应用经验模态分解和独立成分分析解译岩矿光谱

岩矿光谱由多种矿物光谱混合而成,解译岩矿光谱能够得到岩矿的组分信息,且该方法具有快速、方便、不损坏样品的特点。经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)不能直接分离出混合信号中的源信号,独立成分分析(independent component analysis, ICA)要求混合信号数目不小于其所包括的源信号数目。将EMD和ICA两种方法相融合,首先用EMD分解混合信号得到本征模态函数(intrinsic mode function, IMF),再选择一定数目的IMF与混合信号一起组成ICA的输入数据矩阵,经过ICA运算可以获取单一混合信号中的源信号信息,克服了EMD和ICA两种方法各自的缺陷。研究表明,综合应用EMD和ICA方法可以获取单一混合信号中的源信号信息,混合信号中源信号含量越大,得到的源信号近似值越理想。参与ICA分离的IMF数目决定了分离得到的源信号近似值的数目,并且选择的IMF与混合信号相关系数越大,得到的源信号近似值越理想。运用该方法定量分析岩矿光谱,可以获取组成岩矿的矿物信息,比较适用于野外作业岩矿的快速分析鉴定及成分初步分析。     

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。     

基于EMD的拉曼光谱去噪方法研究

经验模态分解(EMD)方法是一个以信号极值特征尺度为度量的时空滤波过程,它充分保留了信号本身的非线性和非平稳特征,在信号的滤波和去噪中具有较大的优势。文章在介绍EMD分解方法的基础上,结合EMD的多尺度滤波特性,提出了一种新的拉曼光谱去噪方法——EMD阈值去噪法。该方法首先对含噪的拉曼光谱信号做EMD分解,得到各阶本征模态函数(IMF),然后对高频的IMF分量用阈值法进行处理,把经过阈值处理后的高频IMF分量与低频IMF分量叠加得到重构的信号,即去噪信号。通过处理对二甲苯的拉曼光谱信号,分析了在不同噪声水平上不同去噪方法的处理效果。实验结果表明EMD阈值去噪法有效地去除了噪声,较好地保留了光谱的细节信息,与小波阈值去噪方法相比较具有自适应的优势,在拉曼光谱去噪中有很好的应用前景。     

基于EMD的单通道信源数估计方法

为了获取单通道接收信号的信源数目,针对普通信源数估计方法不能直接用于单通道接收信号的问题,提出了基于经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)的信源数估计方法。将单通道信号通过EMD处理,得到多个固有模态函数(intrinsic-mode function, IMF),据此构造数据协方差矩阵。对所构造的协方差矩阵进行特征值分解,采用基于信息论的AIC和MDL准则估计信源数。为进一步提高算法估计性能,引入对角加载技术对矩阵特征值进行平滑处理。仿真实验结果表面,本文提出的方法能够适用于单通道信源数估计,对角加载技术能够显著提高算法检测性能。     

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。     

基于集合经验模态分解的拉曼光谱信号特征研究

拉曼光谱信号是一种基于分子振动的散射信号,拉曼光谱仪的激光源波长一般为纳米级,考虑到散射频移,拉曼光谱有效信息主要集中在较高频段。拉曼信号是典型的非平稳信号,并且由于拉曼散射比较弱,信号很容易被高频噪声和荧光背景干扰,想获取较为全面的拉曼信息,需要对信号进行处理,小波变换对拉曼信号的分析结果取决于小波基的选择,不同小波基处理结果有差异;经验模态分解(EMD)方法可以自适应的分析信号,不需要设置参数,但存在模态混叠的问题;集合平均经验模态分解(EEMD),有效的解决了EMD方法中存在的模态混叠问题,能更加清晰的将信号中的不同频率成分划分开来,因此更加适合频率成分丰富的拉曼信号的特征分析和处理。采集了市面上常见的大豆油、花生油、玉米油和葵花籽油样本,通过拉曼光谱仪获得了各自的拉曼光谱信号。使用集合经验模态分解对食用油拉曼光谱信号进行自适应分解和处理,一共获得了10阶固有模态函数(IMF),根据信号的能量分布以及幅值特性, IMF1和IMF2表征为信号中的噪声部分, IMF3-IMF7表征为拉曼特征信号部分,最后一阶IMF10表征为荧光背景成分, IMF8和IMF9为其他物理意义的频率成分。通过对有效信号段的特征增强并重构拉曼信号,使拉曼信号的信噪比获得了2～5倍的提升,其中,难以探测的酯键羰基伸缩振动位于1 745 cm~(-1)的谱峰得到了显著的增强。最后,将原始信号和经过特征增强的信号通过基于连续小波变换的惩罚最小二乘法进行了二次处理,并将获得的信号进行主成分分析后,可知:没有增强的不同类数据样本相互有重叠,不存在明显的类间距,很难完整的区分类型;基于特征增强的数据样本各自聚集,每种类型都可以相互鉴别,可为拉曼光谱信号处理提供一种新的途径。     

