时频域分形维数分析的光谱信号重叠峰解析算法

由于光谱谱线存在自然展宽、多普勒展宽、碰撞展宽等,使混合气体中多种成分的吸收光谱信号出现相邻谱峰重叠现象,给混合气体组成成分的定性或定量检测带来较大的困难。现有的方法在获取先验知识、处理精度、运算效率等方面存在不足。提出基于时频域分形维数分析的光谱信号重叠峰解析算法,结合小波的多尺度观测能力和分形的自相似度的度量能力,识别、定位和解析光谱信号中的重叠峰。首先利用小波对具有重叠谱峰的光谱信号进行光谱频率域和尺度域的分析,然后对该时频域的光谱信号在同一光谱频率下的多尺度数据进行自相似性度量和分形计算。逐频率计算后得到光谱信号在频率域的分形维数曲线。该曲线体现了光谱信号在不同尺度的自相似性,其极值位置与光谱信号的各独立峰的位置具有相关性。依据此特性,结合分形曲线的特征参数,最后利用神经网络解析出对应混合气体成分的混叠在一起的各个独立谱峰。该方法利用小波的多分辨率特性,对信号进行不同尺度的精细度量。分形模型则提高了系统解析复杂信号的能力,对重叠程度高的多谱峰重叠信号也有很强的处理能力。借助人工神经网络,实现了整个算法的自动测量。通过实验结果分析,验证了算法的有效性,并讨论影响算法效果的主要因素。     

Analysis of the Spectral Composition of Fluorescence from Laser-Excited Cold Atomic Clouds

A consistent quantum approach is used to calculate the signal of fluorescence from a laser-excited cold atomic ensemble. The possibility of analyzing the spectral composition of this nonstationary signal is investigated. Application of wavelet transforms is shown to be a very efficient method that allows achieving a good spectral or temporal resolution, depending on specific problem. On the basis of this approach, the spectral composition of fluorescence and its dynamics after excitation are studied. The spectral properties of the secondary emission of the ensemble are compared for different directions and polarizations.     

The continuous wavelet derived by smoothing function and its application in cosmology

The wavelet analysis technique is a powerful tool and is widely used in broad disciplines of engineering, technology, and sciences. In this work, we present a novel scheme of constructing continuous wavelet functions, in which the wavelet functions are obtained by taking the first derivative of smoothing functions with respect to the scale parameter. Due to this wavelet constructing scheme, the inverse transforms are only one-dimensional integrations with respect to the scale parameter, and hence the continuous wavelet transforms(CWTs) constructed in this way are more ready to use than the usual scheme. We then apply the Gaussian-derived wavelet constructed by our scheme to computations of the density power spectrum for dark matter, the velocity power spectrum and the kinetic energy spectrum for baryonic fluid. These computations exhibit the convenience and strength of the CWTs. The transforms are very easy to perform, and we believe that the simplicity of our wavelet scheme will make CWTs very useful in practice.     

Wavelet-transform analysis for carrier-envelope phase extraction of amplified ultrashort optical pulses

We introduced a wavelet-transform technique into the carrier-envelope phase extraction from the spectral interferogram of amplified ultrashort optical pulses. With this technique, carrier-envelope phases were directly extracted from the ridges of the wavelet transforms. This technique did not need filters; therefore, the uncertainty introduced from filter was avoided naturally. The Wavelet transforms technique produced a two-dimensional topography on which the time-frequency information of the spectral interferogram was shown apparently.     

基于小波系数图和卷积神经网络的太赫兹光谱物质识别

许多太赫兹光谱物质识别方法依靠寻找该物质在太赫兹波段范围内不同光谱表现出的不同特征来识别特定物质。吸收峰提取法是常用的光谱特征提取算法,但当光谱无明显特征吸收峰或峰位、峰值相近或难以识别时,难以利用吸收峰特征辨别物质。将机器学习和统计学习技术用于太赫兹光谱的识别中虽减少了吸收峰的干扰,但常常需要人为定义特征而导致分类误差。深度学习法能自动提取特征,但在识别前往往需要进行复杂的预处理操作,并且在特征提取的过程中容易丢失部分特征从而导致分类误差。针对以上问题,提出了一种基于小波系数图和卷积神经网络的太赫兹光谱识别方法。利用太赫兹光谱信号进行小波变换时,由于小波系数矩阵的每一行系数与原始光谱信号存在着对应关系,因此将太赫兹光谱的吸收系数通过小波变换在频率域上展开,能得到不同的二维的频率-尺度分布图,又称小波系数图。然后构造一个卷积神经网络(CNN)对小波系数图进行分类,可得到太赫兹光谱物质的分类结果。为了验证所提出算法的有效性,将三组小波系数图数据与原始光谱数据分别输入CNN、Support Vector Machin (SVM)、Multilayer Perceptron (MLP)三种不同的分类器作对比,从实验结果可以发现本文算法在三组数据中的识别率均达到了100%,说明相比于传统方法,本文方法能准确分类没有明显特征吸收峰的光谱,证明了使用卷积神经网络识别小波系数图的有效性。为了体现本文算法的优势,与小波脊线寻峰识别算法作对比,实验结果表明本文算法几乎不受峰频、峰位、峰值的影响,无论是识别不存在吸收峰的淀粉,还是识别相似度高的蔗糖和葡萄糖,都具有较高的识别率,分类准确率达97.62%,证明了所提算法的优越性。该算法为太赫兹光谱数据识别提供了一种新思路,同时也可以推广运用到其他谱图物质的识别中。     

