CN116429236A - 光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开一种光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法以及噪声压制装置，所述方法包括：获取相干衰落噪声压制前的光纤传感数据；基于光纤传感数据确定衰落点幅度阈值；基于衰落点幅度阈值确定信号衰落点；对信号衰落点的光纤传感数据进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号；对相干衰落噪声压制后信号执行相位解调和相位解卷绕处理，获得处理后光纤传感数据。通过对采集的原始光纤传感数据进行分析，并通过确定衰落点幅度阈值的方式确定光纤传感数据的信号衰落点，根据该信号衰落点对该原始光纤传感数据进行插值处理，克服了光纤传感数据在采集过程中的相干衰落问题，提高了所采集的光纤传感数据的准确性，满足了技术人员的实际需求。

Description

光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法及装置
技术领域
本发明涉及光纤传感数据处理技术领域，具体地涉及一种光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法、一种光纤传感数据的相干衰落噪声压制装置、一种处理器以及一种计算机可读存储介质。
背景技术
随着科技的不断发展，光纤传感技术被不断应用到生活、生产中的各个领域。光纤分布式声波传感技术是一种基于光纤的瑞利散射原理的检测技术，在井中地震数据采集、大坝安全监控、安防等技术领域得到广泛应用。
在应用过程中，通过相位解调获取光纤周围的震动信息，光纤同时作为传感媒介和传输介质，可以连续感知光纤周围的声波震动信息，并通过高密度的时间和空间采样记录相关的震动或应变数据。
在现有技术中，光纤分布式声波传感技术一般采用相位敏感型光时域反射仪，通过同相/正交相位解调得到瑞利散射的相位信息，然而在实际应用过程中，由于瑞利散射光强和相位具有空间和时间上的随机统计特性，相干衰落会导致不同位置处采集的数据的相位噪声水平不一致，因此当部分位置瑞利散射因相干衰落导致光强较弱时，相位解调信号会出现相位噪声过高而淹没有效信号的情况，无法实现准确的外界信号探测，从而大大降低了光纤传感的精确性，对技术人员造成了极大的困扰。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供一种光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法，通过对原始的光纤传感数据进行分析并确定对应的信号衰落点，并自动根据该信号衰落点对光纤传感数据通过相邻正常点线性内插将衰落点补上，从而获得克服相干衰落后的光纤传感数据，提高了光纤传感数据采集的精确性。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法，所述方法包括：获取相干衰落噪声压制前的光纤传感数据；基于光纤传感数据确定衰落点幅度阈值；基于衰落点幅度阈值确定信号衰落点；对信号衰落点的光纤传感数据进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号；对相干衰落噪声压制后信号执行相位解调和相位解卷绕处理，获得处理后光纤传感数据。
优选地，所述光纤布设于被检测位置，获取相干衰落噪声压制前的光纤传感数据，包括：获取在被检测位置检测到的初始光纤传感数据；对初始光纤传感数据执行直流偏置校正操作和振幅、相位不平衡校正操作，获得校正后光纤传感数据；将校正后光纤传感数据作为相干衰落噪声压制前的光纤传感数据。
优选地，基于光纤传感数据确定衰落点幅度阈值，包括：确定预设参考位置；在光纤传感数据中确定在预设参考位置的预设范围内的至少一组参考光纤传感数据；基于所述至少一组参考光纤传感数据生成对应的幅值-相位图；基于所述幅值-相位图确定所述至少一组参考光纤传感数据的相位发散信息；基于所述相位发散信息确定衰落点幅度阈值。
优选地，基于衰落点幅度阈值确定信号衰落点，包括：依次将每个光纤传感数据的幅值与衰落点幅度阈值进行比较；将小于衰落点幅度阈值的光纤传感数据所对应的点确定为信号衰落点，将大于衰落点幅度阈值的光纤传感数据所对应的点确定为正常点。
优选地，对信号衰落点的光纤传感数据进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号，包括：通过相邻正常点插值方法对所有衰落点进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号。
相应的，本发明还提供一种光纤传感数据的相干衰落噪声压制装置，所述装置包括：光纤传感数据获取单元，用于获取相干衰落噪声压制前的光纤传感数据；阈值确定单元，用于基于光纤传感数据确定衰落点幅度阈值；衰落点确定单元，用于基于衰落点幅度阈值确定信号衰落点；消除衰落噪声单元，用于对信号衰落点的光纤传感数据进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号；后续处理单元，用于对相干衰落噪声压制后信号执行相位解调和相位解卷绕处理，获得处理后光纤传感数据。
优选地，所述光纤布设于被检测位置，所述光纤传感数据获取获取单元包括：初始光纤传感数据获取模块，用于获取在被检测位置的初始光纤传感数据；数据校正模块，用于对初始光纤传感数据执行直流偏置校正操作和振幅、相位不平衡校正操作，获得校正后光纤传感数据；数据确定模块，用于将校正后光纤传感数据作为相干衰落噪声压制前的光纤传感数据。
