一种小波阈值去噪方法及基于所述方法的光时域反射仪
阅读说明：本技术 一种小波阈值去噪方法及基于所述方法的光时域反射仪 (Wavelet threshold denoising method and optical time domain reflectometer based on same ) 是由 谭俊 罗惠中 刘偲嘉 甘育娇 崖婷婷 朱铮涛 姜海明 谢康 于 2021-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种小波阈值去噪方法及基于所述方法的光时域反射仪,包括如下步骤：步骤1：对含噪信号进行小波分解,得到小波分解系数w-(j,k)；步骤2：选取适当的阈值λ-(j)；步骤3：对小波分解系数w-(j,k)进行小波阈值处理,得到估计小波分解系数步骤4：对估计小波分解系数进行重构并得到去噪信号。通过本发明能实现提高信号去噪后的精度,有效提升信号的去噪效果,得到更高的信噪比和更小的均方误差,获得高质量的去噪信号。(The invention discloses a wavelet threshold denoising method and an optical time domain reflectometer based on the method, which comprises the following steps: step 1: wavelet decomposition is carried out on the signal containing the noise to obtain a wavelet decomposition coefficient w j，k (ii) a Step 2: selecting proper threshold value lambda j (ii) a And step 3: for wavelet decomposition coefficient w j，k Performing wavelet threshold processing to obtain estimated wavelet decomposition coefficient And 4, step 4: for estimating wavelet decomposition coefficient And reconstructing to obtain a de-noised signal. The invention can improve the precision of the signal after denoising, effectively improve the denoising effect of the signal, obtain higher signal-to-noise ratio and smaller mean square error, and obtain a high-quality denoised signal.)
技术领域
本发明涉及光纤测试技术领域，具体涉及一种小波阈值去噪方法及基于所述方法的光时域反射仪。
背景技术
光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometry，缩写为OTDR)是根据光纤传输特性而设计的一种非破坏性的测试仪器，是光纤测试中的主要仪表之一。它可以对光纤长度、光纤的传输衰减及接头衰减等量化测试，具有分布式测量、远程测量、高灵敏度、抗电磁干扰能力强、绝缘性好、重量轻和体积小等优点，在通信光纤和传感光纤的施工、维护、运行等方面得到了广泛的应用。但实际的OTDR测试曲线含有很大的噪声，特别是在曲线的尾部，由于光功率的衰减较大，曲线受噪声污染严重，曲线中的事件难以识别。噪声是影响目标信号检测与识别性能的一个重要因素，特别是在一些高精度数据的分析中，哪怕是很微弱的噪声都会对分析结果产生巨大的影响，所以在信号分析过程中，首先要做的就是对信号进行去噪处理。小波分析是近年来发展起来的一种新的信号处理工具，这种方法源于傅立叶分析。小波(wavelet)，即小区域的波，仅仅在非常有限的一段区间有非零值，而不是像正弦波和余弦波那样无始无终。