第一篇：濾波技術(shù)

有關(guān)EMI的一點(diǎn)常識(shí)

濾波技術(shù)是抑制干擾的一種有效措施，尤其是在對(duì)付開關(guān)電源EMI信號(hào)的傳導(dǎo)干擾和某些輻射干擾方面，具有明顯的效果。任何電源線上傳導(dǎo)干擾信號(hào)，均可用差模和共模干擾信號(hào)來表示。差模干擾在兩導(dǎo)線之間傳輸，屬于對(duì)稱性干擾；共模干擾在導(dǎo)線與地(機(jī)殼)之間傳輸，屬于非對(duì)稱性干擾。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較小，共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導(dǎo)干擾，把EMI信號(hào)控制在有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限電平以下。

除抑制干擾源以外，最有效的方法就是在開關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。一般設(shè)備的工作頻率約為10～50 kHz。EMC很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳導(dǎo)干擾電平的極限值都是從10 kHz算起。對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號(hào)，只要選擇相應(yīng)的去耦電路或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的EMI濾波器，就不難滿足符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的濾波效果。

瞬態(tài)干擾

是指交流電網(wǎng)上出現(xiàn)的浪涌電壓、振鈴電壓、火花放電等瞬間干擾信號(hào)，其特點(diǎn)是作用時(shí)間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。瞬態(tài)干擾會(huì)造成單片開關(guān)電源輸出電壓的波動(dòng)；當(dāng)瞬態(tài)電壓疊加在整流濾波后的直流輸入電壓ＶＩ上，使ＶＩ超過內(nèi)部功率開關(guān)管的漏－源擊穿電壓Ｖ（ＢＲ）ＤＳ時(shí)，還會(huì)損壞ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ芯片，因此必須采用抑制措施。

通常，靜電放電（ESD）和電快速瞬變脈沖群（EFT）對(duì)數(shù)字電路的危害甚于其對(duì)模擬電路的影響。靜電放電在5 — 200MHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的射頻輻射。此輻射能量的峰值經(jīng)常出現(xiàn)在35MHz — 45MHz之間發(fā)生自激振蕩。許多I/O電纜的諧振頻率也通常在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，結(jié)果，電纜中便串入了大量的靜電放電輻射能量。

當(dāng)電纜暴露在4 — 8kV靜電放電環(huán)境中時(shí)，I/O電纜終端負(fù)載上可以測(cè)量到的感應(yīng)電壓可達(dá)到600V。這個(gè)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了典型數(shù)字的門限電壓值0.4V。典型的感應(yīng)脈沖持續(xù)時(shí)間大約為400納秒。將I/O電纜屏蔽起來，且將其兩端接地，使內(nèi)部信號(hào)引線全部處于屏蔽層內(nèi)，可以將干擾減小60 — 70dB，負(fù)載上的感應(yīng)電壓只有0.3V或更低。

電快速瞬變脈沖群也產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的輻射發(fā)射，從而耦合到電纜和機(jī)殼線路。電源線濾波器可以對(duì)電源進(jìn)行保護(hù)。線 — 地之間的共模電容是抑制這種瞬態(tài)干擾的有效器件，它使干擾旁路到機(jī)殼，而遠(yuǎn)離內(nèi)部電路。當(dāng)這個(gè)電容的容量受到泄漏電流的限制而不能太大時(shí)，共模扼流圈必須提供更大的保護(hù)作用。這通常要求使用專門的帶中心抽頭的共模扼流圈，中心抽頭通過一只電容（容量由泄漏電流決定）連接到機(jī)殼。共模扼流圈通常繞在高導(dǎo)磁率鐵氧體芯上，其典型電感值為15 ～ 20mH。

傳導(dǎo)的抑制

往往單純采用屏蔽不能提供完整的電磁干擾防護(hù)，因?yàn)樵O(shè)備或系統(tǒng)上的電纜才是最有效的干擾接收與發(fā)射天線。許多設(shè)備單臺(tái)做電磁兼容實(shí)驗(yàn)時(shí)都沒有問題，但當(dāng)兩臺(tái)設(shè)備連接起來以后，就不滿足電磁兼容的要求了，這就是電纜起了接收和輻射天線的作用。唯一的措施就是加濾波器，切斷電磁干擾沿信號(hào)線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同夠成完善的電磁干擾防護(hù)，無論是抑制干擾源、消除耦合或提高接收電路的抗能力，都可以采用濾波技術(shù)。針對(duì)不同的干擾，應(yīng)采取不同的抑制技術(shù)，由簡(jiǎn)單的線路清理，至單個(gè)元件的干擾抑制器、濾波器和變壓器，再至比較復(fù)雜的穩(wěn)壓器和凈化電源，以及價(jià)格昂貴而性能完善的不間斷電源，下面分別作簡(jiǎn)要敘述。

專用線路

只要通過對(duì)供電線路的簡(jiǎn)單清理就可以取得一定的干擾抑制效果。如在三相供電線路中認(rèn)定一相作為干擾敏感設(shè)備的供電電源；以另一相作為外部設(shè)備的供電電源；再以一相作為常用測(cè)試儀器或其他輔助設(shè)備的供電電源。這樣的處理可避免設(shè)備間的一些相互干擾，也有利于三相平衡。值得一提的是在現(xiàn)代電子設(shè)備系統(tǒng)中，由于配電線路中非線性負(fù)載的使用，造成線路中諧波電流的存在，而零序分量諧波在中線里不能相互抵消，反而是疊加，因此過于纖細(xì)的中線會(huì)造成線路阻抗的增加，干擾也將增加。同時(shí)過細(xì)的中線還會(huì)造成中線過熱。

瞬變干擾抑制器

屬瞬變干擾抑制器的有氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻、硅瞬變吸收二極管和固體放電管等多種。其中金屬氧化物壓敏電阻和硅瞬變吸收二極管的工作有點(diǎn)象普通的穩(wěn)壓管，是箝位型的干擾吸收器件；而氣體放電管和固體放電管是能量轉(zhuǎn)移型干擾吸收器件（以氣體放電管為例，當(dāng)出現(xiàn)在放電管兩端的電壓超過放電管的著火電壓時(shí)，管內(nèi)的氣體發(fā)生電離，在兩電極間產(chǎn)生電弧。由于電弧的壓降很低，使大部分瞬變能量得以轉(zhuǎn)移，從而保護(hù)設(shè)備免遭瞬變電壓破壞）。瞬變干擾抑制器與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。

氣體放電管

氣體放電管也稱避雷管，目前常用于程控交換機(jī)上。避雷管具有很強(qiáng)的浪涌吸收能力，很高的絕緣電阻和很小的寄生電容，對(duì)正常工作的設(shè)備不會(huì)帶來任何有害影響。但它對(duì)浪涌的起弧響應(yīng)，與對(duì)直流電壓的起弧響應(yīng)之間存在很大差異。例如90V氣體放電管對(duì)直流的起弧電壓就是90V，而對(duì)5kV/μs的浪涌起弧電壓最大值可能達(dá)到1000V。這表明氣體放電管對(duì)浪涌電壓的響應(yīng)速度較低。故它比較適合作為線路和設(shè)備的一次保護(hù)。此外，氣體放電管的電壓檔次很少。

