CN110608760A - 相位敏感光时域反射传感系统扰动探测信噪比提高方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种相位敏感光时域反射传感系统的扰动探测信噪比提高方法，包括以下步骤：将采集到的背向瑞利散射光数字信号利用噪声的不可稀疏性质，采用压缩感知进行去噪，并采用正交匹配追踪(OMP)算法来重构后向瑞利散射信号；将去噪后所构建的瑞利后向散射数字信号二维矩阵R＝[Ri,j]M×N以灰度图像显示；用基于Sobel算子的二维图像边缘检测法，对扰动进行检测和定位；最后采用快速傅里叶变换来获取扰动点的频率。本发明采用压缩感知对信号进行处理，消除了噪声，采用基于Sobel二维边缘检测来对扰动进行精确定位，减少了探测扰动的时间，采用快速傅里叶变换来获取扰动的频率信息，增加了相位敏感光时域反射系统的探测性能。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术应用领域，尤其涉及相位敏感光时域反射传感系统扰动探测信噪比提高方法。
背景技术
信号光在光纤中传输，由于不同的散射机理，存在三种散射光，分别为：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。相对于光纤中的布里渊散射和拉曼散射，瑞利散射的能量最大，更加容易被检测，因此目前已有很多关于利用光波的瑞利散射来进行全分布式传感的研究及应用。相位敏感式光时域反射系统(Φ-OTDR)就是通过探测后向瑞利散射光的干涉信号的变化而获取扰动信号，该扰动信号即扰动点的振动频率，通过对扰动点的振动频率分析出扰动点扰动处所发生的状态变化。且由于Φ-OTDR具有抗电磁干扰、空间分辨率高、设备铺设简单、无盲区、维护费用低等优势，Ф-OTDR已在诸多应用领域体现其巨大的价值，如在安防领域中，Ф-OTDR可作为大型重要边界线和设施(如国境线、油田油井、油气管道)的监控设施，实现对各种入侵、破坏和偷盗事件进行实时无人监测；在交通系统中，Ф-OTDR可用于监控列车运行位置和速度，监测路口车辆流量等；在电力系统中，Ф-OTDR可用于电缆和连接头的局部放电检测和电缆周界安全监控；在地质监测中，Ф-OTDR可以实现对山体滑坡、地震等地质灾害实时监测和预警；在结构安全监控中，Ф-OTDR可以实现对桥梁等大型关键建筑的结构健康实时分布式测量。其原理为：对传感光纤发出探测光，感光纤发上扰动点的振动导致传感光纤中扰动点处的瑞利散射光沿光纤回传，回传的瑞利散射光的功率与扰动处振动同频变化，通过对回传的瑞利散射沿光分析得到扰动点的振动频率信号，即为扰动信号。
由于探测距离、精度等受传输损耗的影响，相位敏感式光时域反射系统进行扰动探测时，接收端获取扰动信号中掺杂信号噪声，大大降低了系统对扰动等现象的探测能力。因此，在保证分布式光纤扰动传感系统的空间分辨率不受影响的前提下，在有限的测量时间内提高扰动探测的信噪比，增强系统的扰动探测能力，是相位敏感光时域反射系统目前迫切需要解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种相位敏感光时域反射传感系统扰动探测信噪比提高方法：包括以下步骤：
步骤S1：采集多组后向瑞利散射信号的数字信号；
步骤S2：对每组所述后向瑞利散射信号的数字信号采用压缩感知进行去噪；并采用正交匹配追踪算法对去噪后的多组数字信号进行重构，得到重构信号；
步骤S3：将步骤S2中的重构信号表示为二维矩阵R＝[Ri,j]M×N，其中Ri,j表示采集到的第i次光脉冲对应的在传感光纤第j位置上的背向瑞利散射光数值信号值；
