余明慧 - 201307005 - 基于分布式光纤传感的周界警戒系统关键

Wuhan Institute Of Technology

硕士学位论文

基于分布式光纤传感的周界警戒

系统关键技术及其设计

学科专业： 光学工程 研 究 生： 余明慧 指导教师： 吴晗平 教授 培养单位： 理学院

二 ○ 一六 年 月

The key technology and its design of perimeter alarm

system based on distributed optical fiber sensings

A Thesis Submitted for the Degree of Master

Major： Optical Engineering Candidate：Yu Minghui Supervisor：Prof.Wu Hanping

Wuhan Institute of Technology Wuhan, Hubei 430073, P. R. China

摘 要

摘 要

随着社会的发展，科学技术的进步，军事要地、重要的设施等都需要用周界安

防产品进行有效的防范，以确保其安全。传统的周界安防报警系统虽然达到了一定的安全防御效果，但是还存在一些技术缺陷。基于分布式光纤传感技术的周界报警系统能对多种入侵事件及时识别响应，且具有长距离监测、高精度定位、误报率低等优点，能有效地克服传统的周界安防系统的缺点。因此，在民用和军事上具备广泛的应用前景，已成为国内外研究的热点。

本论文对基于分布式光纤传感的周界警戒系统进行深入研究，主要研究内容如下：

首先，阐述分布式光纤周界警戒系统基本原理和组成，提出系统的传感类型、工作波段、定位精度、定位相对误差等技术指标。研究分布式光纤传感技术、模式识别技术、定位算法技术、信号解调技术、系统探测距离技术等主要关键技术。并明确本课题主要研究的两个关键技术：模式识别技术和定位技术。

其次，用时域分析法来分析分布式光纤振动传感系统对外界人为的入侵干扰、微风细雨干扰、动物攀爬干扰、周期性较弱的机械干扰这四种典型类型的作用信号的响应特征，并用Labview软件进行仿真验证。

然后，探讨几种基于干涉原理的分布式传感器的定位方法。着重研究互相关法求时间差的测量原理和计算方法，并在此基础上提出互相关法分析时延估计的改进算法，使得相关峰值位置更加突出，从而使时间差?t的测量更精确。

最后，根据系统总体设计技术指标要求，选用ASE光源模块、G652D传感光纤、LSM-PIN光电探测器、2×2 光纤耦合器、PCI8521数据采集卡完成系统的总体设计。当入侵在不同位置时，用Labview软件对系统进行仿真分析，设计结果满足系统技术指标要求。

该研究及其设计对光纤周界警戒系统的工程应用有其理论方法和实践指导作用。

关键词：分布式光纤传感器；周界警戒；模式识别；定位技术；系统总体设计

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Abstract

Abstract

With the development of the society and the progress of science ,a large number of social wealth, heavily military and the important facilities are need security products for effective prevention to ensure their safety. Although, traditional security alarm system has achieve a certain security defense effect, but there are some technical defects. Optical fiber perimeter alarm system based on distributed optical fiber sensing can recognise timely, and has the function of long-distance monitoring, precise positioning, and low rate of false positives ect.Whitch can overcome the shortcoming of traditional perimeter security system. Therefore, it has extensive application prospect in the civil and military, and become a hot spot of research at home and abroad.

In this paper, based on the study of distributed optical fiber sensing intrusion technology, the main research contents are as follows:

First, this paper expounds the basic principle and composition of distributed optical fiber perimeter alarm system, puts forward the system of sensor type, working band, positioning accuracy and positioning relative error and other technical indicators. Studied tkey technologies of system,such as:the distributed optical fiber sensing technology, localization algorithm, pattern recognition technology, signal demodulation technology, system detection range. And clear mainly two key techniques of this topic research: pattern recognition technology and positioning algorithm.

Secondly, distributed optical fiber sensing systems are analyzed with the method of time domain. Analyzed the invasion of external artificial interference, breeze and drizzle interference, small animals climb interference, cyclical weaker mechanical interference of typical response characteristics of these four types , and using Labview software simulation to verifying.

Then, the paper discusses several distributed sensor positioning methods based on the interference principle.This paper studies the measuring principle of cross-correlation method to measuring time delay.Advanced the time delay estimation algorithm to make signal peak even more prominent, so that time lag will more accurate.

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Finally, according to the design index choosing ASE light source module, the G652D

sensing optical fiber, the LSM - PIN photodetector, the 2 x 2 fiber coupler, PCI8521 data acquisition card to complete the design of the system. Using Labview software to simulat the system under the condition of invasions in different position, the results meet the requirements of system design .

The research and the design of optical fiber alert system has its theoretical innovation and guidance to engineering practice.

Keywords: Distributed optical fiber sensor; Perimeter alarm;Pattern recognise; Position technology; The system overall design

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目 录

目 录

摘 要 ....................................................... I Abstract ................................................... III 目 录 ........................................................ V 第1章 绪 论 ................................................. 1

1.1研究背景及意义 ....................................... 1 1.2周界警戒系统国内外研究现状 ........................... 2

1.2.1传统周界警界系统及性能对比 ..................... 2 1.2.2光纤周界警戒系统国内外研究现状 ................. 4 1.2.3光纤周界警戒系统发展趋势 ....................... 6 1.3论文主要内容安排 ..................................... 8 第2章 系统原理、组成及关键技术 .............................. 9

2.1系统基本原理 ......................................... 9 2.2系统组成及特点 ...................................... 11

2.2.1系统组成 ...................................... 11 2.2.2主要模块功能 .................................. 11 2.2.3系统特点 ...................................... 12 2.3系统主要关键技术 .................................... 12

2.3.1分布式光纤传感技术 ............................ 13 2.3.2模式识别技术 .................................. 17 2.3.3定位技术 ...................................... 19 2.3.4信号解调技术 .................................. 19 2.3.5系统探测距离技术 .............................. 20 2.4本章小结 ............................................ 21 第3章 数据采集与模式识别技术研究 ........................... 23

3.1 LabVIEW介绍 ........................................ 23 3.2数据的采集 .......................................... 23

3.2.1数据采集卡原理 ................................ 23 3.2.2 数据采集模块程序 .............................. 24 3.3典型干扰信号的响应特征 .............................. 26 3.4信号模式识别程序设计 ................................ 28

3.4.1作用力的平均幅度VI ............................ 28 3.4.2自相关VI ...................................... 28 3.4.3最大最小能量比值VI ............................ 30 3.4.4峰值统计VI .................................... 31

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3.5仿真结果与分析 ...................................... 31 3.6本章小结 ............................................ 34 第4章 定位技术研究 ......................................... 35

