一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法及其终端技术方案

本发明专利技术公开一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法，包括以下步骤：S1、采集布里渊增益谱，进行二维变分模态分解和重构；S2、经过时隙差分进行谱型校正，将畸变的布里渊增益谱校正为洛伦兹谱型；S3、基于数据模型从校正后的布里渊增益谱提取温度信息。实现降噪、谱型校正、温度信息提取三个功能，克服传统拟合算法存在的测量精度差、处理时间长的缺点。处理时间长的缺点。处理时间长的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法及其终端


[0001]本专利技术涉及信号处理
，特别是涉及一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法及其终端。

技术介绍

[0002]基于布里渊散射的分布式光纤传感系统具有传感动态范围大、监测距离长以及连续分布式测量等众多优点，广泛用于桥梁、输油管道和输电线路等领域的健康状态诊断。布里渊光时域分析系统(BOTDA)依据布里渊频移与温度/应变的函数关系实现光纤沿线监测，因此，准确获取布里渊频移十分重要。长距离布里渊光时域传感系统容易受到非本地效应的影响，其布里渊增益谱将产生畸变。当传感信号畸变且信噪比较低时，常规的信号处理方法存在测量精度差、去噪性能不足、丢失谱型细节、处理时间长等问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是：针对传感信号畸变且信噪比较低的情况，提供一种布里渊光时域传感系统的信号处理方法及其终端，提高对光纤沿线温度信息的测量精度。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的一种技术方案为：
[0005]一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法，包括以下步骤：
[0006]S1、采集布里渊增益谱，进行二维变分模态分解和重构；
[0007]S2、经过时隙差分进行谱型校正，将畸变的布里渊增益谱校正为洛伦兹谱型；
[0008]S3、基于数据模型从校正后的布里渊增益谱提取温度信息。
[0009]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的另一种技术方案为：
[0010]一种布里渊光时域分析系统的信号处理终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法中的各个步骤。
[0011]本专利技术的有益效果在于：提供一种布里渊光时域传感系统的信号处理方法及其终端，实现降噪、谱型校正、温度信息提取三个功能，使信噪比提升的同时保持布里渊增益谱图像信号的边缘特征；使畸变的布里渊增益谱经时隙差分的谱型校正处理后，呈现良好的洛伦兹形状，有助于提高温度提取精度；且基于数据模型直接提取光纤沿线的温度信息，克服了传统拟合算法存在的测量精度差、处理时间长的缺点。
附图说明
[0012]图1为本专利技术实施例的一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法的单模光纤受激布里渊散射示意图；
[0013]图2为本专利技术实施例的一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法的降噪流程图；
[0014]图3为本专利技术实施例的一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法的优化流程图；
[0015]图4为本专利技术实施例的一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法的总流程图；
[0016]图5为本专利技术实施例的一种布里渊光时域分析系统的信号处理终端的架构图。
具体实施方式
[0017]为详细说明本专利技术的
技术实现思路
、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
[0018]请参照图1至图4，本专利技术实施例提供了一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法，包括以下步骤：
[0019]S1、采集布里渊增益谱，进行二维变分模态分解和重构；
[0020]S2、经过时隙差分进行谱型校正，将畸变的布里渊增益谱校正为洛伦兹谱型；
[0021]S3、基于数据模型从校正后的布里渊增益谱提取温度信息。
[0022]从上述描述可知，本专利技术的有益效果在于：提供一种布里渊光时域传感系统的信号处理方法，实现降噪、谱型校正、温度信息提取三个功能，使信噪比提升的同时保持布里渊增益谱图像信号的边缘特征；使畸变的布里渊增益谱经时隙差分的谱型校正处理后，呈现良好的洛伦兹形状，有助于提高温度提取精度；且基于数据模型直接提取光纤沿线的温度信息，克服了传统拟合算法存在的测量精度差、处理时间长的缺点。
[0023]进一步，步骤S1中所述采集布里渊增益谱具体为：
[0024]获取BOTDA系统通过扫频得到光纤沿线的m组一维布里渊增益谱信号，所述一维布里渊增益谱信号为m列n行的二维矩阵M，所述矩阵M包含光纤各个位置处的局部布里渊增益谱：
