[发明专利]基于独立成分分析的光纤拉曼温度传感系统的去噪算法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感器领域，具体是一种基于独立成分分析的光纤拉曼温度传感系统的去噪算法。

背景技术

光纤拉曼温度传感系统是一种基于自发拉曼散射温敏效应和光时域反射原理的新型传感系统，具有耐腐蚀、体积小、抗电磁干扰等特点，被广泛应用在交通、建筑和油气等领域中。但是，由于自发拉曼散射信号非常微弱并且受到系统各种噪声的影响，有效信号完全被淹没在噪声之中，系统的实时性、测量精度等性能参数难以得到保证，因此，选择合适的去噪算法来提高系统的信噪比是十分有必要的。光纤拉曼温度传感系统中的噪声主要表现为白噪声，目前系统中所应用的去噪算法主要有叠加平均去噪算法、小波变换去噪算法、脉冲编码去噪算法和经验模态分解去噪算法，但是这些算法均有着自己的局限性，探寻新的去噪算法以达到更理想的效果也是大势所趋。独立成分分析是近些年发展起来的一种盲源信号分离方法，利用其冗余取消特性可以有效的实现信号噪声的分离，在光纤拉曼温度传感系统中有着较好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于独立成分分析的光纤拉曼温度传感系统的去噪算法，以解决现有技术由于拉曼散射信号微弱从而被淹没在噪声中的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于独立成分分析的光纤拉曼温度传感系统的去噪算法，其特征在于：利用快速独立成分分析对拉曼散射信号进行去噪处理，同时针对快速独立成分分析过程中的不确定性，在拉曼散射信号前端添加一定幅值和相位的正弦信号，根据正弦信号处理前后的幅值相位变化来校正拉曼散射信号的幅值相位，从而完全恢复拉曼散射信号，包括以下步骤：

(1)、在含噪拉曼散射信号前端加上一定幅值和一定相位的正弦信号，拼接形成观测信号；

(2)、对由含噪拉曼散射信号和正弦信号拼接所得到的观测信号去均值并做白化处理，得到白化矩阵X＝(x₁,x₂,…,x_n)，其中X为去均值和白化处理后的观测信号，x₁,x₂,…,x_n为由n个独立信号源线性混合组成的n维随机观测信号；

(3)、基于负熵最大化理论，确定目标函数F(w)＝E[G(w^TX)]+c(||w||²-1),其中c代表常数，w代表分离系统矩阵W的一行，G(·)为非二次函数，其形式的选取与源信号的种类有关；

(4)、应用牛顿迭代法求此目标函数最优解，令n＝0，随机选取初始向量w(0)，其中||w(0)||＝1；

(5)、调整w，w(n+1)＝E{Xg(w^T(n)X)}-E{g'(w^T(n)X)}w(n)，n＝n+1，其中g和g′分别为G和g的导数；

(6)、归一化，w(n+1)＝w(n+1)/||w(n+1)||；

(7)、若算法未收敛，则转至步骤(5)；若算法收敛，则估计出一个独立成分，y＝wX；

(8)、处理后的含噪拉曼散射信号前端的正弦信号相位幅值发生了变化，同时FastICA去噪处理后的信号后端的拉曼散射信号也需做出相应的处理。

本发明对20km光纤拉曼温度传感系统的去噪仿真结果表明，系统信噪比获得了6.09dB的改善，取得了非常理想的去噪效果。

附图说明

图1为独立成分分析原理框图。

图2为FastICA算法流程图。

图3为FastICA算法去噪效果图。

图4为本发明即加前端校正的FastICA算法去噪效果图。

具体实施方式

如图1和图2所示，利用快速独立成分分析对拉曼散射信号进行去噪处理，同时针对独立成分分析过程中的不确定性，在拉曼散射信号前端添加一定幅值和相位的正弦信号，根据正弦信号处理前后的幅值相位变化来校正拉曼散射信号的幅值相位，从而完全恢复拉曼散射信号。包括以下步骤：

(1)、在含噪拉曼散射信号前端加上一定幅值和一定相位的正弦信号，拼接形成观测信号；