一种光纤信号处理方法、装置及光纤传感系统的制作方法

一种光纤信号处理方法、装置及光纤传感系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种光纤信号处理方法、装置及光纤传感系统，该方法包括：处理终端获取对应光纤某一位置在一段时间内采集得到的多个光纤采样信号；利用SVD算法对所述多个光纤采样信号构成的矩阵进行奇异值分解得到多个子矩阵；获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异值最大的子矩阵的每行元素以集合组成一维信号；对所述一维信号进行小波消噪后作为所述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号。通过上述方式，本发明能够有效消除光纤信号的噪声。
【专利说明】
一种光纤信号处理方法、装置及光纤传感系统
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤通信领域，特别是涉及一种光纤信号处理方法、装置及光纤传感 系统。
【背景技术】
[0002] 随着光纤处理技术发展，光纤已作为传感器应用于各种探测领域，用于测量周边 环境状况，例如是否有物体经过、且该物体具体为何物等。当光纤传感器受到外界干扰影响 时，光纤中传输光的部分特性就会改变，光线传感系统接收光纤的光信号，并进行光电转 换，分析转换后电信号的特征以判断其光特性的改变，进而确定光纤对应位置的环境状况， 例如为有车辆闯入等，进而可实现对环境的监测。
[0003] 光纤将波长作为敏感量，它克服了传统光学传感系统受光源起伏、光纤弯曲损耗 及连接损耗影响的缺点，可以在强电磁干扰、高温和腐蚀性环境中测量到振源产生的振动 信号。光纤传感系统的其中一个核心就是对光纤传输出来的光信号进行波长编码的解调， 然而，经解调后的振动信号往往伴随噪声同时存在，故如何有效消除噪声的干扰，最大程度 提取原始振动信号，成了光纤传感系统的关键。

【发明内容】

[0004] 本发明主要解决的技术问题是提供一种光纤信号处理方法、装置及光纤传感系 统，能够有效消除光纤信号的噪声。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光纤信号处理方 法，包括:处理终端获取对应光纤某一位置在一段时间内采集得到的多个光纤采样信号;利 用奇异值分解SVD算法对所述多个光纤采样信号构成的矩阵进行奇异值分解得到多个子矩 阵;获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异值最大的子矩阵的每行元素以集合组 成一维信号;对所述一维信号进行小波消噪后作为所述光纤某一位置在所述一段时间内产 生的光纤信号。
[0006] 其中，所述利用SVD算法对所述多个光纤采样信号构成的矩阵进行奇异值分解得 到多个子矩阵的步骤包括:将所述多个光纤采样信号{ Χ(1)，χ(2)，···，Χ(η)}构成k*l阶矩阵 H，其中，k*l=n，且
[0007]
[0008] 采用下述公式1对所述矩阵Η进行奇异值分解，得到多个子矩阵、
[0009] (1)
[0010] 上述公式1中，所述U是k X k阶正交矩阵，所述V%示矩阵V的共辄矩阵，所述V是1 \1阶正交矩阵;所述矩阵加勺秩为!11;所述八=&§(511212心"：^)为对角阵，所述\是矩阵 Η的第i个奇异值，并且j…k ;所述m为矩阵U的第i个列向量，所述Vl为矩阵V的第i 个列向量，所述Hi是包含m和vi的子矩阵；
[0011] 所述获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异值最大的子矩阵的每行元素 以集合组成一维信号的步骤包括：
[0012] 将奇异值最大的所述子矩阵X//,的各行元素分别作为一维信号&的元素，集合形 成所述一维信号Sj= {Sj,l，Sj,2，···，Sj,m}，其中，所述Sj,m表示子矩阵的第m行向量。
[0013] 其中，所述对所述一维信号进行小波消噪后作为所述光纤某一位置在所述一段时 间内产生的光纤信号的步骤包括:根据下述公式2对所述一维信号&的每个元素进行处理， 并由每个处理后的元素组成所述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号S/，
[0014]
[0015]上述公式2中，所述Sp为所述一维信号S冲的第z个元素，所述S^'为所述光纤信 号& '中的第z个元素，所述T为一设定值。
[0016] 其中，所述对所述一维信号进行小波消噪后作为所述光纤某一位置在所述一段时 间内产生的光纤信号的步骤包括:根据下述公式3对所述一维信号&的每个元素进行处理， 并由每个处理后的元素组成所述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号S/，
[0017]
[0018]上述公式3中，所述Sp为所述一维信号&中的第z个元素，所述Sp'为所述光纤信 号&'中的第z个元素，所述α为比例系数，且0<a<l，Sgn(X)为符号函数，所述T为一设定 值。
[0019] 其中，还包括:将消噪后的所述光纤信号与预设振动模型进行匹配;若匹配成功， 则确定所述光纤某一位置在所述一段时间内发生振动，且振动类型为所述预设振动模型对 应的振源类型。
