一种基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法，包括如下步骤：采集地磁数据序列B(t)；对获得的原始地磁信号B(t)进行多尺度特征分析，判别是否发生模态混叠，若发生模态混叠，则提取混叠信号进行局部EMD分解滤波后还原至原信号，否则继续下一步；对信号B(t)进行EMD分解，获得各本征特征函数；对各个IMF分量imfi(t)求解自相关比值Rr，并与阈值Tr比较，第一个大于Tr的分量即可被认为是模态分界点；对模态分界点之前的分量进行软阈值滤波，并与模态分界点之后的分量进行重构，完成滤波。本发明专利技术采用基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法，克服了传统经验模态分解中的模态混叠和模态分界点确立不明的缺陷，提高了地磁滤波的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法
本专利技术属于地磁滤波
，具体涉及一种基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法。
技术介绍
地磁导航系统以其信息量丰富、全天时、全天候、隐蔽性好等优势在近年受到了众多研究人员的广泛关注，可应用于水下潜器、室内载体等多种情况。由于地磁场信号较弱，易受到外界磁场、电子设备工作时产生的磁场等随机磁场的影响，对磁场信号的滤波处理就显得尤为重要。载体磁场中的随机磁场信号来源广泛且特性复杂，目前主要依靠屏蔽和滤波的方法进行改善。磁屏蔽可有效降低随即磁场的干扰，但不能完全消除；传统的频域滤波在地磁频率和干扰频率接近的情况下表现欠佳，并且未对地磁信息进行多尺度、深层次分析，会带来地磁导航系统中的匹配误差。小波分析方法可提取信号的时域和频域特征，符合地磁场信号多尺度的特点，但小波基的选取仍依赖经验选择，为滤波效果带来不确定性。经验模态分解(EMD)是一种自适应的信号时频分析方法，依据信号本身的特征进行分解分析，无需信号的先验知识，特别适应于非线性、非平稳信号的分析处理。传统EMD分解在对地磁信号的非线性误差抑制时，舍弃了低信噪比的分量中的信号部分，造成信号缺失。小波软阈值滤波可保留部分信号能量，减小信号损失。EMD在对有瞬时脉冲干扰的地磁信号进行分解时，将发生模态混叠效应，影响滤波结果。广义组合形态学滤波利用信号局部特征改善瞬时干扰，保证了EMD分解的有效性。但是，形态学滤波利用数学方法对模态混叠现象进行改善，无法分析瞬时干扰的时频特征，且在信号受外界磁场源冲击时，无法消除模态混叠效应。此外，EMD分解的基于连续均方差的模态分界点确立准则无法适用于低信噪比的情况，导致无法确立模态分界点。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种能够提高算法的鲁棒性、提高了测量精度、在低信噪比情况下也可正确识别分界点的基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法，包括如下步骤：1)利用磁通门传感器等采集地磁数据序列B(t)，其中，B(t)为原始地磁信号，t为信号长度；2)对获得的原始地磁信号B(t)进行多尺度特征分析，判别是否发生模态混叠，若发生模态混叠，则提取混叠信号进行局部EMD分解滤波后还原至原信号，否则继续下一步；3)对信号B(t)进行EMD分解，获得各本征特征函数，此时B(t)可表示为其中imfi(t)为各IMF分量，r(t)为分解残余分量，n为EMD分解阶数；4)对各个IMF分量imfi(t)求解自相关比值Rr，并与阈值Tr比较(Tr＝0.4～0.5)，第一个大于Tr的分量即可被认为是模态分界点；5)对模态分界点之前的分量进行软阈值滤波，并与模态分界点之后的分量进行重构，完成滤波。进一步地，所述步骤2具体包括如下步骤：2.1)寻找信号B(t)中所有极大值点和极小值点，记为Bmax(m),Bmin(n)，则m和n分别代表极大值和极小值点的位置序列，记为m(i),n(j),(i＝1,…,I,j＝1,…,J)；2.2)计算value(h)＝Bmax(a)-Bmin(a)(a＝1,…,min(m,n))，代表幅值尺度特征序列，令time(h)＝m(a)-n(a)(a＝1,…,min(m,n))代表时间尺度特征序列；2.3)绘制value(h),time(h)，判断序列中是否发生突变，若存在突变，则将突变区间所对应的信号序列并以此作为模态混叠发生的序列，进行隔离提取滤波，滤波后还原至信号，得到新的信号B′(t)，继续步骤3，若不存在突变，则直接进行步骤3。进一步地，所述步骤3具体包括如下步骤：3.1)令k＝1,i＝1；3.2)对长度为t的原始地磁信号B(t)找出其所有极大值点和极小值点，利用三次样条差值获得B(t)的上包络线Bk+(t)和下包络线Bk-(t)，利用求得上下包络线的均值线mk(t)；3.3)将信号B(t)减去mk(t)获得去掉低频的信号判断新信号是否满足本征信号函数的条件：且过零点的个数和极值点个数最多相差1，如果满足，则令为第i个本征信号函数，记为imfi(t)，然后进行步骤e；如果不满足，则令k＝k+1，i＝1，然后返回步骤3.2；3.4)将信号B(t)减去imfi(t)，得到一个去掉高频信号的新信号ri(t)；3.5)判断新信号ri(t)是否还能再进行分解：如果能，则令B(t)＝ri(t)，令i＝i+1，k＝1，然后返回步骤3.2；如果不能，则记录分解的总次数为n，最终得到的不能分解的新信号为ri(t)，信号B(t)如式(1)所示：进一步地，所述步骤4具体包括如下步骤：4.1)计算各imf分量的自相关函数，记为xcorr1,…,xcorrn，以imf1的自相关函数xcorr1为例，记xcorr1的最大值为记xcorr1去除区间的序列后最大值为式中的lengthof(·)为信号长度；4.2)根据式(2)计算得自相关比值Rr。