0 引言

        随着近海风电建设和岛礁经济的发展，光纤复合海底电缆（简称“海缆”）在海洋通信和电能传输方面的重要性不断提升[1]。由于海缆的使用环境复杂多变，如海洋地质状况、施工环境、海洋流动、磨损和锚的撞击等因素，都会导致海缆损伤从而出现通信传输问题，影响经济发展[2]。因此，对海缆的健康状况进行有效监测至关重要。采用布里渊光时域分析（BOTDA）监测系统收集的海缆振动信号经常会受到布里渊散射噪声的干扰，如何去除这些噪声，只保留有用的信号是一个挑战。

        海缆振动信号具有明显的非线性和非平稳特性。虽然传统的傅里叶降噪技术能够在除噪的过程中发挥作用，更适合处理平稳的周期性信号，因此其在消减海缆振动信号噪音的效果并不尽如人意。目前，非线性信号降噪策略主要包括小波降噪和经验模态分解（EMD）等方法[3-6]。虽然小波降噪的降噪能力超强，但必须选择恰当的基波函数和阈值，而且不同的基波函数各自适应性也会有所不同。EMD是一种经典的时频域特征分析算法，可根据被处理信号的特性，自适应地将信号分解到不同尺度上，克服了小波变换高频分辨率低的不足，且自适应性更强，处理非线性非平稳信号的效果更好。但是，海缆故障对应的光纤振动信号一般包含噪声和冲击成分，而EMD 容易受信号间断、突变等奇异点的影响，使其对应的极值点发生较大变化，导致计算的包络线扭曲变形，从而出现模态混叠现象[7]。2014年，DRAGOMIRETSKIY K等人[8]提出了变分模态分解（VMD）方法，有效地趋避模态混叠、过包络、欠包络、端点效应等问题。该方法重新定义了本征模态函数（IMF）为一个调幅-调频信号，这相比于EMD的IMF定义具有更广泛的适应性。因此，VMD具有出色的噪声抵抗性能，能有效解决海缆监测BOTDA系统的光纤振动信号信噪比低的问题。文献[9]提出了排列熵（PE）算法检测时间信号序列随机特性和动力学变动，其抗扰性强且计算快，可以作为量化评估信号序列中所含随机噪声程度的指标。本文提出一种基于VMD和PE的海缆振动信号降噪方法, 有效去除信号中存在的噪声。

3 结束语

本文提出了基于VMD和PE的海缆振动信号降噪方法，搭建了基于BOTDA的海缆振动信号综合监测系统，获取了3类海缆振动信号海缆振动信号数据。但是，由于BOTDA在发生布里渊散射时引入了大量的噪声，对海缆振动信号进一步分析带来了不利影响，故对其降噪很有必要。单纯使用VMD剔除法和EMD降噪法无法达到很好的降噪效果，而本文提出的基于VMD-PE的降噪方法在提升SNR的同时，有效地降低了RMSE。通过对3类海缆振动信号的降噪处理结果可知，本文的降噪方法不仅不会使海缆振动信号的波形失真，对信号波形特征不会产生较大影响，且降噪后的3类海缆振动信号波形更加平滑，有效消除了噪声成分，可以达到较好的降噪效果，为工程中海缆信号处理提供了理论依据。