CN113345402B - 一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法 - Google Patents

一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法，该方法在光学系统中增加一个与传感迈克耳孙干涉仪结构参数相等的对声压不敏感的参考干涉仪作为参考通道,以获得由光源和电路等共同噪声源引入到各干涉仪的高相关噪声。然后,使用自适应算法将声压信号中与参考信号高相关的噪声部分进行抵消。本发明方法基于自适应噪声抵消方法，提高了光纤水听器对本底噪声的追踪能力并有效降低系统本底噪声,最终得到干净的传感信号，即声压信号。

Description

一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法
技术领域
本发明涉及噪声消除技术领域，具体涉及一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法
背景技术
随着声“隐身”技术的发展,水下目标的辐射噪声不断降低,这给浅海低频、远距离探测提出了新的挑战。本底噪声是衡量干涉型光纤水听器系统性能的重要指标之一,决定了系统的最小可测相移,因而直接决定了其对微弱的低频远距离目标的探测能力。目前能够满足实用化要求的光纤水听器大多采用光纤迈克耳孙干涉仪结构。为降低系统本底噪声,许多研究者从光学和电学器件入手研究了影响干涉仪相位噪声的各种因素,并提出了一些抑制噪声的方法,取得了一定的效果。但是通过此途径进行降噪直接受限于各器件的技术发展水平。相比之下,使用参考传感器获得系统噪声对目标传感器进行降噪是一种更易实现且行之有效的手段,被成功地应用于光纤传感领域。
A.D.Kersey等将参考迈克耳孙干涉仪置于隔振隔声容器中以获得激光器的相位噪声,并假设由激光器引起的参考干涉仪与传感干涉仪的相位噪声相同,将两干涉仪的信号进行交叉相减就能够消除传感干涉仪信号的相位噪声。但在实际应用中,受温度和外界环境的影响,参考干涉仪与传感干涉仪的相位信号存在不同程度的低频随机漂移,因此虽然由激光器引入两干涉仪的相位噪声的波形相似性很高,但不可能完全相同。所以使用交叉相减的方法效果并不理想。
自适应滤波器通过自动调节滤波器自身结构参数来消除时变噪声或干扰信号,且保持目标信号不失真,在语音信号处理、无线通信、导航等领域得到广泛的应用,并逐步被引入到光领域的信号处理中。
本发明利用一种改进的NLMS算法实现本底噪声的抵消，这种方法的估算精度高，误差小，而且具有良好的噪声鲁棒性和对本底噪声的跟踪能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法，将光纤水听器与自适应滤波方法结合，估算与原始水听器本底噪声高相关的本底噪声信号，利用RVSS-BC-NLMS自适应算法实现估算的本底噪声信号与声压信号中掺杂的本底噪声信号相抵消，达到消除声压信号中本底噪声的目的，本发明方法使用的RVSS-BC-NLMS自适应算法引入了权重增益与权重控制因子，提高了滤波器的估算精度，降低稳态误差，增强了光纤水听器对本底噪声的跟踪能力和鲁棒性。
本发明实施例所采用的技术方案是：提供一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法，所述方法包括以下步骤：
一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法，所述方法包括以下步骤：
S1：利用激光器获取光源信号作为传输光纤的输入信号；由激光器给光纤水听器提供光源信号，使光信号在单模传输光纤中传输，光信号通过中间媒介隔离器、压电陶瓷和输出干涉仪给参考水听器和原始水听器提供输入信号；
S2：根据RVSS-BC-NLMS自适应算法估算参考水听器的本底噪声；
S3：原始水听器利用RVSS-BC-NLMS自适应算法将声压信号中与参考水听器估算的高相关本底噪声进行抵消，生成干净的声压信号。
作为一种优选方案，步骤S1所述的隔离器起到防止传输光纤中反射光回传的作用，所述压电陶瓷在信号生成器提供的激励信号下给光纤水听器提供高相关的本底噪声。
作为一种优选方案，步骤S2中，所述RVSS-BC-NLMS算法包括：
参考水听器根据输入的本底噪声信号估算出与原始水听器中高相关的本底噪声信号，并根据两者之间的误差信号自动调节参考水听器的权向量，使参考水听器达到最佳工作状态，参考水听器权重wn为：
Figure GDA0003590201920000031
其中，
Figure GDA0003590201920000032
为参考水听器权重增益，μn为参考水听器权重抑制因子；
Figure GDA0003590201920000033
为参考水听器含噪输入信号，
Figure GDA0003590201920000034
为误差信号。引入了参考水听器权重增益
Figure GDA0003590201920000035
和参考水听器权重抑制因子μn，增益量
Figure GDA0003590201920000036
可平衡参考水听器权重受本底噪声影响而产生强烈的上下波动，同时起到控制权重抑制因子的变化范围在0～1之间，防止产生权重异常值，权重抑制因子μn的值直接影响参考水听器的稳定性。
作为一种优选方案，，所述权重增益的计算公式为：
Figure GDA0003590201920000037
其中，
Figure GDA0003590201920000041
L是滤波器阶数，α为平滑因子，0<α<1，
Figure GDA0003590201920000042
是误差信号，
Figure GDA0003590201920000043
