一种应用于光纤预警系统中的自适应噪声抵消装置.pdf

本发明实施例公开了一种应用于光纤预警系统中的自适应噪声抵消装置，用以解决现有技术中存在的在确定油气管道被破坏的位置时所采集的信号中信噪比特别低的技术问题。本发明公开的自适应噪声抵消装置包括混合光信号接口、光电转换单元、自适应滤波器、第一模数转换单元、噪声信号接口、第二模数转换单元和数字信号处理器，提高了混合光信号的信噪比，从而保证了光纤预警系统中定位单元能够根据数字信号处理器输出的信号精确、快速地定位噪声源，维护油气管道安全，避免虚警率过高。

权利要求书
1.  一种应用于光纤预警系统中的自适应噪声抵消装置，其特征在于，包括：
混合光信号接口，用于接收所述光纤预警系统中光纤传感器单元采集的混合光信号；
光电转换单元，与所述混合光信号接口相连，用于将所述混合光信号转换为混合电信号；
自适应滤波器，与所述光电转换单元相连，用于对所述混合电信号进行滤波处理，获得处理后的混合电信号；
第一模数转换单元，与所述自适应滤波器相连，用于将所述处理后的混合电信号转换为混合数字信号；
噪声信号接口，用于接收与所述光纤传感器单元对应的麦克风采集的环境噪声信号；
第二模数转换单元，与所述噪声信号接口相连，用于将所述环境噪声信号转换为环境噪声数字信号；
数字信号处理器，分别与所述第一模数转换单元和所述第二模数转换单元相连，用于根据所述环境噪声数字信号对所述混合数字信号进行处理，以去除所述混合数字信号中的环境噪声。

2.  如权利要求1所述的自适应噪声抵消装置，其特征在于，所述自适应噪声抵消装置还包括低通滤波器，所述低通滤波器设置于所述噪声信号接口和所述第二模数转换单元之间，用于对所述环境噪声信号进行滤波处理。

3.  如权利要求1所述的自适应噪声抵消装置，其特征在于，所述数字信号处理器还包括一输出接口，所述输出接口与所述光纤预警系统中的定位单元相连，用于将从所述混合数字信号中去除噪声而获得的有用信号输出到所述定位单元中，使得所述定位单元根据所述有用信号定位有用信号源。

4.  如权利要求1所述的自适应噪声抵消装置，其特征在于，所述光纤传 感器单元具体为光纤声音传感器和/或光纤振动传感器。

5.  如权利要求1所述的自适应噪声抵消装置，其特征在于，所述光电转换单元具体为光信号-电信号转换器。

6.  如权利要求1所述的自适应噪声抵消装置，其特征在于，所述第一模数转换单元具体为模数转换器。

7.  如权利要求1所述的自适应噪声抵消装置，其特征在于，所述数字信号处理器在根据所述环境噪声数字信号对所述混合数字信号进行处理时，所采用的算法为时变步长参数的LMS算法。

8.  如权利要求7所述的自适应噪声抵消装置，其特征在于，所述时变步长参数的LMS算法的变步长μ的公式为：
其中μ1为算法所取的初始步长，x(n)为滤波器的输入。

9.  如权利要求8所述的自适应噪声抵消装置，其特征在于，所述时变步长参数的LMS算法为：
时刻根据滤波器的输入x(n)来时刻调整算法的步长μ(n)，x(n)与稳态误差成正比，μ(n)则与稳态误差成反比，并在随着输入x(n)的逐渐增大，滤波器的稳态误差也逐渐增大时，通过调整步长μ(n)来减小稳态误差。

