K-SVD和OMP算法在超声信号去噪中的应用

针对在线采集时超声波检测信号中存在大量噪声,降低了材料内部缺陷诊断准确性的问题,提出了一种基于广义K+奇异值分解算法(K-SVD)和正交匹配追踪算法(OMP)相结合的超声回波信号去噪算法。该算法利用K-SVD算法将Gabor字典训练成能够最有效反映信号结构特征的超完备字典,然后基于训练完成的超完备字典,用OMP算法把一定数量的字典原子进行线性组合来构成原始信号,从而实现信号的去噪。通过仿真实验将本文方法与传统的小波阈值去噪方法进行了对比研究。实验结果表明,该方法对超声回波信号的去噪效果优于小波阈值去噪方法,且噪声越大对比越明显,不仅可更有效地滤除信号中的高斯白噪声,提高信噪比,且尽可能保留了原始信号有用信息。     

一种强噪声背景下微弱超声信号提取方法研究

为解决在强噪声背景下获取超声信号的难题,基于粒子群优化算法和稀疏分解理论提出一种强噪声背景下微弱超声信号提取方法.该方法将降噪问题转换为在无穷大参数集上对函数进行优化的问题,首先以稀疏分解理论和超声信号的结构特点为依据构建了粒子群优化算法运行所需要的目标函数及去噪后信号的重构函数,从而将粒子群优化算法和超声信号降噪联系在一起;然后根据粒子群优化算法可以在连续参数空间寻优的特点建立了用于匹配超声信号的连续超完备字典,并采用改进的自适应粒子群优化算法在该字典中对目标函数进行优化;最后根据对目标函数在字典上的优化结果确定最优原子,并利用最优原子按照重构函数重构出降噪后的超声信号.通过对仿真超声信号和实测超声信号的处理,结果表明本文提出的方法可以有效提取信噪比低至-4 dB的强噪声背景下的微弱超声信号,且和基于自适应阈值的小波方法相比本文方法表现出更好的降噪性能.     

混沌信号自适应协同滤波去噪

混沌信号协同滤波去噪算法充分利用了混沌信号的自相似结构特征,具有良好的信噪比提升性能.针对该算法的滤波参数优化问题,考虑到最优滤波参数的选取受到信号特征、采样频率和噪声水平的影响,为提高该算法的自适应性使其更符合实际应用需求,基于排列熵提出一种滤波参数自动优化准则.依据不同噪声水平的混沌信号排列熵的不同,首先选取不同滤波参数对含噪混沌信号进行去噪,然后计算各滤波参数对应重构信号的排列熵,最后通过比较各重构信号的排列熵,选取排列熵最小的重构信号对应的滤波参数为最优滤波参数,实现滤波参数的优化.分析了不同信号特征、采样频率和噪声水平情况下滤波参数的选取规律.仿真结果表明,该参数优化准则能在不同条件下对滤波参数进行有效的自动最优化,提高了混沌信号协同滤波去噪算法的自适应性.     

基于噪声辅助非均匀采样复数据经验模态分解的混沌信号降噪

鉴于非均匀采样复数据经验模态分解(NSBEMD)相对传统分解方法的优势和噪声的NSBEMD特性,提出了一种基于噪声辅助NSBEMD的混沌信号自适应降噪方法.该方法首先以含噪混沌信号和高斯白噪声分别为实、虚部来构造复数据并进行NSBEMD,然后根据虚部各IMF的能量来估算实部各IMF中包含的噪声能量,最后根据噪声能量的估计值对实部IMF进行奇异值分解(SVD)降噪.噪声估计实验验证了噪声能量估计方法的可行性,而Lorenz信号和太阳黑子月平均数的降噪实验则表明,相对于现有EMD降噪方法,本文方法能够进一步消除噪声,更清晰地恢复出混沌吸引子的拓扑结构.     