优选地，所述阈值确定单元包括：参考位置确定模块，用于确定预设参考位置；参考信息确定模块，用于在光纤传感数据中确定在预设参考位置的预设范围内的至少一组参考光纤传感数据；交会图生成模块，用于基于所述至少一组参考光纤传感数据生成对应的幅值-相位图；相位发散信息确定模块，用于基于幅值-相位图确定所述至少一组参考光纤传感数据的相位发散信息；阈值确定模块，用于基于相位发散信息确定衰落点幅度阈值。
优选地，所述衰落点确定单元包括：比较模块，用于依次将每个光纤传感数据的幅值与衰落点幅度阈值进行比较；衰落点确定模块，用于将小于衰落点幅度阈值的光纤传感数据所对应的点确定为信号衰落点，将大于衰落点幅度阈值的光纤传感数据所对应的点确定为正常点。
优选地，所述消除衰落噪声单元用于：通过相邻正常点插值方法对所有衰落点进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号。
另一方面，本发明还提供一种处理器，被配置成执行本发明提供的光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法。
另一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明提供的光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法。
通过本发明提供的技术方案，本发明至少具有如下技术效果：
通过在光纤传感数据的采集过程中，对所采集的原始光纤传感数据进行分析，并通过确定衰落点幅度阈值的方式确定光纤传感数据的信号衰落点，并根据该信号衰落点对该原始光纤传感数据通过相邻正常点插值实现对衰落噪声的压制，从而有效克服了光纤传感数据在采集过程中的相干衰落噪声问题，提高了所采集的光纤传感数据的准确性，满足了技术人员的实际需求。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明实施例提供的光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法的具体实现流程图；
图2是本发明实施例提供的光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法中未进行相干衰落噪声压制的DAS数据解调相位图；
图3是本发明实施例提供的光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法中确定衰落点幅度阈值的具体实现流程图；
图4是本发明实施例提供的光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法中幅值-相位图；
图5是本发明实施例提供的光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法中确定信号衰落点的具体实现流程图；
图6是本发明实施例提供的光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法中经过相干衰落噪声压制后的DAS数据解调相位图；
图7是本发明实施例提供的光纤传感数据的相干衰落噪声压制装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
本发明实施例中的术语“系统”和“网络”可被互换使用。“多个”是指两个或两个以上，鉴于此，本发明实施例中也可以将“多个”理解为“至少两个”。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。另外，需要理解的是，在本发明实施例的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。
请参见图1，本发明实施例提供一种光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法，所述方法包括：
S10)获取相干衰落噪声压制前的光纤传感数据；
S20)基于光纤传感数据确定衰落点幅度阈值；
S30)基于衰落点幅度阈值确定信号衰落点；
S40)对信号衰落点的光纤传感数据进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号；
S50)对相干衰落噪声压制后信号执行相位解调和相位解卷绕处理，获得处理后光纤传感数据。
在进行光纤传感数据采集的过程中，将光纤布设至被检测位置并进行充分耦合，在光纤的一端连接DAS(分布式声学传感器，Distributed acoustic sensor)，DAS仪器发射激光脉冲，通过相干探测方法获取光脉冲瑞利散射的IQ(同相/正交，In-phase/Quadrature)信号，对该信号进行相位解调后获得对应的光纤传感数据。然而在现有技术中，直接进行光纤传感数据的相位解调处理后得到的数据存在较大的噪声，无法满足技术人员的实际需求，例如请参见图2，为本发明实施例提供的未进行相干衰落噪声压制的DAS数据解调相位图，因此为了解决现有技术中存在的技术问题，对上述获取的光纤传感数据进行优化处理。
在一种可能的实施方式中，首先获取相干衰落噪声压制前的光纤传感数据，该光纤传感装置为以相位敏感型光时域反射计为核心的仪器，该光纤传感装置被布设于被检测位置，在获取光纤传感数据的过程中，首先获取在每个检测位置检测到的初始光纤传感数据，该初始光纤传感数据为上述IQ信号，然后对初始光纤传感数据执行直流偏置校正操作和振幅、相位不平衡校正操作，获得校正后IQ信号，该校正后信息为不同时刻不同观测点的IQ信息输出I(i,j)、Q(i,j)，其中i表示为光纤传感装置的第i个采样时间，j表示第j个检测位置的序号，根据上述IQ信息可以计算出光纤传感数据的幅值A和直接相位ω0，具体表征为：