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EMD-LWT的低浓度石油类污染物荧光光谱去噪法

石油类污染物是造成雾霾等空气污染问题的重要原因.去噪处理的有效性是石油类污染物荧光光谱检测中的热点问题.提出一种基于经验模态分解-提升小波变换(EMD-LWT)相结合的低浓度石油类污染物荧光光谱去噪方法.经验模态分解法(EMD)可自适应地滤除微弱荧光信号中的噪声,但去噪过程中第一个本征模态函数(IMF)包含的频率范围过宽,影响了去噪准确性和有效性.引入提升小波变换(LWT)对IMF1实现更精细的分解,有效分离出IMF1的有用信息,改善信噪分离效果.将EMD-LWT联用方法和传统的EMD或LWT去噪法分别运用于煤油荧光光谱检测中,仿真结果表明,与只用EMD或LWT相比,EMD-LWT相结合的光谱去噪法得到的信噪比和均方根误差均显著提高,验证了该方法的有效性和可行性.     

基于EMD-LWT的低浓度石油类污染物荧光光谱去噪法EI北大核心CSCD

石油类污染物是造成雾霾等空气污染问题的重要原因.去噪处理的有效性是石油类污染物荧光光谱检测中的热点问题.提出一种基于经验模态分解-提升小波变换(EMD-LWT)相结合的低浓度石油类污染物荧光光谱去噪方法.经验模态分解法(EMD)可自适应地滤除微弱荧光信号中的噪声,但去噪过程中第一个本征模态函数(IMF)包含的频率范围过宽,影响了去噪准确性和有效性.引入提升小波变换(LWT)对IMF1实现更精细的分解,有效分离出IMF1的有用信息,改善信噪分离效果.将EMD-LWT联用方法和传统的EMD或LWT去噪法分别运用于煤油荧光光谱检测中,仿真结果表明,与只用EMD或LWT相比,EMD-LWT相结合的光谱去噪法得到的信噪比和均方根误差均显著提高,验证了该方法的有效性和可行性.     

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     

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     

基于EEMD方法的火花光谱信号处理研究

基于电荷耦合器件(CCD)的火花光谱仪是一种用于元素成分分析的光谱仪,其输出信号是高频的CCD有效信号和低频的背景噪声叠加在一起的复合信号,火花光谱的有效信息主要集中在信号的较高频段,很容易被背景噪声淹没和干扰,因此获取完整有效的光谱信息,需要对信号进行有效处理。经验模态分解(EMD)方法可以自适应分析信号,不需要设置参数,但存在模态混叠的问题,信号中不同频率的成分可能会混淆;集合平均经验模态分解(EEMD)成功地解决了EMD方法中模态混叠的问题,能更加清晰地将信号中的不同频率成分分解出来,因此更加适合光谱信号的研究。使用火花光谱仪对不锈钢标准样品(选取短波段、中波段和长波段代表性元素碳C、锰Mn、镍Ni、铬Cr和铝Al)进行采集,获得了标准样品的火花光谱原始信号。通过EEMD方法进行自适应的分析和处理,每个CCD信号均获得了11阶固有模态函数(IMF),根据信号的幅频特性, IMF1—IMF2表征为特征信号部分,最后一阶IMF11为背景噪声成分。通过重构上述处理信号,结合基于连续小波变换的惩罚最小二乘法进行了二次处理,获得了最终处理后的信号。将处理后的信号导入仪器处理软件中,获得了碳、锰、镍、铬和铝元素的含量梯度曲线,结果显示采用EEMD方法处理的信号和原处理方法效果相当,但省去了额外采集空白噪声段的环节,大大节省了分析的时间,从而提高了仪器的运行效率。     

HHT时频分析土壤光谱的重金属铜离子污染信息提取模型

土壤中不同浓度Cu2+含量映射到土壤光谱上的信息量十分微弱,并且这些高光谱数据中也存在着难以避免的噪声,因而本研究的关键是如何在土壤光谱复杂的噪声环境中提取微弱Cu2+信息。经验模态分解算法(EMD)能够有效去除高光谱数据中的噪声,且EMD是Hilbert变换对“非线性非稳定”信号时频分析的前提,当引入Huang变换后,可利用Hilbert-Huang变换(HHT)模型时频分析高光谱数据以实现降噪处理与信息提取。通过时频的HHT分析不同浓度Cu2+污染下的土壤光谱,完成从原始光谱经EMD分解出各本征模态函数(IMF)分量的包络线、调制信号和频谱等曲线中挖掘土壤光谱的Cu2+污染信息。研究结果表明,相同浓度Cu2+污染时的土壤光谱HHT时频分析结果相同,不同浓度时则不同,所以也可依据IMF分量反演土壤Cu2+含量。因此,高光谱数据的HHT时频分析能为土壤光谱的信息挖掘、光谱诊断和Cu2+含量反演等提供一种新的方法和思路。     

基于经验模态分解和小波阈值的冲击信号去噪

冲击信号是非线性的并且容易受到噪声污染。为研究冲击信号去噪的问题,本文针对经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)去噪和小波阈值去噪方法存在的不足,提出了基于EMD的小波阈值去噪方法。单纯的EMD去噪方法会在去除高频噪声的同时压制高频的有效信息。本文将EMD与小波阈值去噪相结合,利用连续均方误差准则确定含噪较多的高频固有模态函数(Intrinsic Mode Function, IMF),对高频IMF分量进行小波阈值去噪,以分离并保留这些分量中的有效信息,同时保持低频IMF分量不变。对模拟数据和实际冲击信号进行去噪处理,结果表明,基于EMD的小波阈值去噪方法的去噪效果优于单纯的EMD去噪方法和小波阈值去噪方法。     

