基于小波變換的光電傳感器信號去噪技術研究

石 毅，張 華

（1.華中光電技術研究所-武漢光電國家研究中心，武漢 430223；2.武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

小波變換工作原理為通過對頻率以及時間參數的合理配置，并對其的后續處理實現對于傳遞信號質量方面的有序調整。 具體則根據光電傳感器的類型、運用方式和作用水平，實現對各類信號的積極獲得，形成數據庫形式的數據片段后，借助相應的數學計算方法，對各類數字片段進行合適的截取和后續調整，以提高電平信號的穩定性和精確程度。

1 光電傳感器信號去噪技術使用流程

1.1 傳感器信號確定

光電傳感器的信號確定需要了解傳感器本身類型和運行過程中其傳遞信息的類型和容易出現的噪聲類型，從而讓獲得的最終結果可以根據該信號的常見噪聲影響形式進行合適的處理[1]。 當前光電傳感器的型號種類繁多，一方面應根據項目需求和相關的技術文件，對其產生的信號進行全面的識別和了解；另一方面應根據與之相連的相關線纜和周邊環境指標之間的銜接模式，全面配置和明確獲取的信息，以便為后續的小波變換工作奠定基礎。

1.2 信號處理要求

信號的處理過程中需要通過對最終處理結果全方面了解，實現對相關數學算法建設模式和計算標準的確定，從而讓整個信號處理系統能夠正常穩定運行。 通常情況下，光電傳感器會以電平信號的形式傳遞各類數據，而該電平信號在噪聲出現嚴重時，會導致電平信號的信息不明確，即常規意義上的誤差過大，在具體的處理過程中，要根據該信號的處理模式、處理狀態和工作方法，實現對于所有信息的及時有序調整。 此后，則要求通過頻率、時間參數的定義以及相關函數的建設，讓該系統能夠維持正常穩定運行，最終取得最佳的工作效果。

1.3 信號體系確定

信號體系的確定要根據光電傳感器的電平信號本身作用表現，通過對各類片段的截取和典型數據的分析，以保障最終取得的處理結果符合信息的高質量傳遞要求。 在小波變換過程中，會以時間間隔的方式完成相關任務，再進一步研究該信息類型的作用表現、實際取得的工作成果及相關的工作質量。 對于其中高電平的區域，由于更易受外部噪聲信號的干擾， 所以主要是以該區域為研究對象，通過對相關函數的設定，實現對于電平信號傳遞質量的提升。

1.4 去噪要求分析

獲取了相關的分析結果后，需以硬件形式實現去噪，一方面可以采用主動控制系統實現對于各類信號和相關標準的正確建設；另一方面則需要對該工程項目運行體系進行分析， 包括管理標準的建立、 管理方法的使用以及已經建成的硬件設施網絡，是否可以參與完善優質的運行過程，只有在所有的參數都符合設計標準和檢測項目時，方可將該網絡直接通入到原有的光電傳感器運行系統中，基于此提高該系統的運行質量。

2 小波變換算法原理

2.1 變換工作原理

在變換工作原理中，要實現對各類數字信息的實時監管，其中在電平信號的獲得階段，要以某一時間段為研究對象， 分析當前噪聲的產生模式，比如在某光電傳感器的運行過程中，會受到周邊環境的干擾，導致電平信號在高峰位置產生的噪聲干擾效果更高，而通過對干擾信號每一時間點的精確分析難以實現，所以在后續的運行過程中，考慮可使用的方法是通過對于實際干擾信號的函數建設，研究整體性的干擾程度[2]。 在后續的管理過程中，使用多層次的處理方法實現對于該信號的小波處理工作，需要注意的是，在初次處理之后通常情況下難以達到應有的建設目的，所以需要完成多次的協調工作任務，而在該過程中，由于不同的噪聲產生體系會產生不同的變化，同時噪聲本身的表現也存在不同，因此后續還需要根據實際作用表現確定該結構的相應處理方法。

