CN110160569A - 用于分布式光纤传感信号的降噪方法、***及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明实施方式提供一种用于分布式光纤传感信号的降噪方法，属于光纤传感技术领域。所述降噪方法包括：获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的变化量的分布矩阵；基于预设的对应关系根据所述分布矩阵形成目标光纤在时间和距离上的温度分布以及目标光纤在时间和距离上的应变分布；采用ARI模型对所述温度分布进行建模以形成目标光纤的应变、温度的状态方程；根据所述对应关系形成所述目标光纤的应变、温度的观测方程；采用卡尔曼滤波算法对所述状态方程和所述观测方程进行求解；将求解的结果应用于对所述目标光纤的传感信号的降噪操作中。该降噪方法、***及存储介质可以提高传感信号的精度。

Description

用于分布式光纤传感信号的降噪方法、***及存储介质
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体地涉及一种用于分布式光纤传感信号的降噪方法、***及存储介质。
背景技术
输电线路以及电力光缆除了要承载自身重量的机械力作用外，运行条件恶劣，不仅需要穿越高海拔、多积雪、重覆冰的地区，还会受到恶劣天气如大风、雷暴等环境因素的影响，在过去的几十年间，我国多地曾发生了因覆冰、舞动以及雷击等因素引起的输电架空线路跳闸或停运故障，影响了电力***的安全稳定运行。
针对电力传输线缆进行安全健康在线监测，及时发现故障并发出预警尤为重要。国内外传统的电力传输线路监测预警方案主要有人工巡检法、称重法，模拟导线法和图像监测法。但人工巡检法劳动强度大，成本高，检测结果与实际差距很大；称重法采用的拉力传感器存在非线性、蠕变、零点漂移等问题；模拟导线法中的模型在实际运行时不能完全区分是由风荷载还是冰荷载导致的拉力变化，无法反应不均匀覆冰现象；图像监测法的观测视场有限，且恶劣天气条件下的拍摄效果不理想，通常仅能够作为覆冰监测的辅助手段。
光纤传感技术可以实现对应变、温度、振动等多种参量的测量，而这些参量与输电线路中常见的异常事件如覆冰、舞动、雷击等有着高度的关联性。与电子式传感器相比，光纤传感技术具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、绝缘、易于远距离遥测、便于组网、保密性好、重量轻可微型化等优点，使得光纤传感技术在工控环境较为恶劣的电力领域中获得广泛应用。在输电线路的监测中，目前主要使用的技术包括光纤布拉格光栅(FBG)传感器和分布式光纤传感器。FBG是通过测量FBG反射波长的变化，可以实现对应变、温度的测量，测量精度高、响应快，但需要在输电线路中进行专门的铺设，并用光纤将各个FBG传感器连接起来，施工复杂，同时可串联的FBG传感器数量十分有限，无法对线路全程进行连续监测。相对于点式光纤传感器，分布式光纤传感器通常基于光时域反射(OTDR)原理，向光纤中注入的脉冲光向前传输的过程中，在光纤各个位置不断产生后向散射光。光纤受到外界作用时，会引起散射光频率、功率、相位等参量的变化，通过在脉冲入射端检测背向散射光各种参量的变化，在整个光纤长度上对光纤任意一点进行测量，同时获取被测参量的空间分布状态和随时间变化的信息。BOTDR、POTDR等分布式光纤传感技术可利用输电线路中已有的通信光纤，与输电线路的连接十分方便，且可监测任意位置处的事件。
输电线路监测常用的分布式光纤传感技术有布里渊光时域反射计(BOTDR)、偏振光时域反射计(POTDR)等。其中，BOTDR通过测量光纤中布里渊散射光的频率变化进行传感，可实现对光纤应变或温度的测量；POTDR通过测量光纤中瑞利散射光的偏振态变化进行传感，主要用于对光纤的振动情况进行传感。
罗健斌等通过将专门设计的FBG应变传感器悬挂在导线和杆塔之间，通过测量输电线缆对应变传感器的下拉力来进行覆冰的测量。2009年，李成宾等提出了利用BOTDR测量的应变变化进行输电线缆覆冰监测。覃兆宇等人提出了基于BOTDR技术的覆冰识别***，南京大学张旭苹团队成功利用自主开发的BOTDR***对OPGW线缆在雷击放电后的温度变化进行了监测试验。龚庆武等提出了一种基于偏振态变化对雷击点进行定位的方法，通过检测OPGW内部光纤中传输光在雷击前后引起的偏振态变化来判定雷击点位置。
