本發(fā)明涉及分布式光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法及裝置。

背景技術(shù)：

近年來，隨著油氣管道、高鐵、大型建筑等的高速發(fā)展，其安全越來越受到各界關(guān)注。而分布式光纖傳感技術(shù)由于其本身大量的優(yōu)點，成為長距離、惡劣環(huán)境下進(jìn)行外界信息感知的關(guān)鍵技術(shù)。然而，較低的信噪比是分布式光纖傳感技術(shù)中一直以來都存在的急需解決的問題。為了解決這一難題，很多研究人員做了大量工作，主要包括基于硬件的改進(jìn)方法和基于去噪算法的改進(jìn)方法。其中，基于硬件改進(jìn)方法雖然能有效地提高系統(tǒng)信噪比，但是其技術(shù)難度大并且會大大增加系統(tǒng)成本，性價比較低。而相比于基于硬件改進(jìn)方法，將圖像去噪算法應(yīng)用于分布式光纖傳感技術(shù)中能在不改進(jìn)硬件的前提下獲得比較理想的去噪效果，在獲得令人滿意的去噪效果條件下?lián)碛懈玫男詢r比。然而，目前應(yīng)用到分布式光纖傳感技術(shù)中且能夠提高分布式光纖傳感系統(tǒng)輸出的解調(diào)信號的信噪比的去噪算法參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，計算難度較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法及裝置，以有效地改善上述問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，所述方法包括：獲取原始數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則將所述原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維圖；獲取所述二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差；根據(jù)所述噪聲標(biāo)準(zhǔn)差得到所述二維圖的灰度標(biāo)準(zhǔn)差；根據(jù)二維雙邊濾波算法對所述二維圖進(jìn)行濾波，獲得去噪后的二維圖，其中，所述二維雙邊濾波算法包括所述灰度標(biāo)準(zhǔn)差和預(yù)設(shè)的距離權(quán)重。

第二方面，本發(fā)明實施例還提供了一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理裝置，所述裝置包括：轉(zhuǎn)換模塊、第一獲取模塊、第二獲取模塊及濾波模塊。其中，轉(zhuǎn)換模塊用于獲取原始數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則將所述原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維圖；第一獲取模塊用于獲取所述二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差；第二獲取模塊用于根據(jù)所述噪聲標(biāo)準(zhǔn)差得到所述二維圖的灰度標(biāo)準(zhǔn)差；濾波模塊用于根據(jù)二維雙邊濾波算法對所述二維圖進(jìn)行濾波，獲得去噪后的二維圖，其中，所述二維雙邊濾波算法包括所述灰度標(biāo)準(zhǔn)差和預(yù)設(shè)的距離權(quán)重。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明實施例提供的基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法及裝置將獲取到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維圖后，獲取該二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，并根據(jù)所獲取的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差自適應(yīng)地得到上述二維圖的灰度標(biāo)準(zhǔn)差，采用二維雙邊濾波算法對所獲得的二維圖進(jìn)行濾波。將該數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用于分布式光纖傳感系統(tǒng)輸出的解調(diào)信號的處理時，能夠有效地提高解調(diào)信號的信噪比。此外，本發(fā)明實施例提供的二維雙邊濾波算法的權(quán)系數(shù)由距離權(quán)重和灰度權(quán)重組成，其中，灰度權(quán)重根據(jù)所獲取二維圖的灰度標(biāo)準(zhǔn)差調(diào)節(jié)，距離權(quán)重直接預(yù)先設(shè)置，有效地降低了計算量，更加簡單實用。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1為本發(fā)明較佳實施例提供的計算機(jī)的方框示意圖；

圖2為本發(fā)明較佳實施例提供的一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法的方法流程圖；

圖3為本發(fā)明較佳實施例提供的一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法的步驟S210的流程圖；

圖4為本發(fā)明較佳實施例提供的一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法的步驟S220的流程圖；

圖5為本實施例提供的一種基于相位敏感光時域反射技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為在圖5所示的系統(tǒng)中的27.6km的傳感光纖上加載單個振動時去噪前、后的解調(diào)結(jié)果示意圖；

圖7為在圖5所示的系統(tǒng)中的27.6km的傳感光纖上加載兩個振動時去噪前、后的解調(diào)結(jié)果示意圖；

圖8為本發(fā)明較佳實施例提供的一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理裝置的功能模塊圖；

圖9為本發(fā)明較佳實施例提供的另一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理裝置的功能模塊圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋。同時，在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

如圖1所示，是本發(fā)明較佳的實施例提供的計算機(jī)的方框示意圖。所述計算機(jī)100包括基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理裝置110、存儲器120、存儲控制器130、處理器140、外設(shè)接口150、輸入輸出裝置160及顯示裝置170。

