一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法技術

本發明專利技術公開了一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法，包括以下步驟：S1、前端光纖振動信號收集；S2、數據采集；S3、數據傳輸；S4、數據堆疊和插值；S5、二維數據圖像加強；S6、識別區域進行特征表示和描述。本發明專利技術提供的一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法，通過將分布式光纖振動信號轉換為單位時間的二維圖像信號，更便于信號，通過二維圖像識別的方式處理信號，將信號的特征進行加強，將信號的特征通過傅里葉描述子進行提取。適合廣泛推廣。

Feature enhancement and signal processing method for image distribution of fiber optic vibration signals

The invention discloses a distributed optical fiber image feature of vibration signal enhancement and signal processing method, which comprises the following steps: S1, front end of optical fiber vibration signal collection; S2, S3, data acquisition; data transmission; S4, data stacking and interpolation; S5, two-dimensional image data, identifying regions are strengthened; S6 feature representation and description. A distributed optical fiber vibration signal of the image of the present invention features enhancement and signal processing method, by converting the distributed optical fiber vibration signal into two-dimensional image signal per unit time, more convenient to signal through the two-dimensional image recognition method of signal processing, the signal was strengthened, the signal feature extraction by Fu Liye descriptor. Suitable for widespread promotion.

【技術實現步驟摘要】
一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法
本專利技術涉及分布式光纖領域，尤其涉及一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法。
技術介紹
分布式光纖傳感系統原理是同時利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號介質，采用先進的OTDR技術，探測出沿著光纖不同位置的溫度和應變的變化，實現真正分布式的測量。提出的基于OTDR的瑞利散射系統的分布式光纖傳感器經歷了基于OTDR的喇曼散射系統和基于OTDR的布里淵散射系統，測溫精度和范圍大幅提高。OFDR是在20世紀90年代提出的，隨著喇曼散射和布里淵散射以及強散射研究的深入，OFDR與其集成日益顯示出其在測量精度、測量范圍和測量速度方面的優越性。除了基于OTDR的喇曼散射型溫度傳感器外，其他幾種分布式溫度光纖傳感器離工業實用化還有很長的一段距離，所以基于OTDR和OFDR的分布式溫度光纖傳感器仍將是研究的熱點，尤其是基于OFDR的新型分布式光纖傳感器將是一個重要的發展方向，分布式光纖應用領域：電力行業、電力電纜的表面溫度檢測監控、事故點定位、電纜隧道、夾層的火情監測發電廠和變電站的加的溫度監測、故障點的檢測和火災報警水利土木建筑行業大壩、河堤的滲漏，橋梁及其他混凝土結構裂變的監測大壩、河堤、橋梁的混凝土凝固與養護溫度與應變監測大型民用工程的結構健康監測公路、地鐵隧道行業、隧道、地鐵、公路的火災監測和報警、石油天然氣行業石油、天然氣輸送管線或儲罐泄漏監測、油庫、油管、油罐的溫度監測及故障點的檢測分布光纖溫度傳感系統通過光纖對遠處的一個空間各個點的溫度進行實時測量，主要應用于油庫、煤礦、軍火庫、地下商場、隧道、大中型變壓器和電纜溝等的測溫，并可通過監測溫度變化達到溫度報警。與傳統測溫方法比較，分布光纖溫度傳感系統可以在易燃、易爆的環境下同時測量幾萬個點，并可對每個溫度測量點進行準確定位。在分布式光纖振動信號圖像化處理的領域，并沒有具體的特征增強和信號處理的方式，而且現有的二維圖像信號處理方式不便。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決現有技術中存在的缺點，而提出的一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法及其制備方法。為了實現上述目的，本專利技術采用了如下技術方案：一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法，該方法包括以下步驟：S1、前端光纖振動信號收集，通過光發射模塊發射脈沖信號進入傳感光纖，以瑞利后向散射信號作為載波信號，再利用光時域反射技術和干涉技術接受到的信號；S2、數據采集，以FPGA作為主控制器，USB作為傳輸接口，硬件分為信號調理部分、信號采集部份、FPGA部分、USB信號傳輸部分以及電源模塊、數字IO模塊和預留擴展口；S3、數據傳輸，FPGA作為數據采集系統的主控制器，得到上位機的指令，FGPA根據指令使數據采集系統處于正確的工作狀態，并將信息和數據反饋給上位機；S4、數據堆疊和插值，將一維數據按需要堆積成二行或多行，根據采集時間進行插值，產生二維信號；S5、二維數據圖像加強，通過形態學處理方法進行圖像加強，包括圖像膨脹，孔洞填充，區域分割；S6、識別區域進行特征表示和描述，通過提取圖像骨骼，提取圖像的傅里葉描述子，并通過傅里葉描述子進行振動信號的識別。優選的，步驟S1中脈沖信號具有頻帶寬和頻率高的特點，頻率范圍在20Hz-10MHz，需要高速數據采集卡進行采集。優選的，步驟S2中信號調理、信號采集和信號緩存都有兩路獨立的通道，FPGA是現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物，它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。優選的，步驟S2中信號采集的參數有采樣頻率、采樣長度、觸發方式和觸發電平，參數通過地址線譯碼，數據線復用的方式傳至FGPA，采用鎖存功能模塊保存參數。優選的，步驟S3中上位機傳達給FGPA的命令以及FGPA傳送給上位機的數據都是通過USB來完成的，上位機是整個采集系統的指令源頭和歸宿，它控制了采集系統的工作參數和工作狀態并最后接收采集數據。優選的，步驟S5中圖像膨脹是以得到B的相對與它自身原點的映像并且由Z對映像進行移位為基礎的，A被B膨脹是所有位移Z的集合，這樣，和A至少有一個元素是重疊的，孔洞填充是采用Matlab軟件中的imfill用于二值圖像孔洞填充，來用于填充圖像區域和空洞，區域分割是指將待分析的數據進行區域劃分，將其中感興趣的數據片段提取出來做進一步處理，而將其它的數據拋棄，區域分割的主要目的，是減少后續處理的數據量。優選的，步驟S6中提取圖像骨骼是是采用讀取圖像文件，再用graythreash函數計算閾值計算，利用im2bw函數將原圖像變為二值圖像，調用bwmorph函數去除物體的邊界像素，其余像素組成的圖像骨架并顯示出來，完成圖像骨骼的提取，提取圖像的傅里葉描述子是利用基于曲線多邊形近似的連續傅里葉變換方法計算出傅里葉描述子，并通過形狀的主方向消除邊界起始點相位影響。本專利技術提供的一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法，通過將分布式光纖振動信號轉換為單位時間的二維圖像信號，更便于信號，通過二維圖像識別的方式處理信號，將信號的特征進行加強，將信號的特征通過傅里葉描述子進行提取。適合廣泛推廣。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法，該方法包括以下步驟：S1、前端光纖振動信號收集，通過光發射模塊發射脈沖信號進入傳感光纖，以瑞利后向散射信號作為載波信號，再利用光時域反射技術和干涉技術接受到的信號；S2、數據采集，以FPGA作為主控制器，USB作為傳輸接口，硬件分為信號調理部分、信號采集部份、FPGA部分、USB信號傳輸部分以及電源模塊、數字IO模塊和預留擴展口；S3、數據傳輸，FPGA作為數據采集系統的主控制器，得到上位機的指令，FGPA根據指令使數據采集系統處于正確的工作狀態，并將信息和數據反饋給上位機；S4、數據堆疊和插值，將一維數據按需要堆積成二行或多行，根據采集時間進行插值，產生二維信號；S5、二維數據圖像加強，通過形態學處理方法進行圖像加強，包括圖像膨脹，孔洞填充，區域分割；S6、識別區域進行特征表示和描述，通過提取圖像骨骼，提取圖像的傅里葉描述子，并通過傅里葉描述子進行振動信號的識別。所述步驟S1中脈沖信號具有頻帶寬和頻率高的特點，頻率范圍在20Hz-10MHz，需要高速數據采集卡進行采集。所述步驟S2中信號調理、信號采集和信號緩存都有兩路獨立的通道，FPGA是現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物，它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。所述步驟S2中信號采集的參數有采樣頻率、采樣長度、觸發方式和觸發電平，參數通過地址線譯碼，數據線復用的方式傳至FGPA，采用鎖存功能模塊保存參數。所述步驟S3中上位機傳達給FGPA的命令以及本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：S1、前端光纖振動信號收集，通過光發射模塊發射脈沖信號進入傳感光纖，以瑞利后向散射信號作為載波信號，再利用光時域反射技術和干涉技術接受到的信號；S2、數據采集，以FPGA作為主控制器，USB作為傳輸接口，硬件分為信號調理部分、信號采集部份、FPGA部分、USB信號傳輸部分以及電源模塊、數字IO模塊和預留擴展口；S3、數據傳輸，FPGA作為數據采集系統的主控制器，得到上位機的指令，FGPA根據指令使數據采集系統處于正確的工作狀態，并將信息和數據反饋給上位機；S4、數據堆疊和插值，將一維數據按需要堆積成二行或多行，根據采集時間進行插值，產生二維信號；S5、二維數據圖像加強，通過形態學處理方法進行圖像加強，包括圖像膨脹，孔洞填充，區域分割；S6、識別區域進行特征表示和描述，通過提取圖像骨骼，提取圖像的傅里葉描述子，并通過傅里葉描述子進行振動信號的識別。

