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LCD与EMD的最佳选择-比较分析

时间:2023-06-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:为了说明LCD的优越性,需要将其与现有分解方法进行对比。基于此考虑,同时为了节约篇幅,避免不必要重复比较工作,本书仅将LCD与EMD方法进行对比。从图2.5、图2.6和表2.1可以看出,与EMD相比,LCD分解得到的分量与真实值的相关系数更高且相对误差更小,更接近真实值,端点效应也不明显。此外,由表2.2也易看出,与EMD相比,在相同终止条件下LCD分解得到第一个和第二个分量所需的迭代次数和耗时都比EMD要少。

LCD与EMD的最佳选择-比较分析

为了说明LCD的优越性,需要将其与现有分解方法进行对比。研究发现,LMD和ITD虽然在某些方面对EMD进行了改进,但就最终分解效果来讲,EMD方法仍具有优势,而且相对于LMD和ITD,EMD要更常用、应用要更广泛。基于此考虑,同时为了节约篇幅,避免不必要重复比较工作,本书仅将LCD与EMD方法进行对比。

不失一般地,首先考察式(2.13)所示仿真信号x(t):

其中,x1(t)=[1+0.5sin(sin 5πt)]cos(500πt+20πt2),x2(t)=4sin(sin 40πt)。混合信号x(t)由一个调幅调频信号和一个正弦信号叠加而成,x(t)及其两个组分的时域波形如图2.2所示。

为了比较EMD和LCD两种分解方法的分解效果,分别考虑端点效应未处理和处理后两种情况,其中端点处理都采用Rilling等提出的镜像对称延拓方法[105]

首先,采用EMD对式(2.13)信号x(t)进行分解。IMF分量的判据是SD<0.3时终止迭代。端点效应未处理和处理后的分解结果分别如图2.3和图2.4所示,其中Ci表示第i个IMF分量,ri表示残余项。

图2.2 仿真信号x(t)及其分量的时域波形

图2.3 端点效应未处理信号x(t)的EMD分解结果

图2.4 端点效应处理后信号x(t)的EMD分解结果

再采用LCD方法对x(t)进行分解,ISC分量的判据是SD<0.3时终止迭代。端点效应未处理和处理后的LCD分解结果分别如图2.5和图2.6所示,其中Ci表示第i个ISC分量,ri表示残余项。

为了比较两种分解方法得到的分量与真实分量的吻合程度,分别采用相对误差能量和相关系数作为评价指标。两种分解方法得到前两个分量与对应真实分量x1(t),x2(t)的相对误差能量和相关系数如表2.1所示。同时为了比较二者的分解速度,由EMD和LCD得到前两个分量所需的时间和迭代次数,如表2.2所示。

图2.5 端点效应未处理信号x(t)的LCD分解结果

图2.6 端点效应处理后信号x(t)的LCD分解结果

表2.1 两种方法分解得到的分量与真实值的误差和相关性

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表2.2 两种方法得到前两个分量所需的时间和迭代次数

由图2.3和图2.4可以看出,EMD分解结果有明显的端点效应,而且产生了较多的虚假分量C3、C4和C5。从图2.5、图2.6和表2.1可以看出,与EMD相比,LCD分解得到的分量与真实值的相关系数更高且相对误差更小,更接近真实值,端点效应也不明显。此外,由表2.2也易看出,与EMD相比,在相同终止条件下LCD分解得到第一个和第二个分量所需的迭代次数和耗时都比EMD要少。此例表明:与EMD相比,LCD在分解速度和分解效果方面有一定的优越性。

为了比较两种分解方法分量的瞬时特征的精确性,对两种分解方法分解端点效应处理后数据得到的前两个分量,采用HT提取它们的瞬时频率和瞬时幅值,结果分别如图2.7和图2.8所示。

图2.7 EMD分解得到的分量C1和C2的瞬时频率和瞬时幅值

图2.7和图2.8中,EMD和LCD两种方法第一个分量的瞬时幅值和瞬时频率结果非常接近,无明显差别。但是,比较两种方法第二个分量的瞬时幅值和瞬时频率可以发现,ISC2无论瞬时频率还是瞬时幅值都比C2准确,而且波动性更小,C2的瞬时特征的端点效应也比较明显,这也从侧面反映了EMD的端点效应较LCD严重。

为了说明LCD在频率分辨能力和抑制模态混叠方面要优于EMD方法,不失一般地,考察式(2.14)所示混合信号x(t):

图2.8 LCD分解得到的分量ISC1和ISC2的瞬时频率和瞬时幅值

其中x1(t)=[1+0.5sin(2π4t)]sin(2π90t),x2(t)=sin(2π50t)。x(t)与其两个分量的时域波形如图2.9所示。分别采用EMD和LCD方法对其进行分解,结果分别如图2.10和图2.11所示。

由图2.10和图2.11可以看出,由于待分解信号的两个分量的频率为50 Hz和90 Hz,较为接近,EMD无法完全分辨出,出现了模态混叠,而LCD则能够分辨出两个分量成分,得到合理的分解结果。这说明LCD方法在分解能力和抑制模态混叠方面有一定的优越性。

图2.9 仿真信号式(2.14)及其分量的时域波形

图2.10 仿真信号式(2.14)的EMD分解结果

图2.11 仿真信号式(2.14)的LCD分解结果

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