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天津大学攻读博士学位研究生课程.doc
天津大学攻读博士学位研究生课程
小波分析及其应用
论文题目:地震波的小波去噪分析
研 究 生: 林澍
学 院: 建筑工程学院
专 业: 岩土工程
方 向: 地基处理
学 号: 1015205008
地震波的小波分析
天津大学建筑工程学院工程专业1015205008 林澍
摘要:小波分析在岩土工程领域主要用于地震波处理,将复杂且不规则的地震波信号通过小波变换后进行相应的处理,再重构地震波,进而用于工程问题分析中。本文运用MATLAB对地震波进行不同的小波变换处理,再对地震波信号进行去噪处理,对各小波的去噪效果进行了分析。
关键词:小波分析;地震去噪;阈值;
1 引言
小波分析是一种新兴的时频分析方法,被认为是Fourier变换的突破性进展成果,它在时域和频域上都具有良好的局部化特性,对于分析非稳定信号具有强大优势。在岩土工程领域,小波分析主要用于地震波的处理。一方面,地震波具有很强的非稳定性,以正弦余弦函数为基底的Fourier变换难以对其进行处理,需要具有多分辨率的小波进行分析;另一方面,地震信号在采集时会掺入噪声,更加剧了信号的不稳定性,需要通过小波分析对地震信号进行去噪处理,以便获取更为真实准确的地震波信号。因此,越来越多学者开始从小波分析方面进行地震波特性的研究。
2 小波去噪 小波去噪的原理
在实际的工程中, i=0,…,n-1 (1)
其中,f(i)为真实信号,e(i)为噪声信号,s(i)为含噪信号。
去噪的目的便是将s(i)中的e(i)减小至最小程度,因此,通过小波变换将信号分解后,对得到的高频系数进行去噪处理,然后重构信号,即可达到去噪目的。去噪处理一般采用阈值去噪进行。
以三层小波分解为例,首先将信号进行小波分解,分解示意图如图1所示。图中的CD1、CD2、CD3即为高频系数,通过阈值去噪方式对其进行处理,分别得到去噪后的高频系数CD1’、CD2’、CD3’,再将信号重构,便可得到去噪后的信号。
图1 小波分解和重构示意图
2.2 小波基的选择
小波分析中小波函数选择最小波基。
L2(Rn)的正交或双正交小波基是非常多的,一般要求小波基具有一定的紧支撑性、平滑性和对称性。紧支集保证有优良的空间局部特性;对称性保证不会造成信号的失真;平滑性保证频率分辨率。但是上述三点不可能同时得到满足。要求小波具有较高的光滑型,必须要求增加小波支集的长度;反之,为了有利于算法实现,支集的长度要尽量小,但这又保证不了光滑性。综合考虑,保证一定的紧支集特性、对称性和平滑性。
本次分析采用默认阈值、硬阈值、软阈值三种方法去噪。
3 地震波小波变换处理
3.1 地震波的小波分解
3.1.1 小波基选取
根据之前的小波基选取原则,结合工程处理经验,本文选取db1(Haar),db4,coif3,sym4四种小波对地震波信号进行处理。各小波的特点如表1所示。
表1 各小波的特点[2]
小波函数 Haar Daubechies Coiflets Symlets 小波形式 haar db4 coif3 sym4 正交性 有 有 有 有 双正交性 有 有 有 有 紧支撑性 有 有 有 有 对称性 对称 近似对称 近似对称 近似对称 支撑长度 1 7 17 7 滤波器长度 2 8 18 8
3.1.2 小波分解
确定小波基之后,可以通过MATLAB对地震波进行小波变换处理。本次分析选取EI_Centro地震波进行,输入30秒监测数据,再用MATLAB进行相应的分析,原始地震波波形图如图2所示。
图2 原地震波信号
通过小波分析代码,将原始地震波分为三层。选取的小波基为db1(Haar)、db4、coif3和sym4,所得的三层信号的高频和低频系数分别如图3~图6所示。
图3 db1小波分解
图4 db4小波分解
图5 coif3小波分解
图6 sym4小波分解
通过上述分解可知,低频信号的振幅与原信号更加接近,而高频信号比较集中且振幅较小。因此,通过阈值去噪便可把信号的噪声去掉,从而保留有用的信息。
3.2 地震波的小波去噪
3.2.1 小波去噪步骤
通常而言,一维信号的去噪过程可分为如下三个步骤进行:
(1)信号的小波(包)分解:选择一个小波函数并确定小波分解的层数N,然后对信号s进行N层小波(包)分解;
(2)高频系数进行阈值量化:对每一层高频系数,选择一个阈值进行量化处理;
(3)信号的重构:根据小波分解的第N层的低频系数和经过量化处理后的N层高频系数,进行信号的重构。
在去噪时,最关键的一步是第(2)步。信号的去噪效果,与阈值选择有直接关系
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