一种分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法与流程

本发明涉及光纤微震领域，尤其涉及一种分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法。

背景技术：

1、分布式光纤微震系统主要通过高灵敏度光纤传感器网络，实时监测岩体、土体或工程结构内部因应力变化、损伤破裂而产生的微弱地震波信号，从而精确定位微破裂事件、评估稳定性并预警灾害。地震波信号在孕育初期信号非常微弱，周围环境干扰信号较多。导致分布式光纤微震系统沿光缆采集到的微震信号不仅受到系统自身（比如光源相位噪声及散粒噪声）的影响，同时还受到环境振动等多种因素叠加干扰，导致原始数据信噪比偏低，影响微震事件检测的灵敏度和误警率。现行的降噪做法主要有带通 、陷波滤波、小波阈值、小波包分解、奇异谱分析以及深度学习等方法；这些方法对特定类型噪声各有优势，但普遍依赖噪声统计稳定或需要大量样本训练，当噪声成分复杂且随时间、距离变化时，去噪效果易出现波动，且算法参数需频繁调节。

2、在长距离布设的光缆线路中，往往存在若干远离振源、几乎不受微震事件影响的参考光纤。利用这些参考光纤连续采集到的噪声，可实时表征系统噪声的动态变化。若以该参考光纤信号作为噪声样本，对需要监测段的信号进行数据处理，则有望动态、精准地抵消多种非平稳噪声，为微震事件提供更高的信噪比基础。当前公开文献中针对光纤微震信号降噪的研究虽已涉猎多种方法，但尚未充分结合可用的参考光纤资源，亦缺乏面向实时工程场景的自适应谱减实现。因此，基于参考光纤的谱减去噪方法具有进一步研究和工程化应用的必要性，可为分布式微震系统在恶劣环境低信噪比条件下的高可靠监测提供新的技术途径。

技术实现思路

1、本发明旨在提出针对上述问题，提出一种分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法。

2、本发明的技术方案在于：

3、一种分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法，方法如下：

4、将整条光纤链路划分为等长的段，每段作为一个监测通道，各监测通道同步采集振动信号，获得其时间序列信号；对各时间序列信号分帧处理后进行傅里叶变换，进而计算得到各监测通道内各帧信号的幅度谱；

5、将整条光纤链路上划分成业务监测段与信号盲区；

6、在业务监测段内选取前参考光纤和后参考光纤，计算得到前参考光纤噪声功率谱和后参考光纤噪声功率谱，进而获得噪声幅度谱；

7、对业务监测段内各帧信号的幅度执行谱减处理，通过谱减因子α与谱底因子β控制减噪幅度和残留噪声下限，得到净信号幅度谱；进而重构降噪复频谱；

8、将降噪复频谱与信号盲区频谱拼接后，执行逆傅里叶变换以恢复至时域，实现整条光纤链路的信号降噪处理。

9、其中，各帧信号的幅度谱的具体获得过程为：将各时间序列信号采用固定帧长与50%重叠率划分为各帧信号，并对各帧信号施加窗函数，再执行傅里叶变换，将时域变换到频域，进而计算得到各监测通道内各帧信号的幅度谱。

10、其中，所述业务监测段的划分原则为：依据各监测通道内各帧信号的幅度谱得到各监测通道在观察时间内的平均能量，基于预设的能量门限识别整条光纤链路中的信号盲区，以非信号盲区为业务监测段。

11、其中，所述业务监测段的划分原则为：整条光纤链路的起始端存在起始端盲区，末端存在末端盲区，设定起始端盲区判决门限tlead和末端盲区判决门限ttrail；

12、从整条光纤链路的起始端开始，当连续监测通道的平均能量降至起始端盲区判决门限tlead以下时，记为起点；从整条光纤链路的末端反向查找，当连续监测通道的平均能量降至末端盲区判决门限ttrail以下时，记为终点；以起点至终点之间的部分为包含有效信号的业务监测段。

13、其中，所述前参考光纤和后参考光纤仅包含背景噪声，前参考光纤自起点起向后取100 m，后参考光纤自终点起向前取100 m。

14、其中，所述噪声幅度谱的具体获得过程为：采用20阶burg算法分别对前、后参考光纤的背景噪声时序信号建立自回归模型，得到前、后参考光纤噪声功率谱；将前、后参考光纤噪声功率谱按各自权重进行线性组合，得到噪声幅度谱，具体过程为：

