[发明专利]分布式光纤传感时空二维信号的稀疏化表示及压缩方法

说明书

本发明公开了分布式光纤传感时空二维信号的稀疏化表示及压缩方法，针对分布式光纤声音/振动传感时空二维信号的时空相关及方向性的结构特点，利用小波和剪切波多尺度分析能力，实现分布式光纤声音/振动传感时空二维信号在剪切波变换域的稀疏化表示和压缩。缓解现有分布式光纤声音/振动传感系统随检测频带、监测距离和空间分辨率等性能指标提升产生超大数据量带来的实时存储、传输和处理等矛盾。

技术领域

分布式光纤传感时空二维信号的稀疏化表示及压缩方法，用于时空二维信号的稀疏化表示及压缩，属于传感信号稀疏化表示及压缩技术领域

背景技术

近年来，基于光时域反射技术的分布式光纤传感技术得到国内外广泛深入的研究和应用，如相敏光时域反射仪、偏振敏感光时域反射仪以及布里渊光时域反射仪等。特别是相敏光时域反射技术(Φ-OTDR)作为分布式光纤传感技术的代表，利用埋地铺设或架空的光缆感测沿线环境中声波、振动等物理量的空间分布和时间变化信息，是实现大范围环境动态监测的一种重要技术手段，在基础设施安全监测领域中发挥重要作用。最近两年，基于线性解调的分布式光纤声音/振动传感系统，可以得到光电流信号与外界振动或声波调制引入的相位变化之间的线性关系，I～Δφ(t)，进一步提高了系统检测灵敏度、频带范围和对环境中感知目标的智能理解能力。

分布式光纤声音/振动传感系统在大范围全天候不间断监测过程中通常产生的数据量比较大。例如针对监测距离为几十公里的分布式光纤声音/振动传感系统，按照空间分辨率几十米计算，该监测范围相当于放置成千上万个传感器；当系统光脉冲重复频率高至kHz，即每个传感节点的数据采样率达到kHz，可以计算得到，分布式光纤声音、振动传感系统每秒种产生1-10M个监测数据，每个数据按2个Byte计算，则每秒钟数据量为2M-20MByte，每小时数据量为7.2G-72G。在全天候不间断监测过程中，每一天24小时即会产生172.8G-1.7T的数据。随着分布式光纤声音/振动传感系统性能指标的不断提高，例如，单点检测频带越来越宽，监测距离越来越远，空间分辨率越来越高，其单位时间内获得的传感节点数及传感数据量还会成倍、几十倍、上百倍地增加。对于后面的数据存储、实时传输和处理造成巨大压力。如果不能很好解决此矛盾，高性能的系统指标在实际应用中并不能真正发挥作用。现有基于小波基的稀疏表示方法可以解决一维时间信号的压缩问题，在点式传感器上取得了一定的效果，而且二维小波基缺乏各向异性的特点，不能灵活反映函数在各个方向上的变化规律，因此基于小波基的稀疏表示方法不适用于分布式光纤传感系统的二维信号时空结构，难以取得很好的压缩效果。

发明内容

本发明的目的在于：解决现有基于小波基的稀疏表示方法只能解决点式传感器在一维时间信号上的压缩；因二维小波基缺乏各向异性的特点，不能灵活反映函数在各个方向上的变化规律，无法解决分布式光纤声音/振动传感系统产生的二维时间信号上的压缩的问题；提供了一种分布式光纤传感时空二维信号的稀疏化表示及压缩方法。

本发明采用的技术方案如下：

分布式光纤传感时空二维信号的稀疏化表示及压缩方法，其特征在于，如下步骤：

步骤1、采集铺设光缆沿线的光纤声音/振动传感信号,构建光纤声音/振动传感时空响应信号,进行去噪处理；

步骤2、基于Shearlet变换对去噪处理后的光纤声音/振动传感时空响应信号进行稀疏化表示和压缩；

步骤3、稀疏化表示和压缩后，对信号进行重构恢复光纤声音/振动传感时空响应信号。

进一步，所述步骤2的具体步骤如下：

步骤2.1、基于小波包变换选取光纤声音/振动传感时空响应信号中有用信号集中的频段进行第一次信噪分离；

步骤2.2、第一次信噪分离后，由OTSU自适应阈值对小波包系数实现非线性空间的第二次信噪分离；