CN105156901A - 一种基于小波分析的光纤预警系统降噪方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小波分析的光纤预警系统降噪方法及装置，应用于输油管道的光纤预警系统中，该方法包括：读取用于记录样本信号的源文件；将二进制的源文件变换成数组波形文件；将数组波形文件通过小波分析降噪子程序中，并通过小波分析降噪子程序对数组波形文件中的样本信号进行降噪处理，获得目标信号；输出目标信号。本发明保证了光纤预警系统提供的报警信息的准确性和有效性。

Description

一种基于小波分析的光纤预警系统降噪方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种基于小波分析的光纤预警系统降噪方法及装置。

背景技术

油气管道遭受人为破坏的方式层出不穷，光纤传感技术逐渐被应用于这个领域，如澳大利亚FFT公司采用激光长距离干涉仪监测技术，但是由于监测灵敏度、监测长度(20公里左右)、定位精度和系统噪声等方面不能满足油气管道安全预警的工程要求。针对土壤震动信号的分析和处理，采用如统计模式是别的方法对其进行精确的模式对比，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，造成虚警率过高，无法给管道维护人员提供更精确的报警事件类型信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于小波分析的光纤预警系统降噪方法及装置，以保证光纤预警系统提供的报警信息的准确性和有效性。

一方面，本发明提供了一种基于小波分析的光纤预警系统降噪方法，应用于输油管道的光纤预警系统中，包括：

读取用于记录样本信号的源文件，其中，所述源文件为二进制数据，所述样本信号为所述光纤预警系统采集到的管道沿线实际的振动信号，所述样本信号中包含噪声和目标信号；

将二进制的所述源文件变换成数组波形文件；

将所述数组波形文件通过小波分析降噪子程序中，并通过所述小波分析降噪子程序对所述数组波形文件中的所述样本信号进行降噪处理，以去除所述噪声并获得所述目标信号，其中，所述小波分析降噪子程序具有预设小波分解层数和预设小波基；

输出所述目标信号。

优选地，所述读取用于记录样本信号的源文件，包括：

采用波形文件的处理方式，读取所述源文件。

优选地，所述通过所述小波分析降噪子程序对所述数组波形文件进行降噪处理，包括：

在LabVIEW的环境下，通过所述小波分析降噪子程序对所述样本信号进行小波分析的信号降噪处理。

优选地，所述输出所述目标信号，包括以下方式中的一种或多种：

将所述目标信号通过时域的第一示波器进行显示；

将所述目标信号通过快速傅里叶变换子程序，使得所述目标信号从时域信号变成频域信号，再将所述目标信号以频谱图的形式通过频域的第二示波器进行显示；

将所述目标信号通过声音输出子程序转换成为声音信号，并通过音频输出设备输出所述声音信号。

优选地，所述预设小波分解层数为6，所述预设小波基为bior4_4。

另一方面，本发明还提供了一种基于小波分析的光纤预警系统降噪装置，应用于输油管道的光纤预警系统中，包括：

读取模块，用于读取用于记录样本信号的源文件，其中，所述源文件为二进制数据，所述样本信号为所述光纤预警系统采集到的管道沿线实际的振动信号，所述样本信号中包含噪声和目标信号；

变换模块，用于将二进制的所述源文件变换成数组波形文件；

小波分析降噪模块，用于接收所述数组波形文件，并通过小波分析降噪子程序对所述数组波形文件中的所述样本信号进行降噪处理，以去除所述噪声并获得所述目标信号，其中，所述小波分析降噪子程序具有预设小波分解层数和预设小波基；

输出模块，用于输出所述目标信号。

优选地，所述读取模块，还用于：

采用波形文件的处理方式，读取所述源文件。

优选地，所述小波分析降噪模块，还用于：

在LabVIEW的环境下，通过所述小波分析降噪子程序对所述样本信号进行小波分析的信号降噪处理。

优选地，所述输出模块，还用于：

将所述目标信号通过时域的第一示波器进行显示；或

将所述目标信号通过快速傅里叶变换子程序，使得所述目标信号从时域信号变成频域信号，再将所述目标信号以频谱图的形式通过频域的第二示波器进行显示；或

将所述目标信号通过声音输出子程序转换成为声音信号，并通过音频输出设备输出所述声音信号。

优选地，所述预设小波分解层数为6，所述预设小波基为bior4_4。

本申请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、时频局部化特性：小波变换在时间轴上能准确定位信号的突变点。

