[發(fā)明專利]一種可消除模態(tài)混疊的地下水信號分解方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310614195.4
• 申請日: 2013-11-28
• 公開（公告）號: CN104679718A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王玉鳳;范必雙
• 申請（專利權(quán)）人: 長沙理工大學(xué)
• 主分類號: G06F17/14
• 分類號: G06F17/14;G01V9/02
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及信號處理技術(shù)，具體涉及一種可消除EMD（經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）和EEMD（集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）所固有的模態(tài)混疊問題的地下水信號分解方法。

背景技術(shù)

地下水由于水量穩(wěn)定，水質(zhì)好，是農(nóng)業(yè)灌溉、工礦企業(yè)和飲用的重要水源之一。由于地下水分布不均，且缺乏可靠精準(zhǔn)的探測方法，經(jīng)常會出現(xiàn)打了幾十上百米的井卻無水的尷尬境地，造成了大量的人力、物力和財力的浪費。地下水探測是一項世界性的難題，其信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，具有非線性、非平穩(wěn)特性。傳統(tǒng)的傅里葉變換和小波理論嚴(yán)格服從平穩(wěn)性假設(shè)并且被測不準(zhǔn)原理所困擾，因此在處理這種非線性和非穩(wěn)態(tài)信號時均存在局限性。希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang?Transform，HHT）是一種新的處理非線性、非平穩(wěn)信號的自適應(yīng)算法，非常適合對非線性非平穩(wěn)信號進(jìn)行分析、處理和特征提取。該算法由經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Empirical?Mode?Decomposition，EMD）和希爾伯特譜分析（Hilbert?Spectral?Analysis，HAS）兩部分組成。EMD方法的一個主要不足是模態(tài)混疊(Mode?Mixing，MM)。模態(tài)混淆不僅會在時頻分布上引起嚴(yán)重的鋸齒線，而且會使得單一的模態(tài)函數(shù)（Intrinsic?Mode?Function，IMF）分量失去它的物理意義。由于HAS是在EMD的基礎(chǔ)上對每一個IMF利用Hilbert變換求取隨時間變化的瞬時頻率及瞬時幅度，因此，嚴(yán)重的模態(tài)混疊問題也會使得HAS的結(jié)果失去意義。因此消除模態(tài)混疊對于提高HHT算法的信息處理準(zhǔn)確度至關(guān)重要。目前集合模態(tài)分解（Ensemble?EMD，EEMD）是用來減少模態(tài)混疊的常用方法，雖然EEMD在一定程度上可以減少模態(tài)混疊，但不能從根本上消除，而且會導(dǎo)致模態(tài)分量失真更加嚴(yán)重。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了克服在EMD和EEMD過程中存在難以解決的模態(tài)混疊問題，公開了一種可消除模態(tài)混疊的地下水信號分解方法。該方法為：第一步提取地下水信號x(t)中的所有極值點；第二步求出所有相鄰極值點的中值點M_n（n=0,1,2,3,…），并利用這些中值點直接擬合出一條中值點包絡(luò)線y(t)（EMD和EEMD是利用極大值點和極小值點分別擬合出上下兩條包絡(luò)線）；第三步求得所有相鄰極值點的時間間隔T_n（n=0,1,2,3,…），并對所有T按照由小到大的順序排列，當(dāng)時間間隔變化率（ΔT）超過最小模態(tài)分界點時，取變換前的一個時間間隔值作為本次要求取模態(tài)的最大時間間隔T_max；第四步以T_max為界，對T_n>T_max的極大值和極小值之間所包含的擬合曲線部分用原信號曲線代替，得到新的擬合曲線y*(t)；第五步用原曲線x(t)減去新的擬合曲線y*(t)得到z(t)，并判斷y*(t)是否滿足模態(tài)分解的終止條件（迭代次數(shù)超過設(shè)定值或者y*(t)信號能量小于設(shè)定值），如果滿足則轉(zhuǎn)到第六步，否則提取信號z(t)的所有極值點并轉(zhuǎn)到第二步進(jìn)行迭代操作；第六步將z(t)?作為一個模態(tài)進(jìn)行保存，并用原始信號x(t)減去第一個模態(tài)信號z(t)得到剩余信號x*(t)，求得并判斷x*(t)信號的極大值和極小值點個數(shù)，如果極大值點或者極小值點個數(shù)大于3，則轉(zhuǎn)到第二步，否則將x*(t)作為最后一個模態(tài)保存，并結(jié)束所有操作。本發(fā)明很好地解決了傳統(tǒng)EMD和EEMD分解的模態(tài)混疊現(xiàn)象，能夠?qū)λ綔y的地下水信號實施有效和精準(zhǔn)的分析。

附圖說明