是误差信号
Figure GDA0003590201920000044
的方差，
Figure GDA0003590201920000045
是输入信号，
Figure GDA0003590201920000046
表示平方欧式范数。权重增益
Figure GDA0003590201920000047
利用平滑因子α及当前时刻和前L-1时刻的误差信号和输入信号的统计特性赋予参考水听器记忆功能，使参考水听器权重能够根据前L-1时刻的状态值来估算当前值，在提高估算精度的同时平衡本底噪声对权重的影响。
作为一种优选方案，所述权重抑制因子的计算公式为：
Figure GDA0003590201920000048
其中，μn和μn-1分别为第n次和n-1次权重抑制因子，μ0＝0；
Figure GDA0003590201920000049
Figure GDA00035902019200000410
是误差信号，
Figure GDA00035902019200000411
表示平方欧式范数，
Figure GDA00035902019200000412
是期望信号，
Figure GDA00035902019200000413
是输入信号。权重抑制因子μn不仅使用当前时刻和前L-1时刻的误差信号和输入信号的统计特性，还使用前一时刻权重抑制因子的值μn-1进行迭代，既保留了前一时刻抑制因子的信息，又能实现与权重增益之间的联系，因此实现权重增益对权重抑制因子的调节，从而避免权重因本底噪声产生强烈的上下波动而出现异常值，提高参考水听器的估算精度，增强稳定性和抗噪声干扰能力。
本发明提供的一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法，将光纤水听器与RVSS-BC-NLMS自适应算法结合，通过参考水听器估算本底噪声来抵消原始水听器与之高相关的本底噪声信号，该自适应算法引入了权重增益与权重控制因子，提高了滤波器的估算精度，降低稳态误差，增强光纤水听器对本底噪声的跟踪能力和鲁棒性。
附图说明
图1是一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法流程图；
图2是本发明实施例提供的光纤水听器结构示意图；
图3是本发明实施例提供的本底噪声自适应抵消结构示意图；
图4是本发明与现有自适应算法的失调曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法做详细说明。
请参阅图1、图2及图3，本发明实施例提供了一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法，所述方法包括以下步骤：
S1：利用激光器获取光源信号作为传输光纤的输入信号；由激光器给光纤水听器提供光源信号，使光信号在单模传输光纤中传输，光信号通过中间媒介隔离器、压电陶瓷和输出干涉仪给参考水听器和原始水听器提供输入信号；
在本发明实施例中，激光器给传输光纤提供角频率为w0的光信号，光信号通过隔离器ISO1在单模传输光纤中传输，传输光纤因外界环境的扰动产生偏振噪声，在传输光纤中，压电陶瓷PZT1在信号生成器给定的信号下产生相位调制噪声，光信号在传输光纤末端通过隔离器ISO1和干涉仪连接，该干涉仪两个输出信号分别给参考水听器和原始水听器提供光信号，并为参考水听器提供本底噪声信号。
在本发明实施例中，步骤S1所述的隔离器起到防止传输光纤中反射光回传的作用，所述压电陶瓷在信号生成器提供的激励信号下给光纤水听器提供高相关的本底噪声。
S2：根据RVSS-BC-NLMS自适应算法估算参考水听器的本底噪声；
在本发明实施例步骤S2中，所述RVSS-BC-NLMS算法包括：
参考水听器根据输入的本底噪声信号估算出与原始水听器中高相关的本底噪声信号，并根据两者之间的误差信号自动调节参考水听器的权向量，使参考水听器达到最佳工作状态，参考水听器权重wn为：
Figure GDA0003590201920000061
其中，
Figure GDA0003590201920000062
为参考水听器权重增益，μn为参考水听器权重抑制因子；
Figure GDA0003590201920000063
为参考水听器含噪输入信号，
Figure GDA0003590201920000064
为误差信号。引入了参考水听器权重增益
Figure GDA0003590201920000065
和参考水听器权重抑制因子μn，增益量
Figure GDA0003590201920000066
可平衡参考水听器权重受本底噪声影响而产生强烈的上下波动，同时起到控制权重抑制因子的变化范围在0～1之间，防止产生权重异常值，权重抑制因子μn的值直接影响参考水听器的稳定性。RVSS-BC-NLMS自适应算法是NLMS算法的一种改进算法，该算法对本底噪声的鲁棒性好，提高了参考水听器对本底噪声的估算精度，减小误差。
在本发明实施例中，所述权重增益的计算公式为：
Figure GDA0003590201920000067
其中，
Figure GDA0003590201920000068
L是滤波器阶数，α为平滑因子，0<α<1，
Figure GDA0003590201920000069
是误差信号，
Figure GDA00035902019200000610
是误差信号
Figure GDA00035902019200000611
的方差，
Figure GDA00035902019200000612
是输入信号，
Figure GDA00035902019200000613
表示平方欧式范数。权重增益
Figure GDA00035902019200000614
