基于小波阈值–卡尔曼的水田旋耕平地机倾角信号的去噪方法
发布时间：2021-12-19 13:36
基于全球卫星导航系统（GNSS）的水田旋耕平地机田间试验,采集平地机在调平过程中的倾角信号,采用小波硬阈值法,获取低频信号,并实时估计倾角信号的噪声方差,作为卡尔曼滤波的修正信息,再将低频信号作为系统输入,运用卡尔曼滤波对信号进行二次修正。试验结果表明:小波硬阈值–卡尔曼融合算法的滤波效果优于单一的小波阈值法和卡尔曼滤波,倾角信号经融合算法处理后,信号的信噪比由21.704提高到39.116,均方根误差从0.035 1减小至0.012 6。倾角信号中的噪声成分明显减少,信号的精确度更高。
【文章来源】：湖南农业大学学报(自然科学版). 2020,46(02)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
水田旋耕平地机总体结构
对原始倾角信号分别运用小波阈值法、卡尔曼滤波法、融合法进行滤波处理，滤波效果如图2所示。小波软阈值法得到的信号连续性较好，但由于对小波系数的收缩处理，使得重构信号与真实信号之间产生了一定程度的偏差，导致部分有效信号被压缩(图2–1)；小波硬阈值法得到的信号在阈值点处产生了振荡，使去噪后的倾角信号产生局部抖动，且当小波系数的绝对值大于阈值时，不能实现对信号的有效去噪(图2–2)；卡尔曼滤波根据上一刻的状态估计和当前状态的观测来计算出当前状态的估计，所以前一时刻的估计误差也同样会累加到下一时刻，且倾角信号的系统模型难以精确建立，从而使卡尔曼滤波的整体去噪效果变差，还会出现信号的局部失真现象(图2–3)；小波–卡尔曼融合算法对小波阈值法和卡尔曼滤波的缺点进行了折中处理，保留了大波动信号的有效信息，又去除了小波动信号中的噪声干扰，使信号曲线较为平滑，在高频、瞬态信号的处理上也明显优于小波阈值法和卡尔曼滤波，去噪效果较好(图2–4)。
分别对融合算法滤波前后的倾角信号进行处理，如图4所示，倾角信号经融合算法去噪后信号中的噪声成分明显减少。倾角信号经融合算法处理后，信号的信噪比由21.704提高到39.116，均方根误差从0.035 1降低至0.012 6，这意味着倾角信号经融合算法处理后，信号中的噪声成分明显减少，信号的精确度得到改善，数据波动范围和标准差均有所降低，倾角信号更加稳定。
【参考文献】：
期刊论文
[1]小波阈值降噪在GPS伪距单点定位中的应用[J]. 王梦樱,冯茗杨,于杰. 全球定位系统. 2019(02)
[2]卡尔曼滤波在变形监测数据处理中的应用[J]. 丁鹏文,徐泮林,谷彦斐. 测绘与空间地理信息. 2019(03)
[3]基于改进小波阈值函数的光电检测去噪研究[J]. 刘青,王直. 信息技术. 2018(12)
[4]基于小波卡尔曼滤波的高速公路交通数据融合去噪算法研究[J]. 刘兆惠,李倩,王超,徐友春. 公路工程. 2018(06)
[5]Application of a novel constrained wavelet threshold denoising method in ensemble-based background-error variance[J]. HUANG QunBo,LIU BaiNian,ZHANG WeiMin,ZHU MengBin,SUN JingZhe,CAO XiaoQun,XING Xiang,LENG HongZe,ZHAO YanLai. Science China（Technological Sciences）. 2018(06)
[6]基于ICEEMDAN和小波阈值的滚动轴承故障特征提取方法[J]. 肖茂华,张存义,傅秀清,熊龙飞,王月文,封志祥. 南京农业大学学报. 2018(04)
[7]基于GNSS农田平整全局路径规划方法与试验[J]. 刘刚,康熙,夏友祥,景云鹏. 农业机械学报. 2018(05)
[8]基于GNSS的农田平整定位精度优化与试验[J]. 夏友祥,刘刚,康熙,景云鹏. 农业机械学报. 2017(S1)
