計算機編程軟件MATLAB 在數(shù)據(jù)處理方面的運用

張濤

（延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西省延安市 716000）

MATLAB 把矩陣作為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，向量與標(biāo)量均作為特殊矩陣，是一種具備超強數(shù)據(jù)運算能力及數(shù)據(jù)可視化界面的軟件產(chǎn)品。MATLAB 還具備繪圖功能，自帶的附加工具箱能集合分析各種復(fù)雜數(shù)據(jù)，可見該軟件在數(shù)據(jù)處理時能體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢、作用。

1 MATLAB軟件的介紹

MATLAB 是一套典型的數(shù)值計算軟件，軟件公司還對外推出了GUI 功能，其做大的特點是使數(shù)據(jù)運算過程達(dá)到人機交互的可視化處理。面對不同數(shù)學(xué)分支問題的算法時，MATLAB 軟件能將其編制成函數(shù)，將其分類梳理并存儲在對應(yīng)的程序內(nèi)，構(gòu)建出一個功能完善的工具箱，實際運用時直接把相關(guān)參數(shù)賦予給這些函數(shù)便能測算出想要的結(jié)果，以上這種方式方法不僅能精簡函數(shù)編制流程，運算過程快速，并且計算所得結(jié)果的精準(zhǔn)度很高，當(dāng)前在教育、科研領(lǐng)域等已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)模化應(yīng)用。

MATLAB 軟件具備很多優(yōu)點：

（1）簡潔易學(xué)：MATLAB 編程語言相對簡潔，其采用的語法規(guī)則和常規(guī)編程軟件語言比如VB、C 語言的結(jié)構(gòu)化編程邏輯形式保持高度統(tǒng)一，這就意味著持有常規(guī)編程語言功底的用戶就能較快速的掌握MATLAB 語言。

（2）程序代碼較短小且運行高效：當(dāng)下MATLAB 已經(jīng)把大部分?jǐn)?shù)學(xué)問題的具體執(zhí)行算法編成了函數(shù)工具，為廣大用戶調(diào)用應(yīng)用創(chuàng)造了很大的便利條件，無需投入大量的時間成本去編寫某些算法及程序。

（3）運輸安功能強大化：MATLAB 軟件矩陣具備強大的計算功能，可以直接采用普通的函數(shù)符號對矩陣進行加、減、乘、除等計算，在執(zhí)行工程結(jié)構(gòu)有限元計算任務(wù)方面表現(xiàn)出良好效能。

MATLAB 為當(dāng)下科研范疇中一類最先進的科學(xué)運算應(yīng)用軟件，其自身具備超強的矩陣計算、符號計算及數(shù)據(jù)可視化功能，可以將其看成是一種簡潔易用、可拓展的系統(tǒng)研發(fā)環(huán)境與平臺。利用其能使處理既往很多棘手的問題，包括多項式的運算、方程求解、矩陣計算、數(shù)理概率統(tǒng)計，工業(yè)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)計算仿真等，使程序短小的編程語言優(yōu)越性充分發(fā)揮出來，采用編制簡潔、短小的程序便能快速精準(zhǔn)分析、處理及呈現(xiàn)海量數(shù)據(jù)，工作質(zhì)量與效率均會有顯著提升。

2 建立數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

圖形用戶界面（GUI）被公認(rèn)成實現(xiàn)人機交互的一種重要方式，有形象生動、操作便捷及靈活度高等諸多優(yōu)勢。本文這里所提及的GUI 是由窗口、菜單、對話框等多種圖形對象構(gòu)成的界面。當(dāng)前國內(nèi)外多數(shù)軟件開發(fā)環(huán)境及應(yīng)用程序普遍應(yīng)用了GUI，流行的開發(fā)工具均能執(zhí)行GUI 設(shè)計任務(wù)。

