本發(fā)明涉及分布式光纖領(lǐng)域，尤其涉及一種將分布式光纖振動(dòng)信號(hào)圖像化的特征增強(qiáng)和信號(hào)處理方法。

背景技術(shù)：

分布式光纖傳感系統(tǒng)原理是同時(shí)利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號(hào)介質(zhì)，采用先進(jìn)的OTDR技術(shù)，探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度和應(yīng)變的變化，實(shí)現(xiàn)真正分布式的測(cè)量。提出的基于OTDR的瑞利散射系統(tǒng)的分布式光纖傳感器經(jīng)歷了基于OTDR的喇曼散射系統(tǒng)和基于OTDR的布里淵散射系統(tǒng)，測(cè)溫精度和范圍大幅提高。

OFDR是在20世紀(jì)90年代提出的，隨著喇曼散射和布里淵散射以及強(qiáng)散射研究的深入，OFDR與其集成日益顯示出其在測(cè)量精度、測(cè)量范圍和測(cè)量速度方面的優(yōu)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(yè)實(shí)用化還有很長(zhǎng)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(diǎn)，尤其是基于OFDR的新型分布式光纖傳感器將是一個(gè)重要的發(fā)展方向，分布式光纖應(yīng)用領(lǐng)域：電力行業(yè)、電力電纜的表面溫度檢測(cè)監(jiān)控、事故點(diǎn)定位、電纜隧道、夾層的火情監(jiān)測(cè) 發(fā)電廠和變電站的加的溫度監(jiān)測(cè)、故障點(diǎn)的檢測(cè)和火災(zāi)報(bào)警 水利土木建筑行業(yè) 大壩、河堤的滲漏，橋梁及其他混凝土結(jié)構(gòu)裂變的監(jiān)測(cè) 大壩、河堤、橋梁的混凝土凝固與養(yǎng)護(hù)溫度與應(yīng)變監(jiān)測(cè) 大型民用工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)公路 、地鐵隧道行業(yè)、隧道、地鐵、公路的火災(zāi)監(jiān)測(cè)和報(bào)警、石油天然氣行業(yè) 石油、天然氣輸送管線或儲(chǔ)罐泄漏監(jiān)測(cè)、油庫、油管、油罐的溫度監(jiān)測(cè)及故障點(diǎn)的檢測(cè)分布光纖溫度傳感系統(tǒng)通過光纖對(duì)遠(yuǎn)處的一個(gè)空間各個(gè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，主要應(yīng)用于油庫、煤礦、軍火庫、地下商場(chǎng)、隧道、大中型變壓器和電纜溝等的測(cè)溫，并可通過監(jiān)測(cè)溫度變化達(dá)到溫度報(bào)警。與傳統(tǒng)測(cè)溫方法比較，分布光纖溫度傳感系統(tǒng)可以在易燃、易爆的環(huán)境下同時(shí)測(cè)量幾萬個(gè)點(diǎn)，并可對(duì)每個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。在分布式光纖振動(dòng)信號(hào)圖像化處理的領(lǐng)域，并沒有具體的特征增強(qiáng)和信號(hào)處理的方式，而且現(xiàn)有的二維圖像信號(hào)處理方式不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，而提出的一種將分布式光纖振動(dòng)信號(hào)圖像化的特征增強(qiáng)和信號(hào)處理方法及其制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種將分布式光纖振動(dòng)信號(hào)圖像化的特征增強(qiáng)和信號(hào)處理方法，該方法包括以下步驟：

S1、前端光纖振動(dòng)信號(hào)收集，通過光發(fā)射模塊發(fā)射脈沖信號(hào)進(jìn)入傳感光纖，以瑞利后向散射信號(hào)作為載波信號(hào)，再利用光時(shí)域反射技術(shù)和干涉技術(shù)接受到的信號(hào)；

S2、數(shù)據(jù)采集，以FPGA作為主控制器，USB作為傳輸接口，硬件分為信號(hào)調(diào)理部分、信號(hào)采集部份、FPGA部分、USB信號(hào)傳輸部分以及電源模塊、數(shù)字IO模塊和預(yù)留擴(kuò)展口；

S3、數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)PGA作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控制器，得到上位機(jī)的指令，F(xiàn)GPA根據(jù)指令使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處于正確的工作狀態(tài)，并將信息和數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)；

S4、數(shù)據(jù)堆疊和插值，將一維數(shù)據(jù)按需要堆積成二行或多行，根據(jù)采集時(shí)間進(jìn)行插值，產(chǎn)生二維信號(hào)；

S5、二維數(shù)據(jù)圖像加強(qiáng)，通過形態(tài)學(xué)處理方法進(jìn)行圖像加強(qiáng)，包括圖像膨脹，孔洞填充，區(qū)域分割；

S6、識(shí)別區(qū)域進(jìn)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(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別。

優(yōu)選的，步驟S1中脈沖信號(hào)具有頻帶寬和頻率高的特點(diǎn)，頻率范圍在20Hz-10MHz，需要高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。

優(yōu)選的，步驟S2中信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集和信號(hào)緩存都有兩路獨(dú)立的通道，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，它是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)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(shù)有限的缺點(diǎn)。

優(yōu)選的，步驟S2中信號(hào)采集的參數(shù)有采樣頻率、采樣長(zhǎng)度、觸發(fā)方式和觸發(fā)電平，參數(shù)通過地址線譯碼，數(shù)據(jù)線復(fù)用的方式傳至FGPA，采用鎖存功能模塊保存參數(shù)。

