[发明专利]一种基于小波分析的分布式光纤振动测量系统的信号处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤振动测量系统的信号处理技术领域，特别涉及一种基于小波分析的分布式光纤振动测量系统的信号处理方法。 

背景技术

分布式光纤振动测量系统是一种基于光纤传感技术原理的长距离的可定位的分布式的振动测量系统，这类系统被作为安防入侵系统而广泛应用于国防边境线、石油输油管道、高速铁路防护栏等需要长距离监测的领域。该系统综合采用了光时域反射技术(OTDR)和光纤干涉技术，因此同时具有OTDR技术定位精度高和光干涉技术探测灵敏度好的优点，因此非常适合应用于国防边境线、输油管道和高铁防护栏等需要长距离分布式监控的领域。 

分布式光纤振动测量系统基于全光纤干涉原理，采用光缆作为振动传感器，往光缆里面的光纤发送激光，并接收激光的反射波，通过光电转换、数据采集等信号处理方法探测激光回波特性，解调出振动信号。在实际应用过程中，当传感光缆周边有人员活动或机械挖掘操作等振动事件发生时，振动事件产生的振动信号会引起光缆发生应变，导致光缆中激光的相位以及偏振态发生变化。系统对采集到的振动信号进行分析，判断是否构成入侵事件，如果是则产生报警，并定位入侵事件发生的位置。 

分布式光纤振动测量系统基于全光纤干涉原理，由于干涉光强度很弱，因此光电转换(一般采用APD作为光电转换器)后产生的电信号也很微弱，信号几乎全部淹没在噪声中。同时由于系统灵敏度很高，光缆轻微的振动也能造成系统的误报，限制了该类的应用范围。目前，分布式光纤振动测量系统对信号的处理方法主要是基于时域方法，该方法采用不同时刻采集到的数据曲线相减。如果没有 振动产生，则其干涉信号没有变化，相减的结果，理论上应该为一条数值为零的直线；如果有振动产生，则其干涉信号产生变化，相减的结果，理论上就是一条反映振动信号(干涉变化)的曲线，由此来判断是否有振动产生。然而，由于噪声比较大以及系统灵敏度很高，光缆轻微的振动也能造成干涉信号的变化，很难找到一个阈值，能够准确地区分哪类振动事件是误报，哪类事件是真实的入侵而产生的振动事件，即基于时域信号处理方法，系统误报率高，漏报率也高，限制了系统的应用。如何降低系统误报率及漏报率，是当前分布式光纤振动测量系统研制的难题。 

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于小波分析的分布式光纤振动测量系统的信号处理方法，这种方法从时间和频率两方面对信号进行分析，不仅能够很好地滤除系统噪声，还能对振动信号进行多分辨率分析，以经验小波系数阀值来区分误报振动信号和真实入侵振动信号，从而降低系统误报率和系统漏报率。 

为了达到上述目的，本发明采用一种基于小波分析的分布式光纤振动测量系统的信号处理方法。 

小波分析是一种信号分析方法，它可以对信号同时进行时域和频域分析，具有多分辨率的特点，可以较好地从混有强噪声的信号中提取原始信号，被誉为分析信号的显微镜。由于具有多分辨率特性，小波分析可以对信号的每一个时刻进行分析，这对于像振动信号这样具有突变性信号的分析十分有效。 

通常基于小波分析的信号处理方法包括小波变换(也叫小波分解)和小波重构，数字信号处理中经常用到的离散小波变换的原理如附图1所示： 

小波变换的原理是将原始信号s变换成小波系数w，其中w＝[a，d]，包括近似(approximation)系数a与细节(detail)系数d，即： 

近似系数a反映了信号平均成分(低频)，如信号的轮廓； 

细节系数d反映了信号变化成分(高频)，如信号突变部分； 

这样，原始信号s可分解成小波近似a与小波细节d之和，即 

s＝a+d， 

小波系数w＝[a，d]的分量，乘以基函数，形成小波分解： 

小波近似系数a×基函数g＝近似分解a，即信号的轮廓部分(近似部分)； 

小波细节系数d×基函数h＝细节分解d，即信号的细节部分； 

而对近似分解部分a还可以继续再分解，得到第二层分解的小波系数；依此类推，可对原始信号s进行K层分解，从而得到第一层小波细节系数，第二层小波细节系数，第三层小波细节系数...，第K层小波细节系数和第K层小波近似系数。 

小波重构(即信号恢复)则是把上述小破变换中的系数带入小波重构公式计算而得到，小波重构的原理如附图2所示：