分布式光纤传感信号降噪算法研究
摘 要分布式光纤传感器具有结构简单，抗干扰能力强，灵敏度高等优点，因此被广泛应用于管道泄漏和损坏的实时定位与监测等系统中。由于受自然环境的影响，系统采集到的信号往往含有大量噪声，如何有效去噪，提取有用信号，对提高系统定位精度至关重要。本文主要介绍了基于Sagnac结构的分布式光纤传感检测系统，包括它的基本原理，如何定位和系统灵敏度问题。针对信号噪声问题，介绍了四种常用的降噪算法，分别是基于先验信噪比的维纳滤波，谱减法，LMS自适应滤波和小波滤波。本文首先论述了它们各自的原理，优缺点，适用范围等。然后设计滤波器，分别用四种方法对分布式光纤传感系统采集到的信号进行滤波处理，并计算其信噪比，将实验结果进行分析比较。通过分析实验结果得出，在本文的研究条件下，基于先验信噪比的维纳滤波器和自适应滤波器的效果相对较好，各有优势，谱减法和小波滤波则效果一般。改进型先验信噪比维纳滤波的参数α、β同时影响滤波器抑制音乐噪声能力和信号失真程度。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2国内外研究状况 1
1.2.1 分布式光纤传感技术研究动态 1
1.2.2 分布式光纤传感信号降噪技术发展现状 3
1.3 本文主要内容 3
第2章 分布式光纤传感相关理论 5
2.1分布式光纤传感器特点 5
2.2 基于Sagnac结构的分布式光纤传感 5
2.2.1 检测系统基本原理 6
2.2.2 管道泄漏点定位 9
2.2.3 检测系统灵敏度 9
2.3 小结 10
第3章 分布式光纤传感信号降噪算法 11
3.1 基于先验信噪比的维纳滤波算法 11
3.2 LMS自适应滤波算法 14
3.3 小波滤波算法 17
3.4谱减法滤波算法 20
3.5 小结 22
第4章 实验结果与分析 24
4.1 实验结果 24
4.1.1 基于先验信噪比的维纳滤波实验结果 24
4.1.2 LMS滤波实验结果 28
4.1.3 谱减法滤波实验结果
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
29
4.1.1小波滤波实验结果 29
4.2 实验结果对比分析 30
4.3小结 32
第5章 总结与展望 33
参考文献 35
致谢 38
附录 39
英文文献 39
中文翻译 50
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
近年来，光纤传感技术蓬勃发展，越来越受人们的关注。分布式光纤传感器由于其结构简单、灵敏度高且抗电磁干扰能力强，适合于几十公里范围内的长距离监控。因此管道泄漏和损坏的实时定位，监测，干线安全防护等都广泛使用光纤传感技术。
目前，原油、天然气、城市用水等可流动物的运输广泛采用管道运输，管道周围往往是恶劣的自然条件和敷设条件，管道产品由于自身缺陷，腐蚀破坏，疲劳破坏等原因而引起的泄露事故经常发生，使得管道运输安全和正常运行受到严重的影响，危及到人们的生命财产安全。因此，采取一定的措施对管道进行实时监测和诊断，以便能及时发现泄漏故障和发生的位置是非常必要的；对管道运输恢复正常和保障其运输安全也非常重要。分布式光纤传感技术是近几年研究和开发出的管道检测与定位的新技术，具有对长距离管道的微小泄漏进行检测的能力，其发展前景广阔。
微分干涉型光纤传感器拾取外界扰动并使用单根光纤复用作为信号载体和分布式感应单元，最后运用频谱分析等解调技术对该信号进行对扰动源的定位监控。由于自然环境的影响，系统获取的信号往往淹没在噪声中，如何有效地提取出有用信号，将直接影响系统定位精度。因而研究传感信号的降噪算法对系统定位精度的提高具有重要意义。从而对管道运输的检测以及保障其安全、正常的运输也是至关重要的。
1.2国内外研究状况
1.2.1 分布式光纤传感技术研究动态
?70年代末，分布式光纤传感技术被提出。光时域反射(OTDR)技术在现在光纤工程中仍应用十分广泛，随着它的出现，分布式光纤传感技术也发展起来。分布式光纤传感技术在多个领域被广泛使用，大量的分布式光纤传感机理和测量系统也被科研人员提出。随着技术的发展，分布式光纤传感技术逐步成为光纤传感技术中最具前景的技术之一。
