用于分布式光纤传感信号的降噪方法、系统及存储介质技术方案

本发明专利技术实施方式提供一种用于分布式光纤传感信号的降噪方法，属于光纤传感技术领域。所述降噪方法包括：获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的变化量的分布矩阵；基于预设的对应关系根据所述分布矩阵形成目标光纤在时间和距离上的温度分布以及目标光纤在时间和距离上的应变分布；采用ARI模型对所述温度分布进行建模以形成目标光纤的应变、温度的状态方程；根据所述对应关系形成所述目标光纤的应变、温度的观测方程；采用卡尔曼滤波算法对所述状态方程和所述观测方程进行求解；将求解的结果应用于对所述目标光纤的传感信号的降噪操作中。该降噪方法、系统及存储介质可以提高传感信号的精度。

Noise Reduction Method, System and Storage Medium for Distributed Optical Fiber Sensing Signals

【技术实现步骤摘要】
用于分布式光纤传感信号的降噪方法、系统及存储介质
本专利技术涉及光纤传感
，具体地涉及一种用于分布式光纤传感信号的降噪方法、系统及存储介质。
技术介绍
输电线路以及电力光缆除了要承载自身重量的机械力作用外，运行条件恶劣，不仅需要穿越高海拔、多积雪、重覆冰的地区，还会受到恶劣天气如大风、雷暴等环境因素的影响，在过去的几十年间，我国多地曾发生了因覆冰、舞动以及雷击等因素引起的输电架空线路跳闸或停运故障，影响了电力系统的安全稳定运行。针对电力传输线缆进行安全健康在线监测，及时发现故障并发出预警尤为重要。国内外传统的电力传输线路监测预警方案主要有人工巡检法、称重法，模拟导线法和图像监测法。但人工巡检法劳动强度大，成本高，检测结果与实际差距很大；称重法采用的拉力传感器存在非线性、蠕变、零点漂移等问题；模拟导线法中的模型在实际运行时不能完全区分是由风荷载还是冰荷载导致的拉力变化，无法反应不均匀覆冰现象；图像监测法的观测视场有限，且恶劣天气条件下的拍摄效果不理想，通常仅能够作为覆冰监测的辅助手段。光纤传感技术可以实现对应变、温度、振动等多种参量的测量，而这些参量与输电线路中常见的异常事件如覆冰、舞动、雷击等有着高度的关联性。与电子式传感器相比，光纤传感技术具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、绝缘、易于远距离遥测、便于组网、保密性好、重量轻可微型化等优点，使得光纤传感技术在工控环境较为恶劣的电力领域中获得广泛应用。在输电线路的监测中，目前主要使用的技术包括光纤布拉格光栅(FBG)传感器和分布式光纤传感器。FBG是通过测量FBG反射波长的变化，可以实现对应变、温度的测量，测量精度高、响应快，但需要在输电线路中进行专门的铺设，并用光纤将各个FBG传感器连接起来，施工复杂，同时可串联的FBG传感器数量十分有限，无法对线路全程进行连续监测。相对于点式光纤传感器，分布式光纤传感器通常基于光时域反射(OTDR)原理，向光纤中注入的脉冲光向前传输的过程中，在光纤各个位置不断产生后向散射光。光纤受到外界作用时，会引起散射光频率、功率、相位等参量的变化，通过在脉冲入射端检测背向散射光各种参量的变化，在整个光纤长度上对光纤任意一点进行测量，同时获取被测参量的空间分布状态和随时间变化的信息。BOTDR、POTDR等分布式光纤传感技术可利用输电线路中已有的通信光纤，与输电线路的连接十分方便，且可监测任意位置处的事件。输电线路监测常用的分布式光纤传感技术有布里渊光时域反射计(BOTDR)、偏振光时域反射计(POTDR)等。其中，BOTDR通过测量光纤中布里渊散射光的频率变化进行传感，可实现对光纤应变或温度的测量；POTDR通过测量光纤中瑞利散射光的偏振态变化进行传感，主要用于对光纤的振动情况进行传感。罗健斌等通过将专门设计的FBG应变传感器悬挂在导线和杆塔之间，通过测量输电线缆对应变传感器的下拉力来进行覆冰的测量。2009年，李成宾等提出了利用BOTDR测量的应变变化进行输电线缆覆冰监测。覃兆宇等人提出了基于BOTDR技术的覆冰识别系统，南京大学张旭苹团队成功利用自主开发的BOTDR系统对OPGW线缆在雷击放电后的温度变化进行了监测试验。龚庆武等提出了一种基于偏振态变化对雷击点进行定位的方法，通过检测OPGW内部光纤中传输光在雷击前后引起的偏振态变化来判定雷击点位置。分布式光纤传感技术在用于应变、温度等参数在线监测时，将传感的光信号转换为电信号进行解调得到的测量信号很弱，与输入信号功率相差20dB以上，因此需要采用后期数据处理方法来对测量数据进行变换处理，用于提高被测数据的信噪比，从而确保传感测量数据的真实可靠。BOTDR系统的数据采集与信号处理模块对斯托克斯和反斯托克斯双通道信号测量数据进行存储并累加处理，消除噪声从而获得微弱有用信号。目前常用的数据处理算法为线性累加平均算法、递推式平均算法、指数加权平均算法、小波变换和时间序列分析等。线性累加平均算法具有良好的信噪比提升效果，但是依赖需要N次累加获得平均值，采集次数大大增加。递推式平均算法在每次采样数据到来时，对上次平均结果进行更新，以获得新的平均结果，但是随着时间的推移，新的采样数据作用越来越小，不利于对时变信号跟踪处理。指数加权平均算法是将本次采样的平均结果表达为上次平均结果与新到来的采样数据的凸线性表达式，该方法依赖修正参数且对新数据赋予更多权重。小波变换去噪声正是利用有用信号和噪声在小波变换各尺度上的传播特性差异，抑制噪声并增强有用信号。
技术实现思路
本专利技术实施方式的目的是提供一种用于分布式光纤传感信号的降噪方法、系统及存储介质。该降噪方法、系统及存储介质可以降低分布式光纤传感信号中的噪声，提高分布式光纤传感信号的精度。为了实现上述目的，本专利技术实施方式提供一种用于分布式光纤传感信号的降噪方法，所述降噪方法包括：获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵，其中，所述布里渊散射光传感信号包括布里渊散射光频移和/或布里渊光功率的变化量；基于预设的对应关系根据所述分布矩阵形成目标光纤在时间和距离上的温度分布以及目标光纤在时间和距离上的应变分布；采用ARI模型对所述温度分布进行建模以形成目标光纤的应变、温度的状态方程；根据所述对应关系形成所述目标光纤的应变、温度的观测方程；采用卡尔曼滤波算法对所述状态方程和所述观测方程进行求解；将求解的结果应用于对所述目标光纤的传感信号的降噪操作中。可选地，所述获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵包括：预设BOTDR系统，其中，所述BOTDR系统包括：光源；第一光纤耦合器，第一端与所述光源连接；脉冲调制器，一端与所述第一光纤耦合器的第二端连接；环形器，第一端与所述脉冲调制器的另一端连接，第二端与所述目标光纤连接；第二光纤耦合器，第一端与所述第一光纤耦合器的第三端连接，第二端与所述环形器的第三端连接；光电探测器，一端与所述第二光纤耦合器的第三端连接；微波信号发生器；混频节点，第一端与所述光电探测器的另一端连接，第二端与所述微波信号发生器连接；数据采集与信号处理模块，与所述混频节点的第三端连接；通过所述数据采集与信号处理模块接收所述目标光纤的布里渊散射光传感信号。可选地，所述获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵包括：根据公式(1)构建所述分布矩阵，其中，M为接收探测光脉冲的数量，N为每个所述探测光脉冲包括的所述布里渊散射光传感信号的数量，xm,n为第m个所述探测光脉冲的第n个所述布里渊散射光传感信号，其中，1≤m≤M，1≤n≤N，VM×N为方差为的零均值高斯白噪声。可选地，所述对应关系包括公式(2)，其中，Δε为所述目标光纤的应变的变化值，ΔT为所述目标光纤的温度的变化值，为所述布里渊散射光频移的变化值，ΔPB为所述布里渊散射光功率的变化值，PB为布里渊散射光功率，Cνε为预设的所述布里渊散射光频移的应变系数，CνT为预设的所述布里渊散射光频移的温度系数，CPε为预设的布里渊散射光功率的应变系数，CPT为预设的布里渊散射光功率的温度系数，为布里渊散射光频移变化值的测量噪声，为布里渊散射光功率变化值的测量噪声。另一方面，本专利技术还提供一种用于分布式光纤传感信号的降噪系统，所述降噪系统包括处理器，所述处理器用于执行上述任一所述的降噪方法。再一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于分布式光纤传感信号的降噪方法，其特征在于，所述降噪方法包括：获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵，其中，所述布里渊散射光传感信号包括布里渊散射光频移和/或布里渊光功率的变化量；基于预设的对应关系根据所述分布矩阵形成目标光纤在时间和距离上的温度分布以及目标光纤在时间和距离上的应变分布；采用ARI模型对所述温度分布进行建模以形成目标光纤的应变、温度的状态方程；根据所述对应关系形成所述目标光纤的应变、温度的观测方程；采用卡尔曼滤波算法对所述状态方程和所述观测方程进行求解；将求解的结果应用于对所述目标光纤的传感信号的降噪操作中。