4.1干涉型分布式光纤传感系统定位技术研究 ................ 35

4.1.1基于萨格奈克干涉原理的定位技术 ................ 35 4.1.2基于双波长萨格奈克干涉原理的定位技术 ........... 36 4.1.3基于双马赫-泽德干涉原理的定位技术.............. 37 4.1.4基于萨格奈克/马赫-曾德尔干涉原理的定位技术 ..... 37 4.1.5各种定位技术优缺点对比 ........................ 38 4.2基于双马赫-泽德干涉原理的定位系统 ................... 39

4.2.1定位系统等效光路图 ............................ 39 4.2.2定位计算 ...................................... 40 4.3时间延迟算法 ........................................ 41

4.3.1特征点时延算法 ................................ 41 4.3.2互相关时延算法 ................................ 43 4.4互相关时延估计改进算法 .............................. 47 4.5改进后算法对比 ...................................... 49 4.6影响定位精度因素分析 ................................ 51 4.7本章小结 ............................................ 51 第5章 系统总体设计 ......................................... 53

5.1系统主要技术指标 .................................... 53 5.2系统主要器件的选型 .................................. 53

5.2.1光源 .......................................... 53 5.2.2传感光纤 ...................................... 54 5.2.3光电探测器 .................................... 55 5.2.4光纤耦合器 .................................... 55 5.2.5数据采集卡 .................................... 56 5.3基于 LabVIEW 的分布式光纤传感系统定位仿真 ............ 57

5.3.1两探测器接收信号的生成 ........................ 57 5.3.2信号互关运算仿真 .............................. 61 5.3.3求延时差值 .................................... 61 5.3.4定位计算 ...................................... 61 5.4仿真结果及分析 ...................................... 62 5.5铺设环境影响及对策分析 .............................. 64 5.6本章小结 ............................................ 68

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目 录

第6章 全文总结与展望 ....................................... 69

6.1 全文总结 ............................................ 69 6.2 工作展望 ............................................ 70 参考文献 .................................................... 71 攻读硕士期间已发表的论文及获奖情况 .......................... 77 致 谢 ...................................................... 79

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第1章 绪 论

第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

1960年初期，我国安全防范技术仅仅只是一个概念。到了1980年初期，安全防范技术在北京、上海、深圳等经济发达的地区得到了深入的研究和广泛地发展应用，这是安防行业的重要基础。安防技术在二十一世纪以后发生了突飞猛进的发展，智能建筑大厦、智能化的电子产品和数字网络产品在市场上蓬勃发展。安全防范产业逐渐成为中国经济发展中的一个非常重要的力量。中国也将会发展成为世界上最大的安全防范市场。

传统的周界安防报警系统中应用较多的主要有泄漏电缆式周界报警系统、主动红外线对射的周界警戒系统、微波墙式周界警戒系统、脉冲式电子围栏报警系统和视频监控系统等，虽然这些技术在一定程度上也达到了一定的安全防范的目的，但是仍然存在着许多技术缺点，越来越不能够满足人们对安防的需求。例如主动红外线对射的围栏报警系统比较容易跨过和翻越，只能在防护等级较低的场所应用，且受外界地形限制和恶劣天气变化的影响，误报率较高。微波主动对射的周界警戒系统中微波产生的剧烈的电磁辐射比较容易对人体造成无法想象的严重伤害，且高楼大厦等建筑物会对微波产生的强烈电磁干扰产生严重的影响，因此也会对系统产生严重的影响，使误报率升高。振动电缆和电子围栏等报警系统功耗比较大，因为这些系统的传感部分都是需要供电的，系统缺点是噪声信号和电磁辐射的影响会使系统误报率和漏报率有一定程度的提高、系统灵敏度降低、探测距离减短、入侵目标类型识别能力减弱。传统的周界安全报警系统具有较高的成本，探测距离短，误警率高，容易受到雷击等许多其他的缺点，所以在实际的应用中很多地方存在局限性[1]。

随着我国“平安城市”建设的不断深化，各类安防技术也日趋发展。 基于分布式光纤传感技术的周界报警系统对各种入侵进行及时识别和响应，并具有检测范围长、定位精度高、误报率低、成本低、容易安装、

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能抗电磁干扰、耐腐蚀能力强、能在多种环境下适用等优点[2]，能有效克服传统的周界安防系统的缺点。因此，数字化、网络化、集成化和智能化的光纤周界安全系统将成为未来安防产业发展的趋势。 1.2周界警戒系统国内外研究现状 1.2.1传统周界警界系统及性能对比

目前，成熟的周界安防警戒系统产品在国内外市场都比较多，应用较广泛的主要有以下几种: （1）泄漏电缆式周界报警系统

泄露电缆是一种具有特殊结构的电缆，它是将外面部分导体的一部分直接切割掉，同时也叫做泄漏感应电缆[3]。原理图如图1-1所示。系统缺点是防护等级较低，容易跨越，不能精确定位，误报率高，受地形条件限制及恶劣气候变化影响，出现故障维修困难。

报警控制台系统主机高频泄露电缆泄露电缆

图1-1 泄漏电缆式周界报警系统原理图

（2）主动红外线对射的围栏报警系统

主动红外线对射的围栏报警系统工作原理如图1-2所示，目前只有两光束、三光束和四光束这三种类型的主动红外入侵探测器，根据工作距离的不同来进行选择。其原理图如图1-2所示。主动红外对射的周界警戒系统的优点是外形简单美观、容易隐蔽而不被发现。其缺点是误报率较高、无法对入侵点精确的定位、检测距离较短、容易受天气等环境的影响、布设环境也比较单一。

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第1章 绪 论

红外发射器光学透镜红外光束光学透镜红外接收器报警控制器

图1-2主动红外线对射的围栏报警系统原理图

（3）脉冲式电子围栏报警系统

脉冲式电子围栏工作原理是脉冲式电子网络分布于周界围墙产生5000—10000V非致命的高压来阻挡入侵人员，且将信号传送到监控设备，当有入侵时接收端信号发生改变，监控设备发出报警并阻挡威慑 [4]。如图1-3所示。脉冲式电子围栏优点是方便安装、阻挡和威慑力较强。缺点是无法在较大的区域内准确的定位、易受雷电气候的影响、光纤电缆有一点损坏就会使整个围栏无法使用。

防区防区多防区声光控制模块防区探测器主机声光控制模块防区探测器电脑接警大屏幕电子图主控室 图1-3 脉冲电子围栏警戒系统原理图

（4）微波墙式周界报警系统

微波墙式周界报警系统原理如图1-4所示。它的优点主要是美观、安装方便、可以探测物体的具体形状。缺点是无法大范围定位、易受雷电和电磁影响、有辖射、耐气候性差、误报率高、布设环境单一。