[9]基于db3小波阈值法的语音信号降噪研究[J]. 卢锦涛,罗杨川云. 电子世界. 2016(20)
[10]基于GNSS的农田快速平整系统设计与试验[J]. 康熙,李笑,夏友祥,刘刚. 农业机械学报. 2016(S1)
本文编号：3544510
【文章来源】：湖南农业大学学报(自然科学版). 2020,46(02)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
水田旋耕平地机总体结构
对原始倾角信号分别运用小波阈值法、卡尔曼滤波法、融合法进行滤波处理，滤波效果如图2所示。小波软阈值法得到的信号连续性较好，但由于对小波系数的收缩处理，使得重构信号与真实信号之间产生了一定程度的偏差，导致部分有效信号被压缩(图2–1)；小波硬阈值法得到的信号在阈值点处产生了振荡，使去噪后的倾角信号产生局部抖动，且当小波系数的绝对值大于阈值时，不能实现对信号的有效去噪(图2–2)；卡尔曼滤波根据上一刻的状态估计和当前状态的观测来计算出当前状态的估计，所以前一时刻的估计误差也同样会累加到下一时刻，且倾角信号的系统模型难以精确建立，从而使卡尔曼滤波的整体去噪效果变差，还会出现信号的局部失真现象(图2–3)；小波–卡尔曼融合算法对小波阈值法和卡尔曼滤波的缺点进行了折中处理，保留了大波动信号的有效信息，又去除了小波动信号中的噪声干扰，使信号曲线较为平滑，在高频、瞬态信号的处理上也明显优于小波阈值法和卡尔曼滤波，去噪效果较好(图2–4)。
分别对融合算法滤波前后的倾角信号进行处理，如图4所示，倾角信号经融合算法去噪后信号中的噪声成分明显减少。倾角信号经融合算法处理后，信号的信噪比由21.704提高到39.116，均方根误差从0.035 1降低至0.012 6，这意味着倾角信号经融合算法处理后，信号中的噪声成分明显减少，信号的精确度得到改善，数据波动范围和标准差均有所降低，倾角信号更加稳定。
【参考文献】：
期刊论文
[1]小波阈值降噪在GPS伪距单点定位中的应用[J]. 王梦樱,冯茗杨,于杰. 全球定位系统. 2019(02)
[2]卡尔曼滤波在变形监测数据处理中的应用[J]. 丁鹏文,徐泮林,谷彦斐. 测绘与空间地理信息. 2019(03)
[3]基于改进小波阈值函数的光电检测去噪研究[J]. 刘青,王直. 信息技术. 2018(12)
[4]基于小波卡尔曼滤波的高速公路交通数据融合去噪算法研究[J]. 刘兆惠,李倩,王超,徐友春. 公路工程. 2018(06)
[5]Application of a novel constrained wavelet threshold denoising method in ensemble-based background-error variance[J]. HUANG QunBo,LIU BaiNian,ZHANG WeiMin,ZHU MengBin,SUN JingZhe,CAO XiaoQun,XING Xiang,LENG HongZe,ZHAO YanLai. Science China（Technological Sciences）. 2018(06)
[6]基于ICEEMDAN和小波阈值的滚动轴承故障特征提取方法[J]. 肖茂华,张存义,傅秀清,熊龙飞,王月文,封志祥. 南京农业大学学报. 2018(04)
[7]基于GNSS农田平整全局路径规划方法与试验[J]. 刘刚,康熙,夏友祥,景云鹏. 农业机械学报. 2018(05)
[8]基于GNSS的农田平整定位精度优化与试验[J]. 夏友祥,刘刚,康熙,景云鹏. 农业机械学报. 2017(S1)
[9]基于db3小波阈值法的语音信号降噪研究[J]. 卢锦涛,罗杨川云. 电子世界. 2016(20)
[10]基于GNSS的农田快速平整系统设计与试验[J]. 康熙,李笑,夏友祥,刘刚. 农业机械学报. 2016(S1)
本文编号：3544510
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