小波变换在太赫兹三维成像探测内部缺陷中的应用

采用Syn View Head 300对内部有胶和空气孔的样件进行了太赫兹二维扫描(xy轴方向),系统通过线性调频连续波技术得到样件内部的三维信息.检测薄层时,由于太赫兹源的波长在亚毫米量级,薄层的上下表面反射峰相距太近而难以辨别.为了提高太赫兹探测的纵向分辨率,采用小波变换对探测信号进行处理,对小波系数进行三维重构,获得的三维小波系数图像比原始三维探测信号更加精确.该方法有效提高了太赫兹成像的纵向检测精度,纵向分辨率可达1 mm.     

基于小波变换与偏最小二乘耦合模型估测北方潮土有机质含量

基于北京市通州、顺义两区52个潮土样品高光谱数据,利用离散小波多尺度分析技术对其进行处理分析。首先将光谱按六种尺度进行分解,然后将各尺度分解数据与土壤有机质含量进行相关性分析,并筛选敏感波段,最后利用偏最小二乘法构建土壤有机质含量估测模型。结果表明：土壤光谱反射率经小波变换后,在参与建模的特征波段中,近红外波段居多,即近红外波段估测有机质含量的贡献高于可见光波段;低频信息对有机质含量的估测能力优于高频信息;高频信息对土壤有机质含量的估测精度随光谱分辨率降低而降低;与常用光谱变换算法相比,小波变换分析法在一定程度上提高了土壤光谱对有机质含量的估测能力,其低频信息与高频信息构建的最优模型预测精度均较高,低频信息的R2=0.722,RMSE=0.221,高频信息的R2=0.670,RMSE=0.255。     

Feature separation using ICA for a one-dimensional time series and its application in fault detection

Principal component analysis (PCA) is a method that transforms multiple data series into uncorrelated data series. Independent component analysis (ICA) is a method that separates multiple data series into independent data series. Both methods have been used in fault detection. However, both require signals from at least two separate sensors. To overcome this requirement and utilize the fault detection capability of ICA and PCA, we propose to use wavelet transform to pre-process the data collected from a single sensor and then use the coefficients of the wavelet transforms at different scales as input to ICA and PCA. The effectiveness of this method is demonstrated by applying it to both a simulated signal series and a vibration signal series collected from a gearbox. The results show that the method of combining wavelet transform and ICA works better than the method of combining wavelet transform and PCA for impulse detection based on a one-dimensional vibration data series.     

亚胺硫磷表面增强拉曼光谱定量解析模型研究

拉曼光谱分析方法结合表面增强技术用于亚胺硫磷农药的检测。连续小波变换(continuous wavelet transforms, CWT)和连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)分别用于拉曼光谱的预处理和特征拉曼位移的选择,多元线性回归(multi-linear regression, MLR)用于特征拉曼吸收的回归分析。结果表明,芯片增强可以实现低浓度农药溶液拉曼响应的增强;CWT可以提高拉曼光谱的分辨率和平滑度,消除光谱的平移误差;基于SPA方法的特征位移选择方法,既可以提高模型的分析精度,又可以简化MLR模型的回归变量;与特征增强波段的MLR模型比较,CWT-SPA-MLR模型可将验证集的预测相关系数(correlation coefficient,r)和预测均方根误差(root mean square error of prediction,RMSEP)由0.823和1.640改善为0.903和1.122。CWT-SPA-MLR可用于拉曼光谱定量解析模型的建立,该方法简单易用具有良好的重复性。     

Research on Quantitative Analytical Model for Determination of Phosmet by Using Surface Enhanced Raman SpectroscopySCIEI北大核心CSCD

