專利名稱：一種分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及周界安防及分布式光纖傳感信號處理領域，具體涉及一種相位敏感光時域反射計(Φ-OTDR)型分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法。
背景技術：
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。與常規(guī)光時域反射計(OTDR)相同，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后向瑞利散射光相干涉的結果，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。相位敏感光時域反射計(Φ-OTDR)型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行在線實時探測、報警和定位，實現重要區(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，實現在線監(jiān)測和實時報警，可大大節(jié)約系統(tǒng)成本，同時實現檢測報警和定位雙重功能，對于國境線、軍事基地等長距離及超長距離周界防入侵監(jiān)測性價比極高。實際應用中，分布式光纖圍欄入侵監(jiān)測系統(tǒng)由于監(jiān)測距離長，對外界環(huán)境干擾敏感，監(jiān)測信號信噪比較低，同時光學系統(tǒng)易受環(huán)境溫度等因素影響不穩(wěn)定造成信號自身起伏波動大，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確檢測入侵并精確確定入侵點位置，有效降低系統(tǒng)虛警率和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)的應用前景。
發(fā)明內容
針對上述現有技術，本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法，解決現有的入侵監(jiān)測系統(tǒng)由于監(jiān)測距離長，對外界環(huán)境干擾敏感，監(jiān)測信號信噪比較低，同時光學系統(tǒng)易受環(huán)境溫度等因素影響不穩(wěn)定造成信號自身起伏波動大， 入侵檢測困難，系統(tǒng)虛警率和誤報率偏高的問題。為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案一種分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法，包括以下步驟
(1)監(jiān)測信號預處理
分布式入侵監(jiān)測系統(tǒng)采集信號時每個發(fā)射脈沖作為一個信號單元，設采集的原始監(jiān)測信號
…一Yj:: (t=+;L2.…),其中k表示發(fā)射脈沖序號，i表示采樣點序號，采
集深度為N，所述監(jiān)測信號I4表示k時刻或第k個脈沖周期內接收到的散射相干光沿光纖線路的光強分布情況；對采集的原始監(jiān)測信號I4進行時間片劃分或分組，即相鄰多個脈沖發(fā)射周期作為一個時間片，對該時間片內所有發(fā)射周期的監(jiān)測信號進行累加得到該時間片內的采集信號，
設為IX1), ■ (S/),· == …，_Y:J =L2,·),其中i為采集信號的采樣點序
. ''-V-X-I
號，即橫向采集時間，j為時間片序號，沿縱向時間軸向后延伸，m為每個時間片內的光脈沖
個數，即累積至一組時間片的監(jiān)測信號單元數，對相鄰時間片的信號(&)』_相減作為入侵檢
測與定位的預處理信號S
= (A)j ￠5,)H (i = XX …’ Nu =XX …)；
(2)對預處理信號S進行短時傅里葉變換獲得局部能量
在實時監(jiān)測過程中依次對各時間片內預處理信號S進行如下的短時傅里葉變換，
①式為離散的短時傅里葉變換式，""Cu-》)為短時傅里葉變換的窗函數，y、.為短時傅
里葉變換點數，η表明窗函數的位置；
通過η的增加不斷移動窗口位置，從而改變觀察點的位置，短時傅里葉變換后，對各段信號的傅里葉變換系數求絕對值得到各段的信號頻譜；對各段信號的低頻系數分別進行求和，獲得監(jiān)測信號主要成分隨時間變化的短時能量分布情況，即沿光纜分布的局部能量盡
Λ". I—1 τ
Ek = T S(j ■ k) (η = 1,2.···.Χε)②
,、l| X.