[0020] 其中，在所述获取对应光纤某一位置在一段时间内采集得到的多个光纤采样信号 的步骤之前，还包括:接收光纤某一位置在一段时间内反射的光信号，并采用非平衡马赫-曾德(M-Z)干涉解调法、锁模解调法、或可调法布里-珀罗(F-B)滤波器解调法对所述光信号 进行解调；将解调后的所述光信号进行光电转换，得到所述光纤某一位置在一段时间内的 光纤电信号。
[0021] 其中，所述获取对应光纤某一位置在一段时间内采集得到的多个光纤采样信号的 步骤包括:利用高速数据采集卡FPGA对所述光纤电信号进行采集，得到所述多个光纤采样 信号。
[0022]为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是:提供一种光纤信号处理 装置，包括:获取模块，用于获取对应光纤某一位置在一段时间内采集得到的多个光纤采样 信号;分解模块，用于利用奇异值分解SVD算法对所述多个光纤采样信号构成的矩阵进行奇 异值分解得到多个子矩阵;提取模块，用于获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异 值最大的子矩阵的每行元素以集合组成一维信号；消噪模块，用于对所述一维信号进行小 波消噪后作为所述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号。
[0023] 其中，所述分解模块包括：构建单元，用于将所述多个光纤采样信号U (1 )，X (2)，…，x(n)}构成k*l阶矩阵H，其中，k*l=n，且
[0024]
[0025] 分解单元，用于采用下述公式1对所述矩阵Η进行奇异值分解，得到多个子矩阵:
[0026] ,、 ⑴
[0027]上述公式1中，所述U是k X k阶正交矩阵，所述￥7表示矩阵V的共辄矩阵，所述V是1 XI阶正交矩阵;所述矩阵Η的秩为m;所述六=也以》、|以22"人,）为对角阵，所述\是矩阵 Η的第i个奇异值，并且…所述m为矩阵U的第i个列向量，所述Vl为矩阵V的第i 个列向量，所述Hi是包含m和vi的子矩阵；
[0028] 所述提取模块具体用于将奇异值最大的所述子矩阵:^/^的各行元素分别作为一 维信号Sj的元素，集合形成所述一维信号Sj= {Sj,l，Sj,2，···，Sj,m}，其中，所述Sj,m表不子矩阵 的第m行向量。
[0029] 为解决上述技术问题，本发明采用的再一个技术方案是:提供一种光纤传感系统， 其特征在于，包括光纤传感器及处理终端;所述光纤传感器用于在一端发出第一光信号，并 从所述一端接收由所述第一光信号反射得到的第二光信号;所述处理终端用于对所述第二 光信号对应的光纤电信号进行奇异值分解及小波消噪处理，其中，所述处理终端包括上述 的光纤信号处理装置，以对所述光纤电信号进行奇异值分解及小波消噪处理。
[0030] 上述方案，处理终端利用SVD算法对光纤位置的多个光纤采样信号构造的矩阵进 行奇异值分解，并将奇异值最大的子矩阵组成的一维信号进行小波消噪，以得到该光纤位 置的消噪后的光纤信号，故实现了有效消除光纤信号的噪声。
【附图说明】
[0031 ]图1是本发明光纤信号处理方法一实施方式的流程图；
[0032] 图2是本发明光纤传感系统一实施方式的结构示意图；
[0033] 图3是本发明光纤信号处理方法另一实施例的部分流程图；
[0034] 图4是本发明光纤信号处理方法再一实施例的部分流程图；
[0035] 图5是本发明光纤信号处理装置一实施方式的结构示意图；
[0036]图6是本发明光纤信号处理装置另一实施方式的结构示意图。
【具体实施方式】
[0037]以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之 类的具体细节，以便透彻理解本申请。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体 细节的其它实施方式中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的装置、电路以 及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
[0038] 请参阅图1，本发明光纤信号处理方法一实施方式的流程图，该方法包括：
[0039] S11:处理终端获取对应光纤某一位置在一段时间内采集得到的多个光纤采样信 号。
[0040] 其中，所述多个光纤采样信号由光纤反射的光信号转换得到。
[0041] 请结合图2举例说明，图2示出一光纤传感系统，该光纤传感系统可采用光脉冲调 制方式，通过探测背向散射信号的相位变化引起的反射光干涉强度变化，能够同时检测出 多个并发振源，从而实现预警和对振源定位。该光纤传感系统包括顺序连接的光纤传感器 21、光学系统23、光电转换电路24与处理终端22。
[0042] 光纤传感器21设置于需监测的环境中如地下，以监测该环境状况。光纤传感器21 可采用普通通信光缆中的一根空闲纤芯作传感单元，进行分布式多点振动测量。其基本原 理是当外界的振动作用于通信光缆时，引起光缆中纤芯发生形变，使纤芯长度和折射率发 生变化，导致光缆中光的相位发生变化。当光在光缆中传输时，由于光子与纤芯晶格发生作 用，不断向后传输瑞利散射光。当外界有振动发生时，背向瑞利散射光的相位随之发生变 化，这些携带外界振动信息的信号光，经光学系统23处理，将微弱的相位变化转换为光强变 化，再经光电转换电路24的光电转换和相应信号处理后，进人处理终端22进行数据分析。处 理终端22根据分析的结果，判断振动事件的发生，并确认振动地点。