分布式光纤传感技术在用于应变、温度等参数在线监测时，将传感的光信号转换为电信号进行解调得到的测量信号很弱，与输入信号功率相差20dB以上，因此需要采用后期数据处理方法来对测量数据进行变换处理，用于提高被测数据的信噪比，从而确保传感测量数据的真实可靠。BOTDR***的数据采集与信号处理模块对斯托克斯和反斯托克斯双通道信号测量数据进行存储并累加处理，消除噪声从而获得微弱有用信号。目前常用的数据处理算法为线性累加平均算法、递推式平均算法、指数加权平均算法、小波变换和时间序列分析等。线性累加平均算法具有良好的信噪比提升效果，但是依赖需要N次累加获得平均值，采集次数大大增加。递推式平均算法在每次采样数据到来时，对上次平均结果进行更新，以获得新的平均结果，但是随着时间的推移，新的采样数据作用越来越小，不利于对时变信号跟踪处理。指数加权平均算法是将本次采样的平均结果表达为上次平均结果与新到来的采样数据的凸线性表达式，该方法依赖修正参数且对新数据赋予更多权重。小波变换去噪声正是利用有用信号和噪声在小波变换各尺度上的传播特性差异，抑制噪声并增强有用信号。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种用于分布式光纤传感信号的降噪方法、***及存储介质。该降噪方法、***及存储介质可以降低分布式光纤传感信号中的噪声，提高分布式光纤传感信号的精度。
为了实现上述目的，本发明实施方式提供一种用于分布式光纤传感信号的降噪方法，所述降噪方法包括：
获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵，其中，所述布里渊散射光传感信号包括布里渊散射光频移和/或布里渊光功率的变化量；
基于预设的对应关系根据所述分布矩阵形成目标光纤在时间和距离上的温度分布以及目标光纤在时间和距离上的应变分布；
采用ARI模型对所述温度分布进行建模以形成目标光纤的应变、温度的状态方程；
根据所述对应关系形成所述目标光纤的应变、温度的观测方程；
采用卡尔曼滤波算法对所述状态方程和所述观测方程进行求解；
将求解的结果应用于对所述目标光纤的传感信号的降噪操作中。
可选地，所述获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵包括：
预设BOTDR***，其中，所述BOTDR***包括：
光源；
第一光纤耦合器，第一端与所述光源连接；
脉冲调制器，一端与所述第一光纤耦合器的第二端连接；
环形器，第一端与所述脉冲调制器的另一端连接，第二端与所述目标光纤连接；
第二光纤耦合器，第一端与所述第一光纤耦合器的第三端连接，第二端与所述环形器的第三端连接；
光电探测器，一端与所述第二光纤耦合器的第三端连接；
微波信号发生器；
混频节点，第一端与所述光电探测器的另一端连接，第二端与所述微波信号发生器连接；
数据采集与信号处理模块，与所述混频节点的第三端连接；
通过所述数据采集与信号处理模块接收所述目标光纤的布里渊散射光传感信号。
可选地，所述获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵包括：
根据公式(1)构建所述分布矩阵，
其中，M为接收探测光脉冲的数量，N为每个所述探测光脉冲包括的所述布里渊散射光传感信号的数量，xm,n为第m个所述探测光脉冲的第n个所述布里渊散射光传感信号，其中，1≤m≤M，1≤n≤N，VM×N为方差为的零均值高斯白噪声。
可选地，所述对应关系包括公式(2)，
其中，Δε为所述目标光纤的应变的变化值，ΔT为所述目标光纤的温度的变化值，为所述布里渊散射光频移的变化值，ΔPB为所述布里渊散射光功率的变化值，PB为布里渊散射光功率，Cνε为预设的所述布里渊散射光频移的应变系数，CνT为预设的所述布里渊散射光频移的温度系数，CPε为预设的布里渊散射光功率的应变系数，CPT为预设的布里渊散射光功率的温度系数，为布里渊散射光频移变化值的测量噪声，为布里渊散射光功率变化值的测量噪声。
另一方面，本发明还提供一种用于分布式光纤传感信号的降噪***，所述降噪***包括处理器，所述处理器用于执行上述任一所述的降噪方法。