2、多分辨率特性：由于具有多分辨率的方法，能对信号的非平稳特征进行非常好地刻画，如尖峰、边缘、断点等，便于信号特征提取。

3、解相关特性：小波变换可以对信号解相关，让噪声能量分布于大部分小波系数上，而信号的能量只集中于少数几个小波系数上。

4、小波基的选择多样性：由于小波变换能灵活选择变换基，所以针对不同应用场合可选用不同的小波函数，从而得到最佳的处理效果。

5、采用UWT可以使得在进行小波采样的过程中不会出现因为采样而导致的能量的损耗；使用混合的平滑阈值可以使得信号在处理的时候不会出现失真的现象，并且程序可以根据信号的趋势对信号进行一定预估计和补偿。保证了在最大的程度上进行了信号的提取和还原，并在最大程度上降低了噪声对振动事件分析的影响。

6、与传统的数字信号处理方式进行比较，并且通过对管道沿线实际振动信号的分析可以得出，使用小波分析的方法可以有效地提取振动信号的主体特征，并且可以大大地降低噪声信号对于信号处理的干扰。而且采用分解层数为6，小波基为bior4_4的小波分析方法，可以使得信号处理系统具有一定的自适应性。在对小波参数设置的时候，可以人为控制门限函数的设定，从而使小波分析处理信号的方式具有一定的自适应性。

7、在LabVIEW的环境下进行小波分析的信号处理，相比较于之前的神经网络和Matlab处理方法，有着更加方便的可编程性，并且因为LabVIEW的扩展能力很强，所以使得系统可以进行更好的嫁接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中一种基于小波分析的光纤预警系统降噪方法的流程图；

图2为本申请实施例中一种基于小波分析的光纤预警系统降噪装置的示意图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种基于小波分析的光纤预警系统降噪方法及装置，以保证了光纤预警系统提供的报警信息的准确性和有效性。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

一种基于小波分析的光纤预警系统降噪方法，应用于输油管道的光纤预警系统中，包括：读取用于记录样本信号的源文件，其中，源文件为二进制数据，样本信号为光纤预警系统采集到的管道沿线实际的振动信号，样本信号中包含噪声和目标信号；将二进制的源文件变换成数组波形文件；将数组波形文件通过小波分析降噪子程序中，并通过小波分析降噪子程序对数组波形文件中的样本信号进行降噪处理，以去除噪声并获得目标信号，其中，小波分析降噪子程序具有预设小波分解层数和预设小波基；输出目标信号。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一

本实施例提供了一种基于小波分析的光纤预警系统降噪方法，应用于输油管道的光纤预警系统中，如图1所示，包括：

步骤S101：读取用于记录样本信号的源文件，其中，源文件为二进制数据，样本信号(即：报警信息)为光纤预警系统采集到的管道沿线实际的振动信号，样本信号中包含噪声和目标信号。

在具体实施过程中，首先是对采集的信号的源文件进行读取，因为源文件是一个二进制文件，所以可以采用波形文件的处理方式，读取源文件(因为二进制可以使用波形图进行表示)。

步骤S102：将二进制的源文件变换成数组波形文件。

在具体实施过程中，将所读取的源文件的二进制数据变成数组，是原有的离散的二进制数据编程一个完整的波包，这样可以方便后面进行小波分析的处理。

步骤S103：将数组波形文件通过小波分析降噪子程序中，并通过小波分析降噪子程序对数组波形文件中的样本信号进行降噪处理，以去除噪声并获得目标信号，其中，小波分析降噪具有预设小波分解层数和预设小波基。

在具体实施过程中，可以在LabVIEW的环境下，通过小波分析降噪子程序对样本信号进行小波分析的信号降噪处理，其中，预设小波分解层数为6，预设小波基为bior4_4。

步骤S104：输出目标信号。

在具体实施过程中，步骤S104包括以下方式中的一种或多种：

(1)将目标信号通过时域的第一示波器进行显示；

(2)将目标信号通过快速傅里叶变换子程序，使得目标信号从时域信号变成频域信号，再将目标信号以频谱图的形式通过频域的第二示波器进行显示；

(3)将目标信号通过声音输出子程序转换成为声音信号，并通过音频输出设备输出声音信号。此处，因为考虑到波形文件的另外一种输出方式为声音，所以在程序中不仅仅添加了示波器，而且将处理过的数组通过声音输出子程序将数组还原成为声音信号进行输出。这样在处理所采集到的信号的时候不但可以看到所提取信号的主题的波形特征，频谱的分布，而且还可以通过声音信号来更加具体形象地判断这是什么事件在影响管道的安全。