小波可以沿时间轴前后平移，也可按比例伸展和压缩以获取低频和高频小波，构造好的小波函数可以用于滤波或压缩信号，从而可以提取出已含噪声信号中的有用信号，因此小波理论得到了非常迅速的发展。常用的小波去噪方法有：小波阈值去噪、小波相关性去噪和小波模极大值去噪。小波阈值去噪是D.L.Donoho和I.M.Johnstone于1992年提出的，该方法的基本思想是：当含有噪声的信号经过小波分解后，信号本身的能量存在于部分小波分解系数当中，而噪声的能量分布在所有小波分解系数当中，经过多层小波分解的含噪信号，信号本身的小波系数模值大于噪声信号小波变换的系数模值，再经阈值处理、小波重构后得到去噪信号。在所有小波去噪方法中小波阈值去噪方法最为广泛，成为了近年来信号去噪领域的研究热点之一。
传统的小波阈值去噪方法所运用的函数有硬阈值函数和软阈值函数两种，但这两种方法都有一定缺陷：硬阈值函数在阈值处不连续，导致重构信号出现振荡和伪吉布斯效应；软阈值函数虽然在阈值处连续，但处理后的小波系数与真实小波系数之间存在恒定偏差，导致小波系数重构精度降低，使得去噪效果差。为了克服软、硬阈值函数的缺陷，国内外的研究者提出了比值平滑阈值函数。比值平滑阈值函数在阈值处连续，也可在一定程度上解决软阈值函数去噪效果差的问题，但该函数去噪所得到的信噪比和均方误差相比硬阈值函数并不理想。
以上三种方法的函数形式和图像如下。
(1)硬阈值函数：
(2)软阈值函数：
(3)比值平滑阈值函数：
其中，wj，k为分解的第j个尺度下的第k个小波系数，为wj，k估计的小波系数，n为调节因子，是一个正整数，p＝(eλ+e-λ)/2，λ为阈值，N为信号的长度，σn为第1层所含噪声的标准差，σn＝Median(|w1，k|)/0.6745。
软阈值函数、硬阈值函数及比值平滑阈值函数如附图1所示。
发明内容
本发明的目的是设计一种小波阈值去噪方法及基于所述方法的光时域反射仪，使其能实现提高信号去噪后的精度，有效提升信号的去噪效果，得到更高的信噪比和更小的均方误差，获得高质量的去噪信号。
为实现上述目的，本发明要求保护一种小波阈值去噪方法，包括如下步骤：
步骤1：对含噪信号进行小波分解，得到小波分解系数wj，k；
步骤2：选取适当的阈值λj；在实际去噪过程中，含噪信号经过小波分解后，随着尺度的增加，噪声的小波系数幅值越来越小，而信号的小波系数的幅值会越来越大。因此，在不同尺度上阈值的选取也应该不同，使其能够适应每层的噪声分布状况；
步骤3：对小波分解系数wj，k进行小波阈值处理，得到估计小波分解系数
步骤4：对估计小波分解系数进行重构并得到去噪信号。
具体的，在步骤1中，wj，k为分解的第j个尺度下的第k个小波系数。
具体的，在步骤2中，其中，Nj为第j层小波分解系数的长度，σj为第j层所含噪声的标准差，σj＝Median(|wj，k)/0.6745。可以看出随着分解尺度j的变大，阈值随之变小，符合当分解尺度变大时噪声的幅值随之变小的特点。
具体的，在步骤3中，
其中，n、m为调节因子，均为正整数；
本发明还要求保护一种基于上述小波阈值去噪方法的光时域反射仪，包括依次连接的脉冲发生器、激光驱动模块、光纤耦合器、光电转换模块、A\D转换模块以及微控制器模块；所述微控制器模块与阈值去噪模块相连接。
脉冲发生器，主要包括用于产生电脉冲的电子线路，其所产生的电脉冲与OTDR测量所需的光脉冲相对应；激光驱动模块，用于将脉冲发生器产生的电脉冲转换为光脉冲，并通过光纤将光脉冲发送至光纤耦合器；光纤耦合器通过光纤将光脉冲送往待测光纤以便作业人员进行检测反馈,同时将待测光纤中反射的光脉冲送给光电转换模块进行检测；光电转换模块接收待测光信号并转换为模拟电信号；A\D转换模块将模拟电信号转换为数字电信号后发送至微控制器模块进行处理；微控制器模块利用储存器保存从A\D转换模块送来的带噪信号数据，然后通过总线将数据传送至阈值去噪模块中，并控制阈值去噪模块的工作进程。
具体的，所述阈值去噪模块包括依次连接的小波分解模块、阈值选取模块、阈值处理模块以及信号重构模块。
小波分解模块选取适合的小波基函数，对含噪信号进行小波分解，分解后得到一系列的低频小波系数和高频小波系数；低频小波系数保持不变，高频小波系数进入阈值选取模块选取合适的阈值；阈值处理模块则利用上述小波阈值函数进行处理；信号重构模块将处理后的高频小波系数和低频小波系数组合起来对OTDR信号进行重构。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
