基于CEEMDAN-小波阈值的电容式棉种监测信号降噪方法附Matlab代码

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🔥 内容介绍

一、引言：电容式棉种监测信号降噪 —— 精准农业的 “数据基石”

在棉花精量播种与种子质量检测领域，电容式监测技术因能实时获取棉种的介电特性（反映水分含量、饱满度等关键指标），成为实现 “良种筛选、精准下种” 的核心技术之一。然而，在田间或实验室监测场景中，电容式棉种监测信号极易受到环境干扰（如田间电磁辐射、温湿度波动）、机械噪声（如播种机振动、传感器接触摩擦）以及电路噪声（如信号采集模块的电流噪声）的叠加污染，导致原始监测信号出现 “基线漂移”“尖峰干扰” 等问题，严重影响棉种介电特性的精准提取，进而误导种子质量判断与播种量调控。

传统降噪方法如单一小波阈值去噪，虽能抑制部分高频噪声，但对与棉种信号频率重叠的低频干扰（如机械振动噪声）处理效果有限；而经验模态分解（EMD）虽可自适应分解非平稳信号，却存在 “模态混叠” 缺陷，难以精准分离棉种有效信号与噪声。自适应噪声完备集合经验模态分解（CEEMDAN）作为 EMD 系列算法的优化版本，能通过添加高斯白噪声实现信号的平稳化分解，有效解决模态混叠问题；将其与小波阈值的 “高频噪声抑制” 优势结合，构建CEEMDAN - 小波阈值联合降噪算法，可实现对电容式棉种监测信号的 “分层净化”，为棉花精准农业的数据分析提供高质量信号支撑。

二、电容式棉种监测信号的噪声特性与降噪挑战

要理解 CEEMDAN - 小波阈值算法的价值，需先明确电容式棉种监测信号的特殊性与降噪难点：

（一）电容式棉种监测信号的本质特征

电容式棉种监测信号是一种非平稳、弱幅值的低频信号，其频率范围集中在 0.1-10Hz（对应棉种通过传感器的速度与介电特性变化），有效信号幅值通常仅为 mV 级。例如，饱满棉种的介电常数较高，对应监测信号的峰值约为 5-8mV；而干瘪棉种的介电常数低，信号峰值仅为 2-3mV，且两种信号的波形差异细微。这种 “低幅值、弱差异” 的特性，使得噪声极易掩盖有效信号特征，增加降噪难度。

（二）主要噪声类型与干扰机制

1. 环境干扰噪声：田间场景中，高压输电线路产生的工频电磁噪声（50Hz）、大气电场变化导致的静电干扰，会以 “高频叠加” 形式混入监测信号，使原始信号出现周期性波动；实验室场景中，温湿度变化会改变电容传感器的介电环境，导致信号出现 “缓慢基线漂移”（频率 0.01-0.1Hz）。

1. 机械振动噪声：播种机作业时的齿轮啮合振动（频率 1-5Hz）、棉种下落撞击传感器的瞬时冲击噪声（频率 10-50Hz，幅值可达 10-15mV），前者与棉种有效信号频率高度重叠，后者易产生 “尖峰脉冲”，破坏信号完整性。

1. 电路噪声：信号采集模块的运算放大器热噪声（频率 <1Hz，幅值 <1mV）、模数转换（ADC）过程中的量化噪声，虽强度较弱，但会导致监测信号的 “基底噪声” 升高，影响低幅值干瘪棉种信号的识别。

（三）传统降噪方法的局限性

1. 单一小波阈值去噪：需手动选择小波基函数与分解层数，对 1-5Hz 的机械振动噪声抑制效果差，且易将棉种有效信号的峰值误判为噪声，导致 “过降噪”；

1. EMD 去噪：分解过程中易出现 “模态混叠”（如将 50Hz 工频噪声与棉种信号混入同一本征模态函数 IMF），无法实现有效分离；

1. 均值滤波 / 中值滤波：虽能平滑基线漂移，但会模糊棉种信号的峰值特征，导致饱满与干瘪棉种的信号差异缩小，影响后续质量判断。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

🔗 参考文献

[1]杨苗,任玲,王双,等.基于CEEMDAN-小波阈值的电容式棉种监测信号降噪方法[J].农业机械学报, 2025(5).

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