[发明专利]一种用于分布式光纤声传感系统的降噪方法

说明书

本发明公开了一种用于分布式光纤声传感系统的降噪方法，利用传感光纤不同位置处的相位噪声特征参数，构建最优降噪算法，无需人为干预相关参数的设定，最大程度提升分布式光纤声传感系统的信噪比。

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是涉及一种用于分布式光纤声传感系统的降噪方法。

背景技术

分布式光纤传感技术是光纤传感的一个重要分支，利用光波在光纤中传输时相位、偏振、幅度、波长等对外界敏感的特性，可以连续实时地监测光纤附近的温度、应变、振动和声音等物理量，具有很好的应用前景，在光纤传感市场占据主要地位。

根据传感原理，分布式光纤传感技术主要可分为基于干涉原理和基于后向散射探测技术两类。前者利用M-Z型、Sagnac型以及复合型结构通过定位算法和解调算法得到相关位置信息和外界物理信息。后者利用背向散射光的偏振、光强、频移和相位等变化来测量外界物理量。常用类型包括相位敏感光时域反射型(Φ-OTDR)，偏振光时域反射型(P-OTDR)、布里渊光时域反射型(B-OTDR)、拉曼光时域反射型(R-OTDR)等。其中，Φ-OTDR适合长距离高空间分辨率的分布式振动或声传感，在周界安全、地震勘探、管道监测等方面有着显著优势。

分布式光纤声传感(distributed acoustic sensing，DAS)采用Φ-OTDR技术，通过检测传感光纤中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式振动或声传感。基本工作原理如下：当外界振动或声音作用于传感光纤某一位置时，该位置处的光纤将会感受到外界应力或应变的作用，引起导致背向散射光在传输时的相位发生变化通过检测相位变化来实现对外界振动或声音的测量，对所有位置的相位进行测量可获得整个光纤沿路的振动或声音信息。分布式光纤声传感系统存在多种方案，比如基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，采用相位生成载波相位解调算法实现分布式振动或声信号的测量，解决了大动态范围信号的检测，克服了初始相位漂移对信号幅度的影响(徐团伟等，基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，申请号201410032610.X)。

由于分布式光纤声传感技术利用背向相干瑞利散射，而瑞利散射光强和相位具有空间和时间上的随机统计特性(Gabai，H.and A.Eyal(2016)，″On the sensitivity ofdistributed acoustic sensing″Optics Letters 41(24)：5648-5651.)，因此导致不同位置处的相位噪声水平不一致。当部分位置相位噪声过高时，将淹没有效信号无法实现外界微弱振动或者声信号的探测。为了提高分布式光纤声传感技术的信噪比，人们提出了多种降噪技术，比如滑动平均方法，每次采集多个数据进行算术平均，随后移动一个数据点再次进行算术平均，通过低通滤波来对随机噪声进行抑制；重庆大学朱涛课题组提出基于图像处理的边缘加强算法来提高信噪比(T.Zhu et al.(2013)，“Enhancement ofφ-OTDRsystem by using two-dimensional edge detection method”Journal of LightwaveTechnology 31(17)，2851-2856)；成都电子科大岳慧敏等人提出在空间域进行傅立叶变换，通过滤波来加强信号，(Yue，H.，et al.(2015)，″Simultaneous and signal-to-noiseratio enhancement extraction of vibration location and frequency informationin phase-sensitive optical time domain reflectometry distributed sensingsystem″Optical Engineering 54(4)：047101)。上述三种方法都实现了信号增强，但并未利用不同位置处的相位噪声的特征参数进行信号处理，并非最优算法。

发明内容

(一)要解决的技术问题