再一方面，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有指令，所述指令用于被机器读取以使得所述机器执行上述任一所述的降噪方法。
通过上述技术方案，本发明提供的用于分布式光纤传感信号的降噪方法、***及存储介质通过根据接收到的布里渊散射光传感信号建立目标光纤温度变化量时间序列的模型，使得可以在不深究探测光序列产生背景的情况下，直接依据该模型本身的时序性和自相关性作为目标光纤本身的温度、应变的状态方程；再进一步基于该模型和预设的对应关系，建立目标光纤的温度、应变观测方程；接着采用卡尔曼滤波算法对建立的状态方程和观测方程进行求解以得到目标光纤的温度、应变随着时间、距离的变化分布，并将该求解结果应用于对传感信号的降噪操作中，提高了传感信号的精度。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是根据本发明一个实施方式的用于分布式光纤传感信号的降噪方法的流程图；
图2是根据本发明的一个实施方式的BOTDR***的结构示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的目标光纤的温度变化情况的示意图；以及
图4是根据本发明的一个实施例的采用卡尔曼滤波算法进行求解过程的协方差收敛特性的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施方式的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施方式，并不用于限制本发明实施方式。
如图1所示是根据本发明的一个实施方式的用于分布式光纤传感信号的降噪方法的流程图。在图1中，该方法可以包括：
在步骤S10中，获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵，其中，所述布里渊散射光传感信号包括布里渊散射光频移和/或布里渊光功率的变化量。对于该布里渊散射光传感信号，可以是例如采用如图2所示的BOTDR(Brillouin Optical Time DomainReflectometer，布里渊光时域反射)***来获取。对于该BOTDR***，如图2所示，可以包括光源01、第一光纤耦合器02、脉冲调制器03、环形器04、第二光纤耦合器05、光电探测器06、微波信号发生器07、数据采集与信号处理模块08和混频节点09。
第一光纤耦合器02的一端与光源01的输出口连接，脉冲调制器03的输入端与第一光纤耦合器02的另一端连接，环形器04的第一端与脉冲调制器03的输出端连接，环形器04的第二端与目标光纤10连接，第二光纤耦合器05的一端分别与环形器04的第三端、第一光纤耦合器02的一端连接，该第二光纤耦合器05的另一端与光电探测器06的一端连接，光电探测器06的另一端用于向混频节点09输出检测信号，微波信号发生器07用于向该混频节点09输出微波信号，数据采集与信号处理模块08用于接收混频后的传感信号。
第一光纤耦合器02将光源01的输出光分光为探测光和参考光两路光路。探测光经过脉冲调制器03被调制为光脉冲模式，经过环形器04进入目标光纤10。光脉冲模式的探测光经过目标光纤10再次返回环形器04，并进一步进入第二光纤耦合器05与未经过处理的参考光相互干涉以形成干涉光信号。光电探测器06接收该干涉光信号产生相应的电信号，该电信号被输入混频节点中与微波信号发生器07输入的微波信号混频以产生传感信号。最后，数据采集与信号处理模块08接收该传感信号。
在获取数据时，可以发送多束探测光脉冲，并在接收每个探测光脉冲的布里渊散射光传感信号时，每隔一个预定的采样周期通过数据采集与信号处理模块08接收探测光脉冲的布里渊散射光的多个布里渊散射光功率与频移变化量，从而得到如公式(1)所示的由多个布里渊光功率和/或频移的变化量构成的时间和空间的分布矩阵，
其中，M为接收到的探测光脉冲的数量，N为每个探测光脉冲包括的布里渊散射光传感信号的数量，xm,n为第m个探测光脉冲的第n个布里渊散射光传感信号，其中，1≤m≤M，1≤n≤N，VM×N为方差为的零均值高斯白噪声。