??光纤传感技术以它明显的优越性而迅速发展，也促进新的传感技术不断出现，使得相关领域技术得到了更好的发展。例如，智能材料和智能结构的发展就是基于光纤传感网络的应用。但是由于一些条件限制，原理性研究仍处于重要位置，任重而道远。只有不断推进原理性研究，才能更好地应用到实际中。目前，分布式光纤传感器逐步成为光纤传感器中最具有发展潜力的产品类别之一，但是，由于分布式光纤传感器技术研究还没完全成熟，在许多领域中，光纤传感技术还没有实现产业化，还有很多问题没有解决，如何提高空间分辨力、怎样改善灵敏度、扩大测量的范围、缩短响应的时间等等。未来，行业将集中于研究适应各种环境的特殊光纤使之能够用于各种特殊条件，并且进一步完善信号探测技术。这样，在众多领域中发挥巨大作用的分布式光纤传感技术才能产业化并且在产业化中取得更进一步的发展。
但是，在某些领域里，光纤传感技术已经商业化，如光纤陀螺，光纤水听器等就是其中的佼佼者。它们以自己独特的优点，打败了传统的测试系统，成为时代的新宠；而光纤智能结构改造了传统的测试系统，以光纤光栅为主，发展成为分布式光纤测温系统，也被社会所认可。
光纤传感技术正以它特有的优越性占据着市场。根据市场调查分析公司（business communications company）发布的关于光纤传感器的市场报告，从2005到2011年，全球光纤传感器（FOS）的整体市场保持适度增长趋势，年平均复合增长率为4.1%。至2011年，全球产值已达到3.72亿美元。?分布式光纤传感器没有让人们失望，到2013年，它的市值就突破了5.85亿美元(约合36亿元人民币) [1]。根据光纤传感器集团最新发布的研究报告预测，这个市场总值可能将在2018年达到14.58亿美元(约合90亿元人民币)，其中石油和天然气行业将占到70%。
1.2.2 分布式光纤传感信号降噪技术发展现状
分布式光纤传感系统主要由两部分组成，分别是光学系统和信号处理系统。其中，后期定位的精度将直接受信号处理系统的影响。由于分布式光纤传感器具有灵敏度高的特点，所以采集到的信号往往受到自然条件等因素的影响，夹杂着很多干扰信号，所以需要对采集到的信号进行滤波、降噪处理，降噪处理的好坏对系统定位精度至关重要。
早期降噪技术，主要搭建模拟电路来进行信号滤波，但这种电路具有很大局限性，要求被处理信号信噪比要达到一定的程度。并且由于自身特点，在处理中还会引入其他噪声。现代降噪技术基本上采用的都是数字信号处理技术。数字信号处理技术具有稳定性好，抗干扰性强等优点，成为现代信号处理主流。特别是在频域傅里叶变换和时频域小波变换两大理论的支持下，降噪算法更是发展迅速，日益成熟。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2国内外研究状况 1
1.2.1 分布式光纤传感技术研究动态 1
1.2.2 分布式光纤传感信号降噪技术发展现状 3
1.3 本文主要内容 3
第2章 分布式光纤传感相关理论 5
2.1分布式光纤传感器特点 5
2.2 基于Sagnac结构的分布式光纤传感 5
2.2.1 检测系统基本原理 6
2.2.2 管道泄漏点定位 9
2.2.3 检测系统灵敏度 9
2.3 小结 10
第3章 分布式光纤传感信号降噪算法 11
3.1 基于先验信噪比的维纳滤波算法 11
3.2 LMS自适应滤波算法 14
3.3 小波滤波算法 17
3.4谱减法滤波算法 20
3.5 小结 22
第4章 实验结果与分析 24
4.1 实验结果 24
4.1.1 基于先验信噪比的维纳滤波实验结果 24
4.1.2 LMS滤波实验结果 28
4.1.3 谱减法滤波实验结果
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
29
4.1.1小波滤波实验结果 29
4.2 实验结果对比分析 30
4.3小结 32
第5章 总结与展望 33
参考文献 35
致谢 38
附录 39
英文文献 39
中文翻译 50
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
近年来，光纤传感技术蓬勃发展，越来越受人们的关注。分布式光纤传感器由于其结构简单、灵敏度高且抗电磁干扰能力强，适合于几十公里范围内的长距离监控。因此管道泄漏和损坏的实时定位，监测，干线安全防护等都广泛使用光纤传感技术。