4.3)将自相关比值Rr与阈值Tr进行比较，若大于Tr则认为此时的IMF分量已为信号主导模态，即为模态分界点；否则继续计算下一阶IMF分量的自相关比值并与阈值Tr比较。进一步地，所述步骤5具体包括如下步骤：5.1)对模态分界点之前的分量进行软阈值滤波：若模态分界点为u，则对第1个到第u-1个IMF信号利用小波软阈值法去噪：利用式(3)计算第i个imf信号的阈值ti，1≤i≤u-1，对第i个IMF信号进行重构，得到imfi'，imfi'中第ii个点为imfi'(ii)，如式(4)所示；式(3)中的media(·)为中值；5.2)对信号B(t)进行重构，重构信号为有益效果：本专利技术与现有技术相比，具备如下优点：1、能够在地磁信号被外界磁场信号、外界电流信号等干扰时，克服经验模态分解过程中的模态混叠效应，可定位提取到干扰信号并进行单独滤波处理，提高算法的鲁棒性；2、针对经验模态分解在低信噪比时，基于连续均方差的模态分界点确立方法正确确立分界点的问题，提出利用信号的自相关函数，并定义自相关比值，以评价不同分量的信噪比，使得算法在低信噪比情况下也可正确识别分界点；3、采用基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法，无需先验知识，保留了信号的自身特征，减小了随机磁场对测量结果的影响，提高了测量精度。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2为本专利技术与其他滤波方法的效果对比图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术。如图1所示，本实施例提供一种基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法，包括如下步骤：1)利用磁通门传感器采集地磁数据序列B(t)，其中，B(t)为原始地磁信号，t为信号长度；2)对获得的原始地磁信号B(t)进行多尺度特征分析，判别是否发生模态混叠，若发生模态混叠，则提取混叠信号进行局部EMD分解滤波后还原至原信号，否则继续下一步，其具体流程步骤如下：2.1)寻找信号B(t)中所有极大值点和极小值点，记为Bmax(m),Bmin(n)，则m和n分别代表极大值和极小值点的位置序列，记为m(i),n(j),(i＝1,…,I,j＝1,…,J)；2.2)计算value(h)＝Bmax(a)-Bmin(a)(a＝1,…,min(m,n))，代表幅值尺度特征序列，令time本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法，其特征在于：包括如下步骤：1)采集地磁数据序列B(t)，其中，B(t)为原始地磁信号，t为信号长度；2)对获得的原始地磁信号B(t)进行多尺度特征分析，判别是否发生模态混叠，若发生模态混叠，则提取混叠信号进行局部EMD分解滤波后还原至原信号，否则继续下一步；3)对信号B(t)进行EMD分解，获得各本征特征函数，此时B(t)可表示为

【技术特征摘要】
1.一种基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法，其特征在于：包括如下步骤：1)采集地磁数据序列B(t)，其中，B(t)为原始地磁信号，t为信号长度；2)对获得的原始地磁信号B(t)进行多尺度特征分析，判别是否发生模态混叠，若发生模态混叠，则提取混叠信号进行局部EMD分解滤波后还原至原信号，否则继续下一步；3)对信号B(t)进行EMD分解，获得各本征特征函数，此时B(t)可表示为其中imfi(t)为各IMF分量，r(t)为分解残余分量，n为EMD分解阶数；4)对各个IMF分量imfi(t)求解自相关比值Rr，并与阈值Tr比较，第一个大于Tr的分量即可被认为是模态分界点；5)对模态分界点之前的分量进行软阈值滤波，并与模态分界点之后的分量进行重构，完成滤波。2.根据权利要求1所述的一种基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法，其特征在于：所述步骤2具体包括如下步骤：2.1)寻找信号B(t)中所有极大值点和极小值点，记为Bmax(m),Bmin(n)，则m和n分别代表极大值和极小值点的位置序列，记为m(i),n(j),(i＝1,…,I,j＝1,…,J)；2.2)计算value(h)＝Bmax(a)-Bmin(a)(a＝1,…,min(m,n))，代表幅值尺度特征序列，令time(h)＝m(a)-n(a)(a＝1,…,min(m,n))代表时间尺度特征序列；2.3)绘制value(h),time(h)，判断序列中是否发生突变，若存在突变，则将突变区间所对应的信号序列并以此作为模态混叠发生的序列，进行隔离提取滤波，滤波后还原至信号，得到新的信号B′(t)，继续步骤3，若不存在突变，则直接进行步骤3。3.根据权利要求1所述的一种基于多尺度经验模态分解的地磁滤波方法，其特征在于：所述步骤3具体包括如下步骤：3.1)令k＝1,i＝1；3.2)对长度为t的原始地磁信号B(t)找出其所有极大值点和极小值点，利用三次样条差值获得B(t)的上包络线Bk+(t)和下包络线Bk-(t)，利用求得上下包络线的均值线mk(t)；3.3)将信号B(t)减去mk(t)获得去掉...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立辉，乔楠，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32