專利名稱：基于φ-otdr的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及周界安防及分布式光纖傳感信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于 Φ-OTDR的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法。
背景技術(shù)：
相位敏感型光時域反射計(Φ-OTDR)是一種新型分布式光纖傳感技術(shù)。與常規(guī)光時域反射計(OTDR)相同的是，光脈沖從光纖的一端注入，通過探測器探測后向瑞利散射光判斷擾動及故障位置；不同的是，Φ-OTDR系統(tǒng)注入的是強相干光，探測得到的是脈沖寬度范圍內(nèi)后向瑞利散射光相干涉的結(jié)果，通過測量輸入脈沖與接收到的干涉信號的時間延遲來判斷干擾點的位置。在實際應(yīng)用中，分布式光纖圍欄入侵監(jiān)測系統(tǒng)盡管相對于其他系統(tǒng)有諸多突出優(yōu)點，但由于監(jiān)測距離長，對外界環(huán)境干擾敏感，以及光學(xué)系統(tǒng)易受外界環(huán)境及溫度影響不穩(wěn)定，監(jiān)測信號信噪比較低，且自身起伏波動大造成入侵檢測困難，同時系統(tǒng)誤報率偏高。如何在強噪聲背景下準(zhǔn)確檢測入侵并精確確定入侵點位置，有效降低系統(tǒng)誤報率是長距離分布式光纖圍欄入侵監(jiān)測系統(tǒng)面臨的主要問題，直接決定系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于Φ-OTDR(相位敏感型光時域反射計)的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法，其能有效提取入侵信號真實特征，進(jìn)行檢測和定位，還可以避免噪聲影響，準(zhǔn)確檢測分布式光纖圍欄入侵信息并精確定位。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于Φ-OTDR的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法，包括以下步驟
將采集到的第i次信號與第i_l次采集信號相減，得到預(yù)處理的監(jiān)測信號； 采用至少三種小波函數(shù)對預(yù)處理信號進(jìn)行小波分解； 針對每種小波函數(shù)對預(yù)處理監(jiān)測信號進(jìn)行至少四層小波分解； 對于每種小波分解，根據(jù)其所有尺度信號中最大的小波模極大值分布位置一致性判斷真實入侵是否存在；其中，至少三個尺度信號中的最大小波模極大值分布位置一致則認(rèn)為真實入侵存在；
將判斷有入侵且最大小波模極大值分布位置一致的尺度信號對應(yīng)相乘，得到一個偽極大值均被抑制和突變點處模極大值被增強的復(fù)合信號，復(fù)合信號中最大模極大值所對應(yīng)的位置即為確定的入侵點的位置；
最后綜合多種小波多尺度分析的復(fù)合信號判斷結(jié)果，根據(jù)多數(shù)投票準(zhǔn)則，最終確定入侵的發(fā)生及其入侵位置。進(jìn)一步地，所述小波函數(shù)為haar，db6，coif5和sym5四種。進(jìn)一步地，經(jīng)過haar，db6，COif5和sym5四種小波函數(shù)分解后，將四種小波多尺度分析結(jié)果再進(jìn)行綜合，若兩種以上小波分解得到了相同或一致的判斷結(jié)果，則認(rèn)為真實入侵存在；確認(rèn)入侵點存在時，將判斷結(jié)果一致的各小波分解下的復(fù)合信號再進(jìn)行相乘得到最終突變點的具體位置信息。進(jìn)一步地，每一種小波函數(shù)將監(jiān)測信號進(jìn)行六層小波分解，包括第一層細(xì)節(jié)系數(shù) dl，第二層細(xì)節(jié)系數(shù)d2，第三層細(xì)節(jié)系數(shù)d3，第四層細(xì)節(jié)系數(shù)d4，第五層細(xì)節(jié)系數(shù)d5，第六層細(xì)節(jié)系數(shù)d6和第六層近似信號a6。