[發明專利]一種雙階段布里淵頻移提取方法

有效

• 申請號: 202110776984.2
• 申請日: 2021-07-09
• 公開（公告）號: CN113465676B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 王曰海;蘇梁灝;陳蓓;劉笑之;楊建義
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;G01D5/353;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

本發明公開了一種雙階段布里淵頻移提取方法，該方法構建了去噪和回歸的雙階段布里淵頻移提取網絡，去噪網絡包含編碼器、解碼器和殘差連接單元，回歸網絡包含卷積單元和回歸單元；網絡訓練，以損失函數收斂為目標，分別對兩個網絡進行訓練，網絡參數確定后，通過級聯兩個網絡來提取布里淵增益譜的布里淵頻移；本發明為布里淵光時域分析系統提供了一種在低信噪比下精度高且處理速度快的方案。

技術領域

本發明屬于分布式光纖傳感技術領域，更具體地，涉及到一種布里淵頻移提取方法。

背景技術

分布式光纖傳感技術具有同時獲取在傳感光纖區域內隨時間和空間變化的被測量分布信息的能力，而布里淵散射在分布式檢測溫度和光纖應變中存在著傳感距離長，空間分辨率高等優點，從而廣泛應用于火災預警、橋梁安全檢測等。

布里淵散射是由于光波與聲波在光纖中傳播時相互作用產生的結果，布里淵散射產生的布里淵增益譜的峰值稱為布里淵頻移，布里淵頻移與溫度和應變之間存在線性變化，因此，可以通過布里淵頻移的變化反推出溫度或者應變的變化量。布里淵增益譜是洛倫茲曲線形狀：

其中g₀為峰值增益系數，v_B為布里淵頻移，Δv為布里淵增益的全高半寬。因此，布里淵增益譜可以利用這三個參數來表征。

通常采用洛倫茲擬合來確定布里淵增益譜的布里淵頻移，然后通過布里淵頻移與溫度之間的線性變化來確定溫度的變化量。洛倫茲擬合常用的方法是高斯牛頓法或者是Levenberg-Marquardt算法，這種算法需要不斷地迭代，精度往往與設置的初始值有關，初始值遠離最優值時，計算得到的誤差可能會陷入局部最優值，從而使得精度變差，除此以外，因為這些方法需要大量的迭代過程，因此處理時間比較長，無法實現實時處理。

發明內容

為了能夠實時處理布里淵傳感數據，本發明提供一種雙階段布里淵頻移提取方法。該方法使用去噪網絡對帶噪聲的信號重建成去噪后的信號，提高信噪比，回歸網絡則直接提取出對應的布里淵頻移。本發明具有處理時間快、去噪效果好的特點。

本發明提供了一種雙階段布里淵頻移提取方法，包括以下步驟：

(1)去噪網絡：該模塊由編碼器、等維度的解碼器和殘差連接單元構成，所述編碼器包含多組依次連接的一維卷積層、ReLU激活函數層、最大池化層、BatchNorm層以及多個全連接層加ReLU激活函數層，所述編碼器用于對輸入的帶噪布里淵增益譜進行特征提取。所述殘差連接單元用于對解碼器的子網絡層輸出經過ReLU激活函數與具有相同維度的編碼器的卷積層輸出進行跳躍連接，殘差連接單元通過對編碼器和解碼器的部分輸出進行跳躍連接，緩解多層網絡中存在的梯度消失。解碼器包含與編碼器等維度的全連接層和ReLU激活函數層，以及多組依次連接的反卷積層、ReLU激活函數層和BatchNorm層形成的子網絡層；所述解碼器用于對獲得的特征進行解碼，最終得到去噪的布里淵增益譜Y。

(2)回歸網絡：該模塊由卷積單元和回歸單元構成，所述卷積單元包含多組卷積序列，每組卷積序列是由一維卷積層、RELU激活函數層、最大池化層和BatchNorm層組合而成的網絡層序列構成；所述回歸單元包含多組依次連接的全連接層網絡和ReLU激活函數層形成的子網絡層。卷積單元：采用n組不同的卷積序列[a₁,a₂,……,a_n]對去噪后的布里淵增益譜Y的不同數據點進行局部特征的提取，得出特征序列[p₁,p₂,……,p_n]，將特征序列進行組合，得到卷積單元的輸出C；回歸單元:采用依次連接的多組全連接層將卷積單元的輸出C映射到輸出空間，得出布里淵頻移f。

上述技術方案中，進一步地，所述回歸網絡中卷積單元特征序列的組合方式為殘差連接或者堆疊連接。

更進一步地，去噪網絡的損失函數為KL散度損失函數。