小波算法的實(shí)際應(yīng)用研究

[內(nèi)容摘要]小波算法在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用十分廣泛。本文嘗試通過小波算法在激光雷達(dá)回波信號(hào)去噪、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)壓縮中、暫態(tài)電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用等三個(gè)實(shí)例，對(duì)小波算法在實(shí)際中應(yīng)用進(jìn)行探討。

［關(guān)鍵詞］小波算法；應(yīng)用研究

小波算法是用于圖形壓縮并識(shí)別的一種高效算法，目前應(yīng)用于各個(gè)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮識(shí)別的領(lǐng)域。

一、小波算法在激光雷達(dá)回波信號(hào)去噪中的應(yīng)用

激光雷達(dá)系統(tǒng)中的同波信號(hào)經(jīng)常遭受多種噪聲源的干擾，在低信噪比環(huán)境下有效地抑制信號(hào)里的噪音，增強(qiáng)有用部分，獲取弱目標(biāo)信息是雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)的最重要的問題。小波變換采取的是時(shí)頻域分析法，在時(shí)間、尺度兩個(gè)區(qū)域上都擁有表征信號(hào)局部特征的能力，對(duì)于微弱信號(hào)、不穩(wěn)定信號(hào)、瞬時(shí)信號(hào)及奇怪信號(hào)的分析與檢測(cè)方有很大的應(yīng)用。作為一種穩(wěn)定性較差的弱信號(hào)，激光回波信號(hào)很適合運(yùn)用小波變換進(jìn)行去噪處理。

激光雷達(dá)作為一個(gè)窄帶系統(tǒng)，與噪聲相比較起來，激光回波信號(hào)可被認(rèn)作為低頻信號(hào)，對(duì)于高品信息中的有用信息的獲取是比較困難的。典型的激光回波信號(hào)中的三脈沖累加回波信號(hào)是通過220 MHz的A／D采樣所獲得的，獲取的回波信號(hào)很明顯具有下沖特點(diǎn)。噪聲幅頻特征，取1000點(diǎn)做FFT變換，噪聲的功率位于0～75MHz這個(gè)范圍幅度，大部分落于0～50MHz這個(gè)頻率范圍內(nèi)，判斷此噪聲是色噪聲。在同一掃描間隔里的激光回波信號(hào)，不同回波序列之間噪聲的低頻成分與目標(biāo)信號(hào)的低頻成分之間沒什么關(guān)聯(lián)性，然而目標(biāo)信號(hào)里的低頻部分彼此之間卻有非常好的關(guān)聯(lián)性。依照信號(hào)擁有優(yōu)良的時(shí)間相關(guān)性，而噪聲卻缺乏這種相關(guān)性（某些時(shí)候在短時(shí)間內(nèi)個(gè)別相關(guān)）的特點(diǎn)，選擇恰當(dāng)?shù)母滤阕樱扇〉皖l信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的重構(gòu)，就可以十分有效地消除噪聲。

信號(hào)第二代小波降噪步驟：（1）載入信號(hào)并計(jì)算尺寸；（2）進(jìn)行分裂；（3）進(jìn)行反變換；（4）輸出結(jié)果信號(hào)與原始信號(hào)進(jìn)行比較。

二、小波算法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)壓縮中的應(yīng)用

當(dāng)前，實(shí)際信號(hào)中應(yīng)用到的很多數(shù)據(jù)壓縮方法都取得了很好的應(yīng)用效果，在這之中，小波方法是應(yīng)用最廣泛的一種。對(duì)于以線性頻率組成為主的信號(hào)，一般都應(yīng)用線性小波的壓縮方法進(jìn)行處理。這種處理方式能夠獲得很高的分辨率，其機(jī)理是利用一個(gè)閥值將高頻噪聲信號(hào)清除，進(jìn)而完成信號(hào)的壓縮。但在現(xiàn)實(shí)中的一些非線性不穩(wěn)定信號(hào)，這種方法明顯存在著缺陷，因此，引入形態(tài)小波對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行壓縮。采用形態(tài)小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮分析，因?yàn)橛?jì)算簡(jiǎn)單，一般的硬件就能夠?qū)崿F(xiàn)，運(yùn)算時(shí)實(shí)行比較高，且作為原位運(yùn)算的形態(tài)小波，沒有必要占用額外的內(nèi)存空間對(duì)計(jì)算的中間結(jié)果進(jìn)行保存。形態(tài)小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮處理的具體操作步驟如下：