MATLAB 軟件的GUI 的功能強大，基本的GUI 對象主要有三種類型，即用戶界面控件對象、下拉式菜單對象與快捷菜單對象。運用以上這些圖形對象控件，編程人員可以運用自主設(shè)計界面為廣大用戶提供操作便捷的圖形界面，為科研工作開展提供一種行之有效的數(shù)據(jù)處置辦法。為了能快速、高效的構(gòu)建出GUI 界面，MATLAB 軟件能對外提供多種類型控件，在這些控件的協(xié)助下，工作人員能進一步提升數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的可視化水平，進而使用系統(tǒng)功能實現(xiàn)過程更加直觀。

本課題研究中建立的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)界面運用到的控件類型較多，包括圖形存儲按鈕、結(jié)果信息呈現(xiàn)于預(yù)警值輸入文本框、繪圖區(qū)坐標(biāo)軸等。實踐中，可以按照響應(yīng)的屬性控制項去調(diào)整各類控件的屬性，比如更改呈現(xiàn)顏色、字體大小等屬性。本系統(tǒng)建立時先要以于MATLAB Gu I 建立數(shù)據(jù)處理可視化界面的整體框架，隨后編輯相應(yīng)模塊的程序代碼。從宏觀層面上，可以把數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分成前臺、后臺處理，前臺處理形成的結(jié)果直接呈現(xiàn)在處理系統(tǒng)界面內(nèi)，包括數(shù)據(jù)特征、線性測評結(jié)果等；后臺處理所得的大部分結(jié)果通常不便呈現(xiàn)，通常會在響應(yīng)版塊程序編制環(huán)節(jié)以.xsl 格式被寫進Excel 表格內(nèi)儲存。前臺處理界面呈現(xiàn)區(qū)主要由預(yù)警值輸入?yún)^(qū)、結(jié)果呈現(xiàn)區(qū)、圖形繪制區(qū)、應(yīng)變數(shù)據(jù)查詢區(qū)等構(gòu)成。預(yù)警值輸入主要用在檢查應(yīng)變數(shù)據(jù)，觀察是否部分?jǐn)?shù)在預(yù)警值以上，程序會自動傳遞出預(yù)警提示信號。結(jié)果呈現(xiàn)區(qū)主要是實時呈現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合的特征均值方差極大值、極小值及樣本量。圖形繪制區(qū)即用于顯現(xiàn)圖形繪制結(jié)果。數(shù)據(jù)預(yù)處理菜單之下又細(xì)分成分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入和時程曲線繪制子菜單，功能主要是導(dǎo)入、儲存.txt 與xls 格式的原始數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確繪制出相應(yīng)的時程曲線。

3 Matlab軟件的應(yīng)用

3.1 物理領(lǐng)域

步入新世紀(jì)以來，計算機軟件技術(shù)高速發(fā)展，在物理實驗前可以先采用軟件開展模擬仿真活動，最后再基于實驗具體實施情況檢測驗證數(shù)據(jù)、結(jié)論等的有效性。在物理領(lǐng)域內(nèi)，comsol 是有限元方法相對較成熟的可視化軟件產(chǎn)品，其具備與Matlab 相互銜接的程序應(yīng)用接口，能夠全面梳理由comsol 軟件內(nèi)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)信息。

在高等院校物理實驗較小中，也可以嘗試運用Matlab軟件去處理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，例如物理實驗中要測量霍爾系數(shù)時，可以把前期測量所得的數(shù)據(jù)輸進表格內(nèi)，隨后再導(dǎo)送到Matlab 軟件，運用polyfit 函數(shù)獲得對應(yīng)的擬合方程，隨后再規(guī)范、調(diào)整軸坐標(biāo)，在sqrt 函數(shù)的協(xié)助下側(cè)求出均方根誤差，運用digits 函數(shù)準(zhǔn)確設(shè)定出輸出參數(shù)位數(shù)，最后運用公式計算出霍爾系數(shù)，以上過程中還能順利獲得相應(yīng)霍爾電壓與電流兩者的關(guān)系圖，十分生動形象，便于相關(guān)人員觀察和分析。

如下基于Matlab 軟件運用最小二乘法確定某個發(fā)射源的發(fā)射強度的關(guān)系式，以更加直觀的闡明Matlab 軟件使用過程的直觀性及結(jié)果高精準(zhǔn)度。見表1 所示。