步骤S4：将所述二维矩阵R＝[Ri,j]M×N以灰度图像显示；
步骤S5：采用二维图像边缘检测法检测所述灰度图像，对图像中的扰动点进行检测和定位，以获取所述灰度图像中的扰动点；
步骤S6：采用快速傅里叶变换来获取的所述扰动点的振动频率。
进一步地，所述步骤S1中压缩感知去噪的步骤如下：
步骤1：将采集到的每组所述后向瑞利散射信号的数字信号x表示为空间RN上的一维列向量[x(1),x(2),...,x(N)]T,RN空间上的向量表示为N×1维基向量 {ψi|i＝1,2...,N}的线性组合；
步骤2：将信号x表示为：其中θ＝<x,ψi>为投影系数，正交基矩阵ψ＝[ψ1,ψ2,...,ψn]，在正交基空间中，投影系数θ存在K系数不为零或者远远大于其他系数的数值，且满足K≤N，此时信号为K-稀疏信号；
步骤3：选取所有K-稀疏信号，通过正交匹配追踪算法来重构后向瑞利散射信号，得到重构信号。
进一步地，所述步骤3中通过正交匹配追踪算法步骤如下：
1)初始化r0＝y，t＝1；
2)找到索引λi，使得：
3)令Λt＝Λt-1∪{λt}，
4)求y＝Atθt的最小二乘解：
5)更新残差
6)t＝t+1，如果t≤K则返回第2步，否则停止迭代进入第7步；
7)重构所得在Λt处有非零项，其值分别为最后一次迭代所得
8)得到后，利用K-稀疏信号得重构信号
其中rt表示残差，t表示迭代次数，表示空集，Λt表示t次迭代的索引集合，λt表示第t次迭代找到的索引，αj表示矩阵A的第j列，At表示按索引Λt选出的矩阵A的列集合，θt为t×1的列向量，符号∪表示集合并运算。
进一步地，步骤S5中边缘检测方法为：采用Sobel算子与步骤S3所得灰度图像进行卷积，得到所代表的各点的空间梯度，其中存在一个或多个点的空间梯度值大于周围环境或者发生突变，则判断该点即为扰动点。
本发明的有益效果在于：1.采用压缩感知对信号进行处理，消除了噪声； 2.采用基于Sobel二维边缘检测来对扰动进行精确定位，减少了探测扰动的时间；3.采用快速傅里叶变换来获取扰动的频率信息，增加了相位敏感光时域反射系统的探测性能。
附图说明
图1是本发明中相位敏感光时域反射光纤传感系统结构示意图；
图2是本发明相位敏感光时域反射传感系统扰动探测信噪比提高方法流程图；
图中：1-窄线宽光纤激光器，2-1′2光纤耦合器，3-声光调制器，4-掺铒放大器，5-光纤环形器，6-传感光纤，7-压电陶瓷，8-2′2光纤耦合器，9-平衡光探测器，10-数据采集卡，11-计算机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
参见图1，本发明所述的相位敏感光时域反射光纤传感系统，包括窄线宽光纤激光器1、1′2光纤耦合器2、声光调制器3、掺铒放大器4、光纤环形器5、传感光纤6、压电陶瓷7、2′2光纤耦合器8、平衡光探测器9、数据采集卡10 和计算机11。
所述窄线宽光纤激光器1连接所述1′2光纤耦合器2，所述1′2光纤耦合器 2具有两个输出端口，一端口连接所述声光调制器3，另一端口连接所述2′2光纤耦合器8，所述声光调制器3连接掺铒放大器4，所述掺铒放大器4连接光纤环形器5，所述光纤环形器5具有两输出端口，一端口连接所述2′2光纤耦合器 8，另一端口连接所述传感光纤6，所述传感光纤6上缠绕有压电陶瓷7，所述压电陶瓷上设有传感器，所述传感器感知外界变化，从而改变对所述压电陶瓷的压力，所述压电陶瓷7发生膨胀和收缩从而造成一定频率的扰动，并将扰动直接传递给传感光纤6，使传感光纤6产生带有扰动信号的瑞丽散射，所述2′2 光纤耦合器8具有两个输出端口，两个所述输出端口均连接所述平衡光探测器9，所述平衡光探测器9连接数据采集卡10，所述数据采集卡10连接计算机11。
