[发明专利]一种联合改进小波阈值的信号处理方法、存储介质和系统

说明书

本发明公开了一种联合改进小波阈值的信号处理方法、存储介质和系统，涉及光电信息技术中光纤传感的信号处理领域，具体涉及一种提高信号信噪比方法，在D.L.Donoho提出的小波阈值去噪方法的基础上，对其阈值函数进行改进，提出了一种新的阈值函数，该阈值函数不仅能够有效的克服硬阈值函数不连续的缺点，还可以解决软阈值函数存在的恒定偏差问题，能有效提高去噪效果。并在此方法上，将累加平均法联合改进小波阈值的方法来进行信号去噪处理，能够进一步提升输出信号的信噪比，进一步减小了均方差。

技术领域

本发明属于光电信息技术中光纤传感的信号处理领域，具体涉及一种联合改进小波阈值的信号处理方法、存储介质和系统。

背景技术

布里渊光时域反射仪（BOTDR）是利用布里渊频移与应力/应变以及温度的线性关系来实现光纤传感的技术，可以应用于许多大型的建设，如桥梁大坝、隧道交通、传输电网等的安全监测，具有广大的应用前景。但是由于自发的布里渊散射信号十分微弱，并且有着各种噪声的干扰，在长距离测量时，传感光纤中的有用信号就很容易淹没在这些噪声之中，使得仪器难以准确探测，所以提高BOTDR系统采集信号的信噪比显得十分重要。

传统去噪是建立在傅里叶变换基础上的线性滤波方法，这种方法虽然简单并且易于实现，但是在提高信噪比和分辨率上存在着矛盾。而小波变换能将时频特征同时局部化，是一种多分辨率的分析方法，被广泛应用于信号去噪。在1995年，D.L.Donoho等人在小波变换的基础上提出了一种小波阈值去噪算法，引起了广泛的关注。小波阈值去噪是在小波变换的基础上对含噪信号进行分解和重构，经小波分解后，有用信号的系数要大于噪声的系数，于是通过设定合适的阈值限定分解后的小波系数，认为绝对值比该阈值小的小波系数主要由噪声引起，直接置为零，把绝对值比该阈值大的系数认为是由信号引起的，通过某个阈值函数处理将其收缩（软阈值方法）或者保留（硬阈值方法）得到预估的小波系数，最后通过对预估的小波系数重构得到去噪信号。

小波阈值去噪的去噪效果取决于阈值的选取以及阈值函数的设计，常用的阈值去噪方法有硬阈值和软阈值两种去噪方法。采用硬阈值方法能更多的保留真实信号的尖峰等特点，但因其在阈值处不连续，去噪效果会出现震荡；软阈值方法克服了硬阈值法在阈值处不连续的缺点，能在去噪后产生光滑的结果，但原始小波系数与阈值量化处理后的小波系数之间总存在恒定偏差，容易丢失信号的高频信息，一定程度上影响了去噪效果。

累加平均法是一种通过多次累加测量数据来提升信噪比的方法，曾被广泛应用于信号降噪处理中；但当累加次数达到一定数值后，信噪比提升速度明显变慢，而所需存储空间和测量时间依然线性增加，这不利于硬件实现,也无法满足测量实时性要求。

发明内容

本发明要解决的问题是，克服常用的阈值去噪方法中存在不连续和恒定偏差的缺陷，提出一种联合改进小波阈值函数的信号处理方法，该方法能够抑制震荡，消除恒定偏差，减少信号丢失，有效提高信号的信噪比。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：一种联合改进小波阈值的信号处理方法，包含以下步骤：

S1 模拟BOTDR系统数据采集模块采集到的布里渊散射信号，模型如下：

其中x(t)为含噪信号，s(t)为原始信号，n(t)为噪声信号。则其信噪比即可表示为：

S2 将产生的M个含噪信号进行叠加，对于s(t)而言，经M次叠加之后变为Ms(t)，而对于噪声信号n(t)，叠加后的有效值变为，所以，经过M次叠加后信号的信噪比变为：

由上式看出，对信号进行M次累加平均之后，信噪比提高了倍；

S3 将采用累加平均法之后得到的染噪信号进行H层小波分解，得到高频小波系数，其中表示小波分解第j层的细节系数组中的第k个系数；

采用改进的阈值计算方法计算出阈值，并利用该阈值与改进后的小波阈值函数对比得到的一组小波系数进行阈值量化处理，得到估计低频小波系数；