[0043] 具体地，光纤传感器21定时从一端发出第一光信号，该第一光信号可以是一脉冲 信号，如为脉冲宽度为l〇ns的激光，该第一光信号在光缆中各个位置经过瑞利散射形成的 第二光信号，并且该第二光信号反射回该光纤传感器21的一端。光纤传感器21从该一端输 出该第二光信号。光学系统23对第二光信号进行采样，得到多个对应不同光纤位置的光信 号。其中，该采样间隔可采集光纤每隔设定距离发射的光信号，例如，第一个采样光信号对 应为距离光纤一端1米位置反射的光信号，第二个采样光信号对应为距离光纤一端2米位置 反射的光信号，以此类推。
[0044] 光学系统23采用非平衡马赫-曾德(M-Z)干涉解调法、锁模解调法、或可调法布里-珀罗(F-B)滤波器解调法对上述对应不同光纤位置的光信号进行解调，并将解调后的光信 号通过光电转换电路24转换为对应的电信号便于信号的处理。这里可以通过一般的光电转 换电路24如AH)转换得到模拟信号，再通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，并发送 至处理终端22。
[0045] 处理终端22对该光纤数字信号进行处理，以确定该光纤数字信号对应的光纤位置 是否振动。具体，处理终端22可还包括高速数据采集卡(英文简称:FPGA)模块和数字信号处 理(英文digital Signal Processing，简称:DSP)模块，该FPGA模块用于采集对应光纤某 一位置在一段时间内反射的光信号对应的光纤电信号进行采集，得到多个光纤采样信号。 FPGA模块将采集的光纤采样信号缓存在该FPGA模块内的FIFO缓冲器，FIFO的半满信号线和 DSP模块相连，当FIFO的半满时触发DSP的EDMA事务，以把光纤采样信号的相关数据从FIFO 转移到DSP的存储器如SDRAM。当存储器中的数据长度达到系统设定值时，对该存储器中的 光纤采样信号进行处理，如进行振源识别等。本发明所述奇异值分解和消噪相关步骤可以 在存入至DSP的存储器之前执行，或者将采集到的光纤采样信号直接存至DSP的存储器，并 当存储器的数据长度达到设定值后，再执行本发明所述奇异值分解和消噪相关步骤。
[0046] 在其他实施例中，该光学系统的部分步骤以及光电转换、以及模数转换步骤可由 处理终端22执行，如处理终端22还用于采用非平衡马赫-曾德(M-Z)干涉解调法、锁模解调 法、或可调法布里-珀罗(F-B)滤波器解调法对光纤传感器21反射的对应不同光纤位置的光 信号进行解调，并将其转换成电信号，并进行模数转换。
[0047] 具体地，该处理终端实时采集光纤采样信号，该采集间隔可根据实际情况进行调 整，通常，该采集间隔为0ys-100ys之间，如40ys、10ys、100ys等，本实施例中，该采集间隔为 0,即处理终端连续采集得到η个光纤采样信号{以1)，奴2)，一，奴1〇}，其中，11为大于1的整 数。
[0048] S12:利用SVD算法对所述多个光纤采样信号构成的矩阵进行奇异值分解得到多个 子矩阵。
[0049] 本实施例中，处理终端采用奇异值分解(英文：Singular value decomposition， 简称:SVD)算法对采集得到光纤采样信号进行处理，以获得信噪比高、噪声均匀的光纤采样 信号。
[0050] 具体，上述S12步骤可具体包括如下子步骤：
[0051] 子步骤S121:将所述多个光纤采样信号&(1)，奴2)，一，1(11)}构成1^1阶矩阵!1。 [0052]将多个光纤采样信号组成一维信号序列乂={以1)，奴2)，-_，奴1!)}，并将该一维信 号序列X构成k*l阶矩阵H。
[0053] 其c
4=n，k和1均为正整数。
[0054] 子步骤S122:采用下述公式11对所述矩阵Η进行奇异值分解，得到多个子矩阵&〃?;
[0055] ,、 (11)
[0056] 其中，上述矩阵Η为k*l阶酉矩阵；所述矩阵Η的秩为m，利用SVD可以将k*l阶矩阵Η 表示m个k*l阶子矩阵之和。
[0057]所述U是k X k阶正交矩阵，所述￥7表示矩阵V的共辄矩阵，所述V是1 X1阶正交矩阵;所 述vA zdiag% …λ,")为对角阵，所述\是矩阵η的第i个奇异值，并且\》λ2 >…; 所述m为矩阵U的第i个列向量，所述Vl为矩阵V的第i个列向量，所述出是包含udPVl的子矩 阵。
[0058]若是矩阵Η表示时频信息，则对应的m和Vi视为频率矢量和时间矢量。因此，Η中的 时频信息被分解到一系列由ujPVl构成的时频子空间中。故选取一定子空间进行重构，可以 提取特定成分的信号，例如，选择奇异值最大的子矩阵，即可提取得到该多个光纤采样信号 所包含主要数据特征。
[0059] S13:获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异值最大的子矩阵的每行元素 以集合组成一维信号。
[0060] 例如，获取分解得到的多个子矩阵+ ),,,//,..,:}中奇异值最大的子矩阵 λ;〃；，并将奇异值最大的子矩阵λ///;的各行元素分别作为一维信号&的元素，集合形成所 述一维信号3」={5」,1，5」,2，~，3」,111}，其中，所述5」,111表不子矩阵1 :/^/的第1]1行向量。
[0061] S14:对所述一维信号进行小波消噪后作为所述光纤某一位置在所述一段时间内 产生的光纤信号。