由于每次采样了N个布里渊散射光传感信号，那么，基于探测光脉冲沿光纤传播，以及光纤各处的布里渊散射光背向传播的原理，可以理解为针对发送或接收的第m个探测光脉冲构成的序列{xm,1,xm,2,...,xm,N}实质上为一段探测光(光脉冲模式)在目标光纤长度上的空间分布。其中，N表示该分布在目标光纤长度上的采样点的个数，xm,n表示发送第m个探测光脉冲或接收到的第m个布里渊散射光传感信号时，针对该探测光脉冲的布里渊散射光传感信号的第n个采样点的布里渊散射光传感信号的值。另外，也可以根据公式(2)计算该采样点在目标光纤长度方向上的位置，
Δx＝nTsc/2， (2)
其中，Δx为该布里渊散射光传感信号值xm,n所处目标光纤的采样点位置与入射探测光脉冲进入该目标光纤端点的距离，Ts为针对该探测光脉冲背向布里渊散射光采样的时间周期，c为光速。
那么，对于该分布矩阵中的任意一个列向量也可以理解为在一段时间内，目标光纤上的第n个采样点位置的布里渊散射光功率或频移变化量(布里渊光散射传感信号)在时间轴上的分布。
在步骤S20中，基于预设的对应关系根据该分布矩阵形成目标光纤在时间和距离上的温度分布以及目标光纤在时间和距离上的应变分布。在该实施方式中，该预设的对应关系可以是本领域人员根据布里渊散射光功率变化量、布里渊光散射光频移变化量、光纤的应变和光纤的温度的相关关系来确定。在本发明的一个示例中，可以根据公式(3)来确定该对应关系，
其中，Δε为目标光纤的应变的变化量，ΔT为目标光纤的温度的变化量，为布里渊散射光频移的变化量，ΔPB为布里渊散射光功率的变化量，PB为布里渊散射光功率，Cνε为预设的布里渊散射光频移的应变系数，CνT为预设的布里渊散射光频移的温度系数，CPε为预设的布里渊散射光功率的应变系数，CPT为预设的布里渊散射光功率的温度系数，为布里渊散射光频移的变化量的测量噪声，为布里渊散射光功率变化量的测量噪声。
对于上述各个预设值，本领域人员可以根据光纤的材料类型来确定。在本发明的一个示例中，在该目标光纤为单模石英光纤、光源的入射光(输出光)的波长为1550nm的情况下，各个预设值可以是如公式(4)所示，
在该示例中，可以将公式(1)带入该公式(3)中，从而得到该温度分布和应变分布。
在步骤S30中，采用ARI(Auto Regressive Integrated，整合自回归模型)模型对该温度分布进行建模以形成目标光纤的应变、温度的状态方程。对于该ARI模型，可以是本领域人员所知的ARI模型。在本发明的一个示例中，该ARI模型可以是例如公式(5)所示，
其中，T(m)为第m个接收布里渊散射光功率与频移变化量(布里渊散射光传感信号)时目标光纤上对应一个点的温度值，uT,m为均值为0且服从高斯分布的模型残差，p为ARI模型的滞后阶数，d为ARI模型的差分阶数，因此，p+d为公式(5)中温度变量的总滞后阶数，为该ARI模型的参数值。
由于目标光纤上每个采样点的温度的计算方式大致相同，那么，为了避免赘述，可以从温度分布的矩阵中任意选取第n组列向量(表示目标光纤上的第n个采样点处在一段时间内的温度变化)，如公式(6)所示，
xn＝{xn,1,xn,2,...,xn,M}H， (6)
其中，(·)H为向量或矩阵的转置，xn,m为目标光纤上的第n个采样点在接收第m个布里渊散射光传感信号时对应的温度值。对于根据布里渊散射光传感信号获得对应的温度值的方式，可以是例如根据公式(3)示出的对应关系来获得。
为了使得随机选取的列向量能够很好的适应公式(5)示出的ARI模型，可以采用公式(7)至公式(11)对该列向量(公式(6))进行改写，
T1(m)＝T(m)， (8)
T2(m)＝T(m-1)， (9)
…
Tp+d-1(m)＝T(m-p-d+2)， (10)
Tp+d(m)＝T(m-p-d+1)， (11)
其中，uT,m+1为m+1时刻(接收的第m+1个探测信号的时刻)叠加在温度变量T1(m+1)的噪声值；为公式(5)中温度分布ARI模型参数；T(m)为第m次接收传感信号时目标光纤的温度值，T1(m)为预设的用于表示温度值T(m)的温度变量；T(m-1)第m-1次接收传感信号时目标光纤的温度值，T2(m)为预设的用于表示温度值T(m-1)的温度变量；T(m-p-d+2)为第m-p-d+2次接收传感信号时目标光纤的温度值，Tp+d-1(m)为预设的用于表示温度值T(m-p-d+2)的温度变量；T(m-p-d+1)为第m-p-d+1次接收传感信号时目标光纤的温度值，Tp+d(m)为预设的用于表示温度值T(m-p-d+1)的温度变量；