所述存儲器120、存儲控制器130、處理器140、外設(shè)接口150、輸入輸出裝置160、顯示裝置170各元件相互之間直接或間接地電性連接，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸或交互。例如，這些元件相互之間可通過一條或多條通訊總線或信號線實現(xiàn)電性連接。所述數(shù)據(jù)處理裝置110包括至少一個可以軟件或固件(firmware)的形式存儲于所述存儲器120中的軟件功能模塊。所述處理器140用于執(zhí)行存儲器120中存儲的可執(zhí)行模塊，例如所述數(shù)據(jù)處理裝置110包括的軟件功能模塊或計算機(jī)100程序。

其中，存儲器120可以是，但不限于，隨機(jī)存取存儲器(Random Access Memory，RAM)，只讀存儲器(Read Only Memory，ROM)，可編程只讀存儲器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，可擦除只讀存儲器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，電可擦除只讀存儲器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。其中，存儲器120用于存儲程序，所述處理器140在接收到執(zhí)行指令后，執(zhí)行所述程序，前述本發(fā)明實施例任一實施例揭示的流過程定義的服務(wù)器所執(zhí)行的方法可以應(yīng)用于處理器140中，或者由處理器140實現(xiàn)。

處理器140可能是一種集成電路芯片，具有信號的處理能力。上述的處理器140可以是通用處理器，包括中央處理器(Central Processing Unit，簡稱CPU)、網(wǎng)絡(luò)處理器(Network Processor，簡稱NP)等；還可以是數(shù)字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)成可編程門陣列(FPGA)或者其他可編程邏輯器件、分立門或者晶體管邏輯器件、分立硬件組件?？梢詫崿F(xiàn)或者執(zhí)行本發(fā)明實施例中的公開的各方法、步驟及邏輯框圖。通用處理器可以是微處理器或者該處理器140也可以是任何常規(guī)的處理器等。

所述外設(shè)接口150將各種輸入/輸出裝置耦合至處理器140以及存儲器120。在一些實施例中，外設(shè)接口150、處理器140以及存儲控制器130可以在單個芯片中實現(xiàn)。在其他一些實例中，他們可以分別由獨立的芯片實現(xiàn)。

輸入輸出裝置160用于提供給用戶輸入數(shù)據(jù)實現(xiàn)用戶與所述計算機(jī)100的交互。所述輸入輸出裝置160可以是，但不限于，鼠標(biāo)和鍵盤等。

顯示裝置170在計算機(jī)100與用戶之間提供一個交互界面(例如用戶操作界面)或用于顯示圖像數(shù)據(jù)給用戶參考。在本實施例中，所述顯示裝置170可以是液晶顯示器或觸控顯示器。若為觸控顯示器，其可為支持單點和多點觸控操作的電容式觸控屏或電阻式觸控屏等。支持單點和多點觸控操作是指觸控顯示器能感應(yīng)到來自該觸控顯示器上一個或多個位置處同時產(chǎn)生的觸控操作，并將該感應(yīng)到的觸控操作交由處理器140進(jìn)行計算和處理。

相比于基于硬件改進(jìn)方法，將圖像去噪算法應(yīng)用于分布式光纖傳感技術(shù)中能在不改進(jìn)硬件的前提下獲得比較理想的去噪效果，在獲得令人滿意的去噪效果條件下?lián)碛懈玫男詢r比。然而，目前應(yīng)用到分布式光纖傳感技術(shù)中且能夠提高分布式光纖傳感系統(tǒng)輸出的解調(diào)信號的信噪比的去噪算法參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，計算難度較大。

例如，目前應(yīng)用到分布式光纖傳感技術(shù)中的去噪算法主要有以下幾種：(1)基于小波變換類。該方法雖然能夠提高測量數(shù)據(jù)的信噪比，但是這種方法參數(shù)設(shè)置比較復(fù)雜，實用性較差；(2)基于二維邊界探測類。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)的信噪比提高較小，不足以滿足實際需求；(3)基于非局部平均算法。該方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較高的信噪比提升，但是復(fù)雜度較高，需要的處理時間很長，對于動態(tài)量測量系統(tǒng)則無法滿足實時性要求，可行性較差。

鑒于此，本發(fā)明實施例提供了一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，應(yīng)用于分布式光纖傳感系統(tǒng)輸出的解調(diào)信號的處理。如圖2所示，所述方法至少包括以下步驟S210至步驟S240。

步驟S210，獲取原始數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則將所述原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維圖。

