专利名称：一种相敏光时域反射仪传感信号噪声分离及信号提取方法
技术领域：
本发明涉及周界安防、长输管道及大型结构安全监测领域，具体涉及一种相位敏感光时域反射仪传感信号噪声分离及信号提取方法。
背景技术：
国防、军事、民用设施及人民生命财产的安全是关系国计民生的大事，因此我国在周界安防、长输管道安全、大型结构健康监测等领域有重大需求。相敏光时域反射仪(Phase-sensitive optical time domain reflectometry, Φ-OTDR)是一种典型全分布式光纤传感技术，灵敏度高，全程无源，可连续感知传输路径上应变、振动等动态参数的空间分布和时间变化信息，由于探测距离和多点同时定位能力显著优于其他干涉型技术，常作为长距离围栏技术应用的首选，在周界安防、长输油气管道及大型结构的安全监测等领域发挥重要作用。然而，与其他干涉型高灵敏光纤检测系统类似，在实际应用中Φ-OTDR对气候变化、空气流动、声音和机械振动等背景噪声也同时敏感，目前基于光时域反射横向空间信号的检测与定位方法，只能判断扰动有无和位置，无法确知扰动信号的类型，如背景噪声或干扰，还是真实扰动入侵信号，误报频繁，无法满足实际应用要求。而结合空间上各点的纵向时间信号进行检测，可以根据不同类型信号随时间变化的特征差异，对各种误报进行分辨和排除，是有效降低系统误报率，提高信号正确检测与识别率的一种有效途径。然而，从时间序列信号来看，Φ-OTDR传感信号中系统自身的相位噪声起伏波动大，真实的扰动信号几乎被淹没于这种背景噪声中，加上实际应用环境复杂，空气流动、声音等各种时变干扰噪声的非线性混叠，直接进行检测与识别也会产生较高的误报率。因此实际应用中Φ-OTDR传感信号中背景噪声分离与真实扰动信号的提取，是准确检测和识别的前提，是Φ-OTDR也是干涉型光纤检测系统普遍存在的难题，成为制约其在实际应用中发挥作用的关键，直接决定系统的应用前景。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种相位敏感光时域反射仪传感信号噪声分离及信号提取方法，解决现有系统传感信号信噪比较低，对外界环境各种干扰敏感，同时光学系统受环境温度等因素影响不可避免的频漂现象带来的相位噪声导致接收的信号起伏波动大，造成真实扰动入侵检测困难，系统虚警率和误报率偏高的问题。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:一种相位敏感光时域反射仪传感信号噪声分离及信号提取方法，利用小波变换多尺度分解和选择性重组，对起伏的相位背景噪声和特定时变干扰成分如声波扰动等进行分离，提取出真实的扰动入侵信号，并对真实的扰动入侵信号提取能量特征进行空间检测与定位，包括以下步骤:
(1)对接收的横向空间信号进行时间累积，得到空间上各点的纵向时间序列信号；
(2)对空间上某点的纵向时间序列信号进行小波多尺度分解；(3)对小波多尺度分量进行选择重组对背景噪声和复杂时变干扰分别进行分离，同时提取真实的扰动入侵信号；
(4)针对真实的扰动入侵信号提取其能量特征，将空间所有点噪声分离后的信号能量特征构成随空间分布的特征曲线，根据此特征曲线进行空间检测与定位。上述方案中，所述步骤I中所述横向空间信号由相敏光时域反射仪提供，所述相敏光时域反射仪以周期触发脉冲作为一个信号采集单元，触发频率为
y，触发周期为T= j/j，该时间单元2内采集的信号是相敏光时域反射仪光时域反射信
号，映射了监测距离内光信号在所有空间点的分布信息；
采集脉冲周期触发，随空间分布的光信息被周期性地采集刷新；
设第1:个采集脉冲周期内接收的散射相干光沿光纤线路的光强分布信息，为
权利要求
1.一种相敏光时域反射仪传感信号噪声分离及信号提取方法,其特征在于,包括以下步骤: (1)对接收的横向空间信号进行时间累积，得到空间上各点的纵向时间序列信号； (2)对空间上某点的纵向时间序列信号进行小波多尺度分解； (3)对小波多尺度分量进行选择重组对背景噪声和复杂时变干扰分别进行分离，同时提取真实的扰动入侵信号； (4)针对真实的扰动入侵信号提取其能量特征，将空间所有点噪声分离后的信号能量特征构成随空间分布的特征曲线，根据此特征曲线进行空间检测与定位。
2.根据权利要求1所述的一种相敏光时域反射仪传感信号噪声分离及信号提取方法，其特征在于，所述步骤I中所述横向空间信号由相敏光时域反射仪提供，所述相敏光时域反射仪以周期触发脉冲作为一个信号采集单元，触发频率为/，触发周期为T= Yj，该时间单元内采集的信号是相敏光时域反射仪光时域反射信号，映射了监测距离内光信号在所有空间点的分布信息； 采集脉冲周期触发，随空间分布的光信息被周期性地采集刷新； 设第i个采集脉冲周期内接收的散射相干光沿光纤线路的光强分布信息，为
3.根据权利要求2所述的一种相敏光时域反射仪传感信号噪声分离及信号提取方法，其特征在于，以空间点的纵向时间序列信号，
4.根据权利要求3所述的一种相敏光时域反射仪传感信号噪声分离及信号提取方法，其特征在于，将小波分解的多尺度分量，进行选择性重组，a5为分离的背景噪声，d4+d5为分离的声波及其他时变扰动信号，而dl+d2即为提取出的真实的扰动入侵信号，分别记为
5.根据权利要求4所述的一种相敏光时域反射仪传感信号噪声分离及信号提取方法，其特征在于，对真实的扰动入侵信号
全文摘要
本发明公开了一种相敏光时域反射仪(Φ-OTDR)传感信号噪声分离及信号提取方法，以相敏光时域反射仪空间各点的纵向时间序列信号作为处理对象，利用小波变换对时间序列信号进行多尺度分解，对各尺度分量信号进行分析和选择性重组，对起伏背景噪声和声波等时变干扰信号进行分离，提取真实的扰动入侵信号，不仅能够抑制起伏波动的背景噪声，而且避免其他复杂时变干扰噪声的影响，能够有效提高入侵检测的正确率，降低系统虚警率，提高基于相敏光时域反射仪的入侵监测系统在实际复杂噪声环境中的检测性能，能够满足国家在周界安防、长输管道安全、大型结构健康监测等方面的重大应用需求。
文档编号H04B10/071GK103196465SQ20131012462
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月11日 优先权日2013年4月11日
发明者吴慧娟, 李小玉, 彭正谱, 饶云江 申请人:电子科技大学