用于微弱盲信号去噪与提取的信号增强器及方法技术

本发明专利技术涉及一种信号增强器，包括：延时模块；自适应滤波器，用于输出目标信号；以及参数调节模块，用于通过收敛指标和不规则性指标对所述的自适应滤波器的参数进行实时调节。基于该信号增强器的信号去噪和提取方法包括：将输入信号经过延时环节后，输入到自适应滤波器；通过收敛指标和不规则性指标对所述的自适应滤波器的参数进行实时调节；和通过参数优化后的自适应滤波器输出去噪后的目标信号。本发明专利技术还涉及一种包含所述信号增强器的信号检测系统。本发明专利技术具有如下优点：1)适合噪声与目标信号频谱有重叠的强噪微弱信号提取和去噪；2)适合目标信号未知的盲信号提取；3)能够提取目标信号的时域波形和全部频率成分。

Signal intensifier and method for weak blind signal denoising and extraction

The invention relates to a signal intensifier, which comprises a delay module, an adaptive filter for outputting a target signal, and a parameter adjusting module for adjusting the parameters of the adaptive filter in real time through convergence index and irregularity index. The signal de-noising and extraction method based on the signal intensifier includes: input the input signal to the adaptive filter after the delay link; adjust the parameters of the adaptive filter in real time through the convergence index and the irregularity index; and output the target signal after de-noising through the adaptive filter after the parameter optimization. The invention also relates to a signal detection system including the signal intensifier. The invention has the following advantages: 1) it is suitable for strong noise weak signal extraction and de-noising with overlapping of noise and target signal spectrum; 2) it is suitable for blind signal extraction with unknown target signal; 3) it can extract time-domain waveform and all frequency components of target signal.