[0025][0026]式中，f(v
i
,z
j
)(1≤i≤m,1≤j≤n)表示第i个扫频频率点、光纤长度范围内第j个采样点处的布里渊增益谱。
[0027]由上述描述可知，对应不同扫描频率，BOTDA系统能够获得光纤沿线各空间位置点的一维布里渊增益曲线，将扫频获得的二维布里渊增益谱信号分解为多个子模态，则各模态中心频率不同，即采集的布里渊增益谱可看作是随频率与距离分布的二维信号。
[0028]进一步地，步骤S1中所述进行二维变分模态分解和重构具体为：
[0029]将f(v
i
,z
j
)(1≤i≤m,1≤j≤n)设为f(x)，设其约束变分模型为：
[0030][0031][0032]式中，u
k
＝{u1,u2,
…
,u
k
}为分解的K个模态函数，w
k
＝{w1,w2,
…
,w
k
}为对应的中心
频率；
[0033]引入二次惩罚因子和拉格朗日乘子λ，并利用交替方向乘子法对所述约束变分模型进行优化，得到非约束问题
‑
扩展的拉格朗日函数：
[0034][0035]交替更新直到满足时，迭代停止并输出各个IMF分量：
[0036][0037][0038][0039]式中，τ为残差，和分别代表u
k
和w
k
的频域性质；
[0040]将分解获得的各个IMF分量进行组合得到重构的信号。
[0041]由上述描述可知，重构的信号去除了原始信号的噪声成分，具有良好的信噪比。
[0042]进一步地，步骤S1中还包括针对信噪比较低的信号通过变换域降噪处理，具体为：
[0043]S101、输入BOTDA系统采集的含噪二维布里渊增益谱信号，设置分解层数的初始值为2；
[0044]S102、设置相关系数筛选阈值为0.3，计算当前值下模态分解的IMF1与原信号的相关系数，判断IMF1与原信号的相关系数是否大于阈值，当大于阈值时，则K＝K
‑
1即为最佳分解个数，否则K＝K+1并继续执行步骤S102；
[0045]S103、采用步骤S102确定的值执行分解过程，得到个模态信号并将其重构。
[0046]由上述描述可知，利用相关系数将低频与高频部分分离，使用低频部分重构即可得到降噪后的二维布里渊增益谱信号。
[0047]进一步地，步骤S2具体为：
[0048]设降噪后的布里渊增益谱为M
’
：
[0049][0050]从未携带受激布里渊散射信息的时隙光谱数据中任意选取一行，记为C：
[0051]C＝[F(v1)F(v2)<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采集布里渊增益谱，进行二维变分模态分解和重构；S2、经过时隙差分进行谱型校正，将畸变的布里渊增益谱校正为洛伦兹谱型；S3、基于数据模型从校正后的布里渊增益谱提取温度信息。2.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法，其特征在于，步骤S1中所述采集布里渊增益谱具体为：获取BOTDA系统通过扫频得到光纤沿线的m组一维布里渊增益谱信号，所述一维布里渊增益谱信号为m列n行的二维矩阵M，所述矩阵M包含光纤各个位置处的局部布里渊增益谱：式中，f(v
i
,z
j
)(1≤i≤m,1≤j≤n)表示第i个扫频频率点、光纤长度范围内第j个采样点处的布里渊增益谱。3.根据权利要求2所述的一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法，其特征在于，步骤S1中所述进行二维变分模态分解和重构具体为：将f(v
i
,z
j
)(1≤i≤m,1≤j≤n)设为f(x)，设其约束变分模型为：)(1≤i≤m,1≤j≤n)设为f(x)，设其约束变分模型为：式中，u
k
＝{u1,u2,
…
,u
k
}为分解的K个模态函数，w
k
＝{w1,w2,
…
,w
k
}为对应的中心频率；引入二次惩罚因子和拉格朗日乘子λ，并利用交替方向乘子法对所述约束变分模型进行优化，得到非约束问题
‑
扩展的拉格朗日函数：交替更新直到满足时，迭代停止并输出各个IMF分量：
式中，τ为残差，和分别代表u
k
和w
k
的频域性质；将分解获得的各个IMF分量进行组合得到重构的信号。4.根据权利要求3所述的一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法，其特征在于，步骤S1中还包括针对信噪比较低的信号通过变换域降噪处理，具体为：S101、输入BOTDA系统采集的含噪二维布里渊增益谱信号，设置分解层数的初始值为2；S102、设置相关系数筛选阈值为0.3，计算当前值下模态分解的IMF1与原信号的相关系数，判断IMF1与原信号的相关系数是否大于阈值，当大于阈值时，则K＝K
‑
1即为最佳分解个数，否则K＝K+1并继续执行步骤S102；S103、采用步骤S102确定的值执行分解过程，得到个模态信号并将其重构。5.根据权利要求1所述的一种布里渊光时域分析系统的信号处理方法，其特征在于，步骤S2具体...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐元春，林文钦，周钊正，张林垚，陈世春，罗富财，冷正龙，夏炳森，李翠，陈力，游敏毅，
申请(专利权)人：国网福建省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：