分布式光纖傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理算法的研究與實(shí)現(xiàn)

1、分布式光纖傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理算法的研究與實(shí)現(xiàn)蘇旭峰北京郵電大學(xué)光通信與光電子學(xué)研究院，北京（100876）E-mail：摘 要：基于馬赫-澤德干涉儀結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感系統(tǒng)通過檢測傳感光纖上光信號相位的變化來實(shí)現(xiàn)傳感光纖所覆蓋區(qū)域內(nèi)的安防保護(hù)。本文在介紹馬赫-澤德干涉型光纖傳感系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，著重討論了分布式光纖傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理算法的研究與實(shí)現(xiàn)，并詳細(xì)介紹了三類主要的報(bào)警算法。通過比對有效數(shù)據(jù)產(chǎn)生的事件特征值與數(shù)據(jù)庫模板（包括報(bào)警模板和誤報(bào)模板）間的相似程度，提高了系統(tǒng)報(bào)警的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：光纖傳感器，信號處理，事件特征值，模板匹配1. 引 言光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)80年代，伴隨著光

2、導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)發(fā)展而另辟新徑的一種嶄新的傳感技術(shù)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，光纖傳感器已經(jīng)成為當(dāng)今極具發(fā)展?jié)摿蛷V闊應(yīng)用前景的產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)外很多公司和科研機(jī)構(gòu)都開展了這方面的研究工作。如今傳感系統(tǒng)新技術(shù)的發(fā)展方向1為：開發(fā)新型傳感材料、開發(fā)多用途傳感系統(tǒng)、分布式傳感系統(tǒng)靈敏度的提高和成本的降低、傳感系統(tǒng)的智能化等。本文研究的分布式光纖傳感器是利用單模光纖作為干涉臂的馬赫-澤德干涉儀結(jié)構(gòu)來檢測信號的變化。通過檢測傳感光纖上光信號相位的變化來實(shí)現(xiàn)傳感光纖所覆蓋區(qū)域內(nèi)的安防保護(hù)。本文將詳細(xì)介紹信號處理算法的原理及其實(shí)現(xiàn)方法，對數(shù)據(jù)采集模塊采集到的有效數(shù)據(jù)調(diào)用相應(yīng)的算法進(jìn)行處理，通過與事件數(shù)據(jù)庫中報(bào)警誤報(bào)

3、模版匹配分析，準(zhǔn)確區(qū)分報(bào)警信號與誤報(bào)信號。2. 分布式光纖傳感系統(tǒng)簡介2.1分布式光纖傳感器原理分布式光纖傳感技術(shù)的原理2是：用光纖幾何上的一維特性進(jìn)行測量，把被測量作為光纖位置長度的函數(shù)，在整個光纖長度上對沿光纖幾何路徑分布的外部物理參量進(jìn)行實(shí)時連續(xù)的測量，獲取被測量在空間和時間上的分布信息。由于其能對被測量進(jìn)行實(shí)時測量，并獲得被測量在空間和時間上的連續(xù)分布，分布式光傳感技術(shù)得到了快速的應(yīng)用和發(fā)展。2.2馬赫-澤德干涉型光纖傳感器馬赫-澤德干涉型光纖傳感器3的原理如圖1所示。圖1 馬赫-澤德干涉型光纖傳感器原理圖馬赫-澤德干涉型光纖傳感器是由兩根光纖(信號光纖、參考光纖)組成，如圖所示。激光

4、器發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器分兩路至參考光纖和信號光纖中。信號光纖中的光信號在傳輸過程中受被測量調(diào)制成信號光；參考光纖的光不經(jīng)過調(diào)制直接作為參考光。兩束光再次相遇時發(fā)生干涉形成干涉光，此干涉光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)榕c被測量成比例的電信號。2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各功能模塊介紹分布式光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括三部分，即管理中心、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控設(shè)備，如圖2所示。圖2 分布式光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖管理中心通過與多臺監(jiān)控節(jié)點(diǎn)相連，可實(shí)現(xiàn)對于監(jiān)控區(qū)域的分區(qū)監(jiān)控。管理中心對各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一進(jìn)行操作、維護(hù)和管理。管理中心與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間的通信通過SOCKET實(shí)現(xiàn)。同時管理中心可以查詢各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控軟件事件記錄數(shù)據(jù)表。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)直接控制著

5、監(jiān)控設(shè)備、采集卡、算法模塊和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。監(jiān)控設(shè)備主要由光發(fā)送接受模塊和傳感光纖兩部分組成。圖3給出的是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功能結(jié)構(gòu)圖。圖3 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)圖其中：Ø 用戶界面模塊：主要完成系統(tǒng)的配置、狀態(tài)顯示功能?？蓪ΡO(jiān)控設(shè)備、采集卡、算法模塊和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的配置，并顯示各模塊的狀態(tài)信息，顯示報(bào)警、撤銷報(bào)警狀態(tài)等。同時也可對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢和讀寫操作，當(dāng)模板表發(fā)生變化時，用戶界面將該表內(nèi)容傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊，由相應(yīng)的算法進(jìn)行處理。Ø 數(shù)據(jù)采集模塊：定時查詢采集卡狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)采集卡采集到有效數(shù)據(jù)時，向用戶界面發(fā)送相應(yīng)消息，同時將采集到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并鎖定該有效數(shù)據(jù)。

