基于背向瑞利散射的光纤监听语音增强技术制造技术

本发明专利技术公开了一种基于背向瑞利散射的光纤监听语音增强技术。针对光纤监听语音信噪比低、传统自适应滤波算法适应性差、输入信号高度相关时收敛速度慢等问题，本文从自适应滤波理论出发，在分析标准最小均方误差算法(LMS)原理以及性能的基础上，综合变步长LMS算法与解相关原理的优点，提出了一种改进的语音增强算法。该算法在利用箕舌线函数来更新自适应滤波步长因子的同时引入解相关原理来进行语音降噪处理。并比对该算法与他几种LMS传统算法的跟踪能力、计算复杂度以及语音的增强效果等方面都是较为优越，证明了本文提出的算法能有效改善传统算法适应性差、收敛速度慢、稳态误差大等问题，从而增强光纤监听的语音信号。

【技术实现步骤摘要】
基于背向瑞利散射的光纤监听语音增强技术
本专利技术涉及光纤听音、安防领域，特别是涉及一种基于背向瑞利散射的光纤监听语音增强技术方法。
技术介绍
光纤声音传感器作为一种新型的声音传感器,具有抗电磁和射频干扰、灵敏度高、安全可靠和保密性强等优点,特别适用于强电磁场、高射频、易燃易爆和军事安全等场合。然而目前的光纤声音传感器信噪比过低，导致实用性差，因此研究光纤声音传感器的语音增强的方法具有非常重要的理论价值和实际应用意义。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种基于瑞利散射的反馈式光纤监听语音增强的方法。基于光纤中瑞利散射的反馈光的反射强度调制，提出了提出了一种基于自适应滤波技术的改进的解相关变步长LMS算法(DTCLMS)。语音增强的效果往往很难同时达到既充分改善音质，又最大限度的提升语音的可懂性，通常人们往往只能针对具体应用环境的不同而有所侧重。为解决上述技术问题，更好的协调音质与可懂度的统一，实现对反馈型光纤监听带噪语音信号的最优增强。本专利技术采用的一个技术方案是：提出基于箕舌线函数与解相关原理的变步长LMS算法(DTCLMS)。其中，所述基于箕舌线函数与解相关原理的变步长LMS算法设计的步骤包括：步长更新和输入向量之间的相关特性解除方法。首先，本专利技术为了使LMS算法在具有较小稳态误差的条件下仍能快速收敛，要求滤波系统在初始阶段或系统状态发生改变时具有较大的步长µ，在加快算法收敛速度的同时提升对时变系统的跟踪能力。当算法逐步进入收敛阶段时，适时的减小µ，以降低系统的稳态误差。即在滤波的过程中用一个变化的µ来更新权系数矢量，这就是变步长思想的核心。其中。所述更新步长时所选调控机制，采用估计误差e(n)与滤波器权系数W(n)，因为其在整个迭代过程中是变化的，因此可直接作为步长更新的调控因子。以估计误差e(n)为例，采用如下几种变换方法来实现变步长LMS算法的步长更新。1)使µ正比于e(n)；2)建立µ与e2(n)瞬时值之间的关系；3)令µ正比于e(n)和x(n)的互相关函数的估值；4)用当前误差e(n)与上一步误差e(n-1)的自相关函数估值更新步长µ；5)利用某一函数曲线来更新步长。同时，为使算法的计算复杂度相对较低，用一个小的调整步长µ将权系数稳定于一个较小的邻域内，使滤波系统达到较小的稳态失调。当误差e(n)接近零时，会导致步长µ发生较大的改变。在这一点上，箕舌线函数恰好可以弥补Sigmoid函数的缺陷，在误差e(n)接近零时，步长µ以一个缓慢的速度而变化。同时该函数计算过程简单，没有涉及诸如Sigmoid函数的复杂运算，因而实用性强，被广泛应用于变步长LMS控制中。标准箕舌线函数表达式如式(1)。(1)a取0.5，并增加函数形状及幅度控制因子α、β，有如下步长更新表达式如式(2)。利用式(2)中的μ(n)代替式2中的固定步长μ，通过跟踪误差e(n)来调整步长。可使算法在初始阶段误差e(n)较大的情况下，获得大的调整步长μ。而随着算法逐步收敛，误差e(n)逐渐降低，步长μ也相应的减小，并最终使滤波系统稳定于最佳权系数附近。所以说以箕舌线函数来更新步长μ，可在加强算法对跃变系统跟踪性能的同时一定程度的解决固定步长LMS所存在的矛盾，改善算法的各项性能。其中，基于箕舌线函数的变步长LMS算法虽在一定程度上提升了算法的性能，但这一过程是基于输入向量彼此独立这一独立性假设。而反馈型光纤监听的测量精度受到光源功率变化、光纤传输损耗、光电探测器的特性漂移等影响，其输入信号通常不满足这一假设，此时滤波效果不足。未解决上述问题，本专利技术采用的再一个技术方案是采用解除输入向量之间的相关特性来实现最优的滤波效果。其中，定义输入向量X(n)在n及n-1时刻的相关系数Ɛ(n)如下所示：Ɛ(n)越大说明X(n)与X(n-1)之间的关联性越强。结合Ɛ(n)得新的更新向量如下所示：其中，Ɛ(n)代表与X(n)与X(n-1)之间相关的部分，从X(n)中减去Ɛ(n)X(n-1)就相当于“解相关”运算。