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     

兰姆波检测信号的匹配追踪时频分析

为有效去除兰姆波检测信号中的冗余信息和识别多个模态,应用匹配追踪方法对兰姆波信号进行处理。在Chirplet原子基础上添加弯曲算子进行改进,以更好地匹配频散和多模式兰姆波信号的特征。由改进的Chirplet原子组成过完备字典,使用基于遗传算法的匹配追踪(GAMP)信号稀疏分解方法,从过完备字典中选出与待分析信号相匹配的最佳原子,利用最佳匹配原子和对应的分解系数进行信号重构和时频分析。研究结果表明,改进后的Chirplet原子更能反映出兰姆波信号的非线性时频变化特征,得到的时频分布与频散曲线的弯曲特性能很好的吻合。采用改进后的Chirplet原子匹配追踪方法可以获取更加精确的走时信息,为后续兰姆波损伤定位成像奠定基础。      

受污染混沌信号的协同滤波降噪

根据混沌吸引子的自相似分形特性,提出了一种利用协同滤波重构受污染混沌信号的降噪算法.所设计的降噪算法通过对相似片段的分组将一维混沌信号的降噪转化为一个二维联合滤波问题;然后,在二维变换域用阈值法衰减噪声;最后,通过反变换获得原始信号的估计.由于分组中的相似片段具有良好的相关性,与直接在一维变换域做阈值降噪相比,分组的二维变换能获得原信号更稀疏的表示,更好地抑制噪声.仿真结果表明,该算法对原始混沌信号的重构精度和信噪比的提升都优于小波阈值、局部曲线拟合等现有的混沌信号降噪方法,对相图的还原质量也更好.     

利用小波多尺度分解算法实现混沌系统的噪声减缩

应用小波多尺度分解算法进行噪声减缩,从混沌背景中分离周期信号、噪声及其他混沌信号.小波多尺度分解算法能够区分不同尺度的信号是利用小波变换在时、频两域具有突出信号特征的能力以及小波变换是一线性变换的特点.提出的方法仅利用信号的尺度特性,克服了先前的噪声减缩要知道产生混沌信号的数学模型,并且要求叠加在混沌背景中的其他信号的幅度相对混沌背景信号的幅度很小的假定.给出了从Lorenz混沌背景中提取正弦信号、白噪声和Chua's电路产生的混沌信号的计算机模拟结果. 关键词：     

改进阈值提升小波和自适应滤波器的开放光路红外光谱去噪

大气污染物的主要组成成分为挥发性有机物(VOCs),傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)是现阶段应用广泛的挥发性有机物在线测量方法。开放光路获取到的大气红外光谱(OP-FTIR)易受各种噪声污染,如何有效、快速的去除红外光谱中的噪声是大气在线实时监测系统研究的热点。综合利用提升小波变换结构简单、运算量低的优点以及最小均方误差自适应滤波器的自动调节参数以达最优化滤波的性能,提出了一种改进阈值提升小波结合自适应滤波的红外光谱去噪算法。该算法先通过改进阈值小波系数的提升小波去噪,在去噪的同时保留更多光谱特征信息,然后使用提升小波变换分解出的高频系数重构出噪声相关信号,将其作为最小均方误差自适应滤波器的参考输入进行二次滤波处理,最终获得的去噪信号很好的去除了与特征光谱频谱重叠的噪声信号。分别对人工添加噪声的标准红外光谱和合肥市市区上空实测开放光路红外光谱进行去噪处理,结果显示使用该算法处理后的光谱信噪比(SNR)较离散小波传统阈值去噪方法高出3db,均方根误差(RSME)平均减少30%左右,运行时间减少46%。表明该算法计算简单、运行速度快,对于大气环境监测实时消噪系统具有重要的实际应用意义。     

Denoising of chaotic signal using independent component analysis and empirical mode decomposition with circulate translating

In this paper, a new method to reduce noises within chaotic signals based on ICA(independent component analysis)and EMD(empirical mode decomposition) is proposed. The basic idea is decomposing chaotic signals and constructing multidimensional input vectors, firstly, on the base of EMD and its translation invariance. Secondly, it makes the independent component analysis on the input vectors, which means that a self adapting denoising is carried out for the intrinsic mode functions(IMFs) of chaotic signals. Finally, all IMFs compose the new denoised chaotic signal. Experiments on the Lorenz chaotic signal composed of different Gaussian noises and the monthly observed chaotic sequence on sunspots were put into practice. The results proved that the method proposed in this paper is effective in denoising of chaotic signals.Moreover, it can correct the center point in the phase space effectively, which makes it approach the real track of the chaotic attractor.     

