分布式光纤传感系统的同步降噪与扰动分类识别方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光脉冲回波联合优化表示模型的同步降噪与扰动分类识别方法，利用建立光脉冲回波联合优化表示模型实现回波信号与噪声的联合优化表示，在信号模型上提供了有用信号与噪声信号的可分性。随后利用联合优化求解算法，同时得到噪声矩阵与扰动特征矩阵的估计结果，实现噪声的同步抑制。最后，基于各类威胁特征建立对应的扰动类型字典，并通过估计得到的扰动特征矩阵与扰动类型字典进行匹配，从而确定扰动类型，实现对扰动的识别分类。大大降低了分布式光纤传感系统的系统复杂度，提升了信号处理速度。提升了信号处理速度。提升了信号处理速度。

【技术实现步骤摘要】
分布式光纤传感系统的同步降噪与扰动分类识别方法


[0001]本专利技术属于分布式光纤传感系统
，尤其是涉及一种分布式光纤传感系统的同步降噪与扰动分类识别方法。

技术介绍

[0002]光纤传感器凭借其不受电磁干扰、灵活性高以及容易组网的优势，在安防、监测与勘测领域中得到了广泛的应用。分布式光纤传感系统将光纤上的点均作为独立的传感单元，利用相位敏感(OTDR)技术，相比于传统的点式光纤传感系统，在测量范围、测量灵敏度以及响应能力上均有显著的提高。但同样的，分布式光纤传感系统的高灵敏度与快响应速度会造成系统对噪声与环境扰动的敏感性，因此在分布式光纤传感系统的信号处理过程中，噪声抑制往往作为预处理环节来处理，针对分布式光纤传感系统的噪声抑制方法也成为相关信号处理技术研究的重要环节。现有研究技术中，上述噪声抑制处理均作为扰动识别分类的前置环节，在系统层面上增加了系统的复杂度。
[0003]公告号为CN 110702149 A的专利技术专利公开了一种光纤分布式扰动传感系统扰动信号的定位方法，它包括以下步骤：S1、利用EMD的小波阈值降噪方法对背向瑞利散射光进行降噪处理获得降噪信号；S2、根据系统所采集数据的整体水平进行分段处理，确定不同距离范围段的报警阈值；S3、根据S1中获得的降噪信号和S2中设定的报警阈值，对扰动事件进行定位处理。其中涉及去除噪声信号的方法，但是，该方法利用EMD将信号分解成有限个由高频到低频的固有模态函数IMF分量，将降噪处理后的高频IMF分量、未经降噪处理的低频IMF分量和残余项进行信号重构，计算量大；并且该方法无法对威胁的扰动识别分类。本专利技术因此而来。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的
[0005]针对传统的降噪处理增加分布式光纤传感系统的系统复杂度与信号处理负担的技术问题，提出了一种分布式光纤传感系统的同步降噪与扰动分类识别方法，利用建立光脉冲回波联合优化表示模型实现回波信号与噪声的联合优化表示，在信号模型上提供了有用信号与噪声信号的可分性。随后利用联合优化求解算法，同时得到噪声矩阵与扰动特征矩阵的估计结果，实现噪声的同步抑制。最后，基于各类扰动特征建立对应的扰动类型字典，并通过估计得到的扰动特征矩阵与扰动类型字典进行匹配，从而确定威胁类型，实现对威胁的识别分类。大大降低了分布式光纤传感系统的系统复杂度，提升了信号处理速度。
[0006]本专利技术所采用的技术方案
[0007]一种分布式光纤传感系统的降噪方法，包括以下步骤：
[0008]S01：对光脉冲回波建立回波信号与噪声信号的联合优化表示模型；
[0009]S02：利用联合优化求解算法，将噪声矩阵N进行分离，估计得到扰动特征矩阵；
[0010]S03：得到剔除噪声后的信号。
[0011]优选的技术方案中，所述步骤S01的联合优化表示模型为由L个回波光脉冲组成的联合回波矩阵：
[0012]R＝[P
1T
,P
2T
,
…
,P
LT
]T
[0013]其中，[
·
]T
表示向量与矩阵的转置，P
i
表示第i个回波光脉冲对应的采样瑞利曲线；
[0014]在存在各类背景噪声与环境威胁引起的各类扰动的情况下，联合回波矩阵为在秩为1的理想矩阵上，分别叠加了由威胁扰动引起的分量矩阵与各类背景噪声引起的噪声矩阵，即表示为：
[0015]R＝S+J+N
[0016]其中，S为共性特征矩阵，J为扰动特征矩阵，N为噪声矩阵。
[0017]优选的技术方案中，所述共性特征矩阵S的秩为1，扰动特征矩阵J具有稀疏特性，噪声矩阵N具有随机特性。
[0018]优选的技术方案中，所述步骤S02中联合优化求解算法包括：
[0019]S21：构建如下的联合优化问题：
[0020][0021]其中，||
·
||0表示l0范数，||
·
||
*
表示核范数，||
·
||
F
表示Frobenius范数，β为拉格朗日乘子变量，ε为噪声约束参数；
[0022]S22：对所述构建的联合优化问题进行求解，包括：
[0023]S221：初始化待估计过程变量矩阵S
(0)
＝R，J
(0)
＝0，迭代计数变量t＝0；
[0024]S222：令迭代终止参量为ζ，S
(t)
与J
(t)
分别为当前第t次迭代对应的过程变量矩阵，则当满足时，令迭代计数变量t＝t+1，并进行后续步骤，反之则终止迭代，估计得到扰动特征矩阵J和共性特征矩阵S；
[0025]S223：计算过渡矩阵其中q为收敛参数；
