[发明专利]一种基于压缩感知的OFDR分布式振动传感检测方法

说明书

本发明公开了一种基于压缩感知的OFDR分布式振动传感检测方法，包括步骤如下：S1.确定与所需要的振动信号相对应的观测矩阵Φ；S2.确定与观测矩阵Φ相对应的观测向量y；S3.利用离散傅里叶变换矩阵得出信号的稀疏矩阵Ψ；S4.利用正交匹配追踪算法对采集到的数据进行信号重构及频率恢复；S5.通过傅里叶变换，将信号由时域变换到频域，进而得到信号频率。其优点在于，不仅节省了大量的数据存储空间，还保证了运行速率的提升，大大降低了信号的存储空间及运行速率。

技术领域

本发明涉及一种基于压缩感知的OFDR分布式振动传感检测方法，属于光纤传感探测的技术领域。

背景技术

由于光纤具有很强的抗电磁干扰、良好的电绝缘性以及传光特性。近年来，利用光纤作为敏感元件和信号传输介质的分布式光纤传感系统在国防、军事、民用设施等方面越来越受到人们的广泛关注。分布式光纤传感技术通过探测及分析光纤内的光学效应测量沿光纤方向的特征信息。由于光纤的特征信息随外界温度，应变，振动的变化而变化，因而可以感知到光纤周围的环境参数。分布式光纤传感技术主要利用光纤中的散射效应，如瑞利散射，布里渊散射以及拉曼散射达到对外界信息的检测。作为分布式光纤传感系统的代表，光频域反射技术(OFDR)具有重量轻、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰性强等优点，并且可连续探测传输过程中的振动、应变等外界干扰的时间变化及空间分布信息。同时，由于OFDR系统具有高空间分辨率的特点，因此其在航天航空等高精度监测领域具有非常重要的应用。

OFDR系统是一种基于扫描波长拍频干涉技术的新型分布式光纤传感系统，其将瑞利后向散射信息作为频率的函数采集，并通过快速傅里叶变换(FFT)处理，从而构建沿传感光纤距离域图像。在OFDR测量振动实验中，可调谐光源扫频速率是系统的采样率主要限制因素之一，其系统采样率成正比，因此，可调谐光源扫频速率影响着系统可测量的频率响应范围。虽然可以通过提升可调谐光源的扫频速率来增加系统的频率响应范围，但极大的增加了硬件成本，这也是分布式光纤传感系统价格高昂的一个主要原因。

发明内容

基于上述问题，针对当前现有技术的不足，本发明的目的是提供一种新的技术提高OFDR系统的频率响应范围。其技术方案为，

一种基于压缩感知的OFDR分布式振动传感，包括步骤如下：

S1.确定与所需要的振动信号相对应的观测矩阵Φ；

S2.确定与观测矩阵Φ相对应的观测向量y；

S3.利用离散傅里叶变换矩阵得出信号的稀疏矩阵Ψ；

S4.利用正交匹配追踪算法对采集到的数据进行信号重构及频率恢复；

S5.通过傅里叶变换，将信号由时域变换到频域，进而得到信号频率。

进一步的，所述步骤S1，确定与所需要的振动信号相对应的观测矩阵Φ，包括步骤如下：

S11.通过Matlab软件对任意频率的模拟信号进行仿真，设定模拟信号的长度为N，模拟信号的长度与振动信号的长度相同；

S12.对步骤S11仿真的模拟信号进行亚奈奎斯特采样；

S13.步骤S12完成后，各个采样点的采样位置的总集合即所需要的观测矩阵Φ。

进一步的，所述步骤S2，观测向量y为在亚奈奎斯特采样频率下对振动信号进行采样而得到的结果。

进一步的，所述步骤S3，利用离散傅里叶变换矩阵得出稀疏矩阵，包括步骤如下：

S31.在步骤S1中，设定所需要的模拟信号的长度为N；

S32.对所需要的模拟信号求离散傅里叶变换矩阵，得到的结果即为信号的稀疏矩阵Ψ。