混沌信号的压缩感知去噪

对非线性时间序列进行噪声抑制是从中提取有效信息的前提. 混沌信号的去噪算法不仅要使滤波后的信号具有较高的信噪比, 也要具有较好的不确定性. 从压缩感知的角度出发,提出了一种新的噪声抑制方法. 该方法包括估计噪声方差, 以及依据动态的稀疏度将观测值往确定的过完备字典上投影. 仿真实验表明, 该方法比常用的小波阈值法和局部曲线拟合法具有更高的输出信噪比, 而原始信号的混沌特性也能得到较大程度的恢复.     

Comparison of simultaneous signals obtained from a dual-field-of-view lidar and its application to noise reduction based on empirical mode decomposition

Although the empirical mode decomposition (EMD) method is an effective tool for noise reduction in lidar signals, evaluating the effectiveness of the denoising method is difficult. A dual-field-of-view lidar for observing atmospheric aerosols is described. The backscattering signals obtained from two channels have different signal-to-noise ratios (SNRs). The performance of noise reduction can be investigated by comparing the high SNR signal and the denoised low SNR signal without a simulation experiment. With this approach, the signal and noise are extracted to one intrinsic mode function (IMF) by the EMD- based denoising; thus, the threshold method is applied to the IMFs. Experimental results show that the improved threshold method can effectively perform noise reduction while preserving useful sudden-change information.     

混沌干扰中基于同步挤压小波变换的谐波信号提取方法

针对混沌干扰背景下多个谐波信号的提取问题, 提出了一种基于同步挤压小波变换(SST)的谐波信号抽取方法. 首先利用SST将混沌信号和谐波信号组成的混合信号分解为不同的内蕴模态类函数, 然后利用Hilbert变换对分离出的内蕴模态类函数进行频率识别, 从中分离出各谐波信号. 以Duffing混沌背景为例, 对混沌干扰下多谐波信号的提取进行了实验分析. 实验结果表明: 对于不同频率间隔的多个谐波分量, 本文方法的提取结果都具有较高的精度, 而且所提方法对高斯白噪声的干扰具有较好的鲁棒性, 综合提取效果优于经典的经验模态分解方法.     

基于中值预滤波的航空图像小波去噪算法研究

结合航空图像的噪声来源与图像特性,提出一种基于中值预滤波的图像小波去噪算法.图像首先经中值滤波器进行预滤波,滤除随机的脉冲式噪声,然后对处理后的图像进行小波变换,与给定阈值相比,对可明显判为信号或噪声的系数进行相应处理;对不确定为信号或噪声的系数进行多尺度上的相关性追溯,判别其归属后进行处理.实验结果表明:该方法客观上提高了图像的信噪比,主观上使去噪后的图像纹理分明,能更好地适合人眼的视觉特性,有利于航空图像的分析、判读.     

一种参数优化的混沌信号自适应去噪算法

针对非线性自适应混沌信号去噪算法的参数优化问题, 考虑到最优滤波窗长受到不同因素的影响, 为提高该算法的自适应性, 提出一种滤波窗长自动最优化的判决准则. 依据混沌信号和噪声自相关函数的不同, 首先采用不同窗长对含噪混沌信号进行去噪, 然后计算每个窗长对应的残差自相关度(RAD), 最后通过对最小RAD所对应的窗长进行一定比例收缩实现窗长的最优化. 仿真结果表明, 该判决准则能够在不同条件下对滤波窗长进行有效的自动最优化, 提高了混沌信号去噪算法的自适应性.     

Harmonic signal extraction from noisy chaotic interference based on synchrosqueezed wavelet transform

For the harmonic signal extraction from chaotic interference, a harmonic signal extraction method is proposed based on synchrosqueezed wavelet transform(SWT). First, the mixed signal of chaotic signal, harmonic signal, and noise is decomposed into a series of intrinsic mode-type functions by synchrosqueezed wavelet transform(SWT) then the instantaneous frequency of intrinsic mode-type functions is analyzed by using of Hilbert transform, and the harmonic extraction is realized. In experiments of harmonic signal extraction, the Duffing and Lorenz chaotic signals are selected as interference signal, and the mixed signal of chaotic signal and harmonic signal is added by Gauss white noises of different intensities.The experimental results show that when the white noise intensity is in a certain range, the extracting harmonic signals measured by the proposed SWT method have higher precision, the harmonic signal extraction effect is obviously superior to the classical empirical mode decomposition method.     

