[發(fā)明專利]一種改進(jìn)BM3D去噪OFDR分布式應(yīng)變測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210636074.9
• 申請(qǐng)日: 2022-06-07
• 公開（公告）號(hào): CN115031651B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 丁振揚(yáng);劉鐵根;潘銘;劉琨;江俊峰;花培棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/16
• 分類號(hào): G01B11/16;G06F17/14;G06V10/30;G06V10/74;G06V10/77
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 程毓英

本發(fā)明涉及一種改進(jìn)BM3D去噪OFDR分布式應(yīng)變測(cè)量方法，包括下列步驟：在可調(diào)諧激光器的觸發(fā)下，對(duì)參考數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行正向快速傅里葉變換，變換后為沿光纖測(cè)試距離對(duì)應(yīng)各個(gè)位置的復(fù)信號(hào)；對(duì)第一步得到的經(jīng)過快速正向傅里葉變換后的參考數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行疊窗補(bǔ)零操作；去除經(jīng)過第二步處理的參考數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)中每段數(shù)據(jù)的直流分量；并分別進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算；提取形狀鄰域，并且將所有得到的形狀鄰域排列為三維數(shù)組；對(duì)于三維數(shù)組中每一個(gè)形狀鄰域的二維變換；獲得三維數(shù)組中每個(gè)形狀鄰域的去噪估計(jì)值；對(duì)原始二維互相關(guān)強(qiáng)度圖三次進(jìn)行上述的去噪迭代步驟，得到去噪后二維互相關(guān)強(qiáng)度圖；獲得沿光纖分布的應(yīng)變信息。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用形狀自適應(yīng)主成分分析BM3D去噪光頻域反射分布式應(yīng)變測(cè)量方法，應(yīng)用于光頻域反射。

背景技術(shù)

光纖傳感技術(shù)相比于其他傳統(tǒng)傳感技術(shù)來說具有很多優(yōu)勢(shì)，比如抗電磁干擾、耐腐蝕、高靈敏度和耐高低溫環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。利用光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力檢測(cè)在飛機(jī)蒙皮監(jiān)測(cè)、橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、周界安防監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的分布式光纖應(yīng)變傳感器有，布里淵光時(shí)域反射儀(BOTDR)和布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)，可以實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)空間分辨率，數(shù)十公里感應(yīng)范圍和靜態(tài)/動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。而光纖干涉儀傳感器，如MZI型和Sagnac環(huán)型，具有高靈敏度但低空間分辨率(通常為幾十米)。然而，以上的分布式光纖應(yīng)變傳感器最小可測(cè)量應(yīng)變通常限制在10με以上，并且不能夠保證在高空間分辨率、高應(yīng)變分辨率和長(zhǎng)距離的情況下實(shí)現(xiàn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

光頻域反射技術(shù)(Optical?Frequency?Domain?Reflectometry,OFDR)，作為分布式光纖傳感的一種，OFDR技術(shù)將光纖中的瑞利散射看作一種的隨機(jī)空間周期弱布拉格光柵，可用于分布式應(yīng)力、溫度傳感。在應(yīng)變傳感中，OFDR采用瑞利散射光譜互相關(guān)方法在空間分辨率1cm時(shí)，最小可測(cè)量應(yīng)變達(dá)到±1με。近年來，圖像去噪技術(shù)已逐漸應(yīng)用于光頻域反射分布式應(yīng)變測(cè)量中，以提高其性能，例如非局部均值(NLM)、小波去噪(WD)、高斯濾波等^[1,2]。這些方法利用了分布式光纖傳感系統(tǒng)所測(cè)量的多維信息具有較高的相似度和冗余度，在多維傳感信息中利用圖像去噪技術(shù)，提高了系統(tǒng)的信噪比，從而提高了測(cè)量精度。然而，這些濾波方式只是在空域或小波域的一種信號(hào)域中去噪，測(cè)量長(zhǎng)度較短。已知現(xiàn)有將圖像去噪算法引入光頻域反射分布式應(yīng)變測(cè)量研究中實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)的測(cè)量距離為52m，且這些研究主要集中在較大應(yīng)變測(cè)量條件下，其最小測(cè)量微應(yīng)變?yōu)?0με。

本專利提出了基于形狀自適應(yīng)主成分分析BM3D提升光頻域反射分布式應(yīng)變測(cè)量精度的方法。三維塊匹配濾波(BM3D)算法最早由Dabov等人提出^[3]，該方法通過捕獲二維相似圖像塊并且將他們組成三維矩陣，隨后對(duì)這個(gè)三維矩陣進(jìn)行空間域變換后進(jìn)行協(xié)同濾波，最后將處理后的圖像塊加權(quán)返回原來位置。這樣就使得在空域和頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)合濾波。Kostadin?Dabov等人隨后又對(duì)BM3D算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了形狀自適應(yīng)主成分分析三維塊匹配濾波算法(形狀自適應(yīng)主成分分析BM3D)^[4]。形狀自適應(yīng)主成分分析算法BM3D利用自適應(yīng)形狀鄰域的圖像塊和主成分分析的方式提升原先BM3D算法的去噪性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]S.Zhao,et?al.,“Accuracy?improvement?in?OFDR?based?distributed?sensingsystem?by?image?processing,”O(jiān)pt.,Lasers?Eng.,vol.124,p.105824,Jan.2020.

[2]S.Qu?et?al.,High?Spatial?Resolution?Investigation?of?OFDR?Basedon?Image?Denoising?Methods,IEEE?Sensors?Journal,vol.21,no.17,pp.18871-18876,1Sept.1,2021.