驱动震荡发射天线接收天线放大检波判断报警控制器微波发射机微波接收机 图1-4 微波墙式探测警戒系统原理图

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（5）电磁感应式振动电缆报警器

电磁感应式电缆振动警报系统工作原理是当外力作用引起电缆振动时，电缆导体活动在切割线产生电信号。通过阈值判断来确定是否触发报警电路。电磁感应式电缆周界警戒系统的优点是容易安装、光纤铺设灵活简便、能在各种环境下稳定可靠的工作[5]。系统缺点是定位不准确、维修难度大、施工困难。

表1-1是将目前市场上应用相对广泛的几种报警系统性能特点进行了对比。

表1-1 各类周界安防产品性能比较

类型 性能 误报率 受环境因素影响

较高 较小 泄漏电缆式 主动红外对射式 高 大

脉冲电子围栏式 较高 小

微波墙式 高 较小 无法

无法定位 适中 较方便 弱 差 方便

大范围定位 短 较复杂 较强 较差 方便

长 复杂 较强 差 方便

长 方便 强 强 方便

无法定位

可以精确定位

电磁感应振动电缆式 较高 小

光纤周界方法 较低 较小

小范围定位小范围定位

定位

到100米，到200米，大范围无法大范围无法定位

使用寿命 工程实施 隐蔽性 被破坏可修复性 安装

长 较复杂 较强 较强 较方便

定位 短 方便 强 强 较方便

1.2.2光纤周界警戒系统国内外研究现状

自从20世纪60年代以来激光技术发展迅猛，且解决了光纤不能在长距离下干涉的难题，与此同时发展了光纤传感器应用于检测的技术。

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第1章 绪 论

自从低损的光纤及其敏感特性被研发出来后，光纤传感器得到了迅猛的发展和广泛的应用。光纤传感器是光纤传输的基本原理，光波的振幅，相位、偏振和光波波长，受外部因素使一个或几个变化直接或间接的特征参数，通过解调对应的特征参数可以监控外部因素的变化，从而将光纤作为传感器来检测各种物理参数。

在国外，美国海军研究所(NRL) 是最早开始研究光纤传感器系统的。后来日本、法国、英国、德国[6]也开始重视光纤传感器并对其进行了研究。日本的主要是研究如何利用光纤不受强烈的电磁干扰、可以在易燃、强腐蚀等恶劣环境下工作的特点来检测光信息。美国主要是研究如何将光纤传感器应用于航空、水下、核电站等领域，如何将其应用在了大型土木工程桥梁和电力系统等民用方面。

在国内，1983年第一次全国会议上光纤传感器得到了重视。目前国内高校如复旦大学、华中科技大学、电子科技大学等研究了光纤传感器。光纤传感器的实用性比较强，因此在桥梁、管道检测等许多领域其中的一些传感器得到了很好的应用。但是由于我国在研究传感器方面比发达国家晚了很多，因此还是存在着很大的差距，由于市场要求较高很多光纤安防产品还达不到要求要求，因此在市场上还不能批量的应用。

在发达国家，从20世纪90年代中期关于周界警戒系统中应用光纤传感技术的研究就开始了。国外研究比较多一些的是基于 Sagnac[7] 的干涉型结构的传感以及将两种结构完全不一样的干涉仪组合在一起的传感器。目前只有一些科技发达的国家掌握了这种技术的核心，如美国、澳大利亚、以色列等。

澳大利亚的FFT（ Future Fiber Technolog）公司研发出了具有世界领先地位的光纤入侵检测和定位系统[9]。系统是基于M-Z干涉传感器技术的分布式光纤传感系统，系统的主要主要组成包括微应变检测传感器和定位装置，FFT公司研制的分布式光纤周界警戒系统 Secure Fence缺点是相位解调技术比较复杂，定位精度不高。优点是是能实现长距离的监测，且每个监控单元的光纤长度可达 80km，系统的误报率不大于3％、定位精度能能达到25m以下，报警准确的概率不小于95％[10]。

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美国唯一一个通过军标认证的产品是由美国Fiber Sensys公司研发生产的光纤安全防护网络（FSN），90%以上的美国空军基地使用了该周界警戒系统进行安全防范。系统优点是防区有90，防区探测距离长，响应时间短。缺点是系统成本高、维护难。

以色列的Magel有限公司开发的Intelli-FIBER分布式光纤传感周界警戒系统有64个防区，其中每一个防区的最大探测距离可以达到1000米，系统响应时间最短为0.5秒，系统既可以单独布置防区也可以多个防区组合在一起布防[11]。

在国内，各大高校对光纤周界警戒系统的研究比较多些，例如一种基于Sagnac和M-Z干涉原理的定位技术就是上海复旦大学研究出来的

[12]

；华中科技大学研究出一种基于混合波分/时分复用的无源传感光网络

周界警戒系统，并实现了长距离大容量的监测 [13]；南开大学用时频分析法对M-Z干涉原理的分布式光纤振动传感系统进行分析，对外界各种入侵信号进行模式识别，从而实现对外界环境的智能感知[14]；北京交通大学研究出单光纤光栅和单光纤的周界安防系统，并实现了用单根光纤构成干涉来探测入侵行为与目标定位[15]。武汉理工大学的罗强等人利用 Sagnac 环干涉技术对光纤围栏系统进行单通道和四通道实验，通过在不同环境下的测量比较，找到了减少系统误报的方法[16]；电子科技大学的谢孔利等人基于高功率超窄线宽单模光纤激光（Φ-OTDR）技术设计的传感系统，定位精度可达±50米，测量范围14公里长[17]。在国内告警领域，分布式光纤周界报警系统得到了广泛的应用。如：工厂，港口，金融机构，军事基地等军事和民用领域。

虽然近年来,中国的光纤周界报警产品在短期内取得了良好的效果,但在快速发展的同时,也有许多缺点。主要表现为以下几个方面：（1）科研精力投入不够，自主创新性比较薄弱；（2）价格和误报率都偏高；（3）产品不能在任意环境下使用。 1.2.3光纤周界警戒系统发展趋势

最近几年来，随着国内外安防相关技术的迅速发展和市场需求的不

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第1章 绪 论

断增加，周界安防越来越受到重视。其中，在安全防范领域数字图像处理技术、计算机网络通信技术、智能警戒技术和人工智能技术等得到了广泛的应用。目前，国内安全防范行业主要向着数字化、智能化、网络化等方向发展[18]。 （1）数字化