本發(fā)明根據(jù)Φ-OTDR分布式光纖圍欄系統(tǒng)入侵監(jiān)測原理，當(dāng)入侵發(fā)生時光纖線路受到外界侵?jǐn)_，對應(yīng)位置處光纖折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致該處相干光相位差變化并引起其后向瑞利散射光干涉條紋變化，經(jīng)兩次連續(xù)采集信號相減可以得到沿整個光纖空間分布的光強變化信息，即入侵信息。入侵時的信號實質(zhì)是帶有突變的信號，即在信號某一位置處幅值發(fā)生突變，引起信號的不連續(xù)，其突變點屬于第一種類型間斷點。入侵檢測實際上是非平穩(wěn)信號的突變檢測，由于突變具有持續(xù)時間短、寬頻帶的特點，因此采用小波變換這一有力工具進(jìn)行檢測。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果基于相位敏感型光時域反射計 (Φ-OTDR)技術(shù)的分布式光纖圍欄入侵監(jiān)測系統(tǒng)，利用光纜自身的光纖擾動對周界入侵等威脅安全事件進(jìn)行在線實時探測、報警和定位，實現(xiàn)重要區(qū)域周界或國防邊境的入侵監(jiān)測與防御。系統(tǒng)具有隱蔽性好、監(jiān)測靈敏度高、監(jiān)控距離范圍廣、長距離定位精度高、系統(tǒng)成本較低等突出特點。此外，該系統(tǒng)最大特點是無需專門傳感光纜，利用普通通信光纜本身線路作為傳感單元，實現(xiàn)在線監(jiān)測和實時報警，可大大節(jié)約系統(tǒng)成本及其他人力、物力、財力，同時實現(xiàn)檢測報警和定位雙重功能，對于長距離及超長距離周界防入侵監(jiān)測性價比極高。


圖1為本發(fā)明實施例的入侵檢測系統(tǒng)原理圖； 圖2為本發(fā)明實施例的入侵檢測與定位算法流程；
圖3為本發(fā)明實施例無入侵時信號進(jìn)行haar小波分解結(jié)果； 圖4為本發(fā)明實施例高信噪比時有入侵信號進(jìn)行haar小波分解結(jié)果； 圖5為本發(fā)明實施例低信噪比時有入侵的信號進(jìn)行haar小波分解結(jié)果； 圖6為本發(fā)明實施例的高信噪比時多個小波分解的綜合判斷結(jié)果； 圖7為本發(fā)明實施例的低信噪比時多個小波分解的綜合判斷結(jié)果。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。如圖1所示，一種基于Φ-OTDR的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位系統(tǒng)，包括 光纜，用于感知外界的入侵，并埋設(shè)在需要進(jìn)行入侵檢測的周界附近或地下；
激光器，用于產(chǎn)生強相干光；
調(diào)制器，用于接收激光器傳來的強相干光，并調(diào)制出窄脈沖光； 耦合器，用于將窄脈沖光進(jìn)行耦合后注入光纖的一端；
光電探測器，用于探測在光纖中傳輸?shù)恼}沖光的后向瑞利散射光干涉結(jié)果變化并判斷是否有侵?jǐn)_的發(fā)生；信號采集與處理裝置，即報警主機，用于測量輸入光脈沖與接收到的干涉變化信號的時間延遲來判斷入侵點的位置，本實施例中通過高速數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)傳送給中央處理單元進(jìn)行處理。在光纖通路中，可以根據(jù)監(jiān)測距離要求選用一些光纖放大設(shè)備，如摻鉺光纖放大器、拉曼放大器等。上述系統(tǒng)的工作過程如下由窄帶激光器發(fā)出強相干光經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制出窄脈沖光，光脈沖經(jīng)耦合器從光纖的一端注入，經(jīng)過光纖傳輸時發(fā)生的瑞利散射，通過探測器探測后向瑞利散射光干涉結(jié)果變化判斷侵?jǐn)_的發(fā)生，通過測量輸入脈沖與接收到的干涉變化信號的時間延遲來判斷干擾點的位置。基于Φ-OTDR的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位算法流程，如圖2所示，通過信號處理主機，將第i次采集信號與前一次即第i_l次采集信號相減，得到預(yù)處理的監(jiān)測信號； 并行采用haar，db6，coif5和sym5四種小波函數(shù)分別對預(yù)處理監(jiān)測信號進(jìn)行多層小波分解。