表1： 某個發(fā)射源發(fā)射強度與時間的觀測值統(tǒng)計

實現(xiàn)這種方法的應(yīng)用程序：

＞＞x=[0.2，0.3，0.4，0.5，0.6]

＞＞I=[3.17，2.37，1.76，1.35,1.01]

＞＞y=log(I)

＞＞pllyfit（x，y，1）

ans=

-2.8884 1.7284

＞＞I0=exp（1.7284）=5.6312

＞＞alpha=-（-2.8884）

故而，基于最小二乘法得到的強度公式是I=5.6312e。

3.2 金融領(lǐng)域

金融建模實質(zhì)上就是把經(jīng)濟學(xué)內(nèi)相對較復(fù)雜的概念轉(zhuǎn)型成數(shù)學(xué)模式，進而于計算機系統(tǒng)內(nèi)顯現(xiàn)出的一種辦法，其跨越金融學(xué)的有關(guān)理論、電子數(shù)據(jù)處理的操作和計算機編程等數(shù)個領(lǐng)域，對金融行業(yè)健康、持續(xù)發(fā)展能起到良好的促進作用。當(dāng)下，金融建模過程中可供應(yīng)用的成熟計算機軟件產(chǎn)品較多，可以運用Matlab 軟件處理金融行業(yè)運行過程中出現(xiàn)的各種常見問題。本文如下利用Matlab 軟件運算分析期權(quán)價格及統(tǒng)計參考量數(shù)值，進而為闡明該軟件的實用性提供相對較可靠的數(shù)據(jù)支持。

3.2.1 期權(quán)價格

嘉定某期股票的售價是100，通過查詢發(fā)現(xiàn)該期股票上下波動的頻率標(biāo)準(zhǔn)差是0.4，炒股自身不存在風(fēng)險的利率對應(yīng)值是9%，期權(quán)執(zhí)行價是90，存續(xù)期設(shè)置成0.5 年，結(jié)合以上數(shù)據(jù)運算該股票的期權(quán)價格。

工作人員可以在MATLAB 軟件內(nèi)做出如下編程：

＞＞=[call，put]=blsprice（100,90,0.09,0.5,0.4）

參照以上單行簡單、短小的命令便能順利運算出call、put 各自對應(yīng)值。

3.2.2 統(tǒng)計參考量

遵照隨機原則生成150 個服從正態(tài)分布規(guī)律的樣本數(shù)據(jù)，運用這些數(shù)據(jù)預(yù)測整體內(nèi)參數(shù)及置信水平達(dá)到95%的置信區(qū)間。

在MATLAB 內(nèi)做出的編程：

＞＞X=normrnd(1.5，1,150,1)

＞＞[muhat，sigmahat，muci，sigci]=normfit（X,0.01）運用以上兩個例子闡述出

Matlab 應(yīng)用便捷的事實，利用簡潔的程序替將傳統(tǒng)人工方法取而代之，一方面明顯減少了時間成本，另一方面也使數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度得到保障。

3.3 車輛工程領(lǐng)域

在該領(lǐng)域內(nèi)，工作人員可以嘗試運用Matlab 軟件去模擬分析機車制造過程需要處理的數(shù)據(jù)信息，運用該軟件能科學(xué)、精準(zhǔn)的分析車輛發(fā)動機的振動頻率。以上工作執(zhí)行過程中相關(guān)人員需要全面采集各種數(shù)據(jù)，明確實驗研究工作推進過程中所需各個工況條件下發(fā)動機振動加速度，隨后運用Matlab 軟件自帶功能函數(shù)對數(shù)據(jù)文檔做出響應(yīng)的頻譜分析。

