摘要

基于希尔伯特-黄变换（HHT）和Savitzky-Golay滤波，提出了一种结合HHT时频分析的半导体激光云高仪后向散射信号去噪方法。该方法在对云高仪后向散射信号的噪声特性及传统去噪方法的缺陷进行研究的基础上，选择截止分量阶一定的自适应时变时空滤波器组（TFB）结构并辅助Savitzky-Golay滤波抑制噪声，最后利用HHT时频分析辅助云层参数及垂直能见度的反演并验证去噪效果。经大量不同天气条件下的实验数据验证及反演结果对比，发现该方法在保留有用信息特征、有效抑制各种平稳或非平稳噪声的基础上，能够帮助云底云高识别及能见度反演，并且降低了云高漏报率、提高了云底云高的细节识别能力和能见度反演的精度。

Abstract

A denoising method combined with Hilbert-Huang transform (HHT) time-frequency analysis for backscatter signal of laser diode ceilometer based on HHT and Savitzky-Golay filtering is proposed. Considering characteristics of ceilometer backscatter signal proper structure of adaptive time-variant time-space filtering bank (TFB) assisted by Savitzky-Golay filtering is selected to suppress noise. Then, HHT time-frequency analysis is used to observe signal features and test denoising effect. It is proved by plenty of test data under various weather conditions that the method can help to suppress noise without deteriorating signal features and improve the ability of cloud base and height identification, and finally obtain precise retrieving of vertical visibility.

补充资料

中图分类号：TN957.52

DOI：10.3788/aos201131.0201001

所属栏目：大气与海洋光学

基金项目：公益性行（气象）科研专项基金（GYHY200706023）资助课题）

收稿日期：2010-04-25

修改稿日期：2010-06-21

网络出版日期：0001-01-01

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联系人作者：何俊峰(hejunfeng@aiofm.ac.cn)

备注：何俊峰（1980—），男，博士研究生，主要从事测云激光雷达系统及信号处理等方面的研究。

【1】Zheng Fatai, Hua Dengxin, Zhou Awei. Empirical mode decomposition algorithm research & application of Mie lidar atmospheric backscatter signal［J］. Chinese J. Lasers, 2009, 36(5): 1068～1074
郑发泰, 华灯鑫, 周阿维. Mie散射激光雷达大气回波信号经验模式分解算法的研究与应用［J］. 中国激光, 2009, 36(5): 1068～1074

【2】Bo Guangyu, Zhong Zhiqing, Liu Bo et al.. Design of optical receiver and signal detection unit for combined rayleigh-Raman-Mie lidar［J］. Chinese J. Lasers, 2009, 36(11): 3020～3025
伯广宇, 钟志庆, 刘博 等. 瑞利拉曼米氏氏激光雷达光学接收和信号检测设计［J］. 中国激光, 2009, 36(11): 3020～3025

【3】Dong Yunsheng, Liu Wenqing, Liu Jianguo et al.. Application study of lidar in urban traffic pollution［J］. Acta Optica Sinica, 2010, 30(2): 315～320
董云升, 刘文清, 刘建国 等. 激光雷达在城市交通污染中应用研究［J］. 光学学报, 2010, 30(2): 315～320

【4】Fan Guangqiang, Hu Shunxing, Xie Jun et al.. Application of the adaptive filter to the data processing for Raman lidar［J］. Chinese J. Lasers, 2009, 36(11): 3002～3006
范广强, 胡顺星, 谢军 等. 自适应滤波在拉曼激光雷达数据处理中的应用［J］. 中国激光, 2009, 36(11): 3002～3006

【5】Su Liping, Zhao Weijiang, Ren Deming. Processing methods for laser scattering signals of bubbles［J］. Chinese J. Lasers, 2009, 36(4): 814～818
苏丽萍, 赵卫疆, 任德明 等. 气泡激光散射信号处理方法［J］. 中国激光, 2009, 36(4): 814～818

【6】Huang N. E., Shen Z., Long S. R. et al.. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and nonstationary time series analysis［J］. Proc. Royal Soc. Lond A, 1998, 454(1971): 903～995

【7】Flandrin P., Rilling, G. Gonalves P. Empirical mode decomposition as a filterbank［J］. IEEE Signal Proc Lett., 2003, 11(2): 112～114

【8】Tan Shanwen, Qin Shuren, Tang Baoping. The filtering character of Hilbert-Huang transform and its application［J］. Journal of Chongqing University, 2004, 27(2): 9～12
谭善文, 秦树人, 汤宝平. Hilbert-Huang变换的滤波特性及其应用［J］. 重庆大学学报, 2004, 27(2): 9～12

【9】Boudraa A. O., Cexus J. C.. EMD based signal filtering［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2007, 56(6): 2196～2202

【10】José Luis Guión, Emma Ortega, José García-Antón et al.. Moving average and Savitzki-Golay smoothing filters using mathcad［C］. Proceedings of the ICEE, 2007, Sptember. 3～7

【11】Han Daowen, Liu Wenqing, Liu Jianguo et al.. Retrieval method for aerosol mass concentration vertical distribution［J］. Chinese J. Lasers, 2006, 33(11): 1567～1573
韩道文, 刘文清, 刘建国 等. 气溶胶质量浓度空间垂直分布的反演方法［J］. 中国激光, 2006, 33(11): 1567～1573

引用该论文

He Junfeng,Liu Wenqing,Zhang Yujun,Chen Zhenyi,Ruan Jun,Wang Liming. A Denoising Method for Backscatter Signal of Laser Ceilometer Based on Hilbert-Huang Transform[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(2): 0201001

何俊峰,刘文清,张玉钧,陈臻懿,阮俊,王立明. 基于希尔伯特-黄变换的激光云高仪后向散射信号去噪方法[J]. 光学学报, 2011, 31(2): 0201001

被引情况

【1】王辰星,达飞鹏. 基于希尔伯特黄变换的自适应相位提取法. 光学学报, 2012, 32(11): 1112006--1

【2】王坤朋,柴毅,苏春晓,李华锋. 新型微弱受激散射光能量信号检测方法. 中国激光, 2013, 40(3): 308006--1

【3】蒋善超,曹玉强,隋青美,王静,王正方,王宁. 基于改进希尔伯特黄变换的超窄带激光器气体检测消噪研究. 光学学报, 2014, 34(1): 107001--1

【4】蔡剑华,王先春. 基于LMD-Teager变换的功率谱估计. 中国激光, 2015, 42(3): 315001--1

【5】鲁梦娣,邱 健,余宛真,李 萍,韩 鹏,骆开庆,彭 力. 希尔伯特-黄变换的纳米颗粒Zeta电位分析方法. 激光与光电子学进展, 2017, 54(1): 12901--1

【6】季文海,宋迪,焦月,马龙岩,李国林. 基于光路自动准直的甲烷遥测技术. 光学学报, 2020, 40(18): 1812001--1