金屬氧化物壓敏電阻

由于價(jià)廉，壓敏電阻是目前廣泛應(yīng)用的瞬變干擾吸收器件。描述壓敏電阻性能的主要參數(shù)是壓敏電阻的標(biāo)稱電壓和通流容量即浪涌電流吸收能力。前者是使用者經(jīng)常易弄混淆的一個(gè)參數(shù)。壓敏電阻標(biāo)稱電壓是指在恒流條件下（外徑為7mm以下的壓敏電阻取0.1mA；7mm以上的取1mA）出現(xiàn)在壓敏電阻兩端的電壓降。由于壓敏電阻有較大的動(dòng)態(tài)電阻，在規(guī)定形狀的沖擊電流下（通常是8/20μs的標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流）出現(xiàn)在壓敏電阻兩端的電壓（亦稱是最大限制電壓）大約是壓敏電阻標(biāo)稱電壓的1.8～2倍（此值也稱殘壓比）。這就要求使用者在選擇壓敏電阻時(shí)事先有所估計(jì)，對(duì)確有可能遇到較大沖擊電流的場(chǎng)合，應(yīng)選擇使用外形尺寸較大的器件（壓敏電阻的電流吸收能力正比于器件的通流面積，耐受電壓正比于器件厚度，而吸收能量正比于器件體積）。使用壓敏電阻要注意它的固有電容。根據(jù)外形尺寸和標(biāo)稱電壓的不同，電容量在數(shù)千至數(shù)百pF之間，這意味著壓敏電阻不適宜在高頻場(chǎng)合下使用，比較適合于在工頻場(chǎng)合，如作為晶閘管和電源進(jìn)線處作保護(hù)用。特別要注意的是，壓敏電阻對(duì)瞬變干擾吸收時(shí)的高速性能（達(dá)ns)級(jí)，故安裝壓敏電阻必須注意其引線的感抗作用，過長(zhǎng)的引線會(huì)引入由于引線電感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓（在示波器上，感應(yīng)電壓呈尖刺狀）。引線越長(zhǎng)，感應(yīng)電壓也越大。為取得滿意的干擾抑制效果，應(yīng)盡量縮短其引線。關(guān)于壓敏電阻的電壓選擇，要考慮被保護(hù)線路可能有的電壓波動(dòng)（一般取1.2～1.4倍）。如果是交流電路，還要注意電壓有效值與峰值之間的關(guān)系。所以對(duì)220V線路，所選壓敏電阻的標(biāo)稱電壓應(yīng)當(dāng)是220×1.4×1.4≈430V。此外，就壓敏電阻的電流吸收能力來說，1kA（對(duì)8/20μs的電流波）用在晶閘管保護(hù)上，3kA用在電器設(shè)備的浪涌吸收上；5kA用在雷擊及電子設(shè)備的過壓吸收上；10kA用在雷擊保護(hù)上。壓敏電阻的電壓檔次較多，適合作設(shè)備的一次或二次保護(hù)。2.1.7硅瞬變電壓吸收二極管（TVS管）硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)時(shí)間（亞納秒級(jí)）和相當(dāng)高的浪涌吸收能力，及極多的電壓檔次。可用于保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。TVS管有單方向（單個(gè)二極管）和雙方向（兩個(gè)背對(duì)背連接的二極管）兩種，它們的主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護(hù)電路工作電壓高10％左右，以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓，使TVS漏電流影響電路正常工作；也避免因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致TVS管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。TVS管有多種封裝形式，如軸向引線產(chǎn)品可用在電源饋線上；雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、I/O總線及數(shù)據(jù)總線的保護(hù)。

TVS管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)：

１、對(duì)瞬變電壓的吸收功率（峰值）與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系。手冊(cè)給的只是特定脈寬下的吸收功率（峰值），而實(shí)際線路中的脈沖寬度則變化莫測(cè)，事前要有估計(jì)。對(duì)寬脈沖應(yīng)降額使用。

２、對(duì)小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，不會(huì)影響線路的正常工作，但限流電阻對(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。

３、對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的是TVS管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。

４、作為半導(dǎo)體器件的TVS管，要注意環(huán)境溫度升高時(shí)的降額使用問題。

５、特別要注意TVS管的引線長(zhǎng)短，以及它與被保護(hù)線路的相對(duì)距離。

６、當(dāng)沒有合適電壓的TVS管供采用時(shí)，允許用多個(gè)TVS管串聯(lián)使用。串聯(lián)管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個(gè)。而峰值吸收功率等于這個(gè)電流與串聯(lián)管電壓之和的乘積。

７、TVS管的結(jié)電容是影響它在高速線路中使用的關(guān)鍵因素，在這種情況下，一般用一個(gè)TVS管與一個(gè)快恢復(fù)二極管以背對(duì)背的方式連接，由于快恢復(fù)二極管有較小的結(jié)電容，因而二者串聯(lián)的等效電容也較小，可滿足高頻使用的要求。

８、固體放電管 固體放電管是一種較新的瞬變干擾吸收器件，具有響應(yīng)速度較快（10～20ns級(jí)）、吸收電流較大、動(dòng)作電壓穩(wěn)定和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。固體放電管與氣體放電管同屬能量轉(zhuǎn)移型。當(dāng)外界干擾低于觸發(fā)電壓時(shí)，管子呈截止?fàn)?。一旦干擾超出觸發(fā)電壓時(shí)，伏安特性發(fā)生轉(zhuǎn)折，進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，此時(shí)電流極大，而導(dǎo)通電阻極小，使干擾能量得以轉(zhuǎn)移。隨著干擾減小，通過放電管電流的回落，當(dāng)放電管的通過電流低于維持電流時(shí)，放電管就迅速走出低阻區(qū)，而回到高阻態(tài)，完成一次放電過程。固體放電管的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的短路失效模式（器件失效時(shí)，兩電極間呈短路狀），為不少應(yīng)用場(chǎng)合所必須，已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。固體放電管的電壓檔次較少，比較適合于作網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備，乃至部件一級(jí)的保護(hù)。

第二篇：電力系統(tǒng)諧波及濾波技術(shù)

電力系統(tǒng)諧波及濾波技術(shù)

摘要：主要針對(duì)電力系統(tǒng)諧波的危害及其檢測(cè)分析技術(shù)，歸納總結(jié)了目前電力系統(tǒng)中進(jìn)行諧波抑制常用的方法。

我們知道，在電力系統(tǒng)中采用電力電子裝置可靈活方便地變換電路形態(tài)，為用戶提供高效使用電能的手段。但是，電力電子裝置的廣泛應(yīng)用也使電網(wǎng)的諧波污染問題日趨嚴(yán)重，影響了供電質(zhì)量。目前諧波與電磁干擾、功率因數(shù)降低已并列為電力系統(tǒng)的三大公害。因而了解諧波產(chǎn)生的機(jī)理，研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對(duì)改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常積極的意義。

諧波及其起源

所謂諧波是指一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。周期為T＝2π/ω的非正弦電壓u（ωt），在滿足狄里赫利條件下，可分解為如下形式的傅里葉級(jí)數(shù)：式中頻率為nω（n＝2，3?）的項(xiàng)即為諧波項(xiàng)，通常也稱之為高次諧波。