注意：每次处理完一个源文件数据后要进行内存的释放，从而留出足够的空间进行下一次的数据处理。

具体来讲，步骤S103中将数组波形文件通过小波分析降噪子程序中，并通过小波分析降噪子程序对数组波形文件中的样本信号进行降噪处理，主要包含下面三个步骤：

(1)解构信号

首先选取一个小波，然后确定小波的级数n，小波的级数n会将信号分解为n份。例如，选择了级数是3的小波，那么这个信号A将会被重构，并且信号的细节由D₁，D₂，D₃构成。这个信号可近似表示为如下的式子，A为噪声：

S＝A+D₁+D₂+D₃

(2)临界值的具体系数

对于每个从1到n的等级，选取一临界值，并且应用此临界值的临界值系数。

(3)重构信号

使用原来计算的小波重构级近似系数，从1到n的细节系数。

定义函数f(x)，将其定在α阶Lipschicz空间，假如存在两个常数K和h₀，且h₀＞0，那么多项式就有n级，表示为：

|f(x₀+h)-P_n(h)|≤K|h|²

因此，Lipschicz指数α的特点在x₀处表现出自然的奇异性。

让小波函数ψ(x)成为由平滑函数θ(x)推导出来的函数，表示为：

$\mathrm{\ψ}\left(x\right)=\frac{d\mathrm{\θ}\left(x\right)}{dx}$

小波变换后的f(x)可以表示为：

$Wf(s,x)=f*{\mathrm{\ψ}}_s\left(x\right)=f*\left(s\frac{{\mathrm{d\θ}}_s}{dt}\right)\left(x\right)=s\frac{d}{dt}(f*{\mathrm{\θ}}_s)\left(x\right)$

所以，f(x)在平滑函数θ(x)的范围内推导出小波变换后的函数Wf(s,x)。函数Wf(s,x)可以用来证明存在模极大值Wf(s,x)和奇异关系的f(x)。

进一步，小波变换提供了一种评估Lipschicz指数的方法。

函数f(x)在x₀处的Lipschicz指数为α(是一个α＜n的函数f(x)消失矩)，如果存在且仅存在一个常数K使得所有模的极大值都满足下面的式子：

W_f(2^j,x)≤K×2^jα

用来评价Lipschicz指数：

log₂|Wf(2^j,x)|≤log₂K+αj

当α＞0时，小波的模极大值增加一个量级，但对白噪声来说，小波的模极大值则相应地减少一个量级。

在本申请实施例中，利用信号和噪声的小波系数在不同尺度上具有不同特性的机理，随着尺度的增加，噪声系数的幅值很快衰减为零，而真实信号系数的幅值基本不变。由此构造相应规则，在小波域对含噪信号的小波系数进行处理。通过解构信号，选取临界值的具体参数和重构信号将噪声和目标信号分离。在LabVIEW的环境下进行小波分析的信号处理，采用UWT(非降采样小波变换)，采用平滑过渡的方式，并且采用混合式的边界值进行阈值的设定，在最大的程度上进行了信号的提取和还原，并在最大程度上降低了噪声对振动事件分析的影响。

实施例二

基于同一发明构思，本实施例还提供了一种基于小波分析的光纤预警系统降噪装置，应用于输油管道的光纤预警系统中，如图2所示，包括：

读取模块201，用于读取用于记录样本信号的源文件，其中，源文件为二进制数据，样本信号为光纤预警系统采集到的管道沿线实际的振动信号，样本信号中包含噪声和目标信号；

变换模块202，用于将二进制的源文件变换成数组波形文件；

小波分析降噪模块203，用于接收数组波形文件，并通过小波分析降噪子程序对数组波形文件中的样本信号进行降噪处理，以去除噪声并获得目标信号，其中，小波分析降噪子程序具有预设小波分解层数和预设小波基；

输出模块204，用于输出目标信号。

进一步，读取模块201，还用于：

采用波形文件的处理方式，读取源文件。

进一步，小波分析降噪模块203，还用于：

在LabVIEW的环境下，通过小波分析降噪子程序对样本信号进行小波分析的信号降噪处理。

进一步，输出模块204，还用于：

将目标信号通过时域的第一示波器进行显示；或

将目标信号通过快速傅里叶变换子程序，使得目标信号从时域信号变成频域信号，再将目标信号以频谱图的形式通过频域的第二示波器进行显示；或

将目标信号通过声音输出子程序转换成为声音信号，并通过音频输出设备输出声音信号。

进一步，预设小波分解层数为6，预设小波基为bior4_4。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