[0062] 本实施例中，处理终端对S13步骤所得到的一维信号进行小波阀值消噪，该消噪方 式可包括硬阀值和软阀值两种。上述S12步骤中奇异值分解的基本原理是对含噪信号进行 若干层小波分解，将信号分解到不同的频带空间，得到各层小波分解系数。硬阀值方式则将 大于阀值的系数保持不变，小于阀值的系数置零，因此硬阀值处理后得到的信号较粗糙。 [0063]该硬阀值方式具体如，根据下述公式12对S13步骤所得到的一维信号&的每个元 素行处理，并由每个处理后的元素…，Sp'}组成所述光 纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号&'，
[0064]
[0065] 其中，所述Sp为所述一维信号&中的第z个元素，所述Sp'为所述光纤信号&'中 的第z个元素，所述T为一设定值。
[0066] 该软阀值方式具体如，根据下述公式13对S13步骤所得到的一维信号&的每个元 素{Sj,l，Sj,2,…，Sj,m}，并由每个处理后的元素{Sj,l'，Sj,2'，…，Sj,m' }组成所述光纤某一位 置在所述一段时间内产生的光纤信号&'，
[0067]
[0068] 其中，所述Sp为所述一维信号&中的第z个元素，所述Sp'为所述光纤信号&'中 的第z个元素，所述α为比例系数，且0<a<l， Sgn(X)为符号函数，所述T为一设定值。
[0069] 在具体应用中，上述T可根据实际情况由用户输入，或者自身对实际情况进行判断 学习后，进行相应设置。
[0070] 经上述小波消噪后，处理终端可对该消噪后的光纤信号（即消噪后的光纤采样信 号)进行振源识别或者其他处理。
[0071] 本实施例中，处理终端利用SVD算法对光纤位置的多个光纤采样信号构造的矩阵 进行奇异值分解，并将奇异值最大的子矩阵组成的一维信号进行小波消噪，以得到该光纤 位置的消噪后的光纤信号，故实现了有效消除光纤信号的噪声。
[0072] 请参阅图3,图3是本发明光纤信号处理方法另一实施例的部分流程图。本实施例 处包括图1所示的步骤之前，在S14步骤之后，还包括以下步骤，以进行振源识别：
[0073] S31:将消噪后的所述光纤信号与预设振动模型进行匹配。
[0074]处理终端中存储有多个预设振动模型，该每个预设振动模型对应一种振源，例如， 行人经过引起的振动信号的特征对应记录在第一预设振动模型，车辆经过引起的振动信号 的特征对应记录在第二预设振动模型。
[0075] 处理终端提取消噪后的光纤信号S/的特征，并将提取的特征给预设振动模型中 的特征进行对比，若提取的特征与一预设振动模型中的特征匹配，则执行S32。
[0076] S32:确定所述光纤某一位置在所述一段时间内发生振动，且振动类型为所述预设 振动模型对应的振源类型。
[0077]例如，消噪后的光纤信号S/与上例中的第一预设振动模型的特征匹配，则该光纤 信号&'为振动信号，且判断振源为行人经过。处理终端计算出来该光纤信号对应的光纤位 置，并还可向相关设备发送信息，以通知该光纤位置有行人经过。
[0078]具体的，请参阅图4,处理终端判断光纤信号是否与预设振动模型匹配的方式可如 下步骤：
[0079] S41:处理终端将该光纤信号划分为J帧子信号。
[0080] S42:提取每帧子信号的特征矢量组成数组 取预设信号模型的特征矢量组成的数组R[I] = {R(〇)，R(i)，~，R(I-l)}。
[0081]其中，所述光纤信号的特征矢量与所述预设信号模型的特征矢量的提取方式一 致。
[0082]例如，处理终端存储有至少一个预设信号模型，每个该预设信号模型对应包括一 种振源的光纤信号的多个特征矢量R(〇)，R(i)，…，R(I-l)，其中，i为该预设信号模型的信 号帧的时序标号，i = 〇为该预设信号模型的起点子信号帧，i = I_l为该预设信号模型的终 点子信号帧，因此I为该预设信号模型所包含的子信号的帧总数，R(i)为该预设信号模型第 i帧的子信号的特征矢量。处理终端提取第1帧子信号至第J帧子信号的特征矢量一一依序 对应为T(0)，T(j)，…，T( J-1)，其中，j为该光纤信号的信号帧的时序标号，j = 0为该光纤信 号的起点子信号帧，j = J_l为该光纤信号的终点子信号帧，因此J为该光纤信号所包含的子 信号的帧总数，T(i)为个该光纤信号第j帧的子信号的特征矢量。上述I和J均大于1，且两者 可相等或不相等，在此不作限定。
[0083] 值得注意的是，该处理终端提取子信号的特征矢量的方式与预设信号模型中的特 征矢量的提取方式是一致的，以保证下述两者的准确对比。也即，预设信号模型和光纤信号 采用相同类型的特征矢量。
[0084] 其中，其提取方式可以为多种，例如为线性预测编码（1 inear predictive coding，LPC)得到的能够代表该子信号特征的参数，如LPC系数或倒谱系数。在另一实施例 中，所述提取每帧信号的特征矢量的步骤包括:将所述每帧子信号分别经过LPC分析得到对 应的倒谱系数，将所述每帧子信号的倒谱系数作为其特征矢量。
[0085] S43:确定所述特征矢量T(0)与所述特征矢量R(0)之间的距离g(R(0)，T(0))以及 参数M〇
[0086] 其中，所述Μ与所述I和J之间的差正相关。例如，所述M=m+|l-j|，m为一设定常数。 在一应用中，该m可设置为I或J的十分之一到三十分之一，且小于10。
[0087] 本实施例中，处理终端利用公式14计算得到特征矢量T(0)与所述特征矢量R(0)之 间的距离 g(R(〇)，T(0))。
[0088] g(R(0)，T(0))=2d(T(0)，R(0)) (14)
[0089] 其中，该d的定义请参阅步骤S44的公式16及其相关描述。