【技术实现步骤摘要】
用于微弱盲信号去噪与提取的信号增强器及方法
本专利技术涉及一种改进的信号增强器，以及基于所述增强器的信号去噪与提取的方法。此外，本专利技术还涉及包含所述增强器的信号检测系统。本专利技术的方案尤其适用对混有强噪声的微弱盲信号进行去噪和提取。
技术介绍
高速铁路具有速度快、运输效率高、舒适性强、污染小等特点，现已成为国际客运发展的共同趋势，在中、英、法、日、德、意等国投入运营。然而随着高速铁路的飞速发展，不断提升的车速、运输量及载重使随机的轮轨滚动接触疲劳裂纹成为威胁高速铁路安全运营的重要问题。现有检测技术及方式存在检测速度低、无法避免检测盲区、对微小伤损不敏感的固有缺陷，不满足高速铁路的轮轨探伤需求。声发射技术作为被动式动态无损检测技术，具有敏感性强、实时性好、对被测物几何要求低等优势，可用于轮轨健康监测和伤损检测。如在LuZhou等人的标题为“ContemporaryInspectionandMonitoringforHigh-SpeedRailSystem”的文献(http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.81159)中讨论了声发射技术以及其它检测技术在高速铁路系统检测上的应用。此外，近些年的研究发现，轮轨滚动噪声的幅值远大于可测伤损信号的幅值且与车速呈现较强的正相关。除此之外，轮轨滚动噪声与伤损信号的频带部分重叠，无法通过简单的滤波处理达到伤损检测的目的。可见，行车过程中不可避免的轮轨滚动噪声是阻碍声发射技术应用于高速铁路实时探伤的关键问题。该问题的研究对轮轨滚动噪声的去除以及伤损的检测具有重要意义。而这类问题对所用的噪声去除方案提出了新要求。在噪声幅值远大于目标伤损信号幅值且二者频谱有重叠的情况下，需要一种能够实现对强噪声的去除及盲目标信号(其中，“盲”是指目标信号未知、无目标信号的先验信息)提取的方案。
技术实现思路
为了提取频谱有重叠的强噪微弱盲信号，本专利技术提供一种信号去噪与提取的技术方案。所述方案能够从较强的噪声中提取出微弱的盲目标信号，滤波过程无需目标信号的先验信息，在噪声将目标信号全部淹没且二者频谱部分重叠的情况下，能够提取出目标信号的时域波形和全部频率成分，为目标伤损特征提取与分类诊断奠定基础。本专利技术的第一方面提供一种信号增强器，包括：与所述增强器的信号输入端连接的延时模块；与所述延时模块的输出端连接的自适应滤波器，用于输出目标信号；以及参数调节模块，用于通过收敛指标和不规则性指标对所述的自适应滤波器的参数进行实时调节。所述参数调节模块包括：与所述信号输入端和所述自适应滤波器的输出端连接的收敛指标操作单元，用于将所述信号增强器的输入信号与所述自适应滤波器的输出信号之间误差信号的最小均方值作为所述收敛指标；与所述自适应滤波器的输出端连接的不规则性指标操作单元，通过Hurst指数的时间函数构成离散时间序列的不规则性指标；以及与所述收敛指标操作单元和所述不规则性指标操作单元连接的迭代运算单元，用于通过代价函数Jw＝Cw+λHw，迭代计算所述自适应滤波器的参数以使自适应滤波器在调整后的参数下，输出去噪后的目标信号。上述公式中，Jw为代价函数，Cw为收敛指标，λ为拉格朗日乘子，Hw为不规则性指标，n为时间序数，w(n)为所述自适应滤波器的参数矩阵，μ为迭代步长，e(n)为误差信号，h(n)为所述延时模块的输出信号矩阵，g(n)为所述自适应滤波器输出信号，i1、i2为间隔序数。进一步，所述不规则性指标操作单元被配置成基于连续时间信号构造的结构函数以及Hurst指数表达式的时间函数，限定离散情况下的最小值为不规则性指标，上式中，E{·}表示求数学期望，n为时间序数，g(n)为所述自适应滤波器输出信号，i1、i2为间隔序数。进一步，所述的迭代运算单元被配置成：在所述的自适应滤波器的参数迭代运算过程中，使代价函数最小化，以获得优化的滤波器参数。本专利技术的第二方面提供一种信号去噪及提取的方法，包括以下步骤：将输入信号经过延时环节后，输入到自适应滤波器；通过收敛指标和不规则性指标对所述的自适应滤波器的参数进行实时调节；和通过参数优化后的自适应滤波器输出去噪后的目标信号。其中，通过收敛指标和不规则性指标对所述的自适应滤波器的参数进行实时调节的步骤还包括：将所述信号增强器的输入信号与所述自适应滤波器的输出信号之间误差信号的最小均方值作为所述收敛指标；通过Hurst指数的时间函数构成离散时间序列的不规则性指标；通过代价函数Jw＝Cw+λHw，迭代计算所述自适应滤波器的参数以使自适应滤波器在调整后的参数下，输出去噪后的目标信号，上述公式中，Jw为代价函数，Cw为收敛指标，λ为拉格朗日乘子，Hw为不规则性指标，n为时间序数，w(n)为所述自适应滤波器的参数矩阵，μ为迭代步长，e(n)为误差信号，h(n)为所述延时模块的输出信号矩阵，g(n)为所述自适应滤波器输出信号，i1、i2为间隔序数。进一步，所述的方法，还包括：基于连续时间信号构造的结构函数以及Hurst指数表达式的时间函数，限定离散情况下的最小值为不规则性指标。上式中，E{·}表示求数学期望，n为时间序数，g(n)为所述自适应滤波器输出信号，i1、i2为间隔序数。进一步，所述的方法还包括：在所述的自适应滤波器的参数迭代运算过程中，使代价函数最小化，以获得优化的滤波器参数。本专利技术的第三方面提供一种信号检测系统，包括上述的信号增强器。该信号检测系统还可以包括计算设备和设置在检测源附近的传感器。计算设备可以运行所述信号增强器，对传感器采集的信号实施去噪及提取目标信号。本专利技术的第四方面提供一种包括软件指令的计算机程序，所述软件指令在由计算机执行时实施上述的信号去噪及提取的方法。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：1)适合噪声与目标信号频谱有重叠的强噪微弱信号提取和去噪；2)适合目标信号未知的盲信号提取；3)能够提取目标信号的时域波形和全部频率成分。附图说明现将参照附图描述本专利技术的示例性实施例，其中：图1为根据本专利技术的增强器的示意性结构框图；图2为图1的增强器中的自适应滤波器的示意图；图3为自适应滤波器的前四个滤波器参数随时间序数的变化曲线；图4为根据本专利技术一个实施例的应用场景示意图；图5为给定车速下的含噪信号；图6示出对图5所示的含噪信号采用根据本专利技术的信号增强器去噪提取后的钢轨裂纹信号；图7为图6所示的含噪信号去噪提取结果的时频分布图。具体实施方式本文提供一种信号增强器(如自适应谱线增强器)的微弱盲信号提取与去噪的方案。此方案的主体为Hurst指数改进的信号增强器。如图1所示，在一个实施例中，所改进的增强器主要包含以下4个部分：延时模块、自适应滤波器、收敛指标和不规则性指标。下面对各个部分进行详细描述。第一部分延时模块图1中z-Δ为延时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种信号增强器，其特征在于，包括：/n与所述信号增强器的信号输入端连接的延时模块；/n与所述延时模块的输出端连接的自适应滤波器，用于输出目标信号；以及/n参数调节模块，用于通过收敛指标和不规则性指标对所述的自适应滤波器的参数进行实时调节，其中，所述参数调节模块包括：/n与所述信号输入端和所述自适应滤波器的输出端连接的收敛指标操作单元，用于将所述信号增强器的输入信号与所述自适应滤波器的输出信号之间误差信号的最小均方值作为所述收敛指标；/n与所述自适应滤波器的输出端连接的不规则性指标操作单元，通过Hurst指数的时间函数构成离散时间序列的不规则性指标；以及/n与所述收敛指标操作单元和所述不规则性指标操作单元连接的迭代运算单元，用于通过代价函数/nJ

