CN109861746A - 一种基于小波变换动态降噪的otdr曲线数据分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，属于数据分析技术领域，采用Haar小波基对OTDR数据进行离散平稳小波变换，提取所有待定事件，计算线路均耗门限，采用最小二乘法及事件衰耗门限、断纤均耗门限、结尾高度门限参数，在待定事件中准确定位事件，决定是否需要进行降噪以及确定需降噪的区段，采用小波基DB3模极大值方法进行区段降噪处理，对降噪后的区段数据再次采用小波变换和最小二乘法进行分析事件。本发明结合小波变换和最小二乘法能有效分析OTDR曲线数据，在实际应用中有相当多的光缆受噪声干扰很小，且受噪声干扰也多在光缆的某些区段，极大提升了OTDR曲线数据分析的速度。

Description

一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法

技术领域

本发明涉及一种OTDR曲线数据分析方法，特别是涉及一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，属于数据分析技术领域。

背景技术

随着光纤通信技术的不断发展和日益成熟，其应用越来越广泛；而与此同时光纤网络的管理和维护也变的异常繁重；为保证光纤网络的安全可靠的运行，实时的光纤在线监测系统的应用也越来越多，而其中关键技术就是OTDR曲线数据的分析，该技术的快速性、准确性显得尤为重要。

目前，OTDR数据分析常用的方法有：时域分析法、基于神经网络算法、小波变换算法等；时域分析法是基于两点法和最小二乘法，算法简单易实现，但对数据噪声敏感，误差较大；小波变换首先对曲线数据进行降噪，然后将信号分解为一系列小波函数叠加，具有良好的时域和频域局部化的特征信号，分析准确性高，但是计算量大，分析速度慢。

在光纤监测的实际应用中发现有相当多的光纤线路受噪声影响很小，即使有线路受噪声的干扰也仅仅是线路中的一小段；本发明采用了基于小波变换动态降噪的方法(根据线路中受噪声影响的实际情况，确定是否需要降噪以及需要降噪的线路段)，不仅保证了OTDR曲线分析准确性，而且极大提高了分析的速度，在实时光纤监测系统中得到较好应用。

发明内容

本发明的主要目的是为了提供一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，解决现有的时域分析法受噪声干扰影响准确性以及基于小波变换分析法中降噪影响分析速度的问题。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，包括如下步骤：

步骤1：获取光纤线路OTDR曲线数据，并为后续数据分析进行预处理；

步骤2：对预处理后的OTDR曲线数据或降噪后的曲线数据段，进行离散平稳小波变换，根据事件在高频系数上的特征进行初步定位得到所有待定事件；

步骤3：计算线路均耗门限，采用最小二乘法和相关参数对待定事件做进一步的准确定位；

步骤4：根据步骤3中是否存在准确定位失败的反射事件以及OTDR曲线数据是否已降噪处理过，确定曲线事件分析是否结束；若未结束，计算需要降噪的曲线区段；若结束，则执行步骤6；

步骤5：采用DB3小波基小波变换模极大值法对需要降噪的OTDR曲线段进行降噪，将降噪后的曲线段数据替换掉原OTDR相应的曲线段数据，重复步骤2、3和4；

步骤6：利用分析出的事件计算光纤线路的长度、线路总衰耗和线路均耗。

步骤1中，OTDR曲线数据预处理包括：

将实际测得的OTDR原数据末尾构造一个断纤事件作为结尾事件；

添加人造结尾事件后，曲线数据长度满足二进制小波变换所需数据的长度： L＝∑2^n(n∈N)。

步骤2中，对预处理后的OTDR曲线数据或降噪后的曲线数据段采用 Haar小波基进行离散平稳小波变换。

步骤2中，高频系数中，发射事件的特征是：从反射事件的起点到终点，对应高频系数值从负值变到正值；初步定位时，将负的最小值作为反射事件起点，将正的最大值作为反射事件终点。