目前，原油、天然气、城市用水等可流动物的运输广泛采用管道运输，管道周围往往是恶劣的自然条件和敷设条件，管道产品由于自身缺陷，腐蚀破坏，疲劳破坏等原因而引起的泄露事故经常发生，使得管道运输安全和正常运行受到严重的影响，危及到人们的生命财产安全。因此，采取一定的措施对管道进行实时监测和诊断，以便能及时发现泄漏故障和发生的位置是非常必要的；对管道运输恢复正常和保障其运输安全也非常重要。分布式光纤传感技术是近几年研究和开发出的管道检测与定位的新技术，具有对长距离管道的微小泄漏进行检测的能力，其发展前景广阔。
微分干涉型光纤传感器拾取外界扰动并使用单根光纤复用作为信号载体和分布式感应单元，最后运用频谱分析等解调技术对该信号进行对扰动源的定位监控。由于自然环境的影响，系统获取的信号往往淹没在噪声中，如何有效地提取出有用信号，将直接影响系统定位精度。因而研究传感信号的降噪算法对系统定位精度的提高具有重要意义。从而对管道运输的检测以及保障其安全、正常的运输也是至关重要的。
1.2国内外研究状况
1.2.1 分布式光纤传感技术研究动态
?70年代末，分布式光纤传感技术被提出。光时域反射(OTDR)技术在现在光纤工程中仍应用十分广泛，随着它的出现，分布式光纤传感技术也发展起来。分布式光纤传感技术在多个领域被广泛使用，大量的分布式光纤传感机理和测量系统也被科研人员提出。随着技术的发展，分布式光纤传感技术逐步成为光纤传感技术中最具前景的技术之一。
??光纤传感技术以它明显的优越性而迅速发展，也促进新的传感技术不断出现，使得相关领域技术得到了更好的发展。例如，智能材料和智能结构的发展就是基于光纤传感网络的应用。但是由于一些条件限制，原理性研究仍处于重要位置，任重而道远。只有不断推进原理性研究，才能更好地应用到实际中。目前，分布式光纤传感器逐步成为光纤传感器中最具有发展潜力的产品类别之一，但是，由于分布式光纤传感器技术研究还没完全成熟，在许多领域中，光纤传感技术还没有实现产业化，还有很多问题没有解决，如何提高空间分辨力、怎样改善灵敏度、扩大测量的范围、缩短响应的时间等等。未来，行业将集中于研究适应各种环境的特殊光纤使之能够用于各种特殊条件，并且进一步完善信号探测技术。这样，在众多领域中发挥巨大作用的分布式光纤传感技术才能产业化并且在产业化中取得更进一步的发展。
但是，在某些领域里，光纤传感技术已经商业化，如光纤陀螺，光纤水听器等就是其中的佼佼者。它们以自己独特的优点，打败了传统的测试系统，成为时代的新宠；而光纤智能结构改造了传统的测试系统，以光纤光栅为主，发展成为分布式光纤测温系统，也被社会所认可。
光纤传感技术正以它特有的优越性占据着市场。根据市场调查分析公司（business communications company）发布的关于光纤传感器的市场报告，从2005到2011年，全球光纤传感器（FOS）的整体市场保持适度增长趋势，年平均复合增长率为4.1%。至2011年，全球产值已达到3.72亿美元。?分布式光纤传感器没有让人们失望，到2013年，它的市值就突破了5.85亿美元(约合36亿元人民币) [1]。根据光纤传感器集团最新发布的研究报告预测，这个市场总值可能将在2018年达到14.58亿美元(约合90亿元人民币)，其中石油和天然气行业将占到70%。
1.2.2 分布式光纤传感信号降噪技术发展现状
分布式光纤传感系统主要由两部分组成，分别是光学系统和信号处理系统。其中，后期定位的精度将直接受信号处理系统的影响。由于分布式光纤传感器具有灵敏度高的特点，所以采集到的信号往往受到自然条件等因素的影响，夹杂着很多干扰信号，所以需要对采集到的信号进行滤波、降噪处理，降噪处理的好坏对系统定位精度至关重要。
早期降噪技术，主要搭建模拟电路来进行信号滤波，但这种电路具有很大局限性，要求被处理信号信噪比要达到一定的程度。并且由于自身特点，在处理中还会引入其他噪声。现代降噪技术基本上采用的都是数字信号处理技术。数字信号处理技术具有稳定性好，抗干扰性强等优点，成为现代信号处理主流。特别是在频域傅里叶变换和时频域小波变换两大理论的支持下，降噪算法更是发展迅速，日益成熟。
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