1、时频局部化特性：小波变换在时间轴上能准确定位信号的突变点。

2、多分辨率特性：由于具有多分辨率的方法，能对信号的非平稳特征进行非常好地刻画，如尖峰、边缘、断点等，便于信号特征提取。

3、解相关特性：小波变换可以对信号解相关，让噪声能量分布于大部分小波系数上，而信号的能量只集中于少数几个小波系数上。

4、小波基的选择多样性：由于小波变换能灵活选择变换基，所以针对不同应用场合可选用不同的小波函数，从而得到最佳的处理效果。

5、采用UWT可以使得在进行小波采样的过程中不会出现因为采样而导致的能量的损耗；使用混合的平滑阈值可以使得信号在处理的时候不会出现失真的现象，并且程序可以根据信号的趋势对信号进行一定预估计和补偿。保证了在最大的程度上进行了信号的提取和还原，并在最大程度上降低了噪声对振动事件分析的影响。

6、与传统的数字信号处理方式进行比较，并且通过对管道沿线实际振动信号的分析可以得出，使用小波分析的方法可以有效地提取振动信号的主体特征，并且可以大大地降低噪声信号对于信号处理的干扰。而且采用分解层数为6，小波基为bior4_4的小波分析方法，可以使得信号处理系统具有一定的自适应性。在对小波参数设置的时候，可以人为控制门限函数的设定，从而使小波分析处理信号的方式具有一定的自适应性。

7、在LabVIEW的环境下进行小波分析的信号处理，相比较于之前的神经网络和Matlab处理方法，有着更加方便的可编程性，并且因为LabVIEW的扩展能力很强，所以使得系统可以进行更好的嫁接。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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。

Claims (10)

1.一种基于小波分析的光纤预警系统降噪方法，应用于输油管道的光纤预警系统中，其特征在于，包括：

读取用于记录样本信号的源文件，其中，所述源文件为二进制数据，所述样本信号为所述光纤预警系统采集到的管道沿线实际的振动信号，所述样本信号中包含噪声和目标信号；

将二进制的所述源文件变换成数组波形文件；

将所述数组波形文件通过小波分析降噪子程序中，并通过所述小波分析降噪子程序对所述数组波形文件中的所述样本信号进行降噪处理，以去除所述噪声并获得所述目标信号，其中，所述小波分析降噪子程序具有预设小波分解层数和预设小波基；

输出所述目标信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述读取用于记录样本信号的源文件，包括：

采用波形文件的处理方式，读取所述源文件。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述小波分析降噪子程序对所述数组波形文件进行降噪处理，包括：

在LabVIEW的环境下，通过所述小波分析降噪子程序对所述样本信号进行小波分析的信号降噪处理。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出所述目标信号，包括以下方式中的一种或多种：

将所述目标信号通过时域的第一示波器进行显示；

将所述目标信号通过快速傅里叶变换子程序，使得所述目标信号从时域信号变成频域信号，再将所述目标信号以频谱图的形式通过频域的第二示波器进行显示；

将所述目标信号通过声音输出子程序转换成为声音信号，并通过音频输出设备输出所述声音信号。

5.如权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，所述预设小波分解层数为6，所述预设小波基为bior4_4。

6.一种基于小波分析的光纤预警系统降噪装置，应用于输油管道的光纤预警系统中，其特征在于，包括：

读取模块，用于读取用于记录样本信号的源文件，其中，所述源文件为二进制数据，所述样本信号为所述光纤预警系统采集到的管道沿线实际的振动信号，所述样本信号中包含噪声和目标信号；

变换模块，用于将二进制的所述源文件变换成数组波形文件；

小波分析降噪模块，用于接收所述数组波形文件，并通过小波分析降噪子程序对所述数组波形文件中的所述样本信号进行降噪处理，以去除所述噪声并获得所述目标信号，其中，所述小波分析降噪子程序具有预设小波分解层数和预设小波基；

输出模块，用于输出所述目标信号。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述读取模块，还用于：

采用波形文件的处理方式，读取所述源文件。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述小波分析降噪模块，还用于：

在LabVIEW的环境下，通过所述小波分析降噪子程序对所述样本信号进行小波分析的信号降噪处理。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述输出模块，还用于：

将所述目标信号通过时域的第一示波器进行显示；或

将所述目标信号通过快速傅里叶变换子程序，使得所述目标信号从时域信号变成频域信号，再将所述目标信号以频谱图的形式通过频域的第二示波器进行显示；或

将所述目标信号通过声音输出子程序转换成为声音信号，并通过音频输出设备输出所述声音信号。

10.如权利要求6～9任一所述的装置，其特征在于，所述预设小波分解层数为6，所述预设小波基为bior4_4。