6、6; 數(shù)據(jù)處理模塊：調(diào)用相應(yīng)算法，對采集卡采集到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到報(bào)警與否的信息反傳給用戶界面，同時將事件特征值表傳遞給數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。Ø 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模塊：根據(jù)用戶的配置要求，完成對時間特征值表的相應(yīng)操作，包括修改、導(dǎo)入導(dǎo)出、保存、刪除等。3. 數(shù)據(jù)處理算法的研究與實(shí)現(xiàn)3.1 信號處理概述分布式光纖傳感器的信號處理框圖4所示。圖4 信號處理框圖其中，報(bào)警算法模塊將采集卡采集到的有效數(shù)據(jù)根據(jù)不同的算法做相應(yīng)的處理，得到各算法所對應(yīng)的特征值，形成事件特征值表，然后將該事件特征值表與用戶選定的N個模板（包括報(bào)警模板和誤報(bào)模板）進(jìn)行相似性匹配，從而得到報(bào)警與否的信息反傳給用戶界面，用戶界面

7、根據(jù)報(bào)警信息對事件特征值表做不同的標(biāo)記，并將其寫入數(shù)據(jù)庫。3.2 報(bào)警算法的設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)當(dāng)采集卡采集到有效數(shù)據(jù)后，將采集到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并將該數(shù)據(jù)鎖定，同時向用戶界面發(fā)送DataReady消息。用戶界面接收到消息后，調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊中的相應(yīng)算法，對采集卡采集到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到報(bào)警與否的信息反傳給用戶界面，同時將事件特征值表傳遞給數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行保存處理。3.2.1 報(bào)警算法簡介報(bào)警算法模塊主要包括三類算法，即時域統(tǒng)計(jì)算法、頻域統(tǒng)計(jì)算法、峰值信息熵統(tǒng)計(jì)算法。主要針對三類實(shí)際信號的特征進(jìn)行分析：入侵信號，弱擾動信號和噪聲信號。從時域上看，當(dāng)一個標(biāo)準(zhǔn)的入侵事件產(chǎn)生的時候，信號的幅度會發(fā)

8、生較大的跳變，在事件發(fā)生的開始將處于一種較高的強(qiáng)度，同時事件會持續(xù)相對較長的時間；噪聲信號指示了系統(tǒng)在未發(fā)生擾動時的狀態(tài)，即信號處于一種長時間的低電平狀態(tài)；弱擾動信號介于噪聲與入侵信號之間，具有信號幅度跳變，但強(qiáng)度和持續(xù)時間都較弱。這種信號根據(jù)不同的需求既可以歸入入侵，也可以歸入噪聲。（1）時域統(tǒng)計(jì)算法時域統(tǒng)計(jì)算法采用通過分析信號的能量來得到時間的特征值。l 短時平均能量短時平均能量的表達(dá)式為： （1）該式的意義可以理解為，首先求取原始序列各個樣值的平方，再用一個移動窗選取出短時平方序列，并將每一段的短時平方序列求和得到短時平均能量值。l 峰均比有的時候，環(huán)境中可能會有這樣的信號，它們長時間地

9、以較弱較平均的作用力作用于傳感光纖，特點(diǎn)是幅度分布比較平均，但是幅度值更高。因此，這類信號包含比噪聲更大的能量，但又不屬于入侵?jǐn)_動。當(dāng)擾動事件持續(xù)時間與幀長相比較小的時候，區(qū)分這種信號與入侵信號的一個有效手段是使用峰均比參數(shù)。設(shè)為輸入短時序列，令為該序列的峰值，峰均比表示為： （2）該參數(shù)描述了輸入序列中是否具有含有較高脈沖擾動的特點(diǎn)。（2）頻域統(tǒng)計(jì)算法l 頻域平均能量能量在頻域上則體現(xiàn)為功率譜密度，所以使用功率譜估計(jì)的方法來分析信號的能量分布?？梢杂脜?shù)化方法估計(jì)信號功率譜密度，用AR過程為信號建模，通過計(jì)算AR系數(shù)來估計(jì)功率譜密度。通過對實(shí)際采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：入侵信號事件幀的能量分布

10、較噪聲信號有更為豐富的高頻分量；噪聲信號的能量僅分布在非常低的頻率上。l 3dB譜寬度可以選擇功率譜密度下降3dB的寬度作為信號的頻域特征。該參數(shù)對區(qū)分入侵信號和非入侵信號非常有效，在某些情況，弱擾動信號能量很低，其功率譜密度與噪聲之間的區(qū)別并不明顯，該參數(shù)在區(qū)分這兩種信號時會有困難。（3）峰值信息熵統(tǒng)計(jì)算法可以用隨機(jī)變量X的熵來描述一個有限離散概率場的不確定性。熵的定義式4是： （3）其中： （4）概率等大時，熵取最大值，其物理意義是X的概率分布越難以判斷，熵值越大，X所包含的信息量越多。對于輸入信號而言，可以借鑒熵的思想來描述信號包含信息量的多少，統(tǒng)計(jì)樣值分布在各個幅度區(qū)間的概率，計(jì)算熵值

