基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法和装置，方法包括以下步骤：获取光纤传感数据，进行解调，得到相位数据，该相位数据包括光纤上多个位置处的相位变化信号；对相位数据中的各个位置信号分别进行相位解卷绕，然后进行重采样，获取各个位置的相位解卷绕数据；根据相位解卷绕数据的信号变化量，确定畸变点；根据畸变点的分布确定畸变点的类型，可分为尖峰畸变点、连续台阶畸变点和单次畸变点，从而进行对应的修正处理，然后再经去趋势操作，输出修正后的相位信号。与现有技术相比，本发明专利技术可实时有效修正复杂情况下的相位错误，抑制衰落噪声，提升信噪比。提升信噪比。提升信噪比。

【技术实现步骤摘要】
基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法和装置


[0001]本专利技术涉及相位错误抑制
，尤其是涉及基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法和装置。

技术介绍

[0002]基于光时域反射仪（OTDR）的分布式声波传感（DAS）技术已经被广泛应用于管道健康监测、轨道交通监测、周界入侵监测和水下环境监测等各种领域。其利用激光器向光纤中注入窄线宽的探测脉冲，由于光纤中折射率呈不均匀分布而形成随机的散射点，因此光脉冲在向前传播过程中会产生背向瑞利散射信号（RBS）。外界的扰动会导致光纤的折射率和长度发生变化，从而引起 RBS 的强度和相位发生变化。其中，RBS 的相位延迟的变化量与扰动的强度成正比关系，故可实现定量监测及事件识别的相位敏感光时域反射仪（φ
‑
OTDR）被广泛应用。
[0003]尽管 φ
‑
OTDR 具有灵敏度高、传感范围长、不受电磁干扰和分布式传感等多种优点，但是其也面临一些挑战。其中普遍存在且影响不容忽视的难题之一为衰落问题。在φ
‑
OTDR 系统中，每一时刻返回的 RBS 其实是光纤上某一段长度为距离分辨率的光纤段上所有散射点的 RBS 的叠加，而 RBS 具有随机性，导致测量得到的 RBS 也具有随机性，即呈瑞利分布。另一方面，散射信号的偏振态也具有随机性，这两个因素共同作用，导致 RBS 的强度会随机上下摆动，因此会随机存在多个 RBS 强度值极小的位置。在这些位置处，信号功率极小，故系统噪声（主要为光电探测中的强度噪声）会严重干扰相位解调的过程，导致相位解调错误，对于常用的相位解调方法，解调结果为卷绕的相位，还需利用相位解卷绕算法来得到真实相位，而相位解调错误会导致相位解卷绕错误，产生接近于2π弧度的错误跳变，甚至造成大幅相位误差积累。相位错误会干扰后续目标定位、识别等任务的正确执行，因此如何切实有效的修正甚至消除这些相位错误是亟待解决的问题。
[0004]目前已有的相位噪声抑制方法主要可分为两类：硬件增强方法与信号处理方法。在硬件层面，可以通过对探测脉冲进行编码、同时利用不同频率的探测脉冲、使用散射增强光纤等方法抑制衰落噪声引起的相位错误，但这类方法会增加系统的硬件成本及复杂度。在信号处理层面，研究学者提出了一些基于机器学习及深度学习的去噪方法，但这类方法普遍需要配对的干净信号和含噪信号，而在现实环境中难以获取比较干净的传感信号，且通过仿真生成干净数据又需要对实验环境进行建模，难度较大且难以保证与现实条件相符。此外，也有研究学者提出了基于变化点检测的相位错误抑制方法，但其处理规则单一，只适用于简单信号。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在实现难度高、或处理规则单一，只适用于简单信号的缺陷而提供一种基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法和装置，设计更加鲁棒的相位错误修正方法，使其可通过信号处理的方式处理复杂信号中可
能的相位错误。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法，包括以下步骤：获取光纤传感数据，进行解调，得到相位数据，该相位数据包括光纤上多个位置处的相位变化信号；对所述相位数据中的各个位置信号分别进行相位解卷绕，然后进行重采样，获取各个位置的相位解卷绕数据；根据所述相位解卷绕数据的信号变化量，确定畸变点；根据畸变点的分布确定畸变点的类型，从而进行对应的修正处理。
[0007]进一步地，所述畸变点的确定过程包括：对所述相位解卷绕数据中的各个信号点进行差分计算，得到差分信号，根据差分信号中各个数值的离散程度，确定相位解卷绕数据中的畸变点。
[0008]进一步地，确定的所述畸变点类型包括尖峰畸变点，该尖峰畸变点的确定过程包括：在所有确定的畸变点中搜索畸变点对，该畸变点对的搜索过程为：若存在畸变点S
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(i)以及畸变点S
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(j+1)，满足时刻与时刻的时间间隔低于预设的尖峰畸变相邻阈值，则(S
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(i)，S
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(j))构成畸变点对；若存在畸变点对(S
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(i)，S
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(j))，满足S
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(i
‑
1)信号值与S
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(j+1)信号值的差值的绝对值小于预设的尖峰畸变阈值，则为尖峰畸变点对。
[0009]进一步地，若存在两组尖峰畸变点对之间的时间间隔低于预设的尖峰相邻阈值，则仅根据前一组尖峰畸变点进行修正处理。
[0010]进一步地，对尖峰畸变点的修正处理过程包括：对待处理的尖峰畸变点对(S
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(i)，S
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(j))，设置相位解卷绕数据中时刻和j时刻之间的信号值均为S
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(i
‑
1)信号值与S
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(j+1)信号值的均值。
[0011]进一步地，对尖峰畸变点的修正处理过程中，还实时循环分析处理后的光纤传感数据，搜索尖峰畸变点，若搜索出的尖峰畸变点的数量为0，或者搜索出的尖峰畸变点的数量不再继续减少的次数大于预设的稳定阈值，则完成对尖峰畸变点的修正处理，否则继续进行对尖峰畸变点的修正处理。
[0012]进一步地，确定的所述畸变点类型包括连续台阶畸变点，该连续台阶畸变点的确定过程包括：在所有确定的畸变点中搜索畸变点对(S
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(i)，S
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(j))，畸变点对的搜索过程为：若两个畸变点S
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(i)和S
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(j)的时间间隔低于预设的台阶畸变相邻阈值，则构成畸变点对；若存在畸变点对(S
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(i)，S
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(j))，满足时刻处的差分信号与时刻处的差分信号的乘积大于零，且S
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(j)信号值与S
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(i)信号值的差值的绝对值大于预设的台阶畸变阈值，则为台阶畸变点对；判断确定的台阶畸变点对是否存在相邻的台阶畸变点对，若存在，则将相邻的台阶畸变点对依次合并，以合并后的台阶畸变点集合中的首末端点作为连续台阶畸变点对，若不存在，则直接作为连续台阶畸变点对。
