基于小波變換的光電傳感器信號去噪技術(shù)研究

石 毅，張 華

（1.華中光電技術(shù)研究所-武漢光電國家研究中心，武漢 430223；2.武漢第二船舶設(shè)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(shù)的合理配置，并對其的后續(xù)處理實現(xiàn)對于傳遞信號質(zhì)量方面的有序調(diào)整。 具體則根據(jù)光電傳感器的類型、運用方式和作用水平，實現(xiàn)對各類信號的積極獲得，形成數(shù)據(jù)庫形式的數(shù)據(jù)片段后，借助相應(yīng)的數(shù)學(xué)計算方法，對各類數(shù)字片段進(jìn)行合適的截取和后續(xù)調(diào)整，以提高電平信號的穩(wěn)定性和精確程度。

1 光電傳感器信號去噪技術(shù)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(xiàn)的噪聲類型，從而讓獲得的最終結(jié)果可以根據(jù)該信號的常見噪聲影響形式進(jìn)行合適的處理[1]。 當(dāng)前光電傳感器的型號種類繁多，一方面應(yīng)根據(jù)項目需求和相關(guān)的技術(shù)文件，對其產(chǎn)生的信號進(jìn)行全面的識別和了解；另一方面應(yīng)根據(jù)與之相連的相關(guān)線纜和周邊環(huán)境指標(biāo)之間的銜接模式，全面配置和明確獲取的信息，以便為后續(xù)的小波變換工作奠定基礎(chǔ)。

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(jié)果全方面了解，實現(xiàn)對相關(guān)數(shù)學(xué)算法建設(shè)模式和計算標(biāo)準(zhǔn)的確定，從而讓整個信號處理系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)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(shù)據(jù)，而該電平信號在噪聲出現(xiàn)嚴(yán)重時，會導(dǎo)致電平信號的信息不明確，即常規(guī)意義上的誤差過大，在具體的處理過程中，要根據(jù)該信號的處理模式、處理狀態(tài)和工作方法，實現(xiàn)對于所有信息的及時有序調(diào)整。 此后，則要求通過頻率、時間參數(shù)的定義以及相關(guān)函數(shù)的建設(shè)，讓該系統(tǒng)能夠維持正常穩(wěn)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(jù)光電傳感器的電平信號本身作用表現(xiàn)，通過對各類片段的截取和典型數(shù)據(jù)的分析，以保障最終取得的處理結(jié)果符合信息的高質(zhì)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(guān)任務(wù)，再進(jìn)一步研究該信息類型的作用表現(xiàn)、實際取得的工作成果及相關(guān)的工作質(zhì)量。 對于其中高電平的區(qū)域，由于更易受外部噪聲信號的干擾， 所以主要是以該區(qū)域為研究對象，通過對相關(guān)函數(shù)的設(shè)定，實現(xiàn)對于電平信號傳遞質(zhì)量的提升。

1.4 去噪要求分析

獲取了相關(guān)的分析結(jié)果后，需以硬件形式實現(xiàn)去噪，一方面可以采用主動控制系統(tǒng)實現(xiàn)對于各類信號和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的正確建設(shè)；另一方面則需要對該工程項目運行體系進(jìn)行分析， 包括管理標(biāo)準(zhǔn)的建立、 管理方法的使用以及已經(jīng)建成的硬件設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，是否可以參與完善優(yōu)質(zhì)的運行過程，只有在所有的參數(shù)都符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和檢測項目時，方可將該網(wǎng)絡(luò)直接通入到原有的光電傳感器運行系統(tǒng)中，基于此提高該系統(tǒng)的運行質(zhì)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(xiàn)對各類數(shù)字信息的實時監(jiān)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(dāng)前噪聲的產(chǎn)生模式，比如在某光電傳感器的運行過程中，會受到周邊環(huán)境的干擾，導(dǎo)致電平信號在高峰位置產(chǎn)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(xiàn)，所以在后續(xù)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(shù)建設(shè)，研究整體性的干擾程度[2]。 在后續(xù)的管理過程中，使用多層次的處理方法實現(xiàn)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(dá)到應(yīng)有的建設(shè)目的，所以需要完成多次的協(xié)調(diào)工作任務(wù)，而在該過程中，由于不同的噪聲產(chǎn)生體系會產(chǎn)生不同的變化，同時噪聲本身的表現(xiàn)也存在不同，因此后續(xù)還需要根據(jù)實際作用表現(xiàn)確定該結(jié)構(gòu)的相應(yīng)處理方法。

