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作者：贾洪志北京交通大学

学位级别：硕士

基于相位敏感型光时域反射仪(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR)的分布式光纤传感器,由于结构简单、能耗低、抗电磁干扰、精度高、传感距离长等优点,被广泛的应用在油气管道安防和周界安防等安防领域。但是... 详细信息

基于相位敏感型光时域反射仪(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR)的分布式光纤传感器,由于结构简单、能耗低、抗电磁干扰、精度高、传感距离长等优点,被广泛的应用在油气管道安防和周界安防等安防领域。但是在实际的应用中,一些环境噪声和无害的人为活动会造成误报警。为了减少传感系统中的误报警,本文引入了支持向量机和神经网络两类算法对报警信号进行识别,区分报警信号是真报警还是误报警。实验验证两类算法都可以很好的区分系统中的各种扰动事件从而降低误报警率。本文完成的主要研究工作如下:(1)介绍了Φ-OTDR系统的原理,根据Φ-OTDR系统仿真信号介绍了传感系统的原理。根据实际应用场景中最常出现的扰动信号,设置了模拟实验。共设置了五种扰动信号,分别为:浇水、敲击、攀爬、碾压以及背景噪声。对采集的五种扰动信号分别进行归一化处理,数据划分,差分处理以及小波包分解处理。对处理以后的信号提取特征值,在时域和频域一共提取了40维特征值,并对特征值效果进行分析。(2)提出了一种新的支持向量机(SVM)多分类方法:临近种类支持向量机(NC-SVM),并与常用的一对一(1-v-1)的支持向量机多分类方法进行对比。对一对一多分类方法进行识别测试,五种扰动事件(浇水,敲击,攀爬,碾压和背景噪声)的识别精确率分别为94.36%,94.57%,90.36%,94.26%,97.35%。对NC-SVM方法进行识别测试,五种扰动事件(浇水,敲击,攀爬,碾压和背景噪声)的识别精确率分别为94.63%,95.82%,91.74%,94.13%,99.82%。平均识别精确率为95.23%,误报率为4.77%。相比于一对一多分类方法,平均精确率有较明显的提升。(3)提出了一种结合了fisher特征值筛选方法和极限学习机算法的扰动事件识别方法,并对该方法进行识别测试。实验结果表明该方法能够有效的对五种扰动事件进行识别。五种扰动事件(浇水,敲击,攀爬,碾压和背景噪声)的识别精确率分别为92.74%,96.72%,93.77%,93.85%,99.61%。平均识别精确率为95.34%,误报率为4.66%。与实验中采用的BP(back propagation)神经网络和广义回归神经网络对比,所提出的方法在识别精度与实时性方面更具优势。

关键词：相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR) 扰动识别支持向量机神经网络精确率

改进型Sagnac光纤干涉仪定位信号识别与处理技术研究

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改进型Sagnac光纤干涉仪定位信号识别与处理技术研究

作者：于涵伟北京交通大学

学位级别：硕士

光纤干涉仪具有体积小、重量轻、结构紧凑以及灵敏度高等特点,非常适合于光纤传感领域的应用。但是随着光纤传感应用范围的不断扩展,特别是远距离传感的需求,对光纤干涉型传感器提出了更高的要求。基于Sagnac环结构的光纤干涉仪具有较... 详细信息