说明书一种应用于光纤预警系统中的自适应噪声抵消装置
技术领域
本发明涉及数字信号处理领域，尤其涉及一种应用于光纤预警系统中的自适应噪声抵消装置。
背景技术
油气管道极易遭受人为破坏，如何精确的确定油气管道被破坏的位置成为一个越来越重要的问题。
目前，光纤传感技术逐渐被应用于确定油气管道被破坏的位置这一过程中，但是由于针对土壤震动信号的分析和处理，采用如统计模式等方法对其进行模式对比，但因为油气管道的土壤振动信号存在多种特征交迭、背景噪音杂乱、不同信号特征相似度较大等特点，所采集的信号中信噪比特别低，无法为油气管道被破坏的位置的确定提供准确的信息，继而造成虚警率过高，导致管道维护人员无法获取准确的地点信息，人力物力浪费严重。
因此，现有技术中存在在确定油气管道被破坏的位置时所采集的信号中信噪比特别低的技术问题。
发明内容
本发明实施例通过提供一种应用于光纤预警系统中的自适应噪声抵消装置，用以解决现有技术中存在的在确定油气管道被破坏的位置时所采集的信号中信噪比特别低的技术问题。
本发明实施例提供了一种应用于光纤预警系统中的自适应噪声抵消装置，包括：
混合光信号接口，用于接收所述光纤预警系统中光纤传感器单元采集的混 合光信号；
光电转换单元，与所述混合光信号接口相连，用于将所述混合光信号转换为混合电信号；
自适应滤波器，与所述光电转换单元相连，用于对所述混合电信号进行滤波处理，获得处理后的混合电信号；
第一模数转换单元，与所述自适应滤波器相连，用于将所述处理后的混合电信号转换为混合数字信号；
噪声信号接口，用于接收与所述光纤传感器单元对应的麦克风采集的环境噪声信号；
第二模数转换单元，与所述噪声信号接口相连，用于将所述环境噪声信号转换为环境噪声数字信号；
数字信号处理器，分别与所述第一模数转换单元和所述第二模数转换单元相连，用于根据所述环境噪声数字信号对所述混合数字信号进行处理，以去除所述混合数字信号中的环境噪声。
可选地，所述自适应噪声抵消装置还包括低通滤波器，所述低通滤波器设置于所述噪声信号接口和所述第二模数转换单元之间，用于对所述环境噪声信号进行滤波处理。
可选地，所述数字信号处理器还包括一输出接口，所述输出接口与所述光纤预警系统中的光纤预警系统的定位单元相连，用于将从所述混合数字信号中去除噪声而获得的有用信号输出到所述定位单元中，使得所述定位单元根据所述有用信号定位有用信号源。
可选地，所述光纤传感器单元具体为光纤声音传感器和/或光纤振动传感器。
可选地，所述光电转换单元具体为光信号-电信号转换器。
可选地，所述第一模数转换单元具体为模数转换器。
可选地，所述数字信号处理器在根据所述环境噪声数字信号对所述混合数 字信号进行处理时，所采用的算法为时变步长参数的LMS算法。
可选地，所述时变步长参数的LMS算法的变步长μ的公式为：
其中μ1为算法所取的初始步长，由于0<μ2<μ1<1λmax,]]>则0<μ1||x(n)||2<1λmax.]]>
可选地，所述时变步长参数的LMS算法为：
时刻根据滤波器的输入x(n)来时刻调整算法的步长μ(n)，x(n)与稳态误差成正比，μ(n)则与稳态误差成反比，并在随着输入x(n)的逐渐增大，滤波器的稳态误差也会逐渐增大时，通过调整步长μ(n)来减小稳态误差。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、由于采用了先对混合光信号送入自适应滤波器进行滤波处理，再送入数字信号处理器中进行处理的技术方案，提高了混合光信号的信噪比，为光纤预警系统精确地确定信号源提供了有力地保障。
2、由于采用了数字信号处理器根据环境噪声信号对混合光信号进行处理，需要计算的函数简单，无需进行矩阵运算，运算速度快，精度高，从而进一步提高了在确定油气管道被破坏的位置时所采集的信号的信噪比，从而保证了光纤预警系统中定位单元能够精确、快速地定位噪声源，维护油气管道安全，避免虚警率过高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光纤预警系统中的自适应噪声抵消装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的自适应滤波器的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种应用于光纤预警系统中的自适应噪声抵消装置，用以解决现有技术中存在的在确定油气管道被破坏的位置时所采集的信号中信噪比特别低的技术问题。
