[发明专利]分布式光纤传感系统的远端扰动特征提取方法及系统

权利要求书

1.一种分布式光纤传感系统的远端扰动特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：对光纤信道内信号瑞利散射谱的距离维区间进行划分，并针对各区间建立相应的字典学习模型，对原有的字典进行学习观测形成多态等效字典；

S02：基于多态等效字典，建立在多态等效字典级联下的联合稀疏表示模型，形成多回波散射谱的联合稀疏表示；

S03：构建基于多态级联字典的联合优化重构算法，提取远端扰动信号特征。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统的远端扰动特征提取方法，其特征在于，所述步骤S01中形成多态等效字典的方法包括：

S11：针对所有的探测距离构造一个本征特征字典：

Ψ＝[ψ₁,ψ₂,…,ψ_L]；

其中，ψ_l表示在第l个探测距离上的单位响应；

得到基态谱表示为：

其中，η为基态特征系数；

S12：针对第n个扰动事件ζ_n，其扰动特征空间为其扰动特征互补空间为基于得到对应的特征系数向量为：

其中，η_l与分别表示η和的第l个元素；

S13：针对扰动事件ζ_n，构建扰动模态观测矩阵：

其中，diag(z)表示以向量z为对角元素构成矩阵，β⁽ⁿ⁾为权系数向量；

S14：基于上述扰动模态观测矩阵，对本征特征字典进行学习观测，形成扰动事件ζ_n所对应的模态字典：

Ψ⁽ⁿ⁾＝Φ⁽ⁿ⁾Ψ；

将所有扰动事件N所对应的模态字典与本征特征字典进行级联组合，得到多态等效字典：

3.根据权利要求1或2所述的分布式光纤传感系统的远端扰动特征提取方法，其特征在于，所述步骤S02中形成多回波散射谱的联合稀疏表示的方法包括：

将M个回波光脉冲组成的联合回波矩阵表示为：

其中，P_i表示第i个回波光脉冲对应的采样瑞利曲线，[·]^T表示向量与矩阵的转置；

基于多态等效字典，得到联合回波矩阵的联合稀疏表示模型为：

其中，Θ为联合特征矩阵，同时也是一个列稀疏矩阵，其非零列表征了相应多态字典所对应的扰动事件。

4.根据权利要求3所述的分布式光纤传感系统的远端扰动特征提取方法，其特征在于，所述步骤S03中提取远端扰动信号特征的方法包括：

S31：对联合回波矩阵进行向量化得到r＝vec(R)，进而得到扩展联合稀疏表示：

r＝Γθ

其中，表示维度为(N+1)×(N+1)的单位阵，表示克罗内克积，θ为重构特征向量；

S32：初始化重构特征向量θ⁽⁰⁾＝0，残差ε⁽⁰⁾＝r；索引集设置终止迭代门限ξ；t＝1，Θ₀为空矩阵；

S33：将Γ中各模态字典Ψ⁽ⁿ⁾与第l列抽取组成字矩阵Γ^l，将每个Γ^l,l＝1,2…L与残差ε相乘，找出积为最大值所对应的索引为λ_t，即

S34：更新索引集Λ_t＝Λ_t-1∪{λ_t}，记录找到的多态等效字典中与残差相关度最高的列组合，并重建原子集合为Υ_t＝[Υ_t-1,Γ^l]；

S35：求解得到θ^(t)＝argmin||r-Υ_tθ^(t)||₂，更新残差ε^(t)＝r-Υ_tθ^(t)，t＝t+1；

S36：判断残差ε^(t)是否小于ξ，如是，则迭代停止，输出重构特征向量θ；反之，则跳转至步骤S33继续执行；

S37：由重构特征向量θ重构得到联合特征矩阵Θ。