②式中1￡為局部能量曲線上的總能量值個數，-V,為低頻成分個數，取=-V,； (3)獲取背景噪聲能量
與上述局部能量對應，分時間段計算沿光纜分布的背景噪聲能量，在第η時段的能量值&附近取一段能量值做平均，時間長度設為2Μ+1,則第it時段的背景噪聲能量值為
(4)突變點檢測與定位
將各時段的能量與其背景噪聲能量相減，得到去除背景噪聲能量后的局部能量分布序列K
對序列(H = Ll進行能量極大值檢測，如果
祀近: ￡:f.:: ￡?！甓? t ￡^滿足以下條件，￡二即為局部極大值點E…
fiI ^.iiLiX I
權利要求
1. 一種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(1)監(jiān)測信號預處理分布式入侵監(jiān)測系統(tǒng)采集信號時每個發(fā)射脈沖作為一個信號單元，設采集的原始監(jiān)測信號= =(t=+;L2.···),其中k表示發(fā)射脈沖序號，i表示采樣點序號，采集深度為N，所述監(jiān)測信號I4表示k時刻或第k個脈沖周期內接收到的散射相干光沿光纖線路的光強分布情況；對采集的原始監(jiān)測信號Z4進行時間片劃分或分組，即相鄰多個脈沖發(fā)射周期作為一個時間片，對該時間片內所有發(fā)射周期的監(jiān)測信號進行累加得到該時間片內的采集信號，設為(S:+i.; - (S;)_;= 藝(X:h(i=l:2,、y:j = L2,"),其中i為采集信號的采樣點序‘:·. !Λ、:—1號，即橫向采集時間，j為時間片序號，沿縱向時間軸向后延伸，m為每個時間片內的光脈沖個數，即累積至一組時間片的監(jiān)測信號單元數，對相鄰時間片的信號(A)j相減作為入侵檢測與定位的預處理信號S 及-(AV)j ( 片O = U-,Nij=1Λ-")；(2)對預處理信號S進行短時傅里葉變換獲得局部能量在實時監(jiān)測過程中依次對各時間片內預處理信號S進行如下的短時傅里葉變換，①式為離散的短時傅里葉變換式，ιφι-《)為短時傅里葉變換的窗函數，-V,為短時傅里葉變換點數，η表明窗函數的位置；通過η的增加不斷移動窗口位置，從而改變觀察點的位置，短時傅里葉變換后，對各段信號的傅里葉變換系數求絕對值得到各段的信號頻譜；對各段信號的低頻系數分別進行求和，獲得監(jiān)測信號主要成分隨時間變化的短時能量分布情況，即沿光纜分布的局部能量盡￡.. = Τ" -S..(f— ·.Ir) (η = 1.2.---.-Vr ι②IIr②式中1￡為局部能量曲線上的總能量值個數，Λ",為低頻成分個數，取=-Yv2 ； (3)獲取背景噪聲能量 與上述局部能量對應，分時間段計算沿光纜分布的背景噪聲能量，在第η時段的能量伯Λ:附近取一段能量值做平均，時間長度設為2Μ+1,則第H時段的背景噪聲能量值萬4 為(4)突變點檢測與定位將各時段的能量與其背景噪聲能量相減，得到去除背景噪聲能量后的局部能量分布序對序列=進行能量極大值檢測，如果K覺近K-:，K K K--^K-I滿足以下條件，￡；:即為局部極大值點⑤式中， =π,. ，.…ι為各局部極大值點￡·’ .在序列中的相應位置，J為局*· * — “-tH2 uν Κ /Λ部極大值點個數，然后，從極大能量值序列(i = !k』:nh丨中再檢測作為判斷入侵發(fā)生依據的異常極大能量值；記錄異常能量值的位置，判斷各局部能量極大值若滿足以下條件，則標識為局部異常能量點，"=WfiXX ； ⑥式中Λ:Υ為入侵點個數，、知…‘分別為各入侵點位置； 若集合{ :· = ;^ 2，…= Φ為空，MV = O ,則判斷無入侵事件發(fā)生 若imzi^ip-i^J集合中元素個數JOT > j ,則判斷該事件不是真實入侵事件，根據入侵點的分布位置情況再確定具體哪塊周界區(qū)域環(huán)境變化；若H =集合中事件個數滿足0< JWS 3,則判斷有真實入侵發(fā)生，真實入侵點個數為JW ,各入侵點位置在局部能量曲線上對應‘if 位置； (5)入侵點檢測與定位根據去除背景噪聲能量后的能量序列=1.2;···:ν￡)中檢測出的局部異常能量及其位置、 3，…& ,確定入侵發(fā)生，則原始信號中入侵點的突變位置4為^ ilJ7,- -Itet)為步驟(4)中檢測出的真實入侵引起的突出能量點位置， …是與札、^，…‘}相對應的真實入侵點在原始監(jiān)測信號中的突變位置，JV為單個脈沖周期內采集的總數據點數。
2.根據權利要求1所述的分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法，其特征在于在所述確定的各入侵點位置{知:!^!^…!·}附近小范圍內的預處理監(jiān)測信號中，每個Lt:附近[Ι^-αΙ^-σ；!,再尋找最大極大值點 = {mas(|s, |) ι s (LK - - σ)} (η = L2 · ·、ΝΝ、, σ 選取條件為 σ > _\rv ,與各最大極大值點H}相對應的橫坐標即為最終確定的準確入侵點位置
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分布式光纖圍欄入侵檢測與定位的方法，對監(jiān)測信號利用短時傅里葉變換得到監(jiān)測信號沿布設光纜的瞬時能量分布，將隨空間分布的大范圍背景噪聲能量去除，提取去除背景噪聲能量后的能量序列中相對變化較大局部異常的突變點信息及位置，判斷是否真實入侵及其位置。本發(fā)明利用短時傅里葉變換方法提取入侵點處的突變信息，在去除隨機噪聲同時，對背景噪聲能量進行相減有效抑制了光學系統(tǒng)不穩(wěn)定及其他因素引入的起伏噪聲的干擾影響，解決了分布式光纖圍欄在復雜應用環(huán)境中強噪聲背景下的長距離入侵檢測與定位問題，能夠有效提高光纖圍欄入侵監(jiān)測系統(tǒng)的正確探測率，同時降低虛警率，提高安防報警系統(tǒng)在實際應用中的置信度水平。
文檔編號G08B13/00GK102360519SQ201110214679
公開日2012年2月22日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權日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