本發(fā)明涉及光纖傳感事件識別，特別是涉及一種基于光計算的分布式光纖傳感事件識別方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)化和城市化的加速發(fā)展，對于環(huán)境安全、公共安全及基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測提出了更高的要求。分布式光纖傳感器以其高靈敏度、抗電磁干擾能力強、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、溫度感測、壓力測量及邊界入侵檢測等方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。特別是在長距離、大范圍或?qū)﹄姶偶嫒菪砸筝^高的應用場景中，其獨特性能更是不可替代。這類系統(tǒng)利用光纖的瑞利散射、布里淵散射等原理，來監(jiān)測沿光纖路徑的溫度、應變或振動等物理參數(shù)的變化。其高度靈敏的傳感特性，加之對惡劣環(huán)境條件(如高電磁干擾和腐蝕性環(huán)境)的良好適應性，使得分布式光纖傳感器在油氣管線監(jiān)測、地質(zhì)災害預警、建筑物健康監(jiān)測等關(guān)鍵領(lǐng)域得到廣泛應用。

2、然而，盡管傳統(tǒng)的分布式光纖傳感系統(tǒng)能提供連續(xù)的監(jiān)測信息，其數(shù)據(jù)處理能力卻受限于光電轉(zhuǎn)換效率和電子信號處理速度。在復雜的信號分析和事件識別過程中，這一瓶頸可能導致響應延遲，無法滿足實時監(jiān)測和快速響應的需求。

3、光計算技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一挑戰(zhàn)提供了可能。光計算利用光子而非電子來執(zhí)行計算操作，其處理速度遠超電子計算，并且可以在不轉(zhuǎn)換為電信號的情況下直接對光信號進行處理。這一技術(shù)可以極大提高數(shù)據(jù)處理速度，降低能耗，并減少轉(zhuǎn)換過程中的信號損失。更重要的是，光計算可以在信號路徑上進行并行處理，從而允許對多個事件的同時識別和定位，提高系統(tǒng)的多任務處理能力。基于光計算的分布式光纖傳感系統(tǒng)將光纖傳感器的高靈敏度與光計算的高速數(shù)據(jù)處理能力相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對光信號的快速采集、處理和識別，提供實時、高效的監(jiān)測結(jié)果。這種新興的技術(shù)有望克服傳統(tǒng)系統(tǒng)的限制，為實時安全監(jiān)測和精準事件定位帶來革命性的進步。因此，研究和開發(fā)基于光計算的事件識別方法，是分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。此外，由于傳統(tǒng)的光纖傳感技術(shù)依賴于光電轉(zhuǎn)換器和電信號處理設(shè)備，電信號的傳輸和處理不可避免地會引入噪聲，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且增加了系統(tǒng)的能耗。為了克服這些缺點，提高光纖傳感系統(tǒng)的監(jiān)測性能和適應性，亟需一種新型的事件識別技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于光計算的分布式光纖傳感事件識別方法及裝置，旨在提供一種高效、可靠且適用性強的光纖傳感事件識別方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的監(jiān)測，并且具備高速的信號處理能力，以適應復雜多變的監(jiān)測環(huán)境和應對各種突發(fā)事件，從而確保人們的生命財產(chǎn)安全和社會運行的穩(wěn)定性。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、一種基于光計算的分布式光纖傳感事件識別方法，方法包括分布式傳感信息處理部分、光卷積計算部分和光全連接計算部分：

4、分布式傳感信息處理部分包括：

5、(1)通過光纖傳感系統(tǒng)(如φ-otdr)獲得沿光纖長度的相位信息，并將其解調(diào)為二維時頻信號，相位變化的幅度可以映射到灰度圖的亮度上，其中灰度級別來表示相位變化，然后輸出c通道的圖像信號，并將含有傳感事件信息的圖像信號裁剪成多個c通道的h×w圖像；

6、(2)采用改進的引入注意力機制(swin-transformer)和高效檢測頭(shape-iou)的yolov8微觀檢測框架對圖像信號中含有傳感事件的敏感區(qū)域進行定位和裁剪，模型輸入圖像尺寸為[c1，h1，w1]，輸出的圖像尺寸為[n，c2，h2，w2]，其中n為裁剪事件數(shù)；