[0090] S44:处理终端根据所述距离g(R(0)，T(0))，顺序计算所述数组T[J]每个特征矢量 T(j)分别与所述数组R[I]至少部分特征矢量R(i)之间的距离8(1?(1)，1'(」）），直至计算得到 所述特征矢量T(J-1)与特征矢量R(I_1)之间的距离g(R(I_l)，T(J-1))。
[0091] 其中，所述g(R(i)，T(j))由g(R(i-l)，T(j))、g(R(i-l)，T(j-l))、或g(R(i)，T(j-l))计算得到。例如，处理终端利用公式15和公式16计算得到所述g(R(i)，T(j));
[0092]
[0093]
[0094 ]其中，所述特征矢量T (j)表示为(yi，…，yn)，所述特征矢量尺⑴表示为(XI，…，χη)。当然， 在其他实施例中，该距离函数d也可采用欧氏距离，为
[0095] 其中，每个特征矢量T( j)对应的所述部分特征矢量R( i)包括所述数组R[ I ]中的特 征矢量 R(max( j-Μ,Ο))至特征矢量 R(min( j+M，I-l))〇
[0096] 上述顺序计算可表示为：按照数组T[J]的元素顺序，计算每个特征矢量T(j)与同 一特征矢量R(i)的距离，且按照数组R[I]的元素顺序，计算其特征矢量R(i)与同一特征矢 量T(j)的距离。如上述公式12,每个特征矢量T(j)与特征矢量R(i)的距离需依靠其之前特 征矢量之间的距离，故需要按照数组顺序计算。
[0097]其中，该S44可具体包括以下子步骤：
[0098] 根据所述距离g(R(0)，T(0))，顺序计算所述数组T[J]每个特征矢量T(j)分别与所 述特征矢量R(〇)之间的距离g(R(〇)，T( j));
[0099] 顺序计算所述数组T[J]每个特征矢量T(j)分别与所述数组R[I]至少部分特征矢 量R(i)之间的距离g(R(i)，T( j))。
[0100] 其中，当所述j = 0时，所述特征矢量T(0)对应的所述部分特征矢量R(i)包括所述 数组R[ I]中的所有特征矢量，当所述j辛〇时，所述特征矢量T( j)对应的所述部分特征矢量R (i)包括所述数组R[ I]中的特征矢量R(max( j-M, 1))至特征矢量R(min( j+M, 1-1))。
[0101] S45:计算所述距离g(R(I-l)，T(J-l))与所述I和所述J的和之间的比，以作为所述 光纤信号与所述预设信号模型的相似距离。
[0102] 例如，处理终端得到匹配至特征矢量R(I-l)和特征矢量T(J-l)的距离g(R(I_l)，T (J-1))后，根据公式17计算得到所述光纤信号与所述预设信号模型的相似距离s;
[0103]
[0104] S46:若所述相似距离满足设定条件，则处理终端将所述光纤信号的振源类型确定 为所述预设信号模型对应的振源类型。
[0105] 该设定条件如为小于设定相似距离，或者为所有预设信号模型中的最小相似距 离。例如，处理终端存储多个预设信号模型，处理终端多次执行上述步骤S43-S45,得到每个 预设信号模型与该光纤振动模型的相似距离，将处理终端将光纤振动模型的振源类型分类 为相似距离最小的预设信号模型对应的振源类型。当然，针对具体应用的不同需求，该设定 条件还可以其他条件，在此不作具体限定。
[0106] 上述匹配方式根据相似度确定光纤信号的振源类型，实现了对光纤信号的振源分 类，且该分类方式能够对振源进行准确分类，提高了振源识别的准确率，且处理终端根据设 定规则仅计算数组T[J]每个特征矢量T(j)与数组R[I]部分特征矢量R(i)之间的距离，减少 了运算量，提高了识别速度和效率，节省了处理终端的处理资源。
[0107] 参阅图5,本发明光纤信号处理装置一实施方式的结构示意图，该装置包括获取模 块51、分解模块52、提取模块53和消噪模块54。
[0108] 获取模块51用于获取对应光纤某一位置在一段时间内采集得到的多个光纤采样 信号。
[0109] 分解模块52用于利用SVD算法对所述多个光纤采样信号构成的矩阵进行奇异值分 解得到多个子矩阵。
[0110] 提取模块53用于获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异值最大的子矩阵 的每行元素以集合组成一维信号。
[0111] 消噪模块54用于对所述一维信号进行小波消噪后作为所述光纤某一位置在所述 一段时间内产生的光纤信号。
[0112] 可选地，分解模块52包括构建单元521和分解单元522。
[0113] 构建单元521用于将所述多个光纤采样信号{以1)，奴2)，一，以1〇}构成1^1阶矩阵 H，其中，=n，曰
[0114]
[0115] 分解单元522用于采用上述公式11对所述矩阵Η进行奇异值分解，得到多个子矩阵 m 〇
[0116] 提取模块53具体用于将奇异值最大的所述子矩阵λ, 〃,的各行元素分别作为一维 信号Sj的元素，集合形成所述一维信号Sj= {Sj,l，Sj,2,…，Sj,m}，其中，所述Sj,m表不子矩阵 夂的第m行向量。
[0117] 可选地，消噪模块54具体用于根据上述公式12对所述一维信号&的每个元素进行 处理，并由每个处理后的元素组成所述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号 Sj，。
[0118] 可选地，消噪模块54具体用于根据上述公式13对所述一维信号&的每个元素进行 处理，并由每个处理后的元素组成所述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号 Sj，。