光纤干涉仪具有体积小、重量轻、结构紧凑以及灵敏度高等特点,非常适合于光纤传感领域的应用。但是随着光纤传感应用范围的不断扩展,特别是远距离传感的需求,对光纤干涉型传感器提出了更高的要求。基于Sagnac环结构的光纤干涉仪具有较高的信噪比和检测灵敏度,并且成本低廉,易于构建和维护,在大范围入侵检测定位上具有明显优势。本课题在传感器结构以及信号处理算法的应用两方面进行了研究,提出了一种改进型Sagnac光纤干涉仪结构,并引入信号处理技术提高定位精度,进行信号特征提取。本课题首先研究了基于Sagnac光纤干涉仪的距离检测和信号识别系统,通过深入研究Sagnac环传感器的基本结构,提出了一种改进的Sagnac传感器结构,该结构克服了基本Sagnac传感结构中存在的一些缺陷,并且降低了制作成本。通过对该结构进行理论以及仿真分析,结果显示该结构能够同时进行距离检测并实现解调功能。同时,本文设计了具有入侵事件发生检测定位功能和入侵信号特征提取功能的传感器信号处理算法,并进一步进行了仿真分析以及实验验证,结果表明该算法具有较高的定位精度和入侵信号还原能力,在41.626km光纤中,实现了小于50m的检测精度。本文对采集的传感器信号首先进行小波去噪以及高通滤波处理,滤除信号中所夹杂的噪声,并且根据定位算法滤除一定频率段的频率。然后对经过去噪处理的信号进行FFT变换,基于Berry相位法,根据频谱上陷波点的位置进行定位。同时,本文对采集的数据分别进行过零点数和基于AR参数模型的功率谱估计,在时域和频域上进行特征提取。经过以上的过程,本系统精确地实现了定位,在150Ks/s的采样率设置下,41.626km的传感光纤上,实现了46.73m的定位精度,同时有效的提取了信号的特征。该研究成果可应用于检测第三方入侵,对需要监测的地域、管线进行监控、报警并提供精确定位。研究成果对于长距离分布式干涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值,并在工业和国防领域具有应用前景。

关键词： Sagnac光纤干涉仪陷波点小波去噪高通滤波解调短时傅里叶变换 AR模型功率谱估计

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新型太赫兹波导研究

新型太赫兹波导研究

作者：张鑫北京交通大学

学位级别：硕士

太赫兹(THz)电磁波在超快过程探测、材料表征、环境检测、物体成像、医疗诊断、高速光电子器件、宽带移动通信等领域具有广阔的应用前景。目前由于缺乏低损耗、低色散的波导而使其应用受到很大的限制。因此,研究与开发高性能传输太赫兹... 详细信息

太赫兹(THz)电磁波在超快过程探测、材料表征、环境检测、物体成像、医疗诊断、高速光电子器件、宽带移动通信等领域具有广阔的应用前景。目前由于缺乏低损耗、低色散的波导而使其应用受到很大的限制。因此,研究与开发高性能传输太赫兹波的波导对推动太赫兹的应用具有重要的意义。本文着重分析了太赫兹金属空芯波导和金属镀层空芯波导的传输特性,讨论了影响传输特性的因素,并对波导结构进行改进,提出了介质/金属空芯波导结构,为进一步提高太赫兹空芯波导的传输特性提出参考。首先,通过空芯波导传输理论对太赫兹金属空芯波导进行分析,讨论了金属空芯波导的导光机理和模式损耗。THz空芯波导的低阶传输模式主要为TE、TM和TE模,其中TE模的截止波长是最长的,因而是圆波导中的最低阶模式,即主模。TM模是最低的圆对称模式。其次,详细阐述高频电磁场有限元数值分析方法,介绍了Ansoft HFSS电磁场仿真软件。使用HFSS精确求解太赫兹金属空芯波导的模场分布、传输损耗与色散,并与理论值进行对比,证明了研究手段的可行性,为研究太赫兹波导提出一种有效的新方法。再次,讨论了金属镀层空芯波导的传输特性与结构设计。通过仿真讨论了波导芯径、镀层金属种类、镀层厚度和弯曲对传输特性的影响,确定了金属镀层空芯波导的最佳结构参数,即在内半径为1mm,银膜的镀层厚度大于0.1μm时,该结构的主模—TE模的衰减系数在0.5THz以下小于2dB/m,色散小于1.7ps/THz/cm,能够将太赫兹波的传输距离量级提高至米级。论文的最后,对金属镀层空芯波导的结构进行改进,通过内镀介质膜进一步减小损耗和色散,讨论了不同材料的电介质层对传输性能的影响,设计出了介质/金属空芯波导合适的波导结构。当选择聚乙烯(PE)作为介质层,镀膜厚度为13μm时,金属层为0.1μm的银膜时,主模TE模的传输损耗最小降至0.41dB/m。该结构的群速度色散与镀银空芯波导基本相同。本文对材料的选择和膜厚的确定提出了明确的方法,为进一步提高波导性能打下了良好的基础。