2.2 去噪技術原理

去噪技術的原理是通過多層次的調節和分析，實現對于出現噪聲的有效控制和調整。 在具體的變換體系之內，首先要根據噪聲的總體表現，通過建立目標函數的方法，對其求導之后才用模擬曲線的方式替代原有的噪聲區域；其次是對處理過程中相關層級數量的確定， 要根據噪聲本身的產生數據，實現對于參數和工作模式的后續調整和規劃；最后是去噪技術的專業化使用，要求在具體的工作過程中， 通過相關硬件和軟件協同建設和運行的模式，實現對于去噪技術的全面建成和應用。

3 基于小波變換的光電傳感器去噪技術確定

3.1 去噪算法選擇

在當前的去噪算法中，常用的有模極大值法、尺度空間濾波法以及閾值法，前兩種方法通過對于空間尺度的確定和使用，研究小波變換方法的具體作用標準，同時根據該區域的小波特性、特征值以及具體的噪聲產生因素，實現對于各類參數的積極調整，當空間尺度變大時，此類方法的處理效率較低，且系統的運算工作量較大，因此閾值控制方法可以更好地適配于小波變換工作體系，該方法的工作原理為

式中：S（t）為被噪聲污染之后的信號；X（t）為光電傳感器獲得的檢測工作數據傳遞信號；σ 為產生噪聲的強度；e（t）為在具體運行過程中噪聲的產生函數。通過分析發現，只要去除了噪聲，就可以認為最終傳出的信號和傳感器取得的信號完全相同。 在該項工作中涉及的工作項目有3 個：①對于小波信號的識別要能分解和明確相關電平信號的，且了解該設備的運行參數；②對于高頻系數的閾值量化，了解噪聲在各個時間段之內的產生強度；③對于信號的重構工作，借助小波變換方法，實現對于傳遞信號的合理調整。

3.2 去噪對象確定

去噪對象確定的長期目標是能夠讓光電傳感器傳遞的所有信號都需要經過合適的處理，在后續的運行階段，由于光電傳感器產生的電平信號會具有不同的表現特征，同時若直接實現對于整體性的信號調整和建設，則該項工作的任務量較大，且最終取得的結果精度不足， 故而在對象的選擇階段，可以建成分級檢測機構。 首先是根據該信號體系中電平區域的噪聲污染情況，通過對其的檢測可以了解噪聲的實際產生強度；其次是對于該系統運行狀態的調整，根據已經建成的數據函數，實現對于各個運行時間段內噪聲的去除；最后則是最終獲得結果的補充，將各個時間節點之內的電平信號進行連續，并且將其合理的傳遞，最終被相關信號的接收裝置、 分析裝置以及后續的利用系統直接使用，以提高整個系統的運行穩定性。

3.3 去噪層級分析

在小波轉換方法的分析過程中，由于考慮到在光電傳感器的運行過程中，產生的信號強度和信號發生體系具有較大的差別，所以遭受的噪聲污染也不同。 在具體的信息處理過程中，針對不同區域的信息模式以及噪聲體系存在差別，故而對于具體的處理信息方面，也具有相適配性的管理要求，首先要實現對于各個區間點位的處理，根據已經建立的函數和工作方法， 實現對于該工作系統的合理升級，讓整個系統的具體運行水平得以提升；其次是處理結果的對比和比較，在取得了實質性的工作結果之后，根據該系統的運行方法和作用表現，研究當前取得的結果是否能夠滿足制定標準的要求，當發現經過對比之后，該系統的具體運行質量無法完全貼合相關工作的精度保持要求時，則需要對該結構進行再次的處理，確保最終獲得的結果滿足相關管理規范；最后是最終獲取結果的取得，具體的處理層級并不是根據已經設定的工作標準直接設置，而是要通過專業化的比對工作完成任務，當確定該結構中不存在較大的誤差時，則需要將其進行再次使用。

3.4 去噪結果分析

去噪結果分析可采用直接對比法，即記錄原有的噪聲產生量，由于經過去噪處理之后是一種模擬狀態下的協調參數，因此需要通過對經過噪聲污染之后的信號強度和對應時間節點進行模擬，經對信號體系專業化計算后，找到兩者的差距，確定存在的誤差量保持在該區間段內，或當整個系統處于允許的范圍內時，方可認為該系統的實際建設和運行標準符合處理要求。 考慮到噪聲處理工作的計算量相對較大，可以遺留一至二處較大的誤差點，在選擇了時間范圍后，讓經過處理后的電平信號和被噪聲污染體系的電平信號要求相符時，要保證遺留的一到兩處電平信號失真不會對產生的圖像造成嚴重的干擾[3]。 該方法重點需對光電傳感器的重要程度和相關信號的用途進行分析，針對能夠對整個系統造成重大影響的項目，有必要完全保障最終獲得信號和結果的精準度。