原始數(shù)據(jù)包括多組子數(shù)據(jù)，每組子數(shù)據(jù)包括按預(yù)設(shè)順序排列的多個數(shù)據(jù)。將獲取到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維圖，即可以將對原始數(shù)據(jù)的去噪問題轉(zhuǎn)換為對圖像的去噪問題。其中，原始數(shù)據(jù)為分布式光纖傳感系統(tǒng)輸出的多組解調(diào)數(shù)據(jù)，其中，所述多組解調(diào)數(shù)據(jù)是按照預(yù)設(shè)時間間隔采樣得到的，每一組解調(diào)數(shù)據(jù)即為上述子數(shù)據(jù)。此時，每一組子數(shù)據(jù)均包括多個對應(yīng)于不同光纖距離處的光強值，且每一組子數(shù)據(jù)所包括的多個光強值按照光纖距離大小排列。

如圖3所示，作為一種實施方式，根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則將所述原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維圖的方法包括步驟S211至步驟S213。

步驟S211，獲取所述多組子數(shù)據(jù)中位于同一排列位置處的數(shù)據(jù)的均值獲得均值序列。

每組子數(shù)據(jù)所包括的數(shù)據(jù)的排列方式及采樣間隔均相同，多組子數(shù)據(jù)中位于同一排列位置處的數(shù)據(jù)即為對應(yīng)于同一個采樣點的數(shù)據(jù)。例如，原始數(shù)據(jù)包括三組子數(shù)據(jù)，分別用D1、D2及D3表示，D1為{A1，A2，A3，A4，A5}，D2為{B1，B2，B3，B4，B5}，D3為{C1，C2，C3，C4，C5}。其中，A1、B1及C1均對應(yīng)于采樣點P1，A2、B2及C2均對應(yīng)于采樣點P2，A3、B3及C3均對應(yīng)于采樣點P3，A4、B4及C4均對應(yīng)于采樣點P4，A5、B5及C5均對應(yīng)于采樣點P5。此時，對多組子數(shù)據(jù)中位于同一排列位置處的數(shù)據(jù)求均值，即為分別獲取A1、B1及C1的均值A(chǔ)VE1，A2、B2及C2的均值A(chǔ)VE2，A3、B3及C3的均值A(chǔ)VE3，A4、B4及C4的均值A(chǔ)VE4以及A5、B5及C5的均值A(chǔ)VE5，從而得到均值序列{AVE1，AVE2，AVE3，AVE4，AVE5}。

步驟S212，獲取每組子數(shù)據(jù)中的每個數(shù)據(jù)與所述均值序列中與該數(shù)據(jù)排列位置相同的均值的差值。

獲取到均值序列后，多組子數(shù)據(jù)中對于同一排列位置處的數(shù)據(jù)的均值即為均值序列中位于相同排列位置的數(shù)據(jù)。獲取每一組子數(shù)據(jù)中的每個數(shù)據(jù)與所述均值序列中與該數(shù)據(jù)排列位置相同的均值的差值的具體實施方式可以為：根據(jù)每個數(shù)據(jù)的排列位置獲取該數(shù)據(jù)對應(yīng)的均值，獲取該數(shù)據(jù)與所獲取到的均值的差值。例如，獲取到的上述子數(shù)據(jù)D1{A1，A2，A3，A4，A5}中的每個數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)對應(yīng)的均值的差值分別為：A1-AVE1，A2-AVE2，A3-AVE3，A4-AVE4，A5-AVE5。

步驟S213，將所述差值量化到[0～255]區(qū)間內(nèi)得到二維圖。

其中，所述二維圖為灰度圖?？梢岳斫獾氖?，灰度圖可以理解為一個a×b的像素點陣列，a表示行，b表示列，陣列的元素值用灰度值表示，即每個像素點均具有一個灰度值，且灰度值的取值范圍為[0～255]，0表示黑色，255表示白色。每一個像素點在灰度圖中的位置可以用(i，j)表示，其中，i表示第i行，j表示第j列。因此，為了完成原始數(shù)據(jù)向二維圖的轉(zhuǎn)換，需要將所述差值量化到[0～255]區(qū)間內(nèi)。

本實施例中，將所述差值量化到[0～255]區(qū)間內(nèi)的實施方式優(yōu)選為：將步驟S212中獲取到的差值取絕對值后，獲取所有差值的絕對值的最大值，將所有差值的絕對值均除以該最大值后再乘以255，即可以將步驟S212中獲取到的差值量化到[0～255]區(qū)間內(nèi)，得到二維圖。這種量化方式能夠?qū)⒚拷M子數(shù)據(jù)所包括的數(shù)據(jù)之間的差異性有效地體現(xiàn)在二維圖中，所得到的二維圖更加準(zhǔn)確。