从而得到如公式(12)所示的第m+1次接收布里渊散射光功率与频移变化量(传感信号)时温度的状态方程，
对于该目标光纤的应变的状态方程，可以根据悬链法计算该目标光纤的固定应变值，与计算该目标光纤的温度的状态方程的过程类似，可以选取分布矩阵的第n列xn＝{xn,1,xn,2,...,xn,M}H作为计算的采样点(可以根据公式(3)示出的对应关系该布里渊散射光传感信号转化为目标光纤的应变)，那么该目标光纤的应变的状态方程可以是例如公式(13)所示，
ε(m+1)＝ε(m)+uε,m+1， (13)
其中，uε,m+1为布里渊散射光功率与频移变化量测量误差的线性加权，ε(m+1)为第m+1次接收布里渊散射光功率与频移的变化量时选取的采样点传感信号对应的应变，ε(m)为第m次接收布里渊光功率与频移的变化量时选取的采样点传感信号对应的应变。
再将公式(12)示出的温度的状态方程和公式(13)示出的应变的状态方程联立，可以得到如公式(14)所示出的该目标光纤的应变、温度的状态方程，
在步骤S40中，预设该目标光纤的应变、温度的观测方程。在该实施方式中，该目标光纤的应变、温度的观测方程可以是本领域人员所知的多种形式，在本发明的一个示例中，考虑到公式(3)示出的对应关系，可以直接将该公式(3)改写成公式(15)示出的应变、温度的观测方程，
在步骤S50中，采用卡尔曼滤波算法对应变、温度的状态方程和观测方程进行求解。在该实施方式中，计算出的应变、温度的状态方程和观测方程由于未考虑针对测量噪声的处理，那么，在该步骤S50中，可以采用卡尔曼滤波算法对该噪声进行抑制，得到该目标光纤的温度、应变在时间和距离上的分布，从而有效提升滤波后的光纤温度和应变值的信噪比，有效地提高了分布式光纤温度和应变的测量精度。
对于该卡尔曼滤波算法求解的过程，可以是本领域人员所知的多种形式。在本发明的一个示例中，该过程可以是例如：
1、根据卡尔曼滤波状态方程、观测方程的标准形式，可以将公式(14)和公式(15)示出的状态方程和观测方程改写为公式(16a)和公式(16b)，
W(m+1)＝F(m+1,m)W(m)+um， (16a)
Y(m)＝C(m)W(m)+νm， (16b)
其中，
Q1(m)为状态转移噪声方差，Q1(m)为测量噪声方差。
2、将改写后的公式(16a)和公式(16b)代入公式(17a)至公式(17d)中迭代计算，从而得到最优的W*(m+1)，即目标光纤的应变、温度值，
K*(m)＝F(m+1,m)P*(m)CH[CP*(m)CH+Q2(m)]-1， (17a)
F*(m+1,m)＝F(m+1,m)-K*(m)C， (17b)
W*(m+1)＝F*(m+1,m)W*(m)+K*(m)Y(m)， (17c)
P*(m+1)＝F*(m+1,m)P*(m)F*H(m+1,m)+Q1(m)， (17d)
其中，K*(m)为最优卡尔曼滤波系数，P*(0)＝E[W(0)W(0)H]为初始的协方差矩阵，另外，状态转移噪声方差Q1(m)＝10-2I2，测量噪声方差Q1(m)＝10-2I(p+d+1)，初始误差协方差矩阵P*(0)＝I(p+d+1)。
在步骤S60中，将求解的结果应用于目标光纤温度、应变值的降噪操作中。
另一方面，本发明还提供一种用于分布式光纤传感信号的降噪***，该降噪***可以包括处理器，该处理器可以用于执行如图1中所示出的降噪方法。
再一方面，本发明还提供一种存储介质，该存储介质存储有指令，该存储指令可以用于被机器读取以使得该机器执行如图1中所示出的降噪方法。
通过上述技术方案，本发明提供的用于分布式光纤传感信号的降噪方法、***及存储介质通过建立目标光纤反馈的探测光的布里渊散射光功率与频移变化量关于时间序列的模型，使得可以在不深究探测光序列的产生背景的情况下，直接依据该模型本身的时序性和自相关性作为目标光纤本身的温度、应变的状态方程；再进一步基于该模型和预设的对应关系，建立目标光纤的温度、应力的观测方程；接着采用卡尔曼滤波算法对建立的状态方程和观测方程进行求解，从而将求解结果应用于对温度、应变计算值的降噪操作中，提高了针对目标光纤温度、应变值的测量精度；最后，得到目标光纤在温度、应变随着时间、距离的精确变化分布。
