一种基于恒定功率约束的音频传感信号优化方法和装置与流程

本技术涉及光纤传感，具体涉及一种基于恒定功率约束的音频传感信号优化方法和装置。

背景技术：

1、光纤感通一体技术是融合光纤通信和光纤传感功能于一体的技术，利用同一个光纤信道同时传输通信信号和传感信号，可以在保证正常的通信需求的同时感知、测量和传输环境物理量。光纤传感技术可以用于监测光纤的抖动、损伤、拉伸和形变以及外界环境的温度、湿度、声音、压力等，被广泛应用在地震探测、油气管道监测、工程结构监测、工程控制和工程环境监测等众多应用场景。但是光纤传感存在从其他物理量转变到光信号再变成电信号的转变流程，又因为在光纤传输通道中有其他非探测信号及相干接收机的设计误差和数字信号处理算法的系统误差，所以会在相干接收机接收到的传感信号中探测到其他噪声信号，这使得光纤通信的接收端传感优化算法的设计成为了一项重要的任务。

2、相比其他信号，传感信号为音频信号的传感系统失真则会更为严重，因为音频信号中声音幅值的变化比幅值大小更为重要，传感噪声导致的音频信号的突变则会使音频信号发生严重的失真，所以模拟传感信道对信号的影响并进行滤波在声频光纤传感上占据重要地位。

3、目前对音频光纤传感研究的比较少，主要是因为声音变化比较迅速，所以对于传感技术有着比较严格的要求。在光纤传输的过程中，在光纤裸纤外使用播放器播放音频信号，甚至于歌曲信号，可以在接收端提取出音频信号，能够明显听到歌曲的旋律与歌词。但是传感信道比较复会杂导致最后接收结果存在严重的失真和噪声，因此需要对其进行处理，模拟实际信道并进行信道滤波。

4、最小均方法(least mean square，lms)是经典的自适应滤波算法，能够通过迭代使得在接收端恢复的信号逐步接近期望信号。传统的lms算法通过迭代优化逐步靠近期望信号，但是这种方法会倾向于整体的均方误差小，可能忽略某些离群点，但这些离群点实际是音频信号的关键点，它们与相邻信号的变化趋势在音频信号中非常重要。利用传统的最小均方法，这些离群点的滤波误差会比其他点更大，会被预测错误，从而在整个恢复的音频信号中这些离群点与前后的数据变化趋势就被改变，无法准确恢复数据，会导致出现新的噪声。

5、因此，如何克服传感音频信号中离群点的估计误差对传感音频恢复的影响是有待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于恒定功率约束的音频传感信号优化方法和装置，可以解决现有技术中通过最小均方法的自适应滤波算法会导致音频传感信号中离群点的估计误差，无法准确恢复音频传感信号，会导致出现新的噪声的技术问题。

2、第一方面，本技术实施例提供基于恒定功率约束的音频传感信号优化方法，所述基于恒定功率约束的音频传感信号优化方法包括：

3、循环通过滤波器以恒定功率为约束对音频传感信号进行滤波，得到滤波后的音频传感信号；

4、基于音频实际信号和滤波后的音频传感信号计算滤波器的误差损失函数；

5、根据误差损失函数对滤波器系数进行分块式迭代调整，直至误差损失函数收敛；

6、使用误差损失函数收敛后的滤波器处理音频传感信号。

7、结合第一方面，在一种实施方式中，通过滤波器以恒定功率为约束对音频传感信号进行滤波，得到滤波后的音频传感信号，包括：

8、基于滤波器的长度对音频传感信号进行双向预测，得到待处理的音频传感信号：

9、

10、其中，其中，为第i个滤波后的音频传感信号的滤波器输入待处理的音频传感信号，l为滤波器的长度；

11、将待处理的音频传感信号输入至滤波器中，通过滤波器以恒定功率为约束对待处理的音频传感信号进行滤波：

12、

13、

14、w(n)＝[wn(1)，wn(2)，wn(3)…wn(l)]t

15、得到滤波后的音频传感信号：

16、

17、其中，m为音频传感信号块的长度，yn(i)为第n次迭代中第i个滤波后的音频传感信号，w(n)为第n次滤波时的滤波器系数，y(n)为第n次滤波后的音频传感信号块，pn为恒定功率，d(i)为第i个点对应的音频实际信号。