步骤2中，高频系数中，非反射事件的特征是：从非反射事件的起点到终点，对应高频系数值始终为正，并且从小到大再到小，初步定位将最大值作为事件的起点和终点。

步骤3中，在待定反射事件中，根据结尾事件高度门限、断纤事件均耗门限确定结尾事件；计算起始事件到结尾事件之间的线路平均衰耗作为线路均耗门限。

步骤3中，待定事件准确定位，事件起点计算包括：

从该事件的初步定位事件的起点到上一个事件的终点，依次取N个点，采用最小二乘法计算得到拟合直线的斜率；

若斜率的绝对值小于线路均耗门限，则将该N个点中间的点作为该事件的起点，迭代计算结束，否则取下N个点继续迭代计算；

事件终点计算包括：

类同事件起点的计算方法，不同的是从该事件的初步定位的终点到下一个事件的起点依次取N个点迭代计算。

步骤4中，需要降噪的曲线区段的计算包括：

在待定反射事件中，从第一个准确定位失败反射事件的起点到最后一个准确定位失败反射事件的终点记为降噪区段基本段；

采用小波基DB3二进制小波变换的数据长度必须满足L＝∑2^n(n∈N)，模极大值降噪后，在重建信号时，信号数据在头尾段畸变较大；

得出：降噪区段＝降噪起始段+降噪区段基本段+降噪结尾段＝∑2^n(n∈N)。

步骤5中，采用DB3小波基小波变换模极大值法对需要降噪的OTDR曲线段进行降噪。

步骤5中，发送功率的计算，从起始事件的终点连续取N个点，采用最小二乘法得到拟合直线L，直线L在光功率X轴上的截距即是发送功率，得到：线路总衰耗＝发送功率–结尾事件起始点的功率。

本发明的有益技术效果：本发明提供的基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，首先采用Haar小波基对OTDR数据进行离散平稳小波变换，利用事件在高频系数上的特征，提取所有反射事件和非反射事件作为待定事件；计算线路均耗门限，采用最小二乘法及事件衰耗门限、断纤均耗门限、结尾高度门限参数，在待定事件中准确定位事件；根据待定反射事件定位的结果决定是否需要进行降噪以及确定需降噪的区段，采用小波基DB3模极大值方法进行区段降噪处理，对降噪后的区段数据再次采用小波变换和最小二乘法进行分析事件；该方法综合了小波变换和最小二乘法，采用动态降噪，解决传统基于小波变换OTDR曲线数据分析中先对OTDR全部数据进行降噪处理，然后进行事件分析，速度慢的问题。

附图说明

图1为按照本发明的基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法的一优选实施例的流程图；

图2为按照本发明的基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法的一优选实施例的OTDR曲线数据预处理结果示意图；

图3为按照本发明的基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法的一优选实施例的高频系数根据事件特征初步定位示意图；

图4为按照本发明的基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法的一优选实施例的结尾事件断定示意图；

图5为按照本发明的基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法的一优选实施例的区段降噪结果示意图；

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本实施例提供的基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，包括如下步骤：

步骤1：获取光纤线路OTDR曲线数据，并为后续数据分析进行预处理；

步骤2：对预处理后的OTDR曲线数据或降噪后的曲线数据段，进行离散平稳小波变换，根据事件在高频系数上的特征进行初步定位得到所有待定事件；

步骤3：计算线路均耗门限，采用最小二乘法和相关参数对待定事件做进一步的准确定位；

步骤4：根据步骤3中是否存在准确定位失败的反射事件以及OTDR曲线数据是否已降噪处理过，确定曲线事件分析是否结束；若未结束，计算需要降噪的曲线区段；若结束，则执行步骤6；