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与神经网络在气液两相流流型识别中的应用

本文提出了EMD与Elman神经网络相结合的气液两相流流型识别的新方法.将压差波动信号经验模态分解(EMD)后的固有模态函数(IMF)进行分析、提取IMF能量作为Elman神经网络的输入特征向量,对水平管内的气液两相流流型进行识别.实验结果表明:该方法优于BP网络且稳定、识别率高,具有可行性.     

改进的经验模态分解法分离超声多普勒血流与管壁信号

超声多普勒血流信号常包含管壁信号的干扰,准确分离二者对提高血流检测的精度具有重要作用。本文提出两种改进的经验模态分解(EMD)方法,先将含管壁信号的超声多普勒信号分解成多层本征模态函数(IMF),然后根据血流信号与管壁信号的不同特性,对既含管壁信号又含血流信号的IMF分量进行分离处理,最后将各层IMF分量中的管壁成分叠加得到管壁信号的估计,而血流信号可通过原信号减去估计的管壁信号而得到。将本方法用于计算机仿真信号和人体实测的超声多普勒信号,并与高通滤波器法、空间选择性降噪法和原EMD法进行比较,结果表明:本文提出的两种方法能在较大的管壁搏动速度范围内准确地分离血流信号和管壁信号,其平均相对误差比高通滤波器的结果降低了约52%和57%。可见,本文提出的两种方法有望用于血流信号与管壁信号的准确分离。      

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.     

土壤铅污染光谱的HHT鉴别及BC-PLSR铅含量预测模型

土壤重金属污染问题一直备受关注,利用高光谱遥感对其进行研究取得了大量的成果,主要集中在利用土壤光谱的导数变换、连续统去除等常规方法预测土壤重金属含量上。土壤光谱数据与非线性非平稳的机电信号、医学信号等具有一定的相似性。通过希尔伯特黄变换(Hilbert-Huang transform, HHT),对土壤铅(Pb)污染光谱进行频率域分析,实现土壤Pb污染光谱的HHT鉴别,并建立土壤Pb含量预测模型。首先,进行土壤Pb污染实验,采集土壤Pb污染样品的光谱、含水率及有机质含量;其次,通过土壤Pb污染样品光谱的HHT时频分析和第二个本征模函数(intrinsic mode function, IMF)分量(IMF2)瞬时频率的二阶导数识别土壤Pb污染的特征波段;最后,选择合适的频率域参数、土壤光谱一阶导数、土壤有机质含量及土壤含水率作为参数,利用箱形图、聚类分析、偏最小二乘法建立土壤Pb含量预测模型。研究结果表明：土壤Pb污染的HHT时频分析图可以鉴别土壤Pb污染光谱,未受污染的土壤光谱HHT时频分析图在波段序列为250~430之间没有异常信号,Pb污染土壤的光谱HHT时频分析图在波段序列为250~430之间存在多个异常信号,并且随着浓度的升高,异常信号分布范围越来越广,当污染浓度达到800 μg·g-1时,土壤样品的光谱信号在波段序列为270处、频率为0.3 Hz之前出现了较强的异常信号;土壤Pb污染光谱经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)处理后,得到的未受污染的土壤光谱IMF2的瞬时频率的二阶导数的突变非常微弱,而Pb污染的土壤光谱IMF2的瞬时频率的二阶导数存在明显的突变点,根据突变点及土壤Pb污染光谱的IMF2的瞬时频率的二阶导数识别的土壤Pb污染光谱的特征波段区间为2 150~2 300 nm;利用不同浓度Pb污染下土壤光谱Hilbert能量谱峰值、EMD能量熵、一阶导数、有机质和含水率,通过箱形图去除了六组异常样品,然后利用聚类分析的方法将去除异常样品后的土壤Pb污染样品分为两类,最后将Hilbert能量谱峰值、EMD能量熵、2 134 nm波段一阶导数、790 nm波段一阶导数、1 276 nm波段一阶导数、2 482 nm波段一阶导数、有机质和含水率作为参数建立两类数据的BC-PLSR(boxplot cluster-partial least squares regression)模型预测土壤中Pb含量,经验证模型精度较高,相关系数分别为0.88和0.99。     

基于Lempel-Ziv复杂度和经验模态分解的癫痫脑电信号的检测方法

癫痫脑电信号是非平稳、非线性的,根据此特性我们提出一个基于Lempel-Ziv复杂度和经验模态分解(EMD)的癫痫脑电信号的检测方法,首先将癫痫脑电信号用EMD分解,再分别计算每阶固有模态函数(IMF)的复杂度,最后将得到的复杂度作为特征进行检测.实验用波恩数据库来评估提出的方法.结果表明,该方法检测准确率可达到95.25%,具有准确率高、适应性强等优点.