关键词：
滤波处理（精选十篇）
滤波处理 篇1
目前在市场上及一些高校所用的测量糖浓度的旋光仪主要有三种,手动旋转测量角度的旋光仪误差最大。还有利于机械转动进行测量是目前最为常见的旋光仪器,机械误差不可避免。另外一种运用测量光强来分析角度的旋光仪,价格比较昂贵,对光电探测器的要求也比较高。敏感度越高,则成本就越高。一般的光电探测器所探测的角度精度可达到0.2°。为了能使测量精度提高的同时,并且降低成本,对原有旋光仪进行优化设计。设计方法是运用法拉第磁旋光调制的方法测量溶液浓度,对光电探测器输出信号研究分析。先采用MATLAB-SIMULINK对系统进行优化设计,运用TMS320F2812 DSP芯片将基频信号与倍频信号分离,对一段时间测量的信号分别求总的功率的平均值做除法运算测得旋光角。此种方法可将光电探测器测量精度由0.2°提高到0.001°,从而优化了仪器降低了成本。
1 磁调制旋光仪设计原理
当线偏正光透过盛有旋光效应溶液的时候,偏振面会沿着光轴发生一定角度旋转,旋光角为φ。
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其中,α为溶液的旋光率,它的大小跟溶液性质、光的波长λ及温度T有关,其中C为溶液浓度,L是光通过的溶液长度。当偏振光通过对法拉第线圈进行交流调制过的磁旋介子时,旋光角度增加了微调角β。[1]
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V为Verdet常数,V跟物质的性质有关,当温度及波长确定时,V是恒值;d为光通过磁旋介质的距离,B为磁场强度。
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i为通过法拉第线圈的电流,由(2)及(3)式可得,
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通过光电检测器测量的光强大小,
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I0为入射光强,I1为出射光强,由于φ+βsin(2πft)值小,可将sin(φ+βsin(2πft))做近似处理为sin(φ+βsin(2πft))≈φ+βsin(2πft)。[2]
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将近似处理的光强信号分解可以看出,此时的信号是由三种信号合成,分别为直流信号、基频信号与倍频信号。可以将(6)式的信号做进一步处理,即将基频信号求功率值与倍频信号进行相除,即可得到基频信号与倍频信号的幅值平方比。
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已知β值,由上式可求出旋光角φ的值。
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将测得的φ值带入式(1)中,便可以求出样品溶液的浓度值C。
2 原理图及材料选择
图1为磁调制滤波旋光仪原理图,所运用的半导体激光器功耗低、寿命长是最佳的光源发生器;滤光片滤出光的波长为650 nm;起偏器与检偏器垂直正交,在无旋光作用下,光电探测器测得值为零,即为消光位置;FD-MOC-A 磁光效应综合试验仪对调制线圈的磁场的幅值与频率进行调节;长度为2 cm的冕玻璃;样品管的长度为10 cm;DSP芯片对光电探测器输出信号进行滤波,求出基频与倍频信号的平均功率比,由(8)式得出旋光角,再根据溶液浓度与眩光角的比值关系计算出溶液浓度值,输出给液晶显示屏。
3 蔗糖溶液浓度测量实验
3.1 参数设置
经实验验证冕玻璃在光波波长为650 nm温度为20°C的情况下费尔德常数值为V=3.5×102min/T·cm=583.3(°/T·cm),蔗糖溶液在旋光率α=64.6(°/g·ml·dm)。[4]实验前,调整电流的幅值为0.2 A,频率为50 Hz,由(4)式得β=0.586397°。
3.2 系统优化设计
运用MATLAB-SIMULINK进行程序设计[5]。信号处理流程图如图2,模拟仿真原理图如图3。
图3的三个输入信号三个输出量,input signal为光电探测器的输入信号端,经过增益处理,分别运用Butterworth带通滤波器分频滤波,对Zero-Order Hold零阶保持器设置到0.0001,运用Variance求总的平均功率,input constant1为β/4值,input constant2为αL的值。输出端1为undefined,输出端2为φ,输出端3为溶液浓度C。
