[发明专利]一种基于变分模态分解的分布式光纤振动信号的降噪方法

说明书

本申请公开了一种基于变分模态分解的分布式光纤振动信号的降噪方法，包括：获取分布式光纤振动信号，对分布式光纤振动信号进行变分模态分解，既可将原始信号分成不同模态的分量，又可在分解过程中滤除振动信号中的高频噪声，对振动信号的高频噪声进行滤除，具有较好的信噪分离性能；对各个模态分量分别进行小波包阈值去噪，可进一步滤除环境噪声中的散粒噪声和低频噪声等种类的噪声；对处理后的信号进行重构，得到降噪后的光纤振动数据，可有效提高光纤振动数据的信噪比和光纤振动信号处理的准确度。

技术领域

本申请涉及振动信号处理技术领域，尤其涉及一种基于变分模态分解的分布式光纤振动信号的降噪方法。

背景技术

分布式光纤干涉振动检测系统具有灵敏度高、信号处理实时性好、监测距离长、动态检测范围大等优点，受到了广泛的关注与研究，已运用于长距离通信、重要安防等领域的定位监测中。

由于分布式光纤干涉振动检测系统属于干涉型传感系统，系统对外界环境十分敏感，检测到的扰动信号往往存在背景噪声。这些背景噪声主要包括热噪声、散粒噪声和低频噪声。当信号受噪声影响很大时，有用的信号可能完全淹没在噪声中，无法准确进行振动信号的检测，因此有必要对干涉信号进行去噪处理。目前，常见的信号分析方法为傅里叶变换、加窗傅里叶变换、小波分析、经验模态分解方法。。

但是，经验模态分解方法存在模态混叠、端点效应、抗噪性能较差、缺乏严格的数学基础等缺陷，导致光纤振动数据的信噪比较低、光纤振动信号处理的准确度差的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种基于变分模态分解的分布式光纤振动信号的降噪方法，以解决现有技术中光纤振动数据的信噪比较低、光纤振动信号处理的准确度差的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

本申请实施例公开了一种基于变分模态分解的分布式光纤振动信号的降噪方法，包括：获取分布式光纤振动信号，对分布式光纤振动信号进行变分模态分解；

对各个模态分量分别进行小波包阈值去噪；

对处理后的信号进行重构，得到降噪后的光纤振动数据。

可选的，所述对分布式光纤振动信号进行变分模态分解包括：变分问题的构造和对所述变分问题求解。

可选的，所述变分问题的构造包括：

将振动信号y(t)分解成K个模态分量，针对每个模态分量u_k(t)，进行Hilbert变换得到其解析信号和单边频谱：

对各解析信号预估一个中心频率并将各模态的频谱调制到基带：

计算解调信号的梯度二范数，估计各模态信号的带宽，由此构造出变分约束问题：

式中，K为模态分量的个数，{u_k}＝{u₁，u₂，...，u_K}为分解所得的K个模态分量，{ω_k}＝{ω₁，ω₂，...，ω_K}为各模态的中心频率。

使用二次惩罚因子α和Lagrange算子λ(t)将上述的变分问题由约束性问题转化成非约束性问题。α可用于确保信号的重构精度，λ(t)用于确保模型约束条件的严格性。变换得到Lagrange函数L(u_k(t)，{ω_k}，λ)：

可选的，所述对变分问题求解过程包括：