关键词：太赫兹(THz) 空芯波导金属膜电介质膜

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微结构光纤及太赫兹波导色散特性的研究

微结构光纤及太赫兹波导色散特性的研究

作者：孙悦北京交通大学

学位级别：硕士

自从1996年第一根微结构光纤问世以來,微结构光纤以其独特的特性,如无尽单模、灵活的色散控制、大有效面积等,成为光纤研究领域的研究热点。通过合理选择包层空气孔的大小、形状、空气孔的间距等结构参数,可以设计出具有不同色散特性的... 详细信息

自从1996年第一根微结构光纤问世以來,微结构光纤以其独特的特性,如无尽单模、灵活的色散控制、大有效面积等,成为光纤研究领域的研究热点。通过合理选择包层空气孔的大小、形状、空气孔的间距等结构参数,可以设计出具有不同色散特性的微结构光纤。本文建立了全矢量等效折射率模型,研究了微结构光纤的结构参数对光纤色散特性的影响,得到了光纤色散和结构参数的关系,设计出满足不同色散需求的微结构光纤。在此基础上,将其推演到太赫兹波段,提出了三角格子和四方格子微结构太赫兹波导,并深入研究了微结构太赫兹波导的色散特性与结构参数的关系。为设计低色散的太赫兹波导提供理论依据。主要完成以下工作:(1)根据微结构光纤的特点,建立了全矢量等效折射率模型;(2)应用全矢量等效折射率法分析光子晶体光纤的色散特性,总结出微结构光纤色散随结构参数的变化规律;(3)在微结构光纤色散随结构参数变化规律的基础上,设计出双零色散、色散位移、色散平坦和色散补偿等四种具有优异色散特性的微结构光纤;(4)吸取微结构光纤色散特性灵活可控的优势,提出三角格子和四方格子微结构THz波导。通过研究结构参数对微结构THz波导色散特性的影响,选取适当的结构参数,构建低色散的THz波导,为研制出低色散THz波导提供了一条有效的途径。

关键词：微结构光纤 THz波导色散全矢量等效折射率法

基于大芯光纤滤波器的多波长掺饵光纤激光器的研究

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基于大芯光纤滤波器的多波长掺饵光纤激光器的研究

作者：周雨欣北京交通大学

学位级别：硕士

现代通信系统容量的大幅增加、波分复用光网络的日益发展,使得传统的单波长光纤激光器已不能满足现代通信系统快速发展的需求,研发可以同时为多个信道提供稳定光源的高性能多波长激光器迫在眉睫。同时,性能优良的多波长光源在光学测量... 详细信息

现代通信系统容量的大幅增加、波分复用光网络的日益发展,使得传统的单波长光纤激光器已不能满足现代通信系统快速发展的需求,研发可以同时为多个信道提供稳定光源的高性能多波长激光器迫在眉睫。同时,性能优良的多波长光源在光学测量、光信号处理、光谱分析、光学传感以及微波产生等领域也具有极广阔的应用前景。本论文针对目前多波长掺铒光纤激光器及应用存在的问题,以研制新型、高性能的光纤滤波器为突破口,开展稳定可切换多波长掺铒光纤激光器和稳定L波段可调谐多波长掺铒光纤激光器的研究工作。论文完成的主要研究工作如下:(1)基于大芯光纤,提出了一种新型拉锥型大芯光纤M-Z干涉滤波器。通过对比研究滤波器透射谱的Matlab仿真频谱分析结果与Comsol软件大芯光纤仿真模型的模式计算结果,深入分析滤波器的多模式干涉现象。以此为基础,实验研究大芯光纤滤波器的偏振依赖特性和轴向应力特性,获得最小插入损耗为5 dB,消光比为16 dB,最大轴向应力线性灵敏度为1.63 pm/με的透射谱。(2)基于所研制的拉锥型大芯光纤滤波器,提出了一种边模抑制比高达50 dB的可切换多波长掺铒光纤激光器。通过调整偏振控制器,实现了边模抑制比达50 dB单、双、三、四波长激光状态的任意切换。并对激光器的均衡性及稳定性进行实验研究,研究结果表明,在四波长输出情况下,各波长的最大峰值功率差值为3.67 dB,呈现出良好的均衡特性;半小时内,各激光输出波长漂移均低于0.02 nm,峰值功率波动低于1.3 dB,证明激光器具有良好的稳定性。此外,改变滤波器长度,还可以得到一个边模抑制比高达50 dB的稳定五波长激光状态。(3)基于所研制的拉锥型大芯光纤滤波器,提出一种边模抑制比达55 dB的C&L波段宽范围可调谐多波长掺铒光纤激光器。通过大芯光纤滤波器的轴向应力调节,激光器实现了两种总调谐范围覆盖1558.71～1579.81 nm的C&L波段可调谐的三波长激光输出状态,边模抑制比达到55 dB;通过改变偏振控制器的状态,还获得总调谐范围分别为11 nm和6.23 nm的单波长和双波长激光状态。各激光状态的可调谐步长紧凑,均为0.02 nm,最大轴向应力调谐灵敏度为1.87 pm/με。在一小时内,各激光输出波长和峰值功率波动均分别低于0.02 nm和0.78 dB,呈现出良好的稳定性。