实施例1
选取OPGW光纤上位于1000m处的某点作为目标光纤，将该目标光纤从20℃加热至45.5℃，再关闭加热装置以使得该目标光纤从45.5℃冷却至20℃。以如图1所示的BOTDR***接收该目标光纤在加热和冷却过程中反馈的信号。基于该反馈信号，采用上述所述的降噪方法对该反馈信号进行处理，再根据如公式(3)所示出的对应关系得到从反馈信号中计算的目标光纤的温度变化情况，如图3所示。
在图3中，可以看出，经过本发明提供的降噪方法处理后的反馈信号可以很好地反馈出目标光纤的温度变化。
如图4所示是实施本发明提供的降噪方法时，采用卡尔曼滤波算法对状态方程、观测方程进行求解过程中的协方差收敛特性图。从图4中可以看出，在求解的过程中，当迭代次数达到10次，协方差的值就逐渐收敛于0.013以下并趋于稳定。相对于现有技术而言，在本发明的降噪方法的收敛速度大大提高。
以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请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-OnlyMemory)、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。
此外，本发明实施方式的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (6)

1.一种用于分布式光纤传感信号的降噪方法，其特征在于，所述降噪方法包括：
获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵，其中，所述布里渊散射光传感信号包括布里渊散射光频移和/或布里渊光功率的变化量；
基于预设的对应关系根据所述分布矩阵形成目标光纤在时间和距离上的温度分布以及目标光纤在时间和距离上的应变分布；
采用ARI模型对所述温度分布进行建模以形成目标光纤的应变、温度的状态方程；
根据所述对应关系形成所述目标光纤的应变、温度的观测方程；
采用卡尔曼滤波算法对所述状态方程和所述观测方程进行求解；
将求解的结果应用于对所述目标光纤的传感信号的降噪操作中。
2.根据权利要求1所述的降噪方法，其特征在于，所述获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵包括：
预设BOTDR***，其中，所述BOTDR***包括：
光源；
第一光纤耦合器，第一端与所述光源连接；
脉冲调制器，一端与所述第一光纤耦合器的第二端连接；
环形器，第一端与所述脉冲调制器的另一端连接，第二端与所述目标光纤连接；
第二光纤耦合器，第一端与所述第一光纤耦合器的第三端连接，第二端与所述环形器的第三端连接；
光电探测器，一端与所述第二光纤耦合器的第三端连接；
微波信号发生器；
混频节点，第一端与所述光电探测器的另一端连接，第二端与所述微波信号发生器连接；
数据采集与信号处理模块，与所述混频节点的第三端连接；
通过所述数据采集与信号处理模块接收所述目标光纤的布里渊散射光传感信号。
3.根据权利要求1所述的降噪方法，其特征在于，所述获取目标光纤的布里渊散射光传感信号的分布矩阵包括：
根据公式(1)构建所述分布矩阵，
其中，M为接收的探测光脉冲的数量，N为每个探测光脉冲包括的所述布里渊散射光传感信号的数量，xm,n为第m个所述探测光脉冲的第n个所述布里渊散射光传感信号，其中，1≤m≤M，1≤n≤N，VM×N为方差为的零均值高斯白噪声。
4.根据权利要求1所述的降噪方法，其特征在于，所述对应关系包括公式(2)，
其中，Δε为所述目标光纤的应变的变化值，ΔT为所述目标光纤的温度的变化值，为所述布里渊散射光频移的变化值，ΔPB为所述布里渊散射光功率的变化值，PB为布里渊散射光功率，Cνε为预设的所述布里渊散射光频移的应变系数，CνT为预设的所述布里渊散射光频移的温度系数，CPε为预设的布里渊散射光功率的应变系数，CPT为预设的布里渊散射光功率的温度系数，为布里渊散射光频移变化值的测量噪声，为布里渊散射光功率变化值的测量噪声。
5.一种用于分布式光纤传感信号的降噪***，其特征在于，所述降噪***包括处理器，所述处理器用于执行如权利要求1至4任一所述的降噪方法。