由式3、4易得X(n-1)ZT(n)=0，即解相关向量Z(n)与n-1时刻的信号X(n-1)正交，正是这种正交关系有效加快了算法收敛的速度。基于解相关的权值迭代可表示为再对µ(n)作归一化处理，其结果为：对于LMS算法在迭代过程中，是利用输入矢量X(n)来更新权值向量调整的方向。式6显示，经解相关运算可改变自适应滤波算法的权向量迭代中权值调整的方向，利用解相关后的(正交)信号分量Z(n)作权值调整，可显著改善算法的收敛性能。基于瑞利散射的光纤监听系统来说，DTCLMS算法不管是从主观听觉测试还是客观信噪比改善方面的处理效果都是最优的，可最大限度的提高处理后语音的清晰度与可懂度。经DTCLMS算法处理后，含噪语音的信噪比提升了将近10dB，有效的去除了加载在语音中的噪声，获得较纯净的语音信号。测试结果证明DTCLMS算法较现有的自适应滤波算法有更好的降噪性能和语音增强效果。附图说明图1是本专利技术采用的DTCLMS算法整体示意图；图2是本专利技术采用的系统滤波通路示意图；图3是本专利技术在不同LMS算法作用下的收敛性能曲线；图4是本专利技术TCLMS与DTCLMS算法对弱相关输入信号的降噪性能测试图；图5是本专利技术在TCLMS算法去噪效果测试；图6是本专利技术DTCLMS算法去噪效果测试。具体实施方式以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请。然而，对光纤监听领域熟悉的同行人员来说，在没有这些具体细节的其它实施方式中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对大家熟悉的装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。请参阅图1，图1为DTCLMS算法整体示意图，包括：1)读入原始语音信号V并对其进行延时得到信号X，初始化相关系数子α、β，以及滤波器权系数W(0),定义帧长，并初始化帧数g＝；2)截取一帧数据，开始帧内迭代滤波处理；3)按照式2的箕舌线函数更新迭代步长μ(n)，同时按照式4的解相关运算得出权系数更新方向矢量Z(n)；4)综合变步长和解相关，根据6式求改进LMS算法的权系数矢量W(n)。并根据下式计算滤波输出信号：5)若一帧数据处理完毕，g＝g+1，回到步骤(2)进行下一帧数据滤波。图2示出的是系统滤波通路图，描绘的是光纤监听系统在获取语音信号后处理流程。即通过传声器完成原始语音信号的采集之后，首先根据实际需要对其进行放大处理以及抗混叠滤波，以防止A/D转换时信号频谱发生混叠。其次在DSP内部完成信号的数字化处理。最后输出经D/A转换后的信号。在实施中，语音增强系统分为以下几个部分：(1)信号采集模块：主要完成音频信号的采集及模拟音频A/D转换。鉴于环境特性的考虑，在此可选用灵敏度高、拾音效果好的驻极体电容式传声器；(2)信号处理模块：语音数字化处理，即DSP处理模块，主要用于实现系统的核心算法；(3)信号输出模块：将DSP处理后的信号经D/A转换为可驱动扬声器发声的模拟音频。请参阅图3，图3为不同LMS算法作用下的收敛性能曲线图，通过最小均方误差特性来分析同一仿真信号在固定步长LMS算法、基于Sigmoid函数的变步长LMS算法(Sigmoidleastmean本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于背向瑞利散射的光纤监听系统，提出了一种由自适应滤波技术的改进的解相关变步长 LMS 算法，其特征在于，包括：初始阶段或系统状态发生改变时具有较大的步长µ，在加快算法收敛速度的同时提升对时变系统的跟踪能力；采用箕舌线函数并增加函数形状及幅度控制因子如式2，使得在误差e(n) 接近零时，步长以一个缓慢的速度而变化。

【技术特征摘要】
1.一种基于背向瑞利散射的光纤监听系统，提出了一种由自适应滤波技术的改进的解相关变步长LMS算法，其特征在于，包括：初始阶段或系统状态发生改变时具有较大的步长µ，在加快算法收敛速度的同时提升对时变系统的跟踪能力；采用箕舌线函数并增加函数形状及幅度控制因子如式2，使得在误差e(n)接近零时，步长以一个缓慢的速度而变化。2.根据权利要求1所述的方法，在光纤监听系统中滤波系统求得最佳权系数的应用，其特征在于，包括：利用式2中的µ(n)代替式1中的固定步长，通过跟踪误差e(n)来调整步长；可使算法在初始阶段误差e(n)较大的情况下，获得大的调整步长；而随着算法逐步收敛，误...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建彬，张洁，任晋原，高佩瑶，
申请(专利权)人：光子瑞利科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11