優(yōu)選的，步驟S3中上位機(jī)傳達(dá)給FGPA的命令以及FGPA傳送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)都是通過USB來完成的，上位機(jī)是整個(gè)采集系統(tǒng)的指令源頭和歸宿，它控制了采集系統(tǒng)的工作參數(shù)和工作狀態(tài)并最后接收采集數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，步驟S5中圖像膨脹是以得到B的相對(duì)與它自身原點(diǎn)的映像并且由Z對(duì)映像進(jìn)行移位為基礎(chǔ)的，A被B膨脹是所有位移Z的集合，這樣，和A至少有一個(gè)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(qū)域和空洞，區(qū)域分割是指將待分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域劃分，將其中感興趣的數(shù)據(jù)片段提取出來做進(jìn)一步處理，而將其它的數(shù)據(jù)拋棄，區(qū)域分割的主要目的，是減少后續(xù)處理的數(shù)據(jù)量。

優(yōu)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(shù)計(jì)算閾值計(jì)算，利用im2bw函數(shù)將原圖像變?yōu)槎祱D像，調(diào)用bwmorph函數(shù)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(xù)傅里葉變換方法計(jì)算出傅里葉描述子，并通過形狀的主方向消除邊界起始點(diǎn)相位影響。

本發(fā)明提供的一種將分布式光纖振動(dòng)信號(hào)圖像化的特征增強(qiáng)和信號(hào)處理方法，通過將分布式光纖振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為單位時(shí)間的二維圖像信號(hào)，更便于信號(hào)，通過二維圖像識(shí)別的方式處理信號(hào)，將信號(hào)的特征進(jìn)行加強(qiáng)，將信號(hào)的特征通過傅里葉描述子進(jìn)行提取。適合廣泛推廣。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一種將分布式光纖振動(dòng)信號(hào)圖像化的特征增強(qiáng)和信號(hào)處理方法，該方法包括以下步驟：

S1、前端光纖振動(dòng)信號(hào)收集，通過光發(fā)射模塊發(fā)射脈沖信號(hào)進(jìn)入傳感光纖，以瑞利后向散射信號(hào)作為載波信號(hào)，再利用光時(shí)域反射技術(shù)和干涉技術(shù)接受到的信號(hào)；

S2、數(shù)據(jù)采集，以FPGA作為主控制器，USB作為傳輸接口，硬件分為信號(hào)調(diào)理部分、信號(hào)采集部份、FPGA部分、USB信號(hào)傳輸部分以及電源模塊、數(shù)字IO模塊和預(yù)留擴(kuò)展口；

S3、數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)PGA作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控制器，得到上位機(jī)的指令，F(xiàn)GPA根據(jù)指令使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處于正確的工作狀態(tài)，并將信息和數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)；

S4、數(shù)據(jù)堆疊和插值，將一維數(shù)據(jù)按需要堆積成二行或多行，根據(jù)采集時(shí)間進(jìn)行插值，產(chǎn)生二維信號(hào)；

S5、二維數(shù)據(jù)圖像加強(qiáng)，通過形態(tài)學(xué)處理方法進(jìn)行圖像加強(qiáng)，包括圖像膨脹，孔洞填充，區(qū)域分割；

S6、識(shí)別區(qū)域進(jìn)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(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別。

所述步驟S1中脈沖信號(hào)具有頻帶寬和頻率高的特點(diǎn)，頻率范圍在20Hz-10MHz，需要高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。

所述步驟S2中信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集和信號(hào)緩存都有兩路獨(dú)立的通道，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，它是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)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(shù)有限的缺點(diǎn)。

所述步驟S2中信號(hào)采集的參數(shù)有采樣頻率、采樣長(zhǎng)度、觸發(fā)方式和觸發(fā)電平，參數(shù)通過地址線譯碼，數(shù)據(jù)線復(fù)用的方式傳至FGPA，采用鎖存功能模塊保存參數(shù)。

所述步驟S3中上位機(jī)傳達(dá)給FGPA的命令以及FGPA傳送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)都是通過USB來完成的，上位機(jī)是整個(gè)采集系統(tǒng)的指令源頭和歸宿，它控制了采集系統(tǒng)的工作參數(shù)和工作狀態(tài)并最后接收采集數(shù)據(jù)。

所述步驟S5中圖像膨脹是以得到B的相對(duì)與它自身原點(diǎn)的映像并且由Z對(duì)映像進(jìn)行移位為基礎(chǔ)的，A被B膨脹是所有位移Z的集合，這樣，和A至少有一個(gè)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(qū)域和空洞，區(qū)域分割是指將待分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域劃分，將其中感興趣的數(shù)據(jù)片段提取出來做進(jìn)一步處理，而將其它的數(shù)據(jù)拋棄，區(qū)域分割的主要目的，是減少后續(xù)處理的數(shù)據(jù)量。

所述步驟S6中提取圖像骨骼是是采用讀取圖像文件，再用graythreash函數(shù)計(jì)算閾值計(jì)算，利用im2bw函數(shù)將原圖像變?yōu)槎祱D像，調(diào)用bwmorph函數(shù)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(xù)傅里葉變換方法計(jì)算出傅里葉描述子，并通過形狀的主方向消除邊界起始點(diǎn)相位影響。

本發(fā)明提供的一種將分布式光纖振動(dòng)信號(hào)圖像化的特征增強(qiáng)和信號(hào)處理方法，通過將分布式光纖振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為單位時(shí)間的二維圖像信號(hào)，更便于信號(hào)，通過二維圖像識(shí)別的方式處理信號(hào)，將信號(hào)的特征進(jìn)行加強(qiáng)，將信號(hào)的特征通過傅里葉描述子進(jìn)行提取。適合廣泛推廣。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。