现代安全防范系统对探测到的图像质量和清晰度都有比较高的要求，而传统的安防视频监控产品仍然采用的是功能和图像分辨率都很单一的模拟摄像机，因此无法满足需求。随着信号的采集、传输、处理和显示技术越来越成熟，数字IP相机逐渐取代了传统的模拟摄像机。与模拟摄像机相比IP摄像机无论图像质量还是图像分辨率都要高得多。因此，传统的由模拟同轴电缆来输入来得到视频和音频信息的方法将不会再被采用，数字化的安全防范产业技术将是通过各种IP网络来完成的。 （2）智能化

智能安防系统打破了传统的思维，使光纤报警产品有了更多的应用领域。如，网络视频监控系统中就使用了智能安防系统。由于物联网和互联网发展迅速，安防行业市场需求也越来越大。在未来，安全防范产业必将是物联网这个大平台下的“万物”之一。通过智能传感器芯片将信息进行及时传递，让人类与物联网得到实时的交互，给人们带来的新安防时代既安全又智慧。 （3）网络化

光纤周边报警产品分为两个层次：一是集中型的网络安全系统结构，有利于设备的合理配置和资源的充分共享，是未来安全系统的重要发展方向之一。另一个是安全防范行业服务的网络化，网络信息服务技术随着网络技术的迅猛发展也在不断增强，这项技术不仅突破了行业的定义，而且冲破了地域的界定，为企业的发展奠定了基础。以服务质量为特征的概念也将伴随着周界安防市场的发展而形成。

光纤周界报警系统具有比较高的可靠性、灵敏度和性价比高等的许多优点而成为了周界安防领域中最具有前景的产品类型。但是如何在各种复杂的外界环境下保证系统可靠性等一些问题还没有得到解决。如果

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将这些问题解决了，光纤周界警戒产品将会创造更大的经济效益及社会价值[19]。

1.3论文主要内容安排

本文主要对模式识别技术和系统定位技术进行深入研究。论文章节安排如下：

第一章重点阐述该研究课题的研究背景，分析周界警戒系统国内外研究现状，并与传统安防系统进行比较。探讨分布式光纤周界安防系统未来发展趋势。

第二章构建分布式光纤周界警戒系统结构并分析其工作原理及系统特点。对分布式光纤周界警戒系统主要的五个关键技术进行简要的分析。

第三章着重研究分布式光纤传感周界警戒系统的一个关键技术：模式识别技术。用时域法分析分布式光纤振动传感系统对外界人为的入侵干扰、微风细雨的干扰、动物攀爬的干扰、周期性的较弱的机械干扰这四种典型类型作用信号的响应特征，并用Labview软件进行仿真验证。

第四章研究分布式光纤传感周界警戒系统的另一个关键技术：系统定位技术。在分析研究几种干涉型光纤定位技术的基础上采用双M-Z 干涉技术对系统进行定位结构的设计，并对定位系统的重要参数—延时差的求取方法进行研究。研究改进后的相关算法来实现光纤传感系统的定位，并分析外界环境中影响系统定位精度的典型因素。

第五章设计系统的总体结构，同时提出了一些系统主要的技术指标。根据系统设计的要求对主要硬件进行选型，对系统入侵定位系统进行实验仿真，最后对定位仿真结果与实际结果进行比较和误差分析。

第六章全文总结与展望。

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第2章 系统原理、组成及关键技术

第2章 系统原理、组成及关键技术

在分析光纤周界警戒系统的组成结构和基本原理的基础上，探讨分布式光纤传感技术、模式识别技术、定位技术、系统信号解调技术、系统探测距离技术。重点研究了模式识别技术和定位技术这两个主要的关键技术。这对于系统的总体设计是十分必要的。 2.1系统基本原理

图2-1是光纤受外界作用示意图。

光纤光波的特征参量入射光波 振幅、相位、：出射光波 波长等外界因素

图2-1 光纤受外界作用示意图

光纤在外界压力下，可直接使干涉仪中传感光纤的长度L，光纤纤芯折射率n和光纤纤芯直径D的变化，导致光纤中传输光的相位变化。当光纤受到压力时，可得到相位的变化为：

????L?L?L?????n?L?D (2-1) ?n?DL其中，相位的变化量用??表示，光纤的长度用L表示，纤芯的直径用D表示，光纤的折射率用n表示，光纤的传播参数用β表示。

由于光纤直径?D引起的相位变化不大，与光纤长度变化量?L和光纤折射率变化量?n相比要小得多，因此可以忽略不计，式（2-1）可简化为：

????L?L?L???n (2-2) ?nL根据弹性力学原理，材料折射率的变化与所对

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应的应变?i的关系为：

??B1??B1?B0??P11P12P12000????????BB?BPPP0000??2??2?121112???B??B?B??PPP000?330???????121211? (2-3) ??B4??B4??000P4400????????BB0000P0?5??5??44???B??B??00000P?44?6??6???式中：P是作用在光纤上的压力，P44?(P11?P12)；

其中， ?1，?2是光纤对应的横向应变，?3是光纤对应的纵向应变，

1n是光纤材料的折射率： B1?2，?3??L/L；P11、P12是光纤的弹光效应，

12n1?B1?1n21?n1。

可得：

?n1?13n(P11?1?P12?2?P13?3) (2-4) 213n(P12?1?P11?2?P12?3) (2-5) 213n(P12?1?P12?2?P11?3) (2-6) 2同理可得：

?n2??n3? B4?B5?B6?0 (2-7）

又根据

k0?2?? (2-8)

??nk0 (2-9)

d??k0 (2-10) dn则式（2-1）可表示为：

????L?3?k0?ni i=(1,2,3) (2-11) P10

第2章 系统原理、组成及关键技术

知道外界的压力后，光纤应变的情况可以根据式（2-11）得知光纤干涉仪检测臂相对相移的变化，这样就把机械量转换成光学量。光弹效应可以准确地提取光纤受外部干扰的信息，这是光纤应变、应力和振动传感的理论基础[20]。 2.2系统组成及特点 2.2.1系统组成

基于分布式光纤传感的周界警戒系统是由光源发射模块、光纤光路传感模块、信号探测模块、数据采集模块、信号传送模块及信号分析处理模块组成，其基本组成结构如图2-2所示。

光源发射模块传感光路模块信号检测模块信号处理模块信号传输模块信号采集模块

图2-2 系统基本组成结构

对于分布式光纤传感的周界警戒系统而言，系统的每个部分对整个系统的功能的实现都起着至关重要的作用。在一般情况下，系统各个组成部分根据其功能可以分为传感光路、数据采集、信号处理这三个部分。 2.2.2主要模块功能