應(yīng)該注意，電力系統(tǒng)所指的諧波是穩(wěn)態(tài)的工頻整數(shù)倍數(shù)的波形，電網(wǎng)暫態(tài)變化諸如涌流、各種干擾或故障引起的過壓、欠壓均不屬諧波范疇；諧波與不是工頻整倍數(shù)的次諧波（頻率低于工頻基波頻率的分量）和分?jǐn)?shù)諧波（頻率非基波頻率整倍數(shù)的分?jǐn)?shù)）有定義上的區(qū)別。

諧波主要由諧波電流源產(chǎn)生：當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性設(shè)備時(shí)，設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因而發(fā)生了畸變，由于負(fù)荷與電網(wǎng)相連，故諧波電流注入到電網(wǎng)中，這些設(shè)備就成了電力系統(tǒng)的諧波源。系統(tǒng)中的主要諧波源可分為兩類：含半導(dǎo)體的非線性元件，如各種整流設(shè)備、變流器、交直流換流設(shè)備、PWM變頻器等節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備；含電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源，如日光燈、交流電弧爐、變壓器及鐵磁諧振設(shè)備等。

國(guó)際上對(duì)電力諧波問題的研究大約起源于五六十年代，當(dāng)時(shí)的研究主要是針對(duì)高壓直流輸電技術(shù)中變流器引起的電力系統(tǒng)諧波問題。進(jìn)入70年代后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)、交通及家庭中的廣泛應(yīng)用，諧波問題日趨嚴(yán)重，從而引起世界各國(guó)的高度重視。各種國(guó)際學(xué)術(shù)組織如電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）相繼各自制定了包括供電系統(tǒng)、各項(xiàng)電力和用電設(shè)備以及家用電器在內(nèi)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局于1993年頒布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，標(biāo)準(zhǔn)給出了公用電網(wǎng)諧波電壓、諧波電流的限制值。

如國(guó)內(nèi)某軋鋼廠的4000kW交流變頻同步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，在某種工況下5次諧波含量達(dá)到15.88%，7次諧波含量達(dá)7.9%。另外，低于電網(wǎng)頻率的次諧波和大量的分?jǐn)?shù)次諧波，使電流總諧波畸變率最高時(shí)可達(dá)25.87%，電壓總諧波畸變率最高時(shí)可達(dá)6.19%。遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549－93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，可見，諧波對(duì)電網(wǎng)的污染是相當(dāng)嚴(yán)重的。高次諧波的危害

諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)的危害是嚴(yán)重的，主要表現(xiàn)在：

（1）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。對(duì)如發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)和噪聲；對(duì)斷路器，當(dāng)電流波形過零點(diǎn)時(shí)，由于諧波的存在可能造成高的di/dt，這將使開斷困難，并且延長(zhǎng)故障電流的切除時(shí)間。

（2）諧波對(duì)供電線路產(chǎn)生了附加損耗。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費(fèi)；由于中性線正常時(shí)流過電流很小，故其導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)大量的三次諧波流過中性線時(shí)，會(huì)使導(dǎo)線過熱，損害絕緣，引起短路甚至火災(zāi)。

（3）使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振。工頻下，系統(tǒng)裝設(shè)的各種用途的電容器比系統(tǒng)中的感抗要大得多，不會(huì)產(chǎn)生諧振，但諧波頻率時(shí)，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現(xiàn)諧振，諧振將放大諧波電流，導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。

（4）諧波將使繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作，并使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差。

諧波對(duì)其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大：如對(duì)附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者出現(xiàn)噪聲，降低通信質(zhì)量，重者丟失信息，使通信系統(tǒng)無法正常工作，影響電子設(shè)備工作精度，使精密機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低；設(shè)備壽命縮短，家用電器工況變壞等。

為了有效補(bǔ)償和抑制負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，首先必須對(duì)含有的諧波成分有精確的認(rèn)識(shí)，因而需要實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流中的諧波分量。現(xiàn)有的諧波電流檢測(cè)和分析方法主要基于以下幾種原理：（1）帶阻濾波法

這是一種最為簡(jiǎn)單的諧波電流檢測(cè)方法，其基本原理是設(shè)計(jì)一個(gè)低阻濾波器，將基波分量濾除，從而獲得總的諧波電流量。這種方法過于簡(jiǎn)單，精度很低，不能滿足諧波分析的需要，一般不用。（2）帶通選頻法和FFT變換法

帶通選頻方法采用多個(gè)窄帶濾波器，逐次選出各次諧波分量。利用FFT變換來檢測(cè)電力諧波是一種以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的測(cè)量方法，其基本過程是對(duì)待測(cè)信號(hào)（電壓或電流）進(jìn)行采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)。

這兩種方法都可以檢測(cè)到各次諧波的含量，但以模擬濾波器為基礎(chǔ)的帶通選頻法裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件多，測(cè)量精度受元件參數(shù)、環(huán)境溫度和濕度變化的影響大，且沒有自適應(yīng)能力；后一種檢測(cè)方法其優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)測(cè)量多個(gè)回路，能自動(dòng)定時(shí)測(cè)量。缺點(diǎn)是采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)限制諧波測(cè)量的最高次數(shù)，具有較長(zhǎng)的時(shí)間延遲，實(shí)時(shí)性較差。（3）瞬時(shí)空間矢量法

1983年日本學(xué)者赤木泰文提出的瞬時(shí)無功功率理論，即“p-q”理論，對(duì)電力諧波量的檢測(cè)做出了極大的貢獻(xiàn)，由于解決了諧波和無功功率的瞬時(shí)檢測(cè)和不用儲(chǔ)能元件就能實(shí)現(xiàn)抑制諧波和無功補(bǔ)償?shù)葐栴}，使得電力有源濾波理論由實(shí)驗(yàn)室的理論研究走向工作應(yīng)用。根據(jù)該理論，可以得到瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q，p和q中都含有直流分量和交流分量，即：式中分別為p、q的直流分量，即為對(duì)應(yīng)的交流分量。由可得被檢測(cè)電流的基波分量，將基波分量與總電流相減即得相應(yīng)的諧波電流。因?yàn)樵摲椒ê雎粤肆阈蚍至?，且?duì)于不對(duì)稱系統(tǒng)，瞬時(shí)無功的平均分量不等于三相的平均無功。所以，該方法只適用于三相電壓正弦、對(duì)稱情況下的三相電路諧波和基波無功電流的檢測(cè)。

理論進(jìn)一步發(fā)展和完善了“p-q”理論，該理論提出的檢測(cè)方法解決了三相電壓非正弦、非對(duì)稱情況下三相電路諧波和基波負(fù)序電流的檢測(cè)。

該方法基于自適應(yīng)干擾抵消原理，將電壓作為參考輸入，負(fù)載電流作為原始輸入，從負(fù)載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，得到需要補(bǔ)償?shù)闹C波與無功分量。該自適應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是在電壓波形畸變情況下也具有較好的自適應(yīng)能力，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢。在此基礎(chǔ)上，又有學(xué)者提出一種基于神經(jīng)元的自適應(yīng)諧波的電流檢測(cè)法。