Raman spectroscopy combined with surface enhanced technology was adopted for analysis of phosmet pesticide. Continuous wavelet transforms (CWT) and successive projections algorithm (SPA) were used for Raman spectral preprocess and characteristic Raman shifts selection, respectively. Multi-linear regression (MLR) was used for spectral modeling. It is shown that enhanced chips can achieve enhanced Raman spectral signal for low concentration of pesticides. CWT can improve spectral resolution and smoothness, and remove translation error. Characteristic Raman shifts selection method of SPA can improve analytical precision, and simplify modeling variables of MLR CWT-SPA-MLR model can improve correlation coefficient (r) of prediction from 0. 823 to 0. 903, and reduce root mean square error of prediction (RMSEP) from 1. 640 to 1. 122. CWT-SPA-MLR method can be used for constructing analytical models for Raman spectra and has good interpretability and repeatability.     

小波消噪与二维相关红外光谱的质量优化

采用小波变换消噪技术首次应用到中药二维相关红外光谱的数据处理中。结果表明 ,经过消噪处理后 ,可以有效地去除噪声对二维相关红外光谱同步图的影响 ,优化谱图的质量。该技术的应用既增强了同步图中的信号峰 ,又分离了消噪前的重叠峰 ;不但提高了谱图的分辨率 ,而且还获得了更多的光谱信息。     

微分光谱连续小波系数估测雅氏落叶松尺蠖危害下的落叶松失叶率

害虫引起的林木失叶会严重威胁森林健康。森林虫害遥感监测与评价中快速、准确获取失叶信息十分重要。基于此,针对雅氏落叶松尺蠖引起的落叶松失叶灾象,在蒙古国开展受害林木光谱测量和失叶率估测试验。首先通过光谱实测数据的处理,得到微分光谱反射率（DSR,对光谱反射率求一阶导数）和微分光谱连续小波系数（DSR-CWC,利用Biorthogonal,Coiflets,Daubechies和Symlets等4种小波系的36个母小波基函数对DSR进行连续小波变换）,分析DSR和DSR-CWC对失叶率的敏感性,进而借助MATLAB的Findpeaks（Fp）函数自动寻找DSR和DSR-CWC的敏感波段并确定其对应的敏感特征,然后利用连续投影算法（SPA）对敏感特征进行降维处理,最后利用敏感特征建立偏最小二乘回归（PLSR）和支持向量机回归（SVMR）失叶率估测模型,并与逐步多元线性回归（SMLR）模型进行比较。研究结果表明：①DSR-CWC与DSR相比,对失叶率变化的敏感性更显著且敏感波段亦较多,其敏感波段主要分布于三个吸收谷（440～515,630～760和1 420～1 470 nm）和三个反射峰（516～620,761～1 000和1 548～1 610 nm）范围内。说明DSR-CWC能够增强光谱反射和吸收特征。②Fp与SPA结合模式（Fp-SPA）不仅能够快速、客观选择敏感特征,而且对特征有效降维,是一种光谱敏感特征选择的有效方法。③4种小波系的最优母小波基分别为bior2.4,coif2,db1和sym6,其中db1的失叶率估测性能最稳定,精度最高。④对DSR进行连续小波变换能够提高失叶率估测精度,在DSR-CWC中db1-PLSR模型（R2_M=0.934 0,RMSE_M=0.089 0）提高的最为显著,比DSR-PLSR的R2_M提高了0.047 5并且比DSR-PLSR的RMSE_M降低了0.024 9。⑤利用DSR-CWC建立的PLSR和SVMR模型估测精度类似,其精度优于SMLR模型。可见,DSR-CWC比DSR失叶率估测更有潜力,可为森林虫害遥感监测中提供重要参考。     

基于Haar小波特征的恒星光谱物理参量自动估计

恒星大气物理参数的自动测量是大型巡天计划中海量光谱数据自动处理中的一个重要内容。首先使用多尺度Harr小波对恒星光谱数据进行特征分解,然后选用相应的小波系数作为光谱的特征向量,最后采用非参数回归算法对光谱的物理参数进行估计。研究表明,只需对光谱进行四层小波分解, 并选择第四层小波系数作为光谱的特征向量,即可获得重力加速度和表面有效温度的较好估计。对于化学丰度的估计,选择第一层小波系数作为光谱特征向量可取得较好效果。选用文献相关研究中常用的恒星大气模拟模型合成光谱库ELODIE中光谱数据测试了该方法的有效性。结果表明,基于Harr小波分解的光谱特征提取方法对恒星表面温度、表面重力和化学丰度等物理参数的估计具有较高的精度和鲁棒性。     

Mother wavelets for complex wavelet transform derived by Einstein-Podolsky-Rosen entangled state representation

The Einstein-Podolsky-Rosen entangled state representation is applied to studying the admissibility condition of mother wavelets for complex wavelet transforms, which leads to a family of new mother wavelets. Mother wavelets thus are classified as the Hermite-Gaussian type for real wavelet transforms and the Laguerre-Gaussian type for the complex case.     