【技术特征摘要】
1.一种信号增强器，其特征在于，包括：
与所述信号增强器的信号输入端连接的延时模块；
与所述延时模块的输出端连接的自适应滤波器，用于输出目标信号；以及
参数调节模块，用于通过收敛指标和不规则性指标对所述的自适应滤波器的参数进行实时调节，其中，所述参数调节模块包括：
与所述信号输入端和所述自适应滤波器的输出端连接的收敛指标操作单元，用于将所述信号增强器的输入信号与所述自适应滤波器的输出信号之间误差信号的最小均方值作为所述收敛指标；
与所述自适应滤波器的输出端连接的不规则性指标操作单元，通过Hurst指数的时间函数构成离散时间序列的不规则性指标；以及
与所述收敛指标操作单元和所述不规则性指标操作单元连接的迭代运算单元，用于通过代价函数
Jw＝Cw+λHw，
迭代计算所述自适应滤波器的参数



以使自适应滤波器在调整后的参数下，输出去噪后的目标信号，
上述公式中，Jw为代价函数，Cw为收敛指标，λ为拉格朗日乘子，Hw为不规则性指标，n为时间序数，w(n)为所述自适应滤波器的参数矩阵，μ为迭代步长，e(n)为误差信号，h(n)为所述延时模块的输出信号矩阵，g(n)为所述自适应滤波器输出信号，i1、i2为间隔序数。


2.根据权利要求1所述的信号增强器，其特征在于，所述不规则性指标操作单元被配置成，基于连续时间信号构造的结构函数以及Hurst指数表达式的时间函数，
限定离散情况下



的最小值为不规则性指标，
上式中，E{·}表示求数学期望，n为时间序数，g(n)为所述自适应滤波器输出信号，i1、i2为间隔序数。


3.根据权利要求1或2所述的信号增强器，其特征在于，所述的迭代运算单元被配置成：在所述的自适应滤波器的参数迭代运算过程中，使代价函数最小化，以获得优化的滤波器参数。


4.一种信号去噪及提取的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将输入信...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈毅，郝秋实，王艳，章欣，王康伟，楼云江，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44