對(duì)于一般的諧波檢測(cè)，如電力部門出于管理而檢測(cè)，需要獲得的是各次諧波的含量，而對(duì)于諧波的時(shí)間則不關(guān)心，因此，傅里葉變換就滿足要求。然而在對(duì)諧波電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)抑制時(shí)，不必分解出各次諧波分量，只需檢測(cè)出除基波電流外的總畸變電流，但對(duì)出現(xiàn)諧波的時(shí)間感興趣，對(duì)于這一點(diǎn)，傅里葉變換無能為力。小波變換由于克服了傅里葉變換在頻域完全局部化而在時(shí)域完全無局部性的缺點(diǎn)，即它在時(shí)域和頻域同時(shí)具有局部性，因此通過小波變換對(duì)諧波信號(hào)進(jìn)行分析可獲得所對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息。

從以上檢測(cè)方法看，基于瞬時(shí)無功功率理論的瞬時(shí)空間矢量法簡(jiǎn)單易行，性能良好，并已趨于完善和成熟，今后仍將占主導(dǎo)地位。基于神經(jīng)元的自適應(yīng)諧波電流檢測(cè)法和小波變換檢測(cè)法等新型諧波檢測(cè)方法能否應(yīng)用于工程實(shí)際，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

諧波抑制方法

在電力系統(tǒng)中對(duì)諧波的抑制就是如何減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流，以便把諧波電壓控制在限定值之內(nèi)，抑制諧波電流主要有三方面的措施：（1）降低諧波源的諧波含量 也就是在諧波源上采取措施，最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這種方法比較積極，能夠提高電網(wǎng)質(zhì)量，可大大節(jié)省因消除諧波影響而支出的費(fèi)用。具體方法有： ①增加整流器的脈動(dòng)數(shù)整流器是電網(wǎng)中的主要諧波源，其特征頻譜為：n＝Kp±1，則可知脈沖數(shù)p增加，n也相應(yīng)增大，而In≈I1/n，故諧波電流將減少。因此，增加整流脈動(dòng)數(shù)，可平滑波形，減少諧波。如：整流相數(shù)為6相時(shí)，5次諧波電流為基波電流的18.5%，7次諧波電流為基波電流的12%，如果將整流相數(shù)增加到12相，則5次諧波電流可下降到基波電流的4.5%，7次諧波電流下降到基波電流的3%。②脈寬調(diào)制法

采用PWM，在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達(dá)到抑制諧波的目的。在PWM逆變器中，輸出波形是周期性的，且每半波和1/4波都是對(duì)稱的，幅值為±1，令第一個(gè)1/4周期中開關(guān)角為γi（i＝1，2，3??m），且0≤γ1≤γ2≤??≤γm≤π/2。假定γ0＝0，γm＋1＝π/2，在（0，π）內(nèi)開關(guān)角α＝0，γ1，γ2，??，γm，π－γm，??，π－γ2，π－γ1。PWM波形按傅里葉級(jí)數(shù)展開，得
??? 由式可知，若要消除n次諧波，只需令bn＝0，得到的解即為消除n次諧波的開關(guān)角α值。

③三相整流變壓器采用Y－d（Y/Δ）或D、Y（Δ/Y）的接線

這種接線可消除3的倍數(shù)次的高次諧波，這是抑制高次諧波的最基本的方法。

（2）在諧波源處吸收諧波電流

這類方法是對(duì)已有的諧波進(jìn)行有效抑制的方法，這是目前電力系統(tǒng)使用最廣泛的抑制諧波方法。主要方法有以下幾種： ①無源濾波器

無源濾波器安裝在電力電子設(shè)備的交流側(cè)，由L、C、R元件構(gòu)成諧振回路，當(dāng)LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。由于具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補(bǔ)償?shù)闹饕侄?。但無源濾波器存在著許多缺點(diǎn)，如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響；對(duì)某些次諧波有放大的可能；耗費(fèi)多、體積大等。因而隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器。

②有源濾波器

早在70年代初期，日本學(xué)者就提出了有源濾波器APF（Active Power Filter）的概念，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。

與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)；在性價(jià)比上較為合理；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。目前在國(guó)外高低壓有源濾波技術(shù)已應(yīng)用到實(shí)踐，而我國(guó)還僅應(yīng)用到低壓有源濾波技術(shù)。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術(shù)作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用范圍也將從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展。③防止并聯(lián)電容器組對(duì)諧波的放大

在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當(dāng)諧波存在時(shí)，在一定的參數(shù)下電容器組會(huì)對(duì)諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全。可采取串聯(lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對(duì)諧波的放大。④加裝靜止無功補(bǔ)償裝置

快速變化的諧波源，如：電弧爐、電力機(jī)車和卷?yè)P(yáng)機(jī)等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會(huì)引起供電電壓的波動(dòng)和閃變，有的還會(huì)造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置，可有效減小波動(dòng)的諧波量，同時(shí)，可以抑制電壓波動(dòng)、電壓閃變、三相不平衡，還可補(bǔ)償功率因數(shù)。

（3）改善供電環(huán)境

選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡，可以有效地減小諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。諧波源由較大容量的供電點(diǎn)或高一級(jí)電壓的電網(wǎng)供電，承受諧波的能力將會(huì)增大。對(duì)諧波源負(fù)荷由專門的線路供電，減少諧波對(duì)其它負(fù)荷的影響，也有助于集中抑制和消除高次諧波。

隨著我國(guó)電能質(zhì)量治理工作的深入開展，基于瞬時(shí)無功功率理論的有源濾波器進(jìn)行諧波治理將會(huì)有巨大的市場(chǎng)潛力。綜合動(dòng)態(tài)的諧波治理措施并同時(shí)考慮電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償問題，是電力企業(yè)當(dāng)前面臨的一大課題。但是要消除諧波污染，除在電力系統(tǒng)中大力發(fā)展高效的濾波措施外，還必須依靠全社會(huì)的努力，在設(shè)計(jì)、制造和使用非線性負(fù)載時(shí)，采取有力的抑制諧波的措施，減小諧波侵入電網(wǎng)，從而真正減少由于諧波污染帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

第三篇：空間頻率濾波實(shí)驗(yàn)報(bào)告

空間頻率濾波

空間頻率濾波是在光學(xué)系統(tǒng)的空間頻譜面上放置適當(dāng)?shù)臑V波器，去掉（或有選擇地通過）某些空間頻率或改變它們的振幅和位相，使物體的圖像按照人們的希望得到改善。它是信息光學(xué)中最基本、最典型的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，是相干光學(xué)信息處理中的一種最簡(jiǎn)單的情況。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解傅里葉光學(xué)基本理論的物理意義，加深對(duì)光學(xué)空間頻率、空間頻譜和空間頻率濾波等概念的理解；

2.驗(yàn)證阿貝成像原理，理解成像過程的物理實(shí)質(zhì)——“分頻”與“合成”過程，了解透鏡孔徑對(duì)顯微鏡分辨率的影響；

二、實(shí)驗(yàn)原理

1.傅里葉光學(xué)變換

設(shè)有一個(gè)空間二維函數(shù)g(x,y)，其二維傅里葉變換為

G(?,?)??????g(x,y)exp[?i2?(?x??y)]dxdy(1)式中?,?分別為x,y方向的空間頻率，而g(x,y)則為G(?,?)的傅里葉逆變換，即