所述相位敏感光时域反射光纤传感系统的工作过程为：
所述窄线宽光纤激光器1发射激光，经过所述1′2光纤耦合器2，所述激光分成两路，一路为探测光，一路为参考光，其中探测光和参考光的耦合分光比选择90:10；所述探测光经过所述声光调制器3调制为脉冲光，经过所述掺铒放大器(4)进行光功率放大，输入至所述光纤环形器(5)并经过所述光纤环形器(5) 输出到传感光纤6，所述传感光纤6上的压电陶瓷7扰动，使所述传感光纤产生瑞利背向散射光，所述瑞利背向散射光反射回所述光纤环形器(5)，并经过所述光纤环形器(5)传输至所述2′2光纤耦合器8；所述1′2光纤耦合器2传出的参考光，所述参考光直接传输至所述2′2光纤耦合器8，所述2′2光纤耦合器8将所述背向散射光和所述参考光的进行耦合成探测相干光，耦合分光比为50:50；并将耦合后的所述探测相干光分两路传输至所述平衡光探测器9，所述平衡光探测器9通过光电转换将所述探测相干光转换成所述声光调制器3移频频率的电信号，并将电信号传输至所述数据采集卡10实现模数转换得到探测相干光的数字信号，该探测相干光的数字信号即为后向瑞利散射数字信号，所述计算机11 接收所后向瑞利散射数字信号，通过本发明所述的相位敏感光时域反射传感系统扰动探测信噪比提高方法进行处理，去所述后向瑞利散射数字信号中掺杂随机信号噪声，得到扰动点的振动频率，该扰动点的振动频率即为后向瑞利散射数字信号中所需要的扰动探测信号，从而提高所述相位敏感光时域反射传感系统扰动探测的信噪比。
如图2所示，本发明的实施例提供相位敏感光时域反射传感系统扰动探测信噪比提高方法，以提高所述相位敏感光时域反射传感系统采集到的扰动点的振动频率的信噪比，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：计算机11采集多组后向瑞利散射信号的数字信号；
步骤S2：对每组所述后向瑞利散射信号的数字信号采用压缩感知进行去噪；并采用正交匹配追踪(OMP)算法对去噪后的多组数字信号进行重构，得到重构信号；所述压缩感知去噪的步骤如下：
步骤1：将采集到的每组后向瑞利散射信号的数字信号x表示为空间RN上的一维列向量[x(1),x(2),...,x(N)]T,RN空间上的向量表示为N×1维基向量 {ψi|i＝1,2...,N}的线性组合；
步骤2：将信号x表示为：其中θ＝<x,ψi〉为投影系数，正交基矩阵ψ＝[ψ1,ψ2,...,ψn]，在正交基空间中，投影系数θ存在K系数不为零或者远远大于其他系数的数值，且满足K≤N，该信号为K-稀疏信号；
步骤3：选取所有K-稀疏信号，通过正交匹配追踪算法来重构后向瑞利散射信号，得到重构信号，所述重构信号相比原向瑞利散射信号的数字信号，大大减少了随机噪音，其中正交匹配追踪算法步骤重构所述后向瑞利散射信号如下：
1)初始化r0＝y，t＝1；
2)找到索引λi，使得：
3)令Λt＝Λt-1∪{λt}，
4)求y＝Atθt的最小二乘解：
5)更新残差
6)t＝t+1，如果t≤K则返回第2步，否则停止迭代进入第7步；
7)重构所得在Λt处有非零项，其值分别为最后一次迭代所得
8)得到后，利用稀疏矩阵得到重构信号
其中rt表示残差，t表示迭代次数，表示空集，Λt表示t次迭代的索引集合，λt表示第t次迭代找到的索引，αj表示矩阵A的第j列，At表示按索引Λt选出的矩阵A的列集合，θt为t×1的列向量，符号∪表示集合并运算。
步骤S3：将步骤S2中去重构信号表示为二维矩阵R＝[Ri,j]M×N，其中Ri,j表示采集到的第i次光脉冲对应的在传感光纤第j位置上的背向瑞利散射光数值信号值；
步骤S4：将所述二维矩阵R＝[Ri,j]M×N以灰度图像显示；