关键词：多波长掺铒光纤激光器大芯光纤滤波器可切换可调谐

基于DSP的OFDM接收机关键技术的研究与实现

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基于DSP的OFDM接收机关键技术的研究与实现

作者：徐璐佳北京交通大学

学位级别：硕士

正交频分复用（OFDM）技术是目前移动通信领域的一种新型调制技术。特别适合在多径传播的无线移动信道中高速传输数据,有望成为第四代移动通信系统的核心技术。但是目前OFDM技术与现实的应用结合并不是十分紧密,甚至在实践的应用中还有... 详细信息

正交频分复用（OFDM）技术是目前移动通信领域的一种新型调制技术。特别适合在多径传播的无线移动信道中高速传输数据,有望成为第四代移动通信系统的核心技术。但是目前OFDM技术与现实的应用结合并不是十分紧密,甚至在实践的应用中还有许多的缺陷,导致在工程技术实现中有很多困难,并且OFDM技术在和相关技术的融合中也欠缺实践的经验和有用的结果。因此在项目研究之初就确定了,立足OFDM理论,并尽所能将理论很好的工程实践化,总结技术实践中的经验和方法,能较好的用一种工程技术方法将理论的可行性,有效性,可用性予以比较全面的验证,争取提出一种切实可行并且行之有效的实现方案,希望在推动OFDM技术的发展上做一点贡献。本文的研究方法是理论指导实践,实践验证理论。本文通过对OFDM基础理论,特别是接收机的一些关键技术的研究,综合参考现有的无线通信网络协议规范,针对本设计的应用环境和硬件特征制定系统参数,设计算法,通过优化仿真,验证理论依据。最后,基于DSP评估平台搭建OFDM接收机平台,进行DSP软件模块的系统调试,进一步论证了OFDM接收机的关键技术。本文首先详细分析了OFDM接收机的基本原理和关键技术;其次通过Matlab平台实现了对接收机的整套方案的仿真,在算法上加深了对于OFDM接收机各个模块的认识,从而指导硬件平台的搭建和DSP软件的编写;然后本文通过参考现有无线网络标准,针对本设计的应用环境及硬件特征制定系统参数和系统方案,并基于TI公司的TMS320C6416DSK数字评估板卡,设计并搭建了基于DSP/BIOS的开发系统;最后根据方案的制定完成了OFDM接收机的软件算法的实现,包括去除循环前缀、Radix的FFT算法、16QAM调制等。本文充分挖掘了硬件潜能。通过该设计不仅可以更清楚地了解OFDM接收机的工作过程,验证设计的理论依据,而且可以达到更进一步理解该关键技术的目的。