[0026]S224：构造随机矩阵Φ与随机矩阵Λ，分别计算过渡矩阵的正向投影矩阵H与逆向投影矩阵M：
[0027][0028]S225：分别对上述投影矩阵进行QR分解，得到H＝Q
H
R
H
，M＝Q
M
R
M
；其中，Q
H
、Q
M
为正交矩阵，R
H
、R
M
为非奇异上三角矩阵；
[0029]S226：计算
[0030]S227：计算J
(t)
＝P
Ω
(R
‑
S
(t)
)，其中P
Ω
(
·
)表示由对象中大于稀疏判决阈值κ的非零元素组成的稀疏子集；跳转至步骤S222继续进行迭代。
[0031]本专利技术还公开了一种分布式光纤传感系统的扰动分类识别方法，包括以下步骤：
[0032]S01：对光脉冲回波建立回波信号与噪声信号的联合优化表示模型；
[0033]S02：利用联合优化求解算法，将噪声矩阵N进行分离，估计得到扰动特征矩阵；
[0034]S04：基于各类扰动特征建立对应的扰动类型字典；
[0035]S05：将估计得到的扰动特征矩阵与扰动类型字典进行匹配，得到扰动识别分类。
[0036]优选的技术方案中，所述步骤S04中建立对应的扰动类型字典的方法包括：
[0037]S41：对各类威胁扰动事件χ
i
进行时域变换投影，得到时域瑞利扰动训练样本ψ(χi)；
[0038]S42：将训练过程中穷举的M个可能的威胁扰动事件对应的时域瑞利训练样本进行整理，得到扰动类型字典：
[0039]Ψ＝[ψ(χ1)，ψ(χ2)，
…
ψ(χ
M
)]。
[0040]优选的技术方案中，所述步骤S05中匹配方法包括：
[0041]S51：令为由扰动特征矩阵J中各非零行向量组成的扰动特征子矩阵，得到：
[0042][0043]其中，Θ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布式光纤传感系统的降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：对光脉冲回波建立回波信号与噪声信号的联合优化表示模型；S02：利用联合优化求解算法，将噪声矩阵N进行分离，估计得到扰动特征矩阵；S03：得到剔除噪声后的信号。2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统的降噪方法，其特征在于，所述步骤S01的联合优化表示模型为由L个回波光脉冲组成的联合回波矩阵：其中，[
·
]
T
表示向量与矩阵的转置，P
i
表示第i个回波光脉冲对应的采样瑞利曲线；在存在各类背景噪声与环境威胁引起的各类扰动的情况下，联合回波矩阵为在秩为1的理想矩阵上，分别叠加了由威胁扰动引起的分量矩阵与各类背景噪声引起的噪声矩阵，即表示为：R＝S+J+N其中，S为共性特征矩阵，J为扰动特征矩阵，N为噪声矩阵。3.根据权利要求2所述的分布式光纤传感系统的降噪方法，其特征在于，所述共性特征矩阵S的秩为1，扰动特征矩阵J具有稀疏特性，噪声矩阵N具有随机特性。4.根据权利要求2所述的分布式光纤传感系统的降噪方法，其特征在于，所述步骤S02中联合优化求解算法包括：S21：构建如下的联合优化问题：min(||J||0+β||S||
*
)其中，||
·
||0表示l0范数，||
·
||
*
表示核范数，||
·
||
F
表示Frobenius范数，β为拉格朗日乘子变量，ε为噪声约束参数；S22：对所述构建的联合优化问题进行求解，包括：S221：初始化待估计过程变量矩阵S
(0)
＝R，J
(0)
＝0，迭代计数变量t＝0；S222：令迭代终止参量为ζ，S
(t)
与J
(t)
分别为当前第t次迭代对应的过程变量矩阵，则当满足时，令迭代计数变量t＝t+1，并进行后续步骤，反之则终止迭代，估计得到扰动特征矩阵J和共性特征矩阵S；S223：计算过渡矩阵S223：计算过渡矩阵其中q为收敛参数；S224：构造随机矩阵Φ与随机矩阵Λ，分别计算过渡矩阵的正向投影矩阵H与逆向投影矩阵M：S225：分别对上述投影矩阵进行QR分解，得到H＝Q
H
R
H
，M＝Q
M
R
M
；其中，Q
H
、Q
M
为正交矩阵，R
H
、R
M
为非奇异上三角矩阵；S226：计算
S227：计算J
(t)
＝P
Ω
(R
‑
S
(t)
)，其中P
Ω
(
·
)表示由对象中大于稀疏判决阈值κ的非零元素组成的稀疏子集；跳转至步骤S222继续进行迭代。5.一种分布式光纤传感系统的扰动分类识别方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：对光脉冲回波建立回波信号与噪声信号的联合优化表示模型；S02：利用联合优化求解算法，将噪声矩阵N进行分离，估计得到扰动特征矩阵；S04：基于各类扰动特征建立对应的扰动类型字典；S05：将估计得到的扰动特征矩阵与扰动类型字典进行匹配，得到扰动识别分类。6.根据权利要求5所述的分布式光纤传感系统的扰动分类识别方法，其特征在于，所述步骤S04中建立对应的扰动类型字典的方法包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉申，许人东，陶宇，胥国祥，石明强，滕诣迪，
申请(专利权)人：江苏亨通海洋光网系统有限公司，
类型：发明
国别省市：