一种基于改进希尔伯特黄变换的DAS系统信号处理方法

一种基于改进希尔伯特黄变换的das系统信号处理方法
技术领域
1.本发明涉及分布式光纤传感技术与分布式光纤信号处理领域，尤其涉及一种基于改进希尔伯特黄变换的das(全称：distributed optic fiber acoustic sensing，中文译文：分布式光纤声传感)系统信号处理方法。


背景技术：

2.das系统是一种基于光纤的分布式传感系统，利用光纤系统均匀连续性的特点，在被探测的声信号使得光纤中传输的光信号发生变化时，通过检测光信号的变化即可反演出传感光纤线上任意位置处的声信号。
3.目前基于相位敏感的光时域反射仪(phase-sensitivity optical time domain reflectometer，)技术的das系统是光纤传感的研究热点之一，其具有的优势有长距离传感、高灵敏度和测量精度高等。但这些基于技术的das系统在信号处理上还存在着实际音频信号无法自适应且不易解调的缺点。主要表现为，这些系统普遍通过傅里叶变换(包括快速傅里叶变换、短时傅里叶变换和分数阶域傅里叶变换等等)、小波变换等进行声信号的解调，处理过程中需要人为选择基函数、窗长、分解层数和变换阶数等，很难保证选择的基函数或窗长、分解层数和变换阶数等参数是最合适的，所以具有较大的不确定性。另外，现有技术中，这些系统的验证，普遍以压电陶瓷(piezoelectric transducer，pzt)模拟振动作为扰动信号，pzt利用压电效应来产生振动信号，传递给缠绕其上的传感光纤。这种干扰信号可视为一种单频信号，也即现有技术中的das系统，大多数都是用pzt模拟的振动信号来作为扰动信号。但实际生活中的干扰信号是处在复杂环境下的，含有很难去除的噪声的，这也是das系统目前还大部分只是停留在实验室阶段，尚未大范围工业应用的原因。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种基于改进希尔伯特黄变换的das系统信号处理方法，利用该方法，das系统可解调实际音频信号。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于改进希尔伯特黄变换的das系统信号处理方法，包括如下步骤：
6.提取扰动点(如扬声器所在光纤位置)的时域曲线，对其使用滑动平均和改进的希尔伯特黄变换进行处理，其中，改进的希尔伯特黄变换包括：
7.对其源信号做eemd，即对其源信号加入零均值正态分布的高斯白噪声，做emd(全称：empiricial mode decomposition，中文译文：经验模态分解)，得到所需的imf分量(全称：intrinsic mode function，中文译文：本征模态函数)，再将imf分量作为源信号通过ceemd(全称：complete ensemble empiricial mode decomposition，中文译文：互补集成经验模态分解)算法解调，即是对信号(imf分量)加上白噪声和减去白噪声得到两个新信号，对两个信号同时经过emd处理，求均值，用于抵消信号中残留的噪声。
8.所述信号处理方法还包括信号验证步骤，所述信号验证步骤包括对做ceemd后得到的imf分量进行ht(全称：hilbert transform，中文译文：希尔伯特变换)，得到hilbert谱，并对hilbert谱进行时间上的积分从而进一步得到hilbert边际谱。
9.所述信号验证步骤还包括对做ceemd后得到的imf分量进行fft(全称：fast fourier transform，中文译文：快速傅里叶变换)，得到傅里叶谱。
10.滑动平均可以使用在改进的希尔伯特黄变换之前或之后。滑动平均可选择移动平均值、高斯滤波、s-g滤波等中的一种或两种以上的组合，优选移动平均值与s-g滤波的组合。
11.本发明通过改进的希尔伯特黄变换进行微弱信号提取，通过滑动平均降噪，在三步噪声处理(具体指eemd、ceemd和滑动平均)后，即使扰动信号源为扬声器，也能很好的解调出扰动信号。
12.所述das系统包括窄线宽激光器1，第一光耦合器2，第二光耦合器10，第三光耦合器7，光衰减器9，频率和脉宽可调的脉冲发生器14，声光调制器3，第一光信号放大器4，第二光信号放大器6，光环形器5，传感光纤8，光电转换单元11，数据采集单元12和信号处理单元13以及扰动信号源；