关键词：正交频分复用 OFDM接收机无线网络标准 Matlab仿真 DSP 6416数字评估板

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全双工光载无线通信的链路模型研究

全双工光载无线通信的链路模型研究

作者：张建明北京交通大学

学位级别：硕士

光载无线通信(ROF)技术是应高速大容量无线通信需求而发展起来的将光纤通信和无线通信结合起来的无线接入技术。本文对全双工ROF链路模型进行了深入的研究,完成的主要工作如下： 1.研究了ROF中毫米波产生技术的基本原理,重点对外部调制... 详细信息

光载无线通信(ROF)技术是应高速大容量无线通信需求而发展起来的将光纤通信和无线通信结合起来的无线接入技术。本文对全双工ROF链路模型进行了深入的研究,完成的主要工作如下： 1.研究了ROF中毫米波产生技术的基本原理,重点对外部调制法和光外差法这两种毫米波产生技术作了分析和讨论。同时对光纤的非线性、色散、光源线宽这三个影响ROF系统性能的因素作了介绍,重点是对色散所引起的码元走离现象作了理论推导和详细的分析。 2.提出了一个基于双级联马赫曾德尔调制器的全双工光载无线通信链路模型。下行链路采用两个马赫曾德尔调制器级联产生六倍频毫米波;采用单边带调制,有效防止了码元走离现象,提高了传输距离;上行链路复用了下行链路中的一阶光边带以作为上行基带信号的载波,从而无需在基站中额外配置激光源;采用延时零拍法解调,减少了对毫米波本地振荡器的需求,降低了系统的成本。仿真结果表明所提出的全双工模型中,仅用10GHz频率的调制信号就能产生60GHz的毫米波,大大降低了调制信号频率,且下行链路传输距离可达250km,而上行链路传输距离大于300km。 3.提出了一个基于光外差法的全双工ROF链路模型,将正交幅度调制(QAM)这种在无线通信中广受欢迎的调制格式应用到全双工ROF系统中,极大地提升了频谱效率,同时由于频谱效率的提升,在一定通信速率要求下,信号的符号率就会降低,从而能减弱色散对信号造成的影响。利用延时零拍法来解调,可以有效减少两独立激光源的发射激光相位不相干所带来的影响,这样就无须引入光锁相环等器件,从而降低系统的复杂度;利用QAM信号调制在其中一个激光上,这样在传输中可以减弱色散所引起的码元走离现象。在光纤中不同的传输距离会导致星座图发生不同程度的偏转,从而影响解调性能,可以发现传输距离与星座图偏转角度之间存在线性关系。通过在接收端设置校准相位,从而使得最终产生的星座图不发生偏转。所提出的方案,最终在下行链路上能传输40km以上,上行链路传输60kmm以上。

关键词：光载无线通信全双工链路模型级联光外差正交幅度调制

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ETC系统中DSRC协议研究与设计实现

ETC系统中DSRC协议研究与设计实现

作者：王超北京交通大学

学位级别：硕士

当前我国路桥收费大部分还是依靠人工收费的方式,这种收费方式成本高,效率低,尤其随着我国汽车保有量的大幅攀升,低效率的收费方式常常会造成道路的拥挤和大量的交通污染甚至交通事故。随着电子、通信、软件等技术快速发展,社会管理向... 详细信息