11、。入侵信號的事件幀包含最高的信息量，弱擾動信號次之，噪聲信號包含最少的信息量。3.2.2 信號算法處理流程圖每種算法與其他算法之間的結(jié)果可以是“與”或“或”的關(guān)系該關(guān)系由用戶界面進(jìn)行選擇。以下假設(shè)有N種算法和M種識別模板，如下圖所示圖5 信號算法處理流程圖如上圖可知，當(dāng)采集卡采集到有效的入侵?jǐn)?shù)據(jù)信號時，根據(jù)用戶指定的算法對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得到入侵信號的特征值表，并與用戶指定的模板（包括報(bào)警模板和誤報(bào)模板）進(jìn)行相似性匹配處理，從而得到報(bào)警與否的信息，并記錄該事件特征值表。3.3信號算法的試驗(yàn)驗(yàn)證l 輸入模版：第一次選擇正常入侵產(chǎn)生的事件特征值作為輸入報(bào)警模版（可同時選擇多個），同時選擇平常

12、噪聲產(chǎn)生的事件特征值作為輸入誤報(bào)模版（可同時選擇多個）；第二次選擇正常入侵產(chǎn)生的事件特征值作為輸入誤報(bào)模版（可同時選擇多個），同時選擇平常噪聲產(chǎn)生的事件特征值作為輸入報(bào)警模版（可同時選擇多個）。l 測試波形：圖6 入侵事件與噪聲事件波形對光纜2監(jiān)控的區(qū)域施加正常入侵?jǐn)_動 ，而對光纜4監(jiān)控的的區(qū)域不施加任何擾動。l 測試結(jié)果：對于第一次選擇的模版，光纜2監(jiān)控的區(qū)域發(fā)生入侵報(bào)警，光纜4監(jiān)控的區(qū)域未發(fā)生報(bào)警入侵；對于第二次選擇的模版，光纜2監(jiān)控的區(qū)域未發(fā)生入侵報(bào)警，光纜4監(jiān)控的區(qū)域發(fā)生報(bào)警入侵。l 結(jié)果分析：在用戶指定的模版相似度閾值范圍內(nèi)，對于第一次選擇的模版，正常入侵產(chǎn)生的事件特征值與報(bào)警模版匹

13、配成功，發(fā)生入侵報(bào)警，噪聲產(chǎn)生的事件特征值與誤報(bào)模版匹配成功，未發(fā)生報(bào)警入侵；而對于第二次選擇的模版，正常入侵產(chǎn)生的事件特征值與誤報(bào)模版匹配成功，未發(fā)生入侵報(bào)警，噪聲產(chǎn)生的事件特征值與誤報(bào)模版匹配成功，發(fā)生報(bào)警入侵。4. 結(jié)論本文首先介紹了基于馬赫-澤德干涉型光纖傳感系統(tǒng)的原理以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各功能模塊，著重討論了分布式光纖傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理算法的研究與實(shí)現(xiàn)，并詳細(xì)介紹了四類主要的報(bào)警算法。當(dāng)采集卡采集到有效的數(shù)據(jù)信號時，通過比對該有效數(shù)據(jù)產(chǎn)生的事件特征值與數(shù)據(jù)庫模板（包括報(bào)警模板和誤報(bào)模板）間的相似程度，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確給出報(bào)警與否的信息。模板數(shù)據(jù)庫的引入，在提高系統(tǒng)報(bào)警的準(zhǔn)確性同時，為用戶根據(jù)自身

14、需求區(qū)分報(bào)警與誤報(bào)事件提供了方便。參考文獻(xiàn)1 Kazuo HotateFiber Sensor Technology TodayJapan: The Japan Society of Applied Physics，20062 I. AlasaarelaDistributed optical fiber sensorsFinland: University of Oulu，19993 廖延彪，黎敏，張敏，匡武光纖傳感器技術(shù)與應(yīng)用北京：清華大學(xué)出版社 2009年4 李亦農(nóng)，李梅信息論基礎(chǔ)教程北京：北京郵電大學(xué)出版社 2005年Research and Implementation of Data

15、 Processing Algorithmin Distributed Optical Fiber Sensor SystemSu XufengInstitute of Optical Communications and Photoelectron Science, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing (100876)AbstractThe distributed optical fiber sensor system, based on Mach-Zehnder interferometer structu

16、re,achieves the security protection covered by the sensing optical fiber by detecting changes in signal phase of sensing optical briefly introducing the principle, structure and function of the system, this paper focuses on the research and implementation of data processing algorithm and gives details of four major alarm improve the accuracy of system alarm, the ch