对优化好的旋光仪进行数据采样,采样图形如图4～7。图4为由光电探测器输出的信号,可以看出信号非常弱并带有噪声,经过对输入信号放大得图5。分别用Butterwoth带通滤波器滤出的基频信号图6及倍频信号图7。由于随机噪声对滤出的信号存在幅值影响,分别对基频信号及倍频信号求设定时间段的总功率平均值,从而降低噪声的干扰。
3.3 测量实验
用TMS320F2812 DSP芯片处理光电探测器测量并放大的光强信号,信号在DSP芯片上进行A/D转换采样频率设在10 000 Hz、分频滤波、将基频信号平均功率与倍频信号的进行比较,平率功率测量时间设为10 min。[6]数值运算所得的值由扩展存储器接口(EMIF)跟液晶显示器连接。浓度测量得出实验数据如表1。
3.4 数据分析
从表1中可以看出,运用优化的滤波处理旋光仪,所测量的样品溶液的浓度值非常接近理想值,最大误差值为0.005 mg/ml。将测量浓度的旋光角的值与理想曲线比较如图8所示,测量的数据跟理想曲线的吻合度非常高。测量的旋光角精度与理论值对比可得出, 运用此系统测量旋光角精度可达到0.001°,对角度的精度测量得到一定程度的优化。对低浓度蔗糖溶液浓度梯度在2 mg/ml的测量误差范围在ΔC=(0.005～-0.005)(mg/ml)。由于测量的信号存在随即噪声,统计计算,随着测量计算,输出数据不断修正。理论上,当测量时间达到无穷大时,统计结果将趋近于理论值。
4 结 语
本文在分析了旋光仪光电检测器测量精度不高问题的基础上,设计了运用法拉第磁旋光调制的方法将直流光信号转变为由三个中信号组合的信号。对这三种信号进行研究分析,运用滤波器进行分频,滤出基频信号与倍频信号,求两者的平均功率,从而测量溶液浓度。在一定程度上弥补了光电探测器对微小旋光角不敏感的问题,优化了测量精度,降低了噪声和功耗。通过对样品旋光度的测量,可以分析确定物质的浓度、含量及纯度等。可广泛应用于制药、药检、制糖、食品、香料、味精以及化工、石油等工业生产,科研、教学部门,也可用于化验分析或过程质量控制方面。
参考文献
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[2]Wu Bochun,Jia Hongzhi,Xia Guizhen.Measuring the opticalrotation based on the fast fourier transform[J].Optik,2012,(123):1404-1406.
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[4]刘竹琴.利用光强分布测试仪测量蔗糖溶液的旋光率及其浓度[J].大学物理,2010,29(2):37-39.
[5]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].北京:清华大学出版社,2008:167-180.
滤波处理 篇2
相位匹配滤波器是一组线性滤波器,它的傅里叶相位与被检测信号的傅里叶相位相等.本文阐述了相位匹配滤波器的基本原理,并根据已获得的`特定路径的频散曲线完成了理论设计,实现了对小震级事件面波信号的检测.使用该相位匹配滤波器对内华达地区的18次核爆事件的面波信号进行检测并计算了面波震级,与ISC公报给出的面波震级比较,相对误差很小.证明了本设计对面波信号的检测是有效的,并且可提高小震级面波信号的信噪比.
作 者：周青云 何永峰 靳平廖桂生 ZHOU Qing-yun HE Yong-feng JIN Ping LIAO Gui-sheng 作者单位：周青云,ZHOU Qing-yun(西安电子科技大学,陕西,西安,710071;西北核技术研究所,陕西,西安,710024)
何永峰,靳平,HE Yong-feng,JIN Ping(西北核技术研究所,陕西,西安,710024)
廖桂生,LIAO Gui-sheng(西安电子科技大学,陕西,西安,710071)
滤波处理 篇3
【关键词】电容器；烧毁；技术归零
一、概述
2012年，从外场返回一台蓄电池组主充电器，反映该住充电器通风管口有焦糊味，且在地面电源上电时主蓄绿灯闪亮，导致飞机发电机上的交流配电盒断路器跳开。在开盖检查后发现，该充电器内部的某型交流滤波器被烧毁，导致产品停止工作、不能充电，经该交流滤波器研制生产单位分析认为，该滤波器实效是由其内部的X电容引脚与PCB的焊接点虚焊引起的。今日，工厂再次收到外场返修产品，且该返修产品故障现象与上次故障类似，经了解查明，充电器内部的交流滤波器再次出现烧毁的故障现象。
二、原因和机理分析
问题发生后，相关部门高度重视，按照返修流程向相关部门进行了情况通报，组织人员对产品进行了检查和原因分析，并将该交流滤波器返回研制生产单位进行实效分析，同时选派技术和质量人员一起参加相关工作。
