[发明专利]一种基于短时窗均值-VMD算法的惯导非平稳信号降噪方法

说明书

本发明提供了一种基于短时窗均值‑VMD算法的惯导非平稳信号降噪方法，属于定位导航领域。该方法包括的步骤有：(1)短时窗求均值处理；(2)信号平稳化处理；(3)变分模态分解处理；(4)信号重构；(5)降噪信号获得。本发明的方法消除了振动与电磁等多源异构噪声干扰对组合惯导定位检测影响，能够抑制煤矿掘进工作面多源异构噪声干扰，提升煤矿掘进装备定位精度。

技术领域

本发明属于定位导航领域，尤其涉及一种基于短时窗均值-VMD算法的惯导非平稳信号降噪方法。

背景技术

掘进机作为掘进工作面的核心装备，对掘进机的精确定位是实现自动化、智能化掘进的关键技术之一。光纤惯导由于其具有位姿检测精度高、不依赖外界信息的特性，光纤惯导组合定位系统比较适合应用于煤矿掘进装备的精确定位。然而，煤矿井下掘进工作面作业空间狭小、环境复杂多变、电磁干扰严重，同时掘进装备截割时易受振动干扰，这些多源异构噪声会影响光纤惯导的位姿检测准确性。因此，需要深入研究掘进装备光纤惯导信号降噪方法，消除噪声干扰对掘进装备精确定位的影响。

目前，主要运用经验模态分解(EMD)降噪、小波降噪等方法对惯导检测信号进行降噪。但小波降噪方法在进行去噪时受到小波基和分解层数选取的限制，并且不适用于数据中的有色噪声。EMD降噪方法存在有效本征模态函数选取依赖于经验判断以及有效IMF分量包含噪声的问题，导致降噪效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于消除振动与电磁等多源异构噪声干扰对组合惯导定位检测影响，提出一种基于短时窗-VMD算法的惯导非平稳信号降噪方法，该方法能够抑制煤矿掘进工作面多源异构噪声干扰，提升煤矿掘进装备定位精度。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于短时窗均值-VMD算法的惯导非平稳信号降噪方法，步骤如下：

(1)短时窗求均值处理

在时域对原始信号进行短时窗微分，在短时窗内求信号均值；

(2)信号平稳化处理

将短时窗均值处理后的每段信号重新拼接成完整信号，用初始信号减去短时窗均值处理后的完整信号，变成平稳信号；

(3)变分模态分解处理

对平稳信号进行变分模态分解，分解层数对应信号中频率分量；

(4)信号重构

根据模态分量的能量值，筛选有用信号的模态分量进行信号重组；

(5)降噪信号获得

VMD降噪后的平稳信号加上短时窗均值信号，得到最终降噪信号。

进一步地，所述步骤(1)中，短时窗求均值处理的具体实现步骤包括：

(1.1)将原始信号划分为若干组，根据原始信号设定窗宽与重复单元数，窗宽指单个窗包含的数据长度，重复单元指第k个窗与k+1个窗的重复部分，即每一段的重叠样本数，默认值是在各段之间产生50％的重叠；则原始信号总长度为：

n＝xW-(x-1)L (1)

上式中n为原始信号总长度，分成x段窗，每段窗宽为W，窗与窗间重叠长度为L；

(1.2)对每段短时窗求均值；

上式中F(t,x)为每段短时窗的均值。

进一步地，所述步骤(2)中，信号平稳化处理的具体实现步骤包括：

(2.1)将每段短时窗重新拼接到一起，得到完整均值信号；