15、

16、

17、式中：为噪声幅度谱；为前参考光纤噪声功率谱权重系数；为前参考光纤噪声功率谱；为后参考光纤噪声功率谱权重系数；为后参考光纤噪声功率谱；为前参考光纤能量和；为后参考光纤能量和。

18、其中，所述谱减因子α≥1，0 <谱底因子β<1；谱减因子α随信噪比动态调整；当某帧信号的信噪比＜40时，谱减因子α的取值范围为1~45.5；当某帧信号的信噪比≥40时，谱减因子α的取值为1。

19、其中，所述重构降噪复频谱的具体获得过程为：获取业务监测段内各帧信号的原始幅度谱和原始相位谱，对原始幅度谱执行谱减运算：若某帧信号的原始幅度高于其噪声幅度，则净信号幅度谱为原始幅度与倍噪声幅度的差值；若某帧信号的原始幅度低于噪声幅度，则净信号幅度谱为倍噪声幅度，且净信号幅度谱≥0；将各帧信号的原始相位谱与净信号幅度谱重构为降噪复频谱。

20、其中，所述对原始幅度谱执行谱减运算的具体过程为：

21、

22、式中：为净信号幅度谱； 为原始幅度谱；为噪声幅度谱。

23、其中，所述降噪复频谱与信号盲区频谱拼接的具体过程为：将信号盲区保持原始频谱，与降噪复频谱拼接。

24、本发明的技术效果在于：

25、1）通过引入前参考光纤和后参考光纤自适应谱减，将分布式光纤微震信号的信噪比提升约 8.92 db，显著抑制光源相位噪声、散粒噪声及环境振动干扰，强化微弱微震事件特征，为后续微震类型识别与精确定位提供更高质量的数据基础；

26、2）动态降低系统不稳定带来的噪音影响。

1.一种分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法，其特征在于，方法如下：

2.根据权利要求1所述分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法，其特征在于，各帧信号的幅度谱的具体获得过程为：将各时间序列信号采用固定帧长与50%重叠率划分为各帧信号，并对各帧信号施加窗函数，再执行傅里叶变换，将时域变换到频域，进而计算得到各监测通道内各帧信号的幅度谱。

3.根据权利要求2所述分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法，其特征在于，所述业务监测段的划分原则为：依据各监测通道内各帧信号的幅度谱得到各监测通道在观察时间内的平均能量，基于预设的能量门限识别整条光纤链路中的信号盲区，以非信号盲区为业务监测段。

4.根据权利要求3所述分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法，其特征在于，所述业务监测段的划分原则为：整条光纤链路的起始端存在起始端盲区，末端存在末端盲区，设定起始端盲区判决门限tlead和末端盲区判决门限ttrail；

5.根据权利要求1所述分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法，其特征在于，所述前参考光纤和后参考光纤仅包含背景噪声，前参考光纤自起点起向后取100 m，后参考光纤自终点起向前取100 m。

6.根据权利要求1所述分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法，其特征在于，所述噪声幅度谱的具体获得过程为：采用20阶burg算法分别对前、后参考光纤的背景噪声时序信号建立自回归模型，得到前、后参考光纤噪声功率谱；将前、后参考光纤噪声功率谱按各自权重进行线性组合，得到噪声幅度谱，具体过程为：

7.根据权利要求1所述分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法，其特征在于，所述谱减因子α≥1，0 <谱底因子β<1；谱减因子α随信噪比动态调整；当某帧信号的信噪比＜40时，谱减因子α的取值范围为1~45.5；当某帧信号的信噪比≥40时，谱减因子α的取值为1。

8.根据权利要求1所述分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法，其特征在于，所述重构降噪复频谱的具体获得过程为：获取业务监测段内各帧信号的原始幅度谱和原始相位谱，对原始幅度谱执行谱减运算：若某帧信号的原始幅度高于其噪声幅度，则净信号幅度谱为原始幅度与倍噪声幅度的差值；若某帧信号的原始幅度低于噪声幅度，则净信号幅度谱为β倍噪声幅度，且净信号幅度谱≥0；将各帧信号的原始相位谱与净信号幅度谱重构为降噪复频谱。

9.根据权利要求8所述分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法，其特征在于，所述对原始幅度谱执行谱减运算的具体过程为：

10.根据权利要求1所述分布式光纤微震系统自适应动态降噪方法，其特征在于，所述降噪复频谱与信号盲区频谱拼接的具体过程为：将信号盲区保持原始频谱，与降噪复频谱拼接。