路传输模型,仿真并分析了补偿电容故障对轨面电压的影响,提出基于互补的总体经验模式分解(CEEMD)特征提取的补偿电容故障诊断方法。实验结果表明,相比于传统经验模式分解(EMD)和总体经验模式分解(EEMD),基于CEEMD特征提取的补偿电容故障诊断方法可以有效地克服EMD方法引起的模态混叠和能量泄露现象,减少EEMD方法在信号重构过程中的白噪声残留,为补偿电容的故障诊断提供了一种快速准确的方法,为保证信号传输质量提供了参考依据。     

基于总体经验模态分解和连续均方误差的侵彻过载信号分析方法北大核心CSCD

侵彻过载是攻坚武器及相关研究的重要参量。针对实测弹载侵彻过载曲线分析处理方法开展了研究,提出采用总体经验模态分解(EEMD)结合连续均方误差(CMSE)理论获取弹体刚体过载信号的方法。通过EEMD获得测试信号的本征模态函数分量,再运用CMSE理论判别高频干扰与侵彻信号的分界点,对不含分界点分量的高频分量进行抛弃处理,将其余低频信号进行重构获得弹体刚体过载信号。积分结果表明,重构信号在有效去除高频干扰的同时,完整保留了侵彻过载中弹体刚体的加速度信号。此外,整个分析过程所具有的信号自驱动特性避免了不同弹靶工况下滤波频率选择困难。     

乙醇含量拉曼光谱检测中噪声与背景同时消除方法研究

乙醇含量拉曼光谱检测中,拉曼光谱信号中的各种噪声及光谱荧光造成的基线漂移和样品池背景等,影响了校正模型的预测精度。利用总体平均经验模态分解,将光谱信号分解成若干无模态混叠的内在模式分量,根据排列熵的信号随机性检测判据判断出代表背景信息和噪声信息的内在模式分量,将其置零即可同时消除拉曼光谱中的噪声与背景。将总体平均经验模态分解与排列熵相结合的预处理方法应用于乙醇含量的拉曼光谱检测中,并与小波变换和平均平滑滤波做了对比。实验结果表明：应用总体平均经验模态分解与排列熵相结合的方法能够有效的同时消除乙醇含量拉曼光谱检测中的噪声和背景信息,提高校正模型的预测精度,且使用简便,无需参数设置,对乙醇含量拉曼光谱检测具有实用价值。     

集合经验模态分解在区域降水变化多尺度分析及气候变化响应研究中的应用

集合经验模态分解(EEMD)是一种适用于非线性、非平稳序列的信号分析方法, 将EEMD 应用于气候要素时间序列, 可提取可靠真实的气候变化信号, 同时, EEMD可以得到气候变化的固有时间尺度.本文使用EEMD方法, 从气候时间序列中提取气候信号中各个尺度的变化, 对渭河流域过去50年来的秋季降水进行多尺度分析,结果显示, 对于20世纪70年代末80年代初的全球气候突变, 渭河流域的秋季降水也有很好的响应, 而且大尺度上的响应要早于中小尺度, 其中在大尺度上主要表现为波动形式, 即降水距平正负位相持续期的变化, 从持续正位相到正负位相周期性交替出现; 而在中小尺度上主要是振幅大小, 即降水距平正负位相量级的变化, 量级从相对较大变为相对较小再逐渐增大. 关键词： 集合经验模态分解 多尺度变化 秋季降水 渭河流域