[發明專利]一種相敏光時域反射儀傳感信號噪聲分離及信號提取方法

有效

• 申請號: 201310124624.X
• 申請日: 2013-04-11
• 公開（公告）號: CN103196465A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 吳慧娟;李小玉;彭正譜;饒云江
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01D3/028
• 分類號: G01D3/028;H04B10/071
• 代理公司: 成都華典專利事務所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐;楊保剛

技術領域

本發明涉及周界安防、長輸管道及大型結構安全監測領域，具體涉及一種相位敏感光時域反射儀傳感信號噪聲分離及信號提取方法。

背景技術

國防、軍事、民用設施及人民生命財產的安全是關系國計民生的大事，因此我國在周界安防、長輸管道安全、大型結構健康監測等領域有重大需求。相敏光時域反射儀(Phase-sensitive?optical?time?domain?reflectometry，Φ-OTDR)?是一種典型全分布式光纖傳感技術，靈敏度高，全程無源，可連續感知傳輸路徑上應變、振動等動態參數的空間分布和時間變化信息，由于探測距離和多點同時定位能力顯著優于其他干涉型技術，常作為長距離圍欄技術應用的首選，在周界安防、長輸油氣管道及大型結構的安全監測等領域發揮重要作用。

??然而，與其他干涉型高靈敏光纖檢測系統類似，在實際應用中Φ-OTDR對氣候變化、空氣流動、聲音和機械振動等背景噪聲也同時敏感，目前基于光時域反射橫向空間信號的檢測與定位方法，只能判斷擾動有無和位置，無法確知擾動信號的類型，如背景噪聲或干擾，還是真實擾動入侵信號，誤報頻繁，無法滿足實際應用要求。而結合空間上各點的縱向時間信號進行檢測，可以根據不同類型信號隨時間變化的特征差異，對各種誤報進行分辨和排除，是有效降低系統誤報率，提高信號正確檢測與識別率的一種有效途徑。然而，從時間序列信號來看，Φ-OTDR傳感信號中系統自身的相位噪聲起伏波動大，真實的擾動信號幾乎被淹沒于這種背景噪聲中，加上實際應用環境復雜，空氣流動、聲音等各種時變干擾噪聲的非線性混疊，直接進行檢測與識別也會產生較高的誤報率。因此實際應用中Φ-OTDR傳感信號中背景噪聲分離與真實擾動信號的提取，是準確檢測和識別的前提，是Φ-OTDR也是干涉型光纖檢測系統普遍存在的難題，成為制約其在實際應用中發揮作用的關鍵，直接決定系統的應用前景。

發明內容

針對上述現有技術，本發明要解決的技術問題是提供一種相位敏感光時域反射儀傳感信號噪聲分離及信號提取方法，解決現有系統傳感信號信噪比較低，對外界環境各種干擾敏感，同時光學系統受環境溫度等因素影響不可避免的頻漂現象帶來的相位噪聲導致接收的信號起伏波動大，造成真實擾動入侵檢測困難，系統虛警率和誤報率偏高的問題。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：一種相位敏感光時域反射儀傳感信號噪聲分離及信號提取方法，利用小波變換多尺度分解和選擇性重組，對起伏的相位背景噪聲和特定時變干擾成分如聲波擾動等進行分離，提取出真實的擾動入侵信號，并對真實的擾動入侵信號提取能量特征進行空間檢測與定位，包括以下步驟：

（1）對接收的橫向空間信號進行時間累積，得到空間上各點的縱向時間序列信號；

（2）對空間上某點的縱向時間序列信號進行小波多尺度分解；

（3）對小波多尺度分量進行選擇重組對背景噪聲和復雜時變干擾分別進行分離，同時提取真實的擾動入侵信號；

（4）針對真實的擾動入侵信號提取其能量特征，將空間所有點噪聲分離后的信號能量特征構成隨空間分布的特征曲線，根據此特征曲線進行空間檢測與定位。

上述方案中，所述步驟1中所述橫向空間信號由相敏光時域反射儀提供，所述相敏光時域反射儀以周期觸發脈沖作為一個信號采集單元，觸發頻率為????????????????????????????????????????????????，觸發周期為，該時間單元內采集的信號是相敏光時域反射儀光時域反射信號，映射了監測距離內光信號在所有空間點的分布信息；

????采集脈沖周期觸發，隨空間分布的光信息被周期性地采集刷新；

????設第個采集脈沖周期內接收的散射相干光沿光纖線路的光強分布信息，為，其中：表示空間采樣點序號，為根據監測距離設置的橫向空間信號采集長度，為采集脈沖序號，為采集脈沖觸發時刻，每隔一個時間單元，自動增加1，，隨著的增加，空間所有點的光信息被重新采集；以空間某一點作為觀測點，該點光信息隨的增加進行時間累積，得到了該空間點光信息隨時間變化的信號，稱為該點的縱向時間序列信號，記為，其中表示空間采樣點序號，為采集脈沖序號，為縱向觀測時間內的采集脈沖個數，也稱為時間采樣點數。