數(shù)字圖像處理技術(shù)在布里淵光時(shí)域分析儀中的應(yīng)用.pdf

1、分布式光纖傳感系統(tǒng)（distributed optical fiber sensing system:DOFS）相比于傳統(tǒng)的傳感器具有一系列優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注。布里淵光時(shí)域分析儀（Brillouin optical time domain analyzer:BOTDA）是一種典型的DOFS，其超長的監(jiān)測(cè)范圍、高的空間分辨率以及高的測(cè)量精度特性更是廣泛應(yīng)用于大型基礎(chǔ)設(shè)施的安全健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。如何進(jìn)一步提升BOTDA的傳

2、感性能，成為了新的研究熱點(diǎn)。
　　DOFS的信號(hào)存在著大量的相似性和冗余性，圖像降噪技術(shù)是有效去除傳感信號(hào)噪聲的一種簡單而有效的途徑，本文主要研究了數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)BOTDA傳感性能的提升。首先，通過數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)兩方面綜合分析對(duì)比了三種不同的噪聲估計(jì)算法在BOTDA噪聲估計(jì)中的有效性與穩(wěn)定性。結(jié)果表明：基于無布里淵增益區(qū)域其標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算（STD）的均值和基于弱信號(hào)塊主成分分析法（W-PCA）的噪聲估計(jì)算法能相對(duì)準(zhǔn)確地估計(jì)BOTD

3、A信號(hào)的噪聲水平，但是STD估計(jì)值沿光纖長度方向具有很大的起伏；同時(shí)，基于小波分析的噪聲估計(jì)算法過大地估計(jì)了BOTDA系統(tǒng)的噪聲水平。針對(duì)非局域均值濾波（non-local means:NLM）關(guān)鍵參量噪聲水平的獲取，相比之前的耗時(shí)經(jīng)驗(yàn)方法，提出了基于噪聲估計(jì)的NLM降噪算法，進(jìn)一步加強(qiáng)了該算法的工程實(shí)用性。同時(shí)，搭建了簡單的短距離BOTDA系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明基于W-PCA噪聲估計(jì)算法的NLM降噪處理不僅能有效地得抑制傳感信號(hào)的噪聲

4、，并且能很好地保持信號(hào)的細(xì)節(jié)成分；但是，由于基于小波分析的噪聲估計(jì)算法過高地估計(jì)了BOTDA信號(hào)的噪聲水平，導(dǎo)致了以其為噪聲水平輸入的NLM降噪處理過多地平滑信號(hào)，造成了信號(hào)細(xì)節(jié)成分的丟失。
　　最后，本文首次研究討論了NLM降噪算法在高級(jí)BOTDA系統(tǒng)中的應(yīng)用。運(yùn)用脈沖編碼技術(shù)和混合分布式放大，搭建了157公里BOTDA傳感系統(tǒng)。優(yōu)化的NLM降噪處理結(jié)果表明：由于基于小波分析的噪聲估計(jì)算法和以無布里淵增益區(qū)域?yàn)檎w的STD估計(jì)值