当前我国路桥收费大部分还是依靠人工收费的方式,这种收费方式成本高,效率低,尤其随着我国汽车保有量的大幅攀升,低效率的收费方式常常会造成道路的拥挤和大量的交通污染甚至交通事故。随着电子、通信、软件等技术快速发展,社会管理向智能化发展,道路交通管理也在大规模的进行智慧升级。电子不停车收费(Electronic Toll Collection,ETC)系统作为行之有效的道路收费管理手段,能够有效提高路网通行能力和道路交通效率。ETC系统通信是基于专用短程通信(Dedicated Short Range Communications,DSRC)来实现。DSRC是一种高效的无线通信技术,可以实现在较小区域内和移动目标双向通信。在ETC应用中主要是路侧单元(Road Side Unit,RSU)和车载单元(OnBoard Uint,OBU)间的信息通信。本文基于实习公司的项目,面向ETC的应用需求,开展DSRC协议的实现及设计方案研究,为ETC应用提供可靠通信支持。本文结合ETC系统,研究DSRC协议的基础理论及其相关技术标准,分析协议栈各层的结构和特点,建立arm-linux软件和硬件开发环境,并就物理层、数据链路层、应用层及设备应用层做设计实现工作:对于物理层,设计射频通信模块并通过SPI实现射频通信模块的控制和数据通信接口;对于数据链路层,设计层管理。通过外部中断结合异步通知实现及时中断处理,防止丢包。底层数据发送接收与上层协议栈处理运用多线程来解耦,线程间通过消息队列通信,从而实现数据缓冲。为解决通信可能出现的差错,设计重传机制。运用状态机设计逻辑链路控制(Logical Link Control,LLC)子层的链路控制机制。最后给出媒体访问控制(Media Access Control,MAC)子层和LLC子层的工作流程;对于应用层,设计层管理,研究并应用ASN.1抽象语法标记定义应用层服务,实现传输数据编解码和分并段,进而实现传输内核(Transfer Kernel,T-KE)、初始化内核(Initialization Kernel,I-KE)和广播内核(Broadcast Kernel,B-KE);对于设备应用层,设计实现扩展应用接口和应用安全。最后,通过对本文的DSRC协议软件进行测试,达到设计目标,正确实现DSRC协议标准规定的RSU和OBU通信功能并具有很好的稳定性。

关键词：电子不停车收费专用短程通信协议路侧单元车载单元

基于对象分割的卫星图像中物体变化检测与识别算法研究

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基于对象分割的卫星图像中物体变化检测与识别算法研究

作者：吴宪北京交通大学

学位级别：硕士

遥感变化检测技术是以多源遥感数据为基础,以知识库为辅助对不同时段的目标、现象、过程状态的变化进行探测、识别及分析的计算机图像处理技术,包括多源数据的获取、原始数据预处理、变化信息提取及变化性质确定、变化信息后处理及检测... 详细信息

遥感变化检测技术是以多源遥感数据为基础,以知识库为辅助对不同时段的目标、现象、过程状态的变化进行探测、识别及分析的计算机图像处理技术,包括多源数据的获取、原始数据预处理、变化信息提取及变化性质确定、变化信息后处理及检测精度评价等内容,其主要目的是通过判断目标是否发生变化,确定发生变化的区域,鉴定变化的类别,评价变化的时间和空间分布模式。随着机器学习以及深度学习的发展,以大数据为核心的深度学习算法已经从传统的自然图像处理,并逐渐扩展到遥感图像处理。本文结合机器学习及深度学习算法,对基于对象分割的卫星图像中物体变化检测和识别的算法开展深入研究,选题具有重要的意义和实用价值。本文将机器学习算法和深度学习算法相结合,以建筑物为研究对象,对卫星影像的建筑物变化检测和识别开展一系列研究,论文主要的研究内容和创新点包括以下几点:(1)对现有的遥感图像数据集进行分析,得到现有的数据集有物体变化检测和识别。针对遥感图像变化检测包含前后时相影像的特征,以前时相为参考,对后时相影像进行图像规定化。针对不同样本库分布不均衡、类间距离过近等问题,提出样本库均衡模块;为了解决样本量不足的问题,提出针对卫星图像的数据扩增算法。(2)针对从高分辨率遥感影像中识别出建筑物变化困难的问题,本文提出了一种基于堆栈降噪自编码器(Stacked Denoising Auto Encoders,SDAE)的建筑物变化检测方法。首先,对于遥感影像匹配误差,对不同时相同一场景图利用尺度不变特征变换(Scale-invariant feature transform,SIFT)算法提取出他们的特征点,进行图像对齐。然后,使用堆栈降噪自编码器提取图像的特征,并采用模糊C均值(Fuzzy C-means,FCM)算法获取发生变化的区域。算法检测效率高,能适应不同源影像的光谱差异。(3)根据建筑物空间特性具有一定规律性的特点,在U-net模型的基础上提出了一种新的模型Widenet(W-net)。并且针对建筑物集群分布和零散分布这两种情况造成的正样本和负样本分布不均衡问题,采用混合损失函数来解决训练数据的不平衡问题。连接两个U-net模型,将其命名为W-net,第一个U-net输出辅助信息,如建筑物拓扑和像素距离。第二个U-net通过将每个像素划分为建筑物或非建筑物来生成建筑物掩码。(4)针对遥感图像覆盖场景大,背景复杂,需要检测算法鲁棒性高,检测效率高,并且克服不同源影像间的光谱差异问题,本文结合上述提出的基于SDAE和FCM的无监督变化检测算法检测出变化区域,然后在变化区域的基础上利用W-net网络进行建筑物识别,结果表明,本文提出针对建筑物的变化检测算法可靠性高,检测速度快。

