[发明专利]一种相位敏感OTDR传感中扰动定位方法

说明书

本发明涉及一种相位敏感OTDR信号的扰动定位方法。本发明通过对相位敏感型OTDR传感曲线进行多组数据采集并叠加，对采集到的二维矩阵数据进行处理，利用没有噪声信号的全变分比有噪声的全变分小很多的特点，将相位敏感型OTDR中的去噪问题归结为最小化问题，之后通过梯度下降法对数据进行处理并求解，从而达到抑制背景噪声的目的，以此来寻找真实扰动的位置。

技术领域

本发明涉及一种相位敏感OTDR传感中扰动定位方法，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。作为分布式光纤传感系统的代表，相位敏感型OTDR(光时域反射仪)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扰动、应变等外界干扰的时间变化及空间分布信息。因此相位敏感型OTDR系统在桥梁、隧道、水坝等大型公共设施的安全检测、或者输气管道、大型仓库、油库、矿井安全预防及国家边界安防等领域得到了广泛的应用。

相位敏感型OTDR主要是通过测量光纤中不同散射点产生的后向瑞利散射光之间的相互干涉效果。当传感光纤受到外界的扰动时，对应位置的光纤折射率会发生变化，进而引起对应的光相位变化，光相位的变化则会反映到后向瑞利散射信号的振幅之中。因此，最终的干涉结果将会直接反应出受到扰动的位置。但是，外界的轻微扰动便会引起光相位的变化进而导致探测到的光功率剧烈变化，导致真实信号被淹埋在噪声中。因此，降低背景噪声，识别真实扰动位置是相位敏感型OTDR系统中的一个重要问题，目前针对这种问题已经有人提出了降噪方案，但是这些方案的定位时间较长，可能会造成额外的损失。

中国专利文献CN106788697A公开了一种相位敏感OTDR信号的降噪方法。本发明对相位敏感型OTDR传感曲线进行多次采集并叠加，以组成的二维矩阵为处理对象，对其正循环平移，利用快速离散曲波变换对正循环平移后的信号进行多尺度的分解，对各尺度分量分析和阈值处理后进行重构，从而抑制背景噪声，达到降噪的效果，以此观测到真实扰动的位置。但是，该专利存在以下缺陷或不足：该专利通过重复“正循环平移-快速离散曲波变换-阈值处理-快速离散曲波逆变换-逆循环平移”对数据进行处理，这样会极大的增加数据的处理时间，使得定位时间较长。在实际应用中，较长的定位时间可能会造成更多不必要的损失。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种相位敏感OTDR传感中扰动定位方法。

术语说明：

后向瑞利散射：由于在制造过程中，光纤密度的随机涨落引起折射率的局部变化，使得光向各个方向散射。散射光的波长等于入射光的波长，没有频率变化，后向瑞利散射指的是方向指向入射端的散射光。

发明概述：

本发明通过对相位敏感型OTDR传感曲线进行多组数据采集，对采集到的二维矩阵数据进行处理，利用没有噪声信号的全变分比有噪声的全变分小很多的特点，将相位敏感型OTDR中的去噪问题归结为最小化问题，之后通过梯度下降法对数据进行处理并求解，从而达到抑制背景噪声的目的，以此来寻找真实扰动的位置。

本发明的技术方案为：

一种相位敏感OTDR传感中扰动定位方法，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；

(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；

(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；

(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；