18、一些实施例中，基于音频实际信号和滤波后的音频传感信号计算滤波器的误差损失函数，包括：

19、基于音频实际信号和滤波后的音频传感信号的最小均方误差计算滤波器的误差损失函数：

20、j(n)＝e((yn(i)-d(i))2)

21、其中，j(n)为第n次迭代的误差损失函数。

22、一些实施例中，根据误差损失函数对滤波器系数进行分块式迭代调整，直至误差损失函数收敛，包括：

23、基于误差损失函数使用拉格朗日算法建立拉格朗日函数：

24、

25、其中，jlagrange(n)为拉格朗日函数，λ为拉格朗日乘子；

26、根据拉格朗日函数确定滤波器的迭代梯度；

27、根据误差损失函数确定滤波器的迭代步长；

28、基于迭代梯度和迭代步长对滤波器系数进行分块式迭代调整，直至误差损失函数收敛。

29、一些实施例中，基于误差损失函数使用拉格朗日算法建立拉格朗日函数，还包括：

30、通过拉格朗日函数对初始滤波器系数求偏导，得到初始滤波器系数偏导函数：

31、

32、其中，为初始滤波器系数偏导函数；

33、通过拉格朗日函数对拉格朗日乘子求偏导，得到拉格朗日乘子偏导函数:

34、

35、其中，为拉格朗日乘子偏导函数；

36、将迭代收敛时拉格朗日乘子偏导函数为0带入到初始滤波器系数偏导函数为0中，得到拉格朗日乘子：

37、

38、使用拉格朗日乘子对拉格朗日函数进行求解。

39、一些实施例中，根据拉格朗日函数确定滤波器的迭代梯度，包括：

40、通过拉格朗日函数对初始滤波器系数求偏导，得到迭代梯度：

41、

42、其中，为第n次迭代的迭代梯度。

43、一些实施例中，根据误差损失函数确定滤波器的迭代步长，包括：

44、若本次迭代后误差损失函数大于或等于a倍的最小迭代误差或迭代次数小于或等于b倍的最大迭代次数，则使用预设的初始步长作为迭代步长；

45、若本次迭代后误差损失函数小于a倍的最小迭代误差或迭代次数大于b倍的最大迭代次数，则将所述初始步长乘以预设的缩小常数得到迭代步长；

46、其中，a的取值大于1，b的取值小于1。

47、一些实施例中，基于迭代梯度和迭代步长对滤波器系数进行分块式迭代调整，包括：

48、将当前的滤波器系数减去迭代梯度与迭代步长的乘积，得到迭代的滤波器系数：

49、

50、其中，w(n+1)为第n+1次迭代的滤波器系数，w(n)为第n次迭代的滤波器的系数，μ为迭代步长，为迭代梯度。

51、一些实施例中，在通过滤波器以恒定功率为约束对音频传感信号进行滤波，得到滤波后的音频传感信号之前，还包括：

52、在光纤传感监测段发送音频实际信号，在接收端跟踪接收信号的偏振态变化得到音频传感信号；

53、调整音频传感信号的量级，使得音频传感信号和音频实际信号的量级一致

54、第二方面，本技术实施例提供了一种基于恒定功率约束的音频传感信号优化装置，所述基于恒定功率约束的音频传感信号优化装置包括：

55、滤波模块，其用于循环通过滤波器以恒定功率为约束对音频传感信号进行滤波，得到滤波后的音频传感信号；

56、计算模块，其用于基于音频实际信号和滤波后的音频传感信号计算滤波器的误差损失函数；

57、调整模块，其用于根据误差损失函数对滤波器系数进行分块式迭代调整，直至误差损失函数收敛；

58、处理模块，其用于使用误差损失函数收敛后的滤波器处理音频传感信号。

59、本技术实施例提供了一种基于恒定功率约束的音频传感信号优化方法和装置，循环通过滤波器以恒定功率为约束对音频传感信号进行滤波，得到滤波后的音频传感信号；基于音频实际信号和滤波后的音频传感信号计算滤波器的误差损失函数；根据误差损失函数对滤波器系数进行分块式迭代调整，直至误差损失函数收敛；使用误差损失函数收敛后的滤波器处理音频传感信号，实现了在功率恒定的基础上进行滤波器系数的迭代求解，能够在滤波时尽可能保证音频传感信号中离群点的幅值恢复，能够有效减小滤波后音频传感信号的噪声，提高了光纤传感的准确性和有效性。