13.所述窄线宽激光器1与所述第一光耦合器2连接后分成两路输出，所述光衰减器9与所述第一光耦合器2相连，控制两路输出的信号比例，其中一路输出与所述声光调制器3相连，所述声光调制器3的输出端与所述第一光信号放大器4连接，所述第一光信号放大器4的输出端与所述光环形器的1号端口连接，所述窄线宽激光器1的另一路输出端与50:50的所述第二光耦合器10的一输入端相连，所述光环形器的2号端口与所述第三光耦合器7连接，所述第二光信号放大器6也与所述第三光耦合器7相连，所述第三光耦合器7与所述传感光纤8连接，所述光环形器5的3号端口与50:50的所述第二光耦合器10的另一输入端相连，所述第二光耦合器10的输出端与所述光电转换单元11相连，所述光电转换单元11的输出端与所述数据采集单元12相连，所述数据采集单元12的输出端与所述信号处理单元13相连，所述脉冲发生器14与所述声光调制器3和所述数据采集单元12分别相连，所述扰动信号源设置在所述传感光纤8的沿线中；
14.所述声光调制器3将所述窄线宽激光器1发出的一部分连续光信号调制成脉冲光信号，经所述第一光信号放大器4放大后由所述光环形器5的1号端口输入并由2号端口输出，经所述第二光信号放大器6放大以提升传感距离后，由所述第三光耦合器7耦合输出到所述传感光纤8，光在所述传感光纤8中发生瑞利散射，瑞利散射产生的背向散射光由所述光环形器5的2号端口收集后经其3号端口输出，与由所述窄线宽激光器1发出的另一部分本振光耦合后输入到所述第二光耦合器10，所述光电转换单元11用于将所述第二光耦合器10输出的光信号转换为电信号，所述数据采集单元12用于对所述电信号进行采集并输出到所述信号处理单元13，所述脉冲发生器14用于为所述声光调制器3提供驱动信号并同步为所述信号采集单元12提供外部触发信号，保证数据采集单元12采集到的信号和光路系统产生的信号具有相同的起止时间。
15.所述扰动信号源为扬声器。
16.所述窄线宽激光器1两路输出的比例推荐设置为10:90，10％输出到所述声光光调制器3，90％输出到所述第二光耦合器10。
17.所述窄线宽激光器1的线宽为1khz，采用这种窄线宽的激光器，频率稳定性好，具有超长相干长度和超低噪声。
18.所述脉冲发生器14是基于fpga的脉冲信号发生器，其频率和脉宽分别在1-10khz内和10-100ns内任意可调。
19.所述传感光纤8采用普通的单模光纤，即标准单模光纤。
20.所述第一光信号放大器4为掺铒光纤放大器，所述第二光信号放大器6为拉曼光纤放大器，用于放大光信号。
21.所述光电转换单元11为具有高灵敏度的平衡探测器。
22.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
23.本发明信号处理方法通过改进的希尔伯特黄变换进行微弱信号提取，通过滑动平均降噪，在三步噪声处理后，即使采用的为扬声器这种与实际生活更为贴近的扰动信号源时，也能很好的解调出扰动信号的时域波形，而且，在使用算法解调扰动信号过程中无需人为设置基函数以及窗长等参数，可满足对实际应用过程中扰动音频信号进行还原解调的需求，而且还弥补了现有das系统在处理音频扰动传感信号时无法自适应的缺点。
附图说明
24.图1为本发明优选实施例所使用的das系统的框架图；
25.图中，1为窄线宽激光器，2为第一光耦合器(10:90)，3为声光调制器，4为第一光信号放大器，其采用掺铒光纤放大器，5为光环形器，6为第二光信号放大器，其采用拉曼光纤放大器，7为第三光耦合器，8为传感光纤，其采用普通单模光纤，9为光衰减器，10为第二光耦合器(50:50)，11为光电转换单元，12为数据采集单元，13为信号处理单元，其采用dsp，14为频率和脉宽可调的脉冲发生器；
26.图2为采用eemd和ceemd-hht恢复出来的音频时域信号；
27.图3为采用eemd和ceemd-hht恢复出来的音频信号的频域验证；
28.图4为采用eemd和ceemd-hht恢复出来的音频信号的希尔伯特谱；
29.图5为采用eemd和ceemd-hht恢复出来的音频信号的希尔伯特边际谱。
具体实施方式
30.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细介绍：
31.一种基于改进希尔伯特黄变换的das系统信号处理方法，如图1所示，图1为该信号处理方法基于的das系统的框架图。