（1）传感光路模块：这部分的功能是既作为传感元件和又作为信息传输通道，可以实时的获得空间和时间上变化的被测量信息，实现安全防范区域周边信息的自动传输，如振动、压力、声波、磁场等。

（2）数据采集模块：该部分是外部设备与计算机连接的纽带，也是远程数据采集模块的通信平台。在一个电路板上集成了通信芯片、存储芯片等，使其能通过远程数据采集模块这个平台来语音通话、收发短消息、数据传输等功能，采集卡是数据采集模块的核心，它承担光电转换、A/D转换、数据采集、数据打包上传等功能。

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（3）信号处理：该部分功能是将探测器探测到的外界入侵信号进行调制解调处理后，利用LabVIEW 软件对接收到的入侵信号主要的特征参量，如：波形、幅值、相位和周期等做进一步的详细分析和处理，采用相关的一些算法实现对外界入侵信号的定位和模式识别。 2.2.3系统特点

系统在防范区域周围安装探测光纤，通过无源的光纤传感器网络实时感知周围压力、振动等情况，从而实现长距离入侵监测和无人值守等功能。并对入侵目标进行识别和报警，在有入侵时自动触发报警器。光纤周界警戒系统主要特点：

（1）系统采用无源传感器。系统传感部分使用的是振动传感光纤，不受电磁和磁辐射的干扰影响，避免了雷击对系统元件的损坏。由于不需要铺设电源信号线，不仅降低了施工成本，而且避免了线路老化造成系统的不利影响，从而降低了系统的维护成本。系统不需要供电，因此特别适用于不便铺设供电线路、易燃易爆和有强电磁干扰的场所。

（2）能够对入侵信号与系统自带的信号数据库进行比对，根据信号特征来分析识别出具体的入侵类别并能够准确定位入侵或断线位置，对减少产品误报率有一个质的突破，并可以有效地阻止非人为干扰信号的入侵。由于系统主要的部分都集中在控制室内，有效避免了入侵破坏行为对系统主要器件的损坏，从而大大降低了系统的维修费用，同时也增加了系统的使用寿命。

（3）该系统可在控制室实现联动报警，当有入侵行为时可及时对报警信息进行处理并启用联动设备。该报警系统的不同防区可以同时报警，且各个区域的分析信号和运行都是独立的，当有入侵位置不同且同时发生时，被入侵的不同防区可以同时报警且互相不影响。 2.3系统主要关键技术

基于分布式光纤传感周界警戒系统关键技术主要有：光纤传感技术，模式识别技术，定位技术，系统信号解调技术，系统探测距离技术等。

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第2章 系统原理、组成及关键技术

这里对这几种关键技术进行研究。 2.3.1分布式光纤传感技术

分布式光纤传感技术是利用光波在光纤传输特性来测量压力、温度等物理量的外部世界，光纤传感介质，并做测量的信号传输介质。分布式光纤传感技术具有一般光纤传感技术所没有的特点： （1）绝缘性和耐腐蚀性能好

（2）体积小、安装方便成本低、重量轻、可塑性强 （3）带宽大、损耗低、寿命长、适用于长距离传输 （4）可测参量多、对象广 （5）灵敏度高 （6）便于复用、成网

分布式光纤传感技术的一根光纤既可以传感又可以传光，可以在较大的范围内连续实时的测量来得到沿光纤上的大量的信息。分布式光纤传感部分结构简单，方便在被测量区域上直接铺设光纤，真正的实现了外界环境的分布式测量。原理如图 2-3 所示:

光源耦合器传感光纤探测器计算机

图 2-3 分布式光纤传感器原理图

分布式光纤传感技术最显著的特点就是能够进行连续分布式测量，具体表现如下。

（1）连续性。分布式光纤传感技术使得光纤沿任何一个点上的信息都能准确地感知，连续分布的监测解决了传统的监测点的缺失。全尺度连续性是全分布式光纤传感技术最有代表性的独特优势。

（2）嵌入式无损检测。由于光纤传感器的体积小、质量轻，方便在

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测物体内嵌入光纤传感单元，可以实现对被测物各部位应力、应变、温度、位移等全方位、全程无损监测。

（3）智能化。因为本身是光纤传感器，分布式光纤传感系统与光通信网络实现无缝连接，连接计算机网络，自动检测，自动诊断智能监控和远程测控。

进入21世纪以来，基于光纤传感的周界警戒系统得到了迅猛地发展，当前应用比较广泛的光纤传感周界警戒技术主要分为有以下几大类[21]：

（1）基于干涉原理的分布式光纤传感周界警戒系统。基于干涉原理的分布式光纤传感系统的基本原理是将激光光源发出的光波经过3分贝耦合器分成两个向相对方向上传播的光波，由于光波光程差不同会发生干涉，因此这两束光波会在耦合器处产生干涉效应。当两束光波受到来自外界入侵干扰的影响时可以产生不同的相位偏移而在耦合器处产生干涉，这种变化被光电探测器所检测到，并在信号处理系统中进行处理。

（2）基于(OTDR)技术的报警系统。基于(OTDR)技术的光纤周界报警系统的探测原理是，背向散射光产生干涉效应产生在光纤内部不同的位置，由于光相位的变化会导致光功率的变化，通过比较入侵前前和入侵后的光功率谱曲线来获取入侵点的置。

（3）基于多模光纤相干技术报警系统。基于多模光纤的光纤周界报警系统的基本原理，是由相干技术引起的机械变形时出现的一些点多模光纤传输的相干光，通过检测光相干干扰引起的信息的即可获取入侵位置。

（4）基于光纤光栅传感技术的光纤传感周界警戒系统。基于光纤光栅传感技术的光纤周界报警系统基本原理是当光信号进入到光纤时，外界的各种干扰入侵会引起光纤光栅的反射光信号发生变化，根据光纤光栅的反射波长发生的变化来探测外界入侵环境的变化。表2-1是对主要光纤周界系统技术特点的分析。