该交流滤波器是由A、B、C三相组成，内部有共模电感及X电容等组件。在对该交流滤波器进行开盖前后，工厂对产品的外观进行了仔细检查，测量了其直流电阻、电感量、电容量等值，发现A相和C相之间的三只X电容中的其中两只电容的封装外壳已出现部分损坏且该两只电容器已失效，另一只X电容已全部碳化，只剩两根电容引脚，其下方PCB板烧穿约6×6mm，A相输出端周围壳体焊缝处焊锡已融化，共膜电感A相绕组已烧断，其磁芯外壳被烧坏。通过以上现象说明，交流滤波器内部PCB出现了大面积的碳化现象，并引起严重的短路现象，使得A、C相电流比B相电流大，导致A相漆包线烧断。为彻底查明故障原因，工厂再上次分析的基础上，借鉴前期其他产品故障分析的经验，重新对X电容出现碳化的现象进行了分析，对电容碳化可能存在的因素进行了逐个分析：
1.固有缺陷。如果电容器内部存在一定程度的空隙等固有微缺陷，该类缺陷会使电容器抗电强度下降，并在一定强度的电场作用下就可能引起电容器击穿，从而造成电容器短路烧毁。另外，固有缺陷会使电容介质损耗增大，空隙处在电场作用下产生漏电而使电容器发热量增加，在电场和热量的不断积累作用下，造成电容器热击穿，短路烧毁。
2.外应力作用造成裂纹损伤。外应力作用通常可分为热应力和机械应力两大类。在焊接或安装过程中，由于外应力作用，电容器内部可能会出现裂纹，从而使得电容参数出现异常。一般情况下，电容器内部裂纹的产生可能导致其产生短路的现象；但当在电场、潮气等综合环境作用下，裂纹处就会逐渐形成漏电通道，导致电容器绝缘电阻和抗电强度下降，从而发生电容器短路、击穿甚至烧毁等现象。由于X电容的工作电压为交流275V，远高于交流滤波器的工作电压115V。而从印制板烧毁的情况来看，印制板底烧毁面积明显大于安装元器件一面的面积，即烧毁现象首先发生在印制板底板。因此，综合上述现象及分析，该交流滤波器短路是由于X电容在装配过程中出现损伤或存在固有缺陷，经过长时间使用后，该电容形成漏电通道，并最终形成短路产生热量，导致焊孔周围PCB板碳化，短路产生的热量导致相应位置的电容温度升高，当超过其允许的最高温度时发生电容击穿烧毁，从而产生上述的A相共模电感的漆包线烧断及X电容烧毁等现象。
三、改进措施
为避免类似问题的重复发生，根据实际情况，制定了相应的解决措施：
1.在供方对发生的问题进行严格归零。一是完善交流滤波器设计，采用金属化过孔处理的PCB电路板，优化焊盘，同时改进降温、散热设计，加强交流滤波器壳体散热速度，降低内部温度，使得电容器不会因短路而烧毁；二是完善工艺文件，将焊接要求操作时间T<10S更改为5S 2.工厂加强对供方的过程控制。一是对供方的特殊过程进行确认；二是派人前往供方对交流滤波器在出所前的温度冲击和振动试验进行全过程检查；三是对供方交付的交流滤波器进行X光抽样检查。 3.做好举一反三工作。一是按照更改后的工艺文件要求，对目前在厂的交流滤波器进行X光检查；二是对在厂装有该交流滤波器的产品进行复查，并对外场产品使用情况进行了解。 当前，随着电子装备科学技术的迅猛发展，元器件的技术、工艺和质量等级都等到了很大提高，而在科研生产过程中，很多承制单位仍存在着“边研制、边生产、边交付”现象，由于经费、进度等各方面的原因，一些产品仍然沿用以前选用的低质量等级元器件，从而影响了产品质量。因此在质量监督过程中，要以可靠性为关注焦点，督促工厂在研制过程中要严格贯彻可靠性设计思想，落实可靠性设计准则，认证开展可靠性预计、分配与分析等工作，加强对产品设计和元器件选型的控制，在生产和使用过程中要加强可靠性管理工作，开展可靠性摸底与鉴定试验，重视元器件二次筛选和质量控制，注重收集产品可靠性数据，进行数据统计分析，适时组织进行可靠性增长，不断提高装备可靠性水平。 在图像的许多应用领域当中,一般都需要对图像进行预处理,以便其能够更好的符合实际应用的要求。用梯度锐化的方法对图像进行处理时,它的主要工作就是提取图像的边缘和突出图像中的细节。用这种方法对图像进行预处理后, 可以使得图像中那些被隐藏在细节中的有效信息得以显现; 也可以以此为基础对图像进行压缩,以节约有限的存储空间, 提高传输效率。另外,一幅图像一般都拥有自己所特有的边缘和细节特征,那么也就可以以此为根据,将这些边缘和细节特征作为图像的唯一标示来存储或使用。 2、空间域图像增强 在空间域中可以用与积分相类似的均值处理方法使图像变得平滑,那么从数学的角度上看,要想实现对数字图像的锐化处理,就可以用与微分相类似的方法来完成。在数学上无论怎样定义和描述一个一阶微分,它都必须要满足一下几点,第一:在平坦的部分处,其微分是零;第二:在突起部处,其微分不能是零。 对数字图像进行微分锐化处理,即是增强图像中的突起区域,而抑制图像中的平坦区域。对于一幅完整的图像而言, 它的边缘部分一般都是处在图像中灰度值变化的区域内,因此就可以一阶微分的方法来提取图像的边缘。