[0119] 可选地，该装置还包括匹配模块和确定模块；匹配模块用于将消噪后的所述光纤 信号与预设振动模型进行匹配;确定模块用于在匹配成功时，确定所述光纤某一位置在所 述一段时间内发生振动，且振动类型为所述预设振动模型对应的振源类型。
[0120] 可选地，该装置还包括解调模块和光电转换模块;解调模块用于接收光纤某一位 置在一段时间内反射的光信号，并采用非平衡马赫-曾德(M-Z)干涉解调法、锁模解调法、或 可调法布里-珀罗(F-B)滤波器解调法对所述光信号进行解调;光电转换模块用于将解调后 的所述光信号进行光电转换，得到所述光纤某一位置在一段时间内的光纤电信号。
[0121] 可选地，获取模块51具体用于利用高速数据采集卡FPGA对所述光纤电信号进行采 集，得到所述多个光纤采样信号。
[0122] 其中，该处理装置的上述模块分别用于执行上述方法实施例中的相应步骤，具体 执行过程如上方法实施例说明，在此不作赘述。该处理装置具体可为图2所示的处理终端 22〇
[0123] 参阅图6,本发明光纤信号处理装置另一实施方式的结构示意图，该装置60包括处 理器61、存储器62、接收器63及总线64。其中，处理器61、存储器62、接收器63均可以是一个 或多个，图6中仅以一个为例。
[0124] 接收器63用于接收外部设备发送的信息。例如，接收光纤信号，如光纤传感器发送 的光信号、经光电转换后的电信号、或已确定为光纤振动产生的信号的光纤振动信号。
[0125] 存储器62用于存储计算机程序，并向处理器61提供所述计算机程序，且可存储处 理器61处理的数据，例如接收器63接收到的光纤信号灯。其中，存储器62可以包括只读存储 器、随机存取存储器和非易失性随机存取存储器(NVRAM)中的至少一种。
[0126] 存储器62存储的计算机程序包括如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者它 们的子集，或者它们的扩展集：
[0127] 操作指令:包括各种操作指令，用于实现各种操作。
[0128] 操作系统:包括各种系统程序，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。
[0129] 在本发明实施例中，处理器61通过调用存储器62存储的操作指令(该操作指令可 存储在操作系统中），来执行下面操作：
[0130]获取对应光纤某一位置在一段时间内采集得到的多个光纤采样信号；
[0131] 利用SVD算法对所述多个光纤采样信号构成的矩阵进行奇异值分解得到多个子矩 阵；
[0132] 获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异值最大的子矩阵的每行元素以集 合组成一维信号；
[0133] 对所述一维信号进行小波消噪后作为所述光纤某一位置在所述一段时间内产生 的光纤信号。
[0134] 处理器61执行所述利用SVD算法对所述多个光纤采样信号构成的矩阵进行奇异值 分解得到多个子矩阵的步骤包括：
[0135] 将所述多个光纤采样信号{x(l)，x(2)，···，x(n)}构成k*l阶矩阵H，其中，k*l=n， 且
[0136]
[0137] 采用上述公式11对所述矩阵Η进行奇异值分解，得到多个子矩阵λ :
[0138] 处理器61执行所述获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异值最大的子矩 阵的每行元素以集合组成一维信号的步骤包括：
[0139] 将奇异值最大的所述子矩阵的各行元素分别作为一维信号&的元素，集合形 成所述一维信号Sj= {Sj,i，Sj,2，···，Sj,m}，其中，所述不子矩阵夂/^.的第m行向量。
[0140]可选地，处理器61执行所述对所述一维信号进行小波消噪后作为所述光纤某一位 置在所述一段时间内产生的光纤信号的步骤包括：
[0141]根据上述公式12对所述一维信号&的每个元素进行处理，并由每个处理后的元素 组成所述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号&'；或者
[0142] 根据上述公式13对所述一维信号&的每个元素进行处理，并由每个处理后的元素 组成所述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号&'。
[0143] 可选地，处理器61还用于将消噪后的所述光纤信号与预设振动模型进行匹配;若 匹配成功，则确定所述光纤某一位置在所述一段时间内发生振动，且振动类型为所述预设 振动模型对应的振源类型。
[0144] 可选地，处理器61还用于接收光纤某一位置在一段时间内反射的光信号，并采用 非平衡马赫-曾德(M-Z)干涉解调法、锁模解调法、或可调法布里-珀罗(F-B)滤波器解调法 对所述光信号进行解调；将解调后的所述光信号进行光电转换，得到所述光纤某一位置在 一段时间内的光纤电信号。
[0145] 可选地，处理器61执行所述获取对应光纤某一位置在一段时间内采集得到的多个 光纤采样信号的步骤包括:利用高速数据采集卡FPGA对所述光纤电信号进行采集，得到所 述多个光纤采样信号。
[0146] 上述处理器61还可以称为CPU(Central Processing Unit，中央处理单元）。具体 的应用中，终端的各个组件通过总线64耦合在一起，其中总线64除包括数据总线之外，还可 以包括电源总线、控制总线和状态信号总线等。但是为了清楚说明起见，在图中将各种总线 都标为总线64。