[0013]进一步地，对连续台阶畸变点的修正处理过程包括：对待处理的连续台阶畸变点对(S
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(i)，S
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(j))，获取所述相位解卷绕数据在i时刻的前向预测值，以及在j
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1时刻的后向预测值，设置相位解卷绕数据中i位置和j位置之间的信号均为时刻的前向预测值；若j
‑
1时刻的后向预测值与i时刻的前向预测值的差值的绝对值不低于预设的第一整体平移调整阈值，则根据j
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法，其特征在于，包括以下步骤：获取光纤传感数据，进行解调，得到相位数据，该相位数据包括光纤上多个位置处的相位变化信号；对所述相位数据中的各个位置信号分别进行相位解卷绕，然后进行重采样，获取各个位置的相位解卷绕数据；根据所述相位解卷绕数据的信号变化量，确定畸变点；根据畸变点的分布确定畸变点的类型，从而进行对应的修正处理。2.根据权利要求1所述的一种基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法，其特征在于，所述畸变点的确定过程包括：对所述相位解卷绕数据中的各个信号点进行差分计算，得到差分信号，根据差分信号中各个数值的离散程度，确定相位解卷绕数据中的畸变点。3.根据权利要求1所述的一种基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法，其特征在于，确定的所述畸变点类型包括尖峰畸变点，该尖峰畸变点的确定过程包括：在所有确定的畸变点中搜索畸变点对，该畸变点对的搜索过程为：若存在畸变点S
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(i)以及畸变点S
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(j+1)，满足时刻与时刻的时间间隔低于预设的尖峰畸变相邻阈值，则(S
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(i)，S
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(j))构成畸变点对；若存在畸变点对(S
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(i)，S
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(j))，满足S
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(i
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1)信号值与S
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(j+1)信号值的差值的绝对值小于预设的尖峰畸变阈值，则为尖峰畸变点对。4.根据权利要求3所述的一种基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法，其特征在于，若存在两组尖峰畸变点对之间的时间间隔低于预设的尖峰相邻阈值，则仅根据前一组尖峰畸变点进行修正处理。5.根据权利要求3所述的一种基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法，其特征在于，对尖峰畸变点的修正处理过程包括：对待处理的尖峰畸变点对(S
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(i)，S
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(j))，设置相位解卷绕数据中时刻和j时刻之间的信号值均为S
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(i
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1)信号值与S
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(j+1)信号值的均值。6.根据权利要求3所述的一种基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法，其特征在于，对尖峰畸变点的修正处理过程中，还实时循环分析处理后的光纤传感数据，搜索尖峰畸变点，若搜索出的尖峰畸变点的数量为0，或者搜索出的尖峰畸变点的数量不再继续减少的次数大于预设的稳定阈值，则完成对尖峰畸变点的修正处理，否则继续进行对尖峰畸变点的修正处理。7.根据权利要求1所述的一种基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法，其特征在于，确定的所述畸变点类型包括连续台阶畸变点，该连续台阶畸变点的确定过程包括：在所有确定的畸变点中搜索畸变点对(S
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(i)，S
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(j))，畸变点对的搜索过程为：若两个畸变点S
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(i)和S
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(j)的时间间隔低于预设的台阶畸变相邻阈值，则构成畸变点对；若存在畸变点对(S
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(i)，S
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(j))，满足i
‑
1时刻处的差分信号与j
‑
1时刻处的差分信号的乘积大于零，且S
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(j)信号值与S
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(i)信号值的差值的绝对值大于预设的台
阶畸变阈值，则为台阶畸变点对；判断确定的台阶畸变点对是否存在相邻的台阶畸变点对，若存在，则将相邻的台阶畸变点对依次合并，以合并后的台阶畸变点集合中的首末端点作为连续台阶畸变点对，若不存在，则直接作为连续台阶畸变点对。8.根据权利要求7所述的一种基于畸变点检测的光纤传感信号相位错误修正方法，其特征在于，对连续台阶畸变点的修正处理过程包括：对待处理的连续台阶畸变点对(S
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(i)，S
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(j))，获取所述相位解卷绕数据在i时刻的前向预测值，以及在j
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1时刻的后向预测值，设置相位解卷绕数据中i位置和j位置之间的信号均为时刻的前向预测值；若j
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1时刻的后向预测值与i时刻的前向预测值的差值的绝对值不低于预设的第一整体平移调整阈值，则根据j
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1时刻的后向预测值与i时刻的前向预测值的差值对所述相位解卷绕数据在j时刻以后的信号值整体进行赋值调整。9.根据权利要求7所述的一种基于畸变点检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘泽超，李彩云，马玲梅，胡威旺，彭威，王皓，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：