步骤5：采用DB3小波基小波变换模极大值法对需要降噪的OTDR曲线段进行降噪，将降噪后的曲线段数据替换掉原OTDR相应的曲线段数据，重复步骤2、3和4；

步骤6：利用分析出的事件计算光纤线路的长度、线路总衰耗和线路均耗。

在本实施例中，步骤1中，OTDR曲线数据预处理包括：

将实际测得的OTDR原数据末尾构造一个断纤事件作为结尾事件；

添加人造结尾事件后，曲线数据长度满足二进制小波变换所需数据的长度： L＝∑2^n(n∈N)。

在本实施例中，步骤2中，对预处理后的OTDR曲线数据或降噪后的曲线数据段采用Haar小波基进行离散平稳小波变换；

高频系数中，发射事件的特征是：从反射事件的起点到终点，对应高频系数值从负值变到正值；初步定位时，将负的最小值作为反射事件起点，将正的最大值作为反射事件终点；

高频系数中，非反射事件的特征是：从非反射事件的起点到终点，对应高频系数值始终为正，并且从小到大再到小，初步定位将最大值作为事件的起点和终点。

在本实施例中，步骤3中，在待定反射事件中，根据结尾事件高度门限、断纤事件均耗门限确定结尾事件；计算起始事件到结尾事件之间的线路平均衰耗作为线路均耗门限；

待定事件准确定位，事件起点计算包括：

从该事件的初步定位事件的起点到上一个事件的终点，依次取N个点，采用最小二乘法计算得到拟合直线的斜率；

若斜率的绝对值小于线路均耗门限，则将该N个点中间的点作为该事件的起点，迭代计算结束，否则取下N个点继续迭代计算；

事件终点计算包括：

类同事件起点的计算方法，不同的是从该事件的初步定位的终点到下一个事件的起点依次取N个点迭代计算。

在本实施例中，步骤4中，需要降噪的曲线区段的计算包括：

在待定反射事件中，从第一个准确定位失败反射事件的起点到最后一个准确定位失败反射事件的终点记为降噪区段基本段；

采用小波基DB3二进制小波变换的数据长度必须满足L＝∑2^n(n∈N)，模极大值降噪后，在重建信号时，信号数据在头尾段畸变较大；

得出：降噪区段＝降噪起始段+降噪区段基本段+降噪结尾段＝∑2^n(n∈N)。

在本实施例中，步骤5中，采用DB3小波基小波变换模极大值法对需要降噪的OTDR曲线段进行降噪，发送功率的计算，从起始事件的终点连续取 N个点，采用最小二乘法得到拟合直线L，直线L在光功率X轴上的截距即是发送功率，得到：线路总衰耗＝发送功率–结尾事件起始点的功率。

为了更好地实施本发明的技术方案，给出了如下实施例：

本实施例提供的基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，包括如下步骤：

步骤1：结合图2所示，将实际测得的OTDR原始数据末尾构造一个断纤事件作为结尾事件(满足事件均耗大于断纤事件均耗门限和结尾高度门限)，构造结尾事件后，曲线数据长度满足二进制小波变换时数据的长度： L＝∑2^n(n∈N)；

步骤2：结合图3所示，对预处理后的OTDR曲线数据或降噪后的曲线数据段，采用Haar小波基进行离散平稳小波变换，根据事件在高频系数上的特征进行初步定位得到所有待定事件，小波变换代码如下：

事件初步定位方法包括：

对分解所得的高频系数设定滤波系数阈值，过滤出幅度大于该阈值的系数；

反射事件起点初步定位：反射事件的起点到终点，对应高频系数由负值变到正值，将负的最小值作为事件起点，将正的最大值作为事件终点；

非反射事件初步定位：非反射事件的起点到终点，对应高频系数都是正的，并且从小变到大再变到小，将最大值同时作为事件的起点和终点；

步骤3：计算线路均耗门限，采用最小二乘法和相关参数对待定事件做进一步的准确定位；

结合图4所示，结尾事件的断定，在待定反射事件中，从事件初步定位的起始点和结束点出发，采用最小二乘法和线路断纤门限重新定位该事件的起始点和结束点，进而计算该事件的均耗，与断纤事件均耗门限对比确定该事件是否结尾事件，以及通过判别该事件的结束点到下个事件的起点是否存在小于结尾高度门限的点断定该事件是否结尾事件；

线路均耗门限计算，从起始事件的结束点到结尾事件的起始点之间计算线路平均衰耗作为线路均耗门限；

待定事件准确定位，事件起点计算：

从该事件的初步定位事件的起点到上一个事件的终点，依次取N个点，采用最小二乘法计算得到拟合直线的斜率，若斜率的绝对值小于线路均耗门限，则将该N个点中间的点作为该事件的起点，迭代计算结束，否则取下N个点继续迭代计算；

事件终点计算：类同事件起点的计算方法，不同的是从该事件的初步定位的终点到下一个事件的起点依次取N个点迭代计算；

步骤4：根据步骤3中是否存在准确定位失败的待定反射事件以及 OTDR曲线数据是否已降噪处理过，确定曲线事件分析是否结束；

若OTDR曲线数据未降噪处理过且存在准确定位失败的待定反射事件，则需要计算降噪的曲线区段，否则，丢弃准确定位失败的待定反射事件，事件分析结束；

需要降噪的曲线区段的计算：

在待定反射事件中，从第一个准确定位失败反射事件的起点到最后一个准确定位失败反射事件的终点记为降噪区段基本段，因为采用小波基DB3二进制小波变换的数据长度必须满足L＝∑2^n(n∈N)，又因为模极大值降噪后，在重建信号时，信号数据在头尾段误差较大，所以对降噪区段基本段进行放大处理，最终降噪区段＝降噪起始段+降噪区段基本段+降噪结尾段＝∑2^n(n∈N)；

步骤5：结合图5所示，采用DB3小波基小波变换模极大值法对最终降噪区段数据进行降噪，降噪处理后，将降噪区段基本段的数据替换到OTDR原始曲线数据的对应数据段，重复步骤2、3、4；