3.5 去噪技術實施

去噪技術的實施階段首先需要完成各類裝置的配置，常見的包括信號的對比裝置、相關軟件的存儲裝置、去噪信息的分析裝置等，這類裝置都應處于正常穩定的運行狀態，且具體運行質量能夠滿足相關的工作指標；其次是軟件設施的建立，要能夠根據產生的噪音類型，實現對相關調整信號的加入，實現閾值濾波技術的正確實施；最后是該系統運行狀態的研究，一方面要了解整個工作項目的實際運行表現，另一方面則需要分析該項目的后續運行質量，當發現去噪系統無法保持應有的運行效果時，則需要對已經建成的硬軟件協同運行體系進行進一步的調整，并且嚴格根據建成的調整模型完成各類設施的后續建設任務。

4 基于小波變換的光電傳感器去噪技術驗證

4.1 奇異點確定

在信號的傳輸過程中，噪聲影響之下會導致某個點位出現突變，或者該區域的函數導數不連續，該坐標點就是奇異點。 在奇異點產生之后，無論是在導數求導過程還是在信號的幅值變化方面，都會引起整個信號體系的不連續，通常情況下，該現象可以在示波器直接展示[4]。 另一種奇異點的產生模式是，雖然信號從實際的作用表現上來看，整體上光滑并穩定，但是對一些導數求導發現， 該區域的微分值并不連續，設置在出現之后，會導致相關信號的變化幅度出現突變問題，都會對信號造成不利影響。 在奇異點的確定階段，可以根據對信號流圖的整體分析和作用表現判斷奇異點的位置。 此外，針對一些具有較高隱藏效果的奇異點，需要對其進行求導，并判斷一階導數是否存在不連續問題，當發現不存在該問題時，則需要對整個結構進行后續的調整。

4.2 奇異點檢測

在奇異點的檢測過程中，可以使用Lipschitz 指數進行描述，相對于某一個負數的函數坐標，通過對于該坐標的分析和與之連續區域的協調，發現所有的參數都能夠滿足相關公式時，可確定該區間段不存在奇異點，反之則可確定該系統能滿足相關函數的點位屬于奇異點。 具體工作過程中，確定在小波尺度下的相關指數越大，則整個函數的穩定程度越高，而當出現該函數在后續的求導過程中雖然可導但是導數并不連續時，則該指數值可以確定為奇異點，經過最終結果的計算，確定最終獲得的參數小于1 時，也可確定被研究點屬于奇異點。 通過對奇異點的檢測可以確定當前的小波轉換體系是否能夠正確應用，以防出現信號的不連續問題。

4.3 奇異點消除

在找到了奇異點之后需要對其消除，當前的奇異點有2 種，一種是高低電平的跳躍，另一種是存在波動的連續信號[5]。 由于信號的實際產生過程中，采用的方法為逐點采集，所以在具體的奇異點處理過程中，也需要使用逐點掃描的方式實現對于奇異點的分析和定位。 首先要確定整個系統運行過程中的有效閾值范圍， 通常該參數需要大于4.2 V 高電平信號或者設置小于4.2 V 的低電平信號； 其次是實現對于區間段信號的掃描，以研究當前是否存在奇異點； 最后是針對各連續點周邊點位的對比，若可以確定前后各點位的閾值不同或者發生了突變現象， 則需要對奇異點的參數進行取反值處理，而若發現實際檢測的結果和預期相同時，則無需對其進行后續的處理。

5 結語

綜上所述，光電傳感器運行過程中會產生電平信號，而其會受到外界噪聲的影響，基于小波轉換技術可以消除噪聲。 使用過程中首先要分析相關點位的具體噪聲表現形式，其次是通過小波轉換函數的使用，研究該信號是否可以正確使用，最后是對奇異點的檢測工作，以分析去噪技術的使用方法。