步骤S5：采用二维图像边缘检测法检测所述灰度图像，对图像中的扰动点进行检测和定位，以获取所述灰度图像中的扰动点，其过程为：采用Sobel算子与步骤S3所得灰度图像进行卷积，得到所代表的各点的空间梯度，其中存在一个或多个点的空间梯度值大于周围环境或者发生突变，则判断该点即为扰动点；
步骤S6：采用快速傅里叶变换来获取的所述扰动点的振动频率。
所述扰动点的振动频率的即为所需要的扰动探测的信号，通过本发明的相位敏感光时域反射传感系统扰动探测信噪比提高方法，将位敏感光时域反射传感系统接收到的向瑞利散射信号的数字信号中的随机噪声去除，并提取所需的扰动探测的信号，有效提高所述相位敏感光时域反射传感系统扰动探测的信噪比。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.相位敏感光时域反射传感系统扰动探测信噪比提高方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：采集多组后向瑞利散射信号的数字信号；
步骤S2：对每组所述后向瑞利散射信号的数字信号采用压缩感知进行去噪；并采用正交匹配追踪算法对去噪后的多组数字信号进行重构，得到重构信号；
步骤S3：将步骤S2中的重构信号表示为二维矩阵R＝[Ri,j]M×N，其中Ri,j表示采集到的第i次光脉冲对应的在传感光纤第j位置上的背向瑞利散射光数值信号值；
步骤S4：将所述二维矩阵R＝[Ri,j]M×N以灰度图像显示；
步骤S5：采用二维图像边缘检测法检测所述灰度图像，对图像中的扰动点进行检测和定位，以获取所述灰度图像中的扰动点；
步骤S6：采用快速傅里叶变换来获取的所述扰动点的振动频率。
2.根据权利要求1所述的相位敏感光时域反射传感系统扰动探测信噪比提高方法，其特征在于：所述步骤S1中压缩感知去噪的步骤如下：
步骤1：将采集到的每组所述后向瑞利散射信号的数字信号x表示为空间RN上的一维列向量[x(1),x(2),...,x(N)]T,RN空间上的向量表示为N×1维基向量{ψi|i＝1,2...,N}的线性组合；
步骤2：将信号x表示为：其中θ＝<x,ψi>为投影系数，正交基矩阵ψ＝[ψ1,ψ2,...,ψn]，在正交基空间中，投影系数θ存在K系数不为零或者远远大于其他系数的数值，且满足K≤N，此时信号为K-稀疏信号；
步骤3：选取所有K-稀疏信号，通过正交匹配追踪算法来重构后向瑞利散射信号，得到重构信号。
3.根据权利要求2所述的相位敏感光时域反射传感系统扰动探测信噪比提高方法，其特征在于：所述步骤3中通过正交匹配追踪算法步骤如下：
1)初始化r0＝y，t＝1；
2)找到索引λi，使得：
3)令Λt＝Λt-1∪{λt}，
4)求y＝Atθt的最小二乘解：
5)更新残差
6)t＝t+1，如果t≤K则返回第2步，否则停止迭代进入第7步；
7)重构所得在Λt处有非零项，其值分别为最后一次迭代所得
8)得到后，利用K-稀疏信号得重构信号
其中rt表示残差，t表示迭代次数，表示空集，Λt表示t次迭代的索引集合，λt表示第t次迭代找到的索引，αj表示矩阵A的第j列，At表示按索引Λt选出的矩阵A的列集合，θt为t×1的列向量，符号∪表示集合并运算。
4.根据权利要求1所述的相位敏感光时域反射传感系统扰动探测信噪比提高方法，其特征在于：步骤S5中边缘检测方法为：采用Sobel算子与步骤S3所得灰度图像进行卷积，得到所代表的各点的空间梯度，其中存在一个或多个点的空间梯度值大于周围环境或者发生突变，则判断该点即为扰动点。
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