Figure BDA0003447823690000061
Figure BDA0003447823690000062
此时可以将上述校正后IQ信号作为相干衰落噪声压制前的光纤传感数据。然后进一步获取衰落点幅度阈值。
请参见图3，在本发明实施例中，基于光纤传感数据确定衰落点幅度阈值，包括：
S21)确定预设参考位置；
S22)在光纤传感数据中确定在预设参考位置的预设范围内的至少一组参考光纤传感数据；
S23)基于所述至少一组参考光纤传感数据生成对应的幅值-相位图；
S24)基于所述幅值-相位图确定所述至少一组参考光纤传感数据的相位发散信息；
S25)基于所述相位发散信息确定衰落点幅度阈值。
在一种可能的实施方式中，在获取到采集的光纤传感数据后，对光纤传感数据进行统计分析，首先确定预设参考位置，该预设参考位置为待测光纤的中部位置j0，此时在该中部位置j0的预设范围内确定n个深度点，并提取该n个深度点的至少一组参考光纤传感数据，该n为大于0的正整数，此时根据上述光纤传感数据的幅值A和相位ω生成对应的幅值-相位图，请参见图4，ω为根据ω0通过空间差分或全局相位解调得到的解调相位。此时对该幅值-相位图所有点的相位发散趋势进行分析，在该相位发散趋势信息中确定明显相位发散的区域，并将该明显相位发散区域与非明显相位发散区域的交点所对应的值确定为衰落点幅度阈值。
在本发明实施例中，通过采用基于图形化的方式对光纤传感数据的相位发散趋势进行分析，能够有效识别出趋势发生明显变化的区域，提高趋势分析的精确性，同时将相位发散趋势发生明显变化的点所对应的值作为衰落点幅度阈值，能够有效提高后续进行相干衰落噪声压制时的效果，提高压制噪声的准确性。在确定衰落点幅度阈值后，进一步确定信号衰落点。
请参见图5，在本发明实施例中，基于衰落点幅度阈值确定信号衰落点，包括：
S31)依次将每个光纤传感数据的幅值与衰落点幅度阈值进行比较；
S32)将小于衰落点幅度阈值的光纤传感数据所对应的点确定为信号衰落点，将大于衰落点幅度阈值的光纤传感数据所对应的点确定为正常点。
例如在一种可能的实施方式中，利用上述计算得到的衰落点幅度阈值对所获取的每个光纤传感数据进行逐点计算，并获取小于该衰落点幅度阈值的点作为信号衰落点，将其余信息所对应的点作为正常点。此时进一步的，对上述信号衰落点对应的光纤传感数据用相邻正常点数据进行线性内插，从而实现对上述每个信号衰落点对应的光纤传感数据的衰落噪声压制。
在本发明实施例中，通过对光纤传感数据的采集过程中，对信号衰落点进行精确识别，并对每个信号衰落点所采集的光纤传感数据利用相邻正常点进行插值，从而有效克服了相干衰落对正常光纤传感数据造成的影响，有效提高了所采集的光纤传感数据的精确性，提高了后续数据分析的准确性。在对信号进行插值处理后，进一步执行相位解调和相位解卷绕等处理，从而获得最终的光纤传感数据，请参见图6，为本发明实施例提供的经过相干衰落噪声压制后的DAS数据解调相位图。
在获取到上述处理后光纤传感数据后，对于本领域技术人员很容易知道，还可以根据实际需要对人工震源激发或微地震监测所获取的光纤传感数据也执行上述步骤，以获得对应的处理后光纤传感数据，结合后续获得的处理后光纤传感数据实现更准确的光纤传感数据处理，以为后续的地震数据处理和计算提供精确的数据支撑，满足技术人员的实际需求。
下面结合附图对本发明实施例所提供的光纤传感数据的相干衰落噪声压制装置进行说明。
请参见图7，基于同一发明构思，本发明实施例提供一种光纤传感数据的相干衰落噪声压制装置，所述装置包括：光纤传感数据获取单元，用于获取相干衰落噪声压制前的光纤传感数据；阈值确定单元，用于基于光纤传感数据确定衰落点幅度阈值；衰落点确定单元，用于基于衰落点幅度阈值确定信号衰落点；消除衰落噪声单元，用于对信号衰落点的光纤传感数据进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号；后续处理单元，用于对相干衰落噪声压制后信号执行相位解调和相位解卷绕处理，获得处理后光纤传感数据。
在本发明实施例中，所述光纤布设于被检测位置，所述光纤传感数据获取单元包括：初始光纤传感数据获取模块，用于获取在被检测位置检测到的初始光纤传感数据；数据校正模块，用于对初始光纤传感数据执行直流偏置校正操作和振幅、相位不平衡校正操作，获得校正后光纤传感数据；数据确定模块，用于将校正后光纤传感数据作为相干衰落噪声压制前的光纤传感数据。
在本发明实施例中，所述阈值确定单元包括：参考位置确定模块，用于确定预设参考位置；参考信息确定模块，用于在所述光纤传感数据中确定在预设参考位置的预设范围内的至少一组参考光纤传感数据；交会图生成模块，用于基于所述至少一组参考光纤传感数据生成对应的幅值-相位图；相位发散信息确定模块，用于基于幅值-相位图确定所述至少一组参考光纤传感数据的相位发散信息；阈值确定模块，用于基于相位发散信息确定衰落点幅度阈值。
在本发明实施例中，所述衰落点确定单元包括：比较模块，用于依次将每个光纤传感数据的幅值与衰落点幅度阈值进行比较；衰落点确定模块，用于将小于衰落点幅度阈值的光纤传感数据所对应的点确定为信号衰落点，将大于衰落点幅度阈值的光纤传感数据所对应的点确定为正常点。
在本发明实施例中，所述消除衰落噪声单元用于：通过相邻正常点插值方法对所有衰落点进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号。