一是對(duì)信號(hào)的形態(tài)特征進(jìn)行分析，二是對(duì)形態(tài)學(xué)的分析算子進(jìn)行確定，三是對(duì)形態(tài)小波實(shí)施分解，四是分析提取壓縮完畢的信號(hào)。

三、小波算法暫態(tài)電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用

電能質(zhì)量基本有穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量及暫態(tài)電能質(zhì)量組成，其對(duì)供電系統(tǒng)的供電安全及用電設(shè)備的正常運(yùn)行都具有極大的影響。經(jīng)不斷的努力研究，穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量已基本滿足實(shí)際的應(yīng)用要求，但隨著計(jì)算機(jī)等高敏感性電設(shè)備的應(yīng)用，對(duì)供電的可靠性、暫態(tài)恒定性和可控性等都提出了更高的要求。暫態(tài)電能質(zhì)量問題開始引起人們的高度重視，為了提高電能質(zhì)量，小波算法也被應(yīng)用到對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量的分析里。

應(yīng)用小波算法對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量進(jìn)行分析，主要是從電壓瞬時(shí)脈沖、電壓瞬時(shí)突變、電壓驟降、驟升和瞬時(shí)斷電等方面進(jìn)行。

（一）電壓瞬時(shí)脈沖

圖1所顯示的是Daub4小波對(duì)電壓瞬時(shí)脈沖的檢測(cè)結(jié)果，由此圖能夠看出，時(shí)間軸被拉伸過的小波系數(shù)模最大值出現(xiàn)的時(shí)間恰好和圖1（a）里電壓脈沖出現(xiàn)的時(shí)間相重合，由此可見，Daub4小波變換可以對(duì)發(fā)生電壓脈沖的時(shí)間進(jìn)行很好的檢測(cè)。

圖2則表明，對(duì)于電壓信號(hào)出現(xiàn)的瞬態(tài)突變的時(shí)間也同樣具有很好的檢測(cè)效果，就是圖2（b）里小波系數(shù)模值達(dá)到最高的時(shí)刻。

雷擊及開關(guān)操作都是引發(fā)瞬時(shí)脈沖和突變的直接因素，雷擊向電路注入了一個(gè)額外的電流，當(dāng)其流經(jīng)接地電阻時(shí)，致使電壓發(fā)生瞬時(shí)脈沖。此外，供電方對(duì)電路的保護(hù)措施，切負(fù)荷及改變系統(tǒng)運(yùn)行方式等一系列的開關(guān)操作，都會(huì)令電路產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖。

（二）電壓驟降

圖3顯示的是電路持續(xù)時(shí)間達(dá)3個(gè)周期的電壓驟降擾動(dòng)及小波變換對(duì)它的檢測(cè)結(jié)果，由圖中數(shù)據(jù)可以知道，小波系數(shù)對(duì)電路電壓驟變出現(xiàn)和消失的時(shí)間都可以進(jìn)行反映。

（三）電壓驟升

其分析方法基本與電壓驟降的分析方法相似，三相電路發(fā)生單相接地故障時(shí)候的非故障相是出現(xiàn)電壓驟升的最主要原因。

（四）瞬時(shí)斷電

通常情況下，供電線路遭受到雷擊侵襲引發(fā)對(duì)地絡(luò)，或因?yàn)橄到y(tǒng)產(chǎn)生故障而采取保護(hù)動(dòng)作、短時(shí)間內(nèi)是去電源然后進(jìn)行重新合閘成功時(shí)，就會(huì)發(fā)生電壓瞬時(shí)斷電現(xiàn)象。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，Daub4小波亦能夠?qū)﹄妷核矔r(shí)中段進(jìn)行很好的檢測(cè)，對(duì)于中斷發(fā)生的起始時(shí)間，都能夠準(zhǔn)確顯示。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯 史玉英）