具體工作實踐中，先運用單片機連接接口取得加速度的數(shù)據(jù)，隨后把數(shù)據(jù)完整的導(dǎo)入PC 端，針對PC 端接收到的頻率數(shù)據(jù)，會嚴(yán)格依照前期設(shè)定好的頻率區(qū)間篩選出和設(shè)計要求相吻合的數(shù)據(jù)，基于text 文件格式進行保存，Matlab 內(nèi)可以通過讀取text 文件的指令textread 去取得所需數(shù)據(jù)，同時將其存儲在數(shù)組data 內(nèi)。在原始數(shù)據(jù)收集工作結(jié)束后，合理設(shè)定周期T，采樣頻率F，信號序列長度L 等參數(shù)，最后運用FFT 函數(shù)進行頻譜分析。

3.4 探測雷達(dá)領(lǐng)域

當(dāng)下，很多探地雷達(dá)處理軟件資深具備強大的時域分析功大，但頻域分析功能水平整體較低，通常只有傅氏譜、S譜等頻譜分析等功能，等效系統(tǒng)法、分形理論等也是常用的數(shù)據(jù)分析方法。因為ATLAB 軟件的數(shù)值分析與矩陣計算功能強大，且其平臺的開放性很高，本課題選擇運用該類軟件去處理探地雷達(dá)數(shù)據(jù)，并以其為基礎(chǔ)設(shè)計研發(fā)出開放性的處理軟件，進而直接讀取，轉(zhuǎn)存、呈現(xiàn)，處置及的分析格式不同的數(shù)據(jù)。

探測雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理主要包括如下幾個類型：

（1）濾波處理：探測實踐中探地雷達(dá)會接收到多種電磁信號，比如地表反射波、外部干擾波等等，其會使探地雷達(dá)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同程度的低頻漂移、水平道間擾亂、雜波信號干擾等情況，故而需要對其進行濾除或壓制處理，完整的提取出有用信號，使資料解釋的精準(zhǔn)度有所保障。用于消除水平道間干擾可選用的方法較多，例如通過KL 轉(zhuǎn)換消解掉雷達(dá)數(shù)據(jù)內(nèi)的水平相干噪聲，采用小波域上之上的KL 變換進行濾波等。關(guān)于雜波噪聲的抑制問題，不僅可以運用傳統(tǒng)的濾波方法，還包括參數(shù)系統(tǒng)識別法、小波變換法等。

（2）偏移處理：因為探地雷達(dá)探測內(nèi)存在著繞射波，以致無法真實的呈現(xiàn)出反射點的實際方位及目標(biāo)規(guī)格大小?；谝?guī)范化的偏移處理過程所得的雷達(dá)剖面能夠清晰的顯現(xiàn)出地下目標(biāo)的實際部位及空間樣態(tài)。位置及繞射掃描疊加、相移偏移法是偏移處理時常用手段。此外還存在著2D 有限差分偏移、Stolt 偏移法等。相比之下，反射波歸位精準(zhǔn)度更高，沒有偏移傾角制約，對各類噪聲均表現(xiàn)出較強的適應(yīng)能力，能顯著增加剖面的分辨率。

（3）反濾波：反濾波實質(zhì)上就是反褶積，是一種形式特殊的濾波措施，其運用壓縮子波與抑制數(shù)次放射過程的形式提升垂直分辨率及對同相軸的識別精準(zhǔn)度。如果能將子波壓縮于絕對值最大位置，而不是子波的開始部位，則運用這種方式能消解掉子波的拖尾情況，提升子波長度的壓縮效果及信噪比。

3.4.1 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理編程

程序框架：

數(shù)據(jù)讀入的支持格式較多，比如SIR、RIS、Pulse-Ekko系列雷達(dá)的數(shù)據(jù)格式等；數(shù)據(jù)呈現(xiàn)有數(shù)據(jù)的剖面色圖、Wiggle圖及測道波形圖顯示等；處理部分有數(shù)據(jù)的壞道去除、剔除直流成分、信號零點調(diào)控、一維及背景濾波、希爾伯特轉(zhuǎn)換等。針對最后處理所得數(shù)據(jù)可以輸出輸出BMP 位圖。

