光纤采样信号的滤波方法及装置、光纤传感系统与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及光纤采样信号的滤波方法及装置、光纤传感系统。

背景技术：

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。

然而，光纤传感系统所获取到的光纤信号会存在干扰信号，该干扰信号容易影响对光纤环境状况的识别。故如何有效对获取到的光纤信号进行滤波，成了光纤传感系统的关键。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种光纤采样信号的滤波方法及装置、光纤传感系统，能够降低噪声对光纤振动信号的影响，提高了光纤振动振源识别的准确性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光纤采样信号的滤波方法，该方法包括：获取光纤采样信号；其中，光纤采样信号由光纤反射的光信号转换得到；采用UKF滤波器对光纤采样信号进行滤波，以获得滤波后的光纤采样信号。

其中，采用UKF滤波器对光纤采样信号进行滤波，包括：建立光纤采样信号的状态方程：x_k+1＝f(x_k,u_k)+ω_k；和观测方程：y_k＝h(x_k)+v_k；其中，x_k为光纤采样信号状态量，y_k为光纤采样信号观测量，u_k为系统输入，ω_k为所述滤波器噪声，v_k为观测白噪声；利用光纤采样信号的观测量和状态方程对光纤采样信号的状态量进行估算，以得到光纤采样信号的状态估计值；根据光纤采样信号的观测量和光纤采样信号的状态估计值，得到UKF滤波器的增益，从而对光纤采样信号进行滤波。

其中，利用光纤采样信号的观测量和状态方程对光纤采样信号的状态量进行估算，以得到光纤采样信号的状态估计值，包括：利用预先获取的光纤采样信号的观测量对光纤采样信号的状态量进行估算，以得到第一状态量估计值：利用当前时刻获取的光纤采样信号的观测量对第一状态量估计值进行修正，以得到第二状态量估计值：其中，为光纤采样信号状态量x_k的估计值，为光纤采样信号观测量y_k的估计值。

其中，根据光纤采样信号的观测量和光纤采样信号的状态估计值，得到UKF滤波器的增益，包括：采用以下公式计算UKF滤波器的增益：其中，

其中，该方法还包括：构造点集x_i；对点集x_i进行f(·)非线性变换，以得到变换后的点集Y_i＝f(x_i)；其中，f(·)为与状态方程相对应的函数；对变换后的点集Y_i＝f(x_i)进行加权处理，以得到光纤采样信号观测量y的均值和方差。

其中，构造点集x_i，包括：根据随机向量x的平均值和密度函数P_x，建立2n+1个点集x_i：其中，n为光纤采样信号状态量x_k的维数，k为尺度参数。

其中，对变换后的点集Y_i＝f(x_i)进行加权处理，以得到光纤采样信号观测量y的均值和方差，包括：获取均值权系数W_i^(m)和方差权系数W_i^(c)；采用以下公式计算输出量y的均值：采用以下公式计算输出量y的方差：

其中，获取均值权系数W_i^(m)和方差权系数W_i^(c)，包括：采用以下公式计算均值权系数W_i^(m)和方差权系数W_i^(c)：W₀^(m)＝k/(n+k)；W₀^(c)＝k/(n+k)+(1-α²+β)；W_i^(m)＝W_i^(c)＝k/[2(n+k)],i＝1,…,2n；其中，k＝α²(n+λ)-n，α、λ和β为预设参数。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种光纤采样信号的滤波装置，该装置包括：获取模块，用于获取光纤采样信号；其中，光纤采样信号由光纤反射的光信号转换得到；滤波模块，用于采用UKF滤波器对光纤采样信号进行滤波，以获得滤波后的光纤采样信号。

为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种光纤传感系统，该系统包括光纤传感器以及处理终端；光纤传感器用于在光纤末端发出第一光信号，并从光纤末端接收由第一光信号反射得到的第二光信号；处理终端用于对第二光信号对应的光纤采样信号进行滤波，其中，处理终端包括如上的光纤采样信号的滤波装置，以对光纤采样信号进行滤波

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的光纤采样信号的滤波方法包括：获取光纤采样信号；其中，光纤采样信号由光纤反射的光信号转换得到；采用UKF滤波器对光纤采样信号进行滤波，以获得滤波后的光纤采样信号。能够在不增加算法难度的情况下，采用UT变换对非线性函数的概率密度分布进行近似，能够更加准确的验证光纤采样信号的均值和方差，降低了噪声对光纤振动信号的影响，提高了光纤振动振源识别的准确性。