在实际操作的过程中,一般都要用到一些专门用于检测的算子,这些算子具有对图像边缘进行检测的能力,我们通常用到的一些锐化算子有Prewitt算子、Laplacian算子、Roberts算子、 Sobel算子等[3]。本次设计就是利用MATLAB的模拟仿真功能来具体实现对图像边缘和细节部分的提取。Sobel算子是我编写锐化梯度滤波器所用到的具体算子,借以用来实现边缘提取的功能。 3、Sobel加权算子 对于一个函数f(x,y)在点 (x,y) 处梯度如下: 在近似处理时 ∇f可以用下式计算: 那么3×3模板的近似结果为: 在二十世纪六十年代年,由Robert使用了交叉差分的算法分别定义了Gx和Gv: 那么我们可以很容易的得到它的梯度和它的近似梯度分别为: 这即是由Robert所定义的交叉梯度算子。 对于最小的滤波器掩膜——3×3的掩膜,它在点z5处的梯度近似结果表示为: 4、对空间锐化滤波结果的分析 一个灰度图像经过空间梯度锐化滤波器处理后,就变成了一个二值图像,经过这样的一个锐化滤波处理后,就着重突出了图像中的边缘和细节区域,同时也削弱了灰度变化缓慢的区域,这用就使得原图像中的缺陷和边缘部分更为突出, 如此处理后也更加的方便和简化了自动检测时的计算任务。 一阶微分梯度锐化滤波器可以使用很多不同类型的锐化算子来构建,虽然用不同算子所构建的梯度锐化滤波器的原理基本都是一样的,但是由于每个锐化算子都有自己特有的性质和算法。用这样的一些滤波器来处理灰度图像时,在处理结果上都会提取出原图像当中的边缘和细节区域并对这些部分予以增强处理,不过不同算子之间,由于算法和自身性质的差异,不同算子的处理结果在提取边缘的精细程度、增强效果以及清晰程度等方面上是有着很多的不同点。因此,在对不同图像进行边缘或细节信息提取时,就应该结合实际需要, 妥善的选择一个符合要求的锐化算子来构建一阶微分梯度锐化滤波器。 摘要：数字图像处理技术已经越来越多的用于社会生产活动中,越来越广泛的服务于人们的日常生活当中。随着科学技术的发展,数字图像处理技术逐步的向各个科学领域所渗透,现今已经发展成为了一个专门的学科方向。在对图像的预处理和自动检测以及其他一些特殊领域当中,往往需要突出其边缘部分和图像获取或传输过程中被模糊了的细节部分。本文利用锐化滤波器,成功的提取了图像的边缘信息,同时也突出了图像中的细节部分,取得了比较圆满的结果。 GPS监测网动态数据处理抗差Kalman滤波模型 为克服观测向量中的粗差对状态参数滤波值的影响,通过分析其影响规律,并充分顾及到粗差在预测残差中得到全部反映的特点,导出了GPS监测网动态数据处理的抗差卡尔曼滤波模型--该模型对观测空间和设计空间均具有良好的抗差性.通过利用该抗差滤波模型对含有粗差的.模拟GPS监测网的计算,与采用标准卡尔曼滤波模型的计算结果相比较,可获得可靠的变形分析结果. 作 者：余学祥 吕伟才 YU Xue-xiang LU Wei-cai 作者单位：淮南工业学院,资源与环境工程系,安徽,淮南,23刊 名：中国矿业大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF CHINA UNIVERSITY OF MINING & TECHNOLOGY年，卷(期)：29(6)分类号：P207关键词：抗差卡尔曼滤波 GPS监测网 等价增益矩阵 粗差 变形分析 关键词:有源滤波器;无源滤波器;混合型有源电力滤波器 在各种有源电力滤波器中单独使用的并联型有源电力滤波器是最基本的一种,也是工业中应用最多的一种。与无源滤波器相比有源滤波器有很多优点,但由于使用电力电子开关,因此有源电力滤波器成本高,要在配电系统中广泛推广还有困难。有源电力滤波器的成本的与容量成一定的比例关系,因此对于一定容量的非线性负载,如果能减小有源电力滤波器的容量就可以减低成本。为此人们提出了将无源滤波器与有源滤波器结合起来组成混合型有源电力滤波器(Hybrid Active Power Filter-HAPF),其基本思想是利用LC滤波器分担有源滤波器的部分补偿任务。它一方面克服了单独使用无源或有源滤波器的不足,另一方面又可以有效降低有源滤波器的容量,从而可以有效降低成本。 一、并联有源滤波器与无源滤波器的连接方式 并联型有源电力滤波器与LC滤波器混合使用的方式又可分为两种:一种是有源电力滤波器与LC滤波器并联;另一种是有源电力滤波器与LC滤波器串联。 图1所示为并联有源电力滤波器与LC滤波器并联方式的两种形式。图1(a)的方式中,有源电力滤波器与高通滤波器均与谐波源接入并联电网,两者共同承担补偿谐波的任务,高通滤波器主要补偿较高次的谐波。这里,高通滤波器,一方面用于消除补偿电流中因主电路中器件通断而引起的谐波,另一方面它可消除补偿对象中次数较高的谐波,从而使得对有源电力滤波器主电路中器件开关频率的要求也可以有所降低。 这种方式中,由于LC滤波器只分担了少部分补偿谐波的任务,故对降低有源电力滤波器的容量起不到显著的作用。