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振动与冲击
第 28卷第 12期 JOURNAL OF V IBRATION AND SHOCK Vol. 28 No. 12 2009
自适应分解层数的小波域中值滤波振动信号降噪法
滕军 1 , 朱焰煌 1 , 周峰 2 , 李惠 2 , 欧进萍 2
(1. 哈尔滨工业大学深圳研究生院,深圳 518055; 2. 哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨 150001)
摘要: 为降低结构健康监测加速度信号中常见的白噪声以及脉冲噪声,提出了中值滤波与小波阈值降噪相结合
的方法。分解层数对降噪效果有着重要影响,为取得更好的降噪效果,提出一种分解层数自适应确定法,并给出了各层阈值
的取值方法。数值模拟以及国家游泳中心健康监测系统实测数据分析结果表明,所提出的方法克服了传统阈值降噪法对脉
冲噪声拟制效果不理想的缺陷,能同时有效降低白噪声以及脉冲噪声,为模态参数识别等提供更高信噪比的分析数据。
关键词: 降噪;小波域中值滤波;分解层数;模极大值;结构健康监测
中图分类号: O3271 文献标识码: A
利用环境激励下结构的动力响应进行模态参数识信号的仪器设备都能将这些噪声引入到信号中。另外
别等已成为土木工程结构健康监测领域广泛研究的课传感器常处于恶劣的外部环境中,干扰源类型多而复
题。由于受到测量仪器以及测量环境等因素的影响, 杂,如交流电源及其谐波干扰,雷电、无线电等的射频
所获取的振动信号中不可避免地存在一些噪声,其中干扰、电台电视台的信号干扰等。通常情况下噪声可
白噪声和脉冲噪声就是常见的两种噪声。如果不能对以分为白噪声、有色噪声和脉冲噪声等。其中白噪声
信号进行有效的降噪,将会影响到后续模态参数识别和脉冲噪声是电子仪器仪表中常见的噪声。
等的精度。小波变换具有时频局部化、多分辨率、解相一维带噪信号通常将噪声以线性叠加的方式作用
关等特点,因而被广泛应用在信号降噪等领域。基于于真实信号,噪声信号可表示为:
小波变换的降噪方法主要有模极大值法、空域相关法 x ( t) = s ( t) + n ( t) (1)
和阈值法,其中小波阈值降噪方法由于实现简单、计算其中 s ( t)为纯信号, n ( t)为噪声。
量小等特点,应用最为广泛[ 1 ] 。相关学者对该方法中 1 2 中值滤波
阈值的确定、阈值函数的选取等做了一些改进[ 2 - 5 ] ,在中值滤波是非线性滤波的典型代表, 具有良好的
一定程度上提高了信号的信噪比。基于小波阈值降噪边缘保持特性和抑制脉冲噪声的能力。该方法的本质
的方法能有效降低信号中白噪声,但对脉冲噪声的抑是一种滑动窗口滤波器, 滤波操作是使滑动窗口中心
制效果通常不明显[ 6 ] ,而脉冲噪声也是结构健康监测位置的信号抽样值取代当前窗口内的所有抽样的中位
振动信号中常见的一种噪声,因此有必要研究一种在值。对于窗口长度 n = 2k + 1 ( k为正整数)的中值滤波
降低白噪声的同时也能有效抑制脉冲噪声的降噪方器,设第 i时刻输入信号序列在窗口内的样本为( xi - k ,
法,本文提出了小波阈值降噪与中值滤波相结合的降⋯, xi , ⋯, xi + k ) ,则此时中值滤波器的输出为:
噪方法。针对分解层数对降噪效果有着重要影响的问