基于多域压缩感知的phi-OTDR信号测量和抑噪方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多域压缩感知的phi

【技术实现步骤摘要】
基于多域压缩感知的phi
‑
OTDR信号测量和抑噪方法


[0001]本专利技术涉及分布式传感光纤测量
，具体而言涉及一种基于多域压缩感知的phi
‑
OTDR信号测量和抑噪方法和装置。

技术介绍

[0002]相位敏感型光时域反射计(φ
‑
OTDR)是分布式光纤传感器的一种，其特点是利用相位对外部扰动的高灵敏度，探测并定位待测光纤上的振动事件，根据振动事件的强度与频率等信息实时识别电缆与管线是否有异常振动发生。
[0003]以为代表的分布式光纤振动传感系统具有传感距离长、测频范围宽、等效传感节点密集等特点，造成其在空间域、频率域等多个维度上产生显著的数据膨胀。按照经典的奈奎斯特采样定律，的探测光脉冲重复频率应高于待检测振动信号最高频率分量的2倍，考虑到抗混叠和动态范围需求，工程中常取5
‑
10倍的过采样，由此经典的奈奎斯特采样定律造成了测量复杂度几何攀升的窘境，大大提升了系统数据处理压力，同时也限制了高频测量时所能够覆盖的最大传感距离。而现实场景下的待观测振动场信息在空间和频率的分布上通常均具有稀疏特性，造成事实上的数据冗余。
[0004]同时，当传感系统注入光纤的探测光具有高度相干性时，其沿光纤传播时产生的RBS强度将呈现剧烈的随机起伏，且统计上符合瑞利分布。这就造成在空间上总有部分位置处的RBS强度处于相干相消状态，淹没于噪声本底之中，无法保证相位解调结果的质量，产生所谓的“相干衰落噪声”问题。在分析扰动区域前后两个位置的相位差变化以实现对外部扰动作用在光纤上的应变大小的定量测量时，如果两个参考位置中任意一处的RBS幅度具有较差的信噪比时，那么实际获得的相位解调结果将是不准确的。
[0005]为此，部分研究人员将压缩感知引入了分布式振动传感检测过程。由于压缩感知关注的是如何利用信号本身所具有的稀疏性，从部分观测样本中恢复原始信号，通常认为压缩感知分为感知测量和重构恢复两个阶段，感知测量关注的是如何对原始信号进行处理以获得稀疏样本表示，重构恢复关注的是如何基于稀疏性从少量的观测中复原信号。例如专利号为CN111609916A的专利技术中公开了一种基于压缩感知的OFDR分布式振动传感检测方法，包括步骤如下：S1.确定与所需要的振动信号相对应的观测矩阵Φ；S2.确定与观测矩阵Φ相对应的观测向量y；S3.利用离散傅里叶变换矩阵得出信号的稀疏矩阵Ψ；S4.利用正交匹配追踪算法对采集到的数据进行信号重构及频率恢复；S5.通过傅里叶变换，将信号由时域变换到频域，进而得到信号频率。其优点在于，不仅节省了大量的数据存储空间，还保证了运行速率的提升，大大降低了信号的存储空间及运行速率。但是由于其涉及需要满足奈奎斯特定律的高采样率，使得分布式光纤振动传感系统在空间域和频率域等维度上仍然存在数据膨胀问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种基于多域压缩感知的phi
‑
OTDR信号测量
和抑噪方法和装置，以激光器调频结合时间维度上的随机采样，构建满足等距约束性条件的二维观测矩阵，在基本保证原信号特征的情况下，显著压缩数据总量，重构目标信号，从而实现传感过程的高效率与低噪声，降低传感系统的硬件成本与软件开销。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术实施例提出了一种基于多域压缩感知的phi
‑
OTDR信号测量和抑噪方法，所述方法包括：
[0009]S1，在整个测量时刻生成若干个不同频率的探测脉冲光，在不同测量时刻其探测脉冲光的频率选择都是随机独立的；
[0010]S2，使用数据采集卡接收多个探测脉冲光，利用压缩感知原理在多个域上对不同频率的探测脉冲光进行随机亚采样，构建满足等距约束性条件的二维观测矩阵；
[0011]S3，在空间域上对二维观测矩阵进行压缩感知，通过对瑞利散射在空间上的局部强度峰值的优选与跟踪，选择合适的亚采样点；
[0012]S4，在频率域上对二维观测矩阵进行压缩感知，依据采样的周期延拓特性，对目标频率点进行估计；
[0013]S5，对压缩感知的信号进行重构，采用正交匹配追踪算法和枚举反推法，还原目标信号。
[0014]可选的，步骤S1中，生成多个不同频率的探测脉冲光的过程包括以下步骤：
[0015]S11，将偏振器的输入端与激光器的输出端相连，使激光器发出的激光经不同偏振器后产生不同的脉冲光；
[0016]S12，对偏振器进行多次调节，利用高相干度瑞利背向散射强度在空间上自然形成的随机分布特性，以激光器调频结合时间维度上的随机采样，对采样数据进行随机选取，以得到多个不同频率的探测脉冲光。