图1(b)的方式,LC滤波器包括多组单调谐滤波器及高通滤波器,承担了绝大部分补偿谐波和无功的任务。有源电力滤波器的作用是改善整个系统的性能,其所需的容量与单独使用方式相比可大幅度降低。但是从理论上讲,凡使用LC滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能,因此在有源电力滤波器与LC滤波器并联使用的方式中,需对有源电力滤波器进行有效的控制,以抑制可能发生的谐振。 图2所示为并联有源电力滤波器与无源滤波器串联方式。该方式中,无源滤波器由调谐在5、7和11等次的单调谐滤波器,或者一个高通滤波器并联构成,谐波和无功功率主要由无源滤波器补偿,有源电力滤波器的作用是改善LC滤波器的滤波特性,它只需补偿LC滤波器未能补偿的谐波,并克服LC滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。然而,在这种方式中,有源电力滤波器不用承受交流电源的基波电压,而且只需要提供很小的补偿电流,因此,其所需装置容量不是很大。 二、并联混合型有源电力滤波器的补偿原理与补偿特性 根据图2,可以画出并联混合型有源电力滤波器的单相等效电路[10],如图3所示,其中ZS为系统阻抗,ZF为LC滤波器的总阻抗(为讨论方便,下面将系统和LC滤波器的基波阻抗记为ZS和ZF,而谐波阻抗记为ZSH和ZFH),uS、uAF分别表示系统电压和APF输出电压,iS、iL、iF分别表示系统侧电流、负载电流和滤波器支路电流。 采用电流比例控制,控制APF的输出电压等于系统侧谐波电流的K倍,即 uAF=KiSh 这里将有源滤波器等效为一个受控电压源,则整个电路为线性电路,可以利用迭加原理对图4进行分析。 在理想情况下,通过控制混合型滤波器中有源部分的输出电压即可达到补偿谐波的目的。此时,由于无源滤波器在谐波下的阻抗很小,使得有源滤波器的输出电压uAF也很小,使其容量仅占整个滤波器容量很小的一部分,整体的成本得以下降。同时,当无源滤波器和电力系统之间的并联阻抗在某次谐波下接近无穷大时将会发生并联谐振,有源滤波器的投入使得无源滤波器支路对各次谐波阻抗均为零,不会达到并联谐振的条件,可以抑制并联谐振的发生;当无源滤波器和电力系统之间的串联阻抗在某次谐波下接近零时,只要它们之间有一定的谐波电压就会导致谐波放大,发生串联谐振,有源滤波器的投入使无源滤波器和电力系统串联阻抗之间的谐波电压为零,可以有效地抑制串联谐振。 二维方向滤波器按实现方式的不同分为可分离滤波器和不可分离滤波器两种, 可分离滤波器组的设计实现较简单, 最常用的方法是通过级联一维的树形结构得到二维的方向滤波器, 但是却只有水平和垂直方向的支撑空间, 如图1 (a) , (b) 所示。因此为了能区分更多的方向信息, 需要利用不可分离的方法进行方向滤波器的实现, 得到多种形状的支撑空间, 通常根据不同的应用需求, 设计出具有不同形状支撑空间的滤波器。 例如, 由于人眼对高频信息不敏感, 在一些图像编码应用中让一个子带应尽量拥有更多的低频信息, 在这种应用中, 钻石形滤波器能达到很好的应用效果。在方向子带的编码应用中, 象限滤波器和扇形滤波器也是常用的方向滤波器, 而这些钻石, 象限和扇形滤波器均不能由可分离的滤波器组完成, 它们的频域支撑空间如图1 (c) 、 (d) 、 (e) 所示。不可分离的滤波器组在大多数情况下的设计比可分离的滤波器组的设计要困难得多, 其实施的复杂度也比可分离的滤波器组要高得多。从图1 (d) 、 (e) 的频谱特性可知, 只要将钻石型滤波器水平或垂直平移π便可得到扇形滤波器, 因此二维钻石型滤波器是设计的核心。设计钻石型滤波器的最常用方法是通过McClellan变换, 这种变换由Mc Clellan在1976年提出, 至今已经成为设计二维滤波器的常用方式。此方法将一维的零相位滤波器转换为二维的零相位滤波器。 以钻石形滤波器为例, 任何一维实系数零相位滤波器P (ω) 可被表示为, 其中是实数。因此, 且P∧ (x) 是多项式P∧ (x) =Kn=0∑P∧ (n) x n。给出这样一个一维滤波器P (ω) , 二维滤波器的设计通过多项式P∧ (x) 定义如下: 根据设计要求的不同, 合理地选择Md (ω0, ω1) 即可完成所需的设计, 从而完成二维钻石形滤波器的设计。 综上所述, 可看出不可分离的滤波器的设计过程虽然复杂, 但是由于其丰富的频谱支撑特性, 使今后对图像的纹理和线段方向的分析更加方便和有效, 为图像的多方向分析提供了理论依据和设计思路。 参考文献 [1]Lin Y P and Vaidyanathan P P.Theory and Design of Two Dimensional Filter Banks:A Review[J], Multidimensional Sys-tems and Signal Processing, 1996, 7 (3-4) :263-330. 