6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有指令，所述指令用于被机器读取以使得所述机器执行如权利要求1至4任一所述的降噪方法。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111412947A (zh) * 2020-03-25 2020-07-14 安徽继远软件有限公司 一种全分布式opgw光缆覆冰在线监测装置及控制方法
CN111426371A (zh) * 2020-01-17 2020-07-17 中国人民解放军海军工程大学 采用双方波和b-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅
CN111934738A (zh) * 2020-08-13 2020-11-13 盐城工学院 一种新型应急通信直放站通信方法及***
CN113687158A (zh) * 2021-08-17 2021-11-23 重庆大学 一种高分辨率的φ-OTDR分布式光纤传感***及方法
CN116399379A (zh) * 2023-06-07 2023-07-07 山东省科学院激光研究所 分布式光纤声波传感***及其测量方法
CN116915321A (zh) * 2023-09-12 2023-10-20 威海威信光纤科技有限公司 一种光纤总线快速测试方法及***
CN117978271A (zh) * 2024-04-02 2024-05-03 浙江大学 一种光纤通信强干扰抑制方法、***、设备及存储介质
CN118101057A (zh) * 2024-04-22 2024-05-28 苏州城市学院 一种基于多源数据分析的光纤通讯状态评估方法及***

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101975626B (zh) * 2010-10-13 2012-01-25 华中科技大学 一种基于布里渊散射的分布式光纤传感***
CN102401667A (zh) * 2011-09-29 2012-04-04 北京航空航天大学 具有扰动性质识别功能的光纤分布式扰动传感方法及其***
CN102798411A (zh) * 2012-07-27 2012-11-28 广西师范大学 基于布里渊散射的分布式光纤传感测量***及测量方法
CN103033283A (zh) * 2011-09-30 2013-04-10 上海华魏光纤传感技术有限公司 一种分布式光纤测温***降噪方法
CN106404215A (zh) * 2015-08-13 2017-02-15 珠海任驰光电科技有限公司 基于布里渊散射的分布式光纤传感***的设计
CN107202653A (zh) * 2017-06-27 2017-09-26 广州市禹成消防科技有限公司 分布式光纤测温***的降噪方法及装置
CN107270952A (zh) * 2017-07-27 2017-10-20 天津求实飞博科技有限公司 基于光频域反射长距离光纤分布式扰动传感信号处理方法
CN107436201A (zh) * 2017-08-01 2017-12-05 山东大学 基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***及方法
CN108253999A (zh) * 2016-12-29 2018-07-06 中国科学院半导体研究所 一种用于分布式光纤声传感***的降噪方法
CN108709661A (zh) * 2018-07-26 2018-10-26 苏州光格设备有限公司 用于分布式光纤测温***的数据处理方法及装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101975626B (zh) * 2010-10-13 2012-01-25 华中科技大学 一种基于布里渊散射的分布式光纤传感***
CN102401667A (zh) * 2011-09-29 2012-04-04 北京航空航天大学 具有扰动性质识别功能的光纤分布式扰动传感方法及其***
