基于WNNM去噪算法和分段压缩感OMP算法提高ROTDR系统测温精度

作     者：于福浩 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建忠

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：拉曼光时域反射 测温精度 加权核范数最小化 正交匹配追踪 压缩感知 

摘      要：拉曼光时域反射仪(Raman Optical Time Domain Reflectometry,ROTDR)是一种基于拉曼散射的分布式光纤传感技术,可用于探测光纤沿线的温度信息。该技术具备结构简单,耐腐蚀,抗电磁干扰,长距离实时监测等优点,因此被广泛应用于众多需要长距离温度安全监控的行业,例如化工行业、电力行业、核工业、交通运输业等。但是在某些特殊应用场景下(例如航空航天),如果无法实现较高精度的温度测量,就会造成不可预估的损失,因此实现高测量精度是ROTDR系统目前亟待解决的问题。针对上述问题,本文在不增加系统硬件成本的基础上提出两种算法来提高系统的测温精度。主要研究工作如下:(1)基于ROTDR系统测温原理搭建ROTDR实验平台,并完成样机制作。基于Lab VIEW完成上位机软件系统的开发。(2)提出一种基于加权核范数最小化(Weighted Nuclear Norm Minimization,WNNM)的去噪算法来提高系统的测温精度。WNNM算法在达到良好去噪效果的同时,有效的解决了小波去噪算法以及非局部均值算法在去噪过程中存在的问题。实验结果表明,在500 Ms/s采样率,13 d B SNR提升情况下,WNNM算法处理后的测温精度可以达到0.65℃。(3)提出一种分段压缩感知OMP算法来提高ROTDR系统的测温精度。经过大量实验发现,采样率也是影响系统测温精度的重要因素。采样率越低,系统的测温精度表现越差。压缩感知作为一个新采样理论,利用信号的潜在的稀疏特性,在远小于Nyquist采样率的条件下完美的重建信号。分段压缩感知可以解决整体压缩感知存在的运行时间长,重构效果差的问题。此外,分段压缩感知与可以与WNNM算法相结合,进而突破采样率对系统温度精度的限制。实验结果表明,同时使用两种算法在150 Ms/s采样率下可以实现0.98℃的温度精度。