CN111490829B - 信号动态调节方法和系统及其在光纤传感中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号处理方法技术领域，具体的说是一种通过动态选取零点，进而克服因信号偏移造成信号分析准确率低的信号动态调节方法和系统及其在光纤传感中的应用，通过过零点数与设定的阈值进行比较，根据比较结果动态调节信号，有效避免了手动调制带来的不准确及繁琐问题；同时简化了计算模型，提高了计算效率；同时通过选取最接近平均值的极值点作为零点，有效避免了信号偏移X轴导致过零点过少引起的计算过零点数不准确问题；此外通过将上述信号动态调节方法应用于光纤传感，提出一种消除PGC方案中干涉漂移的方法，通过动态调节光源调制深度，解决了干涉漂移问题；只通过简单的加减比较运算，简化了计算模型，提高了计算效率。

Description

信号动态调节方法和系统及其在光纤传感中的应用

技术领域：

本发明涉及信号处理方法技术领域，具体的说是一种通过动态选取零点，进而克服因信号偏移造成信号分析准确率低的信号动态调节方法和系统及其在光纤传感中的应用。

背景技术：

在信号分析时，信号的质量对信号处理结果起到至关重要的作用，而信号质量一般与调制信号的频率、强度，输入信号的电压值大小等因素息息相关；在实际应用中，信号的质量一般通过肉眼观察信号波形，通过手动调节调制信号的频率、强度，输入信号的电压等方法进行调节，既不方便也不准确；同时，调制信号的频率、强度，输入信号的电压值等还会受到温度、湿度等环境因素的影响存在随机波动，这些因素都会对信号处理结果带来影响。若采用计算机修正算法进行修正，在获取修正系数的过程中需要进行大量运算，消耗占用大量DSP资源。

为了解决信号在传输中累积的未校正的定时偏移和频率偏移问题，专利文献CN108347396A公开了一种追踪并补偿调制信号的定时偏移和频率偏移的系统和方法，其通过对所采集信号的每个脉冲的过零点数量进行获取，基于脉冲序列中的过零点数量将脉冲序列解码为符号，然后基于过零点数量的累加和解码的符号的相应脉冲值来获得度量，将度量与预设阈值比较，根据比较结果，使信号采样单元提前或延迟间隔进行采样，来达到补偿信号定时偏移的目的；其中过零点是指相位轴过零的时间点。

该方法能够一定程度上弥补信号偏移造成的问题，但实际应用过程中，信号偏移同时会造成过零率的改变，导致过零点计算存在偏差，造成信号处理准确率下降。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种通过动态选取零点，进而克服因信号偏移造成信号分析准确率低的信号动态调节方法和系统及其在光纤传感中的应用。

本发明通过以下措施达到：

一种信号动态调节方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：采集原始信号S(t)，并选出原始信号中的单周期信号K₁、K₂、K₃…K_n；

步骤2：确定单周期信号的基准值零点，其中：

步骤2-1：对采集到的单周期信号求极值点，并记录极值点幅度的大小A₁、A₂、A₃…A_m，其中m<n；

步骤2-2：求单周期信号幅度平均值

步骤2-3：对求出的极值点幅值A_m与幅度平均值

进行比较，选出与平均值

差值最小的极值点作为基准值零点,设为A’；

步骤3：获取过零点个数N；

步骤4：将过零点个数N与预设阈值T进行比较，其中T≥1，若N≠T，则执行步骤5；若N＝T，则将信号输出；

步骤5：根据过零点个数N与预设阈值T的关系进行信号参数的调节。

本发明步骤3中，获取过零点个数N具体为：将采集到的单周期信号K_m与基准值零点A’相比较，找出所有过零点个数N，其中若K_n-1≤A’≤K_n或K_n-1≥A’≥K_n，则过零点数加1。

本发明步骤3中还包括过零点个数N的校正，过零点个数N的校正具体执行以下步骤：对步骤2中的极值点A_m与基准值零点A’通过公式δ＝(|A_m-A’|)/A’计算误差值δ，若δ≤δ_T，其中δ_T为允许的误差范围值，则过零点数加1。

