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《南京大学》 2019年
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基于幅度动态评估的Φ-OTDR传感系统衰落噪声抑制方法研究

王清  
【摘要】:基于相位敏感型光时域反射计(Phase sensitive optical time-domain reflectometry,Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统,具有连续分布式监测、响应速度快、探测灵敏度高等优点,在结构健康监测、周界入侵监测以及地震监测等领域有重要的应用价值。ΦΦ-OTDR通常选取传感光纤沿线相邻的前后两段光纤作为参考区域,通过提取两段参考区域背向瑞利散射光(Rayleigh Backscattering,RBS)的相位差变化来实现对外界振动的定量测量。由于单模光纤的折射率在空间上分布不均匀,且Φ-OTDR采用相干长度很高的窄线宽激光光源,所以探测结果不可避免地会受到相干衰落效应的影响。相干衰落效应使得RBS的强度出现随机起伏,如果选取了 RBS幅度强度较低的区域,则鉴相结果的精度会显著下降。研究者们已经证明鉴相结果准确性与RBS幅度信噪比存在正相关关系,但二者的数值关系尚未明确,目前还没有方法能从衰落本质出发实现噪声抑制,也缺乏对鉴相结果准确性的判断依据。此外,Φ-OTDR传感系统通常会对鉴相结果进行后续信号处理,例如模式识别和特征提取,但在经过噪声抑制后的二维相位图中存在突变边界,对后续处理产生干扰,而现有的各种方法对于噪声抑制带来的后续影响并未给出妥善的解决方案。为解决上述问题,本文建立了鉴相结果准确性与RBS幅度信噪比之间的模型,证明二者之间具有正相关性,并进一步得到数值关系。基于数值关系,本文提出利用幅度动态抑制衰落噪声的方法,通过RBS幅度信噪比大小判断光纤上任意位置鉴相结果的准确性,之后利用准确性阈值生成抑制矩阵Mask,并通过Mask与鉴相结果相乘的方式抑制衰落噪声。本文将相干衰落抑制算法应用到现有的Φ-OTDR商业设备上,分别在实验室和外场环境下进行实验,将误报率从4.81%降低至0.15%,降低了一个数量级。同时通过选择合适的准确性阈值获得低漏报率。为了不影响后续信号处理,本文引入图像修补领域中的基于一维线性插值的修补方式,基于最小二乘法和离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)的修补方式以及基于PatchMatch的修补方式进行了研究与对比。之后从频谱和区域方差两个角度对这三种方式的修补效果进行评估,结果表明基于PatchMatch的修补方法可以有效恢复被抑制去除的相位信息,达到相干衰落透明抑制的效果。本文建立的模型对Φ-OTDR鉴相结果准确性的判断有一定的指导意义,基于幅度动态评估的方法可以有效地抑制噪声,同时本文提出透明化的修补方法,衔接后续信号处理,有望进一步拓展Φ-OTDR在外部振动监测中的工程化应用。
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