基于不同类型小波变换的SAR与可见光图像融合研究

利用具有不同变换形式及不同小波基的小波变换对合成孔径雷达与可见光图像进行融合实验,研究了不同类型小波变换的特征,对融合实验结果进行了分析和比较,综合实验结果和计算复杂度两个方面考虑进行性能评价,为不同的应用场合下正确选择适合合成孔径雷达与可见光图像融合的小波变换类型提供了理论依据.     

基于小波变换的压缩感知理论对水质检测紫外-可见光谱数据的去噪研究

消除噪声影响对提高直接光谱法水质检测系统的测量稳定性和精度都具有重要意义。直接光谱法在线水质检测系统通常采用长寿命、无需预热的脉冲氙灯和适用于复杂检测环境的工业级光谱探测装置。针对整个光谱探测系统受到光源、光路和光电转换器件的严重影响,测定的光谱数据含有大量噪声这一实际问题,提出了基于小波变换的压缩感知去噪算法,并与传统小波阈值去噪方法进行了比较实验。针对化学需氧量为200 mg·L-1的邻苯二甲酸氢钾标液的紫外-可见光谱数据进行去噪处理,采用压缩感知去噪算法,将信号在小波域内分解,得到含噪高频系数;采用随机高斯矩阵作为压缩感知算法的观测矩阵,压缩比设置为2,对高频系数进行观测;选择正交匹配追踪算法恢复高频小波系数的稀疏性,从而达到去噪目的。同时针对传统的小波阈值去噪,采用daubechies4作为小波基的软阈值滤波方法对光谱数据进行去噪处理。为验证去噪算法的可行性,采集某溪水和城市生活污水的光谱信号分别采用以上两种方法进行去噪处理,实验结果表明：基于小波变换的压缩感知去噪算法适用于紫外-可见光谱法在线水质检测系统,该方法能在保留水样原始光谱信号的吸收特征的前提下有效地去噪,且去噪效果优于小波阈值去噪算法。与小波阈值去噪算法相比,信噪比提高了12.201 5 dB,均方根误差减小了0.009 3,峰值信噪比增加了5.299 dB。不仅避免了小波阈值去噪过程中阈值的选取依靠主观判断问题,而且在重构过程中有效地抑制了噪声,为直接光谱法检测水质参数提供了一种新的解决方案。     

自适应小波阈值去噪在光谱信号处理中的应用

在光谱数据的多组分定量分析中 ,噪声的存在往往影响分析的准确度。小波变换的多分辨率分析的特性使它成为一种优良的去噪方法。本文基于 Dohono提出的小波阈值去噪和 Mallat,Xu等提出的空域相关去噪法 ,提出了一种新的自适应小波阈值函数滤噪法。与原来方法比较 ,新法能够在有效去除噪声的同时 ,很好地保留了信号的细节。仿真计算和分析表明了此算法的有效性。     

Results of the wavelet analysis of the acoustic emission signals generated by partial discharges in insulation oil of various temperature and flow speed

The paper presents measurement results of the acoustic emission (AE) signals generated by partial discharges (PDs) at insulation oil temperature and flow speed changes. For the AE signals registered, a wavelet analysis based on the use of the continuous (CWT) and discrete (DWT) wavelet transforms was carried out. CWT results are shown as scaling graphs, and DWT results in the form of time runs determined at seven decomposition levels and bar diagrams visualizing the amount of energy transferred by the particular details.     

一种基于小波变换的红外小目标去噪算法

研究了复杂背景下红外小目标图像的去噪问题,鉴于小波阈值法去噪的缺点,结合小波变换的去相关性和能量紧支性,提出一种新的去噪方法。考虑到实际中的复杂背景和大量干扰,弱小目标通常占有很少像素,首先对红外小目标图像进行二级小波变换,然后根据新的算法对变换所得小波细节系数进行邻域运算,最后通过小波逆变换得到处理后的图像。 实验中采用Db3小波基函数,分别对两帧低信噪比原始图像进行仿真。仿真结果表明,该算法能很好地保存小目标的形状特征,抑制背景,达到较好的去噪效果。