请参考图1，图1为本发明实施例提供的光纤预警系统中的自适应噪声抵消装置的示意图，如图1所示，该自适应噪声抵消装置包括：
混合光信号接口，用于接收所述光纤预警系统中光纤传感器单元采集的混合光信号，光纤传感器单元具体可以为光纤声音传感器和/或光纤振动传感器，当然，也可以为其他合适的传感器，在此不做限制；在实际应用中，光纤传感器单元可以设置在油气管道中需要进行监测的位置，例如，每个光纤传感器单元会有自己的唯一的编号，从而使得光纤预警系统能够根据该光纤传感器单元传回的信号，确定该光纤传感器单元的位置，在本实施例中，可以设定混合光信号接口接收的是设置于第一地点的第一光纤传感器单元采集的混合光信号；
光电转换单元，与所述混合光信号接口相连，用于将所述混合光信号转换为混合电信号，光电转换单元具体可以是一个光信号-电信号转换器，从而能够将光纤传感器单元采集到的经过调制的光信号转换为对应的电信号，在实际应用中，光信号-电信号转换器已经被使用在多种场合被使用，在此就不再赘述了；
自适应滤波器，与所述光电转换单元相连，用于对所述混合电信号进行滤波处理，获得处理后的混合电信号，在本实施例中，请参考图2，图2为本发明实施例提供的自适应滤波器的结构示意图，如图2所示，其中x(n)为自适应滤波器的输入信号，d(n)为期望响应，y(n)为自适应滤波器的输出信号，e(n)为估计误差，当然，在实际应用中，自适应滤波器还包括自适应算法，使得自适应滤波器能够根据估计误差信号e(n)控制滤波器的滤波系数，继而使得自适应滤波器能够实现根据e(n)值“自动地”调整滤波特性，在此就不再赘述了；
第一模数转换单元，与所述自适应滤波器相连，用于将所述处理后的混合电信号转换为混合数字信号，第一模数转换单元具体可以为模数转换器，模数转换器又被称为A/D转换器(或称ADC；英文：analog to digital converter)，其通过取样、保持、量化及编码等4个步骤，即能够将将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，在此就不再赘述了；
噪声信号接口，用于接收与所述光纤传感器单元对应的麦克风采集的环境噪声信号，在本实施例中，与光纤传感器单元对应的麦克风是指该麦克风与其对应的光纤传感器单元设置在同一地点，该麦克风能够采集到与其对应的该光纤传感器单元所在地点附近的环境噪声信号，例如，在本实施例中，设置于第一地点的第一麦克风与第一光纤传感器单元是相互对应的，第一麦克风能够采集到该第一光纤传感器单元所在的第一地点的环境噪声；
第二模数转换单元，与所述第二光电转换单元相连，用于将所述环境噪声信号转换为环境噪声数字信号，第二模数转换单元的硬件实现可以和第一模数转换单元一致，软件方面如取样、编码等可以根据实际情况调整，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了；
数字信号处理器(简称：DSP；英文：digital signal processing)，分别与所述第一模数转换单元和所述第二模数转换单元相连，用于根据所述环境噪声数字信号对所述混合数字信号进行处理，以去除所述混合数字信号中的环境噪声。
在具体实施过程中，所述自适应噪声抵消装置还包括低通滤波器，所述低通滤波器设置于所述噪声信号接口和所述第二模数转换单元之间，用于对所述环境噪声信号进行滤波处理。
在具体实施过程中，所述数字信号处理器还包括一输出接口，所述输出接口与所述光纤预警系统中的光纤预警系统的定位单元相连，用于将从所述混合数字信号中去除噪声而获得的有用信号输出到所述定位单元中，使得所述定位单元根据所述有用信号定位有用信号源，在本实施例中，若数字信号处理器输 出的信号为有用信号，有用信号是能够确定油气管道已经被破坏的信号，例如数字信号处理器根据第一光纤传感器单元传回的混合光信号和第一麦克风传回的环境噪声信号输出的信号为有用信号，则光纤预警系统能够根据该有用信号确定第一光纤传感器单元所在的位置为第一位置，也即确定出油气管道发生破损的位置。
需要说明的是，在本实施例中，对光纤传感器单元和麦克风的灵敏度等参数不做限制，在实际应用中，本领域所属的技术人员能够选择合适的光纤传感器与麦克风，以满足实际情况的需求，在此就不再赘述了。