當(dāng)然，將所述差值量化到[0～255]區(qū)間內(nèi)的實施方式也可以為：將步驟S212中獲取到的每一組子數(shù)據(jù)與對應(yīng)的均值的差值取絕對值后進(jìn)行排序，可以按照由小到大的順序排列，也可以按照由大到小的順序排列。根據(jù)用戶的需要將排列好的數(shù)據(jù)劃分為依次排列的256個區(qū)間，256個區(qū)間與[0～255]區(qū)間包括的256個整數(shù)值一一對應(yīng)，將屬于相同區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為該區(qū)間對應(yīng)的整數(shù)值，從而得到二維圖。需要說明的是，相鄰的區(qū)間對應(yīng)的整數(shù)值也為相鄰的。例如，當(dāng)每一組子數(shù)據(jù)與對應(yīng)的均值的差值取絕對值后按照由小到大的順序排列時，所劃分的區(qū)間分別為{K1，K2，K3，…，K256}，若K1對應(yīng)于0，則K2對應(yīng)于1，…，K256對應(yīng)于255，若K1對應(yīng)于255，則K2對應(yīng)于254，…，K256對應(yīng)于0。

步驟S220，獲取所述二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。

由于圖像處理技術(shù)中，二維雙邊濾波算法的最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差與圖像的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差之間呈正比例關(guān)系。因此，為了獲取最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差，需要先獲取上述步驟S210所獲得的二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。

如圖4所示，作為一種實施方式，步驟S220可以包括步驟S221至步驟S223。

步驟S221，將所述二維圖劃分為多個區(qū)域，每個所述區(qū)域包括多個像素點。

其中，具體的劃分規(guī)則可以根據(jù)二維圖的像素數(shù)量即原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量、用戶所需要的信噪比及對處理時間的要求設(shè)置。例如，當(dāng)原始數(shù)據(jù)包括100組子數(shù)據(jù)，且每組子數(shù)據(jù)包括30000個數(shù)據(jù)時，所獲取的二維圖可以包括100(行)×30000(列)個像素點，此時，考慮到所需要的信噪比及對處理時間，可以將20×20個像素點劃分為一個區(qū)域。

步驟S222，獲取每個所述區(qū)域所包括的多個像素點的灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差；

獲取步驟S221中獲得的每個區(qū)域所包括的多個像素點的灰度值后，得到每個區(qū)域所包括的多個像素點的灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差。

步驟S223，獲取所有所述區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差的均值作為所述二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。

步驟S230，根據(jù)所述噪聲標(biāo)準(zhǔn)差得到所述二維圖的灰度標(biāo)準(zhǔn)差。

圖像處理技術(shù)中，二維雙邊濾波算法的最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差與圖像的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差之間呈正比例關(guān)系。因此，獲取到二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差后，根據(jù)所述噪聲標(biāo)準(zhǔn)差及預(yù)設(shè)的正比例系數(shù)即可以獲得該二維圖的最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差。

其中，預(yù)設(shè)的正比例系數(shù)可以根據(jù)多次試驗獲得。具體的，可以獲取多組原始數(shù)據(jù)，每組原始數(shù)據(jù)對應(yīng)于一個二維圖，獲取每一個二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置一個最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差的最小值σ_min。將該最小值作為最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差，將當(dāng)前二維圖、預(yù)設(shè)的距離權(quán)重以及最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差帶入二維雙邊濾波算法即可得到去噪后的二維圖，并計算去噪后的二位圖的信噪比SNR1。以該最小值σ_min為起點按照預(yù)設(shè)步長Δσ遞增更新當(dāng)前二維圖的最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差為σ_min+Δσ，重復(fù)上述過程得到信噪比SNR2；再次按照預(yù)設(shè)步長Δσ更新當(dāng)前二維圖的最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差為σ_min+2Δσ，重復(fù)上述過程得到信噪比SNR3，依此類推，可以得到一系列的最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差及其對應(yīng)的去噪后的二維圖的信噪比。以上述一系列的最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差為橫坐標(biāo)，去噪后的二維圖的信噪比為縱坐標(biāo)，可以得到關(guān)于最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差與去噪后的二維圖的信噪比的曲線，根據(jù)具體試驗可知，該曲線呈高斯分布，存在一個最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差σ_p對應(yīng)的信噪比為最大值，此時可以得到該二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差σ_n對應(yīng)的最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差σ_p。