[0147] 上述本发明实施方式揭示的方法也可以应用于处理器61中，或者由处理器61实 现。处理器61可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的 各步骤可以通过处理器61中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理 器61可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列 (FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或 者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或 者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直 接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完 成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可 编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器62,处理器61读取 相应存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0148] 上述方案中，处理终端利用SVD算法对光纤位置的多个光纤采样信号构造的矩阵 进行奇异值分解，并将奇异值最大的子矩阵组成的一维信号进行小波消噪，以得到该光纤 位置的消噪后的光纤信号，故实现了有效消除光纤信号的噪声。
[0149] 在本发明所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的方法以及装置，可以通 过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块或 单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元 或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
[0150]所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显 示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个 网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的 目的。
[0151]另外，在本发明各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可 以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的 单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0152]上述其他实施方式中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立 的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明 的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以 以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用 以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）或处理器 (processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包 括：U盘、移动硬盘、只读存储器（R0M，Read_0nly Memory)、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
【主权项】
1. 一种光纤信号处理方法，其特征在于，包括： 处理终端获取对应光纤某一位置在一段时间内采集得到的多个光纤采样信号； 利用奇异值分解SVD算法对所述多个光纤采样信号构成的矩阵进行奇异值分解得到多 个子矩阵； 获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异值最大的子矩阵的每行元素以集合组 成一维信号； 对所述一维信号进行小波消噪后作为所述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光 纤信号。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用SVD算法对所述多个光纤采样信号 构成的矩阵进行奇异值分解得到多个子矩阵的步骤包括： 将所述多个光纤采样信号Ιχ(1)，Χ(2)，···，Χ(η)}构成k*l阶矩阵H，其中，k*l=n，且采用下述公式1对所述矩阵H进行奇异值分解，得到多个子矩阵；其中，所述U是kXk阶正交矩阵，所述￥7表示矩阵V的共辄矩阵，所述V是1X1阶正交矩 阵；所述矩阵H的秩为m;所述a tdiag% 为对角阵，所述Ii是矩阵H的第i个奇 异值，并且\ #2 .