在本实施例接下来的部分中，将根据图1和图2，详细介绍本发明实施例中对混合光信号和噪声信号的处理过程，以及如何提高在确定油气管道被破坏的位置时所采集的信号中信噪比的过程。
请继续参考图1，如图1所示，自适应噪声抵消装置可以包括信号输入部分、信号处理部分和信号输出部分。
请继续参考图1，信号输入部分由主通道和参考通道构成，主通道和参考通道对信号的处理过程分别如下：在主通道中，混合光信号接口接收所述光纤预警系统中光纤传感器单元采集的混合光信号，混合光信号中包括监测油气管道是否正常的有用信号与环境噪声信号，接着将混合光信号送入光电转换单元中转换为混合电信号，然后将其送入自适应滤波器中，根据自适应滤波器的自适应特性来保证滤波器的滤波效果，去除混合电信号中因光纤传感器单元采集时或混合电信号在传输过程中产生的噪声，再通过第一模数转换单元转换为混合数字信号，最后将混合数字信号送入数字信号处理器中；在参考通道中，噪声信号接口接收与光纤传感器单元对应的麦克风采集到的环境噪声信号，该环境噪声信号中也会包括麦克风在采集时或该环境噪声信号在传输过程中产生的噪声，并将其输入到低通滤波器中，由低通滤波器去除环境噪声信号中的噪声，环境噪声的频率一般较低，通过低通滤波器能够较好地对环境噪声信号中高于预设频率的信号(这部分信号在环境噪声信号中即为噪声)进行衰减，继 而去除环境噪声信号中的噪声，最后将去除了噪声的环境噪声信号送入数字信号处理器中。
可以看出，在上述过程中，在信号输入部分即对混合光信号和环境噪声信号分别进行了滤波处理，保证了输入到数字信号处理器中的两个信号的纯净，继而为数字信号处理器输出的结果的精确性提供了有力地保障。
信号处理部分包括数字信号处理器，数字信号处理器可以采用改进后的归一化LMS(英文：least mean square；中文：最小均方算法)算法作为混合数字信号和噪声数字信号的处理算法，该算法可以看作是时变步长参数的LMS算法。该算法具体为：时刻根据滤波器的输入x(n)来时刻调整算法的步长μ(n)，x(n)与稳态误差成正比，μ(n)则与稳态误差成反比，随着输入x(n)的逐渐增大，滤波器的稳态误差也会逐渐增大，此时需要通过调整步长μ(n)来减小稳态误差。归一化LMS算法是通过输入向量x(n)的平方欧氏范数对步长μ进行“归一化”。归一化LMS算法的变步长μ的公式为
μ(n)=μ1||x(n)||2---(1)]]>
式中μ1为算法所取的初始步长，由于其中λmax为x(n)的自相关矩阵特征值的最大值，则在此范围内算法一定收敛。式中用输入x(n)的平方欧式范数即二范数去除算法的初始步长μ1，随着输入的增大，变步长μ(n)逐渐的减小，算法的稳态误差也相应逐步减小，具有很快的收敛速度和更小的稳态误差。
通过上述部分可以看出，由于数字信号处理器中采用的算法需要计算的函数简单，无需进行矩阵运算，运算速度快，精度高，从而进一步提高了在确定油气管道被破坏的位置时所采集的信号的信噪比，从而保证了光纤预警系统中定位单元能够精确地定位噪声源，维护油气管道安全，避免虚警率过高。
信号输出部分包括数字信号处理器的输出接口，其能够将数字信号处理器从混合数字信号中去除环境噪声信号而获得的有用信号输出到光纤预警系统中的定位单元中，使得定位单元能过根据该有用信号定位噪声源，在此就不再赘述了。
当然，在实际应用中，根据光纤预警系统中定位单元所使用的信号的类型不同，可以再输出接口和定位单元之间设置数模转换器等设备，以满足实际情况的需求，在此就不再赘述了。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、由于采用了先对混合光信号送入自适应滤波器进行滤波处理，再送入数字信号处理器中进行处理的技术方案，提高了混合光信号的信噪比，为光纤预警系统精确地确定信号源提供了有力地保障。
2、由于采用了数字信号处理器根据环境噪声信号对混合光信号进行处理，需要计算的函数简单，无需进行矩阵运算，运算速度快，精度高，从而进一步提高了在确定油气管道被破坏的位置时所采集的信号的信噪比，从而保证了光纤预警系统中定位单元能够精确地定位噪声源，维护油气管道安全，避免虚警率过高。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。