附图说明

图1是本发明光纤采样信号的滤波方法一实施方式的结构示意图图；

图2是本发明光纤传感系统一实施方式的结构示意图；

图3是图1所示的步骤S12包括的子步骤的流程示意图；

图4是本发明光纤采样信号的滤波方法一实施方式中UT变换的流程示意图；

图5是本发明光纤采样信号的滤波装置一实施方式的结构示意图；

图6是本发明光纤采样信号的滤波装置另一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

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。

参阅图1，图1是本发明光纤采样信号的滤波方法一实施方式的结构示意图图，该方法包括：

S11：获取光纤采样信号。

其中，光纤采样信号由光纤反射的光信号转换得到。

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。

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。

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10ns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。

光学系统23通过光电转换电路24将采样得到的光信号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APD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。

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模块用于采集所述光纤数字信号，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。本发明所述滤波相关步骤以及下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，再执行本发明所述滤波的相关步骤以及下述奇异值分解和消噪相关步骤。

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0μs-100μs之间，如40μs、10μs、100μs等，本实施例中，该采集间隔为0，即处理终端连续采集得到n个光纤采样信号{x(1),x(2),…,x(n)}，其中，n为大于1的整数。

在其他实施例中，该光学系统的部分步骤、光电转换步骤以及模数转换步骤中的至少一个步骤可由处理终端22执行，如处理终端22还用于对光纤传感器检测得到的光纤模拟信号进行模数转换得到光纤数字信号；或者处理终端22还用于对光纤传感器反射的光信号进行解调，将解调后的光信号转换成模拟电信号后，再对其进行模数转换。

S12：采用UKF滤波器对光纤采样信号进行滤波，以获得滤波后的光纤采样信号。

UKF(Unscented Kalman Filter)，中文释义是无损卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波或者去芳香卡尔曼滤波。是无损变换(UT，Unscented Transform)和标准卡尔曼滤波体系的结合，通过无损变换使非线性系统方程适用于线性假设下的标准卡尔曼滤波体系。

具体地，参阅图3，S12具体包括以下子步骤：

S121：建立光纤采样信号的状态方程：x_k+1＝f(x_k,u_k)+ω_k；和观测方程：y_k＝h(x_k)+v_k。

其中，x_k为光纤采样信号状态量，y_k为光纤采样信号观测量，u_k为系统输入，ω_k为所述滤波器噪声，v_k为观测白噪声。

具体地，x_k可以是一个多模的向量，例如[x₁，x₂，…，x_k]，其中，向量中的每个元素表示光纤采样信号的一个特征，包括振幅、频率、时间等。y_k为通过测量装置检测到的观测量，例如采用万用表获得的电压值、时钟获取的时间等。u_k是k时刻对系统的控制量，在没有控制量时，u_k可以是0。

其中，ω_k为系统噪声，即滤波器的噪声，且v_k为观测噪声，且ω_k和v_k相互独立且与系统状态x无关。

S122：利用光纤采样信号的观测量和状态方程对光纤采样信号的状态量进行估算，以得到光纤采样信号的状态估计值。

不管条件密度函数P_x|y(x|y)的特征如何，最小均方估计就是条件均值μ_x|y＝E{x|y}。非线性状态滤波过程的实现包括预估与修正两个阶段。具体如下：

1、预估：利用预先获取的光纤采样信号的观测量对光纤采样信号的状态量进行估算，以得到第一状态量估计值：

其中，状态量的估计的优劣可以用预估误差的协方差来描述：

2、修正：利用当前时刻获取的光纤采样信号的观测量对第一状态量估计值进行修正，以得到第二状态量估计值：

其中，为光纤采样信号状态量x_k的估计值，为光纤采样信号观测量y_k的估计值。

S123：根据光纤采样信号的观测量和光纤采样信号的状态估计值，得到UKF滤波器的增益，从而对光纤采样信号进行滤波。

具体地，可以通过以下方式获得滤波器的增益：

其中，

可选的，可以在上述的实施方式中引入UT变换的方法。

UT变换的主要思想是“近似概率分布比近似非线性函数更容易”，它采用确定的点集S(又称为Sigma点)来表征输入分布(或部分统计特征)，然后对每个Sigma点分别进行非线性变换，通过加权计算捕捉到变换后的统计特性。这种方法把系统当作“黑盒”来处理，因而不依赖于具体的非线性，也不必计算雅可比矩阵。