所述Ui为矩阵U的第i个列向量，所述Vi为矩阵V的第i个列向量， 9 所述Hi是包含m和Vi的子矩阵； 所述获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异值最大的子矩阵的每行元素以集 合组成一维信号的步骤包括： 将奇异值最大的所述子矩阵λ, 〃.的各行元素分别作为一维信号Sj的元素，集合形成所 述一维信号3」={3」,1，3」,2^"，3」,111}，其中，所述3」,111表不子矩阵^<..卢 ;的第1]1行向量。3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对所述一维信号进行小波消噪后作 为所述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号的步骤包括： 根据下述公式2对所述一维信号&的每个元素进行处理，并由每个处理后的元素组成所 述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号&'，其中，所述Sp为所述一维信号&中的第ζ个元素，所述Sp'为所述光纤信号&'中的第ζ 个元素，所述T为一设定值。4. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对所述一维信号进行小波消噪后作 为所述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号的步骤包括： 根据下述公式3对所述一维信号&的每个元素进行处理，并由每个处理后的元素组成所 述光纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号&'，其中，所述Sp为所述一维信号&中的第Z个元素，所述Sp'为所述光纤信号&'中的第Z 个元素，所述α为比例系数，且OSaSl，sgn(x)为符号函数，所述T为一设定值。5. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括： 将消噪后的所述光纤信号与预设振动模型进行匹配； 若匹配成功，则确定所述光纤某一位置在所述一段时间内发生振动，且振动类型为所 述预设振动模型对应的振源类型。6. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述获取对应光纤某一位置在一段时 间内采集得到的多个光纤采样信号的步骤之前，还包括： 接收光纤某一位置在一段时间内反射的光信号，并采用非平衡马赫-曾德(M-Z)干涉解 调法、锁模解调法、或可调法布里-珀罗(F-B)滤波器解调法对所述光信号进行解调； 将解调后的所述光信号进行光电转换，得到所述光纤某一位置在一段时间内的光纤电 信号。7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述获取对应光纤某一位置在一段时间内采 集得到的多个光纤采样信号的步骤包括： 利用高速数据采集卡FPGA对所述光纤电信号进行采集，得到所述多个光纤采样信号。8. -种光纤信号处理装置，其特征在于，包括： 获取模块，用于获取对应光纤某一位置在一段时间内采集得到的多个光纤采样信号； 分解模块，用于利用奇异值分解SVD算法对所述多个光纤采样信号构成的矩阵进行奇 异值分解得到多个子矩阵； 提取模块，用于获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异值最大的子矩阵的每 行元素以集合组成一维信号； 消噪模块，用于对所述一维信号进行小波消噪后作为所述光纤某一位置在所述一段时 间内产生的光纤信号。9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述分解模块包括： 构建单元，用于将所述多个光纤采样信号{以1)，奴2)，一，以11)}构成1^1阶矩阵!1，其 中，k*l=n，且分解单元，用于采用下述公式1对所述矩阵H进行奇异值分解，得到多个子矩阵I' ;其中，所述U是kXk阶正交矩阵，所述￥7表示矩阵V的共辄矩阵，所述V是1X1阶正交矩 阵;所述矩阵H的秩为m;所述λ = diag(l 2 X2 >…戈")为对角阵，所述\是矩阵H的第i个奇异 值，并且^ 所述m为矩阵U的第i个列向量，所述Vl为矩阵V的第i个列向量，所 述Hi是包含m和Vi的子矩阵； 所述提取模块具体用于将奇异值最大的所述子矩阵〃,的各行元素分别作为一维信号 Sj的元素，集合形成所述一维信号& = {&,，…，S^}，其中，所述表示子矩阵的 第m行向量。10. -种光纤传感系统，其特征在于，包括光纤传感器及处理终端； 所述光纤传感器用于在一端发出第一光信号，并从所述一端接收由所述第一光信号反 射得到的第二光信号； 所述处理终端用于对所述第二光信号对应的光纤电信号进行奇异值分解及小波消噪 处理，其中，所述处理终端包括权利要求8或9所述的光纤信号处理装置，以对所述光纤电信 号进行奇异值分解及小波消噪处理。
【文档编号】H04B10/2507GK105933063SQ201610444648
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】孙胜刚, 刘博宇, 魏照, 聂鑫, 李建彬, 刘本刚
【申请人】深圳艾瑞斯通技术有限公司