以獲取到的每一個二維圖分別作為當(dāng)前二維圖，重復(fù)上述過程即可以得到每一個二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差對應(yīng)的最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差，此時，可以得到多個相互對應(yīng)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差及最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差：(σ_n1，σ_p1)、(σ_n2，σ_p2)、(σ_n3，σ_p3)、…、(σ_nk，σ_pk)。將上述多個相互對應(yīng)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差及最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行曲線擬合，即可以得到正比例系數(shù)ξ，同時，也驗證了二維雙邊濾波算法的最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差與由原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差之間的正比例關(guān)系。

可以理解的是，在本實施例的另一種實施方式中，也可以根據(jù)二維圖的噪聲方差獲取所述二維圖的灰度標(biāo)準(zhǔn)差。二維圖的噪聲方差的獲取方式與二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的獲取方式類似，不同之處在于，上述步驟S222為獲取每個所述區(qū)域所包括的多個像素點的灰度值的方差；上述步驟S223為獲取所有所述區(qū)域的方差的均值作為所述二維圖的噪聲方差。

步驟S240，根據(jù)二維雙邊濾波算法對所述二維圖進(jìn)行濾波，獲得去噪后的二維圖。

其中，所述二維雙邊濾波算法包括所述灰度標(biāo)準(zhǔn)差和預(yù)設(shè)的距離權(quán)重。

數(shù)字圖像處理中，濾波的基本原理是將圖像中的每個點與其相鄰的像素點的灰度值作加權(quán)平均卷積運算。相比于其它圖像濾波算法，雙邊濾波算法能夠在平滑圖像的同時保持圖像的邊緣細(xì)節(jié)。雙邊濾波器在二維鄰域即濾波窗口的加權(quán)系數(shù)是由距離權(quán)重和灰度權(quán)重兩部分組成。具體來講，距離權(quán)重和灰度權(quán)重的乘積即為雙邊濾波器在濾波窗口的加權(quán)系數(shù)。其中，距離權(quán)重是由像素的空間距離決定的，灰度權(quán)重是由像素間的亮度差值決定的。

可以理解的是，對于含有噪聲的圖像X中的像素點(i，j)處的灰度值，假設(shè)濾波窗口的像素范圍為N×N，所述濾波窗口包括一個中心像素點和位于中心像素點的N×N鄰域內(nèi)的多個參考像素點。此時，采用現(xiàn)有的雙邊濾波算法對像素點(i，j)進(jìn)行雙邊濾波后的輸出值可以表示為：

式(1)中，Y表示去噪之后的圖像；(i，j)表示濾波窗口的中心像素點O，m表示濾波窗口中每個參考像素點到中心像素點之間的橫向距離，n表示濾波窗口中每個參考像素點到中心像素點之間的縱向距離。需要說明的是，上述橫向距離和縱向距離均為歐式距離，由于濾波窗口為方形窗口，m和n的取值范圍均為[-P，P]。W[i,j；m,n]為加權(quán)系數(shù)，W[i,j；m,n]＝W_G[i,j；m,n]·W_R[i,j；m,n]，其中，W_G[i,j；m,n]表示距離權(quán)重，W_R[i,j；m,n]表示灰度權(quán)重。

現(xiàn)有的二維雙邊濾波算法中，上述距離權(quán)重W_G[i,j；m,n]和灰度權(quán)重W_R[i,j；m,n]可以分別表示為：

其中，σ_G為距離標(biāo)準(zhǔn)差，σ_R為灰度標(biāo)準(zhǔn)差。由式(2)和式(3)可以看出，為了調(diào)節(jié)距離權(quán)重和灰度權(quán)重以調(diào)節(jié)濾波窗口的加權(quán)系數(shù)得到較好的濾波效果，需要同時調(diào)節(jié)距離標(biāo)準(zhǔn)差σ_G和灰度標(biāo)準(zhǔn)差σ_R，參數(shù)設(shè)置較為復(fù)雜，實際適用性較差。因此，本實施例中，通過預(yù)先設(shè)置距離權(quán)重，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)灰度標(biāo)準(zhǔn)差σ_R，以保證得到較好的濾波效果的同時簡化參數(shù)設(shè)置。

考慮到距離權(quán)重W_G[i,j；m,n]為高斯函數(shù)，W_G的值隨著參考像素點到中心像素點的距離的增加而呈現(xiàn)指數(shù)衰減，并且其衰減快慢由σ_G決定。本實施例中，忽略σ_G對W_G的影響，將距離權(quán)重W_G設(shè)置為1/(m²+n²+1)。

