[发明专利]一种基于频谱中心对齐的布里渊散射信号去噪方法

说明书

本发明提供了一种基于频谱中心对齐的布里渊散射信号去噪方法，步骤如下：1）将布里渊光时域传感系统采集到的布里渊频谱信号转换为二维灰度图像；2）对二维灰度图像平滑滤波；3）利用边缘检测得到布里渊频移急剧变化的位置，将图像沿光纤轴向划分为不同的区域；4）获得每个区域的布里渊频移位置；平移每个区域，使不同区域的布里渊频谱中心对齐得到新的图像；5）对新图像进行滤波，去噪完成后沿相反方向移动每个区域；6）拟合各位置上的布里渊频率谱，从而获得沿整条传感光纤的布里渊频移信息，得到光纤上的温度、应变分布信息。本发明的去噪方法，可避免边界模糊，增强去噪效果；减小滤波器窗口尺寸，降低计算复杂度。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于频谱中心对齐的布里渊散射信号去噪方法。

背景技术

温度与应变的连续分布式监测需求十分广泛，能源、电力、建筑等诸多领域都把其作为一种故障诊断及事故预警手段。各类管道的压力负荷、建筑结构的沉降变化、油库罐区的温度改变等都需要及时发现与迅速定位。布里渊分布式光纤传感系统结构简易，便于在各种应用环境进行搭建与实施测量。

布里渊散射分布式光纤传感系统通常由顺序连接的激光器、光调制器、光放大器、光滤波器、扰偏器等组成。激光器发出的连续探测激光经由光调制器调制为一定脉宽的脉冲光，脉冲光依次经光放大器放大、光滤波器滤波去噪、扰偏器扰乱偏振态后经由环行器获得前向传播的脉冲光，其随后注入传感光纤。探测脉冲在光纤中前向传播的同时，会产生后向传播的布里渊散射光，后向散射光的频率通常会有一定的下降，其中光功率最强的散射光与探测脉冲的频率差称为布里渊频移。因为环境待测温度或应变对光纤的物理作用，布里渊频移的大小在一定范围内通常与温度或应变大小成正比。所以，只要获知探测脉冲及其布里渊散射光之间的布里渊频移差和位置差，即可根据计算获得传感光纤各处的环境温度与应变大小。

布里渊散射分布式光纤传感系统所得到的传感信号通常如图1所示。散射光功率在每一固定位置随频移变化通常呈洛伦兹线型，最大光功率所处频移称为布里渊频移，各频移位置处的光功率随传播距离变化呈现约0.2dB/km的衰减。在不同的温度或应变条件下，布里渊频移会发生变化，通过标定不同温度或应变环境下对应的布里渊频移，即可得到温度或应变与布里渊频移的对应关系。图1中可见在约75米处，传感结果中的布里渊频移与周围相比发生了突变，该处的变化即反映了传感光纤在约75米处的温度或应变情况与其他位置对比存在突变。

该系统通常需要较多次测量并平均以减小测量过程中的噪声对传感结果的影响，但多次平均过于耗时，降低传感的实时性。现有许多数字图像去噪方法通过将较低平均次数传感结果转换为二维灰度图像，随后对其去噪，可使其输出的结果与较多次平均的结果相似，以此达到降低平均次数的目的。

如利用小波去噪(Farahani M A，Wylie M T V，Castillo-Guerra E，etal.Reduction in the number of averages required in BOTDA sensors usingwavelet denoising techniques[J].Journal of Lightwave Technology，2011，30(8)：1134-1142.)可以实现上述目的，但因为该滤波操作在变换域针对全图进行，所以会丢失空间域的细节信息，较难处理由温度或应变突变带来的布里渊频移突变所形成的图像边缘，最终会恶化传感系统的空间分辨率。

除了小波去噪之外的去噪方法通常也会损害传感的空间分辨率，造成温度或应变信息的失真。且在应对较大幅度的温度或应变变化时，部分方法需要较大尺寸的掩模，提高了计算复杂度，增加了计算开销、降低处理的速度。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于频谱中心对齐的布里渊散射信号去噪方法，在对原始图像沿光纤轴向对齐布里渊频移后可消除其边缘信息，可避免现有图像去噪手段带来的边界模糊，可增强现有去噪方法的去噪效果，减小滤波器窗口尺寸可降低去噪算法的计算复杂度、减少处理时间。