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研究方向

小波轉換與訊號分析

以小波轉換與數位訊號處理分析電力、工業製程、動作與聲音訊號,並結合類神經網路。

實際量測到的訊號很少是穩定不變的:電壓驟降只持續幾個週期,晶圓微裂紋在感測訊號裡只是一段短暫的突波,鳥叫聲則是農場數小時噪音中的一小段啁啾。一次看整段訊號的方法(例如一般的傅立葉轉換)會把這些短暫事件模糊掉;小波轉換同時描述訊號的時間與頻率,因此能在事件發生的位置找出並量測它。

這是楊老師的核心專長。實驗室以離散小波轉換(DWT)與短時傅立葉轉換(STFT)從量測訊號擷取特徵,再以類神經網路進行分類或迴歸,包含機率類神經網路、徑向基底網路、小波類神經網路,以及近年的 LSTM。由於這些系統多半裝在被監測的設備旁邊,處理流程也以能放進嵌入式硬體為設計目標,甚至包含小波式監測系統的混合訊號積體電路設計。

同一套方法已應用在許多種訊號上:電壓驟降、閃爍與其他電力擾動;半導體製程中的晶圓微裂紋、探針痕面積與濕式蝕刻流量;紡織產線監測;人體動作辨識;葡萄園害鳥叫聲偵測;以及語音。目前延續的兩條方向是:小波類神經網路應用於工業物聯網(IIoT),從機台訊號擷取特徵,辨識系統響應與系統狀態;以及小波類神經網路應用於嵌入式影像辨識,涵蓋特徵擷取、輪廓辨識與物件辨識。相關論文列於下方。這些成果也直接支援實驗室的智慧電網與儲能與生醫 AI研究方向。

歷屆碩士論文。 學生把這些方法做成實際系統:以離散小波轉換分析電壓驟降、以 FPGA 即時監控電壓驟降、嵌入式提升小波電力品質分析系統、提升式小波應用於自動化光學檢測、嵌入式 FPGA 軸承振動分析,以及用小波類神經網路辨識運動行為與嬰兒哭聲型態、建立冰機消耗功率模型。

代表性成果

小波擾動辨識示意圖。左側流程:量測電壓或電流,經離散小波轉換分解為細節 d1 至 d5 與近似 a5,以 Parseval 定理計算各層能量,輸入類神經網路(PNN、RBF、GRNN 或 LSTM),判斷擾動類型。右側是一段振幅下降一半、持續三個週期的正弦波;下方是第一層細節係數,平時接近零,只在驟降開始與結束處各出現一個尖峰;最下方是六層能量的長條圖(對數刻度)。

用小波轉換找出電壓驟降

小波轉換把量測波形分解成不同層次。最細的一層平時接近零,波形一跳變就出現尖峰,因此能標出驟降的起點與終點;各層的能量則讓類神經網路只需分類六個數字,而不是整段取樣。此圖為示意圖,以合成資料繪製。

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相關專案

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以小波轉換進行心電圖心跳訊號的前處理與特徵擷取,並以 ANN 與 CNN 分類心跳,部署於低成本微控制器(Arduino Nano、ESP8266 MicroPython)。

Jupyter Notebook 0 更新於 2023年2月13日

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