需要說明的是，當(dāng)本實施例應(yīng)用于分布式光纖傳感系統(tǒng)輸出的解調(diào)信號的處理，即上述原始數(shù)據(jù)為分布式光纖傳感系統(tǒng)輸出的解調(diào)數(shù)據(jù)時，假設(shè)該原始數(shù)據(jù)包括的每組子數(shù)據(jù)對應(yīng)于二維圖的一行像素點，攜帶外界擾動信息的數(shù)據(jù)通常主要存在于二維圖的某一列像素點，而每組子數(shù)據(jù)中攜帶外界擾動信息的數(shù)據(jù)較少，即對應(yīng)于二維圖的每一行像素點中攜帶外界擾動信息的像素點較少。因此，本發(fā)明實施例提供的數(shù)據(jù)處理方法中，將二維雙邊濾波算法的濾波窗口為矩形窗口，即此時濾波窗口的像素范圍為M×N，且M＜N。相比于現(xiàn)有的方形濾波窗口，能夠在保證濾波效果的同時減少處理時間，使得本數(shù)據(jù)處理方法具有更好的實時性。

因此，本實施例中采用的二維雙邊濾波算法的表達(dá)式可以表示為：

式(4)中，[-P，P]表示濾波窗口M×N中橫向距離m的取值范圍，[-Q，Q]表示濾波窗口M×N中縱向距離n的取值范圍，當(dāng)原始數(shù)據(jù)包括的每組子數(shù)據(jù)對應(yīng)于二維圖的一行像素點時，P<Q。此時，將步驟S210獲取到的二維圖及步驟S230獲取到的最優(yōu)灰度標(biāo)準(zhǔn)差帶入式(4)，根據(jù)式(4)所示的二維雙邊濾波算法對所述二維圖進(jìn)行濾波，即可以獲得去噪后的二維圖。

獲得去噪后的二維圖后，可以根據(jù)步驟S210將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維圖的規(guī)則將去噪后的二維圖逆向轉(zhuǎn)換為去噪后的原始數(shù)據(jù)。當(dāng)然，對于分布式光纖傳感系統(tǒng)來講，可以直接根據(jù)去噪后的二維圖定位擾動點。

可以理解的是，為了進(jìn)一步提高去噪后的二維圖的信噪比，可以對獲取到的去噪后的二維圖重復(fù)上述步驟S220至步驟S240。也就是說，再次獲取去噪后的二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)所獲取的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差得到所述去噪后的二維圖的灰度標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)式(4)所示的二維雙邊濾波算法對去噪后的二維圖再次進(jìn)行濾波，獲得再次去噪后的二維圖。同時考慮到去噪性能和處理時間，優(yōu)選采用兩次迭代以實現(xiàn)好的去噪性能和實時性同時兼顧。當(dāng)然，在處理時間允許的條件下，也可以采用兩次以上的迭代以達(dá)到更好的去噪性能。

為了更好的對本實施例的技術(shù)方案及效果進(jìn)行說明，將本發(fā)明實施例提供的基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用于一種基于相位敏感光時域反射技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)該系統(tǒng)的解調(diào)信號的濾波，提高該解調(diào)信號的信噪比，以便于實現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變的測量。

如圖5所示，上述基于相位敏感光時域反射技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)由光路和電路兩部分組成。窄線寬激光器501輸出的連續(xù)激光經(jīng)第一光耦合器502后分為兩路光信號。一路光信號由經(jīng)脈沖發(fā)生器503與聲光調(diào)制器驅(qū)動504驅(qū)動的聲光調(diào)制器505調(diào)制為脈沖光之后經(jīng)第一摻鉺光纖放大器506放大后經(jīng)環(huán)形器507注入到光纖光柵濾波器508。經(jīng)光纖光柵濾波器508濾除自發(fā)輻射噪聲后注入傳感光纖509，傳感光纖509中散射回來的后向瑞利散射光經(jīng)第二摻鉺光纖放大器510放大后進(jìn)入光濾波器511，由光濾波器511濾除所述后向瑞利散射光中包含的自發(fā)輻射噪聲。另一路光信號通過可調(diào)衰減器512和偏振控制器513調(diào)節(jié)后通過第二光耦合器514與上述后向散射信號耦合，然后經(jīng)平衡光電探測器515進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，獲得的電信號經(jīng)過電低噪放大器516放大后由帶通濾波器517濾除帶外噪聲，濾除帶外噪聲后的電信號接著采用3dB電功分器518分為兩路，其中一路經(jīng)可調(diào)延時線519調(diào)節(jié)之后與另一路信號在混頻器520上進(jìn)行混頻解調(diào)，解調(diào)結(jié)果經(jīng)過電低通濾波器521后可以通過數(shù)據(jù)采集卡522進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機(jī)100后，采用本發(fā)明實施例提供的數(shù)據(jù)處理方法對采集到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以提高采集到的數(shù)據(jù)的信噪比。