利用平滑因子α及当前时刻和前L-1时刻的误差信号和输入信号的统计特性赋予参考水听器记忆功能，使参考水听器权重能够根据前L-1时刻的状态值来估算当前值，在提高估算精度的同时平衡本底噪声对权重的影响。
进一步的，在本发明实施例中，所述权重抑制因子的计算公式为：
Figure GDA0003590201920000071
其中，μn和μn-1分别为第n次和n-1次权重抑制因子，μ0＝0；
Figure GDA0003590201920000072
Figure GDA0003590201920000073
是误差信号，
Figure GDA0003590201920000074
表示平方欧式范数，
Figure GDA0003590201920000075
是期望信号，
Figure GDA0003590201920000076
是输入信号。权重抑制因子μn不仅使用当前时刻和前L-1时刻的误差信号和输入信号的统计特性，还使用前一时刻权重抑制因子的值μn-1进行迭代，既保留了前一时刻抑制因子的信息，又能实现与权重增益之间的联系，因此实现权重增益对权重抑制因子的调节，从而避免权重因本底噪声产生强烈的上下波动而出现异常值，提高参考水听器的估算精度，增强稳定性和抗噪声干扰能力。
S3：原始水听器利用RVSS-BC-NLMS自适应算法将声压信号中与参考水听器估算的高相关本底噪声进行抵消，生成干净的声压信号。
在本发明实施例中，原始水听器的信号臂添加了压电陶瓷PZT2和信号生成器，用于产生与参考水听器高相关的本底噪声信号，并利用RVSS-BC-NLMS自适应算法将声压信号中与参考水听器估算的高相关本底噪声进行抵消，得到干净的声压信号，得到的声压信号经过光电检测器将光信号转换为电信号并通过A/D转换器进行采集将电信号送入信号处理器，从中提取出所需的传感信息。
本发明提供的一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法，主要解决光纤水听器受本底噪声影响从而使光纤水听器系统在低频远距离目标探测领域中受到制约的问题，光纤水听器与RVSS-BC-NLMS自适应算法结合，实现高效的本底噪声抵消，提高光纤水听器对本底噪声的跟踪能力和鲁棒性。
从图4中各自适应滤波算法的失调曲线可以看出，本发明实施例提供的一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法能够实现收敛速度更快，稳态误差更小，估算精度更高。说明本发明实施例的光纤水听器对本底噪声的跟踪能力更好，鲁棒性更强。
最后应说明的是,以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：利用激光器获取光源信号作为传输光纤的输入信号；由激光器给光纤水听器提供光源信号，使光信号在单模传输光纤中传输，光信号通过中间媒介隔离器、压电陶瓷和输出干涉仪给参考水听器和原始水听器提供输入信号；
S2：根据RVSS-BC-NLMS自适应算法估算参考水听器的本底噪声；
步骤S2中，所述RVSS-BC-NLMS算法包括：
参考水听器根据输入的本底噪声信号估算出与原始水听器中高相关的本底噪声信号，并根据两者之间的误差信号自动调节参考水听器的权向量，使参考水听器达到最佳工作状态，参考水听器权重wn为：
Figure FDA0003590201910000011
其中，
Figure FDA0003590201910000012
为参考水听器权重增益，μn为参考水听器权重抑制因子；
Figure FDA0003590201910000013
为参考水听器含噪输入信号，
Figure FDA0003590201910000014
为误差信号；
S3：原始水听器利用RVSS-BC-NLMS自适应算法将声压信号中与参考水听器估算的高相关本底噪声进行抵消，生成干净的声压信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法，其特征在于，步骤S1所述的隔离器起到防止传输光纤中反射光回传的作用，所述压电陶瓷在信号生成器提供的激励信号下给光纤水听器提供高相关的本底噪声。
3.根据权利要求1所述的基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法，其特征在于，所述权重增益的计算公式为：
Figure FDA0003590201910000021
其中，
Figure FDA0003590201910000022
L是滤波器阶数，α为平滑因子，0<α<1，
Figure FDA0003590201910000023
是误差信号，
Figure FDA0003590201910000024
是误差信号
Figure FDA0003590201910000025
的方差，
Figure FDA0003590201910000026
是输入信号，
Figure FDA0003590201910000027
表示平方欧式范数。
4.根据权利要求3所述的基于自适应算法的光纤水听器本底噪声自适应抵消方法，其特征在于，所述权重抑制因子的计算公式为：
Figure FDA0003590201910000028
其中，μn和μn-1分别为第n次和n-1次权重抑制因子，μ0＝0；
Figure FDA0003590201910000029
Figure FDA00035902019100000210
是误差信号，
Figure FDA00035902019100000211
表示平方欧式范数，
Figure FDA00035902019100000212
是期望信号，
Figure FDA00035902019100000213
是输入信号。
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