摘要：气体泄漏检测在石油化工、天然气输送等工业领域具有重要的安全意义。超声检测技术因其非接触、响应快速等优势被广泛应用于气体泄漏监测，但现场采集的泄漏信号往往受到环境噪声、设备干扰等因素影响，信噪比低、特征提取困难，严重制约了泄漏识别的准确性。因此，研究有效的气体泄漏信号去噪方法对提高检测系统的可靠性具有重要工程价值。
项目简介
本项目基于北方苍鹰优化算法（NGO）自适应优化变分模态分解（VMD）参数，结合四种小波阈值函数（硬阈值、软阈值、Garrote阈值、折中阈值）对500kHz采样的气体泄漏超声信号进行降噪处理。NGO算法在20次迭代内收敛至最优参数（K=9,Alpha=3000），VMD分解重构误差为4.13%。采用自适应分层小波阈值去噪策略，硬阈值方法实现了整体信噪比8.35dB、相关系数0.9235、能量保留率79.8%的优异效果，其中主信号分量（IMF1、IMF8、IMF9）信噪比达到55-59dB，能量保留率接近100%，有效去除了高频噪声并保留了信号主要特征。
系统概述
针对传统去噪方法在处理非平稳、非线性气体泄漏信号时存在的模态混叠、参数选择困难等问题，本文提出了一种基于北方苍鹰优化算法（NGO）与变分模态分解（VMD）相结合的自适应去噪方法。该方法采用NGO算法优化VMD的分解层数K和惩罚因子Alpha，以包络熵为适应度函数实现参数自适应选择；通过Pearson相关系数筛选信号主导分量与噪声主导分量；对信号分量采用改进的逐层自适应小波阈值去噪，根据IMF相关系数分段调整阈值缩放因子，并针对不同频率特性的分量实施差异化的分层去噪策略，对比分析了硬阈值、软阈值、Garrote阈值和折中阈值四种函数的去噪性能。
以500kHz采样的真实气体泄漏信号为研究对象，经80kHz低通滤波预处理后，NGO算法在20次迭代内收敛至最优参数K=9、Alpha=3000，VMD分解得到9个本征模态函数（IMF），重构误差为4.13%。基于Pearson相关系数（阈值0.3274）筛选出5个信号主导分量（IMF1、2、5、8、9）和4个噪声主导分量（IMF3、4、6、7）。实验结果表明，主信号分量经四种阈值函数去噪后性能优异：IMF1信噪比达52.93-55.50dB，相关系数超过0.9999，能量保留率达99.999%；IMF8、IMF9信噪比分别达到53.09-57.12dB和55.93-59.30dB，均实现了近100%的能量保留。整体去噪效果对比显示：硬阈值法信噪比最高（8.35dB）、能量保留率最优（79.8%）但可能存在不连续点，软阈值法最平滑但信号损失较大（SNR=7.72dB，能量保留率76.9%），折中阈值法综合性能较优（SNR=8.14dB，能量保留率78.3%），Garrote阈值法介于两者之间（SNR=7.95dB）。所有方法的峰度值均保持在3.03左右，接近高斯分布，表明去噪后信号特性良好。
本文所提方法实现了气体泄漏信号的自适应分解与多尺度去噪，有效抑制了噪声干扰并保留了泄漏特征信息。自适应阈值缩放策略和分层去噪机制显著改善了低相关系数分量的过度去噪问题，使次要信号分量（IMF5）在软阈值下仍保持50.8%的能量保留率。实验验证了NGO-VMD参数优化的有效性以及不同阈值函数的适用场景：硬阈值适用于对信噪比要求高的场合，软阈值适用于需要平滑连续输出的应用，折中阈值在实际工程中具有较好的综合性能。后续研究可进一步结合深度学习方法优化特征提取，或引入多传感器信息融合提升检测鲁棒性。
系统架构
本系统采用五级串行流水线架构（优化→分解→筛选→降噪→重构），通过NGO算法智能搜索最优VMD参数实现自适应参数优化，利用Pearson相关系数智能区分信号与噪声分量，对比硬阈值、软阈值、Garrote和折中四种阈值函数的降噪效果，并从SNR、RMSE、相关系数、峭度、样本熵、能量保留率六个维度进行IMF级和整体级双层性能评估，形成完整的气体泄漏信号降噪解决方案
项目结构
项目包含主程序V2fifitykhz_Denoise_System.m、原始数据data.txt、输出目录denoise_results（含10+张图表、Excel多表格、workspace.mat）及可视化流程图HTML文件
目录结构
核心模块