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[3]Hong P S.Octave Directional Decompositions[D].Ph.D.Thesis, School of Electrical and Computer Engineering Georgia Institute of Technology, 2005. 关键词：频域低通滤波,频域高通滤波,Butterworth高通滤波器 图像作为一种二维信号同样也需要滤波的处理, 因此, 滤波技术在图像增强和图像复原方面有着广泛的应用, 可以通过滤波图像来增强图像的某个属性或去除某些属性。在图像处理方面, 多用到的滤波器是FIR滤波器。本文将以一个实际的例子来说明数字滤波在图像处理中的应用。 1 频域低通滤波 如果图像信号f (x, y) 经过线性系h (x, y) 统后变为g (x, y) , 那么根据卷积定理, 在频域上则应有 其中G (μ, ν) , F (μ, ν) , H (μ, ν) , 分别是g (x, y) , f (x, y) , h (x, y) 的傅里叶变换。 频域增强的方法首先是要计算图像的傅里叶变换, 其次要将其与一个根据要求设计的转移函数相乘, 最后再将结果傅里叶反变换得到增强的图像。 因为图像的能量大部分集中在幅频的低中频段, 边缘和噪声对应的是高频部分, 所以频域低通滤波器能过滤、削弱噪声的影响。Butte rw orth低通滤波器是一种典型低通滤波器, 阶次为n、截止频率为d0的Butterworth低通滤波器转移函数为 2 频域高通滤波 高通滤波的频率值在零频率处是单位1, 但随着频率的增加, 传递函数的数值会逐渐增加。当频率增加到一定数值后, 传递函数通常又会回到0值或者降低到某个大于1的值上。在实际应用中, 为了减少图像中大且缓慢变化的成分的对比度, 有时让0频率处的增益小于1更加合适。阶次为n、截止频率为d0的Butterworth高通滤波器转移函数为 3 实例与分析 3.1 实例 我们利用Butterworth高通滤波器来实现图像边缘的增强, 程序如图1所示。 运行结果如图2所示, 其中 (a) 为原图像, (b) 为高通滤波图像。 3.2 分析总结 由上图可以看出, 图像经过高通滤波器后, 各区域的边界得到较显著增强的同时, 过滤掉了低频分量, 这样导致图中原来较平滑区域内部的灰度动态范围被压缩, 所以整个图像变得比较暗沉, 但是米粒的轮廓却十分明显。该实例表明利用Butterworth高通滤波器可明显增强图像的边缘。 参考文献 [1]郭彩萍, 倪文琦.MATLAB在数字滤波器设计中的应用[J].山西科技, 2007. [2]梁静.数字FIR滤波器的MATLAB设计与仿真[J].现代机械, 2003. [3]武晓春.FIR数字滤波器的MATLAB设计[J].甘肃科技纵横, 2005. 1 基本理论 聚束滤波方法的发展时间较长, 尤其在信号处理领域。由Dean与Shumway给出了该方法的统计学基础;Cox等人又对聚束滤波的方法系统的进行了综述;应用MVU聚束滤波方法, White从勘探资料中提取出一次反射信号;White及Hu对该方法的原理及初步结果概括的给出, Hu又详细的讨论了该方法的原理及其在地震勘探资料处理中的应用。将数据模型的频率在一个CMP道集中可以描述为:x=As+u。x表示记录到的数据, s表示待估计、归一化的信号, u表示零均值、微弱的稳态噪声:A={Akj (f) }, Akj (f) =akjexp (-2πifτkj-iθkj) , 其中, akj、θkj及τkj分别表示第j个信号在第k个信道内的振幅、相位及时间延迟。包括相关噪声和有效信号, 即多次波与一次波。 在对设计MVU聚束滤波方法时, 最小方差与无偏要满足以下条件:输出噪声能量最小、没有信号畸变。在频率域, 如果存在逆矩阵 (AH Q-1A) -1, 那么多道滤波器为:H= (AH Q-1A) -1AH Q-1, 其中, Q表示估计值, 值为E[u u]H⋅E[⋅], H表示共轭转置。由定义该矩阵最大本征值与最小本征值之比的本征临界值对逆矩阵的稳定性进行控制。如果是随机噪声, 且每一道就同等的能量, 则Q=σ2I, σ2表示每一道的能量值或者是噪声的方差。信号估计为:s= (AH A) -1AH x。 2 自适应聚束滤波 通过多次循环处理的方法对信号的振幅、相位、时间延迟及位置信号的估计的方法称之为自适应聚束滤波。初始位置信号的估计采用等振幅、等相位偏移的模型获得, 根据强制性曲线拟合方法, 对新的振幅、相位、时间延迟进行获取。可以通过共中点道集的交互式速度分析对位置信号的数目初值进行获取。