闪电瞬态电场信号波形去噪方法3∫+-强激光与粒子束.PDF

　第 19 卷 　第 12 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol . 19 ,No . 12 　 　2007 年 12 月 H I GH PO W ER L A SER AND PA R T ICL E B EA M S Dec . ,2007 　 文章编号 : 　100 14322 (2007) 闪电瞬态电场信号波形去噪方法 1 1 2 李 　鹏 , 　郑 　毅 , 　张义军 ( 1. 防化研究院, 北京 102205 ; 　2 . 中国气象科学研究院, 北京 100081) 　　摘 　要 : 　通过对传统数字滤波和 Bir geMassart 小波阈值法的比较 ,对闪电瞬态电场信号进行了去噪研 究 。构建了双指数衰减脉冲信号并在其上叠加了高斯白噪声信号来仿真闪电瞬态电场实测波形 ,通过计算去 噪前后信号的均方误差和幅值误差 , 比较了加权平滑滤波 、FIR 数字低通滤波器和小波阈值法的去噪效果 ,从 处理仿真波形和实测波形结果可以发现 ,小波阈值去噪方法明显优于另外两种传统滤波方法 。通过比较仿真 信号由不同小波分解层数去噪结果的均方误差和幅值误差 ,确定在对闪电电场实测信号的去噪过程中 ,小波系 数分解层数应选 5～7 。 　　关键词 : 　闪电瞬态电场信号 ; 　波形去噪 ; 　小波变换 ; 　Bir geMassart 阈值法 ; 　分解层数 　　中图分类号 : 　TM935 . 4 ; 　TN 957 . 1 　　　　文献标识码 : 　A 　　闪电瞬态电场信号包含了闪电的许多信息 ,通过对信号波形的统计分析与特征提取可以更好地了解闪电 的发生发展过程 ,理解闪电现象的物理特征 。所谓瞬态信号[ 1 ] ,是指经过一段时间后 ,信号幅度趋于零或一个 常数的强时变的短时段信号 ,它是反映系统突然变化的重要信息 ,具有短时、非平稳 、宽频带 、能量集中等特点 , 闪电电磁辐射信号就是一种典型的瞬态信号 。在野外通过存储示波器采集到的闪电电场波形数据中既包含需 要探测的实际信号 ,也掺杂着各种干扰噪声 ,这些干扰噪声主要是工频干扰和系统的随机噪声 。工频干扰在脉 冲波形存在时间内表现为一直流分量叠加在脉冲上 ,可以用滤直流的方法直接去除 ,而系统的随机噪声无论在 时域还是频域都是宽带信号 ,无法直接去除 ,只能用滤波的方法来抑制噪声 ,增大信噪比。这样 ,滤除干扰噪声 就成为闪电电磁场波形统计分析与特征提取之前的首要任务 。为此 ,本文对闪电瞬态电场信号波形进行了去 噪研究 。 1 　方法原理 　　信号去噪常用的传统滤波方法有限幅滤波 、加权平滑滤波 、复合滤波以及经典数字滤波等 ,这些传统数字 滤波方法通常是去除噪声所在的频率段 , 因此被广泛使用于普遍存在的含低频信号和高频噪声的信噪分离 。 显然在信号谱和噪声谱相互混叠的情况下 ,这些方法都有局限性[2 ] 。小波分析是近年来迅速发展起来的一个 新的数学分支 ,在信号分析和图像处理等方面具有广泛的应用 ,并且已经取得了显著的效果 。小波分析的主要 ( ) 优点是在时间 或空间 域和频率域同时具有良好的局部化性质 , 因而 ,就信号去噪问题而言 ,它比经典的频率 域滤波方法更具有灵活性 。以小波变换为基础的处理方法不但能够获得较高的信噪比,而且能够保持 良好的 分辨率[24 ] 。 1 . 1 　小波分解与重构 ψ( ) ( ψ( ) 2 ( ) 2 ( ) ) [ 3 ]