?g(x,y)?????G(?,?)exp[i2?(?x??y)]d?d?(2)

式（2）表示，任意一個(gè)空間函數(shù)g(x,y)可表示為無窮多個(gè)基元函數(shù)exp[i2?(?x??y)]的線性迭加，G(?,?)是相應(yīng)于空間頻率為?,?的基元函數(shù)的權(quán)重，G(?,?)稱為g(x,y)的空間頻譜。

用光學(xué)的方法可以很方便地實(shí)現(xiàn)二維圖像的傅里葉變換，獲得它的空間頻譜。由透鏡的傅里葉變換性質(zhì)知，只要在傅里變換透鏡的前焦面上放置一透率為g(x,y)的圖像，并以相干平行光束垂直照明之，則在透鏡后焦面上的光場(chǎng)分布就是g(x,y)的傅里葉變換G(?,?)，即空間頻譜G(x?f,y??f)。其中?為光波波長(zhǎng)，f為透鏡的焦距，（x?,y?）為后焦面（即頻譜面）上任意一點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

顯然，后焦面上任意一點(diǎn)（x?,y?）對(duì)應(yīng)的空間頻率為

??x?/?f??y?/?f

2.阿貝成像原理

傅里葉變換光學(xué)在光學(xué)成像中的重要性，首先在顯微鏡的研究中顯示出來。阿貝在1873年提出了相干光照明下顯微鏡的成像原理。他認(rèn)為在相干平等光照明下，顯微鏡的成像過程可以分成二步。第一步是通過物的衍射光在透鏡的后焦面（即頻譜面）上形成空間頻譜，這是衍射所引起的“分頻”作用；第二步是代表不同空間頻率的各光束在像平面上相干迭加而 形成物體的像，這是干涉所引起的“合成”作用。圖1表示這下一成像光路和過程。

x?

象平面

圖1阿貝成像原理

成像的這二個(gè)過程，本質(zhì)上就是兩次傅里葉變換。第一個(gè)過程把物面光場(chǎng)的空間分布

g(x,y)變?yōu)轭l譜面上空間頻率分布G(?,?)，第二個(gè)過程則是將頻譜面上的空間頻譜分布

G(?,?)作傅里

葉逆變換還原為空間分布（即將各頻譜分量又復(fù)合為像）。因此，成像過程經(jīng)歷了從空間域到頻率域，又從頻率域到空間域的兩次變換過程。如果兩次變換完全是理想的，即信息沒有任何損失，則像和物應(yīng)完全相似（除了有放大或縮小外）。但一般說來像和物不可能完全相似，這是由于透鏡的孔徑是有限的，總有一部分衍射角度大的高次成分（高頻信息）不有進(jìn)入到物鏡而被丟棄了，所以像的信息總是比物的信息要少一些，像和物不可能完全一樣。因?yàn)楦哳l信息主要反應(yīng)物的細(xì)節(jié)，所以，當(dāng)高頻信息受到孔徑的阻擋而不能到達(dá)像平面時(shí)，無論顯微鏡有多大放大倍數(shù)，也不可能在像平面上分辨這些細(xì)節(jié)，這是顯微鏡分辨率受到限制的根本原因。特別當(dāng)物的結(jié)構(gòu)非常精細(xì)（如很密的光柵）或物鏡孔徑非常小時(shí)，有可能只有0級(jí)衍射（空間頻率為0）能通過，則在像平面上雖有光照，卻完全不能形成圖像。

3.空間濾波

由以上討論知，成像過程本質(zhì)上是兩次傅里葉變換。即從空間復(fù)振幅分布函數(shù)g(x,y)變?yōu)轭l譜函數(shù)G(?,?)，然后再由頻譜函數(shù)G(?,?)變回到空間函數(shù)g(x,y)（忽略放大率）。顯然，如果我們?cè)陬l譜面（即透鏡后焦面）上人為地放一些模板（吸收板或相移板）以減弱

某些空間頻率成份或改變某些頻率成分的相位，便可使像面上的圖像發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣的圖像處理稱為空間濾波。頻譜面上這種模板稱為濾波器，最簡(jiǎn)單的濾波器是一些特殊形狀的光闌，如圖2所示。

(a)(b)(c)(d)

圖 2簡(jiǎn)單的空間濾波器

圖2中(a)為高通濾波器，它是一個(gè)中心部分不透光的光屏，它能濾去低頻成分而允許高頻成分通過，可用于突出像的邊沿部分或者實(shí)現(xiàn)像的襯度反轉(zhuǎn)；(b)為低通濾波器，其作 用是濾掉高頻成分，僅讓靠近零頻的低頻成分通過。它可用來濾掉高頻噪聲，例如濾去網(wǎng)板照片中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；(c)為帶通濾器，它可讓某些需要的頻譜分量通過，其余被濾掉，可用于消除噪音；(d)為方向?yàn)V波器，可用于去除某些方向的頻譜或僅讓某些方向的頻譜通過，用于突出圖像的某些特征。

三、實(shí)驗(yàn)光路

實(shí)驗(yàn)光路如圖3所示。其中L1，L2組成的倒裝望遠(yuǎn)系統(tǒng)將激光擴(kuò)展成具有較大截面的平行光束，透鏡L為成像透鏡。

圖3實(shí)驗(yàn)光路圖

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.光路調(diào)節(jié)，按圖3布置光路,并按以下步驟調(diào)節(jié)光路：

(1)調(diào)節(jié)激光束與導(dǎo)軌平行（調(diào)節(jié)時(shí)，可在導(dǎo)軌上放置一與導(dǎo)軌同軸的小孔光闌，當(dāng)光闌在導(dǎo)軌上前后移動(dòng)時(shí)，激光束始終能通過小孔即可）。

(2)將L1，L2放入光路并使它們與激光束共軸。調(diào)節(jié)L1與L2之間的距離使之等于它們的焦距之和以獲得截面較大的平行光。

(3)將物和成像透鏡L放入光路，調(diào)節(jié)L與物之間的距離使像面上得到一放大的實(shí)像。2.空間濾波

(1)在譜面上不放置任何濾光片，觀察后焦面上的頻譜分布及像面上的像。

(2)在頻譜面上放置不同的濾波器，觀察像變化情況并將觀察到的圖像記錄在表中，對(duì)圖像的變化作出適當(dāng)?shù)慕忉尅?/p>

3.選作

將透明圖案板作為物，觀察后焦面上的頻譜分布和像面上的像，然后在后焦面上放一高通濾波器擋住譜面中心，觀察像面上的圖像并解釋之。

五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

1.空間濾波

表空間濾波實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.選作部分

將透明圖案板作為物，觀察后焦面上的頻譜分布和像面上的像，然后在后焦面上放一高通濾波器擋住譜面中心，觀察像面上的圖像并解釋之。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:想面上出現(xiàn)圓圈圖像,高通濾波器是一個(gè)中心部分不透光的光屏,它能濾過低頻成分而能允許高頻成分通過,本實(shí)驗(yàn)中突出像的邊沿部分,故觀察到頻率比中間高的圓圈.五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.在單透鏡系統(tǒng)中加入簡(jiǎn)單濾波器進(jìn)行濾波之后，觀察到得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象各不相同，（1）低通濾波器，它只允許位于頻譜面中心及其附近的低通分量通過，去掉頻譜面上離光軸較遠(yuǎn)的高頻成份從而濾掉高頻噪音，由于僅保留了離軸較近的低頻成份，因而圖像細(xì)結(jié)構(gòu)消失，利用它可以消除圖像上周期性的網(wǎng)格；

