了解CV和RoboMaster视觉组(五)滤波器、观测器和预测方法:维纳滤波器Wiener Filter,LMS

本文介绍了最小均方误差滤波器(LMSEF)的基本原理,它是基于最小化均方误差准则的线性滤波器。LMSEF适用于已知信号统计特性的场景,需要信号和噪声为平稳随机信号。通过求解误差函数的导数,可以找到最优滤波权重。然而,对于动态信号或统计特性未知的情况,传统的LMSEF不再适用。维纳滤波作为LMSEF的一个实例,相比一般线性滤波器,其响应更早衰减,减少了噪声对信号的影响。当无法获取必要的先验信息时,自适应滤波器成为更好的选择。

--neozng1@hnu.edu.cn

接下来两个滤波器对数学和信号处理的知识要求较高,没有相关基础的萌新 RMer可以跳过这两个滤波器的介绍直接看结论。

  • Least Mean Square Error Filter(最小均方误差滤波器,时域)

    经典的频域滤波器要求对信号与噪声的频谱完全得知,并且两者不能有交叠,否则会造成滤除不干净或是影响原有信号的问题。而估计器则是通过已知信息求在某种标准下的原信号的最优估计。LMSEF是维纳博士提出的以最小均方误差为最优准则的一种线性滤波器,奠定了最优滤波器设计的基础。其对于参考信号(或目标信号,即我们希望得到的信号)和噪声信号的要求是平稳随机信号并且统计特性已知(如果统计特性未知或是会改变,请看下面的自适应滤波器)。维纳滤波的最佳适用场景是处理已经被记录下来的信号,或是能够长时间观测的信号。

    假设真实信号为 y(n)y(n)y(n) ,我们采集到的信号序列为 x(n)x(n)x(n)(可以将其看成一个向量),噪声为v(n)v(n)v(n)(也看作向量)。我们设经过滤波器后的估计值为y^(n)\hat{y}(n)y^(n),对于信号卷积形式
    y^(n)=∑k=0nh(k)x(n−k) \hat{y}(n)=\sum_{k=0}^nh(k)x(n-k) y^(n)=k=0nh(k)x(nk)
    这里的h(k)h(k)

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