与传统的硬阈值函数、软阈值函数以及比值平滑阈值函数相比，本发明的小波阈值去噪方法所运用的小波阈值函数对含噪信号的去噪能得到更好的信噪比和更小的均方误差，有效改善去噪后信号的质量。
基于本申请的小波阈值去噪方法的光时域反射仪，在脉冲发生器、激光驱动模块、光纤耦合器、光电转换模块、A\D转换模块、微控制器模块以及阈值去噪模块的相互配合作用下，能有效对光纤进行检测，提高检测效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为软阈值函数、硬阈值函数及比值平滑阈值函数对比图；
图2为本发明的小波阈值函数与软阈值函数、硬阈值函数的对比图；
图3为本发明的光时域反射仪的结构示意图；
图4为本发明的阈值去噪模块的结构示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种小波阈值去噪方法，包括如下步骤：
步骤1：对含噪信号进行小波分解，得到小波分解系数wj，k；
步骤2：选取适当的阈值λj；在实际去噪过程中，含噪信号经过小波分解后，随着尺度的增加，噪声的小波系数幅值越来越小，而信号的小波系数的幅值会越来越大。因此，在不同尺度上阈值的选取也应该不同，使其能够适应每层的噪声分布状况；
步骤3：对小波分解系数wj，k进行小波阈值处理，得到估计小波分解系数
步骤4：对估计小波分解系数进行重构并得到去噪信号。
具体的，在步骤1中，wj，k为分解的第j个尺度下的第k个小波系数。
具体的，在步骤2中，其中，Nj为第j层小波分解系数的长度，σj为第j层所含噪声的标准差，σj＝Median(|wj，k)/0.6745。可以看出随着分解尺度j的变大，阈值随之变小，符合当分解尺度变大时噪声的幅值随之变小的特点。
具体的，在步骤3中，
其中，n、m为调节因子，均为正整数；
一种基于上述小波阈值去噪方法的光时域反射仪，包括依次连接的脉冲发生器、激光驱动模块、光纤耦合器、光电转换模块、A\D转换模块以及微控制器模块；所述微控制器模块与阈值去噪模块相连接。
脉冲发生器，主要包括用于产生电脉冲的电子线路，其所产生的电脉冲与OTDR测量所需的光脉冲相对应；激光驱动模块，用于将脉冲发生器产生的电脉冲转换为光脉冲，并通过光纤将光脉冲发送至光纤耦合器；光纤耦合器通过光纤将光脉冲送往待测光纤以便作业人员进行检测反馈,同时将待测光纤中反射的光脉冲送给光电转换模块进行检测；光电转换模块接收待测光信号并转换为模拟电信号；A\D转换模块将模拟电信号转换为数字电信号后发送至微控制器模块进行处理；微控制器模块利用储存器保存从A\D转换模块送来的带噪信号数据，然后通过总线将数据传送至阈值去噪模块中，并控制阈值去噪模块的工作进程。
具体的，所述阈值去噪模块包括依次连接的小波分解模块、阈值选取模块、阈值处理模块以及信号重构模块。
小波分解模块选取适合的小波基函数，对含噪信号进行小波分解，分解后得到一系列的低频小波系数和高频小波系数；低频小波系数保持不变，高频小波系数进入阈值选取模块选取合适的阈值；阈值处理模块则利用上述小波阈值函数进行处理；信号重构模块将处理后的高频小波系数和低频小波系数组合起来对OTDR信号进行重构。
软阈值函数、硬阈值函数及本发明的小波阈值函数对比如附图4所示。
为了验证本系统去噪的有效性，分别于系统的阈值去噪模块中采用软阈值函数方法、硬阈值函数方法、比值平滑阈值函数方法和本发明的小波阈值函数方法进行仿真实验。采用Sym6小波基对含噪信号进行尺度为6的小波分解，本发明提出的改进阈值函数中调节因子n、m分别为3和1。4种方法所得到的信噪比(SNR)和均方误差(RMSE)如表1所示。
表1不同阈值函数去噪后SNR和RMSE的对比
由表1可见，采用本发明的系统可有效提高信号的信噪比，信噪比提高的幅度大于硬阈值法、软阈值法和比值平滑阈值法。另外，本发明的均方误差与硬阈值法、软阈值法和比值平滑阈值法相比均有所降低，结果优于其它的去噪系统。
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