[0017]可选的，步骤S3中，在空间域上对二维观测矩阵进行压缩感知，通过对瑞利散射在空间上的局部强度峰值的优选与跟踪，选择合适的亚采样点是指，
[0018]利用稳态振动信号的相位均匀分布原理，在满足等距约束性条件的二维观测矩阵基础上，选择不同探测脉冲光的局部最优峰值进行相位解调。
[0019]可选的，步骤S5中，对压缩感知的信号进行重构，采用正交匹配追踪算法和枚举反推法，还原目标信号是指：
[0020]在空间域上，采用峰值鉴相策略规避相干衰落的影响，以及基于改进型的正交匹配追踪算法，解决欠定方程组求解问题；在频率域上，采用若干次欠采样方式对待检测的振动信号进行选取，再采用同归枚举反推法恢复信号的特征频率点。
[0021]可选的，所述峰值鉴相策略包括：
[0022]仅选取幅度高于阈值且为[
‑
D，+D]范围内最大值的局部峰值点进行后续的相位差分计算，D是传统鉴相点选取间距；并且峰值鉴相所获得的空间分辨率大于等于D，且在距离轴上是不均匀的。
[0023]可选的，所述采用峰值鉴相策略规避相干衰落的影响，以及基于改进型的正交匹配追踪算法，解决欠定方程组求解问题的过程包括以下步骤：
[0024]假设光纤全线希望获得以D为间距的鉴相结果为：X＝[x1,x2,x3,x4…
x
n
]T
；
[0025]利用主动的激光器调频，获得n组不同的局部峰值组合，且这一不等间距的观测结
果为：Y＝[y1,y2,y3,y4…
y
m
]T
，得到Y＝MX，其中，M是由相邻的局部峰值间距决定的m
×
n的二维观测矩阵；
[0026]获取M的广义逆矩阵M
‑1，以m次测量获得对n维向量X的估计结果为：
[0027]M
‑1Y＝M
‑1MX＝X
[0028]式中，m<n。
[0029]第二方面，本专利技术实施例提出了一种基于多域压缩感知的phi
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OTDR信号测量和抑噪装置，所述装置包括探测脉冲光生成模块、矩阵构建模块、空间域压缩感知模块、频率域压缩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多域压缩感知的phi
‑
OTDR信号测量和抑噪方法，其特征在于，所述方法包括：S1，在整个测量时刻生成若干个不同频率的探测脉冲光，在不同测量时刻其探测脉冲光的频率选择都是随机独立的；S2，使用数据采集卡接收多个探测脉冲光，利用压缩感知原理在多个域上对不同频率的探测脉冲光进行随机亚采样，构建满足等距约束性条件的二维观测矩阵；S3，在空间域上对二维观测矩阵进行压缩感知，通过对瑞利散射在空间上的局部强度峰值的优选与跟踪，选择合适的亚采样点；S4，在频率域上对二维观测矩阵进行压缩感知，依据采样的周期延拓特性，对目标频率点进行估计；S5，对压缩感知的信号进行重构，采用正交匹配追踪算法和枚举反推法，还原目标信号。2.根据权利要求1所述的基于多域压缩感知的phi
‑
OTDR信号测量和抑噪方法，其特征在于，步骤S1中，所述在整个测量时刻生成若干个不同频率的探测脉冲光的过程包括以下步骤：S11，将偏振器的输入端与激光器的输出端相连，使激光器发出的激光经不同偏振器后产生不同的脉冲光；S12，对偏振器进行多次调节，利用高相干度瑞利背向散射强度在空间上自然形成的随机分布特性，以激光器调频结合时间维度上的随机采样，对采样数据进行随机选取，以得到多个不同频率的探测脉冲光。3.根据权利要求1所述的基于多域压缩感知的phi
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OTDR信号测量和抑噪方法，其特征在于，步骤S3中，在空间域上对二维观测矩阵进行压缩感知，通过对瑞利散射在空间上的局部强度峰值的优选与跟踪，选择合适的亚采样点是指，利用稳态振动信号的相位均匀分布原理，在满足等距约束性条件的二维观测矩阵基础上，选择不同探测脉冲光的局部最优峰值进行相位解调。4.根据权利要求1所述的基于多域压缩感知的phi
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OTDR信号测量和抑噪方法，其特征在于，步骤S5中，对压缩感知的信号进行重构，采用正交匹配追踪算法和枚举反推法，还原目标信号是指：在空间域上，采用峰值鉴相策略规避相干衰落的影响，以及基于改进型的正交匹配追踪算法，解决欠定方程组求解问题；在频率域上，采用若干次欠采样方式对待检测的振动信号进行选取，再采用同归枚举反推法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张益昕，姚媛媛，张旭苹，邹宁睦，王顺，张驰，王峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：