本发明步骤5中所述信号参数包括信号的幅度、频率、电压、延时参数；其中若N＞T，则将信号参数减小；反之，将信号参数增大。

本发明步骤5中所述信号参数的调节具体为：根据每次获取的极值点及调节参量搭建CART回归树模型，计算并保存模型参数，实际应用时，根据所获得的CART回归树模型及参数以及步骤2-1中的极值自动计算出最终调节的预估值，然后将信号参数直接调节到预估值再进行微调，节省调节时间，若没有预估值时会在某一个值进行增大或者减小，直至满足条件。

本发明步骤5可以采用以下操作：

步骤5-1：根据步骤2-1获取的极值点序列A_m及对应的调节信号S搭建CART回归树模型，其中极值点序列A_m为特征，极值点序列中极值点的个数N_A为特征维数，信号调节量S^’为预测结果；

步骤5-2：保存模型参数信息，计算出信号调节预测值S’；

步骤5-3：根据过零点个数N与预设阈值T的关系，将信号S调节至S’，然后在S’左右进行微调。

本发明还提出了一种信号动态调节系统，其特征在于设有信号采集模块、基准值零点A’确定模块、过零率计算模块、阈值比较模块以及信号调节模块，其中

所述信号采集模块用于获取原始信号S(t)，并选出原始信号中的单周期信号K₁、K₂、K₃…K_n；

所述基准值零点A’确定模块用于获取所采集到的单周期信号的极值点，并记录极值点幅度的大小，然后获取单周期信号极值点幅度的平均值，将所获取的极值点幅度值与极值点幅度的平均值进行比较，最终获得差值最小的极值点作为基准值零点A’；

所述过零率计算模块用于将采集到的单周期信号K_m与基准值零点A’相比较，找出所有过零点个数N；

所述阈值比较模块将过零点个数N与预设阈值T进行比较，若N≠T，则执行信号调节；若N＝T，则将信号输出。

本发明还提出了一种如上所述的信号动态调节方法在光纤传感中的应用，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：采集单个通道单个时分的原始数据S(t)，根据采样频率Fs与调制频率Fm的关系，Fs≥2·Fm，选出单周期干涉信号K₁、K₂、K₃…K_n，其中n＝Fs/Fm；

步骤2：对采集到的单周期干涉信号求极值点，并记录极值点幅度的大小A₁、A₂、A₃…A_m，其中m<n；求单周期干涉信号幅度平均值

对求出的极值点幅值A_m与幅度平均值

进行比较，选出与平均值

差值最小的极值点作为基准值零点,设为A’；

步骤3：获取过零点个数N，对步骤2中的极值点A_m与基准值零点A’通过公式δ＝(|A_m-A^’|)/A’计算误差值δ，若δ≤δ_T，其中δ_T为允许的误差范围值，则过零点数加1；同时对采集到的单周期干涉信号K_m与零点值A’做比较，若K_n-1≤A’≤K_n或K_n-1≥A’≥K_n，则过零点数加1，找出所有过零点个数N；

步骤4：通过阈值比较模块，判断干涉信号调制深度是否符合要求，不符合则进入信号调节模块进行校准来消除干涉衰落影响，具体为：将过零点个数N与设定的阈值T，其中T≥1，进行大小比较，若N≠T，则执行步骤5；若N＝T，则将干涉信号输出解调；

步骤5：根据步骤4中过零点个数N与设定的阈值T的大小关系，进行调制信号的校准，通过校准对光源调制深度进行修正，其中若N＞T，则将调制信号的幅值减小；反之，将调制信号幅值增大。

本发明上述信号动态调节方法在光纤传感中的应用中，步骤2对采集到的干涉信号求极值点采用的方法为相邻数据做差值运算，当差值为0或者符号发生变化时，即为极值点；记录极值点幅度的大小；求取单周期干涉信号幅度平均值采用的方法为采集到的干涉信号最大值与最小值绝对值求和取平均。

本发明与现有技术相比，提出一种信号动态调节方法，通过过零点数与设定的阈值进行比较，根据比较结果动态调节信号，有效避免了手动调制带来的不准确及繁琐问题；同时简化了计算模型，提高了计算效率；通过选取最接近平均值的极值点作为零点，有效避免了信号偏移X轴导致过零点过少导致的计算过零点数不准确问题；此外通过将上述信号动态调节方法应用于光纤传感，提出一种消除PGC方案中干涉漂移的方法，通过动态调节光源调制深度，解决了干涉漂移问题；只通过简单的加减比较运算，简化了计算模型，提高了计算效率。