UT算法的关键是Sigma点采样策略，也就是Sigma点的个数、位置以及相应权值的确定方法，保证在抓住输入变量x的分布特征的同时，使得逼近输出某些性能指标的代价函数达到最小。

具体参阅图4，下面对UT变换的过程进行详细介绍：

S41：构造点集x_i。

具体地，可以根据随机向量x的平均值和密度函数P_x，建立2n+1个点集x_i：

其中，n为光纤采样信号状态量x_k的维数，k为尺度参数。

具体地，k＝α²(n+λ)-n，调整它可以提高逼近精度。λ为第二个尺度参数，通常设置为0或3-n。用这组采样点x_i可以近似表示状态x的高斯分布。

S42：对点集x_i进行f(·)非线性变换，以得到变换后的点集Y_i＝f(x_i)。

其中，f(·)为与状态方程相对应的函数。

变换后的Sigma点集{Y_i}即可近似地表示y＝f(x)的分布。

S43：对变换后的点集Y_i＝f(x_i)进行加权处理，以得到光纤采样信号观测量y的均值和方差。

具体地，S43可以具体包括以下步骤：

采用以下公式计算均值权系数W_i^(m)和方差权系数W_i^(c)：

W₀^(m)＝k/(n+k)；

W₀^(c)＝k/(n+k)+(1-α²+β)；

W_i^(m)＝W_i^(c)＝k/[2(n+k)],i＝1,…,2n；

其中，k＝α²(n+λ)-n，α、λ和β为预设参数。

其中，α确定x周围Sigma点的分布程度，通常设为一个较小的正数(1＞α≥1e^-4)；β为状态分布参数，对于高斯分布β＝2是最优的，如果状态变量是单变量，则最佳的选择是β＝0。适当调节α、λ可以提高估计均值的精度；调节β可以提高方差精度。

采用以下公式计算输出量y的均值：

采用以下公式计算输出量y的方差：

UT变换包括以下特点：

(1)对非线性函数的概率密度分布进行近似，而不是对非线性函数进行近似，即使系统的模型复杂，也不增加算法实现的难度；

(2)所得到的非线性函数的统计量的准确性可以达到三阶(泰勒展开)；

(3)不需要计算Jacobi矩阵，可以处理不可导非线性函数。

区别于现有技术，本实施方式的光纤采样信号的滤波方法包括：获取光纤采样信号；其中，光纤采样信号由光纤反射的光信号转换得到；采用UKF滤波器对光纤采样信号进行滤波，以获得滤波后的光纤采样信号。能够在不增加算法难度的情况下，采用UT变换对非线性函数的概率密度分布进行近似，能够更加准确的验证光纤采样信号的均值和方差，降低了噪声对光纤振动信号的影响，提高了光纤振动振源识别的准确性。

参阅图5，图5是本发明光纤采样信号的滤波装置一实施方式的结构示意图，该装置包括：

获取模块51，用于获取光纤采样信号；其中，光纤采样信号由光纤反射的光信号转换得到。

滤波模块52，用于采用UKF滤波器对光纤采样信号进行滤波，以获得滤波后的光纤采样信号。

可选的，滤波模块52具体用于：建立光纤采样信号的状态方程：x_k+1＝f(x_k,u_k)+ω_k；和观测方程：y_k＝h(x_k)+v_k；其中，x_k为光纤采样信号状态量，y_k为光纤采样信号观测量，u_k为系统输入，ω_k为所述滤波器噪声，v_k为观测白噪声；利用光纤采样信号的观测量和状态方程对光纤采样信号的状态量进行估算，以得到光纤采样信号的状态估计值；根据光纤采样信号的观测量和光纤采样信号的状态估计值，得到UKF滤波器的增益，从而对光纤采样信号进行滤波。

可选的，滤波模块52具体用于：利用预先获取的光纤采样信号的观测量对光纤采样信号的状态量进行估算，以得到第一状态量估计值：利用当前时刻获取的光纤采样信号的观测量对第一状态量估计值进行修正，以得到第二状态量估计值：其中，为光纤采样信号状态量x_k的估计值，为光纤采样信号观测量y_k的估计值。