2.2 去噪技術(shù)原理

去噪技術(shù)的原理是通過多層次的調(diào)節(jié)和分析，實現(xiàn)對于出現(xiàn)噪聲的有效控制和調(diào)整。 在具體的變換體系之內(nèi)，首先要根據(jù)噪聲的總體表現(xiàn)，通過建立目標(biāo)函數(shù)的方法，對其求導(dǎo)之后才用模擬曲線的方式替代原有的噪聲區(qū)域；其次是對處理過程中相關(guān)層級數(shù)量的確定， 要根據(jù)噪聲本身的產(chǎn)生數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對于參數(shù)和工作模式的后續(xù)調(diào)整和規(guī)劃；最后是去噪技術(shù)的專業(yè)化使用，要求在具體的工作過程中， 通過相關(guān)硬件和軟件協(xié)同建設(shè)和運行的模式，實現(xiàn)對于去噪技術(shù)的全面建成和應(yīng)用。

3 基于小波變換的光電傳感器去噪技術(shù)確定

3.1 去噪算法選擇

在當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)，同時根據(jù)該區(qū)域的小波特性、特征值以及具體的噪聲產(chǎn)生因素，實現(xiàn)對于各類參數(shù)的積極調(diào)整，當(dāng)空間尺度變大時，此類方法的處理效率較低，且系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳遞信號；σ 為產(chǎn)生噪聲的強(qiáng)度；e（t）為在具體運行過程中噪聲的產(chǎn)生函數(shù)。通過分析發(fā)現(xiàn)，只要去除了噪聲，就可以認(rèn)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(guān)電平信號的，且了解該設(shè)備的運行參數(shù)；②對于高頻系數(shù)的閾值量化，了解噪聲在各個時間段之內(nèi)的產(chǎn)生強(qiáng)度；③對于信號的重構(gòu)工作，借助小波變換方法，實現(xiàn)對于傳遞信號的合理調(diào)整。

3.2 去噪對象確定

去噪對象確定的長期目標(biāo)是能夠讓光電傳感器傳遞的所有信號都需要經(jīng)過合適的處理，在后續(xù)的運行階段，由于光電傳感器產(chǎn)生的電平信號會具有不同的表現(xiàn)特征，同時若直接實現(xiàn)對于整體性的信號調(diào)整和建設(shè)，則該項工作的任務(wù)量較大，且最終取得的結(jié)果精度不足， 故而在對象的選擇階段，可以建成分級檢測機(jī)構(gòu)。 首先是根據(jù)該信號體系中電平區(qū)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(chǎn)生強(qiáng)度；其次是對于該系統(tǒng)運行狀態(tài)的調(diào)整，根據(jù)已經(jīng)建成的數(shù)據(jù)函數(shù)，實現(xiàn)對于各個運行時間段內(nèi)噪聲的去除；最后則是最終獲得結(jié)果的補(bǔ)充，將各個時間節(jié)點之內(nèi)的電平信號進(jìn)行連續(xù)，并且將其合理的傳遞，最終被相關(guān)信號的接收裝置、 分析裝置以及后續(xù)的利用系統(tǒng)直接使用，以提高整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

3.3 去噪層級分析

在小波轉(zhuǎn)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(chǎn)生的信號強(qiáng)度和信號發(fā)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(qū)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(xiàn)對于各個區(qū)間點位的處理，根據(jù)已經(jīng)建立的函數(shù)和工作方法， 實現(xiàn)對于該工作系統(tǒng)的合理升級，讓整個系統(tǒng)的具體運行水平得以提升；其次是處理結(jié)果的對比和比較，在取得了實質(zhì)性的工作結(jié)果之后，根據(jù)該系統(tǒng)的運行方法和作用表現(xiàn)，研究當(dāng)前取得的結(jié)果是否能夠滿足制定標(biāo)準(zhǔn)的要求，當(dāng)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過對比之后，該系統(tǒng)的具體運行質(zhì)量無法完全貼合相關(guān)工作的精度保持要求時，則需要對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次的處理，確保最終獲得的結(jié)果滿足相關(guān)管理規(guī)范；最后是最終獲取結(jié)果的取得，具體的處理層級并不是根據(jù)已經(jīng)設(shè)定的工作標(biāo)準(zhǔn)直接設(shè)置，而是要通過專業(yè)化的比對工作完成任務(wù)，當(dāng)確定該結(jié)構(gòu)中不存在較大的誤差時，則需要將其進(jìn)行再次使用。