附图说明：

附图1是本发明中信号动态调节方法的流程图。

附图2是本发明中信号动态调节方法在光纤传感中应用的示意图。

附图3是本发明中信号动态调节系统框图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。

实施例1：

如附图1所示，本例提出了一种信号动态调节方法，其包括以下步骤：

步骤1：采集原始信号S(t)，根据采样频率Fs与重复频率Fr的关系(由采样定理可得：Fs≥2·Fr)，选出单周期信号K₁、K₂、K₃…K_n，其中n＝Fs/Fr；

步骤2：确定基准值零点,设为A^’其中：

步骤2-1：对采集到的单周期信号求极值点，并记录极值点幅度的大小A₁、A₂、A₃…A_m，其中m<n；

步骤2-2：求单周期信号幅度平均值

步骤2-3：对求出的极值点幅值A_m与幅度平均值

进行比较，选出与平均值

差值最小的极值点作为基准值零点,设为A’；

步骤3：计算过零点个数，设为N，其中：

步骤3-1：对步骤2中的极值点A_m与基准值零点A’通过公式δ＝(|A_m-A’|)/A’计算误差值δ，若δ≤δ_T，其中δ_T为允许的误差范围值，则过零点数加1；

步骤3-2：采集到的单周期信号K_m与零点值A’做比较，若K_n-1≤A’≤K_n或K_n-1≥A’≥K_n，则过零点数加1，找出所有过零点个数N；步骤4：将过零点个数N与设定的阈值T进行大小比较，其中T≥1，若N≠T，则通过步骤5进行信号调节；若N＝T，则将信号进行输出；

步骤5：根据N与T的关系对信号S进行调节(幅度、频率、电压、延时等)；若N＞T，则将信号S(幅度、频率、电压、延时等)减小；反之，将信号S(幅度、频率、电压、延时等)增大，其中：

步骤5-1：根据步骤2-1获取的极值点序列A_m及对应的调节信号S搭建CART回归树模型，其中极值点序列A_m为特征，极值点序列中极值点的个数N_A为特征维数，信号调节量S’为预测结果；

步骤5-2：保存模型参数信息，计算出信号调节预测值S’；

步骤5-3：根据N与T的关系，将信号S调节至S’，在S’左右进行微调。

本例所提出的信号调节方法不仅能够消除调制信号的定时偏移和频率偏移影响，还可以对信号的幅度、频率、电压、延时等参数的偏移进行校正；通过选取最接近平均值的一个极值点作为相对基准零点，有效避免因信号偏移带来的过零率计算不准确问题。

实施例2：

如附图2所示，本例提出了一种如上所述信号动态调节方法在光纤传感中的应用，其中具体执行以下步骤：

步骤1：通过信号采集模块采集单个通道单个时分的原始数据S(t)，根据采样频率Fs与调制频率Fm的关系(由采样定理可得：Fs≥2·Fm)，选出单周期干涉信号K₁、K₂、K₃…K_n，其中n＝Fs/Fm；

其中：所述的采集单个通道单个时分的原始数据是因为在实际应用中采集到的原始数据一般为多个通道多个时分的阵列数据，所有时分的原始数据的调制深度一致；

所述采样频率与调制频率的关系成倍数关系，多少倍即采集单个干涉周期多少点；选取采样频率为500KHz，调制频率为25KHz，则采集到的干涉信号一个周期点数为20个点；

信号采集模块的作用为：对采集到的干涉信号进行选取，由于信号存在周期性波动，故选取单个周期的干涉信号进行分析降低信号波动带来的误差；同时后期处理中的迭代处理弥补单周期处理带来的误差；

步骤2：通过基准值零点A’确定模块，首先对采集到的单周期干涉信号求极值点，并记录极值点幅度的大小A₁、A₂、A₃…A_m，其中m<n；然后求单周期干涉信号幅度平均值

再对求出的极值点幅值A_m与幅度平均值

进行比较，选出与平均值

差值最小的极值点作为基准值零点,设为A’；

其中如附图2所示，所述的对采集到的干涉信号求极值点采用的方法为相邻数据做差值运算，当差值为0或者符号发生变化时，即为极值点；记录极值点幅度的大小方便后续步骤进行比较分析；根据采集到的干涉信号获得的极值点幅值分别为：5310,2990,7025,6597,7025,2990；

