详解利用Python scipy.signal.filtfilt() 实现信号滤波
本文将以实战的形式基于scipy模块使用Python实现简单滤波处理,包括内容有1.低通滤波,2.高通滤波,3.带通滤波,4.带阻滤波器。具体的含义大家可以查阅大学课程,信号与系统。简单的理解就是低通滤波指的是去除高于某一阈值频率的信号;高通滤波去除低于某一频率的信号;带通滤波指的是类似低通高通的结合保留中间频率信号;带阻滤波也是低通高通的结合只是过滤掉的是中间部分。上面所说的内容会在实战部分加以介绍,可以对比理解一下。
如何实现的呢?我的理解,是通过时域转换为频域,在频域信号中去除相应频域信号,最后在逆转换还原为时域型号。具体的内容还是要查阅大学课程,信号与系统。自己学的很一般就不班门弄斧了。
有什么作用呢?MyOpinions,可以消除一些干扰信号,以低通滤波为例,例如我们如果只是统计脉搏信号波形,应该在1Hz左右,却发现波形信号上有很多噪音,这些噪音都是成百上千Hz的,这些对于脉搏信号波形就属于无用的噪音,我们就可以通过低通滤波器将超出某一阈值的信号过滤掉,此时得到的波形就会比较平滑了。
在使用Python进行信号处理过程中,利用scipy.signal.filtfilt()可以快速帮助实现信号的滤波。
1.函数的介绍
(1).滤波函数
scipy.signal.filtfilt(b,a,x,axis=-1,padtype='odd',padlen=None,method='pad',irlen=None)
输入参数:
b:滤波器的分子系数向量
a:滤波器的分母系数向量
x:要过滤的数据数组。(array型)
axis:指定要过滤的数据数组x的轴
padtype:必须是“奇数”、“偶数”、“常数”或“无”。这决定了用于过滤器应用的填充信号的扩展类型。{‘odd',‘even',‘constant',None}
padlen:在应用滤波器之前在轴两端延伸X的元素数目。此值必须小于要滤波元素个数-1。(int型或None)
method:确定处理信号边缘的方法。当method为“pad”时,填充信号;填充类型padtype和padlen决定,irlen被忽略。当method为“gust”时,使用古斯塔夫森方法,而忽略padtype和padlen。{“pad”,“gust”}
irlen:当method为“gust”时,irlen指定滤波器的脉冲响应的长度。如果irlen是None,则脉冲响应的任何部分都被忽略。对于长信号,指定irlen可以显著改善滤波器的性能。(int型或None)
输出参数:
y:滤波后的数据数组
(2).滤波器构造函数(仅介绍Butterworth滤波器)
scipy.signal.butter(N,Wn,btype='low',analog=False,output='ba')
输入参数:
N:滤波器的阶数
Wn:归一化截止频率。计算公式Wn=2*截止频率/采样频率。(注意:根据采样定理,采样频率要大于两倍的信号本身最大的频率,才能还原信号。截止频率一定小于信号本身最大的频率,所以Wn一定在0和1之间)。当构造带通滤波器或者带阻滤波器时,Wn为长度为2的列表。
btype:滤波器类型{‘lowpass',‘highpass',‘bandpass',‘bandstop'},
output:输出类型{‘ba',‘zpk',‘sos'},
输出参数:
b,a:IIR滤波器的分子(b)和分母(a)多项式系数向量。output='ba'
z,p,k:IIR滤波器传递函数的零点、极点和系统增益.output='zpk'
sos:IIR滤波器的二阶截面表示。output='sos'
2.函数的使用
信号滤波中最常用的无非低通滤波、高通滤波和带通滤波。下面简单介绍这三种滤波的使用过程:
(1).高通滤波
#这里假设采样频率为1000hz,信号本身最大的频率为500hz,要滤除10hz以下频率成分,即截至频率为10hz,则wn=2*10/1000=0.02
fromscipyimportsignal b,a=signal.butter(8,0.02,'highpass') filtedData=signal.filtfilt(b,a,data)#data为要过滤的信号
(2).低通滤波
#这里假设采样频率为1000hz,信号本身最大的频率为500hz,要滤除10hz以上频率成分,即截至频率为10hz,则wn=2*10/1000=0.02 fromscipyimportsignal b,a=signal.butter(8,0.02,'lowpass') filtedData=signal.filtfilt(b,a,data)#data为要过滤的信号
(3).带通滤波
#这里假设采样频率为1000hz,信号本身最大的频率为500hz,要滤除10hz以下和400hz以上频率成分,即截至频率为10hz和400hz,则wn1=2*10/1000=0.02,wn2=2*400/1000=0.8。Wn=[0.02,0.8] fromscipyimportsignal b,a=signal.butter(8,[0.02,0.8],'bandpass') filtedData=signal.filtfilt(b,a,data)#data为要过滤的信号
参考:
1.https://docs.scipy.org/doc/scipy-0.18.1/reference/generated/scipy.signal.filtfilt.html
2.https://docs.scipy.org/doc/scipy-0.18.1/reference/generated/scipy.signal.butter.html#scipy.signal.butter
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