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第2章 系统原理、组成及关键技术

表2-1 光纤周界系统技术特点分析

技术类型

主要技术分类 Mach-Zehnder

基于光纤干

涉

Sagnac Miehelson Fabry-perot

原理

优点

缺点

光纤相位调制机理

①探测距离远、成①易受温度和偏本低；②灵敏度据振态变化影响；②实际情况可调；③多点扰动的定位安装方便、易维护。 能力差。 ①只需采用单根光①对光源和探测

基于光时域反射定位技术（OTDR）

B-OTDR Φ-OTDR P-OTDR

背向散射光干涉效应 多模光纤

纤；②监测距离长，器要求高；②对于可达几十公里；③多点扰动识别比实现入侵源位置定较困难。 位。

①使用多模技术，①探测距离短；②成本较低；②易于不具有分布式功维护管理

能。

①可精确定位；②①必须采用宽带抗干扰能力强；③大功率光源；②系传感单元独立。

统成本较高。

基于多模光纤相干技术 基于光纤光栅传感技术

Multimode-fiber 中传播光

相干

FBGS

光纤光栅传感原理

其中，最常见的是基于干涉原理的分布式光纤传感入侵系统和基于光时域反射原理的光纤周界报警系统。表2-2和表2-3分别对干涉型光纤传感技术和反射型光纤传感技术进行了对比分析。

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表2-2 干涉型光纤传感技术性能比较

方法

灵敏度

抗干扰能力

优点

缺点

①光路结构简单，对光①使用光纤较多，

Mach-Zehnder 较高

较强

源要求不高； 较好的振动特性。 ①信噪比和准确率相对

Sagnac

高

强

较高；

②能制成高性能低成本的器件。

①光信号损耗小；

Miehelson

高

强

②结构简单，只需一个3dB耦合器；

安装使用麻烦； 对称的要求。 ①定位算法复杂； ②不适于高频信号传感。 ①部分光会反馈进入光源； ②难保证两束光的强度相等。 ①制作工艺难度

Fabry-perot

高

一般

①结构简单，体积小； 较大； ②响应，可靠性高。

②元件的非线性，使信号失真。

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②解调技术简单，具有②两臂难以满足

第2章 系统原理、组成及关键技术

表2-3 反射型光纤传感技术性能比较

方法

灵敏度

抗干扰能力

优点

缺点

①能实现被测点的①传感距离短，系统结构复

基于瑞利散射

较高

较强

空间定位②测量精杂；②需要较长时间才能获度较高

得较高的信噪比。

①可长时间保证测①传感距离受到限制；②反量精度；②可获得光射光信噪比较高。

基于拉曼散射

高

强

缆上任意点温度的信息。

①探测距离较长；②①温度和应力交叉敏感；②

基于布里渊散射

高

较强

可确定散射点的位对光源和控制系统稳频性置

能要求高。

由以上可知，虽然基于光纤周界入侵监测系统的原理反射可以满足一般的要求，但技术有以下缺点：（1）对光源的要求较高；（2）后面的光纤瑞利散射信号弱，因此需要光学检测器；（3）多点干扰识别更加困难；（4）为了获得高信噪比，一般需要对脉冲多重检测的平均和实时监控。

而基于干涉原理的光纤周界入侵监测系统可以实现分布式测量、传感器便于安装、成本低廉、检测范围广、维护方便简单、灵敏度也可以根据实际的外界环境变化来调整，因此得到了广泛的应用。 2.3.2模式识别技术

模式识别是一个分布式光纤传感系统的重要组成部分，具有广泛的现实意义，因为在大多数应用中都不能实时监测和事故判断，而自动模式识别技术的发展有力地补充了系统的不足，使其更广泛的工程应用前景。

在非常复杂的环境中，要求分布式扰动传感系统能够判断是否应该报警，从而使系统虚警率和误报警率得到降低。因此，辨别能力和实时

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性是事件模式识别技术的关键。模式识别技术通常包含数据的采集、数据的预处理、特征值提取选择以及分类决策这几部分。目前的主要方法有：

（1）时域法。时域分析是通过解微分方程系统直接从形状随时间变化的规律进行了信号，然后根据相应表达式和过程曲线来分析系统的时间响应的全部信息，如平均作用力幅度、峰值个数、自相关性、下降和上升时间等信息，并以此作为入侵信号模式识别的依据。时域分析法的优点是计算量比较小、结果准确、容易理解、系统易于实现，缺点是可在系统实现时有一定的局限性。

（2）频域法。频域分析法研究的对象是信号的频谱，通过投影变换将信号变换成频域特征，得到信号的频域特征值，再找出每个模型集的特点，分析采集到的信号特点，并与模型集特点进行比较来进行模式识别。现在识识方法主要有神经网络和神经系统两种，但是这种方法需要大量的计算且比较复杂，要想得到良好的识别效果，就需要对特征向量进行较好的提取。

（3）小波分析法。采用小波变换方法是将信号展开，并在不同频段上提取信号特征。小波分析法是在被测信号时间和频率上的局部进行变换，能够将变换不具备和缩平移不变性信号中的但是小波，信息有效的提取出来，对接题解决进行收得到了解决的难很好的到的信号能放处理。即如果信号在时域有一个延时小波系数会发生很大改变[22][23]。

模式识别算法中衡量算法性能的重要指标是算法识别的准确率和算法的复杂度，尤其是对实时性要求比较高的系统，与国外的模式识别方法在家也提出了很多的方法，如：taopeilin提出多元统计原理的信号识别技术，该方法优化了对特征点的选取，但是在不同的环境中应用时需要对许多特征参数进行一些调整而限制了其应用[24]。Seedahmed等人提出了结合能级交叉的监督式神经网络事件识别技术，该方法能够准确识别入侵和非入侵行为[25]。曲志刚等人提出了多尺度混沌分析的新方法，这种方法的优点是能对多种常见的入侵事件进行有效的区分和识别判断；由于系统的计算量比较大二无法得到广泛的应用[26]。

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第2章 系统原理、组成及关键技术

2.3.3定位技术

事件定位是光纤周界安防系统的核心问题，因此国内外提出了很多不同结构的分布式光纤传感定位技术。1976年Barnoskim和Jensen[27]提出了基于瑞利散射的光时域反射技术，使得对待测信号的检测与定位在时域上得到了实现。但是该技术探测灵敏度低、检测距离较短，精确度较低，从而阻碍了其在安防领域的推广和应用。StephanusJ.Spammer提出了一种定位技术是基于萨格奈克/迈克耳逊干涉[28]原理的。这种技术的探测范围不大，只对高频信号探测比较灵敏。一种提出基于萨格奈克和马赫-泽德干涉

[29]

原理相结合的定位技术是由南非科学家

AnatoliA.Chtcherbakov在1999 年提出的，这种技术的探测距离比较短。一种基于双波长萨格奈克[30]干涉原理的定位技术是由英国科学家 Stuart J.Russell 在1999 年提出的。该技术对高频信息响应比较敏感，对低频信息的检测不够敏感，不能进行长距离的检测和对入侵点精确的的定位。另一种是基于sannac干涉原理的单光纤定位技术，但是该系统的应用范围非常有限，只有入侵信号的宽带较大时才可以使用该系统。