3.4.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)的讀取及交互式操作

數(shù)據(jù)讀?。?/p>

SIR 系探地雷達(dá)DZT 文件主要由數(shù)據(jù)頭與數(shù)據(jù)體兩部分構(gòu)成，采用二進制碼進行存儲。頭文件部分主要有采樣率、采樣時窗、道間距等重要信息，頭文件統(tǒng)一運用結(jié)構(gòu)體定義，按照格式控制參數(shù)設(shè)定數(shù)據(jù)體存儲形式，以8 位、16 位、32 位二進制存儲格式等較為常見。運用數(shù)據(jù)處理軟件讀取文件，通過分析后認(rèn)定其能準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)體。RIS 系列探地雷達(dá)數(shù)據(jù)以（.dt）結(jié)尾，當(dāng)前尚未對外正式公布其格式，僅能由多方測試檢測結(jié)果中獲得局部重要的數(shù)據(jù)參數(shù)、數(shù)據(jù)頭與數(shù)據(jù)體是DT 格式數(shù)據(jù)的基本構(gòu)成，前者以雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集參數(shù)以及控制信息為主，例如數(shù)據(jù)的采樣點數(shù)、時窗及數(shù)據(jù)錄入的起始地址等控制信息。現(xiàn)已經(jīng)證實，DT 數(shù)據(jù)的前七個字節(jié)內(nèi)含有關(guān)鍵的控制信息，前兩個字節(jié)表征數(shù)據(jù)是DT 數(shù)據(jù)，利用第六個字節(jié)數(shù)據(jù)能順利運算出數(shù)據(jù)的各項參數(shù)與控制信息。

3.5 關(guān)鍵數(shù)據(jù)的處理

3.5.1 壞道剔除

壞道去除主要是由數(shù)據(jù)內(nèi)刪除壞道，隨后運用內(nèi)插的形式獲得原始壞道方位的新數(shù)據(jù)到具體值。由圖1 數(shù)據(jù)剖面內(nèi)能觀察到存在幾條數(shù)據(jù)壞道，且由等延時的波形圖能觀察到壞道部位帶有顯著的尖刺。圖內(nèi)的多道數(shù)據(jù)壞道，選出對話框內(nèi)給出這些數(shù)據(jù)道對應(yīng)的序號，于雷達(dá)波形圖內(nèi)使用紅線標(biāo)記數(shù)據(jù)壞道。

圖1： 數(shù)據(jù)壞道及選擇

選中的壞道有24、36、61、75、164，逐一將其刪除后，通過內(nèi)插形式獲得新的數(shù)據(jù)道。

3.5.2 調(diào)整信號零點探地雷達(dá)技術(shù)按照反射波信號的延時情況去合理確定目標(biāo)體深度，反射波信號的時間運算情況關(guān)系深度計算結(jié)果的精準(zhǔn)度，故而對信號零點進行科學(xué)調(diào)整有很大必要性，等同于地面初至波進行定位。針對標(biāo)定地面初至波，當(dāng)前已經(jīng)有執(zhí)行過程相對簡單的方法，即判斷子波的相位遇到的極性?？陀^上講，現(xiàn)在地面初至波的定位還沒有完美且統(tǒng)一的辦法，需要依照地面表層厚度、下層電阻率和電導(dǎo)率進行設(shè)定，通常地面初至波的定位在1/4～3/4 波長位置。

4 結(jié)束語

在信息化時代中，信息已經(jīng)成為推進社會經(jīng)濟發(fā)展進步的新型重要生產(chǎn)力，信息化基礎(chǔ)越優(yōu)秀，那么氣主動性就越強，信息化能力就越高，應(yīng)用效果也會相應(yīng)提升。在現(xiàn)實工作中，為了能更有效處理重大突發(fā)狀況，信息支撐、數(shù)據(jù)賦能永遠(yuǎn)是硬實力。Matlab 是近些年發(fā)展起來的一種數(shù)據(jù)分析軟件，其能顯著提升數(shù)據(jù)分析效率，減少或規(guī)避人為因素帶來的誤差，且生成形象生動的圖形，為后期處理工作創(chuàng)造極大便利，提升人們的生活數(shù)字化水平，造福人類社會。