Chaotic signal detection and estimation based on attractor sets: applications to secure communications

We consider the problem of detection and estimation of chaotic signals in the presence of white Gaussian noise. Traditionally this has been a difficult problem since generalized likelihood ratio tests are difficult to implement due to the chaotic nature of the signals of interest. Based on Poincare's recurrence theorem we derive an algorithm for approximating a chaotic time series with unknown initial conditions. The algorithm approximates signals using elements carefully chosen from a dictionary constructed based on the chaotic signal's attractor. We derive a detection approach based on the signal estimation algorithm and show, with simulated data, that the new approach can outperform other methods for chaotic signal detection. Finally, we describe how the attractor based detection scheme can be used in a secure binary digital communications protocol.     

基于匹配追踪的拉曼光谱信号重构算法

拉曼光谱技术是一种高灵敏度、无损伤、振动分子光谱技术,在医药、生物、分析化学等诸多领域有着重要的作用。然而,由于拉曼散射强度低,实际测得的拉曼信号容易被噪声所污染。特别是在较短的曝光时间,收集到的拉曼光谱的信噪比很低。因此,提出了一种基于匹配追踪算法的信号重构方法,用于提取低信噪比的拉曼信号。该方法首先通过阈值循环迭代的方法在平均谱上找出特征峰的位置、估计峰的区间。根据峰的位置区间等信息,用高斯密度函数生成字典。在噪声谱上,根据特征峰位置和区间,将其区分为有信号区间和无信号区间,在有信号区间上利用匹配追踪算法重构被噪声所掩盖的拉曼信号。该算法不仅能够很好的逼近掩盖在噪声中的拉曼信号,且在重构信号的过程中也会对基线进行扣除,无须作基线校正处理。在仿真和实验中对该算法与常规算法进行了比较,结果证明,该算法在低信噪比条件下能够较好的恢复拉曼信号。该算法不同于传统光谱去噪算法,能同时对拉曼光谱进行了基线扣除以及噪声的处理,且能取得较为理想的结果,不需要使用不同的算法对基线和噪声分别处理。其次,在算法上我们创造性地将匹配追踪算法用于拉曼光谱信号的稀疏逼近求解。     

CO在1. 578 μ m的可调谐二极管激光光谱信号小波去噪研究

研究了一氧化碳(CO)近红外波段直接吸收和波长调制信号去噪处理算法。从HATRAN数据库中得到CO气体的吸收信号作为仿真数据,提取直接吸收信号、1-f和2-f解调信号作为原始信号,研究了不同小波基以及不同的分解层数对叠加高斯白噪声的光谱信号去噪的效果。最后利用基长为0.95 m有效光程为55.1 m的Herriott型多光程池对CO在1.578 μm处的第二泛频带P(4)吸收谱线信号进行测量和信号处理,与原始信号相比,经过信号处理过的直接吸收、1-f和2-f解调信号的信噪比都提高1～2个数量级;通过选择不同小波基和优化小波变换层数,增加了系统的抗干扰能力。     

变分模态分量降噪后重构的水声弱信号检测

针对能量检测法在低信噪比下对非合作水声探测信号的检测性能显著下降的问题,提出了一种组合变分模态分解和小波变换降噪重构的信号检测方法。以信号分解出的各个本征模态函数的近似熵与互相关系数比值作为分量分类参数,将所得分量分为信号分量、含噪信号分量与噪声分量,然后利用第二代小波变换对含噪信号分量降噪后与信号分量组成重构信号,最后对重构信号进行检测。数值仿真结果表明该方法可以在无先验信息的情况下对CW和LFM信号自适应降噪,信噪比0 dB以下时CW信号重构后信噪比提升约12 dB,宽带LFM信号信噪比提升约8～9 dB,有效提升了低虚警概率下信号的检测概率。湖试结果表明,虚警概率为0.1时检测概率可提升至0.9以上,验证了该方法的有效性。