关键词：变化检测堆栈降噪自编码器深度学习多源影像 Wide net

基于Φ-OTDR的分布式光纤传感系统多点定位方法与实现研究

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基于Φ-OTDR的分布式光纤传感系统多点定位方法与实现研究

作者：李丹丹北京交通大学

学位级别：硕士

相位敏感光时域反射仪(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR)分布式光纤传感系统由于具有分布式传感距离长、灵敏度高、抗电磁干扰能力强以及结构简单等优势,被广泛应用于油气管道泄漏勘测和重要场所安防预警等... 详细信息

相位敏感光时域反射仪(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR)分布式光纤传感系统由于具有分布式传感距离长、灵敏度高、抗电磁干扰能力强以及结构简单等优势,被广泛应用于油气管道泄漏勘测和重要场所安防预警等领域。在实际的应用环境中,噪声影响以及散射光信号强度随距离衰减等问题导致Φ-OTDR分布式光纤传感系统的扰动信号信噪比降低,从而使定位准确率下降。尤其是远端扰动信号较弱,信噪比很低,使远端扰动信号精确定位面临着严峻的挑战。本文针对这些问题,提出了一种基于自适应奇异值分解降噪与改进的K-means聚类相结合的定位方案,通过自适应奇异值分解降噪方法,提高了扰动信号的信噪比,进而应用一种改进的K-means聚类方法,实现了多点扰动准确定位。论文完成的主要研究工作如下:(1)介绍了Φ-OTDR技术的基本理论以及该技术是如何探测扰动的,分析了Φ-OTDR系统中可能存在的噪声来源,为噪声的抑制方案的制定提供了理论参考。(2)搭建了机场周界安防模拟实验,以Φ-OTDR系统作为安防预警系统,在实验中设置了四种不同的扰动信号,包括浇水、敲击、攀爬和碾压,并且分别进行了单点远端扰动实验和多点扰动实验。根据实验数据,分别研究了经验模态分解降噪、一维小波降噪、二维小波降噪以及奇异值分解降噪方法对扰动信号的降噪效果。另外,通过仿真对比实验检验上述降噪方法去除高斯白噪声的效果,数值结果表明,与其他三种方法相比,奇异值分解降噪方法具有最好的降噪效果,能够将信噪比由2.98d B提升至8.08d B,并且耗时最短,仅为0.012s。(3)研究了粒子群优化算法的原理,将粒子群算法与奇异值分解降噪方法结合,设计出了一种自适应奇异值分解降噪方法。该方法能够有效地提高扰动信号的信噪比,对于四种不同类型的扰动信号,在单点远端扰动实验中,信噪比结果分别为9.55d B、9.78d B、12.29d B、10.44d B;在多点扰动实验中,最高信噪比分别为11.38d B、13.94d B、10.80d B、12.19d B,最低信噪比分别为5.36d B、6.95d B、4.78d B、6.17d B。该方法耗时能够限制在3s以内,实时性较好。(4)提出了一种改进的聚类方法,相比于传统的K-means聚类方法,该聚类方法是在有序的数据集合中进行聚类,因此极大地降低了迭代次数,提高了实时性。实验结果表明该方法能够有效地定位扰动,在单点远端扰动实验中,定位准确率均在95%以上;在多点扰动实验中,定位准确率均在90%以上,平均定位准确率可以达到96.57%。该方法的提出对于Φ-OTDR系统的广泛应用具有重要的推动意义。

关键词：基于Φ-OTDR的分布式光纤传感系统多点定位自适应奇异值分解降噪信噪比聚类