實際使用時，平衡光電探測器515電域帶寬大于聲光調(diào)制器505引入的頻移值。帶通濾波器517中心頻率與聲光調(diào)制器505引入的頻移相同，帶寬需大于窄線寬激光器501頻率漂移值和探測脈沖脈寬對應(yīng)的頻率值中的較大值。電功分器518的功率比為50:50。

當(dāng)在27.6km的傳感光纖509的某一位置處加載單個振動時，將采集到的原始的解調(diào)信號轉(zhuǎn)換為的二維圖如圖6(a)所示。通過本實施例提供的數(shù)據(jù)處理方法對圖6(a)所示的二維圖進(jìn)行濾波處理后得到的去噪后的二維圖如圖6(b)所示。將去噪后的二維圖逆向轉(zhuǎn)換為去噪后的解調(diào)信號后，與原始的解調(diào)信號進(jìn)行對比，信噪比顯著提高。如圖6(c)所示，原始的解調(diào)信號OR的信噪比為6.43dB，而去噪后的解調(diào)信號AF的信噪比為14.31dB。此外，圖6(d)示出了采用本發(fā)明實施例提供的數(shù)據(jù)處理方法處理去噪前后上述基于相位敏感光時域反射技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)所獲得的空間分辨率的對比圖。以下將原始的解調(diào)信號簡稱為原始信號，采用本實施例提供的數(shù)據(jù)處理方法去噪后的解調(diào)信號簡稱為去噪信號。由圖6(d)示出的去噪前的原始信號可得上述系統(tǒng)的空間分辨率約為7.2m，由圖6(d)示出的去噪信號可得上述系統(tǒng)的空間分辨率約為6m。說明本實施例提供的數(shù)據(jù)處理方法不僅能夠有效地提高上述分布式光纖傳感系統(tǒng)輸出的解調(diào)信號的信噪比，還能有效地提高系統(tǒng)的空間分辨率。

上述圖6(a)和圖6(b)中，橫坐標(biāo)為光纖距離，單位為千米(km)，縱坐標(biāo)為振動軌跡，即可以每振動一次采集一組解調(diào)數(shù)據(jù)，即可以用振動軌跡表示所采集的解調(diào)數(shù)據(jù)的組數(shù)。上述圖6(c)和圖6(d)中，橫坐標(biāo)為光纖距離，單位為千米(km)，縱坐標(biāo)為歸一化強度。可以理解的是，隨著光在光纖中傳播距離的增加，由于光纖的色散性質(zhì)及存在的其它損耗，光的強度隨著傳播距離的增加而衰減。為了避免光強的衰減對處理結(jié)果造成影響，需要對解調(diào)數(shù)據(jù)的光強進(jìn)行歸一化處理。

當(dāng)在27.6km的傳感光纖509上加載兩個振動時，測得的解調(diào)數(shù)據(jù)采用本實施例提供的數(shù)據(jù)處理方法去噪前、后的結(jié)果如圖7所示。其中，圖7(a)和圖7(b)示出了去噪前的原始信號轉(zhuǎn)換的二維圖；圖7(c)示出了去噪前的原始信號的定位曲線和對應(yīng)的信噪比；圖7(d)和圖7(e)示出了去噪后的二維圖；圖7(f)示出了去噪信號的定位曲線和對應(yīng)的信噪比。

分別對比圖7(a)和圖7(d)、圖7(b)和圖7(e)可以明顯看出，圖7(d)和圖7(e)中的噪聲明顯減小，提高了攜帶擾動信號的像素點的對比度。對比圖7(c)和圖7(f)可以明顯看出，去噪前的原始信號對應(yīng)的信噪比：SNR1為5.32dB，SNR2為5.14dB，去噪信號對應(yīng)的信噪比：SNR1為12.44dB，SNR2為11.57dB，結(jié)果表明本實施例提供的數(shù)據(jù)處理方法能夠有效地提高上述分布式光纖傳感系統(tǒng)輸出的解調(diào)信號的信噪比。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供的基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法將獲取到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維圖后，采用改進(jìn)的二維雙邊濾波算法對所獲得的二維圖進(jìn)行濾波。相比于現(xiàn)有技術(shù)，有效地提高了原始數(shù)據(jù)的信噪比，且有效地降低了計算量，更加簡單實用。應(yīng)用于分布式光纖傳感系統(tǒng)輸出的解調(diào)信號的處理時，不僅能夠顯著提高解調(diào)信號的信噪比，還能夠提高系統(tǒng)的空間分辨率，從而有利于降低系統(tǒng)的誤報率。

