用Python的繪圖庫(matplotlib)繪制小波能量譜
時間小波能量譜
- 反映信號的小波能量沿時間軸的分布。
由于小波變換具有等距效應(yīng),所以有:

式中

表示信號強度,對于式①在平移因子b方向上進行加權(quán)積分

式中

代表時間-小能量譜
尺度小波能量譜
- 反映信號的小波能量隨尺度的變化情況。
同理,對式①在尺度方向上進行加權(quán)積分:

式中

連續(xù)小波變換
- 連續(xù)小波變換的結(jié)果是一個小波系數(shù)矩陣,隨著尺度因子和位移因子變化。然后將系數(shù)平方后得到小波能量,把每個尺度因子對應(yīng)的所有小波能量進行疊加,那么就可以得到隨尺度因子變換的小波能量譜曲線。把尺度換算成頻率后,這條曲線就可視為是頻譜圖。
代碼如下:
import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import pywt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from matplotlib.ticker import MultipleLocator, FormatStrFormatter
# 解決負號顯示問題
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解決保存圖像是負號'-'顯示為方塊的問題
plt.rcParams.update({'text.usetex': False, 'font.family': 'serif', 'font.serif': 'cmr10', 'mathtext.fontset': 'cm'})
font1 = {'family': 'SimHei', 'weight': 'normal', 'size': 12}
font2 = {'family': 'Times New Roman', 'weight': 'normal', 'size': 18}
label = {'family': 'SimHei', 'weight': 'normal', 'size': 15}
xlsx_path = "../小波能量譜作圖.xlsx"
sheet_name = "表名"
data_arr = pd.read_excel(xlsx_path, sheet_name=sheet_name)
column_name = '列名'
row = 1024
y = data_arr[column_name][0:row]
x = data_arr['time'][0:row]
scale = np.arange(1, 50)
wavelet = 'gaus1' # 'morl' 'gaus1' 小波基函數(shù)
# 時間-尺度小波能量譜
def time_scale_spectrum():
coefs, freqs = pywt.cwt(y, scale, wavelet) # np.arange(1, 31) 第一個參數(shù)必須 >=1 'morl' 'gaus1'
scale_freqs = np.power(freqs, -1) # 對頻率freqs 取倒數(shù)變?yōu)槌叨?
fig = plt.figure(figsize=(5, 4))
ax = Axes3D(fig)
# X:time Y:Scale Z:Amplitude
X = np.arange(0, row, 1) # [0-1023]
Y = scale_freqs
X, Y = np.meshgrid(X, Y)
Z = abs(coefs)
# 繪制三維曲面圖
ax.plot_surface(X, Y, Z, rstride=1, cstride=1, cmap='rainbow')
# 設(shè)置三個坐標軸信息
ax.set_xlabel('$Mileage/km$', color='b', fontsize=12)
ax.set_ylabel('$Scale$', color='g', fontsize=12)
ax.set_zlabel('$Amplitude/mm$', color='r', fontsize=12)
plt.draw()
plt.show()
# 時間小波能量譜
def time_spectrum():
coefs, freqs = pywt.cwt(y, scale, wavelet)
coefs_pow = np.power(coefs, 2) # 對二維數(shù)組中的數(shù)平方
spectrum_value = [0] * row # len(freqs)
# 將二維數(shù)組按照里程疊加每個里程上的所有scale值
for i in range(row):
sum = 0
for j in range(len(freqs)):
sum += coefs_pow[j][i]
spectrum_value[i] = sum
fig = plt.figure(figsize=(7, 2))
line_width = 1
line_color = 'dodgerblue'
line_style = '-'
T1 = fig.add_subplot(1, 1, 1)
T1.plot(x, spectrum_value, label='模擬', linewidth=line_width, color=line_color, linestyle=line_style)
# T1.legend(loc='upper right', prop=font1, frameon=True) # lower ,left
# 坐標軸名稱
T1.set_xlabel('$time$', fontsize=15, fontdict=font1) # fontdict設(shè)置子圖字體
T1.set_ylabel('$E/mm^2$', fontsize=15, fontdict=font1)
# 坐標刻度值字體大小
T1.tick_params(labelsize=15)
print(spectrum_value[269])
plt.show()
# 尺度小波能量譜
def scale_spectrum():
coefs, freqs = pywt.cwt(y, scale, wavelet)
coefs_pow = np.power(coefs, 2) # 對二維數(shù)組中的數(shù)平方
scale_freqs = np.power(freqs, -1) # 對頻率freqs 取倒數(shù)變?yōu)槌叨?
spectrum_value = [0] * len(freqs) # len(freqs)
# 將二維數(shù)組按照里程疊加每個里程上的所有scale值
for i in range(len(freqs)):
sum = 0
for j in range(row):
sum += coefs_pow[i][j]
spectrum_value[i] = sum
fig = plt.figure(figsize=(7, 4))
line_width = 1
line_color1 = 'dodgerblue'
line_style1 = '-'
T1 = fig.add_subplot(1, 1, 1)
T1.plot(scale_freqs, spectrum_value, label=column_name, linewidth=line_width, color=line_color1, linestyle=line_style1)
# T1.legend(loc='upper right', prop=font1, frameon=True) # lower ,left
# 坐標軸名稱
T1.set_xlabel('$Scale$', fontsize=15, fontdict=font1) # fontdict設(shè)置子圖字體
T1.set_ylabel('$E/mm^2$', fontsize=15, fontdict=font1)
# 坐標刻度值字體大小
T1.tick_params(labelsize=15)
plt.show()
# 通過調(diào)用下面三個不同的函數(shù)選擇繪制能量譜
time_scale_spectrum()
# time_spectrum()
# scale_spectrum()
最終繪制的能量譜圖如下:
1.時間-尺度小波能量譜

2.時間小波能量譜

3.尺度小波能量譜

到此這篇關(guān)于用Python的繪圖庫(matplotlib)繪制小波能量譜的文章就介紹到這了,希望對你有幫助,更多相關(guān)用Python繪制內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章,希望大家以后多多支持腳本之家!
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