求取单周期干涉信号幅度平均值采用的方法为采集到的干涉信号最大值与最小值绝对值求和取平均；根据采集到的的干涉信号最大值为7025，最小值为2990，平均值为5007.5；

选出与平均值

差值最小的极值点作为基准值零点目的是防止选取的极值点为最大(小)值，导致后续步骤中的过零率个数计算错误；根据上述步骤可得到基准值零点为5310；

基准值零点A’确定模块通过选取最合适的极值点作为基准零点，为过零率计算模块做准备；以与平均值

差值最小的极值点作为基准值零点是因为在实际采集到的干涉信号中并不是轴对称波形，选取极值点作为零点减少过零点个数，降低误差。

步骤3：通过过零率计算模块将采集到的单周期干涉信号K_m与零点值A’做比较；若K_n-1≤A’≤K_n或K_n-1≥A’≥K_n，则过零点数加1，找出所有过零点个数N；

所述的单周期干涉信号与零点值做差值运算是因为上个模块中选取的基准值零点不为0，做差值运算后便可以通过符号或者0值判断是否为过零率点；本例中得到的过零点个数为3个；

过零率计算模块的作用是，通过计算单周期干涉信号与零点值的差值找出干涉信号中的过零点数，在本实施例中，当调制深度为π时，过零点数为4个；选取π的原因是信号比较规整，信号呈尖对尖状态。

步骤4：通过阈值比较模块，将过零点个数N与设定的阈值T进行大小比较，其中T≥1；若N≠T，则进入信号调节模块；若N＝T，则将干涉信号进行输出进入解调模块；其中：在本实施例中阈值设置为4，通过与过零点数进行比较，满足要求则进入解调模块，不满足则进入迭代校准模块；以上得到的过零点数为3个，不满足要求，进入校准模块；本模块作用：通过阈值比较模块，判断干涉信号调制深度是否符合要求，不符合则进入信号调节模块进行校准来消除干涉衰落影响。

步骤5：通过信号调节模块对信号进行调节，其中若N＞T，则将调制信号的幅值减小；反之，将调制信号幅值增大；本例中根据上述计算出过零点数为3个，小于设定的阈值个数4个，则将调制信号幅度增大；若调制后还不满足要求则继续增大，直至满足阈值要求；信号调节模块的作用是进行调制信号的校准，通过校准对光源调制深度进行修正，通过增加或者减小调制幅度的方式，动态调制。

本发明与现有技术相比，提出一种信号动态调节方法，通过过零点数与设定的阈值进行比较，根据比较结果动态调节信号，有效避免了手动调制带来的不准确及繁琐问题；同时简化了计算模型，提高了计算效率；同时通过选取最接近平均值的极值点作为零点，有效避免了信号偏移X轴导致过零点过少引起的计算过零点数不准确问题；此外通过将上述信号动态调节方法应用于光纤传感，提出一种消除PGC方案中干涉漂移的方法，通过动态调节光源调制深度，解决了干涉漂移问题；只通过简单的加减比较运算，简化了计算模型，提高了计算效率。

Claims (6)

1.一种信号动态调节方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：采集原始信号S(t)，并选出原始信号中的单周期信号K₁、K₂、K₃…K_n；

步骤2：确定单周期信号的基准值零点，其中：

步骤2-1：对采集到的单周期信号求极值点，并记录极值点幅度的大小A₁、A₂、A₃…A_m，其中m<n；

步骤2-2：求单周期信号幅度平均值

步骤2-3：对求出的极值点幅值A_m与幅度平均值

进行比较，选出与平均值

差值最小的极值点作为基准值零点,设为A’；

步骤3：获取过零点个数N；

步骤4：将过零点个数N与预设阈值T进行比较，其中T≥1，若N≠T，则执行步骤5；若N＝T，则将信号输出；

步骤5：根据过零点个数N与预设阈值T的关系进行信号参数的调节；

步骤3中，获取过零点个数N具体为：将采集到的单周期信号K_m与基准值零点A’相比较，找出所有过零点个数N，其中若K_n-1≤A’≤K_n或K_n-1≥A’≥K_n，则过零点数加1；