CN103033283A (zh) * 2011-09-30 2013-04-10 上海华魏光纤传感技术有限公司 一种分布式光纤测温***降噪方法
CN102798411A (zh) * 2012-07-27 2012-11-28 广西师范大学 基于布里渊散射的分布式光纤传感测量***及测量方法
CN106404215A (zh) * 2015-08-13 2017-02-15 珠海任驰光电科技有限公司 基于布里渊散射的分布式光纤传感***的设计
CN108253999A (zh) * 2016-12-29 2018-07-06 中国科学院半导体研究所 一种用于分布式光纤声传感***的降噪方法
CN107202653A (zh) * 2017-06-27 2017-09-26 广州市禹成消防科技有限公司 分布式光纤测温***的降噪方法及装置
CN107270952A (zh) * 2017-07-27 2017-10-20 天津求实飞博科技有限公司 基于光频域反射长距离光纤分布式扰动传感信号处理方法
CN107436201A (zh) * 2017-08-01 2017-12-05 山东大学 基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感***及方法
CN108709661A (zh) * 2018-07-26 2018-10-26 苏州光格设备有限公司 用于分布式光纤测温***的数据处理方法及装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
尚静等: "《小波阈值降噪法在Φ－ＯＴＤＲ扰动传感***中的应用》", 《现代电子技术》 *
黎威等: "《基于小波包的相位敏感ＯＴＤＲ分布式光纤振动信号降噪方法的研究》", 《光电子.激光》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111426371A (zh) * 2020-01-17 2020-07-17 中国人民解放军海军工程大学 采用双方波和b-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅
CN111426371B (zh) * 2020-01-17 2022-07-12 中国人民解放军海军工程大学 采用双方波和b-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅的方法
CN111412947A (zh) * 2020-03-25 2020-07-14 安徽继远软件有限公司 一种全分布式opgw光缆覆冰在线监测装置及控制方法
CN111934738A (zh) * 2020-08-13 2020-11-13 盐城工学院 一种新型应急通信直放站通信方法及***
CN113687158A (zh) * 2021-08-17 2021-11-23 重庆大学 一种高分辨率的φ-OTDR分布式光纤传感***及方法
CN116399379A (zh) * 2023-06-07 2023-07-07 山东省科学院激光研究所 分布式光纤声波传感***及其测量方法
CN116399379B (zh) * 2023-06-07 2023-11-03 山东省科学院激光研究所 分布式光纤声波传感***及其测量方法
CN116915321A (zh) * 2023-09-12 2023-10-20 威海威信光纤科技有限公司 一种光纤总线快速测试方法及***
CN116915321B (zh) * 2023-09-12 2023-12-01 威海威信光纤科技有限公司 一种光纤总线快速测试方法及***
CN117978271A (zh) * 2024-04-02 2024-05-03 浙江大学 一种光纤通信强干扰抑制方法、***、设备及存储介质
CN118101057A (zh) * 2024-04-22 2024-05-28 苏州城市学院 一种基于多源数据分析的光纤通讯状态评估方法及***

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