[发明专利]一种相位敏感OTDR传感中扰动定位方法

权利要求书

1.一种相位敏感OTDR传感中扰动定位方法，其特征在于，用于对后向瑞利散射光信号进行去噪，得出振动位置，包括步骤如下：

(1)采集数据，获得传感曲线矩阵；

所述步骤(1)，包括：对相位敏感OTDR信号曲线进行M次采集并叠加，将叠加后的相位敏感OTDR信号曲线表示为S×P的传感曲线矩阵；M的取值范围为0-5000；S的取值范围为0-5000；P的取值范围为1-100000；传感曲线矩阵中包含噪声的原始信号为z(α,β)；z(α,β)＝x(α,β)+y(α,β)，x(α,β)为不包含噪声的信号，y(α,β)为具有零均值、标准差为σ的随机噪声，α表示传感曲线矩阵位置信息的行向量，β表示传感曲线矩阵光强变化的列向量；

(2)通过步骤(1)获得的传感曲线矩阵求得全变分最小化方程；

所述步骤(2)，全变分最小化方程如式(I)所示：

式(I)中，ε表示信号域，(α,β)∈ε；TV(x(α，β))表示全变分方程，x_α表示采集到信号的行向量，表示信号的位置信息，x_β表示采集到信号的列向量，列向量表示信号光强的变化；

(3)根据步骤(2)求得的全变分最小化方程及全变分最小化方程的约束条件，求得欧拉-拉格朗日方程；

所述步骤(3)，包括：

全变分最小化方程的约束条件如式(Ⅱ)、式(III)所示：

∫_εx(α,β)dαdβ＝∫_εz(α,β)dαdβ (Ⅱ)

式(III)中，λ表示正则化参数；

通过约束条件式(Ⅱ)、式(III)，得到一个线性和非线性的约束，利用全变分最小化方程进行去噪定位，即全变分去噪问题如式(Ⅳ)所示：

式(Ⅳ)中，Min TV(x(α,β))为数据保真项，保留原始信号的特性作用；为正则化项，正则性越高，函数的光滑性越好；

结合式(Ⅱ)、式(III)、式(Ⅳ)，得到欧拉-拉格朗日方程，如式(Ⅴ)所示：

式(Ⅴ)中，为扩散项，表示扩散系数；

(4)对欧拉-拉格朗日方程采用梯度下降法进行循环求解，达到最大循环次数后，最后一次循环结果即为降噪处理后的传感曲线矩阵；

(5)差分处理，获得振动位置。

2.根据权利要求1所述的一种相位敏感OTDR传感中扰动定位方法，其特征在于，M＝1000，S＝3000，P＝1000。

3.根据权利要求1所述的一种相位敏感OTDR传感中扰动定位方法，其特征在于，所述步骤(4)，设置初始参数值k，k＝1，k为循环次数，n为最大循环次数，空间步长h＝1，即每次累加一次循环，包括：

采用x_i,j表示信号x(α,β)在像素点α_i＝ih，β_i＝ih的灰度值；i，j＝0,1……N，Nh＝L，L为信号长度；

采用x(α_i,β_i,t_n)表示第n次循环后的迭代值，并记作t_n＝n·Δt，Δt为时间步长，式(Ⅴ)中扩散项表示为：

采用差商代替偏导数，中的各个偏导数可用如下式(Ⅵ)至式(Ⅹ)代替：

式(Ⅵ)至式(Ⅹ)中，表示对采集到的信号位置信息求一次偏导并进行n次循环后的迭代值，表示对采集到的信号光强信息求一次偏导并进行n次循环后的迭代值，表示对采集到的信号位置信息求两次偏导并进行n次循环后的迭代值，表示对采集到的信号光强信息求两次偏导并进行n次循环后的迭代值，表示对采集到的信号位置信息和光强信息各求一次偏导并进行n次循环后的迭代值；

将式(Ⅴ)至式(Ⅹ)相结合，得到在相位敏感性OTDR中离散信号的迭代方程，如式(Ⅺ)所示：

对式(Ⅺ)进行循环求解，达到最大循环次数n后，最后一次循环结果即为降噪处理后的传感曲线矩阵。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种相位敏感OTDR传感中扰动定位方法，其特征在于，所述步骤(5)，包括：

设定步骤(4)获得的降噪处理后的传感曲线矩阵为y(n)，n＝1,2,3…N-1，N表示相位敏感OTDR曲线的总数，则差分处理后的相位敏感OTDR曲线x(n)如式(Ⅻ)所示：

x(n)＝y(n)-y(n+1) (Ⅻ)

则，x(N)＝y(N)-y(1)。