7、(3)將其尺寸為[c2，h2，w2]圖像轉(zhuǎn)換為單通道的灰度圖，通過雙線性插值將每個灰度圖的尺寸縮小為36×36。

8、光卷積計算部分包括：

9、(1)根據(jù)卷積核大小以及步長要求，將36×36的二維圖像信號展開成一維張量；

10、(2)將有效bit為8bit的一維張量發(fā)送至微處理器，原始數(shù)據(jù)通過任意波形發(fā)生器轉(zhuǎn)化為相應的電壓波形，并驅(qū)動光強幅值調(diào)制器；

11、(3)將卷積核的數(shù)值以及對應的權(quán)重發(fā)送至微處理器，通過產(chǎn)生相應的電信號調(diào)制可編程多波長激光器陣列；

12、(4)將不同波長的光復用到單根光纖中，輸出至光強幅值調(diào)制器，已經(jīng)被加載上卷積核因子的光信號進入調(diào)制器后被調(diào)制；

13、(5)光開關(guān)選擇光卷積通道，將相乘后的光信號輸出至單模光纖中，單模光纖讓每個波長的時域波形之間產(chǎn)生一個bit的時間延遲，通過第二光電探測器探測不同時域下光的強度，從而完成光卷積的相加；

14、(6)多路并行數(shù)據(jù)采集卡采集光卷積后的信號輸出至計算機，還原成特征圖。

15、光全連接計算部分包括：

16、(1)將激活后的一維張量發(fā)送至微處理器，微處理器產(chǎn)生對應的時域波形控制光強幅值調(diào)制器；

17、(2)將全連接的權(quán)重發(fā)送至微處理器，微處理器產(chǎn)生相應的電信號對可編程多波長激光器陣列進行調(diào)制，控制微處理器同步發(fā)出展平后的一維張量至任意波形發(fā)生器，任意波形發(fā)生器產(chǎn)生相應的時域波形至光強幅值調(diào)制器；

18、(3)將不同波長的光復用到單根光纖中，輸出至光強幅值調(diào)制器，光強幅值調(diào)制器對復用后的光進行調(diào)制，將一維張量信號加載到不同波長的上，實現(xiàn)光全連接的權(quán)重加載；

19、(4)光開關(guān)選擇光全連接通道，將權(quán)重加載后的光信號輸出至波長解復用器中，分離出多個波長的光，探測不同波長光的強度，并轉(zhuǎn)成電信號輸出至計算機中，通過時間上的累加，得到不同光波長的強度；

20、(5)根據(jù)不同光波長強度，實現(xiàn)對傳感事件的分類，傳感事件為：背景、敲擊、行走、柵欄，可編程多波長激光器陣列的波長為4個波段，在全連接終端，光電探測器接收不同時刻的光強度，不同波長的光在時域內(nèi)各自累加，分類得到相應的四個光強度，四個光強作歸一化處理，統(tǒng)一映射到0％～100％區(qū)間，光強越高代表對應傳感事件發(fā)生概率越高，光強最高的波段對應預測結(jié)果。

21、一種基于光計算的分布式光纖傳感事件識別裝置，裝置可實施基于光計算的分布式光纖傳感事件識別方法；裝置具體包括：窄線寬激光器、第一光學耦合器、聲光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、環(huán)形器、傳感光纖、第二光學耦合器、第一光電探測器、聲光調(diào)制驅(qū)動器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機、可編程多波長激光器陣列、波長復用器、任意波形發(fā)生器、光強幅值調(diào)制器、光開關(guān)、第一半導體光學放大器、波長解復用器、光電探測器陣列、第二半導體光學放大器、第二光電探測器、多路并行數(shù)據(jù)采集卡和微處理器。