可选的，滤波模块52具体用于：采用以下公式计算UKF滤波器的增益：其中，

可选的，滤波模块52还用于：构造点集x_i；对点集x_i进行f(·)非线性变换，以得到变换后的点集Y_i＝f(x_i)；其中，f(·)为与状态方程相对应的函数；对变换后的点集Y_i＝f(x_i)进行加权处理，以得到光纤采样信号观测量y的均值和方差。

可选的，滤波模块52具体用于：根据随机向量x的平均值和密度函数P_x，建立2n+1个点集x_i：其中，n为光纤采样信号状态量x_k的维数，k为尺度参数。

可选的，滤波模块52具体用于：获取均值权系数W_i^(m)和方差权系数W_i^(c)；采用以下公式计算输出量y的均值：采用以下公式计算输出量y的方差：

可选的，滤波模块52具体用于：采用以下公式计算均值权系数W_i^(m)和方差权系数W_i^(c)：W₀^(m)＝k/(n+k)；W₀^(c)＝k/(n+k)+(1-α²+β)；W_i^(m)＝W_i^(c)＝k/[2(n+k)],i＝1,…,2n；其中，k＝α²(n+λ)-n，α、λ和β为预设参数。

可以理解的，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。

参阅图6，图6是本发明光纤采样信号的滤波装置另一实施方式的结构示意图，该装置包括处理器61、存储器62、接收器63以及发送器64。

其中，处理器61、存储器62、接收器63以及发送器64均可以是一个或多个。

接收器63用于接收外部设备发送的信息，例如，可以是光纤传感器发送的光纤采样信号或从中提取的状态量。

发送器64用于将处理的结果发送出去，例如，可以将报警信号发送给报警器、显示器等，当然，在其他实施方式中，也可以没有发送器64。

存储器62用于存储系统文件、应用软件以及预设的算法、函数、参数、阈值等，还可以存储光纤历史振动信号或对振动级别的提取的历史状态量。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。

处理器61用于执行以下步骤：

通过接收器63获取光纤采样信号；其中，光纤采样信号由光纤反射的光信号转换得到；采用UKF滤波器对光纤采样信号进行滤波，以获得滤波后的光纤采样信号。

可选的，处理器61具体用于：建立光纤采样信号的状态方程：x_k+1＝f(x_k,u_k)+ω_k；和观测方程：y_k＝h(x_k)+v_k；其中，x_k为光纤采样信号状态量，y_k为光纤采样信号观测量，u_k为系统输入，ω_k为所述滤波器噪声，v_k为观测白噪声；利用光纤采样信号的观测量和状态方程对光纤采样信号的状态量进行估算，以得到光纤采样信号的状态估计值；根据光纤采样信号的观测量和光纤采样信号的状态估计值，得到UKF滤波器的增益，从而对光纤采样信号进行滤波。

可选的，处理器61具体用于：利用预先获取的光纤采样信号的观测量对光纤采样信号的状态量进行估算，以得到第一状态量估计值：利用当前时刻获取的光纤采样信号的观测量对第一状态量估计值进行修正，以得到第二状态量估计值：其中，为光纤采样信号状态量x_k的估计值，为光纤采样信号观测量y_k的估计值。

可选的，处理器61具体用于：采用以下公式计算UKF滤波器的增益：其中，

可选的，处理器61还用于：构造点集x_i；对点集x_i进行f(·)非线性变换，以得到变换后的点集Y_i＝f(x_i)；其中，f(·)为与状态方程相对应的函数；对变换后的点集Y_i＝f(x_i)进行加权处理，以得到光纤采样信号观测量y的均值和方差。

可选的，处理器61具体用于：根据随机向量x的平均值和密度函数P_x，建立2n+1个点集x_i：其中，n为光纤采样信号状态量x_k的维数，k为尺度参数。

可选的，处理器61具体用于：获取均值权系数W_i^(m)和方差权系数W_i^(c)；采用以下公式计算输出量y的均值：采用以下公式计算输出量y的方差：

可选的，处理器61具体用于：采用以下公式计算均值权系数W_i^(m)和方差权系数W_i^(c)：W₀^(m)＝k/(n+k)；W₀^(c)＝k/(n+k)+(1-α²+β)；W_i^(m)＝W_i^(c)＝k/[2(n+k)],i＝1,…,2n；其中，k＝α²(n+λ)-n，α、λ和β为预设参数。

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耦合在一起，其中总线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。

可以理解的，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。

在本发明所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的方法以及设备，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备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。

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。

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。

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(ROM，Read-Only 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。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。