基于NGO优化算法、VMD自适应分解和小波阈值降噪的五级串行流水线架构。NGO算法智能搜索最优VMD参数实现自适应优化，VMD将气体泄漏信号分解为多个本征模态函数（IMF），Pearson相关系数智能区分信号与噪声分量，sym6小波5层分解对信号分量进行逐层自适应阈值降噪（硬/软/Garrote/折中四种方法），最终重构得到降噪信号。系统从SNR、RMSE、相关系数、峭度、样本熵、能量保留率六个维度进行IMF级和整体级双层性能评估，形成完整的气体泄漏信号降噪解决方案。
快速开始
在MATLAB中打开 V2_500kHz_Denoise_System.m，确保 data.txt 在同一目录，直接运行主函数 Complete_Denoise_System()。程序将自动执行NGO优化（约2-3分钟）、VMD分解、Pearson筛选、四种小波阈值降噪、信号重构和性能评估，所有图表和结果自动保存至 denoise_results/ 文件夹。
环境要求
MATLAB R2024b 及以上版本（需支持 wavedec/waverec 小波工具箱函数）。无需额外工具箱，仅使用MATLAB基础功能和小波工具箱。CPU即可运行全部计算，建议8GB以上内存。
查看结果
图表：19张可视化图（收敛曲线/参数寻优/IMF时频域/10组IMF去噪对比/整体时频域对比/频域叠加），各含.fig和.png格式。数据：Excel多表格（参数信息+IMF级6维指标+整体级6维指标）+ workspace.mat工作空间文件。
结果展示
运行V2_500kHz_Denoise_System.m
图1 收敛曲线
图2 参数寻优
图3 IMF时域
图4 IMF频域
图5 IMF三维视图
图6 相关系数
图7 IMF1_去噪对比
图8 IMF2_去噪对比
图9 IMF5_去噪对比
图10 IMF8_去噪对比
图11 IMF9_去噪对比
图12 整体时域对比
图13 整体频域对比
图14 频域叠加对比
图15 去噪指标汇总
结果点评
基于NGO-VMD自适应去噪方法的实验结果表明，该系统在气体泄漏信号处理中取得了优异性能。NGO算法在20次迭代内快速收敛至最 优参数（K=9, Alpha=3000），VMD分解重构误差仅4.13%，验证了参数优化的有效性。主信号分量（IMF1、IMF8、IMF9）经小波阈 值去噪后信噪比达到52-59dB，相关系数超过0.9999，能量保留率接近100%，峰度值保持在2.94-3.16的正常范围，表明去噪后信号 特性良好且主要特征完整保留。整体去噪效果方面，硬阈值法以8.35dB的信噪比和79.8%的能量保留率表现最优，折中阈值法综合 性能良好（SNR=8.14dB），适合工程应用，软阈值法虽然信号最平滑但能量损失相对较大（SNR=7.72dB）。自适应阈值缩放策略和 分层去噪机制成功解决了低相关系数分量的过度去噪问题，使次要信号分量（IMF5）在保持合理去噪效果的同时实现了50-84%的能 量保留。实验结果充分验证了NGO-VMD结合自适应小波阈值去噪方法在非平稳气体泄漏信号处理中的有效性和实用性，为气体泄漏 检测提供了可靠的信号预处理技术支撑。
项目资源
包括完整的项目源代码、演示视频、运行截图，开箱即用。
关于项目
本项目基于北方苍鹰优化算法（NGO）自适应优化变分模态分解（VMD）参数，结合四种小波阈值函数对500kHz采样的气体泄漏超声信号进行降噪处理，实现了主信号分量信噪比52-59dB、整体信噪比8.35dB、能量保留率79.8%的高效去噪效果。
项目背景
工业气体泄漏检测中超声信号易受环境噪声干扰导致特征提取困难，传统降噪方法难以平衡信号保真度与噪声抑制效果，亟需智能自适应的降噪技术提升泄漏检测准确性和可靠性。。
作者信息
作者：Bob (张家梁)
项目编号：MP-7
原创声明：本项目为原创作品
开源协议
本项目采用AGPL-3.0开源协议，允许个人和组织自由使用、修改和分发代码，但基于本项目的衍生作品必须同样开源，且用于提供网络服务时需向用户提供完整源代码。本项目仅供学习研究使用，作者不对使用本项目产生的任何后果承担责任，使用者应遵守当地法律法规，合理合法使用本项目。如本项目对您的研究或工作有所帮助，欢迎引用并注明出处。
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