3.4 去噪結(jié)果分析

去噪結(jié)果分析可采用直接對比法，即記錄原有的噪聲產(chǎn)生量，由于經(jīng)過去噪處理之后是一種模擬狀態(tài)下的協(xié)調(diào)參數(shù)，因此需要通過對經(jīng)過噪聲污染之后的信號強(qiáng)度和對應(yīng)時間節(jié)點進(jìn)行模擬，經(jīng)對信號體系專業(yè)化計算后，找到兩者的差距，確定存在的誤差量保持在該區(qū)間段內(nèi)，或當(dāng)整個系統(tǒng)處于允許的范圍內(nèi)時，方可認(rèn)為該系統(tǒng)的實際建設(shè)和運行標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)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(chǎn)生的圖像造成嚴(yán)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(guān)信號的用途進(jìn)行分析，針對能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)造成重大影響的項目，有必要完全保障最終獲得信號和結(jié)果的精準(zhǔn)度。

3.5 去噪技術(shù)實施

去噪技術(shù)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(guān)軟件的存儲裝置、去噪信息的分析裝置等，這類裝置都應(yīng)處于正常穩(wěn)定的運行狀態(tài)，且具體運行質(zhì)量能夠滿足相關(guān)的工作指標(biāo)；其次是軟件設(shè)施的建立，要能夠根據(jù)產(chǎn)生的噪音類型，實現(xiàn)對相關(guān)調(diào)整信號的加入，實現(xiàn)閾值濾波技術(shù)的正確實施；最后是該系統(tǒng)運行狀態(tài)的研究，一方面要了解整個工作項目的實際運行表現(xiàn)，另一方面則需要分析該項目的后續(xù)運行質(zhì)量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)去噪系統(tǒng)無法保持應(yīng)有的運行效果時，則需要對已經(jīng)建成的硬軟件協(xié)同運行體系進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整，并且嚴(yán)格根據(jù)建成的調(diào)整模型完成各類設(shè)施的后續(xù)建設(shè)任務(wù)。

4 基于小波變換的光電傳感器去噪技術(shù)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(dǎo)致某個點位出現(xiàn)突變，或者該區(qū)域的函數(shù)導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，該坐標(biāo)點就是奇異點。 在奇異點產(chǎn)生之后，無論是在導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)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(xù)，通常情況下，該現(xiàn)象可以在示波器直接展示[4]。 另一種奇異點的產(chǎn)生模式是，雖然信號從實際的作用表現(xiàn)上來看，整體上光滑并穩(wěn)定，但是對一些導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)發(fā)現(xiàn)， 該區(qū)域的微分值并不連續(xù)，設(shè)置在出現(xiàn)之后，會導(dǎo)致相關(guān)信號的變化幅度出現(xiàn)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(jù)對信號流圖的整體分析和作用表現(xiàn)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(jìn)行求導(dǎo)，并判斷一階導(dǎo)數(shù)是否存在不連續(xù)問題，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不存在該問題時，則需要對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行后續(xù)的調(diào)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(shù)進(jìn)行描述，相對于某一個負(fù)數(shù)的函數(shù)坐標(biāo)，通過對于該坐標(biāo)的分析和與之連續(xù)區(qū)域的協(xié)調(diào)，發(fā)現(xiàn)所有的參數(shù)都能夠滿足相關(guān)公式時，可確定該區(qū)間段不存在奇異點，反之則可確定該系統(tǒng)能滿足相關(guān)函數(shù)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(guān)指數(shù)越大，則整個函數(shù)的穩(wěn)定程度越高，而當(dāng)出現(xiàn)該函數(shù)在后續(xù)的求導(dǎo)過程中雖然可導(dǎo)但是導(dǎo)數(shù)并不連續(xù)時，則該指數(shù)值可以確定為奇異點，經(jīng)過最終結(jié)果的計算，確定最終獲得的參數(shù)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(dāng)前的小波轉(zhuǎn)換體系是否能夠正確應(yīng)用，以防出現(xiàn)信號的不連續(xù)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(dāng)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(xù)信號[5]。 由于信號的實際產(chǎn)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(xiàn)對于奇異點的分析和定位。 首先要確定整個系統(tǒng)運行過程中的有效閾值范圍， 通常該參數(shù)需要大于4.2 V 高電平信號或者設(shè)置小于4.2 V 的低電平信號； 其次是實現(xiàn)對于區(qū)間段信號的掃描，以研究當(dāng)前是否存在奇異點； 最后是針對各連續(xù)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(fā)生了突變現(xiàn)象， 則需要對奇異點的參數(shù)進(jìn)行取反值處理，而若發(fā)現(xiàn)實際檢測的結(jié)果和預(yù)期相同時，則無需對其進(jìn)行后續(xù)的處理。

5 結(jié)語

綜上所述，光電傳感器運行過程中會產(chǎn)生電平信號，而其會受到外界噪聲的影響，基于小波轉(zhuǎn)換技術(shù)可以消除噪聲。 使用過程中首先要分析相關(guān)點位的具體噪聲表現(xiàn)形式，其次是通過小波轉(zhuǎn)換函數(shù)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(shù)的使用方法。