[发明专利]一种基于压缩感知的布里渊光信号采集方法

说明书

一种基于压缩感知的布里渊光信号采集方法，包括以下步骤：步骤1，将沿光纤方向由受激布里渊散射效应形成的时域轨迹作为压缩观测对象，根据泵浦脉冲宽度与光纤长度确定原始数据量，原始数据为光纤各位置点的布里渊增益，接着根据原始数据量与压缩比例确定观测量；步骤2，建立观测矩阵；步骤3、生成Φ_Sample；步骤4、将压缩采样得到的数据发送到计算机中，计算出观测向量；步骤5，原始数据x由稀疏矩阵Ψ和稀疏系数θ的乘积构成；步骤6，将已知的观测向量y与传感矩阵A通过压缩感知算法求得θ，再根据x＝Ψθ恢复原始时域轨迹x，即得到光纤各位置点的布里渊光信号。本发明放宽了对采样硬件的要求，从而降低了数据处理成本。

技术领域

本发明涉及一种基于压缩感知的布里渊光信号采集方法，属于光纤传感探测的技术领域。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。在我们的生活及生产活动中得到了广泛的应用。相比于传统的电学传感器，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点：电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，而且信号光在光纤中传输损耗较小，这就决定了光纤分布式传感器具有超长距离传感的优势。

布里渊光时域分析仪(Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)作为一种典型的分布式光纤传感系统，在通信、传感等领域均有着重大的运用价值，它可以实现超长距离的应变/温度的分布式监控，其主要原理为利用光纤所处的外界的温度/应变的变化使得光纤布里渊频谱产生频移，从而可以通过分布式测量布里渊频移实现对外界环境的实时监控。目前，BOTDA在扩展传感距离、提高空间分辨率、提高温度/应变测量精确度上有了一定的成果，但为了提高BFS的估计精度，需要平均大量的时域轨迹来得到高信噪比的布里渊信号，这是以增加测量时间为代价的。近年来，人们在发展快速BOTDA传感技术上付出很多努力，如使用小波降噪技术、射频低通滤波、快速频率扫描法、光学啁啾链等。然而，上述方法虽然提高了BOTDA系统采集数据的速度，但也存在着各种各样的不足。

小波降噪技术与射频低通滤波都是通过提高布里渊信号的信噪比，减少时域轨迹平均次数来提高数据采集速度，然而这两种方法对信号失真与信噪比之间需要做一个权衡，在提高信噪比的同时也会引起信号的失真。快速频率扫描法实现了在光纤上一个位置快速获取BFS的简化方法，但是该方法无法达到高空间分辨率。光学啁啾链法通过高采样率来实现数据的快速采集，然而该方法需要昂贵的信号生成模块来实现目的，并且极大地限制了测量距离。基于此，大连理工大学的周大鹏教授提出了基于压缩感知的布里渊光时域分析方法，该方法不需要对现有的BOTDA传感系统做任何改变，所需的频率采集量仅为传统BOTDA的30％，减少了数据传输/存储的时间。所以消除复杂昂贵的设备简化系统来降低成本，且兼备快速BOTDA传感具有很广阔的发展前景。

因此，使用压缩感知算法可以快速有效的进行布里渊光信号的采集，即研究基于压缩感知的布里渊光信号采集方法在实际应用中具有重要意义。

发明内容

为了解决传统BOTDA系统对硬件要求高，数据传输、储存、处理速率耗时较长、传感距离短的问题，本发明提供一种基于压缩感知的布里渊光信号采集方法及装置，有利于提高分布式布里渊传感系统数据传输、储存、处理速率，增加传感距离，放宽了对采样硬件的要求，从而降低了数据处理成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于压缩感知的布里渊光信号采集方法，包括以下步骤：