（2）高通濾波器，它阻擋低頻分量而允許高頻成份通過，可以實(shí)現(xiàn)圖像的襯度反轉(zhuǎn)或邊緣增強(qiáng)，所以圖像輪廓明顯。若把高通濾波器的擋光屏變小，僅濾去零頻成份，則可除去圖像中的背景，提高圖像質(zhì)量，進(jìn)行邊緣增強(qiáng)；

（3）帶通濾波器，它只允許特定空間的頻譜通過，可以去除隨機(jī)噪聲，還可以對(duì)信號(hào)或缺陷進(jìn)行檢測(cè)，分離各種有用信息；

（4）方向?yàn)V波器，它僅通過（或阻擋）特定方向上的頻譜分量，可以突出某些方向特征。

2.實(shí)驗(yàn)證明了阿貝成像理論的正確性：

像的結(jié)構(gòu)直接依賴于頻譜的結(jié)構(gòu)，只要改變頻譜的組分，便能夠改變像的結(jié)構(gòu)；像和物的相似程度完全取決于物體有多少頻率成分能被系統(tǒng)傳遞到像面。

3.實(shí)驗(yàn)充分證明了傅里葉分析和綜合的正確性：

（1）頻譜面上的橫向分布是物的縱向結(jié)構(gòu)的信息；頻譜面上的縱向分布是物的橫向結(jié)構(gòu)的信息；

（2）零頻分量是直流分量，它只代表像的本底；

（3）阻擋零頻分量，在一定條件下可使像的襯度發(fā)生反轉(zhuǎn)；

（4）僅允許低頻分量通過時(shí)，像的邊緣銳度降低；僅允許高頻分量通過時(shí)，像的邊緣效應(yīng)增強(qiáng)；

（5）采用選擇型濾波器，可望完全改變像的性質(zhì)

六、思考題

1.當(dāng)光源換成白光光源時(shí)，仍用本實(shí)驗(yàn)所用的濾波器進(jìn)行空間濾波，其結(jié)果如何？ 答:會(huì)產(chǎn)生多個(gè)衍射斑，圖像中間是白色的，而圖像周邊是彩色的。

七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過本次實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)踐和相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，我們了解到了空間濾波的基本原理，以及方向?yàn)V波、高通濾波、低通濾波等濾波技術(shù),對(duì)阿貝成像的物理現(xiàn)象有了更為直觀的了解,對(duì)光在頻譜方面的應(yīng)用有了一個(gè)初步的了解，阿貝成像的理論在實(shí)際光通信等領(lǐng)域具有很強(qiáng)大的指導(dǎo)意義，我們可以通過頻譜濾波器選擇我們需要的信息部分，通過先分頻再合成的方法傳輸信息。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)老師的指導(dǎo)，我們認(rèn)真預(yù)習(xí)，初步了解實(shí)驗(yàn)原理，查閱資料，并細(xì)心研究推導(dǎo)了有關(guān)實(shí)驗(yàn)公式，按老師的要求，做到心中有數(shù)，使實(shí)驗(yàn)有目的地，逐步地進(jìn)行。做物理實(shí)驗(yàn)需要過人的毅力和耐心。本實(shí)驗(yàn)在調(diào)節(jié)圖像時(shí)，我們遇到了不小的困難。我們發(fā)現(xiàn)，由于本實(shí)驗(yàn)光路很敏感以及對(duì)精度的高要求性，激光管以及光具座上的光學(xué)器件必須調(diào)水平，且光心在同一條直線上。經(jīng)過不懈的調(diào)試，我們終于得到了傅里葉頻譜，此后，我們按照書上的要求一步一步地進(jìn)行了測(cè)量和記錄，體會(huì)到了物理實(shí)驗(yàn)的邏輯性，感受到了實(shí)驗(yàn)與所學(xué)知識(shí)的結(jié)合。在今后的實(shí)驗(yàn)中，我們會(huì)吸取經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)不足、不斷前進(jìn)，努力使實(shí)驗(yàn)更加完美的。

第四篇：逆濾波實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?/p>

用逆濾波及其限制病態(tài)性的簡(jiǎn)單改進(jìn)方法進(jìn)行散焦模糊圖像恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

二、實(shí)驗(yàn)原理

1、不考慮加性噪聲時(shí)，圖像的退化可以看成圖像信息f(x,y)經(jīng)過一個(gè)退化系統(tǒng)，即：

g(x,y)=H[f(x,y)]=f(x,y)*h(x,y)其頻譜可以表示為G(u,v)=F(u,v)H(u,v)

2、當(dāng)我們對(duì)退化系統(tǒng)有先驗(yàn)性的了解時(shí)，例如已知

H(u,v)=exp[-c(u2+v2)5/6] 那么我們可以對(duì)退化后的圖像進(jìn)行退化過程的逆變換，從而恢復(fù)圖像。

3、由于實(shí)際圖片有加性噪聲，即：

G(u,v)=F(u,v)H(u,v)+N(u,v)

因此，直接逆變換的結(jié)果為

S(u,v)=G(u,v)/H(u,v)+N(u,v)/H(u,v)=F(u,v)+N(u,v)/H(u,v)對(duì)于H(u,v)=exp[-c(u2+v2)5/6]，當(dāng)u、v較大時(shí)，H(u,v)是一個(gè)趨近于零的數(shù)，因此會(huì)對(duì)加性噪聲的高頻部分產(chǎn)生強(qiáng)烈放大，從而引起顯著的病態(tài)性。對(duì)于這種病態(tài)性，最簡(jiǎn)單的修正方式是對(duì)逆變換的函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的限制。但這種階躍式的限制會(huì)帶來明顯的振鈴現(xiàn)象。

三、實(shí)驗(yàn)方法

1、對(duì)同一幅圖，采用相同的退化模型，調(diào)整不同C值，和w0值并比較結(jié)果。

2、對(duì)同一幅圖，采用相同的退化模型，調(diào)整不同C值并選取適當(dāng)?shù)膚0值，并比較用逆濾波及其限制病態(tài)性的簡(jiǎn)單改進(jìn)方法的結(jié)果。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1、采用的退化模型為H(u,v)=exp[-c(u2+v2)5/6]，取c=0.0005，對(duì)不同w值進(jìn)行了仿真，結(jié)果如下所示。

g(x,y)(w=10)g(x,y)(w=50)g(x,y)(w=100)g(x,y)(w=150)g(x,y)(w=200)