【技术特征摘要】
1.一种用于分布式光纤传感信号的降噪方法，其特征在于，所述降噪方法包括：获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵，其中，所述布里渊散射光传感信号包括布里渊散射光频移和/或布里渊光功率的变化量；基于预设的对应关系根据所述分布矩阵形成目标光纤在时间和距离上的温度分布以及目标光纤在时间和距离上的应变分布；采用ARI模型对所述温度分布进行建模以形成目标光纤的应变、温度的状态方程；根据所述对应关系形成所述目标光纤的应变、温度的观测方程；采用卡尔曼滤波算法对所述状态方程和所述观测方程进行求解；将求解的结果应用于对所述目标光纤的传感信号的降噪操作中。2.根据权利要求1所述的降噪方法，其特征在于，所述获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵包括：预设BOTDR系统，其中，所述BOTDR系统包括：光源；第一光纤耦合器，第一端与所述光源连接；脉冲调制器，一端与所述第一光纤耦合器的第二端连接；环形器，第一端与所述脉冲调制器的另一端连接，第二端与所述目标光纤连接；第二光纤耦合器，第一端与所述第一光纤耦合器的第三端连接，第二端与所述环形器的第三端连接；光电探测器，一端与所述第二光纤耦合器的第三端连接；微波信号发生器；混频节点，第一端与所述光电探测器的另一端连接，第二端与所述微波信号发生器连接；数据采集与信号处理模块，与所述混频节点的第三端连接；通过所述数据采...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鸿珍，赵建朋，刘俊毅，范超，章毅，吴慧，贺琛，由奇林，张明熙，贺家乐，蔡晴，吕玉祥，杨阳，稂龙亚，董亚文，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司信息通信分公司，国网浙江省电力有限公司，国家电网有限公司，安徽继远软件有限公司，国网信息通信产业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33