另外，本發(fā)明實施例還提供了一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理裝置，如圖8所示，所述數(shù)據(jù)處理裝置110包括轉(zhuǎn)換模塊810、第一獲取模塊820、第二獲取模塊830和濾波模塊840。

其中，轉(zhuǎn)換模塊810用于獲取原始數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則將所述原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維圖。其中，所述原始數(shù)據(jù)為分布式光纖傳感系統(tǒng)輸出的解調(diào)數(shù)據(jù)。第一獲取模塊820用于獲取所述二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。第二獲取模塊830用于根據(jù)所述噪聲標(biāo)準(zhǔn)差得到所述二維圖的灰度標(biāo)準(zhǔn)差。濾波模塊840用于根據(jù)二維雙邊濾波算法對所述二維圖進(jìn)行濾波，獲得去噪后的二維圖，其中，所述二維雙邊濾波算法包括所述灰度標(biāo)準(zhǔn)差和預(yù)設(shè)的距離權(quán)重。

其中，所述二維雙邊濾波算法的濾波窗口為矩形窗口。所述二維雙邊濾波算法的濾波窗口包括一個中心像素點和多個參考像素點，所述距離權(quán)重根據(jù)公式得到。其中，W_G表示預(yù)設(shè)的距離權(quán)重，m表示所述二維雙邊濾波算法的濾波窗口中參考像素點到中心像素點的橫向距離，n表示所述二維雙邊濾波算法的濾波窗口中參考像素點到中心像素點的縱向距離。

具體的，如圖9所示，所述第一獲取模塊820包括劃分單元821、第一獲取單元822及第二獲取單元823。其中，劃分單元821用于將所述二維圖劃分為多個區(qū)域，每個所述區(qū)域包括多個像素點。第一獲取單元822用于獲取每個所述區(qū)域所包括的多個像素點的灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差。第二獲取單元823用于獲取所有所述區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差的均值作為所述二維圖的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。

所述原始數(shù)據(jù)包括多組子數(shù)據(jù)，每組子數(shù)據(jù)包括按預(yù)設(shè)順序排列的多個數(shù)據(jù)。具體的，如圖9所示，上述轉(zhuǎn)換模塊810包括均值序列獲取單元811、差值獲取單元812及量化單元813。

其中，均值序列獲取單元811用于獲取所述多組子數(shù)據(jù)中位于同一排列位置處的數(shù)據(jù)的均值獲得均值序列。差值獲取單元812用于獲取每一組子數(shù)據(jù)中的每個數(shù)據(jù)與所述均值序列中與該數(shù)據(jù)排列位置相同的均值的差值。量化單元813用于將所述差值量化到[0～255]區(qū)間內(nèi)得到二維圖。

在本申請所提供的幾個實施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的裝置和方法，也可以通過其它的方式實現(xiàn)。以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，附圖中的流程圖和框圖顯示了根據(jù)本發(fā)明的多個實施例的裝置、方法和計算機(jī)程序產(chǎn)品的可能實現(xiàn)的體系架構(gòu)、功能和操作。在這點上，流程圖或框圖中的每個方框可以代表一個模塊、程序段或代碼的一部分，所述模塊、程序段或代碼的一部分包含一個或多個用于實現(xiàn)規(guī)定的邏輯功能的可執(zhí)行指令。也應(yīng)當(dāng)注意，在有些作為替換的實現(xiàn)方式中，方框中所標(biāo)注的功能也可以以不同于附圖中所標(biāo)注的順序發(fā)生。例如，兩個連續(xù)的方框?qū)嶋H上可以基本并行地執(zhí)行，它們有時也可以按相反的順序執(zhí)行，這依所涉及的功能而定。也要注意的是，框圖和/或流程圖中的每個方框、以及框圖和/或流程圖中的方框的組合，可以用執(zhí)行規(guī)定的功能或動作的專用的基于硬件的系統(tǒng)來實現(xiàn)，或者可以用專用硬件與計算機(jī)指令的組合來實現(xiàn)。

另外，在本發(fā)明各個實施例中的各功能模塊可以集成在一起形成一個獨立的部分，也可以是各個模塊單獨存在，也可以兩個或兩個以上模塊集成形成一個獨立的部分。

所述功能如果以軟件功能模塊的形式實現(xiàn)并作為獨立的產(chǎn)品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分或者該技術(shù)方案的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機(jī)軟件產(chǎn)品存儲在一個存儲介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺計算機(jī)設(shè)備(可以是個人計算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質(zhì)包括：U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機(jī)存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，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)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。