降噪代码如下：

步骤6：发送功率的计算，从起始事件的终点连续取N个点，最小二乘法得到拟合直线L，直线L在X轴(光功率)上的截距即是发送功率。

线路总衰耗＝发送功率–结尾事件起始点的功率。

线路总长＝结尾事件起始点处位置。

综上所述，在本实施例中，本实施例提供的基于小波变换动态降噪的 OTDR曲线数据分析方法，结合小波变换和最小二乘法能有效分析OTDR曲线数据，在实际应用中有相当多的光缆受噪声干扰很小，且受噪声干扰也多在光缆的某些区段，因此采用动态降噪的方法，极大提升了OTDR曲线数据分析的速度，在实时光缆监测系统中的应用有重大意义。

以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取光纤线路OTDR曲线数据，并为后续数据分析进行预处理；

步骤2：对预处理后的OTDR曲线数据或降噪后的曲线数据段，进行离散平稳小波变换，根据事件在高频系数上的特征进行初步定位得到所有待定事件；

步骤3：计算线路均耗门限，采用最小二乘法和相关参数对待定事件做进一步的准确定位；

步骤4：根据步骤3中是否存在准确定位失败的反射事件以及OTDR曲线数据是否已降噪处理过，确定曲线事件分析是否结束；若未结束，计算需要降噪的曲线区段；若结束，则执行步骤6；

步骤5：采用DB3小波基小波变换模极大值法对需要降噪的OTDR曲线段进行降噪，将降噪后的曲线段数据替换掉原OTDR相应的曲线段数据，重复步骤2、3和4；

步骤6：利用分析出的事件计算光纤线路的长度、线路总衰耗和线路均耗。

2.如权利要求1所述的一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，其特征在于，步骤1中，OTDR曲线数据预处理包括：

将实际测得的OTDR原数据末尾构造一个断纤事件作为结尾事件；

添加人造结尾事件后，曲线数据长度满足二进制小波变换所需数据的长度：L＝∑2^n(n∈N)。

3.如权利要求1所述的一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，其特征在于，步骤2中，对预处理后的OTDR曲线数据或降噪后的曲线数据段采用Haar小波基进行离散平稳小波变换。

4.如权利要求3所述的一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，其特征在于，步骤2中，高频系数中，发射事件的特征是：从反射事件的起点到终点，对应高频系数值从负值变到正值；初步定位时，将负的最小值作为反射事件起点，将正的最大值作为反射事件终点。

5.如权利要求3所述的一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，其特征在于，步骤2中，高频系数中，非反射事件的特征是：从非反射事件的起点到终点，对应高频系数值始终为正，并且从小到大再到小，初步定位将最大值作为事件的起点和终点。

6.如权利要求1所述的一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，其特征在于，步骤3中，在待定反射事件中，根据结尾事件高度门限、断纤事件均耗门限确定结尾事件；计算起始事件到结尾事件之间的线路平均衰耗作为线路均耗门限。

7.如权利要求6所述的一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，其特征在于，步骤3中，待定事件准确定位，事件起点计算包括：

从该事件的初步定位事件的起点到上一个事件的终点，依次取N个点，采用最小二乘法计算得到拟合直线的斜率；

若斜率的绝对值小于线路均耗门限，则将该N个点中间的点作为该事件的起点，迭代计算结束，否则取下N个点继续迭代计算；

事件终点计算包括：

类同事件起点的计算方法，不同的是从该事件的初步定位的终点到下一个事件的起点依次取N个点迭代计算。

8.如权利要求1所述的一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，其特征在于，步骤4中，需要降噪的曲线区段的计算包括：

在待定反射事件中，从第一个准确定位失败反射事件的起点到最后一个准确定位失败反射事件的终点记为降噪区段基本段；

采用小波基DB3二进制小波变换的数据长度必须满足L＝∑2^n(n∈N)，模极大值降噪后，在重建信号时，信号数据在头尾段畸变较大；

得出：降噪区段＝降噪起始段+降噪区段基本段+降噪结尾段＝∑2^n(n∈N)。

9.如权利要求1所述的一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，其特征在于，步骤5中，采用DB3小波基小波变换模极大值法对需要降噪的OTDR曲线段进行降噪。

10.如权利要求9所述的一种基于小波变换动态降噪的OTDR曲线数据分析方法，其特征在于，步骤5中，发送功率的计算，从起始事件的终点连续取N个点，采用最小二乘法得到拟合直线L，直线L在光功率X轴上的截距即是发送功率，得到：线路总衰耗＝发送功率–结尾事件起始点的功率。