一种基于相位敏感光时域反射计的快速预警方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及周界安防光纤相位敏感光时域反射计等领域，特别是一种基于相位敏 感光时域反射计的快速预警。
【背景技术】
[0002] 相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR)是一种新型的分布式光纤传感器，能够对光 纤沿线一定范围内的振动信号进行远程和实时监测，同时，相位解调方法的提出，使得 Φ-OTDR实现了定量测量。相位解调精度高达0.lrad，确保了后续模式识别的准确性。在 Φ-0TDR中，一系列的脉冲探测光被注入到传感光纤中，对其回波进行相干检测和解调。扰 动点的位置通过回波的返回时间来确定；扰动信息在光信号的幅度和相位中体现，通过一 系列的相位解调方法获得。由于其优越的性能，Φ-OTDR在周界入侵检测、安防等领域具有 非常好的前景。
[0003] 通常，相位敏感光时域反射计检测到扰动信号时，系统会直接发出警报。但是，实 际应用中，相当一部分扰动信号是"安全"的，比如猫的走动、环境中的风等都会产生扰动。 不过，这些扰动是不需要发出警报的。为此，在发出警报之前对扰动信号进行简单的识别是 非常有必要的。
[0004] 现有技术一【H.F.TaylorandC.E.Lee.Apparatusandmethodforfiberoptic intrusionsensing.U.S.Patent5, 1993:194847.】中，相位敏感光时域反射计技术被首次 提出，但是采用的是直接探测的方法，采用强度信息作为系统的信号，出现扰动后，直接发 出报警。其信噪比差，难以对扰动进行有效的识别并有效预警。
[0005] 现有技术二【周俊，潘政清，梁可桢，叶青，蔡海文，瞿荣辉，光频分复用相位敏感光 时域反射计，发明专利，【申请号】201210124995. 3】提出了用于相位敏感光时域反射计的数 字相干检测、频分复用技术以及布里渊放大技术。该相干检测方法可以有效地解调出相位 信息，真实的反映光纤受扰动的变化，从根本上提升了系统准确度和可靠性；频分复用技术 则解决系统技术中干涉衰落的影响，提升了信噪比，为扰动信号的区分和识别打下了基础。 但是该技术中并没有对扰动信号的分类和预警方面进行研究。
[0006] 现有技术三【HuiZhu,ChaoPan,XiaohanSun,"VibrationPatternRecognition andClassificationin0TDRBasedDistributedOptical-FiberVibrationSensing System'，·SmartSensorPhenomena,Technology,Networks,andSystemsIntegration 2014】中，提出了一种改进的过零率方法，即LCR(levelcrossingrate)。该方法简单、快 速，在其实验数据中，可以看到不同种类信号间的差异非常小。可以推断，其错误识别率会 比较高。
[0007] 现有技术四【郑印，段发阶，涂勤昌，韦波，相位敏感光时域反射计识别入侵事 件算法，光子学报，44(1)，2015】在传统算法的基础上研究了时间域单点振动判断、空间域 相邻点振动判断、特征量峰值比例判断相结合的算法。Φ-0TDR中脉冲内干涉将不可避免地 产生衰落，对光强信号影响剧烈，必将严重降低基于光强度的算法的效果。
[0008] 此外，在模式识别领域还有一些其他的方法和技术，例如神经网络、模糊识别等。 但是这些方法非常复杂、运算耗时，不适合快速预警的应用，同时，这些方法往往需要大量 的训练模板。
【发明内容】
[0009] 为了克服上述在先技术的缺点，本发明的目的在于，提出一种基于相位敏感光时 域反射计的快速预警系统与方法，以期突破目前相位敏感光时域反射计在入侵检测预警等 领域发展所面临的运算耗时、技术复杂、训练模板要求多等关键问题。
[0010] 本发明的技术解决方案如下：一种基于相位敏感光时域反射计的快速预警系统与 方法，包括扰动监测与定位、扰动信号识别模块；
[0011] 扰动监测与定位模块：扰动监测部分是对相位敏感光时域反射计的拍频信号强度 进行差分；基于相位敏感光时域反射计的快速预警系统时刻监测该拍频信号强度差分，一 旦发生变化，则说明出现了扰动产生的扰动信号；定位模块则是利用光时域反射计回波的 时间差来确定扰动点的位置信息；
[0012] 扰动信号识别模块包括预处理、特征提取、模板训练、模式分类和后处理等部分模 块；预处理是对扰动点的相位时间信号进行简单的去噪等处理；预处理后的信号经过特征 提取得到扰动信号的特征；模板训练则是依据一系列不同类扰动信号的特征，构建多类信 号的模板；扰动信号的特征与预先设定的多种模板进行匹配，根据匹配度决定信号的种类， 即为模式分类。后处理则是针对模式分类的结果做出报警或者不报警等措施；
[0013] 所述的特征提取是依据过零率和短时能量法进行的；将扰动点的相位时间信号分 为若干帧；当某帧的过零率或者短时能量大于设定的阈值时，则将该帧的信号直接作为扰 动信号的特征信号；
[0014] 所述的特征提取是依据过零率进行的。将扰动点的相位时间信号分为若干帧。当 某帧的过零率大于设定的阈值时，则将该帧的信号直接作为扰动信号的特征信号。
[0015] 所述的特征提取是依据短时能量法进行的。将扰动点的相位时间信号分为若干 帧。当某帧的短时能量同时大于设定的阈值时，则该帧的信号直接作为扰动信号的特征信 号。
[0016] 所述的模式分类是将特征信号进行傅里叶变换，并求得频谱与各个模板的欧氏距 离。若特征信号与某模板的欧式距离小于其对应的阈值，则认为该扰动与此模板为同一类 信号，否则不是该类信号。
[0017] 所述的模式分类是求取特征信号的功率谱，并求得频谱与各个模板的欧氏距离。 若特征信号与某模板的欧式距离小于其对应的阈值，则认为该扰动与此模板为同一类信 号，否则不是该类信号。
[0018] 所述的模式分类是将特征信号进行傅里叶变换，并求得频谱与各个模板的欧氏距 离。若特征信号与某模板的欧式距离的平方小于其对应的阈值，则认为该扰动与此模板为 同一类信号，否则不是该类信号。
[0019] 本发明的具体原理如下：
[0020] (1)过零率与短时能量
[0021] 过零率通常用于提取幅度较小、振荡剧烈的信号，短时能量则用于提取幅度较大 的信号。两者均需要将待处理的信号分为多个帧。相邻的帧之间存在交叠，以确保信号的 连续性。
[0022] 通常，一帧的过零数ZCN表示为：
[0023]
[0024] 过零率ZCR用如下表达式计算：
[0025]
[0026] 其中N为该帧的长度，η为1到N的整数（η为序数，体现在累加和符号上）。sgn(x) 为符号函数，表不为：
[0027]
[0028] 过零率的表达式是多样的，此处所列举的仅作为说明，不应以此限制本申请的保 护范围。
[0029] -帧的短时能量则可以用如下几个表达式表示：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 这三种表达式分别适用于不同短时能量范围的信号，仅用于对该方法的说明，并 不限于此。