【技術特征摘要】
1.一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：S1、前端光纖振動信號收集，通過光發射模塊發射脈沖信號進入傳感光纖，以瑞利后向散射信號作為載波信號，再利用光時域反射技術和干涉技術接受到的信號；S2、數據采集，以FPGA作為主控制器，USB作為傳輸接口，硬件分為信號調理部分、信號采集部份、FPGA部分、USB信號傳輸部分以及電源模塊、數字IO模塊和預留擴展口；S3、數據傳輸，FPGA作為數據采集系統的主控制器，得到上位機的指令，FGPA根據指令使數據采集系統處于正確的工作狀態，并將信息和數據反饋給上位機；S4、數據堆疊和插值，將一維數據按需要堆積成二行或多行，根據采集時間進行插值，產生二維信號；S5、二維數據圖像加強，通過形態學處理方法進行圖像加強，包括圖像膨脹，孔洞填充，區域分割；S6、識別區域進行特征表示和描述，通過提取圖像骨骼，提取圖像的傅里葉描述子，并通過傅里葉描述子進行振動信號的識別。2.根據權利要求1所述的一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法，其特征在于：步驟S1中脈沖信號具有頻帶寬和頻率高的特點，頻率范圍在20Hz-10MHz，需要高速數據采集卡進行采集。3.根據權利要求1所述的一種將分布式光纖振動信號圖像化的特征增強和信號處理方法，其特征在于：步驟S2中信號調理、信號采集和信號緩存都有兩路獨立的通道，FPGA是現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物，它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。4.根據權利要...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳柏，楊建成，張承濤，陳宇，陳嘉琳，
申請(專利權)人：無錫亞天光電科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32