32.该das系统包括窄线宽激光器1，第一光耦合器2，第二光耦合器10，第三光耦合器7，光衰减器9，频率和脉宽可调的脉冲发生器14，声光调制器3，第一光信号放大器4，第二光信号放大器6，光环形器5，传感光纤8，光电转换单元11，数据采集单元12和信号处理单元13以及扬声器(未画出)。
33.所述窄线宽激光器1与所述第一光耦合器2连接后分成两路输出，所述光衰减器9与所述第一光耦合器2相连，控制两路输出的信号比例，其中一路输出与所述声光调制器3相连，所述声光调制器3的输出端与所述第一光信号放大器4连接，所述第一光信号放大器4的输出端与所述光环形器的1号端口连接，所述窄线宽激光器1的另一路输出端与50:50的
所述第二光耦合器10的一输入端相连，所述光环形器的2号端口与所述第三光耦合器7连接，所述第二光信号放大器6也与所述第三光耦合器7相连，所述第三光耦合器7与所述传感光纤8连接，所述光环形器5的3号端口与50:50的所述第二光耦合器10的另一输入端相连，所述第二光耦合器10的输出端与所述光电转换单元11相连，所述光电转换单元11的输出端与所述数据采集单元12相连，所述数据采集单元12的输出端与所述信号处理单元13相连，所述脉冲发生器14与所述声光调制器3和所述数据采集单元12分别相连，所述扬声器设置在所述传感光纤8的沿线中，其所在光纤位置即为扰动点。
34.信号在所述das系统中的传递过程如下：
35.所述声光调制器3将所述窄线宽激光器1发出的一部分连续光信号调制成脉冲光信号，经所述第一光信号放大器4放大后由所述光环形器5的1号端口输入并由2号端口输出，经所述第二光信号放大器6放大以提升传感距离后，由所述第三光耦合器7耦合输出到所述传感光纤8，光在所述传感光纤8中发生瑞利散射，瑞利散射产生的背向散射光由所述光环形器5的2号端口收集后经其3号端口输出，与由所述窄线宽激光器1发出的另一部分本振光耦合后输入到所述第二光耦合器10，所述光电转换单元11用于将所述第二光耦合器10输出的光信号转换为电信号，所述数据采集单元12用于对所述电信号进行采集并输出到所述信号处理单元13，所述脉冲发生器14用于为所述声光调制器3提供驱动信号并同步为所述信号采集单元12提供外部触发信号。
36.所述数据采集单元12的类型为外部触发定点采集，使用外部触发源，检测到fpga产生的调制脉冲的上升沿，即开始采集数据。信号采样率可达125msa/s。das系统每次只能在一个脉冲周期下才能得到一个完整的瑞利散射曲线，这里采用脉冲发生器14同步控制声光调制器3和数据采集单元12，用于保证数据采集单元12采集到的信号和光路系统产生的信号具有相同的起止时间，从而保证每次采集的数据不发生丢失或者重叠，保证数据的正确性，以便于后续数据处理。
37.由数据采集单元12采集的信号输入到信号处理单元13，信号处理单元13的处理方式具体如下：
38.提取扰动点的时域曲线，对其使用滑动平均和改进的希尔伯特黄变换进行处理，其中，改进的希尔伯特黄变换包括：
39.对其源信号做eemd，通过加入噪声消除模态混叠，即对其源信号加入零均值正态分布的高斯白噪声，做emd，得到所需的imf分量，再将imf分量作为源信号通过ceemd算法解调，得到扰动信号的时域波形。
40.ceemd算法旨在加入互补噪声(加上白噪声和减去白噪声)消除模态混叠的同时消除eemd残留的噪声，得到更加纯净的信号，提取新的imf分量，然后，可进一步对其进行hilbert变换得到hilbert谱，在hilbert谱上可以从时间——频率方面观察随着时间变换信号频率的变化，即可以进行时频分析，再对hilbert谱做时间上的积分，得到hilbert边际谱，hilbert边际谱出现的频率表明瞬时频率，表明信号中实际一定存在的频率，可以和快速傅里叶变换后得到的傅里叶谱进行对比分析，从而更好地验证本发明方法对信号的解调效果。
41.滑动平均可以使用在改进的希尔伯特黄变换之前或之后。滑动平均可选择移动平均值、高斯滤波、s-g滤波等中的一种或两种以上的组合，优选移动平均值与s-g滤波的组
合。
42.提取扰动点的时域曲线的具体方式如下：
43.数据采集单元12采集的数据是以二进制文件形式保存的，其数据格式为二进制补码或者二进制偏移码，信号处理单元13对数据进行读取，然后进行切片处理，以单次采样长度为长度进行切片，列成矩阵，其原理是用短时间内m次采集数据累加，得到一个时间点的光纤n个测量点的数据，矩阵a表示如下所示：
[0044][0045]
其中，i＝1,2,
…
,t,j＝1,2,
…
,n，矩阵a中的每个元素a