一般情况下, 通过初步的预处理结果对自适应聚束滤波的参数进行选择确定。 2.1 自适应估计 根据类似于Weiss等人的方法对修正模型参数获取步骤进行确定, 与之不同的是运用更快速、更强制性的算法进行累赘的代替。根据Wax的方法对时间与相位进行估计。如果地震频率带宽的参数能够基本满足白噪声, 其均为最大似然估计, 对相对振幅进行估计时, 噪声对振幅的影响可以通过资料中的噪声校正来消除。初始模型的时间延迟是从等振幅、等相位的IVA中估计出来的, 然后对其进行傅里叶变换, 得到每个信号的波形。则可以将此完整模型的信号通过傅里叶变换进行构造, 对该模型以及记录的数据的差即获得第一个循环残余值, 除过随机噪声外, 残余值中还涵盖初始模型拟合差。为了对每一个信号的的振幅与时间延迟进行估计, 对估计出的信号波形、其余信号的记录道进行计算。信号波形表示处该信号的模型道;信号的记录道的波形是第一个循环的残余值与该信号重构道集的和。对信号参数进行修正的时候, 先对最强信号进行处理, 然后处理次强信号, 顺序由强到若, 降低了强信号对弱信号的干扰, 这个每个信号都能在每一个道上可以得到三个结果:相对振幅、相对移动、时间延迟。 2.2 回归公式 受离散采样与噪声的干扰, 每一道上估计的参数都存在一定的误差。输入数据段的信噪比、时间间隔及频带带宽都对参数的稳定性有影响。除了离散采样与噪声外, 估计值也是误差产生的一个因素, 如果多数道上目标信号未被干扰, 可用自动切除干扰带数据的强回归技术得到可靠的AVO曲线。在有限的数据段可以去除多数信号的干扰。如果信号的干扰过大, 可以得到满意的循环结果, 如果强信号干扰弱信号时, 循环非常重要。同理, 先对强信号进行分析可以降低其对弱信号的干扰。在降低离散采样与噪声影响时, 利用强回归技术, 对已知振幅、相位及时间延迟的特性的了解是非常关键的。 多层模型一次反射波走时-偏移距公式: 其中, 可以从估计时间延迟τkj获得走时tkj;第k道的偏移距为kx, 则非双曲型参数c3为: 其中, 0表示初值, j表示第j个信号;dl表示第l层厚度, VINT, l表示第l等层内速度。由IVA可以估算出初始零偏移距均方根速度V0RMS, j和双程走时t00, j。将其带入Dix公式即可计算出其值。 此外, 参数t0, l、VRMS, l及c3可直接对公式进行多项式回归估计出。c3的计算直接从初始参数计算比较快, 但是, 信号弱或者噪声大的数据, 时间延迟的估计相对不稳定, 对t0, l、VRMS, l的估计采用两个可调参数进行回归估计相对安全一些, 根据AVO公式, 第j个信号的振幅通过下式可计算得出: 其中lA表示零偏移距或者垂直入射的振幅, Bl是一个与介质两侧密度和泊松比有关的参数, t20, j、V2RMS, j是从走时-偏移距公式回归得到的已知参数。对上式用强制性回归方法可估计出参数Al和Bl, 然后将参数用于上式, 即可对振幅值进行修正。对相位采用多项式进行回归, 即: 其中, c0, j、c1, j、c2.j是和第j个信号有关的参数。与之相似, 相位θkj的修正通过重新计算可以得到, 实际上, 相位的变化不是系统的, 一般假设采用随偏移距零相位变化进行。 3 结论 在地震岩性研究中, 聚束率比方法非常适用, 其本身涵盖的振幅、时间延迟、随偏移距变化的参数模型就可以对地震岩性的振幅、时间延迟及相位随偏移距变化精细分析进行叠前处理。通过自动修正参数的模型使之与数据使用, 采用强制回归方法对数据中信号的干涉进行克服。实践证明, 自适应聚束滤波方法能够有效的消除多次波, 而且信噪比资料越好, 其优越性就更突出。 参考文献 [1]周家雄, 王宇, 郭爱, 等.基于曲波变换的叠后三维地震资料去噪处理研究[J].中国海上油气, 2010 (1) [2]赵邦六, 吕焕通, 唐东磊, 等.地震资料相对保真处理方法研究[J].石油物探, 2009 (4) 测井数据的准确性是保证测井解释结果可靠的前提。在测井数据处理的逐点计算中, 计算机是极严格地按照深度连续驻点取出各个采样点的测井数据来定量计算的。因此, 对测井曲线深度和幅度的准确性更有十分严格的要求。然而, 由于野外测井作业和测井环境的许多随机因素的影响, 即使采用数控测井及严格的技术措施, 同一口井各测井曲线之间的深度一致性也往往难以实现, 各测井数据曲线幅度也不可避免地要受到许多非地层的测量因素的影响。因此, 测井资料预处理是测井解释与数据处理的一项重要工作, 它是保证测井解释与数据处理结果精度的极重要前提。 在碳酸盐岩的声波测井中, 由于声波探头与井壁的随机碰撞干扰, 或在缝洞孔隙和裂缝发育的地层中声波经过多次反射折射, 使测出的声波曲线上出现许多毛刺干扰。显然, 用这些具有毛刺干扰的测井曲线作数字处理, 会给计算的地质参数带来很大的误差;统计起伏或毛刺干扰严重的曲线, 根本不能直接用作数字处理。