进一步地，本发明实施例还提供一种处理器，被配置成执行本发明所述的光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法。
进一步地，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明所述的光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (12)

1.一种光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取相干衰落噪声压制前的光纤传感数据；
基于光纤传感数据确定衰落点幅度阈值；
基于衰落点幅度阈值确定信号衰落点；
对信号衰落点的光纤传感数据进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号；
对相干衰落噪声压制后信号执行相位解调和相位解卷绕处理，获得处理后光纤传感数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤布设于被检测位置，获取相干衰落噪声压制前的光纤传感数据，包括：
获取在被检测位置的初始光纤传感数据；
对初始光纤传感数据执行直流偏置校正操作和振幅、相位不平衡校正操作，获得校正后光纤传感数据；
将校正后光纤传感数据作为相干衰落噪声压制前的光纤传感数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于光纤传感数据确定衰落点幅度阈值，包括：
确定预设参考位置；
在光纤传感数据中确定在预设参考位置的预设范围内的至少一组参考光纤传感数据；
基于所述至少一组参考光纤传感数据生成对应的幅值-相位图；
基于幅值-相位图确定所述至少一组参考光纤传感数据的相位发散信息；
基于信号相位发散信息确定衰落点幅度阈值。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于衰落点幅度阈值确定信号衰落点，包括：
依次将每个光纤传感数据的幅值与衰落点幅度阈值进行比较；
将小于衰落点幅度阈值的光纤传感数据所对应的点确定为信号衰落点，将大于衰落点幅度阈值的光纤传感数据所对应的点确定为正常点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对信号衰落点的光纤传感数据进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号，包括：
通过相邻正常点插值方法对所有衰落点进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号。
6.一种光纤传感数据的相干衰落噪声压制装置，其特征在于，所述装置包括：
光纤传感数据获取单元，用于获取相干衰落噪声压制前的光纤传感数据；
阈值确定单元，用于基于光纤传感数据确定衰落点幅度阈值；
衰落点确定单元，用于基于衰落点幅度阈值确定信号衰落点；
消除衰落噪声单元，用于对信号衰落点的光纤传感数据进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号；
后续处理单元，用于对相干衰落噪声压制后信号执行相位解调和相位解卷绕处理，获得处理后光纤传感数据。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光纤布设于被检测位置，所述光纤传感数据获取单元包括：
初始光纤传感数据获取模块，用于获取在被检测位置检测到的初始光纤传感数据；
数据校正模块，用于对初始光纤传感数据执行直流偏置校正操作和振幅、相位不平衡校正操作，获得校正后光纤传感数据；
数据确定模块，用于将校正后光纤传感数据作为相干衰落噪声压制前的光纤传感数据。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述阈值确定单元包括：
参考位置确定模块，用于确定预设参考位置；
参考信息确定模块，用于在光纤传感数据中确定在预设参考位置的预设范围内的至少一组参考光纤传感数据；
交会图生成模块，用于基于所述至少一组参考光纤传感数据生成对应的幅值-相位图；
相位发散信息确定模块，用于基于幅值-相位图确定所述至少一组参考光纤传感数据的相位发散信息；
阈值确定模块，用于基于相位发散信息确定衰落点幅度阈值。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述衰落点确定单元包括：
比较模块，用于依次将每个光纤传感数据的幅值与衰落点幅度阈值进行比较；
衰落点确定模块，用于将小于衰落点幅度阈值的光纤传感数据所对应的点确定为信号衰落点，将大于衰落点幅度阈值的光纤传感数据所对应的点确定为正常点。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述消除衰落噪声单元用于：
通过相邻正常点插值方法对所有衰落点进行信号插值处理，获得相干衰落噪声压制后信号。
11.一种处理器，其特征在于，被配置成执行权利要求1至5中任一项权利要求所述的光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法。
12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任一项权利要求所述的光纤传感数据的相干衰落噪声压制方法。
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