作為優(yōu)選，利用每一種小波函數(shù)將監(jiān)測信號進(jìn)行6層小波分解，分為第一層細(xì)節(jié)系數(shù) dl，第二層細(xì)節(jié)系數(shù)d2，第三層細(xì)節(jié)系數(shù)d3，第四層細(xì)節(jié)系數(shù)d4，第五層細(xì)節(jié)系數(shù)d5，第六層細(xì)節(jié)系數(shù)d6和第六層近似信號a6 ；基于入侵信號突變點在不同尺度下模極大值橫坐標(biāo)對應(yīng)的位置基本一致這一特點，根據(jù)所有尺度信號中最大小波模極大值(絕對值)分布位置 (圖3、4、5、6、7中星號“ * ”號表示)一致性判斷真實入侵是否存在，位置一致性用系統(tǒng)定位的空間分辨率作為判斷閾值，至少3個尺度信號中的最大小波模極大值分布位置一致則認(rèn)為真實入侵存在。圖3、圖4、圖5分別為不同信號進(jìn)行haar小波6層分解結(jié)果圖3為無入侵時信號進(jìn)行haar小波分解結(jié)果，其第一層細(xì)節(jié)系數(shù)dl到第六層細(xì)節(jié)系數(shù)d6與第六層近似信號a6各個尺度信號上最大小波模極大值分布位置是隨機分布，因此判斷為無入侵，無需進(jìn)行下一步定位；圖4為高信噪比情況下入侵信號進(jìn)行haar小波分解結(jié)果，其各個尺度信號上最大小波模極大值在第一層細(xì)節(jié)系數(shù)dl到第六層細(xì)節(jié)系數(shù)d6與第六層近似信號a6上分布位置基本一致，判定信號中有入侵；圖5為低信噪比情況下入侵信號進(jìn)行haar 小波分解結(jié)果，由于噪聲影響，其各個尺度信號上最大小波模極大值位置有個別不一致，表現(xiàn)在第四層細(xì)節(jié)系數(shù)d4，第六層細(xì)節(jié)系數(shù)d6和第六層近似信號a6上，但在第一層細(xì)節(jié)系數(shù)dl，第二層細(xì)節(jié)系數(shù)d2，第三層細(xì)節(jié)系數(shù)d3，第五層細(xì)節(jié)系數(shù)d5四個尺度信號上分布位置均一致，仍能說明信號中有入侵。判斷有入侵時，還需要進(jìn)行突變點即入侵點的準(zhǔn)確定位，具體的入侵點定位方法 將上述判斷有入侵且最大小波模極大值分布位置一致的尺度信號對應(yīng)相乘，得到一個復(fù)合信號，如圖4和圖5中的composition (復(fù)合信號)信號所示，經(jīng)過乘積后，偽極大值得到抑制的同時，突變點處的模極大值得到了增強，復(fù)合信號中最大模極大值所對應(yīng)的位置即為確定的入侵點的位置，如圖4、圖5中composition信號中的星號“ * ”號所示。其他小波函數(shù)db6，coif5和sym5的小波分解方法及突變點信息判斷和定位方法與小波函數(shù)haar的相同。經(jīng)過haar，db6，coif5和sym5四種小波函數(shù)分解后，將四種小波多尺度分析結(jié)果再進(jìn)行綜合，利用多數(shù)投票準(zhǔn)則進(jìn)行入侵點的判斷和定位，得到最終的決策結(jié)果若兩種以上小波分解方法得到了相同或一致的判斷結(jié)果，即同時判斷有入侵，且各自復(fù)合信號中確定的入侵位置一致，則認(rèn)為真實入侵存在；否則認(rèn)為真實入侵不存在。確認(rèn)入侵點存在時， 將確定存在入侵點的各小波分解結(jié)果，即各小波分解下的復(fù)合信號再進(jìn)行相乘得到最終突變點的具體位置信息，最終獲得需要的報警結(jié)果，記錄在報警日志中，方便對報警事件進(jìn)行備案和查詢；如圖6、圖7所示，分別為高信噪比和低信噪比兩種情況下的綜合判斷結(jié)果。由圖7低信噪比下的判斷結(jié)果可知，當(dāng)某一種小波分解結(jié)果判斷入侵信息不準(zhǔn)確時，由于其他小波分解結(jié)果一致性，綜合判斷結(jié)果仍然是正確的，該發(fā)明方法可以有效降低系統(tǒng)虛警或誤報的發(fā)生，大大提高了分布式入侵監(jiān)測系統(tǒng)入侵檢測與定位的置信度水平。
本發(fā)明實施例中列舉的是基于Φ-OTDR技術(shù)的分布式光纖圍欄入侵監(jiān)測系統(tǒng)具體實施方法，該發(fā)明方法中采用的haar，db6，coif5和sym5四種小波函數(shù)；但完全可以用其他各種小波函數(shù)替代，所提出的突變點判斷與定位方法也完全可以應(yīng)用到其他相關(guān)的各種突變信號檢測應(yīng)用中。
