基于独立成分分析的光纤拉曼温度传感系统的去噪算法
【技术领域】
[0001] 本发明设及光纤传感器领域，具体是一种基于独立成分分析的光纤拉曼溫度传感 系统的去噪算法。
【背景技术】
[0002] 光纤拉曼溫度传感系统是一种基于自发拉曼散射溫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W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。光纤拉曼溫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，但是运些算法均有着自己的局限性，探寻新 的去噪算法W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W有效的实现信号噪声的分离，在光纤拉曼溫度 传感系统中有着较好的应用前景。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种基于独立成分分析的光纤拉曼溫度传感系统的去噪算 法，W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。
[0004] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0005] 基于独立成分分析的光纤拉曼溫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W下步骤：
[0006] (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；
[0007] (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= (XI，而，…，X。)，其中X为去均值和白化处理后的观测信号，XI，而，… ，X。为由n个独立信号源线性混合组成的n维随机观测信号；
[000引 （3)、基于负赌最大化理论，确定目标函数F(w) =E[G(w*X)]+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；
[0009] (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I|w(0)II= 1 ;
[0010] 巧）、调整w，w(n+l) =E{Xg(wT(n)X)}-E{g'（wT(n)X)}w(n)，n=n+1，其中g和g' 分别为G和g的导数； W11]化）、归一化，w(n+l) =w(n+l)/| |w(n+l)II;
[0012] (7)、若算法未收敛，则转至步骤巧）；若算法收敛，则估计出一个独立成分，y= wX;
[001引 做、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，同时化St ICA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。
[0014] 本发明对20km光纤拉曼溫度传感系统的去噪仿真结果表明，系统信噪比获得了 6. 09地的改善，取得了非常理想的去噪效果。
【附图说明】
[0015] 图1为独立成分分析原理框图。
[0016] 图2为化stICA算法流程图。
[0017] 图3为化StICA算法去噪效果图。
[0018] 图4为本发明即加前端校正的化StICA算法去噪效果图。
【具体实施方式】
[0019] 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W下步骤：
[0020] (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；
[0021] (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= (XI，而，…，X。)，其中X为去均值和白化处理后的观测信号，XI，而，… ，X。为由n个独立信号源线性混合组成的n维随机观测信号；
[0022] (3)、基于负赌最大化理论，确定目标函数F(w) =E[G(w*X)]+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；
[0023] (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I|w(0)II= 1 ;
[0024] 巧）、调整w，w(n+l) =E{Xg(wT(n)X)}-E{g'（wT(n)X)}w(n)，n=n+1，其中g和g' 分别为G和g的导数；
[00巧]化）、归一化，w(n+l) =w(n+l)/| |w(n+l)II;
[00%] (7)、若算法未收敛，则转至步骤巧）；若算法收敛，则估计出一个独立成分，y= wX;
[0027] (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，同时化St ICA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。
[0028] 仿真结果与分析：
[0029] 光纤拉曼溫度传感系统的数学模型如式所述，其中S为后向散射系数，aS为后 向散射因子，V为光在光纤中的群速度，P。为入射光功率，T为光脉冲宽度，a为传输损耗 系数。在配置IntelWCoreODiS-SlSOCPTOS. 40細z处理器和6G内存的计算机上利用Matlab进行仿真实验，设系统测量长度为20虹1，峰值功率为lOOmW，脉冲宽度为10ns。
[0030] 八〇二备v.S'o、P'… f(S)
[00川在使用化StICA算法去噪时，需满足测量信号数目大于或等于源信号数目的条 件，当处理一维含噪拉曼散射信号时，必须引入虚拟观测信号把一维信号扩展至多维信号， 此处选取的虚拟观测信号为所加的高斯白噪声，它和含噪拉曼散射信号共同构成一个二维 观测信号。利用化StICA算法对一维含噪拉曼散射信号进行去噪处理，结果如图3所示。 可W看出：l)FastICA算法的去噪效果较好，拉曼散射信号和部分高斯白噪声被成功的分 离出来；2)由于独立成分分析（ICA)的不确定性，导致分离后的拉曼散射信号的幅值和相 位均有所变化。
[0032] 针对化StICA算法的不足，引入加上前端校正的化StICA算法，如前所述，需满 足测量信号数目大于等于源信号数目的条件，而光电检测模块所检测到的信号主要包括拉 曼散射信号和白噪声，因此可认为运里的独立源有2个。此外，光纤拉曼溫度传感系统发射 激光脉冲的间隔时间很短，而相邻信号间的变化很小，所W运里连续取4组含噪拉曼散射 信号作为测量信号进行ICA分析。利用加前端校正的化StICA算法对四维含噪拉曼散射 信号进行去噪处理，结果如图4所示。可W看出：1)加前端校正的化StICA算法的去噪效 果较好，拉曼散射信号和部分高斯白噪声被成功的分离出来；2)由信号前端正弦信号处理 前后幅值和相位的变化，可W完全恢复拉曼散射信号；3)经除噪后的拉曼散射信号上所对 应的10km处的溫度场的变化清晰可见。
[0033] 为了评价加上前端校正的化StICA算法的去噪效果，分别计算了含噪拉曼散射信 号去噪前后的信噪比，如表1所示。
[0034] 表1FastICA改进算法对系统信噪比的改善
【主权项】
1.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Fast ICA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 = (Xl，X2，…，xn)，其中X为去均值和白化处理后的观测信号， Xl，X2，…，Xn 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(WtX)]+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 Iw(O) I I = 1 ； (5) 、调整 w，w(n+l) = E{Xg(wT(n)X) }-E{g'（wT(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+l) =w(n+l)/||w(n+l)|| ; ⑵、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Fast ICA 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。
【专利摘要】本发明公开了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，针对光纤拉曼温度传感系统中信噪比低的问题，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。
【IPC分类】G01K11/32, G06F17/50
【公开号】CN105115622
【申请号】CN201510493821
【发明人】姜海明, 江海峰, 曹文峰, 谢康
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年8月12日