可以看出，當(dāng)w值太小時(shí)，幾乎沒有效果。隨著w值的增大，對(duì)中頻的放大作用越來越明顯。但當(dāng)w值過大時(shí)，圖片上可以看到水波狀的條紋，同時(shí)淺色部分可以看到明顯的花紋，病態(tài)性顯著。

2、采用的退化模型為H(u,v)=exp[-c(u2+v2)5/6]，取不同c值，選取合適的w值進(jìn)行了仿真，結(jié)果如下所示。

不進(jìn)行限制時(shí)：

g(x,y)(C=0.0001)g(x,y)(C=0.0003)g(x,y)(C=0.0005)g(x,y)(C=0.0007)g(x,y)(C=0.0009)

可以看到，在不進(jìn)行限制的情況下，隨著C值的增大，對(duì)高頻部分的放大作用也很快的增大，帶來了顯著的病態(tài)性。但選取的C值過小又打不到圖像恢復(fù)的效果。

下面是進(jìn)行了適當(dāng)?shù)南拗坪蟮慕Y(jié)果：

f(x,y)F(u,v)g(x,y)1/H(u,v)

其中，為了顯示效果，對(duì)兩幅頻譜圖進(jìn)行了一定的縮放。

五、心得體會(huì)

1、使用imshow函數(shù)時(shí)，如果輸入數(shù)據(jù)全是0到1之間的小數(shù)，那么matlab會(huì)把它當(dāng)做歸一化后的數(shù)據(jù)，依舊是會(huì)擴(kuò)大256倍再按灰度顯示。若輸入數(shù)據(jù)有0到1之間的小數(shù)，也有大于1的數(shù)，則matlab會(huì)將數(shù)據(jù)二值化，顯示為白點(diǎn)和黑點(diǎn)。若輸入數(shù)據(jù)為0到255的整數(shù)，則matlab會(huì)直接按灰度顯示。因此，對(duì)于變換后的結(jié)果，有時(shí)要轉(zhuǎn)換成int8類型的整數(shù)才能正確輸出。

2、在已知退化模型的情況下，限制病態(tài)性的逆濾波可以比較有效地恢復(fù)圖像，但其主要的放大區(qū)由C和w0共同決定，因此參數(shù)確定比較麻煩

3、在matlab中，若再頻譜上進(jìn)行變換，最好先用fftshift函數(shù)將fft結(jié)果變換為低頻在中間的格式，這樣能極大地方便后面的處理。

六、源代碼

clc;clear;clf;

sizeX=240;sizeY=352;

%設(shè)行寬、列寬 C=0.0005;

%濾波器參數(shù) w=100;

f = imread('war02.bmp')%讀8位灰度圖像 for a=1:sizeX

for b=1:sizeY

if(f(a,b)== 0)f(a,b)= 1;

end

end end

F=fftshift(fft2(double(f)));%求頻譜

H=zeros(sizeX,sizeY);

%逆變換濾波器傳遞函數(shù) for a=1:sizeX

for b=1:sizeY

D=C*(((a-sizeX/2)^2+(b-sizeY/2)^2)^(5/6));

%H(a,b)=exp(D);

H(a,b)=(exp(D)-1).*((((a-sizeX/2)^2+(b-sizeY/2)^2))

%限制病態(tài)性

end end

G=H.*F;

%頻域處理

g=ifft2(fftshift(G));

%fft反變換

figure(1)imshow(f)

%原圖 title('f(x,y)');figure(2)imshow(g,[0,255])

%恢復(fù)結(jié)果 title('g(x,y)');figure(3)imshow(abs(F)/10,[0,255])

%原圖頻譜，進(jìn)行了縮放 title('F(u,v)');figure(4)imshow(abs(H)*100,[0,255])%逆變換濾波器頻譜，進(jìn)行了縮放 title('1/H(u,v)');

第五篇：圖像濾波總結(jié)

數(shù)字圖像處理：各種變換濾波和噪聲的類型和用途總結(jié)

一、基本的灰度變換函數(shù) 1.1.圖像反轉(zhuǎn)

適用場(chǎng)景：增強(qiáng)嵌入在一幅圖像的暗區(qū)域中的白色或灰色細(xì)節(jié)，特別是當(dāng)黑色的面積在尺寸上占主導(dǎo)地位的時(shí)候。

1.2.對(duì)數(shù)變換（反對(duì)數(shù)變換與其相反）

過程：將輸入中范圍較窄的低灰度值映射為輸出中較寬范圍的灰度值。用處：用來擴(kuò)展圖像中暗像素的值，同時(shí)壓縮更高灰度級(jí)的值。特征：壓縮像素值變化較大的圖像的動(dòng)態(tài)范圍。

舉例：處理傅里葉頻譜，頻譜中的低值往往觀察不到，對(duì)數(shù)變換之后細(xì)節(jié)更加豐富。

1.3.冪律變換（又名：伽馬變換）

過程：將窄范圍的暗色輸入值映射為較寬范圍的輸出值。

用處：伽馬校正可以校正冪律響應(yīng)現(xiàn)象，常用于在計(jì)算機(jī)屏幕上精確地顯示圖像，可進(jìn)行對(duì)比度和可辨細(xì)節(jié)的加強(qiáng)。

1.4.分段線性變換函數(shù)

缺點(diǎn)：技術(shù)說明需要用戶輸入。優(yōu)點(diǎn)：形式可以是任意復(fù)雜的。

1.4.1.對(duì)比度拉伸：擴(kuò)展圖像的動(dòng)態(tài)范圍。

1.4.2.灰度級(jí)分層：可以產(chǎn)生二值圖像，研究造影劑的流動(dòng)。1.4.3.比特平面分層：原圖像中任意一個(gè)像素的值，都可以類似的由這些比特平面對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制像素值來重建，可用于壓縮圖片。

1.5.直方圖處理

1.5.1直方圖均衡：增強(qiáng)對(duì)比度，補(bǔ)償圖像在視覺上難以區(qū)分灰度級(jí)的差別。作為自適應(yīng)對(duì)比度增強(qiáng)工具，功能強(qiáng)大。

1.5.2直方圖匹配（直方圖規(guī)定化）：希望處理后的圖像具有規(guī)定的直方圖形狀。在直方圖均衡的基礎(chǔ)上規(guī)定化，有利于解決像素集中于灰度級(jí)暗端的圖像。

1.5.3局部直方圖處理：用于增強(qiáng)小區(qū)域的細(xì)節(jié)，方法是以圖像中的每個(gè)像素鄰域中的灰度分布為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)變換函數(shù)，可用于顯示全局直方圖均衡化不足以影響的細(xì)節(jié)的顯示。1.5.4直方圖統(tǒng)計(jì)：可用于圖像增強(qiáng)，能夠增強(qiáng)暗色區(qū)域同時(shí)盡可能的保留明亮區(qū)域不變，靈活性好。

二、基本的空間濾波器 2.1.平滑空間濾波器

2.1.1平滑線性濾波器（均值濾波器）

輸出：包含在濾波器模板鄰域內(nèi)的像素的簡(jiǎn)單平均值，用鄰域內(nèi)的平均灰度替代了圖像中每個(gè)像素的值，是一種低通濾波器。結(jié)果：降低圖像灰度的尖銳變化。