ij
代表各个测量点短时间内m次测量均值。如有1000个测量点，我们取5个测量点的数据均值记录为a
ij
，此时m＝5，可有效将数据量压缩为原来的1/5。因为我们使用高速数据采集卡(即数据采集单元12)采集，对于高速数据采集卡会造成两个问题，一个是采集卡内部传输的数据流中每2bytes就有几个bits没有意义的0或者符号位，浪费了有限的数据带宽，另一个就是采集的数据通过pcie接口上传到pc即内存时，有限的传输速率被浪费了一部分。为了充分利用数据传输带宽，需要内部有数据压缩模块，上述方式可很好地压缩数据。由上述公式所示，向量ai＝[a
i1
,a
i2
,
…
,a
in
]
t
为das系统传感光纤每个测量点的扰动矢量，根据扰动矢量可以得到传感光纤每个位置的形变量；向量bi＝[a
1j
,a
2j
,
…
,a
tj
]
t
为das系统传感光纤上第j个测量点的扰动矢量，根据该扰动矢量，可以得到光纤固定位置点的不同时间曲线。
[0046]
所述脉冲发生器14是基于fpga的脉冲信号发生器，其在频率1-10khz和脉宽10-100ns内任意可调。
[0047]
本实施例中，所述窄线宽激光器1中心频率1550nm，线宽为1khz。
[0048]
所述窄线宽激光器1两路输出的比例推荐设置为10:90，10％输出到所述声光光调制器3，90％输出到所述第二光耦合器10。这并不意味着所述窄线宽激光器1的两路输出只能按照上述比例设置，实质还可设置为20:80，15:85等，推荐设置为10:90旨在获取最好的相干效果。
[0049]
所述传感光纤8采用普通的单模光纤。
[0050]
所述光电转换单元11为具有高灵敏度的平衡探测器。
[0051]
图1的das系统采用的是外差法相干检测。das系统存在两种检测方式，直接检测和相干检测，直接检测得到的信号只有强度信息，无法得到相位信息，这是由于光电探测器的频率远远低于光的频率，光电探测器只能对光信号的包络产生响应，其相位信息提取不出。所以基于直接检测传感系统只能检测强度变化，无法测量扰动信号的相位信息。相干检测有多种，如零差法，外差法，使用干涉仪等等，这里使用外差法相干检测，不仅使得系统结构简单，且可实现对相位的解调。但这并不意味着本发明信号处理方法必须与这种das系统绑定。本发明信号处理方法对工业控制中的其他系统的信号的降噪处理也具有一定的借鉴价值，比如dts(分布式光纤温度传感系统)等等。
[0052]
效果实验
[0053]
在具体实际实验中，扰动信号频率为传感光纤上扬声器播放的800hz的音频扰动信号，使用eemd和ceemd得到的扰动信号的时域如图2所示(在使用eemd之前，使用了移动平均值和s-g滤波对提取的时域信号进行数据平滑处理，用于降低噪声干扰)，继续得到的扰动信号的频域论证分析如图3所示，对结果做hilbert变换，得到hilbert谱如图4所示，再对其做时间上的积分，得到hilbert边际谱如图5所示。
[0054]
ceemd后得到被恢复的声音信号，由于从ceemd的结果不能看出所恢复声音信号的准确性，需要去进一步论证，图3是fft方法论证，但是仅仅表明ceemd得到的结果中可能存在正确的频率，用hilbert变换得到的图4是从时频方面论证，在时间变化时，有集中于该频率的能量，图5是进一步论证，用hilbert边际谱论证ceemd得到的信号频率就是所需要的频率。
[0055]
由图3-5，使用eemd算法联合ceemd-hht算法解调作用在传感光纤上的音频信号(由扬声器发出)，虽然环境因素复杂导致噪声干扰很大，但扰动的800hz音频信号频率还是能被很好地解调出来。
[0056]
上面效果实验针对的扰动信号源为扬声器，实际上，在采用pzt作为干扰信号源时，相比于图2-图3，信号恢复情况更好。
[0057]
本发明信号处理方法通过改进的希尔伯特黄变换进行微弱信号提取，通过滑动平均降噪，在三步噪声处理后，即使采用的为扬声器这种与实际生活更为贴近的扰动信号源时，也能很好的解调出扰动信号的时域波形，而且，在使用算法解调扰动信号过程中无需人为设置基函数以及窗长等参数，可满足对实际应用过程中扰动音频信号进行还原解调的需求，而且还弥补了现有das系统在处理音频扰动传感信号时无法自适应的缺点。
[0058]
以上具体实施方式仅用于对本发明进行进一步详细说明，不能认定本发明的实施方式仅限于如此，对于在本发明构思的基础上，所做出地简单改进或替代，均应视为落入本发明的保护范围。