基于离散小波变换的海洋工程数据降噪研究

摘要

小波变换作为一种数学工具，凭借其良好的多分辨分析能力，在诸多研究领域被广泛地应用。物理模型试验是海洋工程领域重要的研究手段之一，但在物理模型试验中采集到的数据往往会受到噪声污染，因而在进一步处理这类数据时，需要对数据信号进行降噪处理以确保试验结果的准确性。基于上述情况，本文通过基于离散小波变换的降噪方法对从软钢臂单点系泊浮式生产储油卸油装置(FPSO)物理模型试验中采集到的数据进行降噪处理，从而提高试验数据的准确性。
　　本文首先详细介绍了离散小波变换的基本概念和理论基础，然后对小波降噪方法的理论进行了细致的介绍，重点介绍了常用的几种小波函数和降噪过程中参数的选取规则以及数据降噪性能的评价指标。
　　随后对单点软刚臂系泊FPSO水池物理模型试验进行了简单的介绍，通过对FPSO自由衰减信号中加入已知白噪声形成带噪信号，并应用小波降噪方法对其进行分析处理来评估不同小波函数、阈值选取以及重调方式的降噪效果，从而找出适合于船舶运动量信号的最优降噪参数选取组合。结果表明，db8和sym10小波函数，Stein无偏风险阈值选择方法，sln重调方式的组合降噪效果最佳。将此种降噪组合应用于单点软钢臂系泊FPSO试验采集的运动量数据进行降噪处理，结果表明降噪效果良好。
　　最后应用小波降噪方法对系泊力数据进行了降噪处理。系泊塔关键节点处的受力是系泊系统设计的主要依据。采用小波降噪方法对几组工况下采集到的系泊力数据进行降噪处理，并与传统的低通滤波方法进行了对比。结果表明小波阈值降噪方法可以很好地解决低通滤波方法滤去高频瞬态系泊力的问题，其降噪结果较为合理，能够反映真实的试验现象。另外通过频谱分析，发现小波降噪方法能够准确地分辨出真实信号和噪声之间的差别，保留了信号中重要的高频信息。最后，通过选取不同参数，比较其对降噪效果的影响，得到对于实测系泊力信号的最优降噪组合。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景、目的及意义

1．2 国内外研究概况

1．3 本文主要研究工作

2 小波变换的基础理论

2．1 常用降噪方法的原理及比较

2．1．1 Fourier变换

2．1．2 短时Fourier变换

2．1．3 小波变换

2．2 连续小波变换

2．3 离散小波变换

2．4 多分辨率分析

2．5 Mallat算法

2．5．1 Mallat分解算法

2．5．2 Mallat重构算法

3 小波阈值降噪方法

3．1 小波阈值降噪方法

3．2 小波基函数及其性质

3．2．1 小波函数的性质

3．2．2 常用小波基函数

3．3 分解尺度的确定

3．4 阈值的选取

3．5 阈值重调方式

3．6 降噪性能的评价标准

4 单点软刚臂系泊FPSO物理模型试验

4．1 单点软钢臂系泊FPSO模型试验

4．1．1 模型试验

4．1．2 海洋环境条件

4．1．3 试验步骤

4．1．4 试验结果与分析

4．2 FPSO自由衰减试验

4．2．1 试验步骤

4．2．2 试验结果

5 基于自由衰减信号的小波降噪实验

5．1 不同小波函数降噪效果对比

5．1．1 小波降噪实验

5．1．2 降噪结果分析

5．2 不同参数选取对降噪效果的影响

5．3 小波降噪和低通滤波方法的比较

5．4 小结

6 船舶运动量信号的小波降噪分析

6．1 横摇信号降噪结果分析

6．1．1 作业工况

6．1．2 极端工况

6．2 纵荡信号降噪结果分析

6．2．1 作业工况

6．2．2 极端工况

6．3 升沉信号降噪结果分析

6．3．1 作业工况

6．3．2 极端工况

6．4 回转信号降噪结果分析

6．4．1 作业工况

6．4．2 极端工况

6．5 小结

7 基于实测系泊力信号的小波降噪分析

7．1 小波阈值降噪结果分析

7．1．1 作业工况

7．1．2 极端工况

7．1．3 两种降噪方法的频谱分析

7．2 不同参数选取对小波降噪性能的影响

7．2．1 不同阈值选择方式的对比

7．2．2 不同重调方式对比

7．2．3 硬、软阈值函数对比

8 结论

8．1 主要结论

8．2 展望与趋势

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