應(yīng)用：降低噪聲，去除圖像中的不相關(guān)細(xì)節(jié)。負(fù)面效應(yīng)：邊緣模糊。

2.1.2統(tǒng)計(jì)排序?yàn)V波器（非線性濾波器）舉例：中值濾波器。過程：以濾波器包圍的圖像區(qū)域中所包含圖像的排序?yàn)榛A(chǔ)，然后使用統(tǒng)計(jì)排序結(jié)果決定的值取代中心區(qū)域的值。

用處：中值濾波器可以很好的解決椒鹽噪聲，也就是脈沖噪聲。

2.2.銳化空間濾波器

2.2.1拉普拉斯算子（二階微分）

作用：強(qiáng)調(diào)灰度的突變，可以增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)。

2.2.2非銳化掩蔽和高提升濾波

原理：原圖像中減去一幅非銳化（平滑處理）的版本。背景：印刷和出版界使用多年的圖像銳化處理。

高提升濾波：原圖減去模糊圖的結(jié)果為模板，輸出圖像等于原圖加上加權(quán)后的模板，當(dāng)權(quán)重為1得到非銳化掩蔽，當(dāng)權(quán)重大于1成為高提升濾波。

2.2.3梯度銳化（一階微分對(duì)）

含義：梯度指出了在該位置的最大變化率的方向。

用處：工業(yè)檢測(cè)，輔助人工檢測(cè)產(chǎn)品的缺陷，自動(dòng)檢測(cè)的預(yù)處理。

三、基本的頻率濾波器 3.1.1理想低（高）通濾波器 特性：振鈴現(xiàn)象，實(shí)際無法實(shí)現(xiàn)。

用處：并不實(shí)用，但是研究濾波器的特性很有用。

3.1.2布特沃斯低（高）通濾波器

特點(diǎn)：沒有振鈴現(xiàn)象，歸功于在低頻和高頻之間的平滑過渡，二階的布特沃斯低通濾波器是很好的選擇。

效果：比理想低（高）通濾波器更平滑，邊緣失真小。截止頻率越大，失真越平滑。

3.1.3高斯低（高）通濾波器 特點(diǎn)：沒有振鈴。

用處：任何類型的人工缺陷都不可接受的情況（醫(yī)學(xué)成像）。

3.1.4鈍化模板，高提升濾波，高頻強(qiáng)調(diào)濾波 用處：X射線，先高頻強(qiáng)調(diào)，然后直方圖均衡。

3.1.5同態(tài)濾波

原理：圖像分為照射分量和反射分量的乘積。

用處：增強(qiáng)圖像，銳化圖像的反射分量（邊緣信息），例如PET掃描。

3.1.6選擇性濾波

3.1.6.1帶阻濾波器和帶通濾波器。作用：處理制定頻段和矩形區(qū)域的小區(qū)域。

3.1.6.2陷阱濾波器

原理：拒絕或通過事先定義的關(guān)于頻率矩形中心的一鄰域。應(yīng)用：選擇性的修改離散傅里葉變換的局部區(qū)域。

優(yōu)點(diǎn)：直接對(duì)DFT處理，而不需要填充。交互式的處理，不會(huì)導(dǎo)致纏繞錯(cuò)誤。用途：解決莫爾波紋。

四、重要的噪聲概率密度函數(shù) 4.1.高斯噪聲

特點(diǎn)：在數(shù)學(xué)上的易處理性。

4.2瑞利噪聲

特點(diǎn)：基本形狀向右變形，適用于近似歪斜的直方圖。

4.3愛爾蘭（伽馬）噪聲

特點(diǎn)：密度分布函數(shù)的分母為伽馬函數(shù)。

4.4指數(shù)噪聲

特點(diǎn)：密度分布遵循指數(shù)函數(shù)。

4.5均勻噪聲 特點(diǎn)：密度均勻。

4.6脈沖噪聲（雙極脈沖噪聲又名椒鹽噪聲）

特點(diǎn)：唯一一種引起退化，視覺上可以區(qū)分的噪聲類型。

五、空間濾波器還原噪聲 5.1均值濾波器 5.1.1算術(shù)均值濾波器

結(jié)果：模糊了結(jié)果，降低了噪聲。適用：高斯或均勻隨機(jī)噪聲。5.1.2幾何均值濾波器

結(jié)果：和算術(shù)均值濾波器相比，丟失的圖像細(xì)節(jié)更少。適用：更適用高斯或均勻隨機(jī)噪聲。

5.1.3諧波均值濾波器

結(jié)果：對(duì)于鹽粒噪聲（白色）效果較好，但不適用于胡椒噪聲（黑色），善于處理高斯噪聲那樣的其他噪聲。

5.1.4逆諧波均值濾波器

結(jié)果：適合減少或在實(shí)際中消除椒鹽噪聲的影響，當(dāng)Q值為正的時(shí)候消除胡椒噪聲，當(dāng)Q值為負(fù)的時(shí)候該濾波器消除鹽粒噪聲。但不能同時(shí)消除這兩種噪聲。適用：脈沖噪聲。

缺點(diǎn)：必須知道噪聲是明噪聲還是暗噪聲。

5.2統(tǒng)計(jì)排序?yàn)V波器 5.2.1中值濾波器

適用：存在單極或雙極脈沖噪聲的情況。

5.2.2最大值濾波器

作用：發(fā)現(xiàn)圖像中的最亮點(diǎn)，可以降低胡椒噪聲。

5.2.2最小值濾波器

作用：對(duì)最暗點(diǎn)有用，可以降低鹽粒噪聲。

5.2.3中點(diǎn)濾波器

作用：結(jié)合統(tǒng)計(jì)排序和求平均，對(duì)于隨機(jī)分布噪聲工作的很好，如高斯噪聲或均勻噪聲。5.2.4修正的阿爾法均值濾波器

作用：在包括多種噪聲的情況下很有用，例如高斯噪聲和椒鹽噪聲混合。

5.3自適應(yīng)濾波器

5.3.1自適應(yīng)局部降低噪聲濾波器

作用：防止由于缺乏圖像噪聲方差知識(shí)而產(chǎn)生的無意義結(jié)果，適用均值和方差確定的加性高斯噪聲。

5.3.1自適應(yīng)中值濾波器

作用：處理更大概率的脈沖噪聲，同時(shí)平滑非脈沖噪聲時(shí)保留細(xì)節(jié)，減少諸如物體邊界粗化或細(xì)化等失真。

5.4頻率域?yàn)V波器消除周期噪聲 5.4.1帶阻濾波器

應(yīng)用：在頻率域噪聲分量的一般位置近似已知的應(yīng)用中消除噪聲

5.4.2帶通濾波器

注意：不能直接在一張圖片上使用帶通濾波器，那樣會(huì)消除太多的圖像細(xì)節(jié)。用處：屏蔽選中頻段導(dǎo)致的結(jié)果，幫助屏蔽噪聲模式。

5.4.3陷阱濾波器

原理：阻止事先定義的中心頻率的鄰域內(nèi)的頻率。作用：消除周期性噪聲。

5.4.4最佳陷阱濾波

作用：解決存在多種干擾分量的情況。