權(quán)利要求
1.一種基于Φ-OTDR的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法，其特征在于，包括以下步驟將采集到的第i次信號與第i-Ι次采集信號相減，得到預(yù)處理監(jiān)測信號；采用至少三種小波函數(shù)對預(yù)處理信號進(jìn)行小波分解；針對每種小波函數(shù)對預(yù)處理監(jiān)測信號進(jìn)行至少四層小波分解；對于每種小波分解，根據(jù)其所有尺度信號中最大的小波模極大值分布位置一致性判斷真實入侵是否存在；其中，至少三個尺度信號中的最大小波模極大值分布位置一致則認(rèn)為真實入侵存在；將判斷有入侵且最大小波模極大值分布位置一致的尺度信號對應(yīng)相乘，得到一個偽極大值均被抑制和突變點處模極大值被增強的復(fù)合信號，復(fù)合信號中最大模極大值所對應(yīng)的位置即為確定的入侵點的位置；最后綜合多種小波多尺度分析的復(fù)合信號判斷結(jié)果，根據(jù)多數(shù)投票準(zhǔn)則，最終確定入侵的發(fā)生及其入侵位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Φ-OTDR的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法，其特征在于所述小波函數(shù)為haar，db6，coif5和sym5四種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Φ-OTDR的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法，其特征在于經(jīng)過haar，db6，coif5和sym5四種小波函數(shù)分解后，將四種小波多尺度分析結(jié)果再進(jìn)行綜合，若兩種以上小波分解得到了相同或一致的判斷結(jié)果，則認(rèn)為真實入侵存在； 確認(rèn)入侵點存在時，將判斷結(jié)果一致的各小波分解下的復(fù)合信號再進(jìn)行相乘得到最終突變點的具體位置信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于Φ-OTDR的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法，其特征在于每一種小波函數(shù)將監(jiān)測信號進(jìn)行六層小波分解，包括第一層細(xì)節(jié)系數(shù) (dl)，第二層細(xì)節(jié)系數(shù)(d2)，第三層細(xì)節(jié)系數(shù)(d3)，第四層細(xì)節(jié)系數(shù)(d4)，第五層細(xì)節(jié)系數(shù) (d5)，第六層細(xì)節(jié)系數(shù)(d6)和第六層近似信號(a6)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于Φ-OTDR的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位方法，先將采集到的第i次信號與第i-1次采集信號相減，得到預(yù)處理監(jiān)測信號；采用多種小波函數(shù)對預(yù)處理監(jiān)測信號進(jìn)行至少四層小波分解；根據(jù)所有尺度信號中最大的小波模極大值分布位置一致性判斷真實入侵是否存在；至少三個尺度信號中的最大小波模極大值分布位置一致則認(rèn)為真實入侵存在；將判斷有入侵且最大小波模極大值分布位置一致的尺度信號對應(yīng)相乘，得到一個偽極大值均被抑制和突變點處模極大值被增強的復(fù)合信號，復(fù)合信號中最大模極大值所對應(yīng)的位置為確定的入侵點的位置，綜合多種小波多尺度分析的復(fù)合信號判斷結(jié)果根據(jù)多數(shù)投票準(zhǔn)則，確定入侵的發(fā)生及其入侵位置。
文檔編號G08B13/186GK102280001SQ201110214678
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者吳庥偉, 吳慧娟, 李姍姍, 饒云江 申請人:電子科技大學(xué)