[發明專利]分布式光纖傳感系統的遠端擾動特征提取方法及系統

在審

• 申請號: 202210637622.X
• 申請日: 2022-06-07
• 公開（公告）號: CN114861737A
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 劉玉申;許人東;陶宇;胥國祥;石明強;滕詣迪
• 申請（專利權）人: 常熟理工學院;江蘇亨通海洋光網系統有限公司
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 張勵

1.一種分布式光纖傳感系統的遠端擾動特征提取方法，其特征在于，包括以下步驟：

S01：對光纖信道內信號瑞利散射譜的距離維區間進行劃分，并針對各區間建立相應的字典學習模型，對原有的字典進行學習觀測形成多態等效字典；

S02：基于多態等效字典，建立在多態等效字典級聯下的聯合稀疏表示模型，形成多回波散射譜的聯合稀疏表示；

S03：構建基于多態級聯字典的聯合優化重構算法，提取遠端擾動信號特征。

2.根據權利要求1所述的分布式光纖傳感系統的遠端擾動特征提取方法，其特征在于，所述步驟S01中形成多態等效字典的方法包括：

S11：針對所有的探測距離構造一個本征特征字典：

Ψ＝[ψ₁,ψ₂,…,ψ_L]；

其中，ψ_l表示在第l個探測距離上的單位響應；

得到基態譜表示為：

其中，η為基態特征系數；

S12：針對第n個擾動事件ζ_n，其擾動特征空間為其擾動特征互補空間為基于得到對應的特征系數向量為：

其中，η_l與分別表示η和的第l個元素；

S13：針對擾動事件ζ_n，構建擾動模態觀測矩陣：

其中，diag(z)表示以向量z為對角元素構成矩陣，β⁽ⁿ⁾為權系數向量；

S14：基于上述擾動模態觀測矩陣，對本征特征字典進行學習觀測，形成擾動事件ζ_n所對應的模態字典：

Ψ⁽ⁿ⁾＝Φ⁽ⁿ⁾Ψ；

將所有擾動事件N所對應的模態字典與本征特征字典進行級聯組合，得到多態等效字典：

3.根據權利要求1或2所述的分布式光纖傳感系統的遠端擾動特征提取方法，其特征在于，所述步驟S02中形成多回波散射譜的聯合稀疏表示的方法包括：

將M個回波光脈沖組成的聯合回波矩陣表示為：

其中，P_i表示第i個回波光脈沖對應的采樣瑞利曲線，[·]^T表示向量與矩陣的轉置；

基于多態等效字典，得到聯合回波矩陣的聯合稀疏表示模型為：

其中，Θ為聯合特征矩陣，同時也是一個列稀疏矩陣，其非零列表征了相應多態字典所對應的擾動事件。

4.根據權利要求3所述的分布式光纖傳感系統的遠端擾動特征提取方法，其特征在于，所述步驟S03中提取遠端擾動信號特征的方法包括：

S31：對聯合回波矩陣進行向量化得到r＝vec(R)，進而得到擴展聯合稀疏表示：

r＝Γθ

其中，表示維度為(N+1)×(N+1)的單位陣，表示克羅內克積，θ為重構特征向量；

S32：初始化重構特征向量θ⁽⁰⁾＝0，殘差ε⁽⁰⁾＝r；索引集設置終止迭代門限ξ；t＝1，Θ₀為空矩陣；

S33：將Γ中各模態字典Ψ⁽ⁿ⁾與第l列抽取組成字矩陣Γ^l，將每個Γ^l,l＝1,2…L與殘差ε相乘，找出積為最大值所對應的索引為λ_t，即

S34：更新索引集Λ_t＝Λ_t-1∪{λ_t}，記錄找到的多態等效字典中與殘差相關度最高的列組合，并重建原子集合為Υ_t＝[Υ_t-1,Γ^l]；

S35：求解得到θ^(t)＝argmin||r-Υ_tθ^(t)||₂，更新殘差ε^(t)＝r-Υ_tθ^(t)，t＝t+1；

S36：判斷殘差ε^(t)是否小于ξ，如是，則迭代停止，輸出重構特征向量θ；反之，則跳轉至步驟S33繼續執行；

S37：由重構特征向量θ重構得到聯合特征矩陣Θ。