22、窄線寬激光器用于發(fā)射窄線寬、高相關(guān)性的連續(xù)激光；

23、第一光學耦合器用于將窄線寬激光器輸入的連續(xù)激光分成兩路，一路為探測光信號，另一路為參考光信號；

24、聲光調(diào)制器受聲光調(diào)制驅(qū)動器調(diào)制，用于將第一光學耦合器輸入的連續(xù)激光調(diào)制成脈沖探測光；

25、摻鉺光纖放大器用于放大聲光調(diào)制器輸入的脈沖探測光；

26、回形環(huán)用于將摻鉺光纖放大器放大的脈沖探測光輸入至傳感光纖中，并接收傳感光纖反射回來的背向瑞利散射光；

27、第二光學耦合器用于耦合第一光學耦合器輸入的參考光信號和回形環(huán)輸入的背向瑞利散射光；

28、第一光電探測器用于探測第二光學耦合器輸入的耦合光，并將耦合光轉(zhuǎn)換為干涉電信號；

29、數(shù)據(jù)采集卡用于采集第一光電探測器的干涉電信號，并將干涉電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸出至計算機；數(shù)據(jù)采集卡還用于輸出時鐘載波信號和脈沖觸發(fā)調(diào)制信號給聲光調(diào)制驅(qū)動器，使聲光調(diào)制器輸出高電平脈沖調(diào)制信號至聲光調(diào)制器；

30、計算機用于控制數(shù)據(jù)采集卡的工作狀態(tài)，并對數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)字信號進行分析處理；

31、微處理器受計算機控制，用于發(fā)送時鐘信號和權(quán)重至可編程多波長激光器陣列；

32、可編程多波長激光器陣列用于輸出多波長權(quán)重不相同的激光；

33、波長復用器用于將多個不同波長的激光復用至單根光纖中，輸出至光強幅值調(diào)制器；

34、任意波形發(fā)生器受微處理器控制，用于將微處理器產(chǎn)生的時域波形信號轉(zhuǎn)換成高速波形；

35、光強幅值調(diào)制器受用于將任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的高速波形加載到單根光纖中每一個波長上，完成時域信號的加載，輸出至光開關(guān)中；

36、光開關(guān)根據(jù)微處理器發(fā)出的時鐘信號切換光卷積計算和光全連接計算，并在不同電信號下，輸出至第一半導體光學放大器或單模光纖；

37、單模光纖用于讓每個波長的時域波形之間產(chǎn)生一個bit的時間延遲，輸出至第二半導體放大器；

38、第二半導體放大器用于放大需要進行光卷積計算的光信號；

39、第二光電探測器用于探測經(jīng)過第二半導體放大器放大的光信號時域強度，并輸出各時間間隔內(nèi)所有波長光的總功率，將各時間間隔內(nèi)所有波長光的總功率轉(zhuǎn)換成電信號；

40、第一半導體光學放大器用于放大需要進行光全連接計算的光信號；

41、波長解復用器用于解復用需要進行光全連接計算的光信號，并分離出多個不同波長的光，將多個不同波長的光轉(zhuǎn)換成電信號；

42、光電探測器陣列用于探測多個不同波長的光的強度，將多個不同波長的光的強度轉(zhuǎn)換成電信號；

43、在進行光卷積計算時，多路并行數(shù)據(jù)采集卡用于接收第二光電探測器的電信號；在進行光全連接計算時，多路并行數(shù)據(jù)采集卡用于接收光電探測器陣列的電信號，輸出至計算機；

44、計算機還用于接收多路并行數(shù)據(jù)采集卡采集的電信號，將電信號轉(zhuǎn)換成二維時頻信號，將二維時頻信號轉(zhuǎn)換成一維張量，并將光卷積計算后的一維信號還原成二維時頻信號，輸出分布式光纖傳感事件判斷結(jié)果：背景、敲擊、行走、柵欄，輸出時鐘信號、權(quán)重和一維張量至微處理器；

45、微處理器還用于將一維張量轉(zhuǎn)換成時域波形信號輸出至任意波形發(fā)生器。

46、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：通過采集分布式傳感信息的二維時頻信號，在光路上采用光計算實現(xiàn)對傳感事件的精確識別。通過光計算處理傳感信號，避免了對電子計算資源的依賴，提高了傳感系統(tǒng)的響應速度和抗干擾能力，在處理大規(guī)模傳感數(shù)據(jù)時具有顯著的性能優(yōu)勢；通過分布式處理，增強了系統(tǒng)的故障容錯性和可靠性；同時，引入了張量加速技術(shù)，進一步提升了分布式傳感信號的計算速度，具備識別準確度高、數(shù)據(jù)吞吐量大等優(yōu)點。