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小波分析在MEMS陀螺信号降噪中的应用研究

作　者: 刘永
导　师: 罗兵
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: MEMS陀螺 小波分析 信号去噪 标准差
分类号: TN911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


陀螺漂移是惯性导航系统误差的主要误差源,因此有效地补偿陀螺漂移误差是保证惯性导航系统精度的关键。MEMS陀螺的随机漂移误差往往表现为非平稳性、弱线性、慢时变的特性,同时受外部环境等不确定性因素影响,在惯性导航系统中不能用简单方法加以补偿。小波分析以其优良的多分辨率特性特别适合非平稳信号的处理,本文从MEMS陀螺信号的特性出发,研究基于小波分析的去噪方法应用于MEMS陀螺信号降噪。主要对小波变换模极大值降噪方法、基于小波变换尺度间相关性的去噪方法以及小波阈值去噪方法进行了研究,对实际应用过程中的效果进行了对比分析。论文的主要内容包括:1.分析和总结了小波变换方法产生的脉络、背景知识及其在MEMS陀螺信号降噪的应用情况;阐述了连续小波变换、离散小波变换、二进小波变换的基础理论以及小波多分辨率分析的相关理论;并着重介绍了常用的基于小波变换的模极大值降噪方法、尺度间相关性的去噪方法以及小波阈值去噪方法的原理、算法的实现以及各方法的特点。2.以MATLAB生成的MEMS陀螺仿真信号为对象,分别运用基于小波分析的模极大值降噪方法、尺度间相关性降噪法和小波阈值去噪法对其进行降噪处理,并得出以上三种方法的最优小波基和最优降噪尺度。其中,采用Birge-Massart阈值对陀螺仿真信号进行12尺度降噪取得的效果最佳,几乎完全抑制了噪声信号,保留了94.91%的信号能量,使信号的标准差由1.3270(°/s)降低到0.0477(°/s),改善了信号的稳定性。3.基于MEMS陀螺的测试系统,进行了硅微陀螺标定实验,获取了硅微陀螺静态、匀速转动和变速转动的角速度数据。依据MALAB仿真信号降噪的参数选取结论,分别对实测数据进行基于小波分析的降噪处理。通过对三种方法降噪结果的分析,发现采用Birge-Massart阈值去噪法进行降噪效果最好,能够几乎完全抑制噪声并保留较高的能量比例。同时,Birge-Massart阈值去噪法对陀螺静态信号的标准差由0.1987(°/s)降低到0.0069(°/s),对匀速转动信号的标准差由0.2169(°/s)降低到0.0138(°/s),对变速转动信号的降噪信号幅值没有造成较大的衰减,能够几乎完全抑制噪声。本文通过对MEMS陀螺仿真信号以及实测数据的降噪处理,表明运用基于小波分析的降噪方法,在提高MEMS陀螺性能方面,有较好的应用价值。

全文目录


摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章 绪论  13-17
  1.1 课题研究的背景和意义  13-14
  1.2 小波分析在MEMS 陀螺信号降噪应用的研究概况  14-16
    1.2.1 小波分析的背景知识  14-15
    1.2.2 小波分析应用于MEMS 陀螺信号降噪的研究现状  15-16
  1.3 本文的研究工作  16-17
第二章 小波分析的理论基础  17-31
  2.1 连续小波变换  17-18
  2.2 离散小波变换  18-21
    2.2.1 原理  18-19
    2.2.2 分解算法  19-20
    2.2.3 重构算法  20-21
  2.3 二进小波变换  21
  2.4 小波的多分辨率分析  21-23
  2.5 常用小波函数介绍  23-30
    2.5.1 Haar 小波  24-25
    2.5.2 Daubechies 小波  25-26
    2.5.3 Symlet（symN）小波  26
    2.5.4 Biorthogonal（biorNr.Nd）小波族  26-27
    2.5.5 Coiflet（coifN）小波  27-28
    2.5.6 Morlet 小波  28
    2.5.7 Mexican Hat 小波  28-29
    2.5.8 Meyer 小波  29-30
  2.6 本章小结  30-31
第三章 基于小波分析的降噪方法研究  31-43
  3.1 小波变换模极大值去噪方法的研究  31-34
    3.1.1 信号与噪声在小波变换各尺度上的传播特性  31-32
    3.1.2 模极大值去噪算法  32-33
    3.1.3 参数的选取  33-34
  3.2 基于小波变换尺度间相关性的去噪方法研究  34-39
    3.2.1 基本原理  34-35
    3.2.2 算法实现  35-39
  3.3 小波阈值去噪方法的研究  39-41
    3.3.1 基本原理  39
    3.3.2 算法描述  39-41
    3.3.3 阈值的选取方法  41
  3.4 去噪方法的对比  41-42
    3.4.1 模极大值去噪法  41-42
    3.4.2 相关性去噪法  42
    3.4.3 小波阈值去噪法  42
  3.5 本章小结  42-43
第四章 小波去噪法对 MEMS 陀螺仿真信号的降噪分析  43-56
  4.1 MEMS 陀螺信号的仿真  43-44
    4.1.1 陀螺漂移信号的数学模型  43
    4.1.2 陀螺漂移信号的仿真  43-44
  4.2 小波分析应用于陀螺信号降噪的基本原理  44-47
    4.2.1 陀螺漂移信号的降噪原理  44-45
    4.2.2 小波基的选取  45-46
    4.2.3 陀螺信号去噪效果的评估标准  46-47
  4.3 小波分析应用于MEMS 陀螺仿真信号降噪的分析  47-55
    4.3.1 模极大值法的降噪分析  47-49
    4.3.2 相关去噪法的降噪分析  49-51
    4.3.3 小波阈值法的降噪分析  51-53
    4.3.4 对比分析  53-55
  4.4 本章小结  55-56
第五章 小波分析在硅微陀螺实测信号降噪中的应用  56-70
  5.1 硅微陀螺实测信号的获取  56-59
    5.1.1 测试系统  56
    5.1.2 角速度信号的提取  56-59
  5.2 硅微陀螺静态信号的降噪分析  59-61
    5.2.1 模极大值法的降噪分析  59-60
    5.2.2 相关去噪法的降噪分析  60
    5.2.3 小波阈值法的降噪分析  60-61
    5.2.4 对比分析  61
  5.3 硅微陀螺匀速转动信号的降噪分析  61-64
    5.3.1 模极大值法的降噪分析  61-62
    5.3.2 相关去噪法的降噪分析  62-63
    5.3.3 小波阈值法的降噪分析  63
    5.3.4 对比分析  63-64
  5.4 硅微陀螺变速转动信号的降噪分析  64-68
    5.4.1 模极大值法的降噪分析  64-65
    5.4.2 相关去噪法的降噪分析  65-66
    5.4.3 小波阈值法的降噪分析  66-68
    5.4.4 对比分析  68
  5.5 本章小结  68-70
第六章 总结与展望  70-72
  6.1 全文总结  70-71
  6.2 展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-78
作者在学期间取得的学术成果  78

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信理论 > 噪声与干扰
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