[發(fā)明專利]基于多域壓縮感知的phi-OTDR信號測量和抑噪方法

有效

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• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113503954B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張益昕;姚媛媛;張旭蘋;鄒寧睦;王順;張馳;王峰
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 田凌濤

本發(fā)明公開了一種基于多域壓縮感知的phi?OTDR信號測量和抑噪方法，包括：使用數(shù)據(jù)采集卡接收多個探測脈沖光，利用壓縮感知原理在多個域上對不同頻率的探測脈沖光進(jìn)行隨機亞采樣，構(gòu)建滿足等距約束性條件的二維觀測矩陣；在空間域上對二維觀測矩陣進(jìn)行壓縮感知，通過對瑞利散射在空間上的局部強度峰值的優(yōu)選與跟蹤，選擇合適的亞采樣點；在頻率域上對二維觀測矩陣進(jìn)行壓縮感知，依據(jù)采樣的周期延拓特性，對目標(biāo)頻率點進(jìn)行估計；對壓縮感知的信號進(jìn)行重構(gòu)，采用正交匹配追蹤算法和枚舉反推法，還原目標(biāo)信號。本發(fā)明能夠顯著壓縮數(shù)據(jù)總量，重構(gòu)目標(biāo)信號，實現(xiàn)傳感過程的高效率與低噪聲，降低傳感系統(tǒng)的硬件成本與軟件開銷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及分布式傳感光纖測量技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種基于多域壓縮感知的phi-OTDR信號測量和抑噪方法和裝置。

背景技術(shù)

相位敏感型光時域反射計(φ-OTDR)是分布式光纖傳感器的一種，其特點是利用相位對外部擾動的高靈敏度，探測并定位待測光纖上的振動事件，根據(jù)振動事件的強度與頻率等信息實時識別電纜與管線是否有異常振動發(fā)生。

以為代表的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)具有傳感距離長、測頻范圍寬、等效傳感節(jié)點密集等特點，造成其在空間域、頻率域等多個維度上產(chǎn)生顯著的數(shù)據(jù)膨脹。按照經(jīng)典的奈奎斯特采樣定律，的探測光脈沖重復(fù)頻率應(yīng)高于待檢測振動信號最高頻率分量的2倍，考慮到抗混疊和動態(tài)范圍需求，工程中常取5-10倍的過采樣，由此經(jīng)典的奈奎斯特采樣定律造成了測量復(fù)雜度幾何攀升的窘境，大大提升了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理壓力，同時也限制了高頻測量時所能夠覆蓋的最大傳感距離。而現(xiàn)實場景下的待觀測振動場信息在空間和頻率的分布上通常均具有稀疏特性，造成事實上的數(shù)據(jù)冗余。

同時，當(dāng)傳感系統(tǒng)注入光纖的探測光具有高度相干性時，其沿光纖傳播時產(chǎn)生的RBS強度將呈現(xiàn)劇烈的隨機起伏，且統(tǒng)計上符合瑞利分布。這就造成在空間上總有部分位置處的RBS強度處于相干相消狀態(tài)，淹沒于噪聲本底之中，無法保證相位解調(diào)結(jié)果的質(zhì)量，產(chǎn)生所謂的“相干衰落噪聲”問題。在分析擾動區(qū)域前后兩個位置的相位差變化以實現(xiàn)對外部擾動作用在光纖上的應(yīng)變大小的定量測量時，如果兩個參考位置中任意一處的RBS幅度具有較差的信噪比時，那么實際獲得的相位解調(diào)結(jié)果將是不準(zhǔn)確的。

為此，部分研究人員將壓縮感知引入了分布式振動傳感檢測過程。由于壓縮感知關(guān)注的是如何利用信號本身所具有的稀疏性，從部分觀測樣本中恢復(fù)原始信號，通常認(rèn)為壓縮感知分為感知測量和重構(gòu)恢復(fù)兩個階段，感知測量關(guān)注的是如何對原始信號進(jìn)行處理以獲得稀疏樣本表示，重構(gòu)恢復(fù)關(guān)注的是如何基于稀疏性從少量的觀測中復(fù)原信號。例如專利號為CN111609916A的發(fā)明中公開了一種基于壓縮感知的OFDR分布式振動傳感檢測方法，包括步驟如下：S1.確定與所需要的振動信號相對應(yīng)的觀測矩陣Φ；S2.確定與觀測矩陣Φ相對應(yīng)的觀測向量y；S3.利用離散傅里葉變換矩陣得出信號的稀疏矩陣Ψ；S4.利用正交匹配追蹤算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號重構(gòu)及頻率恢復(fù)；S5.通過傅里葉變換，將信號由時域變換到頻域，進(jìn)而得到信號頻率。其優(yōu)點在于，不僅節(jié)省了大量的數(shù)據(jù)存儲空間，還保證了運行速率的提升，大大降低了信號的存儲空間及運行速率。但是由于其涉及需要滿足奈奎斯特定律的高采樣率，使得分布式光纖振動傳感系統(tǒng)在空間域和頻率域等維度上仍然存在數(shù)據(jù)膨脹問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于多域壓縮感知的phi-OTDR信號測量和抑噪方法和裝置，以激光器調(diào)頻結(jié)合時間維度上的隨機采樣，構(gòu)建滿足等距約束性條件的二維觀測矩陣，在基本保證原信號特征的情況下，顯著壓縮數(shù)據(jù)總量，重構(gòu)目標(biāo)信號，從而實現(xiàn)傳感過程的高效率與低噪聲，降低傳感系統(tǒng)的硬件成本與軟件開銷。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

第一方面，本發(fā)明實施例提出了一種基于多域壓縮感知的phi-OTDR信號測量和抑噪方法，所述方法包括：

S1，在整個測量時刻生成若干個不同頻率的探測脈沖光，在不同測量時刻其探測脈沖光的頻率選擇都是隨機獨立的；