在分布式光纤传感系统中，定位技术的分类主要是看是否需要解调出干涉信号的绝对相位[31]。

（1）需要解调出干涉信号绝对相位。这种定位方法是利用分布式光纤传感系统含有两个基本的干涉结构，通过两个基本相位干涉仪输出信号的联立，消除外界入侵行加载到光纤上产生的光相位变化?（t)，因而得到外界入侵的位置信息。

（2）无需解调出干涉信号绝对相位。这种定位方法是利用干扰信号的相位有延迟，通过破坏干扰信号之间的相关特性来实现对外界入侵的定位。该方法减少后续信号处理中的多次积分以及对信号进行微分处理的程序。

2.3.4信号解调技术

该技术是从干涉仪的光强解信息中调出相位信息，从而对外界环境进行实时的监测。从光电探测器输出的光电流中解调出将被测振动信号

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的方法比较多，光纤相位调制信号的解调技术也得到了迅猛的发展 [32-36]。主要分为零差解调法和外差解调法。表2-4比较了不同解调方法的优缺点

零差解调方法分为主动零差法和外差零差法，是指信号光纤臂和参考光纤臂的输出光频率差为零。主动零差法又称为相位跟踪试验[37-39]。外差解调方法指的于零的频率差异参考光解调方法是信号光和是不等。外差解调方法分为经典外差法和合成外差法。其缺点是当光器件插入时会对光纤产生不良的影响，且系统功耗大。

表2-4 解调方法比较

解调方法 主动零差法 被动零差法 经典外差法 合成外差法

有无反馈系统 有 无 无 无

传感器是否有源 无 有 有 无

系统

是否需要

信号的

复杂程度 特殊干涉仪 失真性

低 低 中 高

否 否 否 否

好 差 差 差

2.3.5系统探测距离技术

系统最大可探测距离会受到单位距离光损耗、光纤长度、光源功率、各种器件连接损耗、探测器灵敏度等诸多因素的影响。其中，光功率的大小是影响系统探测距离的最主要的因素[40]。系统最大探测距离与系统光功率之间有如下关系：

单位距离光损耗×光纤长度＝输入功率－各种连接损耗－探测器灵敏度

通过上面的公式关系可以得知，系统的最大探测距离与输入的光功率成正比，与连接损耗和探测器的灵敏度成反比。其中：

1dBm）?10?log （p(mw) （2-12） 1(mw)

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第2章 系统原理、组成及关键技术

2.4本章小结

这里主要对分布式光纤周界警戒系统工作原理及各模块功能进行了阐述。重点研究了分布式光纤传感技术、定位算法技术、事件模式识别技术、信号解调技术、系统最大可探测距离这几个关键技术。为下一步系统的设计提供依据和思路。

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第3章 数据采集与模式识别技术研究

第3章 数据采集与模式识别技术研究

分布式光纤振动传感器的信号采集与模式识别是系统关键技术之一。这里将分析分布式光纤振动传感系统对外界各种干扰信号的响应特征并进行仿真验证。 3.1 LabVIEW介绍

LabVIEW语言和C语言和BASIC语言的区别较为明显[41-43]：①LabVIEW使用数据流编程，数据流框图程序由LabVIEW VI程序模块和功能节点之间在命令决定，而其他文本编程语由语句和指令的来言程序的语执行顺序决定；②C语言是以程序的形算机一样的控制式C语言是一种基于文本，而LabVIEW，是一种图形化写框图和BASI的编辑语言；③LabVIEW没有和言来生成代码其他计面板，它是采用可视化的软面板来替代常规的控制板。 3.2数据的采集 3.2.1数据采集卡原理

图3-1所示是数据采集卡的工作原理。当系统开始启动数据采集后，采集卡会将采集到的原始数据存储到采集卡自带的硬件缓存中，当该缓存中的数据量达到了用户所设置的要求时会一次性读取数据量的大小，这时候原始信号通过采集设备的USB接口传输给计算机，信号解调部分对采集到的信号进行解调处理，然后报警算法会对解调后的结果进行相应的处理，判断是否有入侵信号，并对入侵信号类型进行模式识别。

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图3-1 数据采集模块工作原理图

3.2.2 数据采集模块程序

分布式光纤入侵报警信号类型识别算法主要包括时域分析和频域分析和小波分析[44-45]，在本节将用时域分析法分析几种典型干扰信号的响应特性，并验证干扰。

系统通过Labview软件设计作用力的平均幅值、自相关、最大最小能量比值、峰值统计等程序模块VI来准确地识别和区分出外界入侵信号，从而降低了系统的误报率。图3-2所示是信号处理的框图。

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第3章 数据采集与模式识别技术研究

图3-2 信号处理框图

首先，通过采集卡采集到原始号码后，通过相应的解调算法进行解调处理，然后将解调结果通过报警算法来确定是否报警事件；最后，采用模式识别算法识别报警位置和报警位置的实时准确定位。

LabVIEW可以通过调用一些链接库来完成数据采集这一功能，连接库中本身包含了所有采集卡的相关操作，其中包括计算机和数据采集卡的连接操作，采集卡的初始化操作。数据的采集过程主要包括以下几个方面：配置硬件参数，数据采集开始，查询采集卡是否存在溢出，停止数据的采集，将断开计算机硬件和采集卡等[46]。通过调用这些函数，我们可以很快得到原始信号的实时围栏系统其数据采样流程如图3-3所示。

图3-3数据采集流程图

采集卡设备操作的原始代码如下图3-4所示。

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图3-4 数字信号采集程序框图

3.3典型干扰信号的响应特征

这里主要对四种典型类型的信号进行分析[47]。 （1）人为入侵干扰

图3-5是典型的认为入侵波形。人为入侵具有以下几个典型的特征：①人为入侵信号的幅度会有比较大的跳变，作用力的平均幅度和比值的计算值都比较大；②这时候信号存在的峰值比较多，因为在人为入侵的时候作用力的幅度是比较大的；③这段信号上升的速度比较快。通过这些特征可以有效地提取出人为入侵信号。

图3-5 人为入侵

（2）微风细雨干扰

图3-6是典型的微风细雨干扰波形。微风细雨干扰波形具有明显的特征主要有以下几个：①微风细雨干扰时，系统信号幅度值比一般的噪

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第3章 数据采集与模式识别技术研究

声信号要高一点且幅度分布比较平均；②在微风细雨情况下，光纤受到的干扰范围比较大，此时的能量比值也比较小，因为在整个时间段里信号幅度的跳变比较小；③此时系统从低电平上升到峰值这一过程比较缓慢，因为微风细雨的干扰信号是一个缓慢的过程。通过这些典型的特点，可以区分出微风细雨干扰的信号。