因此, 必须设法把这些与地层性质无关的毛刺干扰滤掉, 只保留曲线上反映地层特性的有用成分。本文主要讨论的是直线滑动平均法、五点三次平滑法和局部线性估计光滑算法。 1 算法原理 1.1 直线滑动平均法 该方法主要根据对某点临近的采样点的波幅来对该点进行波幅修正, 从而达到对波形进行去噪的目的。一般取5个临近的点, 平均法的基本计算公式如下: 其中:x为采样数据;y为平滑处理后的数据;m为数据点的个数;N为所取的平均点个数;h为加权平均因子 对于简单平均法, 即: 直线滑动平均法就是利用最小二乘法对离散数据进行线形平滑的方法。5点直线滑动平均法的计算公式为: 公式中:i=3, 4, …m-2 1.2 五点三次平滑法 五点三次平滑法是利用最小二乘法原理对离散数据进行三次最小二乘多项式平滑的方法, 五点三次平滑法计算公式为: 公式中:i=3, 4, …m-2 1.3 基于局部线性估计的光滑处理算法 这种光滑处理算法是一种基于临近点的局部线性加权估计算法, 光滑处理后的数据是建立在对原有的每一个数据点的局部线性回归上的。Lowess (局部加权散点平滑法, 采用线性最小二乘法和一阶多项式拟合得到的数据进行替换) 由cleveland在1985年提出, 是加权回归中最精巧的形式, 方法类似于滑动平均技术, 是在指定的窗口之内, 每一点的数值都用窗口内临近的数据进行加权回归得到的, 回归方程可用线性的或者二次的。如果在指定的窗口宽度之内, 拟进行平滑的数据点两侧的进行平滑的数据点是相等的, 则为对称Lowess, 如果两侧数据点不等, 则为非对称Lowess。 利用Lowess方法进行数据平滑处理的重点参数在于窗口宽度的选择, 窗口宽度过大, 将使得光滑描点涵盖的历史数据过多, 降低最新数据信息对平滑值的影响。反之, 过窄的窗口宽度使“平滑”后的数据并不平滑。本实验中, 选择的是窗口大小为5。简而言之就是在最小二乘法的基础上增加一次滑动窗口, 每个窗口根据实际情况确定大小, 就是在计算每个光滑点的同时, 用它附近所有窗口点的大小值。因此每个点都有一个权值, 离当前点越远它的权值越小, 权值根据欧式距离的计算公式为: 其中δmax为离当前点最远的点到当前点的距离 2 编程实现 MATLAB可以对通过编制的M文件直接进行运行和调试, 由于M文件是解释性的程序语言, 所以M文件无论从形式、结构、语法规则等方面都比一般计算机高级语简单、易写、易读得多, 而且程序容易调试, 人机交互性强。MATLAB的一系列工具箱所包含的全部函数都是M文件编写的。工具箱可以灵活编程实现所需的要求;并且MATLAB语言提供了一套强大的图形程序, 为计算过程和结果的可视化提供了极佳的手段。 因此, 我们就是采用MATLAB下的lowess函数, function c=lowess (x, y, span, method, robust, iter, ws) 根据上节讨论, 一般来说, Lowess方法包括以下步骤: Step1, 计算指定窗口内各个数据点的初始权重, 权重函数一般表达为数值之间欧氏距离比值的立方函数; Step2, 利用初始权重进行回归估计, 利用估计式的残差定义稳健的权函数, 计算新的权重; Step3, 利用新的权重重复步骤2, 不停地修正权函数, 第N步收敛后可根据多项式和权重得到任意点的光滑值。 利用MATLAB可以很方便实现这个过程, 而其余两种方法, 我们只需将算法编制后制作成相应的M文件, 方便调用, 最后我们根据PLOT () 函数对结果绘图。 3 算法验证 由上述图片可知, 五点平滑法应用比较简单, 但是平滑后的数据没有保持原来曲线特征;而五点三次法保留了曲线的特征, 但是又不够光滑;lowess方法在保持曲线特征的同时又光滑, 能够抵御异常点引起的偏差, 但是缺点在于计算复杂, 而且在多于2 000个数据点以上这些方法都不合适, 就要使用小波等信号处理工具。在实际工程应用中, 要根据现实状况选择比较合适的方法。 参考文献 [1]孙苗钟.基于MATLAB的振动信号平滑处理方法[J].电子测量技术, 2007 (6) . [2]王济, 胡晓.MATLAB在振动信号处理中的应用[M].北京:中国水利水电出版社, 2006. [3]雍世和.测井数据处理与综合解释[M].东营:石油大学出版社, 2002. [4]刘伍丰, 何旭春.数据平滑处理算法的编程[J].软件时空, 2007 (3) . [5]代广进, 侯正信.小波域信号去噪算法[J].电子测量技术, 2005 (6) .滤波处理 篇4
滤波处理 篇5
并联有源滤波器与无源滤波器的研究 篇6
图像处理中方向滤波器的设计 篇7
数字滤波在图像处理中的应用 篇8
简述地震资料处理中的聚束滤波方法 篇9
滤波算法在测井数据预处理中的应用 篇10