步骤5中所述信号参数的调节具体为：根据每次获取的极值点及调节参量搭建CART回归树模型，计算并保存模型参数，根据所获得的CART回归树模型及参数以及步骤2-1中的极值自动计算出最终调节的预估值，然后将信号参数直接调节到预估值再进行微调，若没有预估值时会在调制深度为π时，进行增大或者减小，直至满足过零点数为4个的条件，具体采用以下操作：

步骤5-1：根据步骤2-1获取的极值点序列A_m及对应的调节信号S搭建CART回归树模型，其中极值点序列A_m为特征，极值点序列中极值点的个数N_A为特征维数，信号调节量S’为预测结果；

步骤5-2：保存模型参数信息，计算出信号调节预测值S’；

步骤5-3：根据过零点个数N与预设阈值T的关系，将信号S调节至S’，然后在S’左右进行微调。

2.根据权利要求1所述的一种信号动态调节方法，其特征在于步骤3中还包括过零点个数N的校正，过零点个数N的校正具体执行以下步骤：对步骤2中的极值点A_m与基准值零点A’通过公式δ＝(|A_m-A’|)/A’计算误差值δ，若δ≤δ_T，其中δ_T为允许的误差范围值，则过零点数加1。

3.根据权利要求1所述的一种信号动态调节方法，其特征在于步骤5中所述信号参数包括信号的幅度、频率、电压、延时参数；其中若N＞T，则将信号参数减小；反之，将信号参数增大。

4.一种如权利要求1-3中任意一项所述信号动态调节方法的系统，其特征在于设有信号采集模块、基准值零点A’确定模块、过零率计算模块、阈值比较模块以及信号调节模块，其中所述信号采集模块用于获取原始信号S(t)，并选出原始信号中的单周期信号K₁、K₂、K₃…K_n；

所述基准值零点A’确定模块用于获取所采集到的单周期信号的极值点，并记录极值点幅度的大小，然后获取单周期信号极值点幅度的平均值，将所获取的极值点幅度值与极值点幅度的平均值进行比较，最终获得差值最小的极值点作为基准值零点A’；

所述过零率计算模块用于将采集到的单周期信号K_m与基准值零点A’相比较，找出所有过零点个数N；

所述阈值比较模块将过零点个数N与预设阈值T进行比较，若N≠T，则执行信号调节；若N＝T，则将信号输出。

5.一种如权利要求1-3中任意一项所述信号动态调节方法在光纤传感中的应用，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：采集单个通道单个时分的原始数据S(t)，根据采样频率Fs与调制频率Fm的关系，Fs≥2·Fm，选出单周期信号K₁、K₂、K₃…K_n，其中n＝Fs/Fm；

步骤2：对采集到的单周期信号求极值点，并记录极值点幅度的大小A₁、A₂、A₃…A_m，其中m<n；求单周期信号幅度平均值

对求出的极值点幅值A_m与幅度平均值

进行比较，选出与平均值

差值最小的极值点作为基准值零点,设为A’；

步骤3：获取过零点个数N，对步骤2中的极值点A_m与基准值零点A’通过公式δ＝(|A_m-A’|)/A’计算误差值δ，若δ≤δ_T，其中δ_T为允许的误差范围值，则过零点数加1；同时对采集到的单周期信号K_m与零点值A’做比较，若K_n-1≤A’≤K_n或K_n-1≥A’≥K_n则过零点数加1，找出所有过零点个数N；

步骤4：通过阈值比较模块，判断干涉信号调制深度是否符合要求，不符合则进入信号调节模块进行校准来消除干涉衰落影响，具体为：将过零点个数N与设定的阈值T进行大小比较，其中T≥1，若N≠T，则执行步骤5；若N＝T，则将干涉信号输出解调；

步骤5：根据步骤4中过零点个数N与设定的阈值T的大小关系，进行调制信号的校准，通过校准对光源调制深度进行修正，其中若N＞T，则将调制信号的幅值减小；反之，将调制信号幅值增大。

6.根据权利要求5所述的一种信号动态调节方法在光纤传感中的应用，其特征在于，步骤2中对采集到的干涉信号求极值点采用的方法为相邻数据做差值运算，当差值为0或者符号发生变化时，即为极值点；记录极值点幅度的大小；求取单周期信号幅度平均值采用的方法为采集到的干涉信号最大值与最小值绝对值求和取平均。

Images