图3-6 微风细雨干扰

（3）动物攀爬干扰

图3-7是典型的动物攀爬的干扰波形。其波形具有以下几个特征：①当有动物攀爬时，此时系统受到作用力的平均幅度比入侵信号要小，且有较少的峰值数目；②光纤振动传感系统受到动物的攀爬干扰时，由于信号高电平的持续的时间较短且幅度分布均匀，因而此时得到的最大最小能量比值就会比较小；③对这种外界的随机干扰信号，可以计算信号的自相关函数，此时自相关函数会很难出现周期性。通过这些特征可以区分动物攀爬的干扰。

图3-7 动物攀爬干扰

（4）周期性的机械干扰

图3-8是常见的周期性机械干扰的波形图。周期性机械干扰波形具有以下几个特征：①在周期性的机械干扰情况下，波形中会产生周期性的峰值；②机械干扰情况下信号每次作用力的幅度较大，因此能量的比值也比较大；③由于是周期性的干扰信号，该自相关函数也具有相对明显的周期性的。根据这些特征可以区分周期性的机械干扰。

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图3-8周期性的机械干扰

3.4信号模式识别程序设计

这里主要从时域上来分析系统对外界各种典型干扰信号进行分析，该分析方法的优点是精确和直观。在时域上，波形的基本特征参量可以通过对入侵信号的波形进行直观的观察而获得。从波形上可以看出，能量是区别这些干扰信号的重要参数之一，通过进行能量比较可以有效区分这些干扰信号的类型。 3.4.1作用力的平均幅度VI

当传感光纤受到外界作用力时信号会发生变化，光纤受到外界作用力越大探测信号跳变的幅度也越大。因此，光纤受到的外界入侵作用力的大小可以通过统计在N1到N2这段作用时间光纤作用力的平均幅度的大小来反映。作用力的平均幅度的计算表达式如下:

En??nn2?n1x(n）t2?t1?1 (3-1)

式中，x(n)为输入信号序列，t1、t2为时间点。

图3-9 作用力平均幅度VI

3.4.2自相关VI

自相关是指在不同时间内信号函数值的相关性，能有效的对信号自身相似度进行检测。且在LabVIEW软件中有很多现成的程序模块VI可以

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第3章 数据采集与模式识别技术研究

直接对需要的函数进行调用，如图3-10所示是自相关VI。通过对自相关函数VI配置合适的参数，就可以对探测信号是否含有周期性的特征进行检测区分。

图3-10 自相关VI

通常情况下将自协方差方程也叫做自相关函数，自相关函数可以有效的区分信号自身是否存在周期性，其表达式为:

????? Rf(?)?f(?)?f(??)??f(t??)f(t)dt??f(t)f?(t??)dt (3-2)

????Rf(?)为自相关函数，t、?其中，“*”是卷积算符，f?()为取共轭，为时间。

自相关函数仿真如图3-11所示。

图3-11 自相关函数VI

图3-12 含噪声的正弦原始信号

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图3-13 原始信号自相关函数

3.4.3最大最小能量比值VI

当外部环境在弱干扰作用下长时间的变化时，可以通过计算最大和最小能量的比值来区分干扰信号，对于不同的入侵行为，其值是不同的，如当系统是风扰动效应时，反应系统的信号弱，系统信号能比其他人的能量入侵小，而且噪声能量比安静条件大因此，可以通过计算此时比值的大小就能有效的将入侵信号进行区分。设x(n)为输入序列，

Apeak?maxx(n)为该信号序列的最大值，信号的峰均比可以表示为：

Rpav??ik?jk1?0?02maximinj (3-3)

其中，K1、K2分别为在该时间段最大值和最小值的比例统计的总的点数。当外界有短时间的较强信号的干扰时，此时比值较大；而当输入序列含有较高的脉冲时，此时得到的比值参数比较大。图3-14是用Labview软件编写的比值计算的部分仿真图。

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第3章 数据采集与模式识别技术研究

图3-14 比值计算VI

3.4.4峰值统计VI

光纤的峰值数目受外界干扰影响，光纤的功率是通过检测的峰值操作可以得到在这个时候有一个数量的峰值；当外部干扰是连续的，该系统将一直处于高水平状态，通过检测的峰值操作可以得到在这个时候有一个峰值。LabVIEW中“过阈值的峰检测”可以实现峰值的检测和统计。

图3-15 阈值检测VI

3.5仿真结果与分析

由于条件限制而无法获取外界入侵信号，根据上文对典型信号特征的分析，利用Labview软件中虚拟信号发生器来模拟入侵信号。 图3-17用脉冲序列与噪声信号叠加并配置合适的参数来模拟产生人为入侵干扰；图3-19用均匀白噪声来模拟微风细雨干扰；图3-21用sinc信号与均匀白噪声叠加来模拟动物的攀爬干扰；图3-23直流波与周期性噪声叠

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加来模拟产生周期性较弱的机械干扰。观察系统在这四种作用力下的响应特征，然后计算它们各自的特征值。

图3-16 认为入侵干扰仿真程序

图3-17 人为入侵干扰

图3-18 微风细雨干扰仿真程序

图3-19 微风细雨干扰

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第3章 数据采集与模式识别技术研究

图3-20 动物攀爬干扰仿真程序

图3-21 动物的攀爬干扰

图3-22 周期性机械干扰仿真程序

图3-23 周期性较弱的机械干扰

根据虚拟仪器的设计，可以得到信号的最终比例、平均力幅值、峰值数目和自相关特性，利用信号特征值，可以快速准确地得到报警系统的具体类型。表3-1是分布式光纤周界警戒系统在上述四组典型类型信号作用下时域上的特征值。

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表3-1 四种信号时域上的特征值

信号特征值 人为入侵干扰 微风细雨干扰 动物攀爬干扰 周期性机械干扰

平均作用力幅度 自相关 峰均比 峰值个数

15 2 3 5

无 无 无 有

150 4 11 37

3 0 1 9

将表3-1中四种典型信号时域上的特征值与理论上分析的几种信号的响应特征值进行比较，可以知道这种算法是可行的。 3.6本章小结

对分布式光纤传感的周界警戒系统用时域分析法分析了人为入侵的干扰、微风细雨的干扰、动物攀爬的干扰、周期性的较弱的机械